地下鏟運機不同鏟裝方式下的離散元仿真研究

張元清，郭 鑫，3，趙曉燕，李恒通，石 峰

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.北礦機電科技有限責任公司，北京 100160；3.北京科技大學 機械工程學院 北京 100083)

智能化礦山建設是減人提效、實現礦山工業高質量發展的重要途經[1-2]。近些年來，礦山智能化發展建設突飛猛進，取得了一定成效，從中也反映出礦山智能化建設勢不可擋。地下鏟運機作為礦山開采運輸的重要交通工具，其設備的智能化控制也是不可或缺的重要一環[3]。為追求鏟運機自主作業下的高質量低能耗開采，需要對現有鏟運機不同鏟裝方式進行優選[4]。本文利用EDEM軟件對不同鏟裝方式進行仿真[5-7]，得出不同鏟裝方式下的鏟裝阻力、滿斗率等多參數變化情況，為鏟運機自主作業下鏟裝方式的選取提供一定的指導。

1 鏟裝方式

鏟運機在自主鏟裝作業時，需要考慮低能耗高質量鏟裝作業，為此需要對鏟裝方式進行選擇。不同的鏟裝方式其鏟裝姿態、工作油缸行程及車輛前進位移等參數有所不同，查閱文獻歸納得，現有鏟運機鏟裝方式主要集中在以下幾種[8]：

1)一次鏟裝法

鏟運機鏟斗底部平行于地面時，鏟運機向前行駛，推動鏟斗鏟入礦石料堆，直至鏟斗后壁和礦石料堆接觸，這時鏟運機停止前進。然后翻轉鏟斗或者舉升鏟斗完成鏟裝，如圖1所示，這種鏟裝方法是最簡單的鏟裝方法。

圖1 一次鏟裝法示意圖Fig.1 Schematic diagram of one shovel method

2)配合鏟裝法

在鏟運機向前行駛的同時，配合以轉斗油缸或動臂油缸的動作進行鏟裝作業，提升動臂并且翻轉鏟斗。這種鏟裝方式的目的是使鏟斗斗尖的軌跡與料堆形狀輪廓大致平行，承受較小的鏟裝阻力，提高鏟裝效率。如圖2所示。

圖2 配合鏟裝法示意圖Fig.2 Schematic diagram with shovel method

3)分段鏟裝法

如圖3所示，鏟運機采用分段鏟入和翻轉舉升的方法，即鏟斗鏟入一定深度后，鏟運機停止前進，翻轉鏟斗使礦石回落，然后再次鏟入和翻轉鏟斗以保證滿斗率。這種方法易損壞鏟斗零件，對工作裝置的強度有較大要求。

圖3 分段鏟裝法示意圖Fig.3 Schematic diagram of the segmented shovel method

2 不同鏟裝方式的EDEM仿真

本文仿真模擬鏟運機鏟裝過程中鏟斗受到的鏟裝阻力及相應時間段的鏟斗物料體積等特性。對于本文中的離散單元模型，做出以下設定：

1)礦石物料的種類為顆粒堆積，礦石顆粒屬于無粘性單體，并且在鏟裝過程中不發生顆粒的擠壓破碎或壓實粘結情況；

2)鏟運機工作前，礦石料堆已經形成有一定安息角的散體料堆，料堆整體狀態穩定；

3)仿真過程中鏟運機前進速度、鏟斗翻轉的角速度等采取勻速設定；

4)創建采場空間時，模擬實際鏟運機在礦山鏟裝物料時地下巷道情況，采用三面環繞，只留出一面進行鏟裝工作。

2.1 礦石料堆和鏟斗模型生成

查閱相關資料，設定礦石物料和鏟斗的材料屬性，如表1所示。

針對礦石物料和鏟斗的摩擦屬性設定如下，包括不同礦石物料顆粒間的自摩擦屬性和礦石物料與鏟斗間的摩擦屬性，如表2所示。

在設定好礦石料堆及鏟斗的相關參數后對其進行生成。實際礦山中，礦石爆破后產生的礦料顆粒其塊度、大小不一，但是塊度、大小在一定數值范圍內的占總礦料顆粒的絕大部分。本文采用由多球面絡合而成的多種顆粒模型來近似逼近實際礦石顆粒，設定顆粒的半徑大小服從N～(1，0.05)的正態分布，添加Factory顆粒加工工廠，設置合適的工廠位置和顆粒數目，讓顆粒自由落體生成礦石料堆，最終生成有一定安息角的穩定礦石料堆。

針對鏟斗的生成，先在ProE軟件中進行鏟斗的三維建模，生成parasolid(.x_t)格式，通過EDEM的前處理器Creator中的Geometries模塊導入鏟斗三維模型，最終礦石料堆和鏟斗模型的生成如圖4所示。

圖4 礦石料堆和鏟斗模型的生成Fig.4 Modeling of ore and bucket

由于礦石料堆通常為無黏性，因此選擇其接觸模型為軟件默認模型Hertz-Mindlin(no-slip)接觸模型，能更加貼近實際反映出顆粒間的作用力和變形、碰撞速度的變化關系[10]。之后給鏟斗添加相應的驅動來近似擬合不同鏟裝方式的運動狀態，EDEM仿真中提供了三種運動驅動方式：線性平移旋轉、正弦平移旋轉、傳送帶平移旋轉，可供選擇設置。

2.2 不同鏟裝方式仿真

為了清晰地觀察整個鏟裝過程中礦石料堆的形變，本文將采場空間和鏟斗進行透明度參數設定；并在EDEM后處理Analyst Tree中以鏟斗的中心面作為截斷平面，選取截斷平面一側模型觀察物料和鏟斗的相互作用情況。選取物料在鏟裝過程中的速度隨時間的變化來反映物料的變化。

1)一次鏟裝法仿真

根據一次鏟裝法的運動特性進行驅動添加仿真，把整個鏟裝過程分為鏟裝初期、鏟斗插入接觸到鏟斗后壁、鏟斗翻轉、鏟裝完成四個階段(見圖5、6)。

圖5 一次鏟裝法仿真過程Fig.5 One-time shoveling process simulation

圖6 一次鏟裝法仿真云圖Fig.6 Simulation cloud diagram of one-time shoveling method

2)配合鏟裝法仿真

根據配合鏟裝法的運動特性進行驅動添加仿真，把整個鏟裝過程分為鏟裝初期、鏟斗插入一定距離、鏟斗翻轉舉升、鏟裝完成四個階段(見圖7、8)。

圖7 配合鏟裝法仿真過程Fig.7 Simulation process of shovel-loading method

圖8 配合鏟裝法仿真云圖Fig.8 Simulation cloud diagram with shovel-loading method

3)分段鏟裝法仿真

根據分段鏟裝法的運動特性進行驅動添加仿真，把整個鏟裝過程分為鏟裝初期、鏟斗插入一定距離、鏟斗翻轉、鏟斗舉升、反轉鏟斗、鏟斗再次插入料堆、鏟斗再次翻轉和鏟斗再次舉升八個階段(見圖9、10)。

從圖9綜合分析可得：在鏟裝插入初期，料堆的變形和鏟斗受到來自物料的阻力都較小。隨著鏟斗的不斷插入，鏟斗開始擠壓物料，物料形變增大，而且鏟斗前方一定范圍內有被壓實的傾向，鏟斗受到阻力也逐漸增大直至物料接觸到鏟斗后壁時阻力達到最大；之后鏟斗翻轉或者舉升破壞了礦石物料間的擠壓和剪切，鏟斗受到的阻力開始下降；最終鏟斗脫離料堆，鏟斗內物料趨于穩定，鏟斗受到的鏟裝阻力逐漸減小穩定在某一定值。

圖9 分段鏟裝法仿真過程Fig.9 Simulation process of segmented shoveling method

圖10 分段鏟裝法仿真云圖Fig.10 Simulation Cloud diagram of segmented shoveling method

3 仿真結果分析

在EDEM仿真中，以鏟運機前進方向作為X軸的負向，Y軸正向豎直向上，Z軸正向按照右手原則垂直向里。通過EDEM后處理得到鏟斗在鏟裝過程中受到的鏟裝阻力總受力情況以及隨鏟裝時間鏟斗內物料體積變化情況，如圖11、12所示。根據不同鏟裝方式運動時長進行設定，在仿真中設定15 s起開始鏟裝，35 s鏟裝完成。

圖11 鏟裝阻力總受力Fig.11 Total loading resistance

阻力峰值Fmax和滿斗率分析：

定義F為鏟斗在鏟裝過程中受到的鏟裝阻力，kN；Fmax為鏟斗在鏟裝過程中受到的最大鏟裝阻力，kN。

滿斗率δ，即鏟斗隨鏟裝過程變化最終斗內的物料體積與鏟斗容量的比值，可以用式(1)表示：

(1)

式中，Vs—鏟斗隨鏟裝過程變化最終斗內的物料體積，m3；V—鏟斗滿斗時物料的體積，在此取2 m3。

對于鏟運機鏟裝物料的鏟裝效率，一般有兩種途徑，一是縮短鏟裝時間，二是增加單次鏟裝質量(體積)。為直觀表達其鏟裝效率，利用鏟裝滿斗率與時間的比值來表達其單位時間內滿斗率情況。其值越大，表明其鏟裝效率越高；反之，鏟裝效率越低。其單位時間滿斗率用式(2)表達：

(2)

由圖11、圖12可得，不同鏟裝方式在EDEM仿真中的相關參數比值：

圖12 隨鏟裝時間鏟斗內物料體積變化Fig.12 Volume change of material in bucket with loading time

其阻力峰值排序：Fmax3>Fmax1>Fmax2，阻力越大，越不利于鏟裝；

滿斗率排序：δ3>δ1>δ2，滿斗率越高，表明其單次鏟裝物料越多；

對不同鏟裝方式的單次鏟裝相關參數的分析，會導致數據樣本小，不足以歸納總結出規律。為此本文加大不同鏟裝方式的鏟裝次數，得到表3所示仿真參數。

表3 不同鏟裝方式下各仿真參數數據

從表3中可以看出，分段鏟裝法單次鏟裝滿斗率相比一次鏟裝法和配合鏟裝法都要高，但是其單次鏟裝耗時久，導致其單位時間滿斗率較低，并且其鏟裝阻力相對較大，對鏟斗強度要求高，很容易損傷鏟斗零件，因此不宜選取此種方式進行鏟裝。配合鏟裝法其單次鏟裝滿斗率低于一次鏟裝法的單次鏟裝滿斗率，但其單次鏟裝耗時短，并且鏟裝阻力較小，鏟裝綜合效率較高，是一種比較實用的鏟裝方式。

4 結論

對地下金屬礦山常見的鏟運機不同鏟裝方式進行了EDEM離散元力學仿真。通過搭建礦石物料顆粒及鏟斗模型并添加驅動等，以鏟裝阻力峰值、滿斗率、單位時間滿斗率等參數做為指標得出不同鏟裝方式下的各參數變化情況，篩選出綜合指標相對較好的鏟裝方式。配合鏟裝法鏟裝阻力小，有利于鏟裝順利進行；其鏟裝滿斗率略低于其他鏟裝方式，但其單位時間內滿斗率相比其他鏟裝方式大大提升，鏟裝效率高。為此選取以配合鏟裝法為主的鏟裝方式，為鏟運機鏟斗的鏟裝軌跡規劃及控制研究提供有效指導。