基于DEM-MBD的電鏟工作裝置聯合仿真分析*

王勇澎，韓 鵬，畢秋實

(1.太原重工股份有限公司 技術中心，山西 太原 030024；2.礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室，山西 太原 030024；3.吉林大學 機械與航空航天工程學院，吉林 長春 130025)

0 引言

大型電鏟是露天礦山開采工藝系統的核心裝備，作業對象為性態各異的礦巖，工作載荷復雜多變，影響挖掘阻力的因素較多，傳統的工作裝置性能分析大多通過理論計算挖掘阻力，選取典型工況進行靜力學分析，分析結果和實際情況差別較大。為提高分析結果的可信度，本文采用離散元軟件EDEM模擬電鏟鏟斗和物料之間的相互作用過程，結合多體動力學軟件ADAMS對工作裝置挖掘過程進行剛柔耦合動力學仿真分析，以獲取工作裝置在作業過程中的受力變化規律。

1 建立工作裝置虛擬樣機模型

1.1 剛性體模型導入

首先采用三維建模軟件UG建立三維模型，然后導入多體動力學軟件ADAMS中，需要在不影響仿真結果的前提下將電鏟工作裝置三維模型進行合理簡化，以提高計算速度，導入的電鏟工作裝置三維模型如圖1所示。由圖1可以看出，電鏟工作裝置主要由起重臂1、提升鋼絲繩2、鞍座3、斗提梁4、鏟斗5、提升卷筒6、回轉平臺7、A型架8、繃繩9、斗桿10等零部件組成。

1.2 施加約束條件

導入ADAMS軟件后的模型，其各零部件之間是毫無關聯的，根據工作裝置實際運動情況，定義模型各部件之間的相對運動，施加約束條件，建立虛擬樣機。各零部件之間添加的運動副情況如表1所示。

表1 各零部件間約束條件

1.3 鋼絲繩建模

提升鋼絲繩在工作機構中起到傳遞運動和力的作用，即將提升卷筒的旋轉運動轉換為鏟斗的直線運動，同時將鏟斗挖掘物料的反作用力傳遞至卷筒。動力學軟件ADAMS中沒有提供直接建立鋼絲繩模型的方法，本文中采用許多小圓柱剛性體通過軸套力(Bushing)柔性連接來近似模擬鋼絲繩。

1-起重臂；2-提升鋼絲繩；3-鞍座；4-斗提梁；5-鏟斗；6-提升卷筒；7-回轉平臺；8-A型架；9-繃繩；10-斗桿；11-頂部滑輪

提升鋼絲繩需要纏繞在提升卷筒以及頂部滑輪上，因此必須在鋼絲繩的離散體與卷筒、滑輪之間添加接觸力。接觸參數同樣無法準確計算，通過預分析，將接觸參數調整為合適的狀態，具體的參數設置如表2所示。

表2 接觸參數設置

繃繩采用多體動力學軟件ADAMS中的FE Part方式進行建模。該方式直接將有限元梁單元無縫融入多體動力學的求解過程中，是一種繩索類柔性體建模的新方式。建模時，每根繃繩共用10個梁單元進行模擬。

1.4 柔性體建模

為方便讀取整個挖掘過程中工作裝置關鍵部件起重臂的應力信息，對其進行強度校核，將起重臂柔性化處理，通過建立有限元模型，設置交互連接點，進行模態分析生成.mnf中性文件，起重臂柔性體模型如圖2所示，將其導入多體動力學軟件ADAMS中進行起重臂剛柔替換。

圖2 起重臂柔性體模型

1.5 運動參數確定

根據電鏟挖掘過程實際運動情況，為工作裝置施加提升和推壓速度驅動函數，速度曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3 提升速度曲線 圖4 推壓速度曲線 圖5 鏟斗物料堆積模型

2 建立離散元模型

大型電鏟挖掘過程中，鏟斗與物料之間產生摩擦、碰撞等一系列復雜的作用，鏟斗的幾何形狀、物料的各項參數和運動狀態等都對仿真分析得到的挖掘阻力有著一定程度的影響。

使用離散元軟件EDEM設定物料密度、恢復系數、摩擦因數和剪切模量等來反映鏟斗和物料、物料和物料之間的物理屬性。散料生成后，在重力的作用下自由堆積，可形成具有一定堆積角的料堆，如圖5所示。本文選取礦石和煤兩種典型物料分別進行仿真分析。

(1) 礦石：物料恢復系數0.65；摩擦因數0.3；滾動摩擦因數0.08；物料密度2.54×103kg/m3；堆積密度1.85×103kg/m3。

(2) 煤：物料恢復系數0.65；摩擦因數0.5；滾動摩擦因數0.05；物料密度1.28×103kg/m3；堆積密度0.87×103kg/m3。

3 聯合仿真及分析結果

聯合仿真技術是通過技術手段將不同學科所建立的仿真模型以及數學計算模塊連接起來，構成數字化的功能性樣機。本文基于DEM-MBD聯合仿真方法，模擬過程中將離散元軟件EDEM運算的載荷信息與多體動力學軟件ADAMS運算的位移信息通過ACSI編寫聯合控制文件進行仿真計算[1]。 本文分別對模擬挖掘礦石和煤兩種典型物料進行聯合仿真分析。

3.1 挖掘阻力曲線

挖掘阻力計算的經驗公式是將其分解為沿斗齒尖運動軌跡的切向分力Fτ與沿斗齒尖運動軌跡的法向分力Fn，計算公式為[2]：

(1)

其中：σm為挖掘比阻力；B為斗切削邊寬度；C為切削層厚度；Ψ為比例系數。

通過聯合仿真可以獲取挖掘礦石和煤過程中挖掘阻力的變化曲線，分別如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可以看出：仿真得到的曲線與理論公式計算的曲線整體具有一致性，說明仿真具有較高的可信度；同時，聯合仿真中的挖掘阻力波動很大，更為真實地反映了挖掘過程中鏟斗和不同塊度大小物料相互作用導致的挖掘阻力波動；在挖掘時間到4.5 s附近時，挖掘阻力最大，由于礦石比煤的比重大，挖掘礦石的阻力更大。

圖6 挖掘礦石阻力變化曲線 圖7 挖掘煤阻力變化曲線 圖8 挖掘礦石提升力變化曲線

3.2 提升力變化曲線

挖掘礦石和煤時的提升力變化曲線分別如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可以看出：挖掘礦石的最大提升力為1 800 kN，挖掘煤的最大提升力為1 050 kN，即在挖掘阻力最大時對應提升力最大。

3.3 推壓力變化曲線

挖掘礦石和煤時的推壓力變化曲線分別如圖10和圖11所示。由圖10和圖11可以看出：挖掘礦石的最大推壓力為642 kN，挖掘煤的最大推壓力為368 kN。

3.4 起重臂應力變化

圖12為起重臂的應力云圖，最大應力為109.65 MPa，在推壓軸位置附近。提取起重臂頂部附近點A和推壓軸位置附近上下表面的B、C、D、E共5個關鍵部位點的應力變化曲線，如圖13所示。挖掘過程應力總體變化趨勢和挖掘阻力變化趨勢相一致。

圖9 挖掘煤提升力變化曲線 圖10 挖掘礦石推壓力變化曲線 圖11 挖掘煤推壓力變化曲線

圖12 起重臂應力云圖

圖13 挖掘過程5個關鍵點的應力變化曲線

4 結論

(1) 通過選取兩種典型物料進行聯合仿真，獲取電鏟在整個挖掘過程中阻力變化，分析結果和理論計算結果一致。

(2) 基于準確的挖掘阻力，獲取挖掘過程中工作裝置提升力、推壓力和起重臂應力變化情況，分析結果可為設計人員提供理論參考。