基于密實核理論的裝載機水平鏟裝阻力研究*

蔣 恒,諶炎輝,向上升

(1.廣西科技大學 機械與汽車工程學院,廣西 柳州 545006;2.廣西柳工機械股份有限公司,廣西 柳州 545007)

0 引 言

在采煤、建筑、橋梁建設等領域,都要用到裝載機的自動化鏟裝。因此,裝載機的工作性能受到了人們廣泛關注,如插入阻力大小[1]、作業(yè)能耗[2]以及作業(yè)的安全性[3]等。其中,鏟裝阻力會受到作業(yè)軌跡[4]、插入深度、操作水平[5]等因素影響,導致鏟裝阻力增加,影響裝載機自動化鏟裝的工作效率[6]。

許多國內(nèi)外學者已經(jīng)對此進行了深入的研究,并取得了豐碩的成果。YUAN Zheng-wen等人[7]提出了一種輪式裝載機作業(yè)時其鏟斗所受外載荷的測試方法,并通過實驗驗證了該方法的準確性,解決了裝載機鏟斗所受外載荷難以測試的難題;但該方法只適用于鏟斗所受載荷為靜載荷的情況下,無法測出裝載機在實際鏟裝過程中鏟斗受到的實時阻力。OSUMI H等人[8]研究了裝載機鏟裝過程中各個階段的鏟斗受力,對作用在裝載機鏟斗上的力進行了建模,并對鏟斗模型進行了實驗驗證;由于該研究僅僅建立了微型鏟斗鏟裝的實驗模型,對其研究結論需要進一步通過實際的裝載機鏟裝實驗來驗證。BI Qiu-shi等人[9]構建了一種用于機器人挖掘軌跡規(guī)劃的遺傳算法,以提高挖掘機器人的自動化程度,減少其作業(yè)阻力,優(yōu)化其挖掘時間,并通過試驗驗證了算法的有效性;但由于在挖掘機器人的測試試驗中,挖掘機器人挖掘的物料太過單一,導致該算法缺乏普遍適用性,該算法還需要進行優(yōu)化。TAKAHASHI H等人[10]根據(jù)裝載機鏟裝過程中料堆的變化情況,建立了裝載機鏟斗受力模型,并基于該受力模型求得了作用在鏟斗上的阻力;但是該受力模型中沒有考慮鏟斗兩側邊緣對物料的切削力,使得該受力模型缺乏可信度。

目前,學者們對裝載機鏟裝阻力的研究已經(jīng)取得了一些成果,但是仍有許多問題尚未解決。

當裝載機鏟斗插入料堆的深度加大時,雖然其鏟裝效率會提高,但是此時鏟斗的受力變得很復雜[11],不僅鏟斗受到物料的擠壓增強,還受到物料自身的塊度對其產(chǎn)生的影響,導致鏟斗齒與物料接觸的前方區(qū)域會形成密實核,使得鏟斗受到的阻力急劇增加,嚴重影響正常的鏟裝。同時,裝載機鏟裝過程中,密實核的形成和發(fā)育消耗的能量巨大,還會產(chǎn)生大量的粉塵,不利于裝載機節(jié)能,還污染環(huán)境。

針對上述問題,筆者將碎石作為鏟裝對象,通過裝載機自動鏟裝試驗獲得鏟裝數(shù)據(jù),以此分析鏟裝過程中,鏟斗所受水平阻力與密實核的關系。

1 密實核及其物料分析

1.1 密實核原理

在鏟斗與碎石開始接觸時,碎石首先會產(chǎn)生局部的彈性變形[12];隨著鏟斗向前推進,接觸點會產(chǎn)生較大的集中應力,當集中應力達到極限值,與鏟斗齒接觸的碎石在局部范圍內(nèi)會被壓成粉末,最后粉末會被壓成體積處于壓縮狀態(tài)的密實核。

鏟斗齒破石流程如圖1所示。

圖1 鏟斗齒破石流程圖

由圖1可以看出:在鏟斗鏟裝物料的過程中,鏟斗齒與物料從開始接觸到密實核破碎主要分為4個階段,且4個階段會循環(huán)下去,其中的前3個階段總稱為密實核階段。

在鏟斗的水平鏟裝階段,當鏟斗插入料堆一定深度,會因為物料之間的擠壓、物料的塊度以及滑移面的影響,在鏟斗齒前方形成密實核,使鏟斗所受水平阻力增大。

水平鏟裝阻力隨鏟斗插入深度變化的曲線如圖2所示[13]。

圖2 水平鏟裝阻力隨鏟斗插入深度變化曲線

由圖2可以看出:當密實核產(chǎn)生時,鏟斗水平阻力在極短的時間內(nèi)達到峰值;當密實核被擠壓破壞時,鏟斗水平阻力又在很短的時間內(nèi)達到較低點;然后鏟斗繼續(xù)鏟裝,阻力又快速上升,產(chǎn)生新的密實核。

1.2 物料特性試驗

由于軌跡規(guī)劃和水平阻力計算時需要碎石的特性參數(shù),筆者對碎石做了空隙率試驗和無底圓筒試驗,獲得了這些參數(shù)。

碎石空隙率和密度如表1所示。

表1 碎石空隙率及密度

由表1可以看出:碎石的空隙率平均值為39.9%,密度平均值為2 684 kg/m3。

無底圓筒試驗所需要的無底圓筒長度為1 m,直徑為400 mm,無底圓筒內(nèi)放入高度為70 cm的碎石,勻速提升圓筒,碎石落下形成料堆,如此對碎石進行8次無底圓筒試驗,然后對要鏟裝的料堆進行8次安息角測量。

安息角角度如表2所示。

表2 安息角角度

由表2可以看出:試驗安息角的平均值為36.29°,鏟裝料堆安息角的平均值為35.34°。由于鏟裝料堆安息角僅僅比試驗安息角小0.95°,可以忽略不計。

2 鏟斗水平鏟裝阻力分析

筆者首先分析鏟斗的受力情況,再通過滑移面理論模型推導出計算鏟斗所受水平阻力大小的公式,最后通過試驗得出鏟斗所受的真實水平阻力,以驗證本次試驗鏟裝過程中是否產(chǎn)生密實核。

2.1 鏟斗受力分析

此處筆者將裝載機在水平階段的鏟裝過程做簡單化處理,即鏟斗所受總的阻力可以被分解為物料作用在鏟斗各個部位的力。

鏟斗受力分析如圖3所示。

圖3 鏟斗受力分析F1—鏟斗內(nèi)物料對鏟斗施加的重力;F2—鏟斗下方物料對其施加的反作用力;F3—物料與鏟斗接觸產(chǎn)生的摩擦力;F4—物料作用在鏟斗齒和鏟斗邊緣的插入阻力;F5—物料滑移對鏟斗產(chǎn)生的力

由圖3可以看出:鏟斗所受的阻力主要可以分解為5個分量。由于在水平鏟裝階段鏟斗沒有轉動和提升,因此,作用在鏟斗垂直方向上的力影響很小,在水平鏟裝階段鏟斗主要受F3和F4兩個力。

接下來,筆者根據(jù)滑移面理論模型得出計算鏟斗所受水平阻力大小的公式。

滑移面理論模型如圖4所示。

圖4 滑移面理論模型ab—料堆表面;bc—滑移面;ac—料堆底部;FP—庫倫被動土壓力;Fr—料堆對鏟斗的反作用力;G—鏟斗內(nèi)物料重量;α—物料與鏟斗之間的靜摩擦角;β—物料顆粒間的靜摩擦角

把圖4中的兩個滑移面和料堆表面組成的三角形(abc)區(qū)域看做剛性滑動楔體,通過楔體的平衡狀態(tài)和重力G、庫倫被動土壓力FP、反作用力Fr三力平衡關系,求得鏟斗所受水平阻力,即[14]:

f=2FPsinα+K0γHSgcosκ

(1)

式中:f—鏟斗所受水平阻力,N;FP—庫倫被動土壓力,N;α—物料與鏟斗之間的靜摩擦角,°;γ—物料的單位重量,N/m3;H—鏟斗齒上面的物料深度,m;S—鏟斗齒上方物料的橫截面積,m2;κ—水平方向和鏟斗運動方向的夾角,°;g—重力加速度,m/s2;K0—材料插入阻力影響系數(shù)。

在一般情況下,密實核的長度很難實測出來,但可以通過公式估算出密實核的長度。

在水平鏟裝階段鏟斗形成的密實核長度估算值為[15]:

lt=1.2xdaKfK3/(0.7+0.23da)

(2)

式中:x—鏟斗插入深度,m;da—物料的平均直徑,mm;Kf—鏟斗形狀系數(shù);K3—鏟斗底與地面傾角的影響系數(shù)。

2.2 鏟裝過程產(chǎn)生的密實核

由于密實核主要在裝載機水平鏟裝階段產(chǎn)生,且鏟裝對象碎石的塊度、粒徑滿足密實核產(chǎn)生的條件,密實核階段鏟裝阻力的變化情況也可由圖2獲知,接下來筆者運用密實核理論,分析水平鏟裝階段的鏟裝狀況,并通過試驗獲取裝載機自動鏟裝過程中鏟斗所受實時水平鏟裝阻力,以此來對密實核是否存在進行驗證。

本次自動鏟裝測試試驗采用的輪式裝載機型號為856H,碎石的直徑為20 mm～60 mm。

首先,筆者將規(guī)劃好的軌跡和參數(shù)導入到上位機軟件,并下載到控制中心;然后系統(tǒng)根據(jù)導入的參數(shù)控制裝載機,進行自動鏟裝;最后由傳感器將鏟裝數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)采集儀,再將其導入電腦中,完成數(shù)據(jù)的采集。

實時水平鏟裝阻力隨時間變化曲線如圖5所示。

圖5 實時水平鏟裝阻力隨時間變化曲線AB—初始鏟裝階段;BC—密實核階段;CD—密實核破碎階段;A—鏟斗開始插入物料;B—密實核開始產(chǎn)生;C—密實核開始破碎(最大阻力點);D—密實核破碎結束

由圖5可以看出:水平鏟裝阻力在A點以一定斜率線性上升到B點,但在BC段水平鏟裝阻力的上升斜率突然變大,以極快速度到達峰值點C,然后又突然在很短時間內(nèi)降至最低點D,其變化趨勢和圖2中的趨勢一致。由此可以驗證出在本次鏟裝試驗中密實核在水平鏟裝階段存在。

在鏟裝過程中,為了避免密實核的產(chǎn)生,減小鏟斗的水平鏟裝阻力,鏟斗插入深度應該在B點之前。

3 試驗及結果分析

在本次試驗中,裝載機的鏟裝軌跡采用平行軌跡。

平行鏟裝軌跡如圖6所示。

圖6 平行鏟裝軌跡X—鏟斗的鏟裝軌跡到料堆表面的垂直距離;L—鏟斗插入物料的深度

本次試驗采用不同的X值(400 mm、425 mm、450 mm、475 mm、500 mm、525 mm、550 mm、575 mm、600 mm)進行裝載機自動鏟裝物料。

3.1 減阻方法

減阻是節(jié)約能耗的重要手段,其中避免密實核的形成是減阻的主要策略之一。為了解決密實核引起鏟裝阻力過大問題,筆者接下來將采用所得的試驗數(shù)據(jù),來分析該如何控制鏟斗插入深度,以避免密實核的形成。

在不同的X值下,密實核階段的最大鏟裝阻力如圖7所示。

圖7 密實核階段的最大鏟裝阻力

由圖7可以看出:密實核階段的最大阻力沒有隨著X的增加而增加,而是在103.5 kN～113.8 kN范圍之間波動。

在不同的X值下,密實核產(chǎn)生時鏟斗的插入深度如圖8所示。

圖8 密實核產(chǎn)生時鏟斗的插入深度

由圖8可以看出:當密實核產(chǎn)生時,鏟斗的插入深度也沒隨X的增加而增加,只是在202 mm～394 mm之間波動。

結合圖(7,8)可以發(fā)現(xiàn):密實核只會在鏟斗插入到料堆的固定深度范圍后才開始產(chǎn)生,也就是在202 mm～394 mm之間才開始產(chǎn)生,且密實核最大阻力之間最大也只相差10.3 kN。

結合以上信息可得出:當鏟斗的插入深度如果小于202 mm,就可以避免密實核的形成,且水平鏟裝阻力會減小,能耗也會降低;鏟斗的插入深度如果大于394 mm,就會產(chǎn)生密實核,導致其水平阻力增大,裝載機能耗增加。

3.2 油耗分析

密實核階段的最大鏟裝阻力比正常鏟裝的阻力要大很多,密實核的存在肯定也會導致鏟裝油耗增加。

接下來,筆者設計傳感器記錄下了整個鏟裝階段的油耗數(shù)據(jù),以此分析密實核階段油耗的具體情況。

在鏟斗插入料堆深度范圍相同的情況下,有密實核與無密實核的鏟裝單位時間油耗對比,如圖9所示。

圖9 單位油耗對比

由圖9可以看出:有密實核的鏟裝單位時間油耗要比無密實核的鏟裝單位時間油耗高出1.9～3.34倍。所以在節(jié)約能耗的前提下,鏟裝過程中避免密實核必不可少。

3.3 仿真與模型驗證

由于EDEM軟件可以比較真實地對裝載機鏟裝物料的作業(yè)過程進行仿真,還可以計算出鏟斗在鏟裝過程中的水平阻力[16],此處筆者運用EDEM仿真軟件對裝載機的作業(yè)過程進行仿真測試。

仿真過程如圖10所示。

圖10 仿真過程

在仿真之前,筆者先建立3 500×3 500×2 000(長×寬×高,單位mm)的料倉,然后在料倉里面生成料堆,導入鏟斗模型,設置相關參數(shù)(料堆安息角為36.35°,鏟斗插入料堆速度0.6 m/s),然后再進行仿真試驗。

材料特性參數(shù)如表3所示。

表3 材料特性參數(shù)

接觸參數(shù)如表4所示。

表4 接觸參數(shù)

接下來,筆者把相關參數(shù)代入到式(1)中,計算出鏟斗的理論阻力值,再將EDEM仿真阻力值數(shù)據(jù)導出;然后將理論阻力值和EDEM仿真阻力值與實際鏟裝得到的阻力值進行比較,以驗證滑移面理論模型和EDEM仿真的準確性。

由于密實核產(chǎn)生位置在料堆特定位置范圍產(chǎn)生,且密實核的最大阻力fmax相差不大,此處筆者只用一組試驗數(shù)據(jù)進行比較。

鏟斗阻力的理論值、仿真值與試驗值的比較如表5所示。

表5 理論值、仿真值與試驗值的比較

由表5可以看出:滑移面理論模型和EDEM仿真的誤差不超過7%,說明滑移面理論模型和EDEM仿真可以用來計算裝載機的水平鏟裝阻力。

4 結束語

為了解決密實核引起裝載機水平鏟裝阻力過大的問題,首先,筆者分析了密實核階段水平鏟裝阻力的變化情況,再設計了裝載機鏟裝試驗,獲取了水平鏟裝阻力變化情況,驗證了密實核的存在;然后,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)找到了避免密實核的方法,并做了有無密實核階段的油耗分析;最后,通過試驗數(shù)據(jù)驗證了可以求出鏟斗所受水平鏟裝阻力大小的滑移面理論模型和EDEM仿真模型的準確性。

研究結果表明:

(1)密實核產(chǎn)生的位置在固定的鏟裝深度范圍內(nèi),且鏟斗插入深度只要小于202 mm,就可以避免密實核的形成;

(2)在相同的鏟裝深度范圍內(nèi),通過對有無密實核階段的鏟裝單位時間油耗對比發(fā)現(xiàn),有密實核的階段要比無密實核的階段的單位油耗高出1.9～3.34倍;

(3)通過試驗驗證了滑移面理論模型和EDEM仿真的準確性較高,均可適用于裝載機鏟斗所受水平阻力的計算。

綜上可知,筆者對密實核和水平鏟裝阻力這方面的研究取得了初步的成果。

在后續(xù)的研究中,筆者將會研究避免密實核產(chǎn)生的其他方法,以及對裝載機鏟裝作業(yè)過程的優(yōu)化做進一步的研究。