基于多學(xué)科聯(lián)合仿真的液壓挖掘機挖掘阻力研究

龍亞

摘要：在300噸以上大型礦用液壓挖掘機的研發(fā)中，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件設(shè)計和液壓系統(tǒng)動力選配都離不開挖掘阻力等相關(guān)數(shù)據(jù)，缺乏挖掘機作業(yè)時的挖掘阻力，是目前國內(nèi)大型液壓挖掘機正向開發(fā)的瓶頸之一。本文結(jié)合某重工企業(yè)研發(fā)600噸大型正鏟液壓挖掘機的項目，基于多學(xué)科聯(lián)合仿真，采用多體動力學(xué)軟件ADAMS、離散單元法軟件EDEM等相關(guān)仿真軟件，研究大型正鏟液壓挖掘機挖掘阻力的數(shù)值模擬計算方法，并對挖掘阻力進(jìn)行分析，為企業(yè)正向開發(fā)提供設(shè)計依據(jù)。

關(guān)鍵詞：挖掘阻力;多體動力學(xué);離散單元法

中圖分類號：TH243? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0018-02

0? 引言

挖掘阻力是挖掘機工作過程中被挖掘物料施于鏟斗的反作用力，是其主要工作阻力，也是整個挖掘過程的外載荷。對于挖掘阻力的準(zhǔn)確評估是挖掘機工作裝置強度校核、液壓回路設(shè)計及驅(qū)動電機功率匹配的重要基礎(chǔ)，對大型液壓挖掘機的整體設(shè)計具有重大意義[1]。

以往多數(shù)挖掘阻力模型是基于實驗的經(jīng)驗公式，存在一定的局限性：①由于邊界條件的不同，實驗研究跟實際工況存在較大差異;②挖掘物料的非均質(zhì)、各向異性且不連續(xù)等特性造成挖掘過程的隨機性和復(fù)雜性，很難準(zhǔn)確評估挖掘阻力;③利用現(xiàn)場實測所得挖掘阻力，可作為挖掘機改進(jìn)設(shè)計的依據(jù)，驗證挖掘機性能，但對于新產(chǎn)品的開發(fā)，仍然需要與實際基本相符的挖掘阻力資料[2]。

近年來將物料作為獨立的不連續(xù)介質(zhì)點的集合體的離散單元法，是專門針對散體集合體受力時的運動規(guī)律和極限平衡的數(shù)值模擬方法，通過該方法并結(jié)合一定的相關(guān)實驗，能較為準(zhǔn)確地對挖掘阻力進(jìn)行評估[3]。本文基于多體動力學(xué)與離散單元法，采用聯(lián)合仿真的方式，探索大型正鏟液壓挖掘機挖掘阻力的數(shù)值模擬計算方法。

1? 多體動力學(xué)建模

大型礦用液壓挖掘機一般采用疊置式正鏟工作裝置，其工作裝置通用性強、操作靈活，本文主要研究挖掘機工作裝置的挖掘特性及受力分析，而不研究挖掘機回轉(zhuǎn)平臺和行走裝置的具體運動特性?；谀?00噸型液壓挖掘機UG三維模型，對其回轉(zhuǎn)平臺和行走裝置進(jìn)行簡化，連同挖掘機工作裝置分別導(dǎo)入多體動力學(xué)軟件ADAMS中，并保證ADAMS模型按照UG模型在同一坐標(biāo)系進(jìn)行建模：以挖掘機回轉(zhuǎn)中心軸線與停機平面的交點為坐標(biāo)系原點O;以挖掘機前進(jìn)方向作為X軸正方向;以前進(jìn)方向的左側(cè)作為Y軸正方向;以挖掘機回轉(zhuǎn)中心軸線豎直向上方向作為Z軸正方向，具體運動學(xué)仿真模型如圖1所示。

運動學(xué)仿真模型包括行走裝置、回轉(zhuǎn)平臺、動臂、斗桿、鏟斗，以及相應(yīng)的工作油缸：動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸。整個運動學(xué)仿真模型中包括5個運動驅(qū)動，如表1所示，通過這5個運動驅(qū)動即可實現(xiàn)液壓挖掘機運動學(xué)仿真分析，在對應(yīng)的運動副中添加運動驅(qū)動函數(shù)即可驅(qū)動工作裝置進(jìn)行典型挖掘工況的模擬挖掘。

斗桿挖掘工況是大型礦用正鏟液壓挖掘機最主要的挖掘工況，主要用于停機平面以上礦堆中下部的挖掘，挖掘過程中，動臂液壓缸伸出，決定起始高度;斗桿液壓缸收縮到最短行程附近;鏟斗液壓缸收縮調(diào)整到鏟斗斗齒與地面相切;先進(jìn)行一段水平推壓工況，使鏟斗水平插入礦堆一定深度;然后斗桿油缸由最短伸至最長，鏟斗油缸同時調(diào)節(jié)，完場挖掘工況;最后由動臂舉升整個工作裝置，使鏟斗脫離礦堆以達(dá)到卸料的要求高度。

2? 離散單元法建模

仿真礦堆的構(gòu)建直接影響到挖掘阻力仿真計算的精度，本文構(gòu)建的仿真礦堆是依據(jù)實際分析的東鞍山鐵礦塊度分布與分形分布特征所構(gòu)建[4]。挖掘機挖掘礦石的過程中主要考察的是礦石與鏟斗之間的相互作用，以及礦石與礦石之間的相互作用力，對于完全爆破情況下的礦堆，不考慮礦石顆粒之間的黏連作用，在離散單元法軟件EDEM仿真分析時選擇Hertz-Mindlin（no-slip）接觸模型作為仿真環(huán)境的接觸模型。其中的材料屬性參數(shù)（泊松比、密度、剪切模量）以及材料之間的接觸參數(shù)（靜摩擦系數(shù)、滾動摩擦系數(shù)、碰撞恢復(fù)系數(shù)）主要依據(jù)Barrios的研究成果來確定[5]。

EDEM軟件中所生成的仿真礦堆如圖2所示，礦石顆粒總數(shù)量到達(dá)了20萬數(shù)量級以上，總質(zhì)量超過1千噸，礦堆寬度為10米，高度到達(dá)11米左右，構(gòu)建大規(guī)模的仿真礦堆能進(jìn)一步保證仿真挖掘的精度，使挖掘機在一次挖掘以后對礦堆整體不會造成影響，保證其邊界條件要求。同時對于大規(guī)模的仿真礦堆，礦石之間的力學(xué)性質(zhì)也更符合實際情況，能保證計算過程中其內(nèi)部接觸力的準(zhǔn)確性。構(gòu)建完成的礦堆自然堆積角約為40度，這與自然狀態(tài)下鐵礦石自然堆積角為40度左右相一致，礦堆密度略小于1.8t/m3，空隙率略大于40%，能較好的符合一般自然爆破情況下鐵礦空隙率為40%左右的要求。

3? 聯(lián)合仿真挖掘阻力

利用基于離散單元法所構(gòu)建的東鞍山鐵礦仿真礦堆，在EDEM軟件中匹配與ADAMS軟件一致的挖掘機工作裝置相對運動，確保UG模型、ADAMS模型與EDEM模型單位和坐標(biāo)相一致，聯(lián)合仿真完成該型600噸液壓挖掘機的典型斗桿挖掘工況。進(jìn)行一次完整的聯(lián)合仿真斗桿挖掘工況后，鏟斗中礦石裝載量達(dá)到53噸，該型600噸液壓挖掘機的鏟斗容量為32m3，礦堆密度按照1.8t/m3計算，滿載質(zhì)量為57.6噸，此次挖掘裝載率達(dá)到92%，較高的裝載量說明此次仿真挖掘較好的發(fā)揮了該型號挖掘機的裝載能力。整個挖掘工作過程中鏟斗所受的挖掘阻力可從EDEM軟件的后處理模塊中導(dǎo)出，如圖3所示。

如圖3為整個聯(lián)合仿真斗桿挖掘過程中鏟斗所受挖掘阻力的曲線圖，最大挖掘阻力為1680kN。整個挖掘阻力曲線可分為5段：OA段，鏟斗未接觸到礦石，阻力為零;AB段，為鏟斗平推階段，隨著鏟斗插入礦堆的深度不斷增加，阻力也不斷變大;BC段，為斗桿挖掘前半階段，隨著挖掘的進(jìn)行，鏟斗中逐步裝入礦石，鏟斗也不斷深入礦堆，阻力增長到最大，并在一定時間內(nèi)在最大阻力附近出現(xiàn)波動;CD段，此階段為斗桿挖掘的后半段，鏟斗中充滿了礦石，并隨著挖掘動作的進(jìn)行，鏟斗開始脫離礦堆，鏟斗與礦堆的接觸減少，表現(xiàn)為挖掘阻力不斷減小;DE段，此時鏟斗已全部脫離礦堆，為動臂舉升階段，此階段鏟斗的受力為斗內(nèi)礦石的重力，基本保持不變。

4? 結(jié)語

挖掘機作業(yè)時的挖掘阻力，是大型正鏟液壓挖掘機正向開發(fā)的重要參數(shù)之一，本文基于多學(xué)科聯(lián)合仿真，采用多體動力學(xué)軟件ADAMS、離散單元法軟件EDEM等相關(guān)仿真軟件，通過數(shù)值模擬計算得出大型正鏟液壓挖掘機的挖掘阻力，為大型液壓挖掘機的正向開發(fā)提供了設(shè)計依據(jù)，同時對基于離散單元法的顆粒物質(zhì)力學(xué)研究及其工程應(yīng)用有一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫剛，韓維國.挖掘機的靜態(tài)挖掘阻力分析[J].一重技術(shù)，2008（04）：29-30.

[2]林貴瑜，李愛峰，李奎賢.確定挖掘阻力關(guān)鍵因素值與方法的研究[J].東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010（12）：1761-1764.

[3]Karmakar S， Kushwaha R L. Dynamic modeling of soil–tool interaction： an overview from a fluid flow perspective[J]. Journal of terramechanics， 2006， 43（4）： 411-425.

[4]曾世奇.露天爆堆塊度分布譜[J].金屬礦山，1993（06）：17-25.

[5]Barrios G K P， de Carvalho R M， Kwade A， et al. Contact parameter estimation for DEM simulation of iron ore pellet handling[J]. Powder Technology， 2013， 248： 84-93.