工程机械岩石王铲斗

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１．２
颗粒模型
在离散元仿真时，默认的颗粒模型是球状模型。由于颗粒间的接触碰撞与颗粒的形状密切相关，如果单纯用球形颗粒进行模拟，那么终的仿真结果就可能是不准确的。为了更准确地反映物料的特性，需要根据具体情况，建立与之相应的较为准确的颗粒模型。许多学者在进行离散元仿真时，做了相关方面的研究，如表1所示。
离散元仿真除了要求使用的颗粒形状与实际的物料形状近似之外，还要求颗粒的大小、分布与实际的物料具有类比性。一般情况下，仿真中颗粒尺寸可以为实际尺寸的3倍左右，颗粒分布选取典型的正态分布或根据实际情况进行测定。
颗粒模型涉及的参数包括：物料与物料之间、物料与几何体之间的摩擦系数，物料的休止角，以及物料和几何体的刚度等。这些都是重要的接触参数，需要通过特定的
试验手段进行测定。例如：对物料进行压缩试验，从而测定物料的刚度；对物料进行休止角试验，测出休止角α
２离散元法在铲斗设计中的应用现状
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在土方机械的工作过程中，铲斗直接接触物料，在对
铲斗进行分析与设计时，需要以研究铲斗与物料相互作用的过程为基础。２．１
在装载机铲斗设计中的应用
装载机是一种广泛用于公路、铁路、水电、矿山等建设工程的土方工程机械，主要用于铲装土、砂石、石灰及煤炭等散装物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业[10]。装载机铲斗插入与铲取时，物料的变形以及铲斗所受工作载荷的研究，可为装载机铲斗载荷分析与优化设计提供参考。
Takaasi[11]在1998年对装载机铲斗的装载过程进行离散元仿真，并将提取的铲斗阻力与试验结果进行对比，利用离散元法实现装载机铲斗的仿真，为铲斗的分析与设计提供一种有效的方法。
随后，Coetzee[4]不仅建立了铲斗的仿真模型，还利用试验手段研究出确定物料微观参数的方法；在此基础上，将离散元法与用于连续模型的质点法的模拟结果进行对比[12]，并在2009年对铲斗的仿真模型进行修正，分别将装载阻力和铲斗内物
料体积的误差控制在20%和6%之内[5]。可见，Coetzee对装载机铲斗的离散元仿真进行了大量的研究工作，但对于装载阻力的分析，误差仍较大。Nezami[6]以CAT980G型装载机的铲斗为原型，对铲斗和土石的相互作用过程进行了离散元仿真，验证颗粒形状及大小对仿真结果准确性的影响。
图2为该型装载机铲斗挖掘过程的离散元仿真图，依次为可视化的铲斗水平插入物料堆、装满物料、
向上提升等工作过程。利用离散元法对装载机铲斗的挖掘过程进行仿真，可以提取铲斗所受载荷以及铲斗运动规律，为铲斗的设计提供有效途径，但颗粒模型的准确性直接影响仿真结果，目前仍需通过试验手段反复校核。
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1.加长臂挖掘机斗杆和铲斗运动速度过快问题
配装了加长臂的某型挖掘机，
由于其动臂和斗杆较长、工作范围较大，按正常挖掘机工作速度设定时，其动臂及斗杆线速度过快，操作手难以控制，容易发生安全事故。故需解决加长型工作装置动作速度过快问题。
2.选择改进方案
该型挖掘机工作装置的主控阀由先导压力油控制，先导压力油进入主控阀阀芯端部，推动主控阀阀芯左、右移动，将主控阀回路打开。主泵输出的压力油经过主控阀阀芯开口，再经管路输送到工作装置液压缸，如图1所示。
液压缸移动的速度与输入的流量成正比，减少输入液压缸的流量，可以使工作装置的速度降低。减少输入液压缸流量可采用3种方案，一是降低液压泵的流量，二是在管路中增加节流阀,三是减小主控阀的通径。
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单独在工作装置动作时降低液压泵的流量，会使工作装置主控阀结构复杂、成本提高;在工作装置液压系统中增加节流阀会使液压系统发热。这2种方法很难与配备标准工作装置挖掘机实现通用，因此这2种方法均不宜采用。经过分析，我们决定采用减小主控阀通径的方法进行改进。
主控阀的通径取决于其阀芯凹槽与其主进油油路开启截面面积尺寸。根据该主控阀阀芯行程和通流面积曲线可以看出，主控阀阀芯开启过程是逐渐增大的，阀芯行程越大，主控阀通流面积就越大。当阀芯运动到行程的末端，开口达到时，通过主控阀的流量达到。滑阀阀芯行程与面积特性曲线如图2所示。
由此可见，对主控阀阀芯进行限位，可以减小阀芯行程。
当主控阀阀芯向左、右端移动时，控制主控阀阀芯不能达到全行程，主控阀阀口开度不能达到值，就可减小通流面积，降低流向液压缸的流量，从而降低工作装置速度。
3.限制阀芯行程实施及验证
根据以析，我们设计了行程限位接头。
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铲斗铲装物料的过程涉及较复杂的颗粒-结构相互作用的问题，该问题又涉及土壤力学、散体力学等方面的研究，物料形态多种多样，环境变化复杂，系统试验和建模都比较困难。
离散元法（DEM，DiscreteElementMetod）是求解与分析复杂离散系统的运动规律与力学特性的一种新型数值方法。
该方法可以有效地描述非连续介质的散体运动，在模拟颗粒-结构相互作用问题方面非常适用，在铲斗设计领域也得到了一定的应用[1]。
１离散元法的基本理论及其研究现状
离散元法把离散系统看作具有一定形状和质量的离
散单元的，并根据其几何特征分为颗粒和结构体两个分系统，每个颗粒或结构体为一个单元，在运用离散元法进行数值模拟时，需对每个单元建模并进行模拟。颗粒与颗粒、颗粒与结构体之间存在接触与脱离、相对运动、接触力与能量的联系，离散元法通过循环计算的方式，跟踪颗粒单元的运动，然后利用颗粒之间、颗粒与结构体之间碰撞产生的能量交换，来求解与分析颗粒-结构相互作用的离散系统的运动规律与力学特性。
由于各单元直接通过接触产生能量交换，故建立的接触模型恰当与否将对研究结果产生重要影响；另外，颗粒间的接触碰撞又与颗粒的形状密切相关。因此，本文主要对接触模型和颗粒模型相关研究成果进行概述。１．１
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接触模型是离散元法的基础，可以描述任意形状的单元之间的接触，并且可以表述相互接触的颗粒或结构体单元的几何和物理特征[2-3]。其实质就是准静态下颗粒固体的接触力学弹塑性分析模型，通过接触模型的分析与计算，可直接得到颗粒所受的力和力矩的大小。
根据接触方式的不同，在离散元法中有硬颗粒接触和软颗粒接触两种：
（1）在硬颗粒接触模型中，忽略颗粒表面变形细节，认为颗粒之间的碰撞是瞬时完成的，碰后速度由接触过程中力对时间的积分得出，碰撞过程中能量的耗散采用恢复系数予以表达。该模型主要应用于快速运动、低浓度颗粒系统的数值模拟。
（2）在软颗粒接触模型（软球模型）中，允许颗粒碰撞持续一定的时间，并且在接触点处允许出现重叠，同时可以考虑多个颗粒的碰撞，计算时不考虑颗粒表面变形和接触力加载历史，根据颗粒间法向重叠量和切向位移计算接触力，计算强度大小。
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2.3.1接触模型的选取
对矿用挖掘机铲斗的挖掘过程进行仿真时，采用的是软球模型中的ertz-Mindiin无滑动接触模型，该模型能反映岩石与岩石之间、岩石与铲斗之间的接触特征。铲斗选用钢性材料Q460E，颗粒分别选用2种不同的岩石（后），其物理属性与接触参数设置如表3、表4所示。
2.3.2颗粒模型的建立
为了反映石料的特性，分别用3个和4个相同直径的球体以不同的方式进行排列组合，4种不同形状的矿石颗粒类型如图4所示。其中，颗粒类型1用来模拟扁平状或三角形的石块；颗粒类型2用来模拟立方体或金字塔形的石块；颗粒类型3用来模拟柱状或针状石块；
颗粒类型4用来模拟扁平状或长方形的石块。
在本课题研究中，根据后的矿石料堆的实际情况，将岩石分为5种不同直径的球体颗粒，其大小及分布如表5所示。
2.3.3铲斗模型的简化
离散元仿真时，为了减小计算量，需要在尽量不影响计算精度的情况下对铲斗模型进行适当的简化。主要从以下几方面着手：
1）忽略铲斗内表面的耐磨材料，通过调节摩擦系数来实现耐磨功能；
2）忽略倒圆角和倒角；3）删除多余结构，统一厚度；
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4）简化斗齿狭小部位的结构或删除斗齿。
本课题的研究对象为75m3矿用机械式挖掘机的铲斗，图5为其简化前后的模型对比。
2.3.4铲斗运动的添加
该矿用挖掘机铲斗沿着合理的运动轨迹进行挖掘，可以实现高效和低耗能作业，理想的运动轨迹是基于等切削角的对数螺旋曲线。由于铲斗的运动比较复杂，而
EDEM软件只能提供几何体单方向并且速度均匀变化的运动，因此需要将铲斗的运动进行简化。
本文将铲斗的运动转化为以下3种运动的合成：1）绕鞍座回转中心的转动；2）水平方向的移动；3）竖直方向的移动。
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