李 洪，王勇澎，王國(guó)強(qiáng)，李學(xué)飛，毛 瑞(.太原重工技術(shù)中心，山西 太原 03004；.吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 300)

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基于離散單元法的自移式破碎站鏟斗卸料沖擊分析

李 洪1，王勇澎1，王國(guó)強(qiáng)2，李學(xué)飛2，毛 瑞1
(1.太原重工技術(shù)中心，山西 太原 030024；2.吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

研究自移式破碎站在作業(yè)過程中物料從鏟斗下落時(shí)對(duì)料斗和板式給料機(jī)的沖擊，并準(zhǔn)確計(jì)算其沖擊力，根據(jù)離散元方法，采用離散元分析軟件EDEM，通過建立與實(shí)際作業(yè)條件相似的物料-鏟斗-受料斗-輸送機(jī)的離散元模型，對(duì)物料下落及碰撞過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，從而得到料斗的受力發(fā)布，為設(shè)計(jì)人員對(duì)料斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

自移式破碎站；沖擊力；離散單元法；EDEM

自移式破碎站在作業(yè)過程中，鏟斗落料沖擊是一個(gè)瞬時(shí)發(fā)生的過程，并且伴隨著巨大的能量變化，沖擊過程也往往伴隨著破壞的產(chǎn)生，被沖擊物體多數(shù)要被破壞，料斗各部位受力不確定。物料由連續(xù)介質(zhì)變成了非連續(xù)介質(zhì)，難于利用有限元法和實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行研究。

顆粒物料的運(yùn)動(dòng)除與本身力學(xué)性質(zhì)有關(guān)外，還與相關(guān)機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸參數(shù)和運(yùn)動(dòng)方式等有關(guān)，必須同時(shí)考慮機(jī)械部件與顆粒物料的相互作用及其動(dòng)力學(xué)問題。在離散元法中，系統(tǒng)由許多獨(dú)立的顆粒組成，這些顆粒的運(yùn)動(dòng)和位移都被單獨(dú)模擬，十分適合用于模擬離散問題。離散元法為我們研究鏟斗落料沖擊現(xiàn)象提供了一個(gè)有力的工具。

EDEM是基于離散元法的通用CAE分析軟件，可用于對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中顆粒處理和操作系統(tǒng)進(jìn)行模擬和分析。

1 建立物料-鏟斗-受料斗-輸送機(jī)的離散元模型

利用EDEM進(jìn)行離散元仿真與分析的基本步驟見圖1。其中，仿真模型的建立是進(jìn)行離散元仿真分析的基礎(chǔ)，模型的好壞直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 離散元仿真分析的步驟

1.1 接觸模型及參數(shù)的選取

在EDEM仿真模型中需要設(shè)置鏟斗、受料斗、板式給料機(jī)和巖石的物理屬性以及它們之間相互作用屬性，涉及的參數(shù)主要包括密度、泊松比、剪切模量、恢復(fù)系數(shù)及摩擦系數(shù)等。

研究過程中顆粒選用泥灰?guī)r，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，其密度為2200kg/m3，泊松比為0.35，剪切模量為1850MPa。巖石與巖石之間、巖石與鏟斗之間的接觸參數(shù)設(shè)置見表1。

1.2 顆粒模型的建立

在離散元仿真中，為了更準(zhǔn)確地模擬卸料沖擊過程，要求使用的顆粒形狀、顆粒大小及分布與實(shí)際的物料具有相似性。

為了便于仿真，將爆破后的礦石分為八種不同直徑的顆粒，其大小及分布見表2。

1.3 幾何體的定義

離散元模型中幾何體模型包括挖掘機(jī)鏟斗，受料斗和板式輸送機(jī)三部分。由于模型比較復(fù)雜，采用在UG中建立，然后導(dǎo)入EDEM中。在導(dǎo)入幾何模型之前，為提高求解速度，對(duì)于板式輸送機(jī)、鏟斗和料斗等結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，刪除不影響分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)，并忽略各處的倒圓角和倒角。根據(jù)實(shí)際工作需要調(diào)整鏟斗底部到受料斗的距離為3.5m。

表1 接觸參數(shù)

表2 鏟斗中的顆粒大小及分布

物料對(duì)受料斗的沖擊力與鏟斗的開斗運(yùn)動(dòng)有一定關(guān)系，挖掘機(jī)鏟斗實(shí)際作業(yè)過程見圖2，斗門的開斗運(yùn)動(dòng)是變加速運(yùn)動(dòng)，而EDEM軟件只能提供單向的勻變速運(yùn)動(dòng)，因此需要將鏟斗的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。斗底開啟到最大角度80°時(shí)的時(shí)間為2s，這個(gè)過程可以近似看做斗底勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為0.697rad/s。

1.4 創(chuàng)建顆粒工廠

顆粒工廠用于定義仿真中顆粒產(chǎn)生的位置、時(shí)間及方式，一個(gè)仿真模型中可以有多個(gè)顆粒工廠。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，本仿真的顆粒工廠按表3的方式設(shè)置，可以保證礦石顆粒的分布與實(shí)際相符，而且所需仿真時(shí)間較短。

圖2 簡(jiǎn)化模型及導(dǎo)入

表3 顆粒工廠的設(shè)置

圖3 受料斗及板式給料機(jī)組成件標(biāo)記

1.5 仿真計(jì)算

本研究的主要目的是提取鏟斗卸料沖擊過程中受料斗側(cè)壁以及板式給料機(jī)鏈板上的受力，為了便于后面的分析，這里對(duì)受料斗上的每一個(gè)結(jié)構(gòu)板進(jìn)行標(biāo)記，分別標(biāo)記為1～10。由于板式給料機(jī)鏈板數(shù)目較多，在分析受力時(shí)每五個(gè)鏈板分為一組，第一組標(biāo)記為A1，以此類推，見圖3。

完成仿真區(qū)域、時(shí)間及網(wǎng)格的設(shè)置以后即可開始仿真計(jì)算。當(dāng)鏟斗中的顆粒生成完之后，鏟斗斗底打開，顆粒物料在重力場(chǎng)的作用下自由下落。

2 離散元仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)束后，分別提取受料斗上每一個(gè)結(jié)構(gòu)板上以及板式給料機(jī)每一個(gè)鏈板上的受力，當(dāng)鏟斗中的物料全部落入到料斗中后，所有物料由A1～A4四組鏈板承受，因此，這里只提取A1～A4四組鏈板的受力，見圖4。從圖4中可以看出，當(dāng)物料在下落過程中對(duì)鏈板造成很大的沖擊力，最大沖擊力超過800kN。從圖3中可以看出，A1組和A2組鏈板上的物料多于A3組和A4組鏈板上的物料，因此，受力也大于A3和A4組鏈板上的受力。

圖5所示為受料斗各組成塊的受力，從圖5中可以看出，當(dāng)物料在下落過程中第2塊板的受力最大，最大沖擊力超過1500kN。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以在提取力時(shí)只提取了板3、板5、板7和板9的受力。

3 總 結(jié)

本研究從顆粒物質(zhì)的角度，利用離散單元法，對(duì)挖掘機(jī)滿斗物料的卸料過程進(jìn)行仿真模擬，對(duì)鏟斗卸料過程進(jìn)行沖擊分析。通過離散元仿真，提取了兩種工況下受料斗以及板式給料機(jī)的受力，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到的擬合曲線可以在鋼結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)有限元分析和整機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析中直接進(jìn)行加載。

圖4 下板式給料機(jī)鏈板受力

圖5 下受料斗各組成板的受力

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報(bào)告顯示：7月有色產(chǎn)業(yè)繼續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行

近日發(fā)布的中經(jīng)有色金屬產(chǎn)業(yè)月度景氣指數(shù)報(bào)告稱，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，2015年7月有色金屬產(chǎn)業(yè)景氣指數(shù)在“偏冷”區(qū)間運(yùn)行。有色行業(yè)整體趨弱，但仍顯示平穩(wěn)運(yùn)行態(tài)勢(shì)。

報(bào)告顯示，2015年7月，中經(jīng)有色金屬產(chǎn)業(yè)景氣指數(shù)顯示為22.5，較上月微升0.1點(diǎn)，景氣指數(shù)已連續(xù)5個(gè)月微幅回升，目前在“偏冷”區(qū)間平穩(wěn)運(yùn)行。2015年7月中經(jīng)有色金屬產(chǎn)業(yè)先行指數(shù)為61.5，較上月回落0.6個(gè)百分點(diǎn)，自4月份以來先行指數(shù)逐月回落。

報(bào)告預(yù)測(cè)，有色金屬產(chǎn)業(yè)運(yùn)行環(huán)境有所改善，有望繼續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。一是從國(guó)際經(jīng)濟(jì)環(huán)境看，全球經(jīng)濟(jì)有望維持緩慢復(fù)蘇態(tài)勢(shì)。二是國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)的一系列穩(wěn)增長(zhǎng)政策的效果將會(huì)逐步顯現(xiàn)，流動(dòng)性約束有望有所緩解。隨著長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶、京津冀一體化等一系列重大戰(zhàn)略決策的實(shí)施，有利于拉動(dòng)有色金屬的需求。三是制約有色金屬生產(chǎn)的原材料、電力供應(yīng)及運(yùn)輸環(huán)境較為寬松，有利于有色金屬企業(yè)維持正常生產(chǎn)。四是高技術(shù)含量、高附加值的深加工產(chǎn)品及新材料生產(chǎn)和需求將保持較快增長(zhǎng)。

Analysis of the impact on mobile crushing station when bucket discharging based on discrete element method

LI Hong1，WANG Yong-peng1，WANG Guo-qiang2，LI Xue-fei2，MAO Rui1

(1.Technology Center of Taiyuan Heavy Industry Co.，Ltd.，Taiyuan 030024，China；2.School of Mechanical Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China)

Based on discrete element method and by using EDEM (a discrete element analysis software)，the impact on the mobile crushing station hopper and conveyor in process of the material falling from the bucket is studied，and the impact force is calculated.After establishing the material - bucket - hopper - conveyor discrete element model，the discharge process is dynamic simulated，then the stress distribution of hopper is calculated.This research can provide theoretical guidance for the hopper’s design.

mobile crushing station；impact force；discrete element method；EDEM

2015-05-20

李洪(1980-)，碩士研究生，主要從事礦山機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

TD63

A

1004-4051(2015)09-0145-04