王勇澎，韓 鵬，畢秋實(shí)

(1.太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024；2.礦山采掘裝備及智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；3.吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，吉林 長春 130025)

0 引言

大型電鏟是露天礦山開采工藝系統(tǒng)的核心裝備，作業(yè)對象為性態(tài)各異的礦巖，工作載荷復(fù)雜多變，影響挖掘阻力的因素較多，傳統(tǒng)的工作裝置性能分析大多通過理論計(jì)算挖掘阻力，選取典型工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析結(jié)果和實(shí)際情況差別較大。為提高分析結(jié)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(jié)合多體動力學(xué)軟件ADAMS對工作裝置挖掘過程進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真分析，以獲取工作裝置在作業(yè)過程中的受力變化規(guī)律。

1 建立工作裝置虛擬樣機(jī)模型

1.1 剛性體模型導(dǎo)入

首先采用三維建模軟件UG建立三維模型，然后導(dǎo)入多體動力學(xué)軟件ADAMS中，需要在不影響仿真結(jié)果的前提下將電鏟工作裝置三維模型進(jìn)行合理簡化，以提高計(jì)算速度，導(dǎo)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(zhuǎn)平臺7、A型架8、繃?yán)K9、斗桿10等零部件組成。

1.2 施加約束條件

導(dǎo)入ADAMS軟件后的模型，其各零部件之間是毫無關(guān)聯(lián)的，根據(jù)工作裝置實(shí)際運(yùn)動情況，定義模型各部件之間的相對運(yùn)動，施加約束條件，建立虛擬樣機(jī)。各零部件之間添加的運(yùn)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(jī)構(gòu)中起到傳遞運(yùn)動和力的作用，即將提升卷筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為鏟斗的直線運(yùn)動，同時將鏟斗挖掘物料的反作用力傳遞至卷筒。動力學(xué)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(zhuǎn)平臺；8-A型架；9-繃?yán)K；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(shù)同樣無法準(zhǔn)確計(jì)算，通過預(yù)分析，將接觸參數(shù)調(diào)整為合適的狀態(tài)，具體的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 接觸參數(shù)設(shè)置

繃?yán)K采用多體動力學(xué)軟件ADAMS中的FE Part方式進(jìn)行建模。該方式直接將有限元梁單元無縫融入多體動力學(xué)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?yán)K共用10個梁單元進(jìn)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(guān)鍵部件起重臂的應(yīng)力信息，對其進(jìn)行強(qiáng)度校核，將起重臂柔性化處理，通過建立有限元模型，設(shè)置交互連接點(diǎn)，進(jìn)行模態(tài)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(dǎo)入多體動力學(xué)軟件ADAMS中進(jìn)行起重臂剛?cè)崽鎿Q。

圖2 起重臂柔性體模型

1.5 運(yùn)動參數(shù)確定

根據(jù)電鏟挖掘過程實(shí)際運(yùn)動情況，為工作裝置施加提升和推壓速度驅(qū)動函數(shù)，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(chǎn)生摩擦、碰撞等一系列復(fù)雜的作用，鏟斗的幾何形狀、物料的各項(xiàng)參數(shù)和運(yùn)動狀態(tài)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(shè)定物料密度、恢復(fù)系數(shù)、摩擦因數(shù)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(jìn)行仿真分析。

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

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

3 聯(lián)合仿真及分析結(jié)果

聯(lián)合仿真技術(shù)是通過技術(shù)手段將不同學(xué)科所建立的仿真模型以及數(shù)學(xué)計(jì)算模塊連接起來，構(gòu)成數(shù)字化的功能性樣機(jī)。本文基于DEM-MBD聯(lián)合仿真方法，模擬過程中將離散元軟件EDEM運(yùn)算的載荷信息與多體動力學(xué)軟件ADAMS運(yùn)算的位移信息通過ACSI編寫聯(lián)合控制文件進(jìn)行仿真計(jì)算[1]。 本文分別對模擬挖掘礦石和煤兩種典型物料進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。

3.1 挖掘阻力曲線

挖掘阻力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式是將其分解為沿斗齒尖運(yùn)動軌跡的切向分力Fτ與沿斗齒尖運(yùn)動軌跡的法向分力Fn，計(jì)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(shù)。

通過聯(lián)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(jì)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(lián)合仿真中的挖掘阻力波動很大，更為真實(shí)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)力變化

圖12為起重臂的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為109.65 MPa，在推壓軸位置附近。提取起重臂頂部附近點(diǎn)A和推壓軸位置附近上下表面的B、C、D、E共5個關(guān)鍵部位點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線，如圖13所示。挖掘過程應(yīng)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(yīng)力云圖

圖13 挖掘過程5個關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線

4 結(jié)論

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

(2) 基于準(zhǔn)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(yīng)力變化情況，分析結(jié)果可為設(shè)計(jì)人員提供理論參考。