楊國彪, 王朝華, 王志霞, 趙炎龍, 馬立峰

(太原科技大學機械工程學院, 太原 030024)

近年來,隨著礦山行業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,大噸位的礦用自卸車被廣泛用于在大中型礦山開采過程中[1]。礦用自卸車是一種運輸效率高、運量大、靈活性強的大型露天礦產(chǎn)資源理想運輸工具,能適應礦山的特殊路況及裝載運輸過程中的特殊條件[2]。當?shù)V車行駛在復雜的顛簸路面或爬坡時,由于其體積大、裝載量多,導致整車行駛過程物料不穩(wěn)定,易出現(xiàn)晃動、撒料或翻車等安全事故。據(jù)統(tǒng)計[3],礦用自卸車輪胎失效事故中40%～50%的原因是由于撒料刺破輪胎造成的。因此,如何保證礦用自卸車行駛過程中廂斗內(nèi)物料的穩(wěn)定性,防止物料在運輸過程中大面積的灑落,是廂斗設計過程中必須要解決的問題。

影響礦用自卸車廂斗內(nèi)物料穩(wěn)定性的因素主要包括廂斗的安裝角度及廂斗側(cè)板后端的傾斜角度。廂斗安裝角度是指廂斗底板與水平面的夾角,由于礦用自卸車要求廂斗具備自卸功能,其安裝后底板通常與水平面傾斜一定角度,確保爬坡過程中物料不撒落;另一方面,廂斗側(cè)板后端與底板通常并非垂直設計,而是根據(jù)斗內(nèi)物料堆積形狀設計成銳角,可節(jié)省廂斗側(cè)板材料的使用量,減輕廂斗重量。當前,廂斗設計過程中的安裝角度及側(cè)板后端的傾斜角度缺乏理論依據(jù),僅依靠物料堆積形狀設計的廂斗在行駛過程中常常出現(xiàn)撒料現(xiàn)象,其主要原因在于礦用自卸車行駛過程中由于振動、爬坡等導致物料堆積形狀發(fā)生了動態(tài)變化。

物料自然安息角是散粒堆積體的重要物理特征之一,是散粒體在自然穩(wěn)定堆積狀態(tài)下的坡角[4],而物料的動態(tài)安息角是指機械設備在運動過程中其裝載的物料保持的最大安息角,兩者都可以反映礦用自卸車的穩(wěn)定性,通過對物料安息角的研究可為廂斗的結(jié)構(gòu)設計提供理論依據(jù)。劉萬鋒等[5]提出的滾動摩擦系數(shù)標定方法,為物料安息角的實驗提供理論指導;王建等[6]利用離散元軟件EDEM對固體填料進行分析,得出了安息角隨滾動和滑動摩擦系數(shù)增大而增大的結(jié)論;王洋海等[7]運用EDEM軟件模擬砂堆顆粒形成過程,研究結(jié)果表明顆粒材料密度越小,物料堆的安息角越大;Li等[8]通過實驗研究了不同速度下容器形狀對安息角的影響規(guī)律。由以上研究可知,相同物料在不同結(jié)構(gòu)內(nèi)部的安息角不同,研究廂斗在不同工況下內(nèi)部的動態(tài)安息角規(guī)律,可為廂斗的結(jié)構(gòu)設計提供理論指導。

現(xiàn)針對礦車行駛過程中廂斗內(nèi)物料穩(wěn)定性問題,基于離散元仿真技術(shù)[9]研究廂斗在不同安裝角度下物料的安息角變化,在此基礎上,基于礦山路面設計要求,提出廂斗側(cè)板后端傾斜角度設計建議,以期為廂斗的結(jié)構(gòu)設計提供依據(jù)。

1 廂斗結(jié)構(gòu)

如圖1所示,廂斗是礦用自卸車與裝載物料直接接觸的部件,由兩側(cè)板、底板、前板、前頂板4個部件焊接組成[10],各部件又由若干耐磨板焊接而成,A、B、C、D、E為廂斗側(cè)板外形的5個頂點。通常,礦用自卸車在設計時廂斗底板與水平面傾斜一定角度,即廂斗的安裝角度γ不等于0°,以便于廂斗在正常行駛過程中物料不撒落而在卸料工況下物料能夠靠自重滑出廂斗,實現(xiàn)自卸功能。因此,合適的安裝角度對廂斗內(nèi)部散體物料的穩(wěn)定性有著重要影響。

另一方面,廂斗內(nèi)物料堆積后形成一定的形狀,在物料安息角的影響下,廂斗側(cè)板后端與底板設計成銳角θ,如圖1所示,可減少側(cè)板體積,滿足廂斗輕量化的需求。同時,側(cè)板后端傾斜角θ不僅與物料的自然安息角有關(guān),還要考慮其他因素影響,防止礦車行駛過程中的振動、爬坡等因素造成物料的灑落。

2 物料自然安息角

自然安息角是指物料在水平地面上保持靜止狀態(tài)后,坡面與水平線的角度。首先研究物料在自然狀態(tài)下的安息角度,并給出詳細的邊界條件設置,為廂斗行駛過程中的物料動態(tài)安息角奠定基礎。

2.1 離散元模型建立

離散元技術(shù)是一種分析顆粒離散體物料的方法,通過離散元軟件可以模擬出物料的安息狀態(tài)。

根據(jù)物料自然安息角測量原理,首先建立漏斗模型如圖2所示,漏斗模型高度為3 000 mm,上端面圓孔直徑為2 562 mm,下端面圓孔直徑為1 062 mm。

以煤顆粒為研究對象,漏斗和煤顆粒材料屬性如表1所示,研究顆粒從漏斗口落至地面后并保持穩(wěn)定狀態(tài)時物料的自然安息角。煤顆粒并非完全的球形顆粒,分析選用如圖3所示的三球型顆粒。

圖3 顆粒模型圖

2.2 接觸模型及參數(shù)設置

目前常用的接觸模型有以下6種:Hertz-Mindlin無滑動接觸模型、Hertz-Mindlin黏結(jié)接觸模型、線性黏附接觸模型、運動表面接觸模型、線彈性接觸模型和摩擦電荷接觸模型[11]。由于煤顆粒不能被壓縮而且沒有黏結(jié)性,所以接觸模型選擇Hertz-Mindlin無滑動接觸模型。假設兩球形顆粒發(fā)生彈性接觸,由文獻

(1)

(2)

(3)

式中:E1和E2分別為兩顆粒材料的彈性模量,MPa;μ1和μ2分別為兩顆粒材料的泊松比;v1和v2分別為顆粒碰撞前的速度,m/s;r1和r2分別為顆粒的半徑。

兩顆粒間的切向力Ft計算公式為

(4)

煤顆粒在堆積過程中會與漏斗內(nèi)壁發(fā)生接觸,同時顆粒與顆粒之間也會發(fā)生碰撞從而使得物料的堆積狀態(tài)發(fā)生變化。選取煤與煤、煤與漏斗之間的接觸參數(shù)包括恢復系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動摩擦因數(shù)[13],具體數(shù)值如表2所示。

表2 接觸屬性參數(shù)

2.3 分析結(jié)果

將仿真總時間設置為999 s,數(shù)據(jù)每隔0.01 s保存一次,采用隨機位置產(chǎn)生的方式,煤顆粒生成總量為100 t。當仿真開始時,煤顆粒由漏斗正上方豎直向下掉落,每秒掉落的顆粒為500 kg。當?shù)孛嫔系念w粒靜止后如圖4所示,測得物料堆安息角為36.83°。

圖4 自然安息角測量

3 廂斗內(nèi)物料動態(tài)安息角研究

物料的動態(tài)安息角可以反映物料在運輸過程中的穩(wěn)定性,研究不同安裝角度對物料動態(tài)安息角的影響,為廂斗的結(jié)構(gòu)設計提供指導。首先建立廂斗簡化模型,然后在EDEM中分析廂斗不同安裝角度時物料的動態(tài)安息角,最后給出物料動態(tài)安息角的變化規(guī)律,提出合理的廂斗安裝角度建議。

3.1 廂斗簡化模型

首先,參考現(xiàn)有廂斗的尺寸,建立簡化模型如圖5所示,為了避免物料受廂斗側(cè)板傾角的影響,將側(cè)板后端角θ改為直角。

圖5 廂斗簡化模型建立

3.2 水平路面行駛工況分析

為了將測得廂斗內(nèi)物料的動態(tài)安息角與漏斗實驗測得的靜安息角對比,廂斗、煤顆粒的材料屬性及接觸模型設置的與第2節(jié)一致,廂斗簡化模型的底板與水平面夾角設置為0°～20°,每隔2°建立水平路面行駛工況下廂斗的裝載離散元模型。仿真開始時,位于廂斗簡化模型正上方顆粒產(chǎn)生平面產(chǎn)生顆粒,顆粒生成速率為10 000 kg/s,產(chǎn)生的顆粒沿著豎直向下的方向掉落,直至所有顆粒掉落在廂斗內(nèi),統(tǒng)計物料的安息角度。

物料動態(tài)安息角隨廂斗安裝角度的變化如表3所示,變化曲線如圖6所示,可知物料安息角隨廂斗

表3 正常行駛物料的安息角

圖6 物料安息角隨廂斗安裝角度的變化規(guī)律

安裝角度的增加而減少,當廂斗安裝角度為0°時,物料安息角為35.89°,小于物料自然安息角,主要原因是物料安息角受到廂斗結(jié)構(gòu)的影響難以達到如圖4所示的粒度分布。

3.3 爬坡工況分析

在大型露天煤礦礦區(qū)中,礦車由裝載機裝料完成后,要經(jīng)過多個坡路將物料運輸?shù)降V區(qū)外面,如圖7所示。礦車爬坡會導致廂斗內(nèi)的物料發(fā)生滑動,影響物料的裝載穩(wěn)定性,因此正常行駛工況下物料安息角不能當作物料穩(wěn)定性的評價指標,需要進一步研究礦用自卸車廂斗在安裝角度不同的情況下爬坡后物料的安息角。

圖7 礦車爬坡圖

根據(jù)《廠礦道路設計規(guī)范》(GBJ 22—87)[14],礦山的最大坡度值為11%,也就是說礦車每前進100 m,高度上升11 m,通過計算得出坡度值β為6.84°,按最大坡度7°計算。坡度計算公式為

(5)

式(5)中:i為坡度;h為高度差;x為水平距離。

將3.2節(jié)裝載離散元模型中的廂斗簡化模型順時針旋轉(zhuǎn)7°,建立各安裝角度下爬坡工況的離散元模型。礦車爬坡時廂斗不同安裝角度的物料安息角如表4所示,變化規(guī)律如圖8所示,可知廂斗的安裝角度為0°～8°時物料動態(tài)安息角不斷減小,8°～10°時物料動態(tài)安息角突然變大,在10°～20°時動態(tài)安息角快速下降。分析其原因,主要是不同安裝角度下物料因爬坡過程中物料受重心變化發(fā)生滑動現(xiàn)象導致的。

表4 爬坡行駛物料的安息角

圖8 側(cè)板后端物料安息角變化曲線

因此,對比圖6和圖8的分析結(jié)果,研究礦車爬坡后物料的滑動情況,將各安裝角度下礦車爬坡時物料的動態(tài)安息角減去礦車在水平路面行駛過程中物料的動態(tài)安息角和礦山最大坡度值,得到廂斗不同安裝角度下礦車爬坡時物料的滑動情況如表5所示,變化曲線如圖9所示,可知安裝角度為10°時物料基本不發(fā)生滑動,而在其他角度下物料滑動角度為1°～4°。為了確保廂斗內(nèi)部物料的穩(wěn)定性,建議將廂斗安裝角度設計為10°,可以避免礦車爬坡帶來物料滑動。

表5 物料滑動角度

圖9 物料滑動角度變化曲線

4 廂斗側(cè)板后端角度設計

隨著時代的進步,不難發(fā)現(xiàn)當前的廂斗在設計時為了滿足輕量化的需求,側(cè)板后端角θ并非是直角。然而,傾斜角度該怎么設定,在現(xiàn)有的研究中沒有相應的理論依據(jù),考慮到影響物料安息角的因素,在滿足礦用自卸車在行駛過程中物料不會撒出的前提下,實現(xiàn)側(cè)板后端角度的設計。

假設物料安息角為φ,安裝角度為γ,路面坡度為β,A、B、C、D、E為廂斗側(cè)板外形的5個頂點,廂斗物料平衡狀態(tài)下如圖10所示,考慮到發(fā)動機的振動、礦車制動、轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的慣性力會引起廂斗內(nèi)物料的滑動,設定一個安全系數(shù)λ來確保物料不會撒落,得到側(cè)板后端最小傾斜角度θ為

圖10 物料平衡狀態(tài)圖

θ=λφ+γ+β

(6)

根據(jù)載貨汽車貨箱的安全防護最低要求規(guī)定[15],礦車在啟動工況、制動工況、轉(zhuǎn)彎工況下物料對廂斗的影響分別是正常行駛工況的1.5、1.8、1.5倍,所以安全系數(shù)λ取1.5～1.8。

5 結(jié)論

(1)通過漏斗測得的自然安息角與簡化模型裝料測得的動態(tài)安息角進行對比,得出了由于物料的安息角受廂斗前板和側(cè)板的影響,使得物料的動安息角低于自然安息角。

(2)通過廂斗簡化模型裝料實驗發(fā)現(xiàn)物料的安息角會隨著廂斗安裝角度的增加而減小。在安裝角度不變的情況下,礦車爬坡側(cè)板后端物料的安息角會增加。為了避免廂斗內(nèi)物料撒落,建議安裝角度在8°～12°,最佳安裝角度是10°。

(3)針對礦車側(cè)板后端傾角大小設計的問題,分析了影響側(cè)板后端傾斜角度的因素,提出側(cè)板后端傾斜角度設計建議,為研究人員設計廂斗側(cè)板提供依據(jù)。