地下铲运机铲装阻力分析*

□ 张元清 □ 郭 鑫,3 □ 姜 勇 □ 高泽宇 □ 王 凯

1.矿冶科技集团有限公司 北京 100160 2.北矿机电科技有限责任公司 北京 100160 3.北京科技大学 机械工程学院 北京 100083

1 分析背景

实现地下铲运机的智能铲装控制,一方面要结合地下铲运机工作装置的运动学模型建立地下铲运机工作装置运动学方程,另一方面要结合地下铲运机铲装过程中铲斗受力情况进行铲装轨迹的规划[1-3]。目前,关于铲运机的运动学模型,国内外学者已有相当多的研究[4-6],如Koivo[7]应用Denavit-Hartenberg齐次变换矩阵法建立完整的铲运机运动学模型,浙江大学对挖掘机器人基于齐次变换矩阵进行运动学建模等。国内外学者对铲运机铲装过程力学性能的研究经历了从试验中归纳经验公式、利用散体力学和土力学原理理论计算、数值模拟计算等阶段[8-9],但是由于矿石料堆本身属性的差异性,并没有找到合适完善的数学模型进行描述归纳,因此铲运机铲装过程阻力研究进展相对缓慢。笔者应用EDEM软件仿真生成矿石料堆颗粒,导入铲斗模型,并设定合适的铲装动作,完成地下铲运机铲装阻力仿真分析。

2 矿石料堆模型

在仿真模拟地下铲运机铲装物料的过程中,除了需要在EDEM软件的前处理器中创建颗粒模型外,还需要导入在ProE三维软件中创建的铲斗模型。

笔者对离散单元模型做以下设定[10-12]:

(1)矿石料堆的种类为颗粒堆积,矿石颗粒属于无黏性单体,并且在铲装过程中不发生颗粒的挤压破碎或压实黏结情况;

(2)地下铲运机工作前,矿石料堆已经形成有一定安息角的散体料堆,矿石料堆整体状态稳定;

(3)仿真过程中,地下铲运机前进速度、铲斗翻转角速度等为匀速;

(4)创建采场空间时,模拟实际地下铲运机在矿山铲装矿石堆料时地下巷道情况,采用三面环绕,只留出一面作为铲装工作空间。

查阅相关资料,设定矿石料堆的材料属性,见表1,其中阻力因数、摩擦因数为矿石颗粒与矿石颗粒间的物理参数。

表1 矿石料堆属性

设定矿石料堆相关参数后,进行模型生成。实际矿山中,矿石爆破后产生的矿石颗粒主要为球体颗粒、椭圆体颗粒、不规则扁平体颗粒,为此,笔者采用由多球面络合而成的多种颗粒模型来近似逼近实际矿石颗粒。多球面络合颗粒物如图1所示。

▲图1 多球面络合颗粒物

矿石颗粒尺寸大小及数量不一,为此设定了正态分布来描述矿石颗粒尺寸大小及数量间的关系。设定矿石颗粒的半径大小服从N(1,0.05)正态分布,添加颗粒加工工厂,设置合适的工厂位置和颗粒数量,使矿石颗粒自由落体生成矿石料堆,最终生成有一定安息角的稳定矿石料堆。矿石料堆模型如图2所示。

3 铲斗模型

从设备材料中选取并设定铲斗属性,见表2,其中阻力因数、摩擦因数为矿石料堆与铲斗间的物理参数。

▲图2 矿石料堆模型

表2 铲斗属性

在ProE软件中建立铲斗的三维模型,生成.x_t格式文件,通过EDEM软件前处理器中的Geometries模块导入,如图3所示。

▲图3 导入铲斗三维模型

由于矿石料堆通常为无黏性,因此选择接触模型为软件默认的Hertz-Mindlin(no-slip)模型,这样能更加贴近实际,反映出颗粒间的作用力与变形、碰撞速度的变化关系。为铲斗添加运动驱动,EDEM软件提供了三种运动驱动方式:线性平移旋转、正弦平移旋转、传送带平移旋转。笔者以配合铲装法为主,首先使铲斗平移向前插入矿石料堆,然后铲斗翻转举升。为真实模拟铲装运动状态,在EDEM软件中首先通过线性平移模拟铲斗插入矿石料堆阶段,然后以线性平移旋转进行复合驱动来实现铲斗翻转举升。

4 仿真过程

根据设定的参数进行配合铲装法的铲装仿真,整个铲装过程可以分为铲装初期、铲斗插入阶段、铲斗翻转举升阶段、铲装完成四步。为了清晰观察整个铲装过程中矿石料堆的变形,笔者对采场空间和铲斗模型进行透明度设定,采场空间透明度设置为1,铲斗模型透明度设置为0.6。铲装过程中矿石料堆颗粒变化如图4所示。

▲图4 铲装过程中矿石料堆颗粒变化

在EDEM软件后处理模块中以铲斗的中心面作为截断平面,选取截断平面一侧模型观察矿石料堆和铲斗的相互作用情况。选取矿石料堆在铲装过程中的碰撞速度变化情况来反映矿石料堆的变形。碰撞速度越大，表明矿石料堆的变形越大,受力变化也越大。配合铲装法仿真云图如图5所示。

▲图5 配合铲装法仿真云图

5 仿真结果

在EDEM软件仿真时,以地下铲运机前进方向作为X轴负方向,Y轴正方向竖直向上,Z轴正方向按右手原则竖直向内。同时定义地下铲运机的切向铲装阻力Ft为矿石料堆与铲斗斗底板剪切作用产生的力，平行于铲斗斗底板且作用于铲斗。地下铲运机的法向铲装阻力Fn为矿石料堆与铲斗斗底板挤压作用产生的力，垂直于铲斗斗底板且作用于铲斗。铲装过程受力如图6所示。

▲图6 铲装过程受力

通过EDEM软件后处理模块得到铲斗在铲装过程中受到的铲装阻力在X轴、Y轴、Z轴三个方向随时间的变化情况。

在仿真中设定15 s时开始铲装,35 s时铲装完成,铲装阻力变化曲线如图7所示。

▲图7 铲装阻力变化曲线

结合图5、图6、图7可以看出,在铲装初期,矿石料堆碰撞速度较小,变形较小,铲斗受到来自矿石料堆的铲装阻力不大。随着铲斗插入矿石料堆深度的增大,铲斗挤压矿石颗粒,矿石料堆变形增大,铲斗铲装阻力急剧增大。之后铲斗的翻转举升破坏了矿石料堆对铲斗的挤压和剪切,铲斗受到的铲装阻力开始减小。铲斗逐渐脱离矿石料堆时,铲装阻力逐渐减小。当铲斗内的矿石颗粒趋于稳定时,铲斗受到的铲装阻力主要来自于铲斗内矿石颗粒的挤压和剪切,铲装阻力基本稳定在某一数值。铲装阻力在Z轴方向上分力的变化与矿石料堆对铲斗的挤压有很大关系。在铲斗插入阶段,矿石料堆对铲斗两侧斗刃板进行挤压,造成力的变化。当铲斗翻转举升时,矿石颗粒对铲斗的挤压减弱,甚至没有挤压,力基本稳定在一个定值。

由于铲装阻力在各个轴向的分力并不能直观体现铲装阻力的具体变化,因此应用EDEM软件Element下拉列表中的接触显示菜单显示矿石料堆与铲斗间法向铲装阻力、切向铲装阻力、总受力的变化曲线,依次如图8、图9、图10所示。

▲图8 铲斗法向铲装阻力变化曲线

▲图9 铲斗切向铲装阻力变化曲线

▲图10 铲斗总受力变化曲线

由图8～图10可以直观看出,在铲斗插入矿石料堆阶段,铲装阻力与插入深度成正比。在19 s左右时,铲斗插入阶段完成,铲斗翻转举升阶段开始,此刻法向铲装阻力、切向铲装阻力、总受力均达到最大值,依次为74.06 kN、34.86 kN、81.66 kN。之后伴随铲斗的翻转举升,铲斗无需克服来自矿石料堆的剪切和挤压,铲装阻力逐渐减小,最终趋于稳定。

6 结束语

笔者应用EDEM软件对地下铲运机铲装阻力进行分析,在分析中尽可能还原矿石颗粒和实际矿石铲装情况,获取铲装过程中矿石料堆的变形及铲斗的铲装阻力变化曲线,为实现地下铲运机智能化铲装控制提供了力学性能数据,为铲斗的铲装姿态规划控制打下了基础。