基于离散单元法的自移式破碎站铲斗卸料冲击分析

李 洪，王勇澎，王国强，李学飞，毛 瑞(.太原重工技术中心，山西 太原 03004；.吉林大学机械学院，吉林 长春 300)



基于离散单元法的自移式破碎站铲斗卸料冲击分析

李 洪1，王勇澎1，王国强2，李学飞2，毛 瑞1
(1.太原重工技术中心，山西 太原 030024；2.吉林大学机械学院，吉林 长春 130022)

研究自移式破碎站在作业过程中物料从铲斗下落时对料斗和板式给料机的冲击，并准确计算其冲击力，根据离散元方法，采用离散元分析软件EDEM，通过建立与实际作业条件相似的物料-铲斗-受料斗-输送机的离散元模型，对物料下落及碰撞过程进行动态仿真，从而得到料斗的受力发布，为设计人员对料斗的结构设计提供理论指导。

自移式破碎站；冲击力；离散单元法；EDEM

自移式破碎站在作业过程中，铲斗落料冲击是一个瞬时发生的过程，并且伴随着巨大的能量变化，冲击过程也往往伴随着破坏的产生，被冲击物体多数要被破坏，料斗各部位受力不确定。物料由连续介质变成了非连续介质，难于利用有限元法和实验等进行研究。

颗粒物料的运动除与本身力学性质有关外，还与相关机械部件的结构形状、尺寸参数和运动方式等有关，必须同时考虑机械部件与颗粒物料的相互作用及其动力学问题。在离散元法中，系统由许多独立的颗粒组成，这些颗粒的运动和位移都被单独模拟，十分适合用于模拟离散问题。离散元法为我们研究铲斗落料冲击现象提供了一个有力的工具。

EDEM是基于离散元法的通用CAE分析软件，可用于对工业生产中颗粒处理和操作系统进行模拟和分析。

1 建立物料-铲斗-受料斗-输送机的离散元模型

利用EDEM进行离散元仿真与分析的基本步骤见图1。其中，仿真模型的建立是进行离散元仿真分析的基础，模型的好坏直接影响仿真结果的准确性。

图1 离散元仿真分析的步骤

1.1 接触模型及参数的选取

在EDEM仿真模型中需要设置铲斗、受料斗、板式给料机和岩石的物理属性以及它们之间相互作用属性，涉及的参数主要包括密度、泊松比、剪切模量、恢复系数及摩擦系数等。

研究过程中颗粒选用泥灰岩，查阅相关文献，其密度为2200kg/m3，泊松比为0.35，剪切模量为1850MPa。岩石与岩石之间、岩石与铲斗之间的接触参数设置见表1。

1.2 颗粒模型的建立

在离散元仿真中，为了更准确地模拟卸料冲击过程，要求使用的颗粒形状、颗粒大小及分布与实际的物料具有相似性。

为了便于仿真，将爆破后的矿石分为八种不同直径的颗粒，其大小及分布见表2。

1.3 几何体的定义

离散元模型中几何体模型包括挖掘机铲斗，受料斗和板式输送机三部分。由于模型比较复杂，采用在UG中建立，然后导入EDEM中。在导入几何模型之前，为提高求解速度，对于板式输送机、铲斗和料斗等结构进行模型简化，删除不影响分析结果的结构，并忽略各处的倒圆角和倒角。根据实际工作需要调整铲斗底部到受料斗的距离为3.5m。

表1 接触参数

表2 铲斗中的颗粒大小及分布

物料对受料斗的冲击力与铲斗的开斗运动有一定关系，挖掘机铲斗实际作业过程见图2，斗门的开斗运动是变加速运动，而EDEM软件只能提供单向的匀变速运动，因此需要将铲斗的运动进行简化。斗底开启到最大角度80°时的时间为2s，这个过程可以近似看做斗底匀速转动，转动速度为0.697rad/s。

1.4 创建颗粒工厂

颗粒工厂用于定义仿真中颗粒产生的位置、时间及方式，一个仿真模型中可以有多个颗粒工厂。经反复试验，本仿真的颗粒工厂按表3的方式设置，可以保证矿石颗粒的分布与实际相符，而且所需仿真时间较短。

图2 简化模型及导入

表3 颗粒工厂的设置

图3 受料斗及板式给料机组成件标记

1.5 仿真计算

本研究的主要目的是提取铲斗卸料冲击过程中受料斗侧壁以及板式给料机链板上的受力，为了便于后面的分析，这里对受料斗上的每一个结构板进行标记，分别标记为1～10。由于板式给料机链板数目较多，在分析受力时每五个链板分为一组，第一组标记为A1，以此类推，见图3。

完成仿真区域、时间及网格的设置以后即可开始仿真计算。当铲斗中的颗粒生成完之后，铲斗斗底打开，颗粒物料在重力场的作用下自由下落。

2 离散元仿真结果分析

仿真结束后，分别提取受料斗上每一个结构板上以及板式给料机每一个链板上的受力，当铲斗中的物料全部落入到料斗中后，所有物料由A1～A4四组链板承受，因此，这里只提取A1～A4四组链板的受力，见图4。从图4中可以看出，当物料在下落过程中对链板造成很大的冲击力，最大冲击力超过800kN。从图3中可以看出，A1组和A2组链板上的物料多于A3组和A4组链板上的物料，因此，受力也大于A3和A4组链板上的受力。

图5所示为受料斗各组成块的受力，从图5中可以看出，当物料在下落过程中第2块板的受力最大，最大冲击力超过1500kN。由于结构对称，所以在提取力时只提取了板3、板5、板7和板9的受力。

3 总 结

本研究从颗粒物质的角度，利用离散单元法，对挖掘机满斗物料的卸料过程进行仿真模拟，对铲斗卸料过程进行冲击分析。通过离散元仿真，提取了两种工况下受料斗以及板式给料机的受力，并对得到的数据进行拟合处理，得到的拟合曲线可以在钢结构的动态有限元分析和整机的动态稳定性分析中直接进行加载。

图4 下板式给料机链板受力

图5 下受料斗各组成板的受力

[1] 王国强，郝万军，王继新.离散单元法及其在EDEM上的实践[M].西安：西北工业大学出版社，2010.

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报告显示：7月有色产业继续平稳运行

近日发布的中经有色金属产业月度景气指数报告称，监测结果显示，2015年7月有色金属产业景气指数在“偏冷”区间运行。有色行业整体趋弱，但仍显示平稳运行态势。

报告显示，2015年7月，中经有色金属产业景气指数显示为22.5，较上月微升0.1点，景气指数已连续5个月微幅回升，目前在“偏冷”区间平稳运行。2015年7月中经有色金属产业先行指数为61.5，较上月回落0.6个百分点，自4月份以来先行指数逐月回落。

报告预测，有色金属产业运行环境有所改善，有望继续平稳运行。一是从国际经济环境看，全球经济有望维持缓慢复苏态势。二是国家陆续出台的一系列稳增长政策的效果将会逐步显现，流动性约束有望有所缓解。随着长江经济带、京津冀一体化等一系列重大战略决策的实施，有利于拉动有色金属的需求。三是制约有色金属生产的原材料、电力供应及运输环境较为宽松，有利于有色金属企业维持正常生产。四是高技术含量、高附加值的深加工产品及新材料生产和需求将保持较快增长。

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-)，硕士研究生，主要从事矿山机械设计工作。

TD63

A

1004-4051(2015)09-0145-04