铲土运输机械铲入阻力形成机理研究现状

姜勇罗 士军

对于铲土运输机械来说，物料铲装是主要作业过程，不仅对操作人员的技能要求较高，劳动强度较大，而且大量实验表明，此阶段的能量消耗所占整体能耗的比例也是最大的。机器工作过程中有很大部分能量是消耗在铲挖物料、切削物料和移动物料上。到目前为止，尽管铲土运输机械由于大规模机械化施工而得到了快速发展，但对铲入过程阻力形成机理的认识还是比较很肤浅的。这其中的主要原因是铲土运输机械插入铲取过程中的阻力受到料堆的形状、物料的特性、铲刃插入深度、料斗等众多因素的影响。散体物料，特别是大块散体物料的各种特性有很大的随机性，理论公式计算插入、铲取阻力时，无法准确确定诸如自然堆角、内摩擦角、物料滑移角等重要参数。因此研究切削装置与物料相互作用的过程、切削机理与影响因素，对减少切削阻力、降低能量消耗，提高切削装置寿命和机器作业效率具有重要意义。

物料的动力本构模型即动荷载下物料的应力-应变关系是表征物料动力学特性的基本关系，是物料动力学研究的中心问题之一，也是分析物料动力失稳过程一系列特性及插入阻力形成机理，密实核形态及发育过程研究的重要基础。要能够准确地分析和计算插入阻力形成机理问题，首先就需要正确的本构模型，以代表某种物料的应力—应变关系。物料的实际动本构关系的发展表现在本构理论、数值计算和测试技术3个方面，它们是相辅相成的。这项研究是依据两条线索发展的：一是通过实验修正的方式，寻找描述物料状态的各个机械特性参数及它们的经验性关系;二是在实验分析的基础上，对工作部件物料接触系统施与一定的假设从而推求描述耕作过程的理论预测模型，以期指导切削装置的设计。早期的研究由于实验手段的限制，以及各种假设与复杂的插入切削过程有一定的差距，造成所研究的结果或多或少偏离了真实的工作状况。由于实验手段不断完善以及计算机性能迅速提高，使得切削装置与物料接触问题研究在20世纪90年代取得了较大的进展。

首先，实验方法更加完善。在继续使用各种大、中、小型土槽实验的基础上，借助X射线透射、扫描电镜、高速摄像机及各种先进的测力装置来观察并记录物料在插入时的变化过程及切削装置的受力情况。如Yuta TAKAHASHI【1】等采用的直接测量铲入阻力实验，在实验装置上安装6轴力传感器来对铲入阻力进行测量，但是对于铲入过程中物料的变化情况并没有检测。而Hiroshi TAKAHASHI【2】等为了检测在铲入过程中物料的变形情况，在物料中加入示踪粒子，用高速摄像机记录下铲装过程中失踪粒子的运动情况，并对其进行分析。这种实验方法只能检测到物料表面在铲入过程中的变形情况，但是对于物料内部的变形情况却无法知道。姚践谦为检测物料内部运动情况所采用的实验方法是在一个透明的容器中装入块状物料，用高速摄像机记录下物料在铲装过程中的运动情况并对其进行分析。采用该方法虽然可以检测到物料内部的运动情况，但是只能是对临近容器壁面的这一断面物料进行检测，而对于整个物料内部的运动情况还是无法知道。姜洪涛采用CT扫描技术对两种物料平推过程进行了实验，采用该实验方法虽然可以检测到物料内部的运动情况，但是由于受到CT扫描仪的限制导致整个实验装置的体积不能过大，同时该方法的成本也较高。

虽然国内外很多研究人员采用不同的实验方法来对插入阻力进行研究，但都或多或少存在一些问题：要么是通过大量的实验去验证经验公式的正确性;要么是只对在铲装过程中物料的变形运用各种手段去监测，但目前所采用的手段除了CT扫描法外，其他方法很难监测到整个物料内部的变形情况。因此为了更进一步地了解物料的动本构关系，插入阻力形成机理，密实核形态及发育过程，有必要采用新的实验方法在测取插入阻力的同时对插入过程物料内部的变形情况进行检测。

其次，切削装置与物料接触问题的理论分析近些年来发展了数学模拟以研究物料的切削过程，数学模拟方法包括传统的分析方法、离散单元法（Discrete Element Model，DEM）和有限单元法（Finite Element Method，FEM）。

传统分析方法的核心是从物料切削实验中找出物料破裂线的形状，然后假定物料为刚塑性体，用静力平衡求解以自由面、切削装置与物料的相互作用边界以及破裂线（面）组成的力隔离体，从而求得物料对切削装置的阻力。该方法是根据太沙基的被动土压力理论发展起来的。许多学者根据这个理论提出了一些三维物料切削模型。但这些模型有较大的缺陷而无法适用于不同切削装置形状的情况。

DEM方法是一种显式数值方法，它将物料看作独立的不连续质点的集合体。质点间通过一系列联系法则而相互作用，质点的运动根据牛顿运动定律确定。该方法在国内外的发展很快，主要应用在岩石力学、采矿工程及松散物料流动等方面的研究中，相应的算法和软硬件已基本成熟，将粘附力的理论引入传统离散单元法可以实现其在地面机器系统中物料动态行为的模拟。但离散单元法在物料动态行为仿真中的应用还处于发展阶段，只有少数几个国家（主要是日本）的一些学者在这方面进行了一些探索性研究。由于物料本身的性质十分复杂，力学模型很难建立，仿真参数也不易确定，所以目前这方面的研究主要是在二维条件下，并且用离散单元法进行实验机具作用下的物料动态行为仿真，同时仿真参数也主要靠经验来确定。国内将离散单元法应用于分析切削装置与物料之间动态相互关系的研究很少，目前尚鲜见有相关文章发表。因此，离散单元法在物料动态行为仿真中的应用有待进一步研究。

目前国内外运用FEM方法研究物料切削问题的研究较多。有限元分析的结果要比以往的模型预测值更加接近于实际值，因为他们普遍考虑了切削装置物料接触系统的几何、物理及边界非线性问题，甚至高速切削问题，这在以往的预测模型中几乎是不可能的。但将有限元法用于切削装置的计算机辅助设计仍有一段距离，这是由于用该方法来处理切削装置与物料接触问题时首先要选取较为精确的物料本构关系，而实际的物料状况往往千变万化，虽然物料的本构方程现在已有多种，但至今仍未有哪一种本构关系能够适应所有的物料状况。另外，即使考虑插入切削过程中的各种非线性现象，欲使有限元法能够更精确地处理这一动态接触问题，还需对各种非线性计算模型，诸如刀刃的切削过程、物料金属接触模型、物料的大位移、大变形及破碎模型（特别是在高速状态下），同时，物料本身是复杂的多相混合体，在建立物料动本构模型时应该考虑多方面因素，即除了考虑物料的粘附性以外，还应该考虑物料的塑性特性，以及物料内部水分、空气、粒径分布以及密度等对物料动态行为的影響，因此需要采用更合理、更精确的数学模型来描述。

以上是铲土运输机械铲入阻力形成机理研究现状，目前针对铲土运输机械铲入阻力形成机理有以下问题需要做进一步深入研究：物料的动本构模型研究;铲入阻力形成机理及密实核形态与发育过程;切削装置与物料接触问题的数学模拟方法研究;实验方法的完善。研究切削装置与物料相互作用的过程、切削机理与影响因素，对减少切削阻力、降低能量消耗，提高切削装置寿命和机器作业效率具有重要意义。

参考文献：

[1] Yuta TAKAHASHI，Ryohtaroh YASUHARA，Osamu KANAI，Hisashi OSUMI.DEVELOPMENT OF BUCKET SCOOPING MECHANISM FOR ANALYSIS OF REACTION FORCE AGAINST ROCK PILES.International Symposium on Automation and Robotics in Construction.2006

[2] Hiroshi TAKAHASHI，Yoshiaki TSUKAMOTO，Eiji NAKANO.Fundamental Study on the Resistive Force Acting on the Bucket during Scooping of Piled Rock Fragments.The Japan Society of Mechanical Engineers.1997

[3] 姚践谦，乐晓斌.装载机插入阻力与插入机理的探讨.工程机械.1990.3