装载机铲斗结构参数分析与研究

席亚丽，徐武彬，李 冰，邵 来

（广西科技大学机械工程学院，广西 柳州 545616）

0 引言

如今在节能减排的大趋势下，装载机节能问题极其重要，并且能耗与铲装阶段作业阻力的变化密切相关，装载机的铲装作业阻力又是装载机整体性能的一个重要评价数据，所以装载机铲装作业阻力的研究备受人们的关注。

目前有很多学者对作业阻力做了相关的研究，前苏联相关实验室根据单斗的试验，归纳出了作业阻力由多个系数共同决定的计算公式F=KBL61.25，L6表示铲斗插入料堆的深度，B表示铲斗宽度，经过大量试验K=K1K2K3K4，影响系数可根据情况查表取值。而对于铲斗斗形结构对于铲斗在工作中受到的作业阻力的影响以及在改变了机构后作业阻力的变化对铲斗性能的影响，以及作业阻力变化规律并没有完善的研究及明确的结论。究其原因主要是在实验设计时对铲斗设计参数的选择不够合理，目前有关铲斗的设计仍处在传统设计与模拟阶段[1]，对铲斗斗型参数对铲斗性能的影响机理研究不够系统深入。最早研究者大都根据“回转半径法”对铲斗斗形进行设计[2]，把回转半径作为主要的斗形设计参数，用相关的斗形系数确定铲斗几何形状；而后刘述学等的研究[3]表明回转半径不是主要的斗形设计参数，其受铲斗其它结构参数影响；张维良等在此基础上提出“四参数法”[4]，通过四个主要参数对铲斗进行设计，优点在于减少了经验系数的使用，简化了计算过程。

本文针对上面的问题运用离散元与多体动力学耦合的方法，基于四参数法设计铲斗模型，得到装载机不同参数铲斗结构在铲装过程中作业阻力的变化，从而对比较优的铲斗参数，为铲斗的设计提供帮助。

1 铲斗截面形状的设计参数

装载机铲斗一般是包括前刃板、侧刃板、后壁、斗底壁、侧壁、挡板以及铰接耳板等。通常情况下，铲斗的形状用其截面形状来表征，如图1 所示[1]。各结构参数的符号及其物理意义如表1 所示。

图1 铲斗斗形参数示意图

表1 铲斗斗形主要参数的符号

常见装载机铲斗横截面形状的设计可分为两种[4]：一种是回转半径法，即以回转半径Ro 为参照，其他铲斗尺寸都用R0乘以一个系数的方式来表示。但是该方法设计存在的问题：（1）R0并不属于铲斗结构自身参数，只是为了设计定义的一个辅助尺寸；（2）设计时出现过多的用于调整各参数的比例系数（系数过多时就无法分析参数与铲斗几何形状之间的直接关系）；（3）在很多实例中表明通过该方法设计的铲斗参数存在矛盾，需要进行验证和修正。另一种是（基本的）利用四参数法来确定铲斗的几何形状，四参数分别指斗张角EO、侧刃角E1、斗底长度与斗底半径的比值即底弧比D、挡板高度与斗底半径的比值即挡板高度系数G四个参数。四参数法与回转半径法相比，四参数法是用参数之间的比值对斗“形”进行描述，尽量减少经验参数的使用，计算过程大大简化，可以更加直接的研究铲斗结构参数与作业阻力之间的关系。

本研究先以实际模型分析了不同参数的影响情况，后针对1.2 t（模型缩小4.5 倍）装载机铲斗进行研究，选择挡板高度系数，侧刃倾角，斗张角，底弧比四个因素，运用正交设计法（表2）制定了铲斗结构设计方案共有9组铲斗模型，见表3。

表2 因素水平表

表3 方案设计

2 离散元仿真模型的建立

2.1 碎石物料模型的建立及料堆的生成

由于接触模型中接触力的计算需要对颗粒之间、颗粒与设备体之间的静摩擦系数、滚动摩擦系数、碰撞恢复系数等参数进行定义，并且参数定义越精准，仿真计算的精度越高。为此课题组自制了静摩擦系数测量装置、滚动摩擦系数测量装置、碰撞恢复系数测量装置，对实际作业对象中碎石与碎石、碎石与钢板之间的接触参数进行标定，测量数据见表4[5]。

表4 碎石和铲斗的物性参数

为了使数值在模拟分析中，物料模型更接近实际模型，对实际作业物料堆中碎石物料进行归类研究，选取物料堆中最常见的三种形状碎石，如图2 所示。采用逆向工程原理，使用HandySCAN700 三维激光扫描仪获取3 种形状碎石的外表面轮廓，然后在EDEM 中进行填充，课题组做了相关的仿真和试验对比，模型的准确性得到了验证[5]。

图2 碎石不同形状物料模型

目前，使物料在下落过程成自然安息角的方法有圆桶式测量法、旋转式测量法、载压式测量法、塌落式测量法和圆盘式测量法[6]，本研究采用圆桶测量法进行落料仿真模拟如图3 所示。

图3 圆筒法测量安息角模型

2.2 基于颗粒-结构动力学耦合方法进行铲斗运动仿真

2.2.1 三维模型的建立

针对某企业1.2 t 的装载机，基于四参数法设计铲斗仿真模型，对该模型进行简化（缩小4.5 倍），首先利用三维软件solidworks 绘制三维模型，保存为adams 识别的.x_t 文件格式，导入到adams 中，然后并根据实际情况，在adams 中输入油缸的运动参数，并与edem 进行耦合，实现颗粒与铲斗相互作用过程中力和位移的数据传递，如图4 所示。

图4 模型导入adams 中的数据传输

2.2.2 油缸运动规律

根据装载机典型工作状况，用STEP 函数来表达装载机工作油缸的运动，具体运动规律如下。

举升油缸运动规律：

STEP（time，6.9，0，7.0，0.005）+STEP （time，14.3，0，14.4，-0.005）

转斗油缸运动规律：

-STEP（?time，2，0，2.1，0.005）-STEP （time，6.8，0，6.9，-0.005）

工作油缸运动规律图如图5。

图5 工作油缸运动规律图

3 仿真结果与分析

在根据实际情况对运用控制变量法对4 个参数的影响大小进行分析的基础上，随后对运用正交设计法设计的9 个铲斗（1.2 t 铲斗缩小4.5 倍）进行仿真，以作业阻力最小为目标，得到较好的铲斗结构。

3.1 单因素仿真结果分析

作业阻力作为装载机铲斗设计好坏的重要评价指标，铲斗的各个参数都会对作业阻力产生影响，根据实际情况，对铲斗的挡板高度系数，底弧比，侧刃倾角，斗张角，四个因素进行分析，各参数变动对作业阻力的大小变化如图6 所示。

图6 参数对作业阻力的影响

从上图作业阻力的波动情况可以看出底弧比变化时，最大作业阻力变化幅度较大，而挡板高度系数与斗张角变化时，作业阻力变化较小，所以底弧比对作业阻力的影响是最大的，其次是侧刃倾角，而挡板高度系数与斗张角相对较小。

3.2 多因素仿真结果分析

基于颗粒-结构动力学耦合方法，实现了adams 中运动参数向edem 中传输以及颗粒与铲斗相互作用过程中力和位移的数据传递及铲斗运动的可视化。最后运用edem 后处理模块输出装载机在铲装过程中不同结构铲斗所受的作业阻力。通过最终得到的作业阻力对比图，如图7 所示。

图7 不同参数铲斗作业阻力对比图

由图7 可以看出，作业阻力快速增加到最大作业阻力，后缓慢下降，符合日常的铲装规律，在插入阶段不断增加，转斗达到最大，开始离开料堆作业阻力逐渐下降，9 个斗可以看到8 号斗的作业阻力最小，参数分别为斗张角43°，侧刃倾角60°，底弧比1.8 ，挡板高度系数0.35，其结构较优，功耗较小。

4 结束语

本研究运用离散元与多体动力学耦合的方法，先根据实际情况分析了不同参数的影响情况，得到底弧比对作业阻力的影响是最大的，其次是侧刃倾角，而挡板高度系数与斗张角相对较小，随后针对运用正交设计法对不同参数的铲斗结构进行了仿真，以铲斗所受的作业阻力小为目标，得到功耗较小的铲斗，结果表明8 号铲斗及截面参数为最优，即斗张角43°，侧刃倾角60°，底弧比1.8 ，挡板高度系数0.35，为装载机铲斗的设计提供了基础。