地下铲运机不同铲装方式下的离散元仿真研究

张元清，郭 鑫，3，赵晓燕，李恒通，石 峰

(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)

智能化矿山建设是减人提效、实现矿山工业高质量发展的重要途经[1-2]。近些年来，矿山智能化发展建设突飞猛进，取得了一定成效，从中也反映出矿山智能化建设势不可挡。地下铲运机作为矿山开采运输的重要交通工具，其设备的智能化控制也是不可或缺的重要一环[3]。为追求铲运机自主作业下的高质量低能耗开采，需要对现有铲运机不同铲装方式进行优选[4]。本文利用EDEM软件对不同铲装方式进行仿真[5-7]，得出不同铲装方式下的铲装阻力、满斗率等多参数变化情况，为铲运机自主作业下铲装方式的选取提供一定的指导。

1 铲装方式

铲运机在自主铲装作业时，需要考虑低能耗高质量铲装作业，为此需要对铲装方式进行选择。不同的铲装方式其铲装姿态、工作油缸行程及车辆前进位移等参数有所不同，查阅文献归纳得，现有铲运机铲装方式主要集中在以下几种[8]：

1)一次铲装法

铲运机铲斗底部平行于地面时，铲运机向前行驶，推动铲斗铲入矿石料堆，直至铲斗后壁和矿石料堆接触，这时铲运机停止前进。然后翻转铲斗或者举升铲斗完成铲装，如图1所示，这种铲装方法是最简单的铲装方法。

图1 一次铲装法示意图Fig.1 Schematic diagram of one shovel method

2)配合铲装法

在铲运机向前行驶的同时，配合以转斗油缸或动臂油缸的动作进行铲装作业，提升动臂并且翻转铲斗。这种铲装方式的目的是使铲斗斗尖的轨迹与料堆形状轮廓大致平行，承受较小的铲装阻力，提高铲装效率。如图2所示。

图2 配合铲装法示意图Fig.2 Schematic diagram with shovel method

3)分段铲装法

如图3所示，铲运机采用分段铲入和翻转举升的方法，即铲斗铲入一定深度后，铲运机停止前进，翻转铲斗使矿石回落，然后再次铲入和翻转铲斗以保证满斗率。这种方法易损坏铲斗零件，对工作装置的强度有较大要求。

图3 分段铲装法示意图Fig.3 Schematic diagram of the segmented shovel method

2 不同铲装方式的EDEM仿真

本文仿真模拟铲运机铲装过程中铲斗受到的铲装阻力及相应时间段的铲斗物料体积等特性。对于本文中的离散单元模型，做出以下设定：

1)矿石物料的种类为颗粒堆积，矿石颗粒属于无粘性单体，并且在铲装过程中不发生颗粒的挤压破碎或压实粘结情况；

2)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，料堆整体状态稳定；

3)仿真过程中铲运机前进速度、铲斗翻转的角速度等采取匀速设定；

4)创建采场空间时，模拟实际铲运机在矿山铲装物料时地下巷道情况，采用三面环绕，只留出一面进行铲装工作。

2.1 矿石料堆和铲斗模型生成

查阅相关资料，设定矿石物料和铲斗的材料属性，如表1所示。

针对矿石物料和铲斗的摩擦属性设定如下，包括不同矿石物料颗粒间的自摩擦属性和矿石物料与铲斗间的摩擦属性，如表2所示。

在设定好矿石料堆及铲斗的相关参数后对其进行生成。实际矿山中，矿石爆破后产生的矿料颗粒其块度、大小不一，但是块度、大小在一定数值范围内的占总矿料颗粒的绝大部分。本文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，设定颗粒的半径大小服从N～(1，0.05)的正态分布，添加Factory颗粒加工工厂，设置合适的工厂位置和颗粒数目，让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。

针对铲斗的生成，先在ProE软件中进行铲斗的三维建模，生成parasolid(.x_t)格式，通过EDEM的前处理器Creator中的Geometries模块导入铲斗三维模型，最终矿石料堆和铲斗模型的生成如图4所示。

图4 矿石料堆和铲斗模型的生成Fig.4 Modeling of ore and bucket

由于矿石料堆通常为无黏性，因此选择其接触模型为软件默认模型Hertz-Mindlin(no-slip)接触模型，能更加贴近实际反映出颗粒间的作用力和变形、碰撞速度的变化关系[10]。之后给铲斗添加相应的驱动来近似拟合不同铲装方式的运动状态，EDEM仿真中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，可供选择设置。

2.2 不同铲装方式仿真

为了清晰地观察整个铲装过程中矿石料堆的形变，本文将采场空间和铲斗进行透明度参数设定；并在EDEM后处理Analyst Tree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物料和铲斗的相互作用情况。选取物料在铲装过程中的速度随时间的变化来反映物料的变化。

1)一次铲装法仿真

根据一次铲装法的运动特性进行驱动添加仿真，把整个铲装过程分为铲装初期、铲斗插入接触到铲斗后壁、铲斗翻转、铲装完成四个阶段(见图5、6)。

图5 一次铲装法仿真过程Fig.5 One-time shoveling process simulation

图6 一次铲装法仿真云图Fig.6 Simulation cloud diagram of one-time shoveling method

2)配合铲装法仿真

根据配合铲装法的运动特性进行驱动添加仿真，把整个铲装过程分为铲装初期、铲斗插入一定距离、铲斗翻转举升、铲装完成四个阶段(见图7、8)。

图7 配合铲装法仿真过程Fig.7 Simulation process of shovel-loading method

图8 配合铲装法仿真云图Fig.8 Simulation cloud diagram with shovel-loading method

3)分段铲装法仿真

根据分段铲装法的运动特性进行驱动添加仿真，把整个铲装过程分为铲装初期、铲斗插入一定距离、铲斗翻转、铲斗举升、反转铲斗、铲斗再次插入料堆、铲斗再次翻转和铲斗再次举升八个阶段(见图9、10)。

从图9综合分析可得：在铲装插入初期，料堆的变形和铲斗受到来自物料的阻力都较小。随着铲斗的不断插入，铲斗开始挤压物料，物料形变增大，而且铲斗前方一定范围内有被压实的倾向，铲斗受到阻力也逐渐增大直至物料接触到铲斗后壁时阻力达到最大；之后铲斗翻转或者举升破坏了矿石物料间的挤压和剪切，铲斗受到的阻力开始下降；最终铲斗脱离料堆，铲斗内物料趋于稳定，铲斗受到的铲装阻力逐渐减小稳定在某一定值。

图9 分段铲装法仿真过程Fig.9 Simulation process of segmented shoveling method

图10 分段铲装法仿真云图Fig.10 Simulation Cloud diagram of segmented shoveling method

3 仿真结果分析

在EDEM仿真中，以铲运机前进方向作为X轴的负向，Y轴正向竖直向上，Z轴正向按照右手原则垂直向里。通过EDEM后处理得到铲斗在铲装过程中受到的铲装阻力总受力情况以及随铲装时间铲斗内物料体积变化情况，如图11、12所示。根据不同铲装方式运动时长进行设定，在仿真中设定15 s起开始铲装，35 s铲装完成。

图11 铲装阻力总受力Fig.11 Total loading resistance

阻力峰值Fmax和满斗率分析：

定义F为铲斗在铲装过程中受到的铲装阻力，kN；Fmax为铲斗在铲装过程中受到的最大铲装阻力，kN。

满斗率δ，即铲斗随铲装过程变化最终斗内的物料体积与铲斗容量的比值，可以用式(1)表示：

(1)

式中，Vs—铲斗随铲装过程变化最终斗内的物料体积，m3；V—铲斗满斗时物料的体积，在此取2 m3。

对于铲运机铲装物料的铲装效率，一般有两种途径，一是缩短铲装时间，二是增加单次铲装质量(体积)。为直观表达其铲装效率，利用铲装满斗率与时间的比值来表达其单位时间内满斗率情况。其值越大，表明其铲装效率越高；反之，铲装效率越低。其单位时间满斗率用式(2)表达：

(2)

由图11、图12可得，不同铲装方式在EDEM仿真中的相关参数比值：

图12 随铲装时间铲斗内物料体积变化Fig.12 Volume change of material in bucket with loading time

其阻力峰值排序：Fmax3>Fmax1>Fmax2，阻力越大，越不利于铲装；

满斗率排序：δ3>δ1>δ2，满斗率越高，表明其单次铲装物料越多；

对不同铲装方式的单次铲装相关参数的分析，会导致数据样本小，不足以归纳总结出规律。为此本文加大不同铲装方式的铲装次数，得到表3所示仿真参数。

表3 不同铲装方式下各仿真参数数据

从表3中可以看出，分段铲装法单次铲装满斗率相比一次铲装法和配合铲装法都要高，但是其单次铲装耗时久，导致其单位时间满斗率较低，并且其铲装阻力相对较大，对铲斗强度要求高，很容易损伤铲斗零件，因此不宜选取此种方式进行铲装。配合铲装法其单次铲装满斗率低于一次铲装法的单次铲装满斗率，但其单次铲装耗时短，并且铲装阻力较小，铲装综合效率较高，是一种比较实用的铲装方式。

4 结论

对地下金属矿山常见的铲运机不同铲装方式进行了EDEM离散元力学仿真。通过搭建矿石物料颗粒及铲斗模型并添加驱动等，以铲装阻力峰值、满斗率、单位时间满斗率等参数做为指标得出不同铲装方式下的各参数变化情况，筛选出综合指标相对较好的铲装方式。配合铲装法铲装阻力小，有利于铲装顺利进行；其铲装满斗率略低于其他铲装方式，但其单位时间内满斗率相比其他铲装方式大大提升，铲装效率高。为此选取以配合铲装法为主的铲装方式，为铲运机铲斗的铲装轨迹规划及控制研究提供有效指导。