物料动态安息角对矿用自卸车厢斗结构影响规律

2024-03-22杨国彪王朝华王志霞赵炎龙马立峰

科学技术与工程 2024年5期

杨国彪, 王朝华, 王志霞, 赵炎龙, 马立峰

(太原科技大学机械工程学院, 太原 030024)

近年来,随着矿山行业结构的调整,大吨位的矿用自卸车被广泛用于在大中型矿山开采过程中[1]。矿用自卸车是一种运输效率高、运量大、灵活性强的大型露天矿产资源理想运输工具,能适应矿山的特殊路况及装载运输过程中的特殊条件[2]。当矿车行驶在复杂的颠簸路面或爬坡时,由于其体积大、装载量多,导致整车行驶过程物料不稳定,易出现晃动、撒料或翻车等安全事故。据统计[3],矿用自卸车轮胎失效事故中40%～50%的原因是由于撒料刺破轮胎造成的。因此,如何保证矿用自卸车行驶过程中厢斗内物料的稳定性,防止物料在运输过程中大面积的洒落,是厢斗设计过程中必须要解决的问题。

影响矿用自卸车厢斗内物料稳定性的因素主要包括厢斗的安装角度及厢斗侧板后端的倾斜角度。厢斗安装角度是指厢斗底板与水平面的夹角,由于矿用自卸车要求厢斗具备自卸功能,其安装后底板通常与水平面倾斜一定角度,确保爬坡过程中物料不撒落;另一方面,厢斗侧板后端与底板通常并非垂直设计,而是根据斗内物料堆积形状设计成锐角,可节省厢斗侧板材料的使用量,减轻厢斗重量。当前,厢斗设计过程中的安装角度及侧板后端的倾斜角度缺乏理论依据,仅依靠物料堆积形状设计的厢斗在行驶过程中常常出现撒料现象,其主要原因在于矿用自卸车行驶过程中由于振动、爬坡等导致物料堆积形状发生了动态变化。

物料自然安息角是散粒堆积体的重要物理特征之一,是散粒体在自然稳定堆积状态下的坡角[4],而物料的动态安息角是指机械设备在运动过程中其装载的物料保持的最大安息角,两者都可以反映矿用自卸车的稳定性,通过对物料安息角的研究可为厢斗的结构设计提供理论依据。刘万锋等[5]提出的滚动摩擦系数标定方法,为物料安息角的实验提供理论指导;王建等[6]利用离散元软件EDEM对固体填料进行分析,得出了安息角随滚动和滑动摩擦系数增大而增大的结论;王洋海等[7]运用EDEM软件模拟砂堆颗粒形成过程,研究结果表明颗粒材料密度越小,物料堆的安息角越大;Li等[8]通过实验研究了不同速度下容器形状对安息角的影响规律。由以上研究可知,相同物料在不同结构内部的安息角不同,研究厢斗在不同工况下内部的动态安息角规律,可为厢斗的结构设计提供理论指导。

现针对矿车行驶过程中厢斗内物料稳定性问题,基于离散元仿真技术[9]研究厢斗在不同安装角度下物料的安息角变化,在此基础上,基于矿山路面设计要求,提出厢斗侧板后端倾斜角度设计建议,以期为厢斗的结构设计提供依据。

1 厢斗结构

如图1所示,厢斗是矿用自卸车与装载物料直接接触的部件,由两侧板、底板、前板、前顶板4个部件焊接组成[10],各部件又由若干耐磨板焊接而成,A、B、C、D、E为厢斗侧板外形的5个顶点。通常,矿用自卸车在设计时厢斗底板与水平面倾斜一定角度,即厢斗的安装角度γ不等于0°,以便于厢斗在正常行驶过程中物料不撒落而在卸料工况下物料能够靠自重滑出厢斗,实现自卸功能。因此,合适的安装角度对厢斗内部散体物料的稳定性有着重要影响。

另一方面,厢斗内物料堆积后形成一定的形状,在物料安息角的影响下,厢斗侧板后端与底板设计成锐角θ,如图1所示,可减少侧板体积,满足厢斗轻量化的需求。同时,侧板后端倾斜角θ不仅与物料的自然安息角有关,还要考虑其他因素影响,防止矿车行驶过程中的振动、爬坡等因素造成物料的洒落。

2 物料自然安息角

自然安息角是指物料在水平地面上保持静止状态后,坡面与水平线的角度。首先研究物料在自然状态下的安息角度,并给出详细的边界条件设置,为厢斗行驶过程中的物料动态安息角奠定基础。

2.1 离散元模型建立

离散元技术是一种分析颗粒离散体物料的方法,通过离散元软件可以模拟出物料的安息状态。

根据物料自然安息角测量原理,首先建立漏斗模型如图2所示,漏斗模型高度为3 000 mm,上端面圆孔直径为2 562 mm,下端面圆孔直径为1 062 mm。

以煤颗粒为研究对象,漏斗和煤颗粒材料属性如表1所示,研究颗粒从漏斗口落至地面后并保持稳定状态时物料的自然安息角。煤颗粒并非完全的球形颗粒,分析选用如图3所示的三球型颗粒。

图3 颗粒模型图

2.2 接触模型及参数设置

目前常用的接触模型有以下6种:Hertz-Mindlin无滑动接触模型、Hertz-Mindlin黏结接触模型、线性黏附接触模型、运动表面接触模型、线弹性接触模型和摩擦电荷接触模型[11]。由于煤颗粒不能被压缩而且没有黏结性,所以接触模型选择Hertz-Mindlin无滑动接触模型。假设两球形颗粒发生弹性接触,由文献

(1)

(2)

(3)

式中:E1和E2分别为两颗粒材料的弹性模量,MPa;μ1和μ2分别为两颗粒材料的泊松比;v1和v2分别为颗粒碰撞前的速度,m/s;r1和r2分别为颗粒的半径。

两颗粒间的切向力Ft计算公式为

(4)

煤颗粒在堆积过程中会与漏斗内壁发生接触,同时颗粒与颗粒之间也会发生碰撞从而使得物料的堆积状态发生变化。选取煤与煤、煤与漏斗之间的接触参数包括恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数[13],具体数值如表2所示。

表2 接触属性参数

2.3 分析结果

将仿真总时间设置为999 s,数据每隔0.01 s保存一次,采用随机位置产生的方式,煤颗粒生成总量为100 t。当仿真开始时,煤颗粒由漏斗正上方竖直向下掉落,每秒掉落的颗粒为500 kg。当地面上的颗粒静止后如图4所示,测得物料堆安息角为36.83°。

图4 自然安息角测量

3 厢斗内物料动态安息角研究

物料的动态安息角可以反映物料在运输过程中的稳定性,研究不同安装角度对物料动态安息角的影响,为厢斗的结构设计提供指导。首先建立厢斗简化模型,然后在EDEM中分析厢斗不同安装角度时物料的动态安息角,最后给出物料动态安息角的变化规律,提出合理的厢斗安装角度建议。

3.1 厢斗简化模型

首先,参考现有厢斗的尺寸,建立简化模型如图5所示,为了避免物料受厢斗侧板倾角的影响,将侧板后端角θ改为直角。

图5 厢斗简化模型建立

3.2 水平路面行驶工况分析

为了将测得厢斗内物料的动态安息角与漏斗实验测得的静安息角对比,厢斗、煤颗粒的材料属性及接触模型设置的与第2节一致,厢斗简化模型的底板与水平面夹角设置为0°～20°,每隔2°建立水平路面行驶工况下厢斗的装载离散元模型。仿真开始时,位于厢斗简化模型正上方颗粒产生平面产生颗粒,颗粒生成速率为10 000 kg/s,产生的颗粒沿着竖直向下的方向掉落,直至所有颗粒掉落在厢斗内,统计物料的安息角度。

物料动态安息角随厢斗安装角度的变化如表3所示,变化曲线如图6所示,可知物料安息角随厢斗

表3 正常行驶物料的安息角

图6 物料安息角随厢斗安装角度的变化规律

安装角度的增加而减少,当厢斗安装角度为0°时,物料安息角为35.89°,小于物料自然安息角,主要原因是物料安息角受到厢斗结构的影响难以达到如图4所示的粒度分布。

3.3 爬坡工况分析

在大型露天煤矿矿区中,矿车由装载机装料完成后,要经过多个坡路将物料运输到矿区外面,如图7所示。矿车爬坡会导致厢斗内的物料发生滑动,影响物料的装载稳定性,因此正常行驶工况下物料安息角不能当作物料稳定性的评价指标,需要进一步研究矿用自卸车厢斗在安装角度不同的情况下爬坡后物料的安息角。

图7 矿车爬坡图

根据《厂矿道路设计规范》(GBJ 22—87)[14],矿山的最大坡度值为11%,也就是说矿车每前进100 m,高度上升11 m,通过计算得出坡度值β为6.84°,按最大坡度7°计算。坡度计算公式为

(5)

式(5)中:i为坡度;h为高度差;x为水平距离。

将3.2节装载离散元模型中的厢斗简化模型顺时针旋转7°,建立各安装角度下爬坡工况的离散元模型。矿车爬坡时厢斗不同安装角度的物料安息角如表4所示,变化规律如图8所示,可知厢斗的安装角度为0°～8°时物料动态安息角不断减小,8°～10°时物料动态安息角突然变大,在10°～20°时动态安息角快速下降。分析其原因,主要是不同安装角度下物料因爬坡过程中物料受重心变化发生滑动现象导致的。

表4 爬坡行驶物料的安息角

图8 侧板后端物料安息角变化曲线

因此,对比图6和图8的分析结果,研究矿车爬坡后物料的滑动情况,将各安装角度下矿车爬坡时物料的动态安息角减去矿车在水平路面行驶过程中物料的动态安息角和矿山最大坡度值,得到厢斗不同安装角度下矿车爬坡时物料的滑动情况如表5所示,变化曲线如图9所示,可知安装角度为10°时物料基本不发生滑动,而在其他角度下物料滑动角度为1°～4°。为了确保厢斗内部物料的稳定性,建议将厢斗安装角度设计为10°,可以避免矿车爬坡带来物料滑动。