装载机铲斗参数优化设计及应用

范丹丹，徐武彬，李 冰，刘万锋

(广西科技大学机械工程学院，广西 柳州 545006)

1 引言

装载机作为典型的土方类机械设备，在工农业和建筑业中发挥着重要的作用。随着装载机发展的需要，自动化、力学优化和工作效率问题俨然已成为提升装载机性能及整体设计水平的重要研究课题，而装载机的铲斗是其重要的工作部件[1]，且合理的铲斗形状有利于减少铲装阻力，提高整机的工作效率与生产能力[2]，而传统的基于经验值的铲斗设计方法已不能满足现代设计的要求，因而对装载机铲斗进行优化设计有着重要的意义。

为设计出合理的铲斗斗型，实现作业过程的高效节能，需要对铲装作业过程和铲斗尺寸结构进行系统的研究。目前对装载机工作过程的力学分析及工作轨迹的研究大都忽略或者简化了物料的相互作用及物料对铲斗的作用，而基于密实核理论以经验公式为基础进行研究[3]，从1973年至今，已提出50多种经验模型，但效果都不太理想[4]；近期的研究主要集中于通过试验的方法确定铲装阻力的变化规律[5]，但其受铲装对象、试验环境、试验方法和次数的影响，重复性、变量控制等问题难以保证。在铲斗结构优化方面，目前的研究主要集中在提高铲斗使用寿命和工作过程中铲斗的平移性，对铲斗几何形状及截面参数的研究较少。最早以“回转半径法”进行铲斗斗型设计[6]，以回转半径为设计参数，用相关系数确定铲斗几何形状；而后文献[7]表明回转半径不是独立的设计参数，其受铲斗其他结构参数影响；文献[8]对铲斗各参数进行对比研究，从而优化参数组合进行铲斗设计。这些方法虽然减少了经验系数的使用，但却仅给出了一个设计的基本原则，理论与实践基础不够充足。从现有铲斗几何形状来看，并无统一的模式与标准，且国内外都在探讨铲斗的合理斗形，但研究结果差别很大。因此有必要做进一步探讨，以确定铲斗最佳斗形及其研究方法。

采用试验的方法获取装载机典型作业对象(碎石)的特性参数，并基于离散元素法，从散体力学的角度对铲装作业过程进行分析，修正铲斗的相关结构参数，为铲斗设计提供一种四参数设计参考模型。将此模型应用到某企业产品中，根据四参数铲斗设计原则研究不同截面几何参数的铲斗在相同条件下的插入阻力和满斗率，并通过能量法对不同铲斗进行能量分析，得到满斗率尽可能高且最节能的铲斗，为装载机节能型铲斗设计提供可靠地依据。

2 铲斗性能评价指标

从装载机的实际使用情况出发，铲装物料工况是装载机作业中最主要的工序，该典型工作循环主要通过插入、转斗和提升完成，能量消耗占装载机整体能耗的比重最大。例如，5t轮式装载机的油耗达到每小时约30L，而在铲装作业过程中消耗的能量约占整体的四分之三。铲装过程的能耗主要是由于物料对铲斗的阻力，因而分析装载机铲装作业过程的力学特性，研究其力学优化问题，实现减阻插入是减小铲装能耗和提高作业效率最直接的方法。

目前铲斗设计与优化皆以铲斗斗容与插入阻力为评价指标，而插入阻力是由多方面因素综合作用的结果[9]，仅反映某一插入深度的情况。因此，仅以插入阻力作为评价指标不能具体反应整个铲装过程的特点，需用其他条件相同而仅斗形参数不同时的整个铲装过程的插入阻力来衡量。另外，阻力在插入过程中的不同阶段是完全不相同的，插入阻力并未直接地、完全地反映斗形参数优劣的本质区别。因此通过研究不同截面几何参数的铲斗在相同条件下的插入阻力和满斗率，并通过能量法对不同铲斗进行能量分析，以满斗率尽可能高和节能为铲斗性能评价指标确定最佳斗形。

3 铲装作业过程分析

为研究铲斗截面参数对插入阻力及满斗率的影响，确定最佳的截面参数，需建立起铲装过程分析模型，主要包括铲斗模型和物料料堆模型，并通过模拟铲斗实际铲装轨迹，分析其铲装阻力情况。

3.1 铲斗模型的建立

采用四参数法[10]设定铲斗的相关截面系数，其中斗张角E0为斗底和斗后壁的夹角；底弧比D=L/R即斗底长度L与圆弧半径R之比；侧刃倾角E1为侧切削刃相对斗底的倾角；挡板高度系数G=M/R即挡板高度M与铲斗圆弧半径R之比，如图1所示。

图1 铲斗主要基本参数Fig.1 Main Basic Parameters of the Bucket

根据国内外论文及装载机的样本和图纸[7]统计得到5吨装载机铲斗四个参数的大致范围为G=0.30-0.35，E0=380-450，D=1.2-1.8，E1=500-600。为探究几何形状对铲斗铲装阻力和满斗率的影响，参考上述国内外多型号装载机统计资料设计了九个不同形状铲斗进行仿真分析。具体参数如表1(其中斗底角全部为00，斗宽为2.9m，经计算和标定得平装斗容为3.3m3及截面面积为1.13m2)。采用上述铲斗模拟尺寸，在Pro/E中建立铲斗模型，如图2所示。

表1 铲斗参数正交表Tab.1 Bucket Parameter Orthogonal Table

图2 部分铲斗模型Fig.2 Partial Bucket Model

3.2 物料料堆模型建立

为建立起更准确的料堆模型，采用实验与仿真结合的手段对料堆模型进行修正和验证，实验中的碎石物料采用容重r=1.56g/cm3，含水量0.3%的碎石，粒度为(40×40)mm，料堆高度固定在0.5m，堆积角度为其自然安息角。

借助HandySCAN700三维激光扫描仪采用逆向工程原理获取碎石表面特征，填充后形成物料颗粒。为精确获取作业阻力，需要综合考虑物料颗粒间的相互作用、物料与机械零部件间的相互作用等关系，故采用Herz-Mindlin(No-Slip)接触力学模型建立颗粒间接触模型，从而求取碎石颗粒间的接触力，该模型适用于散体颗粒间力学计算且计算效率高。

为建立更精准的物料特性参数，设计了滚动摩擦系数测定装置、静摩擦系数测定装置等相关装置，实验装置，如图3所示。碰撞恢复系数测试试验，如图3(a)所示。静摩擦系数测试实验，如图3(b)所示。滚动摩擦系数测试试验，如图3(c)所示。

图3 物料接触特性测试实验Fig.3 Material Contact Characteristics Test

经实验测定材料属性与材料接触属性，如表2所示。建立的料堆模型与相关仿真和试验对比表明了模型的准确性[11]。

表2 材料属性表与材料接触属性Tab.2 Material Property Sheet and Material Contact Properties

实验与仿真数据对比：仿真模型自然安息角为35.08°，试验测得安息角数值为35.8°，仿真模型安息角略小于实验安息角，是由于仿真物料尺寸是在实验物料基础上做了相应简化，对此已经采用了物料颗粒级配的手段进行修正，结果已达到了更好的一致性。

3.3 铲斗运动路径

为提高仿真模型的准确性，采用实机在某企业试验场进行铲装试验。在铲斗铰点处安装销轴传感器，并通过屏蔽线将其与智能数据采集分析系统连接，在装载机后安装位移传感器，并通过钢绳与之相连以测定铲斗运动，实时测定铲装过程中的速度和加速度，为仿真参数及运动轨迹提供依据。

根据现场实验数据拟合得出装载机铲斗典型铲装作业时的运动轨迹，将通用格式的铲斗CAD模型导入EDEM中，模拟铲装作业时的运动轨迹，实现铲斗插入、转斗与崛起过程，通过后处理模块分析铲斗所有网格受力情况。

3.4 实验及仿真结果分析

现场实验数据与仿真插入阻力对比，仿真插入阻力较实验阻力偏大，但多次仿真与实验对比，仿真曲线皆接近实验曲线。分析结果主要由于实验料堆中碎石形状及尺寸分布复杂，仿真所建料堆模型中不同碎石形状比例无法跟实验料堆完全一致，即仿真在一定程度上进行了简化处理。通过多次修正模型使仿真曲线更接近实验，仿真精度已提高30%，实验与仿真偏差已在允许误差范围内。同时，对满斗率进行测试，其仿真数据与实验数据也非常接近，可采用该仿真模型进行铲斗设计。

4 插入阻力与满斗率的统计分析

4.1 插入阻力结果分析

对已设计的9款铲斗进行研究分析可得其插入阶段所受插入阻力随插入深度的增加而不断增加，符合生产实践中水平插入阻力变化。铲斗插入料堆初期，水平插入阻力开始增长较平缓，没有出现大的波动。插入一定深度时，由于插入过程中密实核不断产生又被不断破坏，导致插入阻力明显增长且波动也越来越明显，最后达到最大值。由于铲斗设计是根据现有铲斗参数范围设定，9款铲装插入阻力比较接近，且阻力曲线不是平滑曲线，无法直观的得到铲斗的优劣。

为更明显的区分铲斗铲装优劣，采用能量法进行对比分析，即对插入阻力在时间t上进行积分，得到的平滑曲线，横轴表示插入时间，纵轴表示对应能量，如图4所示。

图4 插入阻力对时间积分曲线Fig.4 Insertion Resistance Versus Time Integral Curve

由图4可以看出积分后曲线变得平滑，没有明显的跳动，但由于密实核的存在而导致插入阻力的波动，同样也使插入过程中能量的变化存在明显的波动。由于图4过于密集，不便于分析，将区分度明显的(2～3)s阶段截成三段，并进行分段放大得到图5积分曲线放大图，(2～2.2)s、(2.2～2.5)s、(2.5～3.0)s三段各铲斗能量对比情况，横轴表示插入时间，纵轴表示对应能量，如图5所示。由图5及积分数据可以看出C1曲线平滑无波折，不仅较其他曲线平缓，且在铲装过程中所做的功最小，即铲装过程中所需要消耗的能量最少，即耗油量相对最少。

图5 积分曲线放大图Fig.5 Enlarged View of the Integral Curve

4.2 铲斗满斗率结果分析

为获得更可靠的结果数据，选取大的时间步长使得粒子在每次模拟中可取不同的流动路径，载荷重量的测定，如图6所示。相同铲斗和料堆铲装结果也有差异。因此，每个铲斗仿真5次取平均值，如表3所示，表中单位均为kg。由表3可得C3，C5，C6，C7满斗率明显小于其他铲斗，C1，C2铲斗满斗率较高。C2铲斗虽然满斗率最高，但是作业阻力明显比C1铲斗要高。综合考虑，C1铲斗最佳即C1铲斗截面参数最佳，最优截面参数为：E0=400，D=1.3，E1=520，G=0.31。

图6 铲装物料质量显示Fig.6 Shovel Material Quality Display

表3 仿真铲装物料质量统计表Tab.3 Simulation of Shovel Material Quality Statistics

5 结论

基于离散元素法，从散体力学的角度对铲装过程进行分析，可得到以下结论：(1)铲装过程的能耗主要是由于物料对铲斗的阻力，而物料对铲斗的阻力是个复杂变化的过程，因而分析装载机铲装作业过程的力学特性，研究其力学优化问题，实现减阻插入是减小铲装能耗和提高作业效率最直接的方法。

(2)为研究铲斗截面参数对插入阻力及满斗率的影响，确定最佳的截面参数，基于离散元法建立起了铲装过程分析模型，为铲装过程分析提供参考方法。(3)根据四参数铲斗设计原则研究不同截面几何参数的铲斗在相同铲装条件下的插入阻力和满斗率，通过能量法对不同铲斗进行能量分析，得到满斗率尽可能高且最节能的铲斗，对所设计的9款铲斗进行评估，得到了一款最优铲斗，最 优 截 面 参 数 为：E0=400，D=1.3，E1=520，G=0.31，截 面 积S=1.14m2。为装载机节能型铲斗设计提供可靠地依据。