地下铲运机不同铲装方式下的离散元仿真研究.pdf

第 73 卷 第 6 期有 色 金 属（矿山部分）2021 年 11 月 Doi 10.3969/j.issn.1671-4172.2021.06.012 地下铲运机不同铲装方式下的离散元仿真研究 张元清 1 ， 2 ， 郭 鑫 1 ， 2 ， 3 ， 赵晓燕 1 ， 2 ， 李恒通 1 ， 2 ， 石 峰 1 ， 2 （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） 摘 要 地下铲运机作为地下金属矿山采矿中的重要作业设备 ， 其铲装工作状态严重影响其作业效率 ， 并且当 地下铲运机处于不同的铲装工作状态时 ， 其动力消耗变化也很大 。 为此需要研究铲运机在不同铲装状态下的作业 效率以及能耗等来寻求一种切实高效的铲装方式 。 地下铲运机铲装方式主要集中在以下 3 种 一次铲装法 、 配合 铲装法 、 分段铲装法 。 本文通过离散元软件 EDEM 以满斗率 、 阻力峰值 、 单位时间内的铲装量为指标对不同铲装 方式进行仿真 ， 得出结果 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 ， 但其铲装耗时长 ， 单 位时间满斗率较低且其铲装阻力较大 ， 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略低于一 次铲装法的单次铲装满斗率 ， 但其单次铲装耗时短 ， 单位时间满斗率高且铲装阻力小 ， 铲装综合效率较高 ， 是一种 较实用的铲装方式 。 关键词 智能装备 ； 地下铲运机 ； 离散元 ； 铲装方式 ； 阻力峰值 ； 满斗率 中图分类号 TD422.4 文献标志码 A 文章编号 1671-4172（2021）06-0072-08 Discrete element simulation analysis of different shoveling s for underground LHD ZHANG Yuanqing 1 ， 2 ， GUO Xin 1 ， 2 ， 3 ， ZHAO Xiaoyan 1 ， 2 ， LI Hengtong 1 ， 2 ， SHI Feng 1 ， 2 （1.BGRIMM Technology Group ， Beijing 100160 ， China ； 2.BGRIMM Machinery and Automation Technology Co. ， Ltd. ， Beijing 100160 ， China ； 3.School of Mechanical Engineering ， University of Science and Technology Beijing ， Beijing 100083 ， China） Abstract As an important piece of equipment in underground metal mining ，the working condition of the underground LHD has a serious impact on its operational efficiency ， and its power consumption varies greatly when the underground shovel is in different shovel working conditions.Therefore ，it is necessary to research the operational efficiency and energy consumption of the underground LHD in different shovel states to find an effective and efficient shoveling .There are three main shoveling s primary shoveling ，matching shoveling and segmental shoveling . This paper simulates different shoveling s by using the discrete element software EDEM with full bucket rate ，peak resistance and shoveling volume per unit time as indicators ， concludes that the single shoveling full bucket rate of the segmental shoveling is higher than the primary shoveling and the matching shoveling ，but the single shovel loading time is longer ，full bucket rate per unit time is lower and its shoveling resistance is higher ， so it is not suitable to choose this for shoveling.The single shovel loading rate is slightly lower than the single shovel loading ， but the single shovel loading time is shorter ， the full bucket rate per unit time is higher and the shovel loading resistance is smaller ， so the shoveling efficiency is high ， it is a practical way of shoveling . Key words intelligent equipment ； underground LHD ； discrete element ； shoveling ； peak resistance ； full bucket rate 基金项目 国家重点研发计划深地资源勘查开采专项（2018YFC0604402） 作者简介 张元清（1995 ） ， 男 ， 硕士 ， 助理工程师 ， 机械工程专业 ， 主要研究方向为无轨设备的研究与开发 。 通信作者 郭鑫（1983 ） ， 男 ， 硕士 ， 正高级工程师 ， 机械工程专业 ， 主要研究方向为无轨设备及冶金设备的研发 。 E-mail guoxin＠ 第 6 期张元清等 地下铲运机不同铲装方式下的离散元仿真研究 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 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 。 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 2 配合铲装法示意图 Fig.2 Schematic diagram with shovel 图 3 分段铲装法示意图 Fig.3 Schematic diagram of the segmented shovel 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 。 表 1 矿石物料和铲斗的材料属性 Table 1 Material properties of ore materials and bucket 物体类型泊松比密度/（kg m － 3） 弹性模量/（N m － 2） 矿石料堆0 �.351ⅱ槝.9 1031�ⅱ.5 108 铲斗0 �.307ⅱ槝.8 1037 1010 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 。 37 有 色 金 属（矿山部分） 第 73 卷 表 2 物体间的摩擦属性 Table 2 Friction properties between objects 物体类型阻力系数静摩擦系数滚动摩擦系数 矿石物料 矿石物料0┅煙.20WM.900�v.66 矿石物料 铲斗0┅煙.30WM.840�v.50 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 。 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 。 图 4 矿石料堆和铲斗模型的生成 Fig.4 Modeling of ore and bucket 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 47 第 6 期张元清等 地下铲运机不同铲装方式下的离散元仿真研究 图 6 一次铲装法仿真云图 Fig.6 Simulation cloud diagram of one-time shoveling 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 57 有 色 金 属（矿山部分） 第 73 卷 图 8 配合铲装法仿真云图 Fig.8 Simulation cloud diagram with shovel-loading 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 67 第 6 期张元清等 地下铲运机不同铲装方式下的离散元仿真研究 图 10 分段铲装法仿真云图 Fig.10 Simulation Cloud diagram of segmented shoveling 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 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 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 δ＝ Vs V （1） 77 有 色 金 属（矿山部分） 第 73 卷 式中 ，Vs 铲斗随铲装过程变化最终斗内的物 料体积 ， m 3 ；V 铲斗满斗时物料的体积 ， 在此取 2 m 3 。 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 δ＝ δ T （2） 式中 ， δ 单位时间内满斗率 ；T 单次铲装时 间 ， s 。 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 一次铲装法 Fmax 1 ＝ 174 .611 kN ， Vs 1 ＝ 1 .149 7 m 3 ， δ 1 ＝ 57.485％ ，T1＝ 9.5 s ， δ 1 ＝ 6.05％ ； 配合铲装法 Fmax 2 ＝ 81 .659 7 kN ， Vs 2 ＝ 1 .089 1 m 3 ， δ 2 ＝ 54.455％ ，T2＝ 8.5 s ， δ 2 ＝ 6.41％ ； 分段铲装法 Fmax 3 ＝ 297 .987 kN ， Vs 3 ＝ 1 .371 7 m 3 ， δ 3 ＝ 68.585％ ，T3＝ 16 s ， δ 3 ＝ 4.29％ ； 其阻力峰值排序 Fmax 3 ＞ Fmax 1 ＞ Fmax 2 ， 阻力越 大 ， 越不利于铲装 ； 满斗率排序 δ 3 ＞δ 1 ＞δ 2 ， 满斗率越高 ， 表明其 单次铲装物料越多 ； 单位时间满斗率 δ 2 ＞ δ 1 ＞ δ 3 ， 单位时间满斗率 越高 ， 表明其铲装效率越高 。 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 Table 3 Data of simulation parameters under different shoveling and loading modes 铲装方式铲装阻力峰值/kN斗内物料体积/m3满斗率/％铲装时间/s单位时间满斗率/％ 143浇吵.5280�铑.863 043寣 倐.4738T 适.55 .82 一次铲装法196浇吵.4371�铑.285 364寣 倐.26610殚哌.56 .12 174浇吵.6111�铑.149 757寣 倐.4859T 适.56 .05 68┅煙.7830�铑.891 044寣 倐.5527T 适.55 .94 配合铲装法103浇吵.5311�铑.278 763寣 倐.3359T 适.56 .73 81┅煙.6591�铑.089 154寣 倐.4558T 适.56 .41 239浇吵.0851�铑.224 161寣 倐.20315殚哌.04 .08 分段铲装法273浇吵.5571�铑.332 865寣 倐.64017殚哌.03 .92 297浇吵.9871�铑.371 768寣 倐.58516殚哌.04 .29 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 。 参考文献 ［1］ 赵晓燕 ， 郭鑫 ， 姜勇 ， 等 . 地下铲运机铲装轨迹数学建模与仿 真［J］ . 机械制造 ， 2021 ， 59（6） 14-18 . 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