1 武汉理工大学物流工程学院 武汉 430063 2 教育部港口物流技术与装备工程研究中心 武汉 430063

　　摘 要：研究一种桥式卸船机在实际工作过程中，其主要运动参数（料斗运行速度及切入角度）对取料过程的影响，通过不同的参数设置，在EDEM 中进行仿真，得到结果如下：料斗运行速度及切入角度对挖掘阻力有较大影响。在实际过程中，应当把料斗切入角度控制在40°~ 60°之间，当需要以不同的角度挖料时，需要控制料斗运行速度在1.5 m/s ~ 1.8 m/s 之内，此时可以获得较高的资源利用率。EDEM 具有传统计算不具备的优势，能够研究速度参数对实际取料的影响。

　　0 引言近年来全球经济高速发展，卸车机各国间贸易空前繁荣。各国间货物运输趋向于散装化与集装箱化，而散装运输作为远洋运输的重要组成部分也得到长足发展，在远洋运输业所占的比重呈现不断上升的趋势。卸船机是港口卸煤码头的重要设备，根据王国鹏[1] 的印尼电力市场应用分析以及夏平等[2] 在新型桥式链斗卸船机的研究综合分析考虑，采用桥式链斗卸船机为印尼码头装卸煤炭。

　　桥式链斗卸船机在设计过程中，挖掘阻力的设计计算往往以理论计算为主，面对复杂的挖掘环境，计算结果可能会存在一定误差，通过调研国内外研究情况，采用EDEM 仿真分析处理能够得到与实际情况相近的结果。离散元法是一种研究散体和机械相互接触的有效方法，EDEM 软件是应用离散元技术来模拟研究颗粒物料系统的 CAE 软件[3]。根据仿真结果，得到取料头在不同角度及不同速度下的挖掘阻力曲线，为实际设计计算功率提出指导，对提高资源利用率有一定参考意义。

　　1 桥式链斗卸船机挖掘过程1.1 主要挖掘模型桥式链斗卸船机挖掘模型如图1 所示，主要由大车行走机构、小车牵引机构、链斗摆动机构、链斗驱动机构等组成。

　　图1 整机模型1.2 取料头取料过程分析主要取料过程如图2 所示，通过钢丝绳牵引机构使得取料头能在一定角度内围绕绞点转动，由此改变链斗与物料表面的相对位置关系，满足物料在垂直方向上的挖取；通过大车行走机构和小车运行机构的水平位移，即可完成整个卸船工艺。

　　2 挖掘阻力分析料斗的取料过程中，受到的挖掘阻力主要由提升阻力、充填阻力、惯性阻力和摩擦阻力组成。对料斗模型简化后如图4 所示，受力分析如图5 所示。

　　图中，Vc 为料斗运动方向，料斗内外滑移面角度分别为β、γ，两滑移面之间夹角为α，料斗运动方向与水平面夹角为δ，在料斗运动过程中，料斗内滑移面角β逐渐增大，γ 逐渐减少，且两者之间的和不变；作用在料斗上共有五个力，分别为料斗自重G，两滑移面上的反力F2 和F3，物料的粘聚力F1 和F4[4]。

　　国内学者根据前苏联设计经验及国内应用改进的模型实践，卸车机得出一种新的计算公式[5]。传统挖掘阻力计算经验公式为

　　式中: f 为单位挖掘阻力，该单位数值与多种因素有关，目前较为准确的测试方法是通过实际实验获得，仿真物料为煤块，f 的取值为170 N/cm；L 为料斗切边总长度, cm。对于已经确定的料堆，在切入角度一定的情况下，切边总长度一定，所以导致料斗运动速度对挖掘阻力的计算有一定影响。

　　3 EDEM 仿线 颗粒模型设置仿真过程中，以煤炭作为主要物料，对于实际的煤炭，其散体颗粒尺寸大小、形状分布变化较广，可以使用CAD 模型导入或者通过EDEM 用多个不同的球形拟合成各类形状的颗粒进行仿真，本次仿真采用EDEM球形颗粒拟合作为颗粒模型。

　　根据物料属性，可以在EDEM 中输入相关参数，得到需要的材料属性。对于颗粒模型的建立，采用双球模型作为煤炭颗粒作为仿真，相对于单球模型而言，更能准确模拟煤炭在实际挖掘过程中的运动，如果采用三球模型，一方面对于计算机设备要求变高，另一方面会因为计算量过大使计算时间大大增加，综合考虑采用双球模型，并设置煤炭颗粒模型的半径为15 ~ 20 mm。颗粒模型如图6 所示。

　　基于本次研究目的设置链斗运行方式为Y 方向上的直线运动及X 方向上的圆周运动，考虑到仿真效率，导轮及链轮在仿真过程中并无实际影响，仅设置链斗作为运动元件进行仿真。本次仿真主要研究料斗在不同转速以及不同的切入角度对挖掘阻力的影响，因此单独选取取料头中一个料斗进行仿线。

　　由于在传统计算中对料斗运动速度参数没有涉及计算，卸车机导致传统设计计算结果与实际实验结果有一定差距。根据卸料方式不同，采用的运动速度范围也不同，这里采用离心式卸料方式，料斗运行速度为1 m/s ~ 2 m/s，本次实验中选择1 m/s、1.5 m/s、1.8 m/s 和2 m/s 四组数据进行仿线°。仿线 所示。

　　由图9 可知，当料斗切入角度一定时，料斗运行速度越快则受到的挖掘阻力越大。当运动速度在1.5 m/s以下时，挖掘阻力较小，随着速度的提升，物料之间的内摩擦力增加，使所受到的阻力逐渐上升。

　　理论计算与EDEM 仿线 所示，式链斗卸船机挖掘阻力仿真结果表明，随着料斗速度增加，挖掘阻力增加，当速度在1.5 m/s ~ 1.8 m/s 时，挖掘阻力较小；当速度一定时，料斗切入角度在40° ~ 60°时，挖掘阻力较小。理论计算值由于没有运算速度的代入会产生较大误差，对设计计算所需功率会有较大影响，由于传统设计计算值偏大，造成很大的资源浪费，通过EDEM 仿真设计计算能取得较为有效的经济效益。

　　1）料斗运行速度对挖掘阻力的影响较大，当料斗运行速度为1.5 m/s ~ 1.8 m/s 时可有效减少其所受的挖掘阻力。

　　2）在挖料过程中，切入角度为40° ~ 60°时所受阻力显著减少。在操作过程中应选取此角度作为工作角度。

　　3）在正常工作时，应当根据不同角度所受挖掘阻力不同，适当调整料斗的运行速度，基于EDEM仿真的桥使整个机型能在满足较低的功率下运行，对经济效益提升的同时对此机型的功率设计计算也有一定指导意义。

　　参考文献[1] 胡凯, 魏东. 悬链斗卸船机在印尼电厂煤炭进口码头工程中的应用[J]. 港口装卸, 2014(2): 35-38.[2] 夏平, 吴喆. 一种新型桥式链斗卸船机研究[J]. 港口装卸, 2017(4): 14-15.[3] 胡国明. 颗粒系统的离散元素法分析仿真［M］．武汉:武汉理工大学出版社，2010.

　　[5] 吴奋敬. 斗轮堆取料机关键参数离散元仿真研究[J]. 起重运输机械,2016(4):86-89.[6] 张宏云. 链斗式堆高机取料过程研究及仿真[D]. 武汉：武汉理工大学，2015.[7] 陶德馨. 工程机械手册. 港口机械[M]. 北京：清华大学出版社，2017.举报/反馈
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