CN104915477A - 一种矿用液压挖掘机挖掘阻力的仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种矿用液压挖掘机挖掘阻力的仿真方法，包括以下步骤：1)在多体动力学仿真软件ADAMS中构建液压挖掘机的运动学模型，并定义其运动，模拟正铲液压挖掘机的典型挖掘工况；2)分析实际矿堆中矿石级配参数和矿石接触参数，利用无滑动接触模型在EDEM中建立矿堆本构模型，使其形成与自然矿堆一样的自然休止角；矿石接触参数包括碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数；3)在EDEM构建的矿堆中，参考在ADAMS中建立的运动学模型，定义工作装置运动，进行典型工矿挖掘，测得挖掘过程中铲斗所受的挖掘阻力。本发明的有益效果是：提高了计算精度，使挖掘阻力的计算可以运用到实际工程中降低试验成本，缩短设计时间。

Description

一种矿用液压挖掘机挖掘阻力的仿真方法

技术领域

本发明涉及液压挖掘机多学科交互仿真技术领域，特别是一种矿用液压挖掘机挖掘阻力的仿真方法。

背景技术

挖掘机装载过程中，挖掘阻力几乎消耗了整机的全部能量，它是影响挖掘能力和装载效率的直接因素。挖掘阻力决定了挖掘机的机械结构强度、功率等参数的选择与校核，故能否准确的评估挖掘阻力，直接关系到挖掘机整机的设计和校核水平。

目前在挖掘机设计时获得挖掘阻力的方法主要有经验公式法、实验室研究、现场测试等方法。利用经验公式法计算挖掘阻力，由于考虑的因素较少，计算结果存在很大的偏差。而试验研究和现场测试等方法，一方面受到传感器技术的限定，使得到的结果不够精确，另一方面，在物理试验上，需要花高成本构建物理样机，且实验周期较长，降低了产品的开发效率。

与传统的基于物理试验得到挖掘阻力的方法相比，采用仿真的手段，利用多体动力学与离散元素法交互仿真的方法。不仅能够得到较精确的挖掘阻力，而且采用仿真模型替代传统设计开发模式下的物理样机模型，降低了产品的开发成本，缩短了产品的开发周期。同时，利用仿真的手段，模型参数修改方便，能够实现设计的多样化，有利于产品的优化设计。

发明内容

本发明的为了解决目前的目的在于提供一种液压挖掘机挖掘阻力的仿真方法，该方法是一种计算挖掘阻力切实可行的方法，并且利用多学科交互仿真的方法，不仅有利于提高仿真精度，同时也能降低试验成本，提高设计效率，缩短产品开发时间。

一种矿用液压挖掘机挖掘阻力的仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在多体动力学仿真软件ADAMS中构建液压挖掘机的运动学模型，并定义其运动，模拟正铲液压挖掘机的典型挖掘工况；

2)分析实际矿堆中矿石级配参数和矿石接触参数，利用无滑动接触模型在EDEM中建立矿堆本构模型，使其形成与自然矿堆一样的自然休止角，其中级配参数包括矿石的大小、形状、尺寸分布比例；矿石接触参数包括碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数；

3)在EDEM构建的矿堆中，参考在ADAMS中建立的运动学模型，定义工作装置运动，进行典型工矿挖掘，通过EDEM软件的仿真计算，得出铲斗挖掘矿石过程中所受的阻力，可在EDEM软件的后处理模块中导出挖掘过程中铲斗所受的挖掘阻力。

在三维实体造型软件UG中建立液压挖掘机的三维实体模型，并对模型进行适当简化，利用三维实体造型软件UG与多体动力学仿真软件ADAMS的接口，将简化后的液压挖掘机模型导入多体动力学仿真软件ADAMS中，利用ADAMS软件对所述液压挖掘机的动力学特性进行分析，建立所述液压挖掘机的动力学模型，并模拟挖掘机的典型挖掘工矿。

在完全认识实际矿堆的基础上，在EDEM中选择无滑动接触模型，并设置参数，包括材料属性以及材料之间的接触参数，然后建立矿堆模型，根据施工现场矿石颗粒的大小、形状以及粒径分布在EDEM中生成矿堆，使其自然堆垛形成自然休止角；其中材料属性包括泊松比、密度、剪切模量。

建立矿堆后，在EDEM中导入挖掘机工作装置的CAD三维实体模型，然后根据挖掘机工作装置在ADAMS中运动学分析的各个工况，在EDEM中定义工作装置的运动，模拟各挖掘工况，仿真结束后可在EDEM后处理模块中导出整个铲斗所受到的挖掘阻力。

本发明的有益效果是：建立液压挖掘机挖掘阻力的仿真计算模型，通过多学科交互仿真的方法，充分利用软件各自的有点，为挖掘机挖掘阻力的计算提供了一种切实可行的方法，并且利用交互仿真，进一步提高了计算精度，使挖掘阻力的计算可以运用到实际工程中。通过仿真的手段，可以降低试验成本，缩短设计时间，对液压挖掘机的设计研发具有重大意义。

附图说明

图1是本发明实施例的工作流程图。

图2是本发明实施例的挖掘机工作装置UG模型图(其中，1代表动臂；2代表斗杆；3代表铲斗；4代表动臂油缸；5代表斗杆油缸；6代表铲斗油缸)。

图3是本发明实施例的挖掘机运动学模型的主要约束列表。

图4是本发明实施例的EDEM矿堆构建过程图。

图5是本发明实施例的EDEM模拟挖掘过程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1一种矿用液压挖掘机挖掘阻力的仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在多体动力学仿真软件ADAMS中构建液压挖掘机的运动学模型，并定义其运动，模拟正铲液压挖掘机的典型挖掘工况；

2)分析实际矿堆中矿石级配参数和矿石接触参数，利用无滑动接触模型在EDEM中建立矿堆本构模型，使其形成与自然矿堆一样的自然休止角，其中级配参数包括矿石的大小、形状、尺寸分布比例；矿石接触参数包括碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数；

3)在EDEM构建的矿堆中，参考在ADAMS中建立的运动学模型，定义工作装置运动，进行典型工矿挖掘，测得挖掘过程中铲斗所受的挖掘阻力。

在本发明较佳实施例中，在三维实体造型软件UG中建立液压挖掘机的三维实体模型，并对模型进行适当简化，利用三维实体造型软件UG与多体动力学仿真软件ADAMS的接口，将简化后的液压挖掘机模型导入多体动力学仿真软件ADAMS中，利用ADAMS软件对所述液压挖掘机的动力学特性进行分析，建立所述液压挖掘机的动力学模型，并模拟挖掘机的典型挖掘工矿。

在本发明较佳实施例中，在完全认识实际矿堆的基础上，在EDEM中选择无滑动接触模型，并设置参数，包括材料属性以及材料之间的接触参数，然后建立矿堆模型，根据施工现场矿石颗粒的大小、形状以及粒径分布在EDEM中生成矿堆，使其自然堆垛形成自然休止角；其中材料属性包括泊松比、密度、剪切模量。

建立矿堆后，在EDEM中导入挖掘机工作装置的CAD三维实体模型，然后根据挖掘机工作装置在ADAMS中运动学分析的各个工况，在EDEM中定义工作装置的运动，模拟各挖掘工况，仿真结束后可在EDEM后处理模块中导出整个铲斗所受到的挖掘阻力。

实施例2以某15立方米大型正铲液压挖掘机为例，对本发明作进一步说明。

(一)构建15立方米液压挖掘机运动学模型

1.几何建模在三维软件UG中完成，结合15立方米液压挖掘机的模型参数，并对模型进行适当简化，只留下仿真需要的关键工作装置，包括：动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸，如图2所示。并将模型导出，转化为*.x_t格式的文件，然后将文件导入ADAMS中。

2.ADAMS中运动学模型包括三个主要工作装置：动臂、斗杆、铲斗，以及相应的工作油缸：动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸。其中动臂通过旋转铰接与机体相连，斗杆通过旋转铰接与动臂相连，铲斗通过旋转铰接与斗杆相连。各个油缸通过球副与其相应的工作装置相连，再在三对工作油缸中添加滑动运动副以模拟实际挖掘过程中的液压油缸运动。如图3所示的表1列出了本发明挖掘机运动学模型所采用的主要约束。

3.通过在滑动副中添加相应的step位移驱动函数，即可驱动图示工作装置进行典型挖掘工况的模拟，大型正铲液压挖掘机的典型挖掘工矿包括:斗杆挖掘、铲斗挖掘、复合挖掘。本发明以斗杆挖掘为例，做进一步说明，斗杆挖掘：动臂液压缸伸出；斗杆液压缸收缩；铲斗液压缸收缩调整铲斗齿与斗尖运动轨迹相切；水平推压一段距离后，斗杆液压缸伸出开始挖掘；铲斗液压缸用于调整铲斗角度。

(二)构建EDEM仿真矿堆

在EDEM中构建矿堆本构模型首先要确定矿石接触模型，大型正铲液压挖掘机的主要工作对象为完全爆破的松散矿石，所以选择EDEM中默认接触模型“Hertz-Mindlin no slip”无滑动接触模型，并设置参数，包括材料属性以及材料之间的接触参数。然后建立矿堆模型，根据施工现场矿石颗粒的大小、形状以及粒径分布在EDEM中生成矿堆，使其自然堆垛形成自然休止角。

1.参数分析

材料属性参数，包括泊松比、密度、剪切模量是材料的基本属性，可通过查看材料手册获得或通过实验测得。Hertz-Mindlin(no slip)接触模型中材料之间的接触参数包括：碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数，可通过实验测试与EDEM模拟相结合的方法获得这三个参数。

2.构建矿堆

对实际矿堆中矿石的形状、大小、粒径分布经行统计分析，将EDEM仿真中的基础颗粒也建成形状各异，大小不同的六种基本颗粒，按照按颗粒尺寸的大小，分为da1、da2、zhong1、zhong2、xiao1、xiao2。基于六种基本颗粒模型，在颗粒工厂中设置生成颗粒尺寸按正态分布，并控制最大最小尺寸，使大中小各种颗粒的质量满足连续分布，与实际矿堆相接近。

从工厂产生颗粒的时刻来分析，最先生成大颗粒，然后逐步用中颗粒与小颗粒去填充，使矿石做到粗细相间，与实际相符合。仿真过程中，先在一个细长的长方体中生成各种颗粒，并使其自由沉降，在3s以后，颗粒基本不再发生沉降。在3.23404s时刻，去掉一侧挡板，并重新调整矿堆仿真区域，使矿石在重力的作用下，自由坍塌，形成40°左右的自然休止角，在7s以后矿石基本不再发生自由滑落坍塌的现象，矿堆形成，矿堆生成过程如图4所示。

(三)EDEM挖掘仿真

建立矿堆后，在EDEM中导入挖掘机工作装置的CAD模型，然后根据挖掘机工作装置在ADAMS中运动学分析的各个工况，在EDEM中定义工作装置的运动，模拟各挖掘工况，如图5所示为模拟挖掘过程，仿真结束后可在EDEM后处理模块中导出整个铲斗所受到的挖掘阻力。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种矿用液压挖掘机挖掘阻力的仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在多体动力学仿真软件ADAMS中构建液压挖掘机的运动学模型，并定义其运动，模拟正铲液压挖掘机的典型挖掘工况；

2)分析实际矿堆中矿石级配参数和矿石接触参数，利用无滑动接触模型在EDEM中建立矿堆本构模型，使其形成与自然矿堆一样的自然休止角，其中级配参数包括矿石的大小、形状、尺寸分布比例；矿石接触参数包括碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数；

3)在EDEM构建的矿堆中，参考在ADAMS中建立的运动学模型，定义工作装置运动，进行典型工矿挖掘，通过EDEM软件的仿真计算，得出铲斗挖掘矿石过程中所受的阻力，可在EDEM软件的后处理模块中导出挖掘过程中铲斗所受的挖掘阻力。

2.如权利要求1所述的一种矿用液压挖掘机挖掘阻力的仿真方法，其特征在于：在三维实体造型软件UG中建立液压挖掘机的三维实体模型，并对模型进行适当简化，利用三维实体造型软件UG与多体动力学仿真软件ADAMS的接口，将简化后的液压挖掘机模型导入多体动力学仿真软件ADAMS中，利用ADAMS软件对所述液压挖掘机的动力学特性进行分析，建立所述液压挖掘机的动力学模型，并模拟挖掘机的典型挖掘工矿。

3.根据权利要求1所述的一种矿用液压挖掘机挖掘阻力的仿真方法，其特征在于：步骤2)中在完全认识实际矿堆的基础上，在EDEM中选择无滑动接触模型，并设置参数，包括材料属性以及材料之间的接触参数，然后建立矿堆模型，根据施工现场矿石颗粒的大小、形状以及粒径分布在EDEM中生成矿堆，使其自然堆垛形成自然休止角；其中材料属性包括泊松比、密度、剪切模量。

4.根据权利要求1所述的一种矿用液压挖掘机挖掘阻力的仿真方法，其特征在于：步骤3)中建立矿堆后，在EDEM中导入挖掘机工作装置的CAD三维实体模型，然后根据挖掘机工作装置在ADAMS中运动学分析的各个工况，在EDEM中定义工作装置的运动，模拟各挖掘工况，仿真结束后可在EDEM后处理模块中导出整个铲斗所受到的挖掘阻力。