鏟土運(yùn)輸機(jī)械鏟入阻力形成機(jī)理研究現(xiàn)狀獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

鏟土運(yùn)輸機(jī)械鏟入阻力形成機(jī)理研究現(xiàn)狀獲獎(jiǎng)科研報(bào)告對(duì)于鏟土運(yùn)輸機(jī)械來說，物料鏟裝是主要作業(yè)過程，不僅對(duì)操作人員的技能要求較高，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，而且大量實(shí)驗(yàn)表明，此階段的能量消耗所占整體能耗的比例也是最大的。機(jī)器工作過程中有很大部分能量是消耗在鏟挖物料、切削物料和移動(dòng)物料上。到目前為止，盡管鏟土運(yùn)輸機(jī)械由于大規(guī)模機(jī)械化施工而得到了快速發(fā)展，但對(duì)鏟入過程阻力形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)還是比較很膚淺的。這其中的主要原因是鏟土運(yùn)輸機(jī)械插入鏟取過程中的阻力受到料堆的形狀、物料的特性、鏟刃插入深度、料斗等眾多因素的影響。散體物料，特別是大塊散體物料的各種特性有很大的隨機(jī)性，理論公式計(jì)算插入、鏟取阻力時(shí)，無法準(zhǔn)確確定諸如自然堆角、內(nèi)摩擦角、物料滑移角等重要參數(shù)。因此研究切削裝置與物料相互作用的過程、切削機(jī)理與影響因素，對(duì)減少切削阻力、降低能量消耗，提高切削裝置壽命和機(jī)器作業(yè)效率具有重要意義。

物料的動(dòng)力本構(gòu)模型即動(dòng)荷載下物料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是表征物料動(dòng)力學(xué)特性的基本關(guān)系，是物料動(dòng)力學(xué)研究的中心問題之一，也是分析物料動(dòng)力失穩(wěn)過程一系列特性及插入阻力形成機(jī)理，密實(shí)核形態(tài)及發(fā)育過程研究的重要基礎(chǔ)。要能夠準(zhǔn)確地分析和計(jì)算插入阻力形成機(jī)理問題，首先就需要正確的本構(gòu)模型，以代表某種物料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。物料的實(shí)際動(dòng)本構(gòu)關(guān)系的發(fā)展表現(xiàn)在本構(gòu)理論、數(shù)值計(jì)算和測(cè)試技術(shù)3個(gè)方面，它們是相輔相成的。這項(xiàng)研究是依據(jù)兩條線索發(fā)展的：一是通過實(shí)驗(yàn)修正的方式，尋找描述物料狀態(tài)的各個(gè)機(jī)械特性參數(shù)及它們的經(jīng)驗(yàn)性關(guān)系;二是在實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)工作部件物料接觸系統(tǒng)施與一定的假設(shè)從而推求描述耕作過程的理論預(yù)測(cè)模型，以期指導(dǎo)切削裝置的設(shè)計(jì)。早期的研究由于實(shí)驗(yàn)手段的限制，以及各種假設(shè)與復(fù)雜的插入切削過程有一定的差距，造成所研究的結(jié)果或多或少偏離了真實(shí)的工作狀況。由于實(shí)驗(yàn)手段不斷完善以及計(jì)算機(jī)性能迅速提高，使得切削裝置與物料接觸問題研究在20世紀(jì)90年代取得了較大的進(jìn)展。

首先，實(shí)驗(yàn)方法更加完善。在繼續(xù)使用各種大、中、小型土槽實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借助X射線透射、掃描電鏡、高速攝像機(jī)及各種先進(jìn)的測(cè)力裝置來觀察并記錄物料在插入時(shí)的變化過程及切削裝置的受力情況。如YutaTAKAHASHI【1】等采用的直接測(cè)量鏟入阻力實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)裝置上安裝6軸力傳感器來對(duì)鏟入阻力進(jìn)行測(cè)量，但是對(duì)于鏟入過程中物料的變化情況并沒有檢測(cè)。而HiroshiTAKAHASHI【2】等為了檢測(cè)在鏟入過程中物料的變形情況，在物料中加入示蹤粒子，用高速攝像機(jī)記錄下鏟裝過程中失蹤粒子的運(yùn)動(dòng)情況，并對(duì)其進(jìn)行分析。這種實(shí)驗(yàn)方法只能檢測(cè)到物料表面在鏟入過程中的變形情況，但是對(duì)于物料內(nèi)部的變形情況卻無法知道。姚踐謙為檢測(cè)物料內(nèi)部運(yùn)動(dòng)情況所采用的實(shí)驗(yàn)方法是在一個(gè)透明的容器中裝入塊狀物料，用高速攝像機(jī)記錄下物料在鏟裝過程中的運(yùn)動(dòng)情況并對(duì)其進(jìn)行分析。采用該方法雖然可以檢測(cè)到物料內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)情況，但是只能是對(duì)臨近容器壁面的這一斷面物料進(jìn)行檢測(cè)，而對(duì)于整個(gè)物料內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)情況還是無法知道。姜洪濤采用CT掃描技術(shù)對(duì)兩種物料平推過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，采用該實(shí)驗(yàn)方法雖然可以檢測(cè)到物料內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)情況，但是由于受到CT掃描儀的限制導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的體積不能過大，同時(shí)該方法的成本也較高。

雖然國(guó)內(nèi)外很多研究人員采用不同的實(shí)驗(yàn)方法來對(duì)插入阻力進(jìn)行研究，但都或多或少存在一些問題：要么是通過大量的實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式的正確性;要么是只對(duì)在鏟裝過程中物料的變形運(yùn)用各種手段去監(jiān)測(cè)，但目前所采用的手段除了CT掃描法外，其他方法很難監(jiān)測(cè)到整個(gè)物料內(nèi)部的變形情況。因此為了更進(jìn)一步地了解物料的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系，插入阻力形成機(jī)理，密實(shí)核形態(tài)及發(fā)育過程，有必要采用新的實(shí)驗(yàn)方法在測(cè)取插入阻力的同時(shí)對(duì)插入過程物料內(nèi)部的變形情況進(jìn)行檢測(cè)。

其次，切削裝置與物料接觸問題的理論分析近些年來發(fā)展了數(shù)學(xué)模擬以研究物料的切削過程，數(shù)學(xué)模擬方法包括傳統(tǒng)的分析方法、離散單元法（DiscreteElementModel，DEM）和有限單元法（FiniteElementMethod，F(xiàn)EM）。

傳統(tǒng)分析方法的核心是從物料切削實(shí)驗(yàn)中找出物料破裂線的形狀，然后假定物料為剛塑性體，用靜力平衡求解以自由面、切削裝置與物料的相互作用邊界以及破裂線（面）組成的力隔離體，從而求得物料對(duì)切削裝置的阻力。該方法是根據(jù)太沙基的被動(dòng)土壓力理論發(fā)展起來的。許多學(xué)者根據(jù)這個(gè)理論提出了一些三維物料切削模型。但這些模型有較大的缺陷而無法適用于不同切削裝置形狀的情況。

DEM方法是一種顯式數(shù)值方法，它將物料看作獨(dú)立的不連續(xù)質(zhì)點(diǎn)的集合體。質(zhì)點(diǎn)間通過一系列聯(lián)系法則而相互作用，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律確定。該方法在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展很快，主要應(yīng)用在巖石力學(xué)、采礦工程及松散物料流動(dòng)等方面的研究中，相應(yīng)的算法和軟硬件已基本成熟，將粘附力的理論引入傳統(tǒng)離散單元法可以實(shí)現(xiàn)其在地面機(jī)器系統(tǒng)中物料動(dòng)態(tài)行為的模擬。但離散單元法在物料動(dòng)態(tài)行為仿真中的應(yīng)用還處于發(fā)展階段，只有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家（主要是日本）的一些學(xué)者在這方面進(jìn)行了一些探索性研究。由于物料本身的性質(zhì)十分復(fù)雜，力學(xué)模型很難建立，仿真參數(shù)也不易確定，所以目前這方面的研究主要是在二維條件下，并且用離散單元法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)機(jī)具作用下的物料動(dòng)態(tài)行為仿真，同時(shí)仿真參數(shù)也主要靠經(jīng)驗(yàn)來確定。國(guó)內(nèi)將離散單元法應(yīng)用于分析切削裝置與物料之間動(dòng)態(tài)相互關(guān)系的研究很少，目前尚鮮見有相關(guān)文章發(fā)表。因此，離散單元法在物料動(dòng)態(tài)行為仿真中的應(yīng)用有待進(jìn)一步研究。

目前國(guó)內(nèi)外運(yùn)用FEM方法研究物料切削問題的研究較多。有限元分析的結(jié)果要比以往的模型預(yù)測(cè)值更加接近于實(shí)際值，因?yàn)樗麄兤毡榭紤]了切削裝置物料接觸系統(tǒng)的幾何、物理及邊界非線性問題，甚至高速切削問題，這在以往的預(yù)測(cè)模型中幾乎是不可能的。但將有限元法用于切削裝置的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)仍有一段距離，這是由于用該方法來處理切削裝置與物料接觸問題時(shí)首先要選取較為精確的物料本構(gòu)關(guān)系，而實(shí)際的物料狀況往往千變?nèi)f化，雖然物料的本構(gòu)方程現(xiàn)在已有多種，但至今仍未有哪一種本構(gòu)關(guān)系能夠適應(yīng)所有的物料狀況。另外，即使考慮插入切削過程中的各種非線性現(xiàn)象，欲使有限元法能夠更精確地處理這一動(dòng)態(tài)接觸問題，還需對(duì)各種非線性計(jì)算模型，諸如刀刃的切削過程、物料金屬接觸模型、物料的大位移、大變形及破碎模型（特別是在高速狀態(tài)下），同時(shí)，物料本身是復(fù)雜的多相混合體，在建立物料動(dòng)本構(gòu)模型時(shí)應(yīng)該考慮多方面因素，即除了考慮物料的粘附性以外，還應(yīng)該考慮物料的塑性特性，以及物料內(nèi)部水分、空氣、粒徑分布以及密度等對(duì)物料動(dòng)態(tài)行為的影響，因此需要采用更合理、更精確的數(shù)學(xué)模型來描述。

以上是鏟土運(yùn)輸機(jī)械鏟入阻力形成機(jī)理研究現(xiàn)狀，目前針對(duì)鏟土運(yùn)輸機(jī)械鏟入阻力形成機(jī)