李尚平 張 偉 黃宗曉 向 銳 莫瀚寧 胡佳成

(1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 南寧 530004； 2.廣西民族大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 南寧 530006)

0 引言

廣西地區(qū)是我國重要的甘蔗種植區(qū)，甘蔗產(chǎn)量占全國的60%，蔗糖業(yè)產(chǎn)值占廣西國民生產(chǎn)總值的10%～11%。甘蔗種植經(jīng)營(yíng)規(guī)模小而分散，地塊窄小、無機(jī)耕道，且蔗田石塊、樹根多，對(duì)于大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的種植、收割、運(yùn)輸都非常不利[1-4]。因此，在大多數(shù)丘陵地區(qū)，需開發(fā)適于丘陵地區(qū)的甘蔗機(jī)械，其比大型一體式機(jī)械更適合于甘蔗種植區(qū)域的地形。甘蔗種植機(jī)所需的蔗種和收獲機(jī)所收獲的甘蔗，需要用轉(zhuǎn)運(yùn)車輛進(jìn)行短距離運(yùn)輸，目前甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車輛為廂式運(yùn)輸車，存在輪距較大、提升重心高、穩(wěn)定性不足的缺點(diǎn)[5-6]。國內(nèi)外學(xué)者一般利用離散元方法研究穩(wěn)定性問題。郭延輝等[7]基于離散元的方法為礦區(qū)隔水層的穩(wěn)定性提供了理論分析基礎(chǔ)，賈彬等[8]基于離散元的方法對(duì)露天礦的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；DAS等[9]基于離散元的方法對(duì)地下洞室的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。目前，國內(nèi)對(duì)于車廂卸料過程中穩(wěn)定性方面的研究鮮有報(bào)道。本文針對(duì)甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車廂卸料過程中的穩(wěn)定性問題，提出一種基于離散元的分析方法。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 傳統(tǒng)式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車廂結(jié)構(gòu)及原理

傳統(tǒng)式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車如圖1a所示，建立傳統(tǒng)式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車的三維模型，如圖1b所示，主要由集蔗車廂、舉升翻轉(zhuǎn)裝置、液壓提升裝置組成，車廂的底板和傾倒側(cè)的側(cè)板為鋼制材料，其余3個(gè)側(cè)面為鐵絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)。翻轉(zhuǎn)方式為車廂整體側(cè)翻的形式，在翻轉(zhuǎn)過程中，為了將車廂內(nèi)的甘蔗傾倒干凈，車廂必須進(jìn)行大幅度的翻轉(zhuǎn)，整車的質(zhì)心位置會(huì)發(fā)生較大的橫向偏移，當(dāng)質(zhì)心橫向移動(dòng)量過大而超出車輪的支撐面積時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致整車的側(cè)翻。

圖1 傳統(tǒng)式轉(zhuǎn)運(yùn)車集蔗車廂

1.2 剪叉自走式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車廂結(jié)構(gòu)及原理

1.2.1車廂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪叉自走式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車集蔗車廂主要由車廂、傾倒裝置、開門裝置構(gòu)成，其車廂由底板、一面可開合的傾倒側(cè)板及三面鐵絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的側(cè)面組成；其底板和傾倒側(cè)的側(cè)板為鋼制材料，車傾倒裝置和開門裝置均由二組液壓油缸組成，分別位于車廂的兩側(cè)，如圖2所示。

圖2 剪叉自走式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車集蔗車廂

1.2.2車廂工作原理

車廂的傾倒方式為側(cè)傾式。作業(yè)時(shí)，剪叉式機(jī)構(gòu)先將集蔗車廂提升到需要的高度；然后通過開門裝置將車廂側(cè)板打開，此時(shí)，車廂中一部分甘蔗隨即崩塌，沿著打開的車廂側(cè)板掉落到旁邊收集的貨車車廂中；最后通過車廂底板的傾倒裝置傾倒車廂，將剩余的甘蔗傾倒完畢。整個(gè)卸料過程分兩步進(jìn)行，車廂側(cè)板打開時(shí)掉落的那部分甘蔗能夠減輕車廂傾倒時(shí)車廂的載重，有利于降低傾倒時(shí)質(zhì)心橫向偏移量，可減小車廂的卸料角，工作狀態(tài)如圖3所示。

圖3 剪叉自走式轉(zhuǎn)運(yùn)車車廂工作原理圖

1.3 集蔗車廂設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

2 離散元仿真接觸參數(shù)

本文主要結(jié)合甘蔗切斷式轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)行分析，故研究對(duì)象為甘蔗蔗段。

2.1 蔗段建模

為了保證蔗段離散元仿真模型的幾何特征關(guān)系與實(shí)際蔗段保持較高的一致性，需對(duì)蔗段進(jìn)行數(shù)字建模。甘蔗試樣取自廣西扶綏甘蔗雙高試驗(yàn)基地，品種為中蔗9號(hào)。試驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)甘蔗含水率為74.8%，密度為1 020 kg/m3。使用課題組自主研究設(shè)計(jì)的甘蔗預(yù)切種機(jī)將其切斷，每段長(zhǎng)度約200 mm，隨機(jī)選取100根蔗段。蔗段橫截面近似為圓形，蔗段整體近似為圓柱體，使用游標(biāo)卡尺對(duì)直徑進(jìn)行測(cè)量，對(duì)每根蔗段節(jié)間的上中下3個(gè)部位進(jìn)行測(cè)量，直徑平均值記為d；每根蔗段平均有2個(gè)蔗節(jié)，直徑平均值記為t；每個(gè)部位測(cè)量3次，計(jì)算平均直徑[10]為

(1)

(2)

式中i、n——測(cè)量次數(shù)

D1i——第i次測(cè)量蔗段節(jié)間上部直徑

D2i——第i次測(cè)量蔗段節(jié)間中部直徑

D3i——第i次測(cè)量蔗段節(jié)間下部直徑

T1n——第n次測(cè)量上蔗節(jié)直徑

T2n——第n次測(cè)量下蔗節(jié)直徑

蔗段節(jié)間和蔗節(jié)的直徑統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 直徑統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述測(cè)量結(jié)果，在EDEM的原型顆粒模型創(chuàng)建中，利用多球面組合功能建立蔗段離散元模型，如圖4a所示。

圖4 蔗段離散元模型及蔗段實(shí)物

2.2 蔗段滾動(dòng)摩擦因數(shù)

為了進(jìn)行仿真分析，需先求出蔗段-鋼板、蔗段-蔗段之間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)及靜摩擦因數(shù)等物理參數(shù)。

2.2.1基本理論

設(shè)一個(gè)質(zhì)量為m，橫截面半徑為r的圓柱體在力P的作用下做勻速純滾動(dòng)，圓柱體在滾動(dòng)時(shí)受到滾動(dòng)摩擦力為[11-12]

Ffr=f′N

(3)

其中

f′=d/r

式中Ffr——滾動(dòng)摩擦力

f′——滾動(dòng)摩擦因數(shù)

N——支撐力

可以看出滾動(dòng)摩擦力和支撐力N成正比。

假設(shè)蔗段在如圖5所示的斜面滾下，點(diǎn)A為斜面的頂點(diǎn)，點(diǎn)K為斜面的另外一點(diǎn)，L為斜面上點(diǎn)K到點(diǎn)A的距離，θ為斜面傾斜角，則斜面對(duì)圓柱的支撐力N=mgcosθ，所以

(4)

摩擦力所做的功為

(5)

圖5 蔗段滾動(dòng)受力示意圖

Wfr同時(shí)也是物體在滾動(dòng)過程中所損失的能量。當(dāng)蔗段由靜止開始從斜面點(diǎn)A滾到點(diǎn)K時(shí)，由能量守恒定律可知

ΔU=Wfr+Ek

其中

ΔU=UA-Uk=mgLsinθ

(6)

式中Ek——在點(diǎn)K處的動(dòng)力勢(shì)能

ΔU——蔗段在點(diǎn)A與點(diǎn)K時(shí)的重力勢(shì)能差

由此可得滾動(dòng)摩擦所造成的能量損失占總能量的比例為

(7)

式中，Cf與斜面傾角的余切函數(shù)呈線性關(guān)系，其斜率是滾動(dòng)摩擦因數(shù)。

2.2.2滾動(dòng)摩擦試驗(yàn)

利用鋼板和角鋼搭建簡(jiǎn)易的試驗(yàn)臺(tái)架，如圖6所示。另選取直徑一致的蔗段并排貼在鋼板上，作為測(cè)量蔗段與蔗段滾動(dòng)摩擦因數(shù)的材料。試驗(yàn)時(shí)使用佳能EOS500D型攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，將蔗段放在與水平面呈θ的斜面上，使其由靜止從斜面頂端滾下，通過調(diào)整鋼板和角鋼之間螺母固定的位置改變?chǔ)?，用電子?shù)顯傾角儀讀取角度，取值在10°～50°之間，每間隔5°進(jìn)行一組試驗(yàn)，共9個(gè)角度，每組角度試驗(yàn)重復(fù)10次，取其平均值。通過攝影慢放技術(shù)得到最后1幀的時(shí)間間隔內(nèi)蔗段中心運(yùn)動(dòng)的距離為Δx，已知每一幀的時(shí)間間隔Δt=0.04 s，可求得在此時(shí)間段內(nèi)的瞬時(shí)速度vS(m/s)，將此時(shí)刻的瞬時(shí)速度作為到達(dá)斜面上點(diǎn)K時(shí)的瞬時(shí)速度，計(jì)算式為

(8)

圖6 滾動(dòng)摩擦試驗(yàn)臺(tái)架

通過軟件OriginPro對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性回歸處理并得到擬合直線，蔗段與不同材料間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)如圖7所示。蔗段-鋼板：y=0.262+0.072x,R2=0.83；蔗段-蔗段：y=0.426+0.092x，R2=0.82。即蔗段-鋼板、蔗段-蔗段之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.072、0.092。

圖7 蔗段與不同材料間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)

2.3 蔗段靜摩擦因數(shù)分析

2.3.1理論基礎(chǔ)

設(shè)質(zhì)量為m的物體，放置在傾角為α的斜面上，受到重力和摩擦力的作用，如圖8所示[13]。

圖8 靜摩擦受力示意圖

滑塊的靜摩擦力為f，重力可分解為兩個(gè)力，平行于斜面的力F和垂直于斜面的力N，其中

f=μN(yùn)

(9)

F=mgsinα

(10)

N=mgcosα

(11)

當(dāng)斜面傾角α很小時(shí)，F(xiàn)小于滑塊與斜面間靜摩擦力f，滑塊保持靜止?fàn)顟B(tài)，隨著斜面傾角α的緩慢變大，當(dāng)F大于滑塊與斜面間靜摩擦力f時(shí)，滑塊開始沿著斜面下滑，在開始滑動(dòng)的瞬間f=F，故靜摩擦因數(shù)為

(12)

2.3.2靜摩擦試驗(yàn)

為了防止單根蔗段在斜面上滾動(dòng)，將2根蔗段粘結(jié)在一起放置在斜面上，保證甘蔗滑動(dòng)。試驗(yàn)選取2塊鋼板，一塊作為測(cè)量蔗段與鋼板的靜摩擦因數(shù)的試驗(yàn)斜面；另一塊選取直徑一致的蔗段并排粘貼在鋼板上，作為測(cè)試蔗段與蔗段之間的靜摩擦因數(shù)時(shí)的試驗(yàn)斜面。為了防止單根蔗段在斜面上滾動(dòng)，將2根蔗段粘結(jié)在一起放置在斜面上。

試驗(yàn)時(shí)，斜面一側(cè)保持固定不動(dòng)，緩慢勻速地抬起斜面的另一側(cè)，當(dāng)蔗段開始滑動(dòng)時(shí)，利用電子數(shù)顯傾角儀記錄斜面的傾斜角α，重復(fù)試驗(yàn)15次，試驗(yàn)結(jié)果見圖9和表3。

圖9 靜摩擦試驗(yàn)結(jié)果

表3 靜摩擦試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，蔗段-鋼板的靜摩擦因數(shù)和蔗段-蔗段間的靜摩擦因數(shù)分別為0.211、0.402。

2.4 剪叉式集蔗車廂堆積角和卸料角影響因素

仿真要求定義的接觸參數(shù)有滾動(dòng)摩擦因數(shù)、靜摩擦因數(shù)、碰撞恢復(fù)系數(shù)。韓燕龍等[14]通過研究發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦因數(shù)對(duì)堆積角的影響十分顯著，故不再對(duì)滾動(dòng)摩擦因數(shù)進(jìn)行研究。

2.4.1正交仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

正交仿真試驗(yàn)時(shí)需要進(jìn)行多組試驗(yàn)，由于車廂的設(shè)計(jì)尺寸較大，顆粒數(shù)量很多，為了減少仿真時(shí)間，根據(jù)相似性原理，將車廂的尺寸縮小為原尺寸的3/4進(jìn)行研究。

仿真模型由車廂和基板組成。箱體長(zhǎng)為1 000 mm，寬500 mm，高400 mm，頂部無蓋；基板長(zhǎng)1 500 mm，寬1 500 mm，如圖10所示。箱體和基板材料均為鋼，密度7 800 kg/m3、泊松比0.344、剪切模量7.0×1010Pa；蔗段密度1 020 kg/m3、泊松比0.33、剪切模量9.28×109Pa[15-16]；蔗段與蔗段之間、蔗段與車廂和基板之間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)分別設(shè)為0.092、0.072。

圖10 仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.4.2正交仿真試驗(yàn)過程

正交仿真試驗(yàn)選取4個(gè)因素，分別為：甘蔗-甘蔗靜摩擦因數(shù)A、甘蔗-鋼板靜摩擦因數(shù)B、甘蔗-甘蔗碰撞恢復(fù)系數(shù)C、甘蔗-鋼板碰撞恢復(fù)系數(shù)D，每個(gè)因素取4個(gè)水平，留出一個(gè)空列提高誤差的靈敏度，評(píng)價(jià)指標(biāo)為堆積角和卸料角，因素安排見表4。選取L16(45)的正交試驗(yàn)表[17-18]。

表4 因素安排

在EDEM中依次實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入模型、生成顆粒、擋蔗板提升和堆積完成4個(gè)過程[19]，如圖11所示。顆粒的方向?yàn)楣潭?，顆粒生成工廠相關(guān)參數(shù)及方向矩陣設(shè)置如圖12所示。顆粒達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，以0.5 m/s的速度垂直向上提升擋蔗板，仿真運(yùn)行時(shí)間為10 s。

穩(wěn)定的堆積形成后，運(yùn)用Matlab對(duì)堆積角圖像進(jìn)行處理，并讀取相應(yīng)的角度[20-21](圖13)。

圖11 仿真模型試驗(yàn)過程

圖12 仿真設(shè)置

圖13 堆積角圖像處理

2.4.3正交仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

利用Minitab對(duì)正交仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表5(α=0.05)。

由表5可知，甘蔗-甘蔗靜摩擦因數(shù)、甘蔗-鋼板靜摩擦因數(shù)對(duì)堆積角、卸料角具有顯著影響(P<0.05)；甘蔗-甘蔗碰撞恢復(fù)系數(shù)、甘蔗-鋼板碰撞恢復(fù)系數(shù)對(duì)堆積角、卸料角的影響則均不顯著(P>0.05)。故后續(xù)仿真中，碰撞恢復(fù)系數(shù)參照秸稈的碰撞恢復(fù)系數(shù)[22]。

3 接觸參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 堆積角和卸料角仿真試驗(yàn)

將上述標(biāo)定獲取的離散元本征參數(shù)和接觸參數(shù)輸入EDEM中進(jìn)行堆積角和卸料角仿真試驗(yàn)。粒子生成設(shè)置和仿真結(jié)果圖像處理方法以及堆積角的仿真試驗(yàn)與上文一致(同2.4節(jié))。傾倒仿真試驗(yàn)時(shí)，車廂以1(°)/s的速度傾倒，蔗段物料剛好傾倒完畢時(shí)的角度為卸料角。仿真試驗(yàn)中，測(cè)定堆積角為25.73°，卸料角為23.15°，仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖14b、14d所示。

表5 方差分析

注：*表示相關(guān)性顯著。

圖14 仿真試驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證試驗(yàn)

3.2.1堆積角驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真試驗(yàn)得到的堆積角準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行堆積角的驗(yàn)證試驗(yàn)。

試驗(yàn)裝置(Q235鋼制材料)由長(zhǎng)1 000 mm、高400 mm、寬500 mm的箱體組成，將100 kg的蔗段放入箱體后，緩慢向上提升擋蔗板，待蔗段堆積穩(wěn)定后，測(cè)定堆積斜面與水平地板平面的夾角即為堆積角，如圖15所示。通過Matlab軟件進(jìn)行圖像處理，試驗(yàn)重復(fù)5次，求得堆積角平均值為24.46°。試驗(yàn)平臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果與上述仿真試驗(yàn)得到的堆積角相對(duì)誤差為4.94%，表明標(biāo)定后的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

圖15 堆積角試驗(yàn)

3.2.2卸料角驗(yàn)證試驗(yàn)

為了得到車廂真實(shí)的卸料角度，并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)行了剪叉式集蔗車廂的傾倒試驗(yàn)。采用液壓缸緩慢提升，用電子數(shù)顯傾角儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傾倒角，將蔗段剛好能夠傾倒完畢的角度記錄為卸料角，如圖16所示。重復(fù)5次傾倒試驗(yàn)，取其平均值，測(cè)定結(jié)果為24.90°。車廂模型試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)得到的卸料角相對(duì)誤差為7.56%，表明標(biāo)定得到的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

圖16 傾倒試驗(yàn)

4 車廂穩(wěn)定性仿真

以車廂傾倒時(shí)的穩(wěn)定性為指標(biāo)，質(zhì)心橫向偏移量和卸料角作為穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，比較剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車和傳統(tǒng)式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車卸料過程中的穩(wěn)定性。

轉(zhuǎn)運(yùn)車從提升、翻轉(zhuǎn)、卸料、結(jié)束作業(yè)整個(gè)過程中，甘蔗的質(zhì)心狀態(tài)不斷發(fā)生變化，其中寬度方向的變化表現(xiàn)在甘蔗整體質(zhì)心的橫向偏移，若偏移量大于輪距的一半，在卸料過程中可能會(huì)出現(xiàn)側(cè)翻危險(xiǎn)。卸料角過大，在卸料過程中同樣可能會(huì)出現(xiàn)側(cè)翻危險(xiǎn)。

4.1 仿真參數(shù)

將三維軟件SolidWorks中生成的模型導(dǎo)入EDEM軟件中，再次進(jìn)行仿真分析，車廂的尺寸參數(shù)見1.2節(jié)。將上述標(biāo)定獲取的離散元本征參數(shù)和接觸參數(shù)輸入EDEM中，顆粒工廠生成后的顆粒以5 m/s的速度下落，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)置顆粒生成總質(zhì)量6 000 kg，生成速度500 kg/s，顆粒生成結(jié)果見圖17。

圖17 顆粒生成模型

4.2 質(zhì)心橫向偏移

EDEM軟件中沒有直接測(cè)量質(zhì)心的工具，將整個(gè)仿真域在Y方向上劃分成1 000份，如圖18所示。每一份是一個(gè)小的仿真域，每個(gè)小的仿真域?qū)挾葹? mm，以它們的中心坐標(biāo)作為每個(gè)仿真域的質(zhì)心坐標(biāo)，測(cè)量每個(gè)小仿真域內(nèi)的質(zhì)量，求得在傾倒過程中某一時(shí)刻的質(zhì)心位置為

(13)

式中mi——第i個(gè)仿真域內(nèi)所有蔗段質(zhì)量

yi——第i個(gè)仿真域的中心坐標(biāo)值

圖18 仿真域劃分

通過仿真分析，得到車廂傾倒過程中甘蔗質(zhì)心橫向偏移曲線，見圖19。車廂寬度方向上的中點(diǎn)為零點(diǎn)，傾倒方向?yàn)檎较?。車廂傾倒示意圖如圖20所示，橫坐標(biāo)為甘蔗質(zhì)心的橫向偏移量，虛線為初始狀態(tài)的質(zhì)心橫向偏移量，實(shí)線為橫向偏移量的最大值。在車廂傾倒的過程中，傳統(tǒng)式集蔗車廂質(zhì)心的橫向偏移會(huì)先向左偏移，再向右偏移，所以擺動(dòng)量是負(fù)方向最大值與正方向最大值二者和；剪叉式集蔗車廂質(zhì)心的橫向偏移始終向右偏移，所以擺動(dòng)量和質(zhì)心橫向偏移量相同。

傳統(tǒng)式轉(zhuǎn)運(yùn)車集蔗車廂的形狀類似梯體，在寬度方向上不是軸對(duì)稱體，故在車廂還未翻轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)方向上已經(jīng)產(chǎn)生200 mm的質(zhì)心偏移；在車廂翻轉(zhuǎn)過程中，質(zhì)心先向負(fù)方向偏移，最大偏移量534.52 mm，再向正方向偏移，最大偏移量為1 235.56 mm，在整個(gè)過程中，質(zhì)心的最大偏移為1 235.56 mm，擺動(dòng)量為1 770.08 mm。剪叉自走式轉(zhuǎn)運(yùn)車集蔗車廂在未傾倒時(shí)質(zhì)心偏移量為0 mm；在傾倒過程中，質(zhì)心始終向正方向偏移，最大偏移量為705.49 mm，擺動(dòng)量為705.49 mm。

剪叉自走式轉(zhuǎn)運(yùn)車的質(zhì)心橫向偏移量和擺動(dòng)量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)式轉(zhuǎn)運(yùn)車。若保證卸料過程中不產(chǎn)生側(cè)翻，傳統(tǒng)式轉(zhuǎn)運(yùn)車的輪距需大于2 470 mm，剪叉自走式轉(zhuǎn)運(yùn)車的輪距只需大于1 410 mm即可，適于甘蔗種植行距。

圖19 甘蔗質(zhì)心橫向偏移曲線

圖20 甘蔗質(zhì)心橫向擺動(dòng)量示意圖

4.3 質(zhì)心相對(duì)高度變化

車廂傾倒過程中甘蔗質(zhì)心在高度上的變化曲線，見圖21。

傳統(tǒng)式轉(zhuǎn)運(yùn)車集蔗車廂只需車廂的上沿超過指定的高度，可以進(jìn)行卸料。圖21a中以車廂的上沿為零點(diǎn)，得到在翻轉(zhuǎn)過程中甘蔗質(zhì)心相對(duì)車廂上沿的相對(duì)高度變化曲線。在初始時(shí)刻，甘蔗質(zhì)心相對(duì)于車廂上沿的高度為-544.21 mm；在車廂整體向上的翻轉(zhuǎn)過程中，質(zhì)心的相對(duì)高度不斷變大，最大值為1 589.27 mm；當(dāng)車廂翻轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)開始卸料，在卸料的過程中質(zhì)心的相對(duì)高度慢慢變小，最相對(duì)高度變?yōu)? mm。

剪叉自走式轉(zhuǎn)運(yùn)車集蔗車廂打開側(cè)門之后側(cè)門的下沿需超過指定的高度，且側(cè)門打開角度需大于卸料角，即側(cè)門打開角度大于120°，才能完全卸料。在圖21b中以打開側(cè)門之后側(cè)門的下沿為零點(diǎn)，得到在傾倒過程中甘蔗質(zhì)心相對(duì)打開側(cè)門之后側(cè)門的下沿相對(duì)高度變化曲線。在整個(gè)傾倒卸料的過程中甘蔗質(zhì)心的相對(duì)高度呈逐漸下降的趨勢(shì)，最大值為1 619.82 mm。為了提高卸料時(shí)的可靠性，假設(shè)側(cè)門下沿伸入旁邊收集貨車車廂長(zhǎng)度為300 mm，此時(shí)甘蔗質(zhì)心的最大相對(duì)高度是1 469.8 mm，當(dāng)伸入的長(zhǎng)度增加時(shí)，質(zhì)心的最大相對(duì)高度會(huì)相應(yīng)的降低。兩種車廂的質(zhì)心相對(duì)高度變化差別不大。

圖21 甘蔗質(zhì)心相對(duì)高度變化曲線

4.4 卸料角

通過仿真分析，使用EDEM中的角度測(cè)量工具測(cè)量集蔗車廂的卸料角，如圖22所示。傳統(tǒng)式轉(zhuǎn)運(yùn)車的卸料角為104.93°，且車廂整體向上翻轉(zhuǎn)，這種方式不僅卸料角大，在翻轉(zhuǎn)的過程中整體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度要求比較高。剪叉式轉(zhuǎn)運(yùn)車的卸料角為29.83°，小于傳統(tǒng)式集蔗車廂的卸料角。車廂的傾倒方式為側(cè)傾式，不同于整體翻轉(zhuǎn)的方式，可以在減小卸料角度的同時(shí)，大大降低強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求。表明剪叉式轉(zhuǎn)運(yùn)車車廂設(shè)計(jì)具有較高的穩(wěn)定性，符合丘陵地區(qū)的作業(yè)要求。

圖22 卸料角

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車的集蔗車廂，從質(zhì)心偏移和卸料角兩方面將傳統(tǒng)式集蔗車廂與剪叉式集蔗車廂進(jìn)行穩(wěn)定性比較。卸料過程中傳統(tǒng)式集蔗車廂的甘蔗質(zhì)心橫向偏移量為1 235.56 mm，擺動(dòng)量為1 770.08 mm，質(zhì)心相對(duì)高度變化為1 589.27 mm，卸料角為104.93°；剪叉式集蔗車廂甘蔗質(zhì)心橫向偏移量為705.49 mm，擺動(dòng)量為705.49 mm，質(zhì)心相對(duì)高度變化為1 619.82 mm，卸料角為29.83°。與傳統(tǒng)式集蔗車廂相比，剪叉式集蔗車廂的質(zhì)心橫向偏移量下降42.9%、擺動(dòng)量下降60.1%、卸料角降低71.6%，兩種車廂質(zhì)心相對(duì)高度變化相差不大。不管甘蔗質(zhì)心橫向偏移量、擺動(dòng)量、質(zhì)心相對(duì)高度變化，還是卸料角，剪叉式集蔗車廂均優(yōu)于傳統(tǒng)式集蔗車廂。

(2)通過試驗(yàn)的方法對(duì)蔗段的接觸參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，利用仿真模擬試驗(yàn)和試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證試驗(yàn)相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了標(biāo)定參數(shù)的準(zhǔn)確性：堆積角相對(duì)誤差為4.94%，卸料角相對(duì)誤差為7.56%，偏差較小，試驗(yàn)得到的標(biāo)定參數(shù)準(zhǔn)確性較高，能夠模擬實(shí)際情況。