方 昊， 王振啟， 楊支海， 趙曉燕， 嚴 勃

(1.北礦機電科技有限責任公司， 北京 100160； 2.紫金礦業(yè)集團股份有限公司， 福建 上杭 364200；3.云南馳宏鋅鍺股份有限公司 會澤冶煉分公司， 云南 會澤 654211)

地下鏟運機的自主行駛與自主鏟裝技術(shù)是實現(xiàn)智能礦山中采礦過程全自動化的關(guān)鍵一步。如何高效穩(wěn)定實現(xiàn)礦石料堆的自主鏟裝以及快速連貫完成礦石運輸是目前制約礦山采礦效率的兩個主要影響因素[1]。傳統(tǒng)采礦裝備工作效率低、自動化程度低、能耗大、污染重，這些因素成為地下采礦高效綠色發(fā)展的掣肘[2]。隨著信息技術(shù)與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，礦山的自動化或智能化開采在全球范圍內(nèi)逐漸投入施行。如加拿大、芬蘭與瑞典等國外傳統(tǒng)采礦大國，為獲取在采礦無人化中競爭的優(yōu)先權(quán)，先后擬定了“智能化礦山”和“無人化礦山”的采礦發(fā)展規(guī)劃，其最終目標是實現(xiàn)地下礦山生產(chǎn)全過程的無人化[3]。在地下礦山開采的工藝流程中，由于有軌車輛的靈活性差、爬坡能力低、配套設(shè)施建設(shè)成本高，使得采用有軌運輸系統(tǒng)的地下礦山基建費用高昂。采用無軌礦用車輛代替有軌車輛已經(jīng)成為國際地下礦山行業(yè)的發(fā)展趨勢。提高車輛的使用效率和車輛的智能化控制水平是進一步提高礦山車輛運輸效率的重要技術(shù)發(fā)展方向[4]。另一方面要實現(xiàn)“無人化”礦山，地下鏟運機的自主鏟裝也是必須攻克的技術(shù)難點。目前地下鏟運機已經(jīng)初步實現(xiàn)了自主行駛和自主卸料的功能，但是自主鏟裝功能還沒有實現(xiàn)。對于鏟運機裝- 運- 卸的三種工作屬性而言，鏟運機并沒有達到智能化或者自動化。因此實現(xiàn)自主鏟裝，是鏟運機自動化的必經(jīng)之路，是解放生產(chǎn)力的必經(jīng)之路[5]。本文以地下鏟運機為研究對象，對自主鏟裝過程的力學特性進行了計算分析，為后續(xù)自主鏟裝控制算法設(shè)計和自主鏟裝運行提供理論參考和技術(shù)支持。

1 地下鏟運機及鏟裝工作機構(gòu)

地下鏟運機整車結(jié)構(gòu)由前車體、后車體、副車架與鏟斗工作機構(gòu)組成，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 地下鏟運機基本結(jié)構(gòu)

鏟運機經(jīng)過多年技術(shù)研發(fā)，其鏟裝工作機構(gòu)主要包括正轉(zhuǎn)四連桿工作機構(gòu)、正轉(zhuǎn)五連桿工作機構(gòu)、正轉(zhuǎn)六連桿工作機構(gòu)和反轉(zhuǎn)六連桿工作機構(gòu)[6-7]。地下鏟運機工作裝置主要由舉升油缸、轉(zhuǎn)斗油缸、動臂、鏟斗、搖臂、連桿以及前車架7個組件構(gòu)成。整個工作裝置連接在鏟運機前機架上，鏟斗通過動臂、舉升油缸連接，實現(xiàn)鏟斗的舉升和回落功能；通過連桿、搖臂與轉(zhuǎn)斗油缸連接，實現(xiàn)鏟斗的翻轉(zhuǎn)和回收功能[8]。地下鏟運機鏟裝工作機構(gòu)如圖2所示。

圖2 鏟運機鏟裝工作機構(gòu)

2 鏟裝過程分析

鏟運機的鏟裝工作過程通?？梢苑譃樗膫€階段：

(1)空載行駛階段

鏟運機在卸料后，鏟斗回落、后退并轉(zhuǎn)向，然后向礦房料堆方向快速行駛，在離料堆一定距離時，完成料堆掃描識別，獲取鏟裝指令，切換成低速檔并放下鏟斗；

(2)鏟裝階段

鏟運機以全力鏟入礦石料堆，并操縱鏟斗動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸，控制鏟斗鏟裝，直至鏟斗裝滿；

(3)滿載運行階段

鏟運機鏟裝完畢后，車輛后退一定距離后落斗并轉(zhuǎn)向，然后向溜井或者礦用卡車方向前進；

(4)卸料階段

鏟運機動臂舉升到卸料位置，使鏟斗前翻卸料。

從鏟運機的鏟裝過程可以發(fā)現(xiàn)，鏟運機的作業(yè)方式是在鏟運機行駛過程中配合以工作裝置的動作進行的。當鏟運機處于不同的工作狀態(tài)時，動力消耗變化較大，如表1所示。

表1 鏟裝過程動力消耗情況表

由表1可見，地下鏟運機能耗最大的階段是鏟裝階段。由此鏟裝階段的自動化也需要考慮鏟裝的效率與能耗。提高鏟裝效率，一般有縮短鏟裝時間和增加單次鏟裝質(zhì)量兩種途徑。對于給定鏟運機，只能通過縮短鏟裝時間來實現(xiàn)鏟裝效率的提高。即在保證滿斗率的情況下，用最短時間完成鏟裝作業(yè)。

為確保自主鏟裝操作的連貫性，鏟裝軌跡曲線應(yīng)連續(xù)且光滑。結(jié)合鏟裝工作過程，設(shè)計鏟裝軌跡曲線如圖3所示。

圖3 鏟裝軌跡曲線

3 鏟裝過程力學特性分析

在實際工作中，鏟裝阻力很難直接測量得到，因此，本文通過模擬計算，提出一種鏟裝阻力的估算方法。在鏟裝過程中，假定鏟裝阻力和鏟運機的牽引力動態(tài)平衡，利用牽引力來估算鏟裝過程的鏟裝阻力。

3.1 鏟裝阻力的理論計算

鏟裝阻力按鏟裝階段劃分可以分為插入阻力和鏟取阻力。插入阻力是鏟斗隨著鏟運機的推進，鏟入礦石料堆的過程中受到的反作用力。鏟取阻力是鏟斗鏟入礦石料堆一定深度后，隨著兩工作油缸的提升或者翻轉(zhuǎn)動作，料堆對鏟斗的反作用力。

對鏟裝阻力的計算的研究，開始于二十世紀八十年代，歷經(jīng)了蘇聯(lián)學者從實驗中提煉的經(jīng)驗公式，近代學者利用散體理論和土力學原理對鏟裝阻力進行計算。但是這些理論分析方法都是針對松散細顆粒料堆的計算，對于大塊度的料堆，這些計算要么誤差很大，要么不適用。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，依據(jù)有限元法和離散元法發(fā)展出了鏟裝阻力的數(shù)值模擬計算方法，通過模擬料堆顆粒，設(shè)定顆粒屬性，形成料堆，再導入鏟斗模型和運動軌跡，完成鏟裝過程中的鏟裝阻力的仿真。這種方法不僅應(yīng)用在松散顆粒料堆，還可以應(yīng)用在大塊度料堆，比如爆破礦石。

(1) 基于蘇聯(lián)經(jīng)驗公式對鏟裝阻力計算[9]

插入阻力的計算公式如式(1)所示：

(1)

式中PBH—總的水平插入阻力；

K1—物料粒度的影響系數(shù)；

K2—物料種類的影響系數(shù)；

LBH—鏟斗鏟入料堆的深度；

B—鏟斗寬度；

K3—料堆高度影響系數(shù)。

鏟取阻力主要為剪切阻力，一般而言，開始提升時刻出現(xiàn)最大鏟取阻力，隨著鏟斗的提升翻轉(zhuǎn)，逐漸遠離料堆，鏟取阻力逐漸減小。初始鏟取阻力可用如公式(2)計算：

PW=2.2LBHBKc

(2)

式中PW—鏟斗鏟取阻力；

LBH—鏟斗鏟入料堆的深度；

B—鏟斗寬度；

Kc—物料的剪切阻力。

基于實驗的蘇聯(lián)經(jīng)驗公式在進行理論計算時，其最大的不足表現(xiàn)為需要選取的系數(shù)比較多。系數(shù)多，計算時人為誤差比較大。此外，很多系數(shù)需要實際測量得到，而且因為系數(shù)過多，鏟裝阻力與系數(shù)的關(guān)系在鏟裝過程中難以明確的表征。

(2) 基于土力學原理的鏟裝阻力計算

鏟取階段的受力比較復(fù)雜，受力如圖4 所示。P1是礦石物料的重力，作用點在鏟斗內(nèi)礦石的質(zhì)心。P2是礦石料堆阻力，由鏟運機的推進擠壓產(chǎn)生。P3是鏟斗壁和礦石料堆的摩擦力，與運動方向相反。P4是鏟斗提升或翻轉(zhuǎn)引起的鏟取阻力，作用于鏟取邊緣上。P5是鏟斗與礦石料堆運動產(chǎn)生的慣性力[10]。

圖4 鏟取阻力受力模型

料堆輪廓曲線函數(shù)C:y-f(x)=0，鏟斗斗刃運行軌跡曲線函數(shù)Cd:y-fd(x)=0。點P為鏟斗斗刃，點Q為斗底。下面對鏟取阻力的各分力進行計算。

P1是鏟裝礦石物料的重力，這里根據(jù)鏟裝軌跡計算鏟裝過程中礦石的體積，然后結(jié)合礦石料堆的密度，計算物料的重力。

(3)

式中α—礦石的體積修正系數(shù)；

γ—礦石料堆的重度；

B—鏟斗寬度；

XS—點S的X軸坐標。

P2是料堆對鏟斗斗底的阻力，這個阻力在鏟斗斗底沒有和料堆接觸時為零。本文中假定斗刃軌跡滿足鏟斗斗底與料堆產(chǎn)生接觸的條件，并忽略個別礦石棱角對鏟斗斗底的刮蹭。

P3是鏟斗側(cè)壁與礦石料堆之間的摩擦力，這里的正壓力不僅由鏟斗內(nèi)的礦石產(chǎn)生，還由鏟斗上方的礦石料堆產(chǎn)生。本文的鏟裝過程，因鏟斗沒有徹底的鏟入礦石料堆，所以鏟斗側(cè)壁的摩擦力不考慮鏟斗其他部位的摩擦力。

(4)

式中μ—礦石的摩擦系數(shù)。

P4是斗刃與礦石料堆因擠壓形成得鏟取阻力，在鏟裝過程中，礦石在這個力的作用下與料堆分離，掉落在鏟斗中；因在鏟裝過程中隨機性很大，這個力的計算對鏟裝過程的研究作用不大，這里用剪切阻力來代替。

P4=2.2(XP-XS)BKc

(5)

P5是由于礦石在鏟裝過程中的慣性力，這個力在鏟斗與料堆發(fā)生顯著地加速運動時比較明顯，因為鏟裝過程是一個負載不斷增加地過程，鏟運機在這個過程中常常使用低速檔，緩慢穩(wěn)定地鏟裝，本文的計算將P5設(shè)定為零。

經(jīng)過上述分析計算，利用如下公式，可以將各分力合成為鏟取阻力水平分力和垂直分力。

(6)

3.2 鏟裝阻力的估算方法

根據(jù)鏟裝過程中鏟運機牽引力和鏟裝阻力水平分量的動態(tài)平衡?？紤]到鏟裝阻力并不是一個水平力，它的垂直分量會對車輛的支撐力產(chǎn)生影響，這里對文中的道路阻力進行修正。得到如下公式

Fq=F-Fψ=F-(G+Py)(f+i)=Px

(7)

式中G—鏟運機在鏟裝時的重力，N；

Fq—鏟運機的牽引力，N。

對上述公式進行變換可以得到

Px+Py(f+i)=F-G(f+i)

(8)

于是需要找到一個方法對Py進行計算，即對鏟裝阻力的垂直分力進行計算。本文提出兩種方法進行估算，第一種是根據(jù)鏟運機工作裝置的工作油缸的油壓計算鏟斗的鏟取力，認為鏟取力的垂直分量和鏟裝阻力的垂直分量相等。這種方法的缺陷是忽略鏟裝過程中的鏟斗運動加速度。第二種方法是通過經(jīng)驗，總結(jié)鏟裝過程中鏟裝阻力水平分量和垂直分量的一般性數(shù)值關(guān)系，利用鏟裝阻力的水平分量代替垂直分量。

這里利用鏟運機工作裝置的動力學分析結(jié)果計算得到鏟斗的驅(qū)動力Fp，這個力的垂直分力與鏟裝阻力垂直分力達到平衡，由此可以得到Py，這樣可以結(jié)合鏟運機的牽引力計算得到鏟運機在鏟裝過程中的鏟裝阻力的水平分力。圖4是由仿真模型得到的鏟運機工作裝置的鏟取力。

圖5 鏟裝過程鏟斗斗刃的鏟取力

圖6 剔除突變點后的斗刃的鏟取力

從圖5中可以看到在無負載工況下，鏟裝插入階段與鏟取階段的分界點，鏟取力產(chǎn)生突變激增到200 kN。這時的工況是鏟斗由平放狀態(tài)進行翻轉(zhuǎn)和舉升狀態(tài)。這個鏟取力的激增，可能是由于鏟斗加速度方向的突變產(chǎn)生的。這里除去突變點的數(shù)據(jù)后，鏟取力的垂直分力如下圖6所示。從圖6中可以看出無負載工況下，鏟取力垂直分量一般在10～20 kN，在實際鏟裝時鏟取力會依據(jù)鏟裝阻力產(chǎn)生變化。

第二種方法是依據(jù)鏟裝過程中的鏟裝阻力的垂直分量和水平分量的統(tǒng)計學關(guān)系，總結(jié)出鏟裝阻力的垂直分量和水平分量的大致比例關(guān)系，αPx=Py，于是可得：

(9)

在鏟運機工作時，可根據(jù)上述公式進行估算鏟裝阻力。

4 結(jié)論

(1)分析了地下鏟運機及鏟裝工作機構(gòu)組成及工作原理；

(2)對鏟裝過程進行分析，獲得了連續(xù)且光滑的鏟裝軌跡曲線；

(3)提出了一種鏟裝阻力的估算方法，基于土力學原理，建立了鏟取阻力受力模型，在鏟裝過程中，假定鏟裝阻力和鏟運機的牽引力動態(tài)平衡，利用牽引力來估算鏟裝過程的鏟裝阻力。

(4)為后續(xù)自主鏟裝控制算法設(shè)計和自主鏟裝運行提供理論參考和技術(shù)支持，具有重要的工程應(yīng)用價值。