电液疏浚抓斗挖掘过程离散元仿真研究

潘勇健 夏 敏

0 引言

海洋资源在国家的战略地位占据着重要的位置，其中海洋平台的建设是海洋资源开发的基础工程。因此海上疏浚和填筑工程的规模也越来越大，疏浚企业对大型疏浚设备的要求也越发迫切。抓斗挖泥船是海底疏浚作业的主要设备，疏浚抓斗是抓斗挖泥船上的主要工作装置，疏浚抓斗的挖掘能力很大程度上影响着抓斗挖泥船的工作效率。

在疏浚抓斗的设计研究上，目前主要借鉴陆地的散货抓斗，依靠经验数据来设计计算。然而，疏浚抓斗在水下挖掘，与陆地散货抓斗的工作环境、作业对象都有着较大区别，导致疏浚抓斗的设计上偏于保守，甚至不准确。传统的设计方法已经不能满足疏浚抓斗的设计要求。

1 抓斗挖掘过程

图1 抓斗机构三维模型

图2 抓斗受力简图

抓斗挖掘过程中主要依靠斗齿切入土体和抓斗底板推压破坏土体。已有大量的研究资料表明底板的推压阻力R 1 和斗齿切入阻力R 4 两者占挖掘阻力的90%以上[4-7]。

现基于散货力学，构建推压阻力的力学模型

式中：γ 为土体容重，h 为推压土体高度，c 为土体粘聚力，B 为底板宽度，Kγ 为散体容重引起的阻力系数，Kc 为粘聚力引起的阻力系数。抓斗斗齿的切入阻力R 4 作用在斗齿上，方向平行于切入方向。斗齿受到的切入阻力

式中：Kf 齿间距影响系数，齿间距之和/ 斗宽<0.6时Kf =1.28，反之，Kf =1.00；Kh 为齿型影响系数。

2 抓斗挖掘过程EDEM 仿真

2.1 离散元仿真参数设置

抓斗在实际工作过程中，泥沙与抓斗斗体的相对运动速度较低，并且泥沙颗粒之间存在黏结作用力，抓斗与泥沙颗粒的作用选用软球模型。本次仿真的颗粒对象是礁砂土和硬质粘土，实际礁砂土和硬质粘土形状接近球形，根据其形状、粒度和粒度组成，在EDEM 仿真中采用球形颗粒。根据相关参考文献提供的颗粒特性参数，仿真中颗粒生成分布比例见表1。由相关文献及离散元虚拟仿真标定获得的试验确定泥沙的物理参数，泥沙和几何体的物理特性见表2，颗粒之间、颗粒与几何体之间的接触属性见表3

表1 颗粒粒径分布表

表2 材料属性表

表3 接触属性表

以200 m3 液压抓斗的液压相关尺寸为基础，将200 m3 液压抓斗的相关尺寸缩小4 倍，在SolidWorks软件中建立三维建模，保存为 IGES 格式的文件，然后将此模型导入 EDEM 软件并作相关设置后开始此次仿真试验。

根据抓斗的尺寸大小，将仿真所用的料堆尺寸初定为4.8 m×2 m×5 m，生成后的料堆如图2 所示。设定物料颗粒数为30 000。颗粒由颗粒工厂生成时只受到重力作用，在重力的作用下，下落到料斗中，颗粒自然堆积填满料斗，并完全静止。

2.2 抓斗仿真

抓斗的仿真过程分为斗齿插入物料、抓斗斗体闭合和提升三个过程。料箱均保持静止，抓斗以完全打开的状态插入物料一定深度，再使两个斗体绕各自旋转轴匀速转动。两个斗体的旋转轴在EDEM 坐标系中的起始坐标可以在SolidWorks 中精确测量得出。抓斗工作过程中，最大开度为144°，完全闭合时间为25 s。抓斗两个斗体转过0°到72°，抓斗的平均闭合角速度为5.76° /s，驱动抓斗的两个斗瓣在EDEM 坐标系XOY平面内绕固定轴线匀速转动。图3 为抓斗在运动过程中

3 个时刻的运动情况。

图3 抓斗挖掘过程仿真

根据瑞利波法选取EDEM 仿真时间步长

式中：G 为颗粒剪切模量，ρ 为颗粒密度，ν 为颗粒材料的泊松比。

为了保证颗粒系统迭代计算的稳定性在实际计算中通常要依据颗粒运动的剧烈程度来选取合适的时间步长

在仿真中，以斗齿刚好完全插入土体为初始深度，为285 mm。设置斗齿切入深度分别为285 mm、390mm、495 mm、600 mm、705 mm。在后处理中，由此得到了5 种不同插入深度下，整个挖掘过程中每一数据存储时间点上单个料斗内颗粒的总数量、总质量，斗体各部件所受的合力和斗体承受的合力矩，这些数据用以分析料斗挖掘量和所受阻力的变化趋势。

3 抓斗挖掘过程研究和仿真结果分析

3.1 底板推压阻力研究

图4 的仿真结果表明：

1）抓斗在挖掘过程中，底板受到的推压阻力随转动角度的变化先增大后减小，最后趋于平稳。在斗体旋转角度为36°时，底板受到的挖掘阻力达到最大值。

图4 底板受到的推压阻力曲线

2）随着切入深度的增加，推压阻力随旋转角度变化幅度明显增大。

3）底板在仿真过程中受到的平均推压阻力与斗齿切入深度呈正相关。为进一步研究平均挖掘阻力与斗齿切入深度关系，应用Matlab 对5 种挖掘深度下的平均推压阻力进行数据拟合，拟合曲线如图5 所示，表明底板受到土体的推压阻力与斗齿切入深度近似为二次曲线函数关系

仿真中推压阻力与理论计算趋势基本上吻合，均呈二次函数分布，验证了仿真的准确性。图5 推压阻力与切入深度关系曲线3.2 斗齿切入阻力研究抓斗斗齿主要用于破坏物料的原有结构，使其变得松散，以方便挖取。抓斗斗斗齿在工作过程中主要受到土体对其作用的切入阻力，方向同斗齿运动方向相反。

图6 显示了5 种不同插入深度下斗齿所受的切入阻力随抓斗闭合过程的变化曲线。对于图中斗齿的受力变化曲线，由于斗齿尺寸相对较小，对物料变化的反映更为敏感，故在曲线局部的锯齿现象更为明显，但曲线整体变化趋势可提供参考。

图6 斗齿受到的切入阻力曲线

图6 的仿真结果表明：

1）抓斗在挖掘过程中，斗齿阻力在快速增大后，切入阻力趋于平缓，变化逐渐减小。斗齿受到的切入阻力在斗体旋转过24°后，达到最大值。

2）斗齿受到的切入阻力同切入深度呈正相关。应用Matlab 对5 种挖掘深度下的平均切入阻力进行数据拟合，拟合曲线如图7 所示，表明斗齿受到土体的切入

图7 切入阻力与切入深度关系曲线

阻力与斗齿切入深度近似为一次函数关系

仿真中推压阻力与理论计算中斗齿的切入阻力与切入深度近均呈正相关，仿真与理论计算变化趋势基本上吻合，进一步验证了仿真的准确性。

4 结论