面向电铲自主装卸的矿用自卸车斗型优化

doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20220814

吉林大学学报(工学版) ›› 2024, Vol. 54 ›› Issue (5): 1227-1236.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20220814

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面向电铲自主装卸的矿用自卸车斗型优化

谭晓丹¹(),王勇澎²,Hall Robert³,徐天爽¹(),黄庆学⁴

^1.吉林大学机械与航空航天工程学院，长春 130022
^2.太原重型机械集团有限公司矿山采掘装备及智能制造国家重点实验室，太原 030024
^3.南达科他州矿业理工大学采矿工程与管理学院，拉皮德城 57701
^4.太原理工大学机械与运载工程学院，太原 030024

收稿日期:2022-06-29 出版日期:2024-05-01 发布日期:2024-06-11
通讯作者: 徐天爽 E-mail:nanlingTXD@163.com;xts@jlu.edu.cn
作者简介:谭晓丹（1989-），女，博士研究生.研究方向：工程装备优化设计与智能化技术. E-mail： nanlingTXD@163.com
基金资助:
山西省揭榜招标项目(20191101014);国家自然科学基金项目(52105100)

Haul truck dump body optimization for autonomous shovel loading

Xiao-dan TAN¹(),Yong-peng WANG²,Robert Hall³,Tian-shuang XU¹(),Qing-xue HUANG⁴

^1.School of Mechanical and Aerospace Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China
^2.State Key Laboratory of Mining Equipment and Intelligent Manufacturing，Taiyuan Heavy Industry Co. ，Ltd. ，Taiyuan 030024，China
^3.Department of Mining Engineering and Management，South Dakota School of Mines and Technology，Rapid City 57701，USA
^4.College of Mechanical and Vehicle Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China

Received:2022-06-29 Online:2024-05-01 Published:2024-06-11
Contact: Tian-shuang XU E-mail:nanlingTXD@163.com;xts@jlu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

针对现有电铲自主装卸功能在料堆重构、环境感知、目标识别等领域存在技术难度的现状，从降低自主装卸作业任务难度的角度出发，本文提出了一种以载荷均衡分布为目标的矿用自卸车斗型优化方法。首先，构建了一种基于差分迭代的装卸后自卸车斗内料堆的轮廓重构方法，并对料堆质心位置进行计算；其次，建立并验证了模拟电铲装卸过程的离散元仿真方法；再次，利用离散元仿真实验，研究了不同斗型结构参数对斗内料堆质心位置的影响；最后，以横向载荷均布为目标，以纵向载荷分布、行驶安全性、斗容变化为约束对斗型进行优化。结果表明：优化后的斗型与原斗型相比，在保持装载能力和行驶安全性的前提下，极端装卸位置时的载荷分布均匀性显著提升，并具有更大的合理装卸面积和更高的作业效率。

关键词: 机械设计及理论, 自主装卸, 矿用自卸车, 载荷分布, 斗型优化

Abstract:

To reduce the difficulty in autonomous loading operations， a mining haul truck dump body optimization method for payload balancing is constructed. Firstly， a differential iterative algorithm for reconstruction of material pile in dump body was built for calculation of center of gravity. Secondly，based on such calculation algorithm， the discrete element method （DEM） simulation for loading operation was constructed and validated. Thirdly， the influence of dump body structure on position of piled material gravity center was studied using DEM simulation experiments. At last， an optimization on dump body structure was accomplished with the object of payload balancing in cross section and the restraints of longitudinal payload distribution， safety and capacity. The comparison results indicate that the optimized dump body can generate more balanced payload distribution in extreme loading positions. Besides， it has larger loading area and higher operation efficiency.

Key words: mechanical design and theory, autonomous loading, mining haul truck, payload distribution, dump body optimization

中图分类号:

U469.4

谭晓丹,王勇澎,Hall Robert,徐天爽,黄庆学. 面向电铲自主装卸的矿用自卸车斗型优化[J]. 吉林大学学报(工学版), 2024, 54(5): 1227-1236.

Xiao-dan TAN,Yong-peng WANG,Robert Hall,Tian-shuang XU,Qing-xue HUANG. Haul truck dump body optimization for autonomous shovel loading[J]. Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2024, 54(5): 1227-1236.

图/表 25

图1

图2

图3

图4

图5

图6

表1

载荷分布实测与计算结果对比"

装卸位置	数据	$M s u m$ /kg	x/mm	y/mm	z/mm
1	测量值	6.69	24.65	64.81	-
	计算值	6.53	24.95	64.07	63.79
	$e a$	0.16	0.30	0.74	-
	$e r$ /%	2.39	1.22	1.14	-
2	测量值	7.81	4.63	87.45	-
	计算值	7.93	4.53	87.85	70.00
	$e a$	0.12	0.09	0.41	-
	$e r$ /%	1.54	1.94	0.47	-
3	测量值	5.06	-26.75	117.19	-
	计算值	5.20	-26.55	117.34	60.23
	$e a$	0.14	0.20	0.15
	$e r$ /%	2.77	0.75	0.13	-
P01	测量值	7.94	1.74	65.35	-
	计算值	8.03	1.70	65.98	70.02
	$e a$	0.09	0.04	0.63	-
	$e r$ /%	1.13	2.30	0.96	-
P02	测量值	7.30	0.77	68.92	-
	计算值	7.45	0.76	69.60	69.97
	$e a$	0.15	0.01	0.68
	$e r$ /%	2.05	1.30	0.99	-

表1

表2

图7

表3

离散元仿真与实测结果对比"

位置	数据	$θ 1$ /（°）	$θ 2$ /（°）	$θ 3$ /（°）	$θ 4$ /（°）	M/kg	x/mm	y/mm	z/mm
1	实测	33	25	25	35	7	25	64	64
	仿真	33	25	26	32	6	25	58	66
	$e a$	0	0	1	3	1	0	6	2
	$e r$ /%	0	0	4	8.6	14.3	0	9.4	3.1
2	实测	20	26	20	17	8	5	88	70
	仿真	22	28	20	19	8	4	85	69
	$e a$	2	2	0	2	0	1	3	1
	$e r$ /%	10	7.7	0	11.8	0	20	3.4	1.4
3	实测	27	33	16	27	5	-27	117	60
	仿真	28	34	17	24	5	-27	126	61
	$e a$	1	1	1	3	0	0	9	1
	$e r$ /%	3.7	3	6.3	11.1	0	0	7.7	1.7
P01	实测	28	22	20	20	8	2	66	70
	仿真	27	22	20	20	8	2	64	71
	$e a$	1	0	0	0	0	0	2	1
	$e r$ /%	3.6	0	0	0	0	0	3	1.4
P02	实测	26	23	19	21	7	1	70	70
	仿真	26	22	18	21	8	1	71	70
	$e a$	0	1	1	0	1	0	1	0
	$e r$ /%	0	4.3	5.3	0	14.3	0	1.4	0

表3

表4

离散元仿真参数设置"

参数	符号	数值	单位
剪切模量	$E G$	10⁷	Pa
泊松比	$κ r$	0.25	-
物料密度	$μ ρ$	2652	kg/m³
恢复系数（颗粒-颗粒）	$C p$	0.15	-
恢复系数（颗粒-刚体）	$C w$	0.5	-
静摩擦系数（颗粒-颗粒）	$f s$	0.56	-
滚动摩擦系数（颗粒-颗粒）	$f r$	0.1	-
静摩擦系数（颗粒-刚体）	$? s$	0.7	-
滚动摩擦系数（颗粒-刚体）	$? r$	0.15	-

表4

图8

图9

图10

表5

横截面实验结果"

x/mm	$α = 0 °$	$α = 10 °$	$α = 20 °$	$α = 30 °$
$β = 0 °$	-42.1037	-40.4551	-34.5286	-30.7583
$β = 15 °$	-36.0689	-34.9911	-29.7266	-29.9357
$β = 30 °$	-27.5441	-28.562	-25.5524	-26.6968
$β = 45 °$	-24.3589	-23.3156	-23.3531	-23.3987
z/mm	$α = 0 °$	$α = 10 °$	$α = 20 °$	$α = 30 °$
$β = 0 °$	49.9567	55.0207	60.7015	66.4349
$β = 15 °$	50.8874	56.9142	60.9985	66.0667
$β = 30 °$	54.9094	58.6167	61.8147	66.7795
$β = 45 °$	65.4542	66.8402	65.5834	67.3634

表5

表6

图11

表7

优化前后结构参数"

参数	$α 1$ /（°）	$α 2$ /（°）	H/mm	B/mm	$β 1$ /（°）	$β 2$ /（°）	L/mm
优化前	0.0	0.0	105	250	12.0	65.0	311
优化后	25.2	0.0	105	250	9.6	68.4	311

表7

表8

表9

图12

图13

表10

图14

表11

参考文献 18

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颗粒类型	真实形状	仿真颗粒	质量分数/%
针片状			20
棱锥状			64
立方体			16

i	p₀₀	p₁₀	p₀₁	p₂₀	p₁₁	p₀₂	R²
x	-29.81	2.079	5.272	-0.032	-1.726	-0.266	0.97
z	59.20	4.273	3.078	0.114	-2.170	1.697	0.97

卸料位置	G_x /mm		G_y /mm		G_z /mm		总质量/kg
卸料位置	原型	优化	原型	优化	原型	优化	原型	优化
1	25.04	17.43	58.40	66.16	65.91	70.72	5.96	6.00
2	3.92	2.93	84.96	89.78	68.86	74.52	7.90	7.73
3	-26.86	-20.04	129.99	136.50	60.53	59.61	4.76	4.72

悬架载荷分布	装卸位置1		装卸位置3
悬架载荷分布	优化前	优化后	优化前	优化后
左前	27.27	23.12	3.41	2.99
右前	12.98	13.96	7.61	5.37
差异	14.29	9.16	4.20	2.38
左后	49.70	45.99	12.83	21.49
右后	10.06	16.93	76.14	70.14
差异	39.64	29.06	63.31	48.65

数值	优化前	优化后
X_l/mm	-7.74	-14.86
X_u/mm	7.74	14.86
△X/mm	15.48	29.72
Y_l/mm	45.43	20.68
Y_u/mm	94.36	81.53
△Y/mm	48.93	60.85
面积/mm²	757.44	1808.46

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数值	优化前	优化后
倾倒开始时刻/s	15.75	16.14
倾倒完成时刻/s	20.00	19.72
总时长/s	4.25	3.58

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