摘 要

抓斗是一种广泛用于国内外港口码头的装卸散货的起重搬运装置。因其结构简单，工作可靠稳定，在实际生产作业中有着其它装置无可比拟的优点。随着全球经济迅速的发展，国内外港口码头的规模也逐渐增大，对生产作业效率的提升要求也越加迫切。抓斗卸料过程效率的提升也成为研究学者关注的重点。

离散元法是新兴的一种数值计算方法，它在分析处理散体力学等方面有着较好的效果，因此得到广泛使用。EDEM（Engineering Discrete Element Method）是世界上首个以离散元法为基础的CAE三维可视化分析软件，通过模拟散状物料加工处理过程中颗粒体系的行为特征，在解决实际工程问题中各种涉及散粒物料的领域有着显著成效。

本文以斗容为13.5m³的双瓣抓斗为设计原型，结合抓斗在实际工作情况中的作业，对抓斗的卸料过程进行仿真，完成了以下内容：

（1）通过查阅资料，了解抓斗的发展史。重点研究抓斗卸料的三种卸料工艺：静态卸料、动态卸料和摆动卸料。同时研究各卸料工艺过程中抓斗的运动行为。

（2）使用SolidWorks完成双瓣抓斗的三维模型建立。

（3）使用EDEM软件，结合抓斗在实际工作情况中的作业，对抓斗的三种卸料工艺过程进行仿真，分析三种卸料工艺落料轨迹图，与数学模型计算得到的轨迹对比，总结归纳在不撒料的前提条件下如何提升抓斗实际卸料工作过程的效率。

通过仿真实验得出，在开斗时间与可卸料时间满足物料在达到料斗最上层时，抓斗中最易撒料的物料在料斗中心正负B/2(B为抓斗的宽度）区域时可保证抓斗不撒料。摆动卸料的工作效率最高，对料斗尺寸要求最小，但卸料工艺要求较高，操作较复杂。动态卸料效率较高，卸料工艺要求较低，但综合比较所需料斗尺寸最大。静态卸料效率最低，所需料斗尺寸要求较大，但卸料工艺要求最低。

关键词：双瓣抓斗，离散元法，EDEM仿真，SolidWorks三维建模，卸料轨迹

Abstract

Grab is a widely used for domestic and international port terminals loading and unloading bulk cargo handling equipment. Because of its simple structure and reliable and stable operation, the utility model has the incomparable advantages comparing with other devices in the actual production operation. With the rapid development of the global economy, the scale of port terminals at home and abroad is gradually increasing, and the promotion of production efficiency is becoming more and more urgent. The improvement of the efficiency of grappling unloading process has also become the focus of research scholars.

Discrete element method is a new numerical calculation method, which has great effect in analyzing and dealing with bulk mechanics and so on, so it has been widely used. EDEM (Engineering Discrete Element Method) is the world's first CAE software based on discrete element technology. By simulating the behavioral characteristics of particle system during the processing of bulk materials, it is necessary to solve all the problems involved in practical engineering problems has a remarkable effect.

In this dissertation, the bucket of 13.5m³ double flap for the design of the prototype, combined with the actual operation of the grapple in the operation of the grapple unloading process simulation, completed the following:

(1) By reading the information to understand the history of grapples. Focus on the three unloading process: static unloading, dynamic unloading and swinging unloading. At the same time, the motion behavior of the grab in the process of unloading is studied.

(2) Using SolidWorks to complete the three-dimensional model of double bucket grab.

(3) Using EDEM software, combined with the operation of the grab in the actual work situation, the three unloading process of the grab are simulated, and the trajectories of the three unloading processes are analyzed, and the trajectories are compared with the mathematical model , Summed up in the premise of not sprinkling material under the conditions of how to improve the efficiency of the actual unloading work.

The simulation results show that the most prone material in the hopper is in the center of the hopper, plus or minus B / 2 (B is the width of the grab), when the material is reached at the top of the hopper ,the open time and the time of unloading bucket can ensure that the grapple does not sprinkle material. The efficiency of swinging unloading is the highest, and the size of hopper is minimum, but the unloading process requires higher and the operation is more complicated. The dynamic unloading efficiency is higher, and the unloading process requirement is lower, but the hopper size is the biggest in comparison. The static unloading efficiency is the lowest, but the required hopper size is larger, but the unloading process is minimum.

Keywords: double flap grab，discrete element method,，EDEM simulation,，SolidWorks 3D modeling,，unloading trajectory

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 抓斗的概述 1

1.1.2 离散元法的概述 1

1.1.3 研究目的 2

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文研究的主要内容 3

1.4 本章小结 3

第2章 双瓣抓斗卸料过程设计计算 4

2.1 已知参数 4

2.1.1 物料 4

2.1.2 抓斗尺寸 4

2.2 卸料工艺 4

2.3 卸料物料轨迹 5

第3章 基于SolidWorks的双瓣抓斗三维建模 9

3.1 SolidWorks软件 9

3.2 双瓣抓斗的三维建模和装配 9

3.2.1 重要零部件的建模 9

3.3.2双瓣抓斗的整体建模和装配 11

第4章 基于EDEM的双瓣抓斗卸料过程仿真 13

4.1离散元法的概述 13

4.1.1离散元法的发展 13

4.1.2离散元法的基本原理 13

4.1.3 EDEM软件的介绍 15

4.2双瓣抓斗卸料过程仿真 16

4.2.1静态卸料 16

4.2.2动态卸料 19

4.2.3摆动卸料 21

4.3 EDEM仿真结果分析 25

4.3.1仿真结果 25

4.3.2仿真分析 30

第5章 环境分析及经济性分析 31

5.1环境分析 31

5.2经济性分析 31

第六章 总结展望 32

6.1工作总结 32

6.2工作展望 32

参考文献 33

致谢 35

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 抓斗的概述

抓斗是一种用来装卸散货物料的起重装置，因其具有结构简单，工作可靠的特点，目前在我国的港口码头应用十分广泛。近百年来，研究学者对抓斗不断进行探索，改良抓斗，抓斗的工作效率越来越高，抓斗也逐渐成为现代工业生产过程中至关重要的起重、运输装置。在工业生产中，它常用来装卸水泥、煤炭、砂石和废弃物等。

随着人们对抓斗的研究越来越多，抓斗的种类也越加丰富。根据抓斗形状、抓取物料的种类和驱动方式的不同，可将抓斗进行不同的分类。根据抓斗的形状可将抓斗分为双瓣抓斗和多颚板抓斗，前者由两个完整的铲斗组成，后者由三个及三个以上的颚板组成；根据抓取物料的种类可分为煤矿岩沙抓斗、钢铁废物抓斗、木材抓斗和秸秆抓斗等；根据驱动方式可分为机械式抓斗和液压式抓斗。

抓斗的工作过程可分为四个部分：空斗下降,抓取物料，满斗上升，卸载物料^[1]。双瓣抓斗因为其结构最为简单且具有较高的生产效率，因此在国内外港口十分常见。在双瓣抓斗实际生产作业过程中，如何更进一步的提高生产效率成为近几年来研究学者关注的对象。不少研究学者从卸料方式上入手以提高抓斗生产效率。随着研究的进一步进行，抓斗的卸料方式又最开始的静态卸料向动态卸料转变，又由动态卸料向摆动卸料转变以提高生产效率。三种卸料方式各有优缺点，适用于不同的工作情况。

1.1.2 离散元法的概述

1971年，CUNDALL提出了一种处理非连续介质模型问题的一种数值模拟方法，离散元法（简称DEM）,这种方法解决了传统力学模型所不能解决的问题。^[2]传统的力学模型研究是在连续性介质假设的基础上建立的，即认为研究的对象整体为相互连接的、没有间隙的大量颗粒元素构成，但这种假设不适用于例如岩土力学的一些领域。离散元法的提出很好的解决了这一问题。离散元法的理论基础是结合不同应力—应变关系的牛顿第二定律。随着研究学者的发掘，离散元法被越来越多的应用于涉及颗粒系统的诸多领域。离散元法整体颗粒系统的运动特征是通过求解系统中每一个颗粒的受力情况（碰撞力和场力）和不断地更新速度和位置信息来确定的。^[3]由于其离散的特点，分析研究较为复杂的系统时，在边界和散体颗粒都不需要做大的简化；当接触颗粒间被设定连接力学模型或接触力时，可以分析散粒的多重受力运动特征。由于离散元法所具有的许多特点，使得它已成为研究散粒物料动力学的一种通用方法，在岩土工程和风沙流动，颗粒的结块与碰撞，在矿石装备和化工制药实际生产过程等研究领域得到了广泛的应用。

1.1.3 研究目的

双瓣抓斗在实际生产卸料过程中，在确保不撒料的前提条件下，如何提高抓斗的生产效率已成为一个研究重点。本课题以双瓣抓斗的卸料过程为例，利用三维建模软件SolidWorks和离散元分析软件EDEM对双瓣抓斗卸料过程进行仿真，得出其卸料轨迹，总结归纳提升卸料效率的具体方案。

1.2 国内外研究现状

国外对于抓斗卸料过程的研究较少，国内则有不少学者对此有所研究，研究历程如下：