1.1 国内外研究现状

斗式提升机是一种应用广泛的物料连续输送提升机械^[1]。其既可以将物料垂直提升，又可倾斜输送，尾部可实现自动装料，转过头部链轮后可自行卸料，操作简便，运行可靠性高^[2]。现有的斗式提升机总体大体分为五个部分：运行部件（牵引部件和料斗）、驱动装置（变频电机、减速器等）、上部装置（传动链轮组、上部机壳、传动平台等）、下部装置（拉紧链轮、下部机壳、进料口、从动轴等）和控制回路（PLC等）。其中，较为重要的单元有驱动装置、料斗和牵引部件^[3,4]。斗式提升机作为一种物料连续运输提升机械在在建材、粮食、电力、钢铁、港口等领域被广泛使用。链斗提升机作为斗式提升机的一种（垂直提升），在大宗散货装卸技术中具有不可替代的地位^[5]。

现阶段对大宗散货物料的取料和堆积存放，大型专业化散货码头采用斗轮堆取料机和悬臂堆料机等大型散货堆取设备^[6]。对于中小型散货码头堆场，为增加对料种的适应性同时降低运营成本，一般未配置大型专业化散货堆取设备，而是采用自卸车将散料从码头前沿转运至堆场，然后采用装载机与挖掘机组合，或卸车平台与带式输送机组合的方式进行场内或仓内散料堆高 ^[7]。装载机与挖掘机组合的堆高工艺，利用装载机归堆，多台挖掘机在料堆上挖取底层物料并提升后进行堆高，该堆高方式存在效率低、能耗高、堆场面积利用率低、设备多且杂、存在安全隐患和燃油排放污染、费用高等问题^[8]。卸车平台与带式输送机组合的堆高工艺，采用自卸车爬上卸车平台卸料至倾斜带式输送机上，倾斜带式输送机提升物料进行堆高，该堆高方式由于带式输送机的倾斜输送能力有限，为达到一定堆高高度，要求带式输送机的长度较大，导致设备移动灵活性差，并且卸料平台体积庞大，转场困难，自卸车爬上卸料平台将导致额外的自卸车自重提升能耗^[7]。

针对目前小港口大宗散货堆取的这些问题，国内高校以及港口设备制造企业也着手做出了一些改进和创新，得到了很多可以借鉴和发扬的成果。例如，同济大学孙远韬、吴丹等^[7]设计的新型散货移动式堆高机，将轨道式堆料机的行走系统和装料系统加以改进，设计出了符合中小堆场及室内堆场使用的移动式堆高机，并将其分为四个系统：臂架系统、皮带机系统、卡车上坡平台系统、大车行走及转向系统，各个系统相对独立的设计和组合也在实际生产中达到了较好的效果，但是仍存在一些不足：①臂架系统自身尺寸较大，通过性不佳；②卸料装置以及提升系统设计不完善，卡车需要经过上坡平台卸料，增加额外的爬坡能耗；③回转范围较小，实际应用过程中需要频繁移动堆高机，降低生产效率；针对这些不足，武汉理工大学袁建明等^[8]提出了散货堆场流动式链斗堆高机的设计，通过链斗接料及提升系统的改进设计，矩形环线密集链斗的使用，使得系统取自卸车卸料时，不需要抬高自卸车，相比于[7]，减少了卸料平台装置，减轻了设备的体积质量，同时降低了成本，增加了设备流动作业的便捷性；同时通过带式输送系统的伸缩、俯仰、旋转设计，在非作业工况下能实现设备体积最小化，通过性好，同时作业情况下的作业范围与[7]相比也进一步增大，减少了设备在作业过程中的移动次数，提高生产效率，降低成本，同时也使得该设备还可以应用于内河驳船的装船作业以及火车车厢的装车作业，实现一机多用，更适合于中小型散货码头。但是其只是提供了设计思路和方案，对于链斗提升系统并没有详细的设计方案；同时未充分考虑接料及提升过程中扬尘问题的处理，也没有适应于多种效率需求的系列化设计考虑。

离散单元法（Discrete Element Method）在过去的几十年中已被广泛接受，是描述颗粒状固体运动的优秀工具，其在采矿到化工和制药工业等方面应用范围广泛^[9]。该方法是一种有价值的工具，可用于深入了解涉及颗粒物料行业的多种机器和工艺的操作^[10]。EDEM 是世界上第一个用现代化离散元模型科技设计的用来模拟和分析颗粒处理和生产操作的通用CAE软件^[11]，通过模拟散状物料加工处理过程中颗粒体系的行为特征，协助设计人员对各类散料处理设备进行设计、测试和优化^[12-13]。

铁矿石是高炉冶炼以及钢铁工业的直接还原工艺的主要原料来源之一^[14]， 也是港口码头运输和装卸的主要散货物料之一，研究其在运输过程中的运动和物理性质对于输送机械的设计具有十分重要的意义。 例如，Grima等^[15-16] 成功使用了描述用于模拟滑槽和输送塔中散装固体行为的材料和接触参数的方法。 这些研究人员只采取了相对简单的流量测试，例如可以在实验室中进行的使用少量样本进行参数估计的摆臂坍落度测试。 此外，Coetzee和Els^[17] 设计和使用了一个系统，在该系统中，装有应变仪的金属板与电位计相互作用于容纳在腔室中的粒状固体，通过测量剪切力，然后使用DEM来模拟这些值，他们可以合理地预测液压挖掘机中的物料载荷。Gabriel KP Barrios等^[18]证明在单个铁矿球团进行测试的基础上表征单个性质和接触参数的有效性和重要性，以便使用DEM对其处理进行真实模拟。 还分析了描述其非球形形状的重要性，以及假设粒子在模拟中形成球体的含义。

1.2 目的及意义

目前国内的提升机设备生产制造技术已经相当成熟，同时带式输送机和内燃车平台技术也相当成熟。但将斗式提升机、带式输送机和可移动车体组合的新式的适用于中小港口散货堆场堆高以及散货装车的低成本高效率的组合设备目前并没有在市场中出现。本文在充分考虑现有市场需求及技术水平的情况下提出了一种新型的流动式散货堆高机的设计方案，其中包括堆高机的总体设计思路以及其提升系统的详细设计方案及仿真。同时，在本设计中拟采用EDEM这个先进的散体力学仿真软件对以铁矿石为例的散料提升过程进行仿真模拟，以期达到更好的设计效果。

本次毕业设计通过堆高机的总体设计、提升系统的详细设计、整机的三维建模及仿真，可以培养学生综合运用本科阶段所学的机械制图、机械设计、理论力学、材料力学、结构力学、起重运输机械等专业课程知识的能力、文献检索及总结前沿研究成果的能力和熟练使用设计、仿真软件的能力，为将来继续深造或者走上工作岗位夯实基础。本课题选取中小港口目前急需的一种用于散杂货装卸的流动式散货堆高机为设计目标，将该设计的几个主要部分分解成几个子课题，由多位同学协作共同完成设计，可以培养学生的团队合作精神。通过毕业论文的写作，可以锻炼学生的文字表达能力学生，同时通过日常的工作汇报以及最终的答辩环节也能锻炼学生的语言表达能力和展示学术成果的能力，为学生将来从事科学研究或者走向工作岗位奠定坚实的专业基础。