装载机节能一直都是工程机械优化的主要内容,装载机铲装作业的能耗在单个作业循环中占比很高。装载机铲斗的装载性能没有明确的评价标准,需要构建描述其作业过程的数学模型,对其单次作业效率进行评价。论文基于装载机铲斗在铲装作业过程中的轨迹变化,构建装载机铲装作业的数学模型。铲装作业数学模型中矿石堆积角是一个重要参数,矿石堆积的休止角直接影响了装载机铲装作业的一次铲装物料量,通过研究矿石堆积行为受重力条件的影响,利用离散单元法对多类重力环境(深空、地底等)下的矿石颗粒堆积行为进行模拟分析,对矿石颗粒的空间坐标信息进行添加空间距离约束,筛选出矿石颗粒堆积的空间边界信息用于矿石堆积角度的求解。装载机在实际作业中,为提高装载机往复转运次数,经常在铲斗装满的情况下进行过载装料,要求铲斗在设计时需要考虑到该类工作状况,满足工程作业人员的实际使用需求。论文得出的主要结果有以下三个:(1)用数学语言对工程实际问题进行描述分析,通过主动落入的物料体积函数与铲斗空斗体积求解结果得出在不同型号的铲斗的合适铲斗铲入深度,以达到最优满斗率,该模型还可用于智能装载智能设备装载作业的轨迹优化的参考运算,求解最优装载满斗率。(2)根据结果预测出堆积角度的数值浮动区间,求出重力条件变化下的堆积角度对铲装智能设备铲装优化的影响,矿石堆积角度每1°的变化对最优铲装深度的影响率为1.6%。研究重力-稳定时间之间的关系,发现重力条件对矿石堆积的稳定时间的影响在1m/s~2-4m/s~2的区间内明显,根据数值分析的方法,得出重力与稳定时间的数学模型,用于预测各类重力环境下矿石堆积的稳定时间。(3)通过MATLAB的图形求解功能,得出铲斗作业的主要尺寸参数与铲装过载的满斗率的关系,验证了铲装作业效率的数学模型的可行性,为装载机各类斗容量的铲斗尺寸设计提供参考。设计过程的数学化有助于实现铲斗的智能优化设计,提供不同工况铲斗的设计尺寸,提高铲斗设计效率。