外文翻译--利用DEM法对挖掘机铲斗填充进行数值模拟 中文版

第 1 页 共 18 页 利用 DEM法 对 挖掘机铲斗填充 进行 数值模拟 C.J. Coetzee *, D.N.J. Els 斯坦陵布什 大学 机械与机电工程系 专用邮 袋 x1， Matieland（马铁兰德） 7602 号 ， 南非 2007 年 2月 15 号 收到 ； 2009 年 2 月 25号 收到修改稿 ； 2009 年 5月 28 可接受 在线 可 见 2009 年 6 月 25号 摘要 挖掘机 的 铲斗填充是一个复杂的颗粒流问题。为了优化 填充 过程， 了解 参与的 不同机制 很 重要。离散单元法（ DEM）是一种很有前途的 实现模型间的土壤行动 的 方法， 它用于 本研究中模型的挖掘机斗 填充 过程。模型的验证是基 于该模型的 斗阻力和不同的流动区域的发展 预测结果 的 精度 。 与 实验测量 方法 相 比 ， DEM预测 的挖掘 阻力 较小 ，但总的趋势是准确地模拟。在填充过程 结束 时 的 误差 在预测的阻力为 20%。定性，有观察和建模流区域之间的一个很好的协议条款位置和从一个阶段到其他过渡。在 填充 的 所有阶段， DEM 能够 准确地 预测材料体积 在6% 铲斗 内。 2009 ISTVS。由 Elsevier 公司 出版 。 保留所有权利。 1 简介 土方工程设备 在 农业，土方工程和采矿业 中起着重要的作用 。 设备在形态和功能 上 是高度多样化的，但大多数土壤的切割机可分 到 一个三大类，即叶 片， 松土机（撕裂者） 和水桶（铲 斗 ）。本文重点研究 用离散元方法（ DEM） 进行 挖掘机铲斗填充 的数值模拟 。 第 2 页 共 18 页 在许多 土方机械 上 均 可发现 铲斗 。挖掘机是用来去除覆盖 在 露天矿山 的超载荷 。 它的 去除 作业使得 在挖掘 的煤矿床 暴露 出来 。拉索是 类似于 起重机的一种结构 ，它有一个 通过钢丝绳以悬浮 的 体积 至多可 达 100 m3 的 巨大的铲斗。挖掘机是 矿井 操作 中的 一 个十分重要 的部分 ， 在 南非矿山企业竞争力 中发挥重要的作用。 人们 通常认为 ： 在煤炭开采行业 挖掘机 效率 提高 1%会 使得 每 台挖掘机的 年产量提高 1 百万 1 。 铲斗还可用在 液压挖掘机，装载机 ， 铲挖 掘机。 铲斗的填充 是一个复杂的颗粒流问题。 用以 测量 填充 的现场设备的仪表是困难和昂贵的。使用小规模（通常是 1 /10 规模）的实验钻机 来 评估桶设计 1,2是可 行 的 ，但它们是昂贵的 而且在 有关于缩放 3,4 的有效性 上存在 问题。 由于没有通用的标度律颗粒流 以及 流体动力学 5 ， 扩大模型试验的结果是有问题的。 根据克利里 5 ，在没有非常大的岩石 时 ， 铲斗 的填充 可以视为相对地 在横向方向上 几乎不运动 的二维点运动。 在 拖动方向 沿 铲斗 的横截面的流动模式 是填充 的 最重要的方面 ，它 可以使用二维 模型较为 满意的分析。 根据 拉铲 挖土机的铲斗填充实验 罗兰 2 可以得到 类似的 观点 。 根据 Hawkins 等人 6 ，在实际情况下 ， 当 涉及到 运动的 铲斗 或推土机刀片 时， 平面应变条件只适用于某些变形运动区。这样的工具的平面应变的解决方案 仅仅 可以假设 到 有限精度。 Hawkins 等人 6 同样 研究了平面应变假 说：在土壤箱那里的土壤和刀具运动 受到 两个透明的墙之间的约束。用于测量 这样一 个铲斗时 ， 由于土壤和侧壁之间的摩擦 作用在 刀 具 上的力必须 估计 到 或忽 略 。他们发现 在铲斗上有大量的斗齿 ， 但 这些斗 齿不作为单独的 三维物体 ，而是 作为 几个模 型的 一个广泛的的工 具。在 这样的组件的牙齿 前面的变形模式被认为是平面应变变形。然而，作者认为， 这只适用于 特定的粘性土（砂土） 而且 或许不适用于其他（特别是岩石 及 脆 性 ）的 材质 。在这项研究中 铲 斗有全宽 的边缘 没有 斗 齿 而且 基于 Hawkins 等人的发现。 6 。平面应变假设了两个维度 并且 采用三维 DEM模型。 第 3 页 共 18 页 分析方法 7 11 用于模型的土壤 刀 具间 的运 动是有限的无穷小运动和工具给定的几何问题。这些方法预计不能够得到有效的后续分析阶段的进展的分析 土壤挖掘问题。 12 试验方法是基于太沙基的被动土压力 的 一个初步的土体破坏模式的理论 和假设 13 。复杂刀具的几何形状（如 铲斗 ）和大变形不能使用这些方法 14 模拟 。 离散单元法是一种很有前途的方法 ， 可以通过 对 模型与土壤 的 相互作用 解决一些困难 （问题）。 分析 方法 15 。在 DEM，失效模式和材料变形是不需要提前 的 。该工具是 使用多个平壁 塑造（模拟）成的 而 刀具的几何形状 的复杂性不 会使 DEM 模型 变得 复杂 。 在 大粒状材料的变形和发展的粒状材料的自由表面 是由这种 方法 自动 控制的 。 克利里 5 利用 DEM 建模拖桶灌装。趋势显示和定性的比较，但给出 的 实验的结果没有 出现 。 液压挖掘机铲斗的 填充 的过 程 由 Hawkins 和泽波夫斯基 12 以 试验 形式表现出来 。他们研究 的目的 是 优化 挖掘 工艺及 铲斗轨迹。结果表明，最节能 的铲斗 是一个 推动作用最小化的 背墙。 Owen et al。 21 模拟 3D挖掘机的铲斗填充 。 用这种方法 ， 铲斗 由 有限元方法和 DEM 的土壤 建模 。成群的 椭球被用来近似的粒子棱角。斗按 照预定的路线运动 Esterhuyse 1 和 罗兰兹 2 研究了标拖 铲斗 实验的 填充 行为 ，其 重点 在于 安装配置 ， 铲斗外 形 及 齿间距。他们发现 铲斗 的纵横比（宽度 比 深度） 在用以填充铲斗 的拖动距离 起了重要的作用 。 他 们 发现用 最 短 的 填充距离产生 拖曳力 的最高的峰值。 本研究的主要目的是为了证明 DEM 预测 铲斗 上的 拖拽 力 和随铲斗填充而发展的 材料的流动模式 的能力 。 DEM 结果 与 每 土槽的形成 实验 相比较 。 2。离散元方法 离散元方法 （ DEM） 基于模拟 作为单独 组分的 颗粒物质的运动。 DEM 一开始 由库德尔和施特拉克 16 应用于岩石力学。在这项研究中，所有的模拟 都 是二维的 而且通过商业 DEM 软件 PFC2D 17 运行 。 第 4 页 共 18 页 一个线性接触模型用一个弹簧刚度 kn 在正常的方向和弹簧刚度 ks 剪切方向（ 如 图 1所示 ）。摩擦滑动是在切线允许 的方向的 摩擦系数 。作用在 在相反方向的 阻力（摩擦力）与 合力成正比 及 一个 颗粒 比例常数（阻尼系数） C 17 。 想要了解 DEM 的 详细 描述，读者 可以参考 克利里和 awley（萨利） 18 ，库德尔和施特拉克 16 ，霍格 19 以及 张和 怀恩的 20 。 3。实验 两个平行的玻璃板 ，间隔 200 毫米分开 固定 形成土槽。 这 种 铲斗 形固定小车 是由滚珠丝杠、步进电机驱动 的 。 图 1。 DEM 接触模型。 第 5 页 共 18 页 图 2 a 图 2 实验装置 这套 完整的 装置可以设置在一个 图 2 a所示 的 水平的 角 度 。第一臂进行旋转和固定 因此 这两个臂保持垂直。第二臂 在垂直方向 保持 自由的 移动。 首先， 在 （图2a） 位置 A 添加平衡 重量以实现 在 铲斗 和第二 个 臂组件 权重 的平衡 。这导致了一个 “weightless“ （失重的或无重力的） 铲 斗。然后在位置 B 加配重 来 设置 “ 有效 ” 桶的重量。由于 臂 2总是垂直 ， 即使钻机角度 不是零度 ，有效的斗重量总是作用垂直向下（图 2C）。重量为 49.1 N， 93.2 N， 138.3 N 和 202.1 N 的 斗 常被 使用。 当 铲斗按照预定 方向 拖 动时 ， 由于 有效 铲斗 的重量和作用在 颗粒 上的 力 ， 它也可以 在垂直方向 自由移动。 铲斗 的底部边缘总是设置为平行于拖动方向和材料的自由表面。这种类型的运动类似于一个拉铲挖土机的铲斗， 由 一组绳 拖在拖动方向，但在所有其他 方向 的运动 是 自由 的 2 。 弹簧加载的聚四氟乙烯刮用于密封的小 铲斗 和玻璃板之间的开口。一个力传感器 被 设计和建造 来 测量 作用在斗上的 阻力。一套应变计粘贴到 如图 2a 所示的第 6 页 共 18 页 钢束位置。四集的应变计是用于测量 在 拖动方向 的 力 。其他成分 的力 不测量。力传感器的标定和校准的定期检查，避免在测量方法 漂移 。钻机的角度不是零， 在拖动开始 前 力传感器为零。这种 用于 铲斗填充重量组分的 补偿 表现在拖动方向上 。 铲斗 的垂直位移测量 由 一个线性可变差动变压器（ LVDT） 确定 并且作为 DEM模拟量的一个输入量 。 在实验及 DEM 模拟状态下铲斗均给定一个 10 毫米 每秒 的速度。 铲斗 形 状及 尺寸在图 2b 所示。 本研究采用玉米粒。虽然玉米 粒 不 是 实际的土壤， 但是 罗兰 2 发现种子颗粒是适合实验测试 而且 像自然土壤流入 铲斗那样紧密 。 4。 DEM 参数和数值模型 图 3 显示测量的晶粒尺寸 的 范围和等效 DEM 晶粒。正态分布在尺寸范围被用来创建成群的粒子。 通过 加入两个或两个以上的颗粒（在 3D 的 2D 和球盘） 可以形成 团块 ， 在一起形成一个刚性粒子，即粒子包括在丛保持固定距离彼此 17。一丛内颗粒可以重叠的任何程度的影响和接触力之间是没有这些粒子产生克莱斯。在模拟无论作用于他们的力 是多大 簇不能打破 。模型中 20000 30000 的 成群粒子 被使用 。 图 3（ a）物理晶粒尺寸和（ b） DEM 晶粒模型尺寸（ mm）。 校准过程，在另一篇文章，是开发的无粘性材料。颗粒大小，形状 及 密度 是从物理测量和确定 的 。实验室试验和压缩试验 分别 用以 确定材料的内 摩擦角 及刚第 7 页 共 18 页 度 。这些测试都重复利用 不同的 DEM 模型颗粒摩擦系数的 数值 及 刚度值。 变形 试验和压缩试验 的结果可以确定一个 独特的颗粒摩擦颗粒刚度值， 表 1。 表 1 粒子 性能参数摘要和 DEM。 宏观性能 测量 DEM 内摩擦角 23 24 休止角 252 241 堆积密度 778 千克每立方米 778 千克每立方米 密闭的体积弹性模量 1.60 MPa 1.52 MPa 钢 性 摩擦材料 14 14 校准的 DEM 的特性 颗粒刚度， KN = KS 450 kN / m 粒子密度， QP 855 千克每立方米 颗粒摩擦系数， L 0.12 第 8 页 共 18 页 其他性能 阻尼， C 0.2 模型宽度 0.2 米 在软件 PFC2D，所谓的墙，用 来 建立结构。该试验台及 铲斗 ，同尺寸与实验，建立了墙。壁是刚性的 并且 按照规定的 速度 做平移和 旋转 运动。 作用在 墙壁上 的力和弯矩 不影响墙壁的运动。在实验过程中持续不断 的 10 毫米 每秒 的速度 被 应用 当 测定 垂直位移 时 。竖向位移 由 两台的角度和有效的 铲斗 的重量 的影响 。一个典型的结果如图 4所示。除了最初的过渡，垂直速度几乎是恒定的，对于一个给定的安装程序，并 且伴随着铲斗 的重量增加。在 DEM 模型 中 ，牵引速度为 10 毫米 每秒而且 测量的垂直位移被数据文件 读取 并且 应用于 铲 斗。 图 4 钻机角度为 10 度时 测量 的 斗 的 垂直位移和 四 组 有效 铲斗 的重量 值 第 9 页 共 18 页 建立 在 PFC2D 的 标准函数 用来获取作用于 单独 的墙壁 和铲斗 上的作为一个整体 的力 及弯矩 。钻机角度 不为 零，钻机是保持水平但重力 的组分 进行了相应的设置。 5。结果与讨论 当涉及到 流动模式 时， 很难 进行 定量的比较。 然而 当比较材料的自由表面 时 ，一些比较 还 是 可以 做 的 。 图 5和 6 显示材料 是如何 分别 在钻机角度为 h = 0_ and h = 20_流入 铲斗的 。当 比较 材料的 自由表面的形状 时 ，仿真能预测在 填充 初期的 一般形状。 但 模拟未能准确地预测材料的自由表面在最后阶段的填充。图 5 钻机角 度为 0度时的 填充结果 图 6钻机角 度为 20度时的 填充结果 曲线进行拟合实验的自由表面和覆盖在图的数值结果 如图 5 和 6 所示 。两个自由表面之间 （堆高度） 最大 的差异是沿垂直的方向在拖动方向 上 测量 得到 。两个测量，一在 DEM 的预测 较 高的堆高度，和一个测量在 的预测 较低的 堆高第 10 页 共 18 页 度。 数 值和 测定 的位置的数据 可以在图中 显示。以虚粒子尺寸为 10 mm 为例 ， DEM准确地预测堆高度在 1.5 4.5 颗粒 粒径 。 图 7显示了 从试验及模拟得到的 典型的阻力结果 。在大多数情况下， 在开始的实验中观察到 大的 阻力 跳跃 是 无法解释 的 ， 并且 需要进一步的调查 研究 。从这个结果 来看 ，很明显， DEM 模型 捕获 到 阻力的一般趋势，但它的预测值与实测值 相比较低 。 超过 800 毫米的完整的阻力 时 ，该模型预测力低于测量力 15 50 N。终 端 （最后） 阻力的误差为 20%。聚四氟乙烯刮和玻璃板电极 之间的摩擦力 在无谷粒的情况下测定 。这种摩擦力是从测得的阻力 提取 的 。谷物和侧面板之间 的摩擦力 对测量的结果 也有影响。这些摩擦力 2D DEM 模型 是 不可测量的或包含 而这可能 是 该模型预测的阻力 较 低的原因 6 。 图 7 在 钻机角 为 10 度 和 铲斗 重量 为 WB = 138.3N时 的典型的 铲斗拖动 力。 阻力的能量被定义为在 力 位移曲线 下 阻力 的 面积。利用不同的钻机角和有效的桶重量 WB， 阻力能 e700 至多 到 700 毫米的位移在图 8中可以 比较。 第 11 页 共 18 页 图 8 不同的钻机角度 下 斗阻力能 E700 关于 斗的重量 Wb的函数 第一次观察，我发现，对于一个给定的钻机角 度 ， 增加有效 铲斗 的重量 ， 所需的 拖 力 能量 呈 线性增加。一个 相 近的调查显示，在 铲斗 的 重量 增加 时 ，斗被迫进入材料 更深 ， 这 与 用较少的量桶 相比，导致了较高的阻力 。 第二 次 观察，可以是 随着 钻机角增大，有阻力的能量减少。有效的 铲斗 的重量 WB 总是 作用在 垂直 向下的方向 （图 2C） ，因此使铲斗 进入材料的正常的推力由 WB 与钻机角度的余弦值的乘积 给定 。 因此， 随着 在钻机角的增加，推 动铲斗进入材料的 正常的力在减少 。 与 使用一个较低的 钻机 角相比 ， 这导致了阻力 在 减少，从而 阻力 能量 减少 。 DEM 模拟能够捕捉到 一般 的趋势，但它预测 的 阻力能量低于测量。预测阻力太低， 这 种情况 的原因是， 由于排除 谷物与玻璃面板之间的摩擦 力。它会，然而，仍然可以使用的模拟结果 对 充填 进行 定量 优化。 利用仿真结果可以确定 施加在 铲斗 的每个部分 （区域）的 力 有多少 。图 9铲斗 分为六部分。该图表表明， 每一部分的力 占 总阻力的比例。从一开始为 200毫米的位移 （ 25%的总位移）总力作用主要在 边缘 和 底部区域 。 随着 材料开始流入 铲斗 ，其他部分发生作用， 首先是 内 曲线 最后 是 前部。小于 5%的力作用在 顶部。这远小于底 部 （ 30%）。这样 情况 的原因是， 铲斗内的材料 相对斗 几乎不 显示 运动 而且 在顶部的压力 仅取决于铲斗 内的材料的重量 。 而 在底部，压力是 由斗第 12 页 共 18 页 内 材料的 重量 及斗 本身 的重量 组合的重量 确定。 在整个 填充 过程 20 30%的 拖曳力 作用在边缘 上。这表明， 边缘 和 斗 齿 的 设计 是很重要的。众所周知 影响充填因素 中边缘 /齿 的长度 和 攻击 的 角度是非常重要的 2 。 图 9 钻机角度为 10度时铲斗阻力的分配 罗兰 2 利用小米，豌豆和他在 2D试验台的玉米 混合物 。填充行为的观察导致描述 流量特性和模式的物质进入斗 理论的发展。罗兰 2 将 这一概念 命名为 剪切带理论。他观察到一定的剪切平面（断裂） 在 不同的物料运动的政权之间形成。这些剪切面改变方向和位置 取决于 初始安装和在填充的不同阶段过程本身。广义的原理如图 10 所示。不同的流动区域，如罗兰兹 2 命名， 在 图 上 是不可或缺的。该材料 对斗 的相对运动是由箭头表示。 第 13 页 共 18 页 图 10 根据罗兰兹 2 得出的 剪切带 理论。 原始材料仍是原状直到最后的第三 层 的阻力在 推土 ” 发生 时 。最初的层流流入 铲斗 中 在 第一第三的阻力 之间 （图 10a）。加入一定的距离 后 ，该层未在 铲斗边缘， 随后成为固定的 与 斗 相关的 其余的阻力（图 10B 和 C）。 因为增加的引力援助 在陡峭的阻力角度，材料更加迅速 地 朝后 流动 。这种效应 可以 通过对比 图5和 6看出。 成为固定的 之后 ，一个新的区域，主动流区，发展 起来了 （图 10）。在这个区域，该材料 的 位移 主要是在垂直方向。积极挖掘 区（主动流 区 ） 位于齿 和 斗边缘之上 。 当 材料开始进入 铲斗 和 及 层流层 失败 尺寸增 加后 这个区 域 发展 起来 。在这个区，原始材料的失败要么流入 铲斗 为层流层的部分在第一部分的填充或移动到活动流程区在后一部分填充。 在 主动流动区 从 “ 实况 ” 材料造成的 恒载 增加， 并 在最初的层流 层 之上 。在最初的层流层的一些材料失败并开始形成的恒载的部分（图 10 ）。在实验 中 ，当 材料流动 时 ， 可以观察到 明确的断裂或剪切线。 随着 拖动角增大，积极挖掘区和活跃流区往往加入到一个连续的带。 第 14 页 共 18 页 应当指出的是，图 10 仅仅 显示 填充 过程的 三个阶段，但在现实中 从一个阶段到下一个 阶段 有一个渐进的转变。还应注意的 是 这是一个广义的理论 ， 尝试使用不同的材料和斗几何 形状时 结果 会有变化。在实验过程中 可以观察到 两个明 显的切变线。一个扩展的尖端 边缘 上的自由表面。这 被命名 名为切削线。第二 条线是 在 最初的层流与恒载 层之间 ，称为恒载剪切线。 利用 DEM 和 进一步的 流动区域 的调查 ， 设计 出 下面的程序 步骤 。 材料流经 斗并且每运动 100mm 之后 暂停 ” 。 在 斗 给定了一个进一步的 10 15 毫米位移（ 1 3 粒长度） 之后，然后 每个粒子的位移矢量设置为零。颗粒位移比 PDR 的比率被定义为粒子的绝对位移向量的大小 与 斗的绝对位移矢量的大小 之比 。 然后根据 颗粒 各自的 PDR 值 上色 。 一个 PDR 等式 意味着 评价 颗粒与铲斗运动。结 果显示在图 11。这实际上是在 一个短周期 的 平均的速度比。 第 15 页 共 18 页 图 11 用铲斗质点位移比得到的流动区 由剪切带理论预测的流动制度 显示 在图上。三图片对应图 10 给出 的 三幅 图 。在 100 毫米 位移 之后 ，积极挖掘区清晰可见 PDR 在 0.40 到 0.65 之间 。最初的层流层 以 PDR0.10 到 0.2 移动到 铲斗 5。这相当于在图 10 所示的流 动 区。 500 毫米后，积极 流区 的 “V” 形特征可以看到 PDR 在 0.10 到 0.2。虽然 PDR是相对较低的 值 ，位移 主要在 垂直方向。积极挖掘区仍然 存在于 在 铲 斗 的后面，最初的层流层开始变得相对固定 对于铲斗而言 。这是由 PDR 值增加可见 铲斗 的后面。这 与 图 10B 显示 的 流区 相当吻合 。 在 800 毫米 之后，恒 载荷切变线 的存在 清晰可见。 与 图 10c 比较 ，活动流程区和主动挖掘带不能 从 静载荷 区分。这样做的原因是，在一个 铲斗位移为 800毫米 时 ，推土作用大，超过其他流动区域的阴影 区域 。 就 力和能量要求和周期时间 而言挖掘机铲斗 的优化是非常重要 的 。在一些 应用中， 这将有利于 利用最 少的 能量 填充铲斗 。在其他的应用，这将有利于 填充铲斗时尽可能地 快 以 尽可能减少周期时间 1 。探讨 填充 率 时 ， 应 从实 验 被 取用的 不同的填充的阶段 图像，数字化的轮廓， 及 斗 内材料体积 计算 并 表示为最大铲斗容积百分比。 最大斗容 0.0146 立方米 定义在图 2b。利用 DEM 的结果， 按照 同样的 步骤 然后比较结果。 图 12显示了使用三个不同 钻机角度 的实验结果。 以 在 铲斗斗 位移长度 为横坐标，铲斗 填充百分比 为纵坐标 作图。在 挖掘机 行业，目标是让 铲斗 完全填充第 16 页 共 18 页 2 3铲斗 的长度。随着钻机 角度由度 增加 度，在 填充的最后阶段填充百分比 有轻微的增加。 事实上， 这是由于当材料受到干扰 时 ，它 流动 到铲斗 更加容易。当钻机的角度进一步增加 到度时， 然而，填 充 百分比 在 下降。 进一步的研究 调查表明，钻机角的增加， 铲斗 到材料 的 位移 减 少。 实验已经 表明，垂直于材料的力表面是 由 有效铲斗重量与钻机角余弦值乘积给定 。因此， 随着 钻机的角增加，迫使斗挖 掘的 分力 减 小 。当这个分力减小 时 ，斗 穿透 材料的深度减少 并且铲斗 掘起 较少的材料。 当斗掘起的材料减少时 ，填充 百分比在 减少。 图 12不同 钻机 角度 下 铲斗 填充率 关于 斗位移 的 函数 实验和 DEM 填 充 百分比比较是在图 13 概述。使用 三个不同的钻机角