外文翻译--使用DME作为挖掘机铲斗填充物的数字模型 中文版

使用 DME作为挖掘机铲斗填充物的数字模型 南非 Matieland7602 Privte Bag X1 Stellenbosch 大学 机械和机械电子工程部，收于 2007 年 2 月 15 日，校订版收于 2009 年 2 月 25 日， 2009 年 5 月 8日接受 ， 2009 年 6 月 25 日在线提供 。 摘要 挖掘机铲斗填充物是一种复杂的流动着的颗粒，对于包含的不同的机制的理解是非常重要的。这种抽象的元素方法对于模拟土壤装置间的相互作用是是一种有前途的方法，并且它也被用于模拟挖掘机铲斗的填充过程。有效的模拟是基于准确性，通过 这种 准确性模型预测出斗的拉力和不同流动区的变化。通过用 经验 的方法比较， DEM 预测出较低的斗拉力但是一般的倾向总会精确的被模拟出。在铲掘的最后错误的预测拉力占 20%。就质量而言，在观察和模拟流动区域的处置和从一个阶段转移到另一个具有良好的一致性。在所有的填充阶段， DEM能够准确的预测出颤抖中材料的体积并使误差保持在 6%以内。 1 引言 运载设备在农业业运载业和矿业中扮演者一个重要角色。这些装备在外形和功能上有很大的差异，但是大多土壤铲掘机器能够归为三种基本种类之一，这三种包括叶片式，割裂式，和斗容式。这篇 文章主要介绍了使用抽象的元素方法作为铲掘机铲斗的填充物及 DME。 铲斗经常在运载机上出现。拉铲掘机经常用于从露天煤矿移走超重负荷的东西。它的移除暴露了沉积的煤使之被采掘。一辆拉铲掘机就像一台装载机 一样 ，拥有一个超过 100 立方米的巨大铲斗并 且有钢绳索调动 着。拉铲掘机是采矿 中很昂贵的但也是 最 为 基本的一部分 ， 并且在南非的采矿业的竞争中扮演这很重要的角色 ， 在煤矿工业中拉铲掘机的效率 每 提高 1 个百分点， 这就 将会导致 1 百万的R 的增长，每 种 拉铲掘机的年产量。铲斗也经常在液压铲掘机和装载铲挖机上找到。 铲斗填充物是一种颗粒 状 的流动的东西。野外装备用于测量斗装物的仪器是非常昂贵和困难的。使用小的比例经验装配来评价斗的设计是可行的，但是这种方法代价高并且比例的有效性从在着问题。放大模拟实验的的结果从在这问题，因为并没有一个普遍的规定对于流动颗粒，因为他们是动态的。 根据清单斗的填充物，在没有大的石块的情况下，在横轴方向上有很小的移动。流动的模型沿着十字口在拉力的方向上是填充的最重要方面，通过两倍容积的模型能够很好地分析出结果。 Rowlands 基于拉铲掘机铲斗填充的实验做出了相似的实验。 根据 Maciejewski et al.，在 试验情况下当铲斗或推土机的挡板被讨论时，刨系状况只应用于一些畸变区域，用于这样工具的刨系方法只能用较低的准确度予于证实 ， Maciejewski et al.也研究这种在铲斗中刨系条件的假设。在铲斗中沙土和铲斗的动作被强制在两面透明的屏障之间。为了在这种斗进行测量，由于处于沙土与墙板之间的摩擦而作用于铲刀上的力不得不评估式忽略，对于拥有多齿的铲斗，他们展示出这些牙并不是作为单个的三维 物体，而是作为一个宽的刀具建于模型。这种在如此多的牙之前的畸变模式被发现属于刨系畸变，最终作者总结出这是正确的对于特殊的粘合的沙 土并且可能不会应用于其他材料。在这个研究中，铲斗拥有一个宽的嘴型，没有铲牙，并且是基于 Maciejewski et al.的发现，刨系假设被制作并且二维的 DEM 模型被使用。 用于模仿沙土和牙之间的相互作用的分析方法被限用于极微小的刀具动作和问题的假定几何形状。这些方法并没有期望是正确的对于先进掘土问题的后发展阶段的分析 。这种分析方法是以 Terzaghi 的消极土壤压力理论和初步土壤衰减模式的假设。 Cleary 使用 DEM 仿制拖线铲斗的填充物趋势被展出并且作了以下质量方面的比较。但是并没有实验结果被展示出与水有 关的挖掘机斗得填充物的工艺被 Maciejewski 和 Jarzebowski 用于实验性的研究。他们的研究。他们的研究目标是为了挖掘过程和铲斗轨线的最优化，据演示最具活了有效地铲斗是一种。后部挡板的推力效果被消弱的铲斗。 Owen et al.模仿出了 3D的拖线铲斗填充物。在这种方法下，铲斗用于有限元法和 DEM 制作的沙土被模仿成簇的半圆被用于近似模仿出部分角度，这种铲斗沿着一条规定的线路。 Esterhuyse 和 Rowland 研究了实践性的大规模拖线铲斗填充物的动作。并且将焦点至于传动装置布局 。颤抖形状和牙状。他们 出示铲斗款高比例的方法和在填充铲斗所需拖拉距离方面的重要角色。用最短填充距离的铲斗被发现能够产生最高的峰值拉力 。 这个研究的最主要物体是证明 DEM 在预测铲斗的推力和材料流动模式的能力， DEM 的结果将被在一个沙箱中与实验结果相比较。 2 抽象元素法 抽象元素法是以 被作为单个不连续粒状材料的动作模仿为依据的。 DEM 是最先由 Cundall 和 Strack 用 于岩石 力学 的。在这一研究中，所有的模仿都是二维的并且使用商业 DEM 软件 PFC 进行操作。 一个线性联系的模型在法线方向上使用一个弹性系数 Kn， 在剪切方向上使用一个弹性 系数 Ks。摩擦滑移在几何切线的方向上是允许存在的。用摩擦系数 表示 。衰减力作用于一个点，力的方向与该点的速度方向相反并且是按一定比例于最终作用该店的力衰减 。对于得到一个详细的 DEM 描述，读者涉及到 Cleary和 Sawley， Gundall 和 Strack， Hogue 和 Zhang 和 Whiiten。 3 实验性的 两个平行的玻璃仪表盘被安装于距沙土箱 200mm 处。铲斗外形轮廓被淡妆于一辆载重车，载重车市有一个球螺杆喝不进电动机带动的。完整的装配可设置一个角度相对于水平面如图 2a 所示。第一根杆被传动和固定为了使两根杆 保持垂直第二根臂杆保持自由状态，便能够在垂直方向上移动。首先，反向重力在 A点增加使铲斗的轮廓总重保持平衡，第二个臂杆集成。这会导致一个“失重”的铲斗。反重力之后被夹在 B 点来设置“有效的”铲斗重量。由于臂杆总是垂直的甚至操纵角为 0 度，高效的铲斗重量。由于臂杆总是垂直的甚至操纵角为 0度，高效的铲斗重量总是垂直向下的。 49.1N,93.2N， 138.3N 和 202.1N 的铲斗重量是常被使用的。 当铲斗被拖在演示方向上，他也是自由的在垂直的方向上移动，作为有效地铲斗重量是和颗粒状物体作用于其他的力的一个结果。铲斗的底 部边缘总是被安排平行于拖的方向和材料自由表面。这种动作类型像一个拖线型铲斗，这种铲斗在被拉的方向 被一系列绳索所拖拉，但是在其他方向上的行动依旧是自由的。 载有弹性负荷的聚四氟乙烯的绳子被用于封印介于铲斗轮廓和玻璃表盘之间的小口子。一种力传感器被设计并建造用于测量的铲斗的拉力。一系列标准被系于 n 条钢柱上。四种品系标准值的装置被用于测量在拉方向的力，其他力的组成部分不能被测出。力传感器被标定并且刻度的常规检测可避免测量上的渐变。在拖拉开始之前力传感器被调零。这种对于铲斗重量部分的补偿在拖拉方向 进行着。铲斗的垂直换置被一线性多变不同种的转换器处置并且用作 DEM 模拟的输入。在实验和 DEM 模拟两者中，铲斗被给予了 10mm/s 的速度铲斗轮廓的尺寸数据。 4DEM参数和数字模型 图 3 展示出了系列被测量的谷物尺寸和同等重量 DEM 谷物。对一批给定尺寸的正常分类被用于创造部件簇。簇可以由增加 2 个或更多的部件到一起形成，以至于形成一个刚醒部件，粒子彼此之间被包含于簇中并且保持一定距离拥有簇的可以与任何延伸联系的同时发生的部件，不可能产生在这些部件之间。这些簇不能被破坏在模拟时，尽管力作用于他们，在模型中 20000 30000 个簇部件被使用。 一个定量过程，出现在另一张纸上，被发展用于不连贯的材料。部件尺寸，形状和密度由物理测量 方法决定。研究所剪切检测和浓缩检测被检测被用于决定材料的内部摩擦角和 -硬度。这些检测被数次重复，使用 DEM 模型在不同的部分摩擦系数和部分刚性系数。剪切检测和浓缩检测的结合能够用于决定一种独一无二的摩擦系数和刚度组。 在使用中软件 PFC20 所谓的墙是常用于构建结构。检测装置和铲斗，与实验中的一尺寸大小一样，由墙建造而来，墙板是刚性的并且可移动根据规定的转弯和旋转速度。作用于墙的力和转折点不 能够影响到墙板的动作。在整个试验中一个持续的 10mm/s 的拉速度被应用垂直移动被处理进行。垂直移动会受到安装角和实际的铲斗重量的影响。一种典型的结果在图 4 中展示出。除了起初的转变，垂直速度几乎是恒定的，并且随着铲斗重量的增加会变大。在 DEM 模型中，行进速度设置为 10mm/s，并且经处理的垂直移动被读取从一个文件中并且应用于铲斗。 建立于 PFC20 的标准功能适用于获得力和转折点，并且作用于各自的墙板和铲斗，且作为一个整体。重力的组成部分会相应的依据水平的装配做调整。 5 结 果 和讨论 做关于流动模式的有关质量的比 较是困难的。当比较材料的自由面时，一些比较能做出图 5 和图 6 展示出材料是如何流进铲斗的对于 =0 和 =20这具有代表性。当比较磁疗自由表面的形状时，模拟能够预测出普通的形状在填充的起初阶段。但是模拟无法精准的预测出自由表面在最后的填充阶段。 曲线与实验的自由表面相适应，并且覆盖了很多的图 5 和图 6 的结果，介于两个自由面最大的不同就是沿着垂直于行进的方向进行调节测量，两种测量制形成，一种是 DEM 预测出的较高堆积高度，另一种是 DEM 预测出较低高度。被测量出的价值和位置在图中已经表明。将名义上零件尺寸作为 10mm,DEM 预测的堆积高度的精准性在 1.54.5 倍之间。 图 7 展示了典型的从实验和模拟中获得的拉力。在实验开始时获得较大变化的拉力在大多时能被观察出但是无法解释并需要进一步的研究。从这个结果看，DEM 模型在拉力中占据一般的倾向是很清晰的。但预测出较低的价值与测量价值比较起来 。超过完整的 800mm 的移动，模型可预测出比测量力低 1550N 的力。在最终的推动误差为 20%。介于聚四氟乙烯的绳索和玻璃表盘的摩擦力药效。颗粒物与盘的边缘之间的摩擦力可能也会影响测试的结果。这些摩擦力可能不能够被测出或包含于 2D 的 DEM 的模 型并且可能是模型低估拉力的原因。 拖拉能量是被定义为拉力移动曲线下的面积。使用不同的装置角和实际上的铲斗重量 Wb，拉力能量 E700 超过了 700mm的移动量在图 8 中被比较 。 第一个发现：能够做到的是随着实际铲斗的重量增加，一个给定的 ，将有一个线性增长在所需的拉力能量上。一个近似的调查显示随着铲斗重量的增加，铲斗被进一步插入材料中，这将引起一个较高的拉力当与一个较轻的铲斗比较时。 第二个能够发现的是随着的增加，在拉力能上力会减小。实际的铲斗重量Wb 总是垂直向下动作，如图 2C,以至于正常的力将铲斗插入材料 中是由 Wb*cos决定。因此，随着角的增加，将会使得 铲斗插入材料的力减小，这会引起拉力能的减少。但与使用的较低的的结果线比较时。 DEM 模拟能够占领普通 趋势。但是他预测出的拉力能低于被测值。这一现象的原因是由于预测的拉力太低因为不包含颗粒物与玻璃表盘之间的摩擦力。无论怎样，它将依旧可能使用模拟结果用于填充物的质量最优化。 使用模拟结果能够明确有多大的力施加于各铲斗。如图 9 中的铲斗被分解为6 个部分。图片显示出以一定的比例的力施加于每一个部分。从开始起升到位移200mm。总力 主要施加于开口处和底部部分。当材 料开始流过铲斗时，其他部分也开始发挥作用，首先是内部曲线，最后是前端部分，低于 5%的力作用于顶端部分。这远远低于施加于底部的力，施加底部的力占总力的 30%。造成这一现象的原因是铲斗内部材质，几乎没有相对运动并且顶部端面所受的压力只是由铲斗自身的重力所决定的。在完全填充的过程中 20%30%的拉力施加于开口处。这就表现出开口和牙的设计是至关重要的。众所周知开口的长度或牙和铲角是影响铲斗填充物的重要因素。 Rowland 使用谷物、豌豆、和玉米的混合物在他的 2 维探测装置上。填充物的动作的观察结果导致了一个理论的发 展。这一理论描述了流动