ZL15装载机总体及变速箱设计任务书（3轴及齿轮）【3张CAD图纸与说明书全套资料】
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第 19 页 共 19 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。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。分析方法711 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。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。 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2000030000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 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1.54.5颗粒粒径。 图新!为您提供类似表述，查看示例用法：分享到 翻译结果重试抱歉，系统响应超时，请稍后再试 支持中英、中日在线互译 支持网页翻译，在输入框输入网页地址即可 提供一键清空、复制功能、支持双语对照查看，使您体验更加流畅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1550 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。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2030%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。 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。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1015毫米位移（13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。 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23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
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