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使用DME作為挖掘機(jī)鏟斗填充物的數(shù)字模型
南非Matieland7602 Privte Bag X1 Stellenbosch大學(xué)機(jī)械和機(jī)械電子工程部，收于2007年2月15日，校訂版收于2009年2月25日，2009年5月8日接受，2009年6月25日在線提供。
摘要
挖掘機(jī)鏟斗填充物是一種復(fù)雜的流動(dòng)著的顆粒，對(duì)于包含的不同的機(jī)制的理解是非常重要的。這種抽象的元素方法對(duì)于模擬土壤裝置間的相互作用是是一種有前途的方法，并且它也被用于模擬挖掘機(jī)鏟斗的填充過(guò)程。有效的模擬是基于準(zhǔn)確性，通過(guò)這種準(zhǔn)確性模型預(yù)測(cè)出斗的拉力和不同流動(dòng)區(qū)的變化。通過(guò)用
經(jīng)驗(yàn)的方法比較，DEM預(yù)測(cè)出較低的斗拉力但是一般的傾向總會(huì)精確的被模擬出。在鏟掘的最后錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)拉力占20%。就質(zhì)量而言，在觀察和模擬流動(dòng)區(qū)域的處置和從一個(gè)階段轉(zhuǎn)移到另一個(gè)具有良好的一致性。在所有的填充階段，DEM能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出顫抖中材料的體積并使誤差保持在6%以?xún)?nèi)。
1 引言
運(yùn)載設(shè)備在農(nóng)業(yè)業(yè)運(yùn)載業(yè)和礦業(yè)中扮演者一個(gè)重要角色。這些裝備在外形和功能上有很大的差異，但是大多土壤鏟掘機(jī)器能夠歸為三種基本種類(lèi)之一，這三種包括葉片式，割裂式，和斗容式。這篇文章主要介紹了使用抽象的元素方法作為鏟掘機(jī)鏟斗的填充物及DME。
鏟斗經(jīng)常在運(yùn)載機(jī)上出現(xiàn)。拉鏟掘機(jī)經(jīng)常用于從露天煤礦移走超重負(fù)荷的東西。它的移除暴露了沉積的煤使之被采掘。一輛拉鏟掘機(jī)就像一臺(tái)裝載機(jī)一樣，擁有一個(gè)超過(guò)100立方米的巨大鏟斗并且有鋼繩索調(diào)動(dòng)著。拉鏟掘機(jī)是采礦中很昂貴的但也是最為基本的一部分，并且在南非的采礦業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)中扮演這很重要的角色，在煤礦工業(yè)中拉鏟掘機(jī)的效率每提高1個(gè)百分點(diǎn)，這就將會(huì)導(dǎo)致1百萬(wàn)的R的增長(zhǎng)，每種拉鏟掘機(jī)的年產(chǎn)量。鏟斗也經(jīng)常在液壓鏟掘機(jī)和裝載鏟挖機(jī)上找到。
鏟斗填充物是一種顆粒狀的流動(dòng)的東西。野外裝備用于測(cè)量斗裝物的儀器是非常昂貴和困難的。使用小的比例經(jīng)驗(yàn)裝配來(lái)評(píng)價(jià)斗的設(shè)計(jì)是可行的，但是這種方法代價(jià)高并且比例的有效性從在著問(wèn)題。放大模擬實(shí)驗(yàn)的的結(jié)果從在這問(wèn)題，因?yàn)椴](méi)有一個(gè)普遍的規(guī)定對(duì)于流動(dòng)顆粒，因?yàn)樗麄兪莿?dòng)態(tài)的。
根據(jù)清單斗的填充物，在沒(méi)有大的石塊的情況下，在橫軸方向上有很小的移動(dòng)。流動(dòng)的模型沿著十字口在拉力的方向上是填充的最重要方面，通過(guò)兩倍容積的模型能夠很好地分析出結(jié)果。Rowlands基于拉鏟掘機(jī)鏟斗填充的實(shí)驗(yàn)做出了相似的實(shí)驗(yàn)。
根據(jù)Maciejewski et al.，在試驗(yàn)情況下當(dāng)鏟斗或推土機(jī)的擋板被討論時(shí)，刨系狀況只應(yīng)用于一些畸變區(qū)域，用于這樣工具的刨系方法只能用較低的準(zhǔn)確度予于證實(shí)，Maciejewski et al.也研究這種在鏟斗中刨系條件的假設(shè)。在鏟斗中沙土和鏟斗的動(dòng)作被強(qiáng)制在兩面透明的屏障之間。為了在這種斗進(jìn)行測(cè)量，由于處于沙土與墻板之間的摩擦而作用于鏟刀上的力不得不評(píng)估式忽略，對(duì)于擁有多齒的鏟斗，他們展示出這些牙并不是作為單個(gè)的三維物體，而是作為一個(gè)寬的刀具建于模型。這種在如此多的牙之前的畸變模式被發(fā)現(xiàn)屬于刨系畸變，最終作者總結(jié)出這是正確的對(duì)于特殊的粘合的沙土并且可能不會(huì)應(yīng)用于其他材料。在這個(gè)研究中，鏟斗擁有一個(gè)寬的嘴型，沒(méi)有鏟牙，并且是基于Maciejewski et al.的發(fā)現(xiàn)，刨系假設(shè)被制作并且二維的DEM模型被使用。
用于模仿沙土和牙之間的相互作用的分析方法被限用于極微小的刀具動(dòng)作和問(wèn)題的假定幾何形狀。這些方法并沒(méi)有期望是正確的對(duì)于先進(jìn)掘土問(wèn)題的后發(fā)展階段的分析。這種分析方法是以Terzaghi的消極土壤壓力理論和初步土壤衰減模式的假設(shè)。Cleary 使用DEM仿制拖線鏟斗的填充物趨勢(shì)被展出并且作了以下質(zhì)量方面的比較。但是并沒(méi)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果被展示出與水有關(guān)的挖掘機(jī)斗得填充物的工藝被Maciejewski和Jarzebowski用于實(shí)驗(yàn)性的研究。他們的研究。他們的研究目標(biāo)是為了挖掘過(guò)程和鏟斗軌線的最優(yōu)化，據(jù)演示最具活了有效地鏟斗是一種。后部擋板的推力效果被消弱的鏟斗。Owen et al.模仿出了3D的拖線鏟斗填充物。在這種方法下，鏟斗用于有限元法和DEM制作的沙土被模仿成簇的半圓被用于近似模仿出部分角度，這種鏟斗沿著一條規(guī)定的線路。Esterhuyse和Rowland研究了實(shí)踐性的大規(guī)模拖線鏟斗填充物的動(dòng)作。并且將焦點(diǎn)至于傳動(dòng)裝置布局。顫抖形狀和牙狀。他們出示鏟斗款高比例的方法和在填充鏟斗所需拖拉距離方面的重要角色。用最短填充距離的鏟斗被發(fā)現(xiàn)能夠產(chǎn)生最高的峰值拉力。
這個(gè)研究的最主要物體是證明DEM在預(yù)測(cè)鏟斗的推力和材料流動(dòng)模式的能力，DEM的結(jié)果將被在一個(gè)沙箱中與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較。
2抽象元素法
抽象元素法是以被作為單個(gè)不連續(xù)粒狀材料的動(dòng)作模仿為依據(jù)的。DEM是最先由Cundall和Strack用于巖石力學(xué)的。在這一研究中，所有的模仿都是二維的并且使用商業(yè)DEM軟件PFC進(jìn)行操作。
一個(gè)線性聯(lián)系的模型在法線方向上使用一個(gè)彈性系數(shù)Kn，在剪切方向上使用一個(gè)彈性系數(shù)Ks。摩擦滑移在幾何切線的方向上是允許存在的。用摩擦系數(shù)μ表示。衰減力作用于一個(gè)點(diǎn)，力的方向與該點(diǎn)的速度方向相反并且是按一定比例于最終作用該店的力衰減。對(duì)于得到一個(gè)詳細(xì)的DEM描述，讀者涉及到Cleary和Sawley，Gundall和Strack，Hogue和Zhang和Whiiten。
3實(shí)驗(yàn)性的
兩個(gè)平行的玻璃儀表盤(pán)被安裝于距沙土箱200mm處。鏟斗外形輪廓被淡妝于一輛載重車(chē)，載重車(chē)市有一個(gè)球螺桿喝不進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的。完整的裝配可設(shè)置一個(gè)角度相對(duì)于水平面如圖2a所示。第一根桿被傳動(dòng)和固定為了使兩根桿保持垂直第二根臂桿保持自由狀態(tài)，便能夠在垂直方向上移動(dòng)。首先，反向重力在A點(diǎn)增加使鏟斗的輪廓總重保持平衡，第二個(gè)臂桿集成。這會(huì)導(dǎo)致一個(gè)“失重”的鏟斗。反重力之后被夾在B點(diǎn)來(lái)設(shè)置“有效的”鏟斗重量。由于臂桿總是垂直的甚至操縱角為0度，高效的鏟斗重量。由于臂桿總是垂直的甚至操縱角為0度，高效的鏟斗重量總是垂直向下的。49.1N,93.2N，138.3N和202.1N的鏟斗重量是常被使用的。
當(dāng)鏟斗被拖在演示方向上，他也是自由的在垂直的方向上移動(dòng)，作為有效地鏟斗重量是和顆粒狀物體作用于其他的力的一個(gè)結(jié)果。鏟斗的底部邊緣總是被安排平行于拖的方向和材料自由表面。這種動(dòng)作類(lèi)型像一個(gè)拖線型鏟斗，這種鏟斗在被拉的方向被一系列繩索所拖拉，但是在其他方向上的行動(dòng)依舊是自由的。
載有彈性負(fù)荷的聚四氟乙烯的繩子被用于封印介于鏟斗輪廓和玻璃表盤(pán)之間的小口子。一種力傳感器被設(shè)計(jì)并建造用于測(cè)量的鏟斗的拉力。一系列標(biāo)準(zhǔn)被系于n條鋼柱上。四種品系標(biāo)準(zhǔn)值的裝置被用于測(cè)量在拉方向的力，其他力的組成部分不能被測(cè)出。力傳感器被標(biāo)定并且刻度的常規(guī)檢測(cè)可避免測(cè)量上的漸變。在拖拉開(kāi)始之前力傳感器被調(diào)零。這種對(duì)于鏟斗重量部分的補(bǔ)償在拖拉方向進(jìn)行著。鏟斗的垂直換置被一線性多變不同種的轉(zhuǎn)換器處置并且用作DEM模擬的輸入。在實(shí)驗(yàn)和DEM模擬兩者中，鏟斗被給予了10mm/s的速度鏟斗輪廓的尺寸數(shù)據(jù)。
4DEM參數(shù)和數(shù)字模型
圖3展示出了系列被測(cè)量的谷物尺寸和同等重量DEM谷物。對(duì)一批給定尺寸的正常分類(lèi)被用于創(chuàng)造部件簇。簇可以由增加2個(gè)或更多的部件到一起形成，以至于形成一個(gè)剛醒部件，粒子彼此之間被包含于簇中并且保持一定距離擁有簇的可以與任何延伸聯(lián)系的同時(shí)發(fā)生的部件，不可能產(chǎn)生在這些部件之間。這些簇不能被破壞在模擬時(shí)，盡管力作用于他們，在模型中20000——30000個(gè)簇部件被使用。
一個(gè)定量過(guò)程，出現(xiàn)在另一張紙上，被發(fā)展用于不連貫的材料。部件尺寸，形狀和密度由物理測(cè)量方法決定。研究所剪切檢測(cè)和濃縮檢測(cè)被檢測(cè)被用于決定材料的內(nèi)部摩擦角和
--硬度。這些檢測(cè)被數(shù)次重復(fù)，使用DEM模型在不同的部分摩擦系數(shù)和部分剛性系數(shù)。剪切檢測(cè)和濃縮檢測(cè)的結(jié)合能夠用于決定一種獨(dú)一無(wú)二的摩擦系數(shù)和剛度組。
在使用中軟件PFC20所謂的墻是常用于構(gòu)建結(jié)構(gòu)。檢測(cè)裝置和鏟斗，與實(shí)驗(yàn)中的一尺寸大小一樣，由墻建造而來(lái)，墻板是剛性的并且可移動(dòng)根據(jù)規(guī)定的轉(zhuǎn)彎和旋轉(zhuǎn)速度。作用于墻的力和轉(zhuǎn)折點(diǎn)不能夠影響到墻板的動(dòng)作。在整個(gè)試驗(yàn)中一個(gè)持續(xù)的10mm/s的拉速度被應(yīng)用垂直移動(dòng)被處理進(jìn)行。垂直移動(dòng)會(huì)受到安裝角和實(shí)際的鏟斗重量的影響。一種典型的結(jié)果在圖4中展示出。除了起初的轉(zhuǎn)變，垂直速度幾乎是恒定的，并且隨著鏟斗重量的增加會(huì)變大。在DEM模型中，行進(jìn)速度設(shè)置為10mm/s，并且經(jīng)處理的垂直移動(dòng)被讀取從一個(gè)文件中并且應(yīng)用于鏟斗。
建立于PFC20的標(biāo)準(zhǔn)功能適用于獲得力和轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并且作用于各自的墻板和鏟斗，且作為一個(gè)整體。重力的組成部分會(huì)相應(yīng)的依據(jù)水平的裝配做調(diào)整。
5結(jié)果和討論
做關(guān)于流動(dòng)模式的有關(guān)質(zhì)量的比較是困難的。當(dāng)比較材料的自由面時(shí)，一些比較能做出圖5和圖6展示出材料是如何流進(jìn)鏟斗的對(duì)于θ=0和θ=20°這具有代表性。當(dāng)比較磁療自由表面的形狀時(shí)，模擬能夠預(yù)測(cè)出普通的形狀在填充的起初階段。但是模擬無(wú)法精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)出自由表面在最后的填充階段。
曲線與實(shí)驗(yàn)的自由表面相適應(yīng)，并且覆蓋了很多的圖5和圖6的結(jié)果，介于兩個(gè)自由面最大的不同就是沿著垂直于行進(jìn)的方向進(jìn)行調(diào)節(jié)測(cè)量，兩種測(cè)量制形成，一種是DEM預(yù)測(cè)出的較高堆積高度，另一種是DEM預(yù)測(cè)出較低高度。被測(cè)量出的價(jià)值和位置在圖中已經(jīng)表明。將名義上零件尺寸作為10mm,DEM預(yù)測(cè)的堆積高度的精準(zhǔn)性在1.5~4.5倍之間。
圖7展示了典型的從實(shí)驗(yàn)和模擬中獲得的拉力。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)獲得較大變化的拉力在大多時(shí)能被觀察出但是無(wú)法解釋并需要進(jìn)一步的研究。從這個(gè)結(jié)果看，DEM模型在拉力中占據(jù)一般的傾向是很清晰的。但預(yù)測(cè)出較低的價(jià)值與測(cè)量?jī)r(jià)值比較起來(lái)。超過(guò)完整的800mm的移動(dòng)，模型可預(yù)測(cè)出比測(cè)量力低15~50N的力。在最終的推動(dòng)誤差為20%。介于聚四氟乙烯的繩索和玻璃表盤(pán)的摩擦力藥效。顆粒物與盤(pán)的邊緣之間的摩擦力可能也會(huì)影響測(cè)試的結(jié)果。這些摩擦力可能不能夠被測(cè)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。
拖拉能量是被定義為拉力移動(dòng)曲線下的面積。使用不同的裝置角θ和實(shí)際上的鏟斗重量Wb，拉力能量E700 超過(guò)了700mm的移動(dòng)量在圖8中被比較。
第一個(gè)發(fā)現(xiàn)：能夠做到的是隨著實(shí)際鏟斗的重量增加，一個(gè)給定的θ，將有一個(gè)線性增長(zhǎng)在所需的拉力能量上。一個(gè)近似的調(diào)查顯示隨著鏟斗重量的增加，鏟斗被進(jìn)一步插入材料中，這將引起一個(gè)較高的拉力當(dāng)與一個(gè)較輕的鏟斗比較時(shí)。
第二個(gè)能夠發(fā)現(xiàn)的是隨著θ的增加，在拉力能上力會(huì)減小。實(shí)際的鏟斗重量Wb總是垂直向下動(dòng)作，如圖2C,以至于正常的力將鏟斗插入材料中是由Wb*cosθ決定。因此，隨著θ角的增加，將會(huì)使得鏟斗插入材料的力減小，這會(huì)引起拉力能的減少。但與使用的較低的θ的結(jié)果線比較時(shí)。DEM模擬能夠占領(lǐng)普通趨勢(shì)。但是他預(yù)測(cè)出的拉力能低于被測(cè)值。這一現(xiàn)象的原因是由于預(yù)測(cè)的拉力太低因?yàn)椴话w粒物與玻璃表盤(pán)之間的摩擦力。無(wú)論怎樣，它將依舊可能使用模擬結(jié)果用于填充物的質(zhì)量最優(yōu)化。
使用模擬結(jié)果能夠明確有多大的力施加于各鏟斗。如圖9中的鏟斗被分解為6個(gè)部分。圖片顯示出以一定的比例的力施加于每一個(gè)部分。從開(kāi)始起升到位移200mm?？偭χ饕┘佑陂_(kāi)口處和底部部分。當(dāng)材料開(kāi)始流過(guò)鏟斗時(shí)，其他部分也開(kāi)始發(fā)揮作用，首先是內(nèi)部曲線，最后是前端部分，低于5%的力作用于頂端部分。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于施加于底部的力，施加底部的力占總力的30%。造成這一現(xiàn)象的原因是鏟斗內(nèi)部材質(zhì)，幾乎沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)并且頂部端面所受的壓力只是由鏟斗自身的重力所決定的。在完全填充的過(guò)程中20%~30%的拉力施加于開(kāi)口處。這就表現(xiàn)出開(kāi)口和牙的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。眾所周知開(kāi)口的長(zhǎng)度或牙和鏟角是影響鏟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維探測(cè)裝置上。填充物的動(dòng)作的觀察結(jié)果導(dǎo)致了一個(gè)理論的發(fā)展。這一理論描述了流動(dòng)的特征和材料進(jìn)入鏟斗的模式。Rowland稱(chēng)這一概念為剪切區(qū)理論。他觀察到確切的剪切平面形成在不同移動(dòng)材料固體之間。這些剪切刨平面可根據(jù)內(nèi)部裝置和自身的不同填裝階段調(diào)節(jié)方位和位置。這一概括出的理論如圖10所示。不同的流動(dòng)區(qū)域，由Rowland命名，在圖上標(biāo)注。相對(duì)于鏟斗的材料移動(dòng)由箭頭所標(biāo)注。
6結(jié)論
這份報(bào)告的目的是為了說(shuō)明具體的元素方法能夠預(yù)測(cè)挖掘機(jī)填充過(guò)程的準(zhǔn)確性。進(jìn)入到鏟斗的材料的模式因?yàn)椴牧现g的相互作用而產(chǎn)生的拉力，能量需求和鏟斗填充效率和實(shí)驗(yàn)結(jié)果和方法相比較。這種研究局限于松散的填充物材料和二維模型。