ZL15装载机总体及定轴变速箱设计(3轴及齿轮)【说明书+CAD】
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摘要我所设计的ZL15装载机既保留了传统装载机的优点,而且具有新的性能和优点。本次设计主要进行的是变速箱的设计。ZL15装载机属于小型土方机械,广泛应用于城市建设工地及货场、煤场、仓库等装载及堆放松散货料的场所,并且可以用来完成轻度的挖掘及平整场地作业。ZL15型装载机属于ZL系列,采用轮式行走系,液力机械传动系,铰接式车架,所以该机具有机动性好、转向灵活、生产率高、操纵轻便等优点。另外,该机后桥布置为摆动桥,增加了整机的稳定性,所以该机的安全性好。ZL15型装载机采用定轴式变速箱,结构简单,制造成本较低,维修方便,特别是采用离合器外置式时,变速箱体尺寸小,便于总体布置。本机在设计中,参考同类机型,选用最佳传动方案,使机构简单,操作方便,并满足作业要求。定轴式变速箱采用动力换挡,使驾驶室操作便捷,减少劳动强度。变速箱设计包括:变速箱型式的选择、传动比最终的确定、传动简图设计(前三后三档位)、所有齿轮的配齿计算、轴和轴离合器设计、结构设计(包括轴、轴承以及齿轮的选择校核计算)。【关键词】轮式装载机 定轴式变速箱 换挡离合器 变速箱设计 河北建筑工程学院毕业设计(论文)外文资料翻译 系别: 机械工程系 专业: 机械设计制造及其自动化 班级: 机094 姓名: 杨东胜 学号: 2009307413 外文出处: www.elsevier.com/locate/jterra (用外文写)附 件:1、外文原文;2、外文资料翻译译文。指导教师评语:签字: 年 月 日1、 外文原文(复印件)2、外文资料翻译译文译文标题(3号黑体,居中) (小4号宋体,1.5倍行距)。(要求不少于3000汉字)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概述。使用三个不同的钻机角度0度,10度,30度和两个有效的斗权重WB = 49.1 N和138.3 N,填充率在位移为100,200,300,400, 500,600和700毫米计算。42个数据点的绘制而两线表明,在所有情况下,除了两个,DEM的结果均在6%的实验结果以内。 图13。实验和DEM的填充百分比的比较。在实践中,斗脱产时铲斗转动以阻止大多数材料脱落。这一原则在图14描述出来,在它的位移结束时,铲斗被抬出材料并且保持在钻机角度。铲斗定位的效果显,影响着铲斗持有的材料的数量。再次,实验的自由表面轮廓在DEM的结果表示出来并且与角度为0时吻合良好。至于角度为20度时,DEM模型预测在铲斗的后面有额外的材料,这可以由图6的位移为800毫米时在最后填充状态的差异来解释。6。结论本文的主要目的是为了证明离散元方法如何可以准确地预测挖掘机铲斗填充过程。原料进入料桶的流动模式,由于材料的相互作用而产生的作用在斗上的阻力,能量要求和桶填充率都需要与实验观察及测量进行比较。这项研究仅限于粒状材料和二维模型。本文的结论是:1。比较材料的自由表面,DEM可以精确地模拟填充的初始阶段材料流到桶中的情形。然而,在填充的较为靠后的阶段,DEM,无法准确地预测材料的自由表面。2。DEM可以准确地预测在桶中拖曳力的总趋势。在800 mm的完整的阻力DEM预测阻力低于测量值1550 N。测得的最大阻力250 N,然而DEM预测最大牵引力200 N。3。DEM无法准确预测阻力的能量。然而它的总的趋势是正确的,它表明,拖动能量随着桶的重量的增加呈线性增加。4。基于DEM的结果,在20%和30%之间的总斗力作用在边缘。当前的实验装置无法验证这些。5。DEM结果与剪切能带理论表现出许多相似之处。基于定性比较,DEM可以预测的初始层的位置,积极挖掘区,主动流动区和静载荷。6。DEM模型,通过采用不同的角度和斗重,能够准确地预测材料的体积6%桶(铲斗)内。摘要挖掘机的铲斗填充是一个复杂的颗粒流问题。为了优化灌装过程,重要的是在了解参与的不同机制。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灌装过程。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%桶内。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,幼虫和水桶(铲)。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。在许多土方机械上可以发现桶。挖掘机是用来去除覆盖的抨击露天矿山。去除暴露的煤矿床在挖掘。拉索是起重机的一种结构以高达100的悬浮m3in体积巨大的铲斗通过钢丝绳。挖掘机是一种昂贵的和本质的部分我的操作和在COM中发挥重要的作用南非矿山企业竞争力。在煤炭开采行业通常被认为是提高1%在拉索效率会导致1百万在每拖 1 年产量提高。桶还对液压挖掘机,装载机铲挖掘机。一桶灌装是一个复杂的颗粒流问题lem。测量的现场设备的仪表充填是困难和昂贵的。这是可能的使用小规模(通常是1 /第十规模)的实验钻机评估桶设计1,2,但它们是昂贵的和有关于缩放 3,4 的有效性问题。扩大从模型试验的结果是有问题的由于没有通用的标度律颗粒流有流体动力学 5 。根据克利里 5 桶的填充,在没有非常大的岩石,被观察到的比较在横向方向上的二维点运动和灰。沿桶的横截面的流动模式拖动方向最重要的方面是填充可以使用二维满意的分析模型。罗兰 2 提出了类似的意见的基础上的拉铲挖土机的铲斗填充实验。根据Hawkins等人。 6 ,在实际情况下当运动的桶或推土机刀片DIS讨论了平面应变条件下,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可以假设只有有限精度。Hawkins0022-4898 / 36美元吗?2009 ISTVS。出版由Elsevier公司保留所有权利。10.1016 / j.jterra.2009.05.003 DOI:*通讯作者。电话:+ 27 21 808 4239;传真:+ 27 21 808 4958。电子邮件地址:ccoetzeesun.ac.za(C.J. Coetzee)。www.elsevier。COM / / jterra定位在www.sciencedirect.com在线地面力学杂志46(2009)217227杂志的地面力学等人。 6 研究了平面应变假定土壤箱那里的土壤和刀具运动两个透明的墙之间的约束。用于测量在这样一个桶中,作用在工具由于土壤和侧壁之间的摩擦来估计交配或忽视。他们发现一个大数误码率的牙齿上的桶,牙齿不作为单独的但作为一个广泛的三维物体的工具了从几个模块。在前面的变形模式这样的组件的牙齿被认为是平面应变变形。然而,作者认为,本对特定的粘性土(砂土)和或许不适用于其他(特别是岩石脆)的伴侣里亚尔。在这项研究中斗有全宽唇没有牙齿和基于Hawkins等人的发现。6。平面应变假设了两个维度采用三维DEM模型。分析方法 11 7用于模型的土壤工具间行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试验方法是基于太沙基的被动土压力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(如桶)和大变形不能被模拟使用这些方法 14 。离散单元法是一种很有前途的方法模型与土壤相互作用可以通过会遇到一些困难的分析方法 15 。在DEM,失效模式和材料变形是不需要提前。该工具是国防部使用多个平壁而欢呼的复杂性刀具的几何形状不复杂的DEM模型。大在粒状材料的变形和发展的粒状材料的自由表面自动汉等的方法。克利里 5 利用DEM建模拖桶灌装。趋势显示和定性的比较,但给出了实验的结果没有。的过程中液压挖掘机铲斗的充盈的影响试验精神上Hawkins和泽波夫斯基 12 。目的他们的研究是挖掘过程优化铲斗轨迹。结果表明,最节能桶是一个背墙的推动作用,在哪里最小化。owenetal。 21 modelled3ddraglinebucketfillING。在那里,桶与建模有限元方法和DEM的土壤。椭球成群的球被用来近似的粒子棱角。斗按部就班。esterhuyse 1 和 2 研究了填充罗兰兹标拖桶实验的行为安装配置的重点,桶形齿间距。他们发现的纵横比桶(宽度,深度)起了重要的作用拖动需要填补一个桶的距离。用桶短填充的距离被发现产生的最高的峰值拖曳力。本研究的主要目的是为了证明数字高程模型的预测能力上的曳力桶材料的流动模式,发展为桶填充起来。DEM结果进行实验,每在土槽的形成。2。离散元方法离散元方法是基于模拟颗粒物质的运动作为单独的颗粒。DEM首次应用于岩石力学由库德尔和施特拉克16。在这项研究中,所有的模拟是二维的andperformedusingcommercialdemsoftwarepfc2d 17 。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ksin剪切方向(图1)。摩擦滑动是在切线允许directionwithafrictioncoefficientl thedampingforceacts。在相反方向的一个粒子的粒子速度并对PAR合力成正比一个比例常数颗粒(阻尼系数)C 17 。对DEM进行了详细的描述,读者简称克利里和sawley 18 ,库德尔和施特拉克 16 ,霍格 19 和张和白化 20 。3。实验两个平行的玻璃板固定200毫米分开形成土槽。桶形固定小车这是由滚珠丝杠、步进电机驱动。的摩擦KNKS图1。DEM接触模型。218C.J.库切,d.n.j. ELS /杂志46(2009)217地面227完整的装置可以设置在一个角的水平图2a所示。第一臂进行旋转和固定这两个臂保持垂直。第二臂保持自由的在垂直方向移动。第一,国家terweights在位置添加(图2A)平衡在桶形和第二组合权重臂组件。这导致了一个“weightless“斗。然后在位置B加配重的设置“有效”桶的重量。由于ARM 2总是垂直即使钻机其他零角度,有效的斗重量总是作用垂直向下(图2C)。斗重量为49.1 N,93.2 N,138.3 N和202.1 N使用。当桶拖在方向标志复杂的,它也可以自由移动在垂直方向结果的有效桶的重量和力量作用在颗粒。桶的底部边缘总是设置为平行于拖动方向和伴侣材料的自由表面。这种类型的运动类似于一个拉铲挖土机的铲斗,拖在拖动方向一组绳,但在所有其他自由度的运动方向 2 。弹簧加载的聚四氟乙烯刮用于密封的小桶形和玻璃板之间的开口。一个力传感器的设计和建造测量阻力在斗力。一套应变计粘贴到其中钢束位置如图2a所示的。四集的应变计是用于测量力拖动方向。其他成分不测量。力传感器的标定和校准的定期检查,避免在测量漂移方法。钻机的角度不是零,力传感器为零,在拖动开始。这种补偿forthecomponentofthebucketweightthatactedinthedrag方向。桶的垂直位移测量确定一个线性可变差动变压器(LVDT)andusedasinputtothedemsimulation。inboththeexperimentsandthedemsimulationsthebucketwasgivenadrag10毫米的速度?1。在桶形尺寸在图2b所示。本研究采用玉米粒。虽然玉米谷物不实际的土壤,罗兰 2 发现种子颗粒是适合的实验测试和密切像自然土壤流入拖桶。4。数字高程模型参数和数值模型图3显示测量的晶粒尺寸范围和等效DEM晶粒。正态分布在尺寸范围被用来创建成群的粒子。团块可以形成加入两个或两个以上的颗粒(在3D的2D和球盘)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。簇不能打破在模拟无论作用于他们的力量。模型中的2000030000用成群粒子。校准过程,在另一篇文章,是开发的无粘性材料。颗粒大小,形状从物理测量和密度确定。实验室试验和压缩试验要确定材料的内耗angleandstiffness分别。这些测试都重复利用数值不同的颗粒摩擦系数的DEM模型cientsandparticle thecombinationofshear刚度值。testandcompressiontestresultscouldbeusedtodeterminea独特的颗粒摩擦颗粒刚度值,表1。一个阻力的方向方向垂直运动第二臂第一臂B力传感器100毫米200毫米150毫米最大音量35毫米45WBCOSWB配重一个BC图2。实验装置。5 98 125 64 53 62.5 - 4.51.5 - 33 5一个B图3。(一)物理晶粒尺寸和(b)DEM晶粒模型。尺寸(mm)。C.J.库切,d.n.j. ELS /杂志46(2009)217地面227219在软件PFC2D,所谓的墙,用建立结构。该试验台及桶,同尺寸与实验,建立了墙。的壁是刚性的,按照规定的翻译运动传统的旋转速度。力和弯矩墙壁上不影响墙壁的运动。在实验过程中持续不断的速度10毫米的?1应用而垂直位移测定。竖向位移的影响由两台的角度和有效的桶的重量。一个典型的iCal结果如图4所示。除了最初的过渡化,垂直速度几乎是恒定的,对于一个给定的安装程序,并在桶的重量增加。在DEM模型,牵引速度为10毫米的?1和测量的垂直位移被读取数据文件和应用于斗。标准函数建立pfc2dwere用来获取并作用于个人的墙壁的时刻的力量桶上的作为一个整体。钻机以外的角度零,钻机是保持水平但重力组成进行了相应的设置。5。结果与讨论很难使定量的比较方面ING的流动模式。当比较材料的自由表面,但是做一些比较。无花果。5和6显示材料流入桶H = 0台角度?和H = 20?,分别。当COM配对材料的自由表面的形状,仿真并能预测在一般的形状灌浆初期。模拟但未能准确地预测材料的自由表面在最后阶段的填充。曲线进行拟合实验的自由表面和覆盖在图的数值结果。5和6。马克斯两个自由表面之间的不利差异(堆高度)是沿垂直的方向测量在拖动方向。两个测量,一在数字高程模型的预测更高的堆高度,和一个测量在数字高程模型的预测下堆高度。的价值和在他们的位置的测定在数据显示。以虚粒子尺寸为10 mm,数字高程模型准确地预测堆高度在1.54.5颗粒粒径新!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显示了典型的阻力结果及模拟。在阻力大的跳跃在开始的实验中观察到的最的运行和无法解释,需要进一步的调查。从这个结果,很明显,DEM模型捕获的阻力的一般趋势,但它的前预测值与实测值。在800毫米的完整的阻力,该模型预测力这是1550 N低于测量力。在端阻力的误差为20%。摩擦力之间的聚四氟乙烯刮和玻璃板电极确定在运行无粮。这种摩擦力是子提取从测得的阻力。摩擦力谷物和侧面板之间也有对测量结果的影响。这些摩擦力不可测量的或包含在2D DEM模型和可能的原因,该模型预测的低阻力军队 6 。阻力的能量被定义为在阻力面积力位移曲线。利用不同的钻机角H和有效的桶重量WB,拖累能源e700up到700毫米的位移是在图8的比较。第一次观察,我发现增加有效桶的重量,对于一个给定的钻机角H,在所需的能量线性增加的阻力。一个近的调查显示,在桶的增加重量,斗被迫进入更深的材料这导致了较高的阻力相比,用较少的量桶。第二观察,可以是一个在钻机角增大,有阻力的能量减少。有效的桶的重量WB的行动总是垂直表1摘要玉米性能参数和DEM。宏观性能测量DEM内摩擦角23?24?休止角252?241?堆积密度778公斤米?3778公斤米?3密闭的体积弹性模量1.60 MPa1.52 MPa钢的摩擦材料14?14?校准的DEM的特性颗粒刚度,KN = KS450 kN / m 粒子密度,QP855公斤m3颗粒摩擦系数,L0.12其他性能阻尼,C0.2模型宽度0.2米0100200300400500拖动位移毫米60070020406080100垂直位移毫米120WB = 202.1 N138.3 N93.2 N49.1 N图4。与H = 10斗测量垂直位移?和四值的有效桶的重量法。220C.J.库切,d.n.j. ELS /杂志46(2009)217地面227向下(图2C),正常的力推桶的材料是由WB?COS(H)。因此,与在钻机角的增加,在正常的减少力推进料桶。这导致了在阻力减少,从而在减少把能量,相比,使用一个较低的平台的结果角。DEM模拟能够捕捉到创艾莱依的趋势,但它预测阻力的能量低于测量。这样做的原因是,预测阻力军队太低,由于摩擦的排除谷物与玻璃面板之间的力量。它会,然而,仍然可以使用的模拟结果定量充填优化。利用仿真结果可以确定有多少力被施加在每个的桶的部分。图9桶分为六部分。该图表表明,作为总阻力的比例力,对每一部分的力量。从一开始为200毫米的位移(25%的总位移MENT)总力作用主要在唇和BOT汤姆节。材料开始流入桶,其他部分发生作用,第一内曲线最后的前部。小于5%的力作用在上部。这是远小于底第(30%)。这样做的原因是,里面的物质铲斗相对斗小运动显示图5。充填结果与钻机角H0?。C.J.库切,d.n.j. ELS /杂志46(2009)217地面227221在顶部的压力是由于水桶内的材料的重量。在底部段,压力是由于组合的重量斗内料桶的重量本身。在整个灌浆过程的30%,20拖曳力的唇上。这表明,设计嘴唇和牙齿是很重要的。这是众所周知的唇的 /牙齿的长度和角度的攻击是非常重要的影响充填 2 因素。罗兰 2 利用混合物的小米,豌豆和他在2D试验台的玉米。的填充行为的观察我们的领导理论的发展,介绍了流量特性和模式的物质进入斗。罗兰 2 命名这一概念的剪切带理论。他观察到一定的剪切平面(断裂)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依赖在初始安装和在填充Pro的不同阶段过程本身。广义的原理如图10所示。的不同的流动区域,如通过罗兰兹 2 命名,是不可或缺的位于图。该材料的相对运动对斗是由箭头表示。原始材料仍是原状直到最后的第三的阻力在这bulldozing”发生。最初的层流流入桶中第一第三的阻力(图10a)。加入一定的后的距离,该层未在坎和随后成为固定的尊重的斗图6。充填结果与钻机角H20?。222C.J.库切,d.n.j. ELS /杂志46(2009)217地面227其余的阻力(图10B和C)。在陡峭的阻力角度,材料的流动更加迅速朝后因为增加的引力援助。这种效应通过对比可以看出无花果。5和6。在层流层成为固定的,一个新的区域,主动流区,发展(图10)。在这个区域,该材料主要是在垂直位移方向。积极挖掘区位于齿斗唇。这个地区发展为材料开始该INI失败后进入桶和尺寸增加TiAl层。在这个区,原始材料的失败要么流入桶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。恒载,已从“实况”材料造成的主动流动区增加,在最初的层流层。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,而材料是流动的,明确的断裂或剪切线可以观察到这里。一个在拖动角增大,积极挖掘区和活跃的流区往往加入到一个连续的带。1002003004005006007008000实验模拟250200阻力N.15010050在拖动方向毫米位移图7。典型的桶拖曳力与钻机角H10?和一个桶重量WB = 138.3。= 0= 10= 20实验模拟4040220200180160140120WB 10080605060708010012011090e700 J 图8。斗阻力能e700as斗的重量wbfor功能不同的钻机角度H.010020030040050060070080000.10.20.30.40.5位移毫米阻力比前内曲线顶部唇底外曲线唇顶部底前内曲线外曲线图9。斗阻力分布与H = 10?。积极挖掘区最初的层流层积极挖掘区最初的层流层活动流程区处女材料积极挖掘区静载荷活动流程区最初的层流层切变线切变线切变线静载荷切变线原始材料处女材料BC一个10。剪切带的理论根据罗兰兹 2 。C.J.库切,d.n.j. ELS /杂志46(2009)217地面227223应当指出的是,图10显示的三个阶段充型过程的,但在现实中有一个渐进的转变从一个阶段到下一个位置。还应注意的这是一个广义的理论会有变化结果时,不同的材料和几何斗尝试使用。在实验过程中两个明确的切变线可以观察到。一个扩展的尖端唇上的自由表面。这是名为切削线。第二行是一个最初的层流之间层与恒载,称为恒载剪切线。利用DEM和调查的流动区域进一步的,下面的程序设计。斗是通过物质的paused”之后的每一个感动100毫米。每个粒子的位移矢量进行设置为零后,斗了进一步1015毫米位移(13粒长度)。PAR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斗的绝对位移矢量的大小。颗粒,然后根据他们的个人色彩UAL PDR值。PDR等于团结意味着平价颗粒与铲斗运动。结果显示在图11。这实际上是在一个平均的速度比短周期。由剪切带理论预测的流动制度在图上显示。三图片对应图11。流动区域采用粒子桶位移比。224C.J.库切,d.n.j. ELS /杂志46(2009)217地面227对三幅图10给出。在位移100毫米,积极挖掘区清晰可见6例PDR0.65 0.40。最初的层流层移动到0.10 6例PDR0.25桶。这相当于在图10A所示的流区。500毫米后,积极的“V”形特征流区可以看到PDR0.25 0.10 6。虽然PDR是相对较低的优势,位移nantly在垂直方向。积极挖掘区仍然是目前,在桶的后面,最初的层流层开始变得相对固定的桶。这是由PDR值增加可见桶的后面。这相当于在流图10B显示区。在800毫米的死载荷的存在切变线清晰可见。当比较图10c,活动流程区和主动挖掘带不能区分静载荷。这样做的原因是,在一个桶取代800毫米,推土作用大,超过其他流动区域的阴影。吊铲抓斗的优化是非常重要力和能量要求和周期时间。在一些这将有利于填补水桶中的应用利用能量最小金额。在其他的应用问题,这将有利于填补水桶一样快尽可能减少周期时间 1 。探讨补率,从实验图像被在不同的填充材料的阶段,数字化的轮廓,和材料体积内斗和计算表示为最大铲斗容积百分比。0.0146 m3is定义在最大斗容图2b。利用DEM的结果,同样的程序然后,比较的结果。图12显示了使用三个不同的实验结果耳鼻喉科钻机角度。桶填充百分比作图在桶桶位移长度。在拉索行业,目标是让桶完全填充23桶的长度。随着钻机的增加角从0?10?,有轻微的增加,填充百分比时代的最后阶段充填。这是由于事实上,当材料受到干扰,它更加容易地流动到桶。当钻机的角度进一步增加20?有,然而,在填写百分比下降。毛皮有调查表明,钻机角的增加,桶位移到材料少。它有已经表明,垂直于材料的力表面是由WB?COS(H)。因此,与增加在钻机的角,分力迫使斗挖,减少。当这个分力减小,在斗到材料的穿透深度减少和铲斗较少的材料。什么时候斗勺较少的材料,在填充减少百分比。实验和DEM填的比较百分比是在图13概述。使用三台角H0?10?30?和两个有效的斗权重WB = 49.1 N和138.3 N,填充率在100,200,300的位移计算,400,500,600和700毫米。42个数据点的绘制而两线表明,在所有情况下,除了两个,DEM的结果均在6%的实验结果心理。在实践中,铲斗转动阻止大多数该材料脱落时斗脱离。这一原则在图14所示,在结束它的位移,桶被抬出的材料保持在钻机角。铲斗定位的影响显然,桶的材料的数量持有。再次,示出实验的自由表面轮廓基于DEM的结果与H = 0的好协议?对。H = 20?,DEM模型预测额外的材料这个桶可以由不同的解释后面在最后的填充状态,如图6的位移800毫米。0.511.522.50102030405060708090100位移桶长度桶填充%= 0= 10= 20图12。桶填充率为斗位移函数不同平台的角度。= 0,WB = 49.1 N= 10,WB = 49.1 N= 20,WB = 49.1 N= 0,WB = 138.3 N= 10,WB = 138.3 N= 20,WB = 138.3 N102030实验%405060010203040仿真%50606%6%图13。实验和DEM的填充百分比的比较。C.J.库切,d.n.j. ELS /杂志46(2009)217地面2272256。结论本文的主要目的是为了证明如何准确地离散元方法可以预测挖掘机铲斗填充过程。流动模式进料桶,阻力斗力由于材料的相互作用,能量要求和桶填充率进行比较的实验观察及测量。这项研究是有限的,共同的sionless粒状材料和二维模型。本文的结论是:1。比较材料的自由表面,DEM精度特征模型的材料流到桶中填充的初始阶段。在填充后阶段ING DEM,然而,无法准确地预测伴侣材料的自由表面。2。数字高程模型可以准确地预测在桶的总趋势拖曳力。在800 mm的DEM完整的阻力预测阻力1550 N低于测量价值观。测得的最大阻力250 N而DEM预测最大牵引力200 N.3。数字高程模型无法准确预测阻力的能量。的总的趋势是正确的,它表明,然而拖动能量呈线性增加的增加桶的重量。4。基于DEM的结果,在20%和30%之间上嘴唇总斗力的作用。与当前的这无法验证实验装置。5。DEM结果表明良好的协议与剪切能带理论。基于定性比较,DEM可以预测的初始层的位置,积极挖掘区,主动流动区和静载荷。6。DEM模型,采用不同的角度和斗钻机权重,能够预测的材料的体积内准确地6%桶。工具书类 1 esterhuyse SWP。几何上的影响拖桶灌装性能。硕士论文机械工程,大学。斯泰伦博斯,Stellenbosch,南非1997。 2 罗兰兹JC。拉铲挖土机的铲斗填充。博士论文,大学昆士兰昆士兰澳大利亚1991。 3 poschel saluena T,C,鱼和缩放属性的颗粒材料。Review E 2001:64。 4 poschel saluena T,C,鱼和缩放属性的颗粒材料。维梅尔:PA,迪伯尔斯S,埃勒斯W,赫尔曼HJ,泸定,蓝姆E,编辑。连续和不连续的模拟粘性摩擦材料。柏林:斯普林格;2001。173页84。 5 克利里PW。拖桶灌装。数学ENG IND 1998;7(1):124。 6 Hawkins J,泽波夫斯基,trampczynski W研究在挖掘过程中采用挖掘机斗模型效率。2004 J terramech;40:22133。 7 德超Z,优素福Y.动态模型的刀片切削土壤齿。J terramech 1992;29(3):31727。 8 伊巴拉SY,mckeys E,布劳顿RS模型的应力分布在粘性土的耕作产生开裂的简单实现。2005 J terramech;42:11539。 9 onwualu AP,瓦KC。草案和垂直力得到飞机动态切削土壤耕作工具。土壤水库1998到48:23953。 10 奥斯曼女士的土壤切削刀片的力学。农业工程研究1964;9(4):31328。 11 斯威克WC,perumpral合资。预测土壤工具交互模型和灰。J terramech 1998;25(1):4356。 12 Hawkins J,泽波夫斯基A.实验室优化的土壤挖掘过程。2002 J terramech;39:16179。 13 太沙基K.理论土力学。纽约威利1943。图14。在最大持水量斗取向的影响。226C.J.库切,d.n.j. 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