EDEM在采掘机械中的应用

基于EDEM的掘进机采掘过程应用
摘要：阐述了目前矿山机械领域涉及与研究存在的困难，介绍了EDEM软件的原理和应用，针对某公司某种掘进机截割头的频繁更换的情况，运用EDEM软件对采掘过程进行模拟仿真，为更加合理的设计截割头的尺寸和形状提供了一定的参考价值。

1 矿山机械领域研究的难题
目前矿山机械领域设计与研究的绝大多数的产品都与颗粒有关，长期以来，对于设计和科研中遇到的颗粒问题主要依赖于样机试验及经验设计，其困难在于：
1）经验设计虽然简单易行，设计周期短，但是无法揭示现有设计缺陷的根源，难以进行优化设计。

如现有采掘机的采掘效率较低，不清楚造成低效率的原因和机理，改进设计具有很大的盲目性。

2）对于像连续采煤机这样的全新的设备的设计没有经验可寻，设计存在很大的风险，尤其对于矿山机械，安全风险增大是非常危险的。

3）传统的设计和科研的验证一般都是通过样机试验，其产品开发周期增长，开发成本增加，且一旦出现问题，其优化改进将变得非常困难。

因此，为了提高设备的可靠性，降低开发成本，缩短开发周期，颗粒行为预测在矿山机械领域具有广泛的应用前景。

而EDEM软件可以预测所有的与颗粒相关的设备和工艺过程，还可以与诸多其他的CAE软件联合模拟更为复杂的的问题，比如结构分析软件，多体动力学分析软件。

2 EDEM软件的介绍
2.1 EDEM软件的详解
EDEH是世界上第一款基于离散元技术的通用CAE软件，通过模拟散状物料加工处理过程中颗粒体系的行为特征，协助设计人员对各类散料处理设备进行设计、测试和优化。

它包含有以下几个模块。

1）前处理模块Creator
我们可以在前处理模块中定义颗粒模型，包括颗粒的形状和物理性质，如密度、泊松比及剪切模量等，其次，可以利用Creator建立机械模型，定义机械的动力学性质。

同时EDEM支持各种CAD文件的导入（如图2所示），如CATIA、Pro/ENGINEER及SolidWorks等。

2）求解器Simulator
通过Simulator，我们可以定义颗粒以及机械相互作用的各种参数，如摩擦系数、恢复系数等。

该模块还包含了众多的接触力学模型，如用于计算颗粒接触时的基础作用力的Hertz - Mindlin模型、描述颗粒结块、粘接的Cohesion物理模型等。

通过EDEM API，我们还可以任意添加和修改所需的接触力力学模型和力场。

3）后处理模块Analyst
通过Analyst，我们可以很方便地对Simulator获得的结果进行处理，输出任何所需的数据：与机器表面相互作用的颗粒几何的内部行为、颗粒系统组分间碰撞的强度、频率分布、每个颗粒的速度、位置以及受力等。

我们可以确定颗粒系统的行为从而修改模型，以便朝我们所希望的方向进行迭代。

2.2 EDEM软件的原理
EDEM是一款以离散单元法为理论基础，用现代化离散元模型科技设计的用
来模拟和分析颗粒处理和生产操作的通用CAE软件。

离散单元法一般认为是Cundall于1971年提出来的，它是一种显示求解的数值方法。

该方法与在时域中进行的其他显示计算相似，例如与解抛物线型偏微分方程的显示差分格式相似。

离散单元法也像有限单元法那样，将区域划分成单元。

但是单元因受节理等不连续面控制，在以后的运动过程中，单元节点可以分离，即一个单元与其邻近单元可以接触，也可以分开。

EDEM可以快速、简便的为我们的颗粒固体系统建立一个参数化的模型，可以通过导入真实颗粒的CAD模型来准确描述它们的形状，通过添加力学性质、物料性质和其它物理性质来建立颗粒模型，并且在处理过程中，可以把产生的数据储存在相应的数据库中。

EDEM仿真可以获得许多颇具价值的新数据，包括：1）颗粒疏松材料与机器表面相互作用的内部行为；
2）系统元素之间相互碰撞的级别、频率和分布；
3）每个颗粒的速度和位置；
4）与散货中颗粒冲击、磨损、凝聚和分离相关的能量；
5）金属微粒结构的应力链和结构完整性。

2.3 EDEM软件的应用
离散元模拟是九十年代开始兴起的模拟方法，并出现了以EDEM为代表的离散元分析软件，它比以往的工具能够更为准确的预测颗粒行为，包括颗粒大小和颗粒形状的影响。

EDEM软件一经推出，就得到了市场的认可，南非著名钻石公司De beers利用EDEM模拟钻石矿的开采，卡特皮勒公司利用EDEM模拟工程机械，罗尔罗伊斯公司用其模拟颗粒对发动机叶片的影响，而NASA则利用其模拟月球车着陆时的受力状态。

除此之外，EDEM被广泛运用于预测制药、矿物处理、石油化工、煤炭运输、矿山机械设计、炼钢制造、冶金制造、燃烧技术、岩土工程等诸多行业中的颗粒问题。

3 EDEM在采掘机械中的应用
掘进机是用于开凿平直地下巷道的机器。

掘进机分为开敞式掘进机和护盾式掘进机。

图1为某种掘进机的外形图，主要由行走机构、工作机构、装运机构和转载机构组成。

随着行走机构向前推进，工作机构中的截割头不断破碎岩石，并将碎岩运走，图2为截割齿轮廓图。

掘进机成巷安全、高效和成巷质量好，但造价大，构造复杂，损耗也较大。

图1 掘进机外形图图2 截割齿的轮廓图针对某公司某种掘进机截割头的频繁更换的情况，建议使用EDEM软件对掘进过程以及运输情况进行模拟仿真，从而得出在不同矿石下的掘进效率、截割
头的转速以及行走机构的行走速度等等，这对于优化牙轮钻头和采煤截割刀具的设计是非常重要的，为更加合理的设计掘进机械具有重要的现实意义。

通过EDEM模拟仿真，具体可以获得以下相关的参数：
1）在不同矿石、煤层条件下的开采效率；
2）确定掘进机械的工作条件，如：截割头转速、行走速度等等；
3）刀具在切割或者掘进时的受力情况，优化刀具的设计参数，如布刀方式、刀间距等；
4）与掘进机配套工作的输送设备的工作情况；
5）矿石下落时对设备的冲击与磨损。

4总结
EDEM软件作为一款强大的颗粒行为预测软件，其突出的优势正好可以弥补目前采掘机械的设计缺陷。

利用EDEM软件对采掘过程进行模拟仿真，为更加合理的设计采掘机尺寸和形状以及运行参数提供了一定的实际参考价值。