EDEM在矿山机械领域的应用

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1、 基于基于 EDEM 的颗粒力学的颗粒力学模拟方案模拟方案 北京海基科技发展有限责任公司 2010 年 4 月 5 日 1 目目 录录 一、EDEM 软件的用途 . 2 1.1 模拟掘进机械的开采过程及输运 . 2 1.2 模拟皮带运输机的运输效率 . 3 1.3 模拟洗选设备和洗选工艺 . 3 1.4 模拟筛分设备和筛分工艺 . 4 1.5 模拟挖掘机、装载机的装载效率 . 4 二、购置软件的必要性 . 6 2.1 研制任务及其难点. 6 2.2 EDEM 在国内外的应用情况 . 6 2.3 矿山机械领域的现有模拟能力 . 7 2.4 矿山机械领域用户引进 EDEM 软件的必要性 . 7 三

2、、EDEM 的技术规格 . 8 3.1 离散元方法简介 . 8 3.2 EDEM 软件介绍 . 8 3.3 EDEM 软件应用工程实例 . 10 附件 1 EDEM 软件在国内的典型用户及其应用 . 17 附件 2 海基科技简介 . 18 2 一、一、EDEMEDEM 软件的用途软件的用途 EDEM 是英国 DEM Solutions 公司开发的一款基于先进离散元方法的颗粒力学模拟软件，特别适用于分析颗粒状物料的加工、处理过程。如：颗粒物料的输运效率、对机械的冲击及磨损情况等，从而帮助工程师对机械设备及工艺过程进行优化设计。 对于专门处理散体物料的机械设备（典型的如：矿山机械、冶金机械等） ，

3、颗粒行为对设备运行的安全性、可靠性和效率有着重要影响。EDEM 可以预测流体与固体颗粒耦合换热、筛分效率、破碎效率，以及颗粒对机械设备的冲击和磨损。 1.11.1 模拟模拟掘进机械的开采过程及输运掘进机械的开采过程及输运 利用 EDEM 可以模拟掘进机械的开采过程以及输运情况，这对于优化牙轮钻头和采煤切割刀具的设计是非常重要的，EDEM 可以帮助我们获得： 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：切割头转速，行走速度等； 3） 刀具在切割或掘进时的受力过程，优化刀具的设计参数，如布刀方式，刀间距等； 4） 与掘进机配套的输运设备的工作情况； 5） 矿石下落

4、对设备的冲击和磨损； （a） （b） 图 1.1 某型掘进机（a）和装煤机（b） 3 图 1.2 钻头开采过程模拟 图 1.3 装煤机工作过程模拟 1.21.2 模拟皮带运输机的运输效率模拟皮带运输机的运输效率 皮带运输机是在矿山广泛应用的近距离运输设备，EDEM 可以帮助我们设计皮带运输机及其工作过程。 EDEM 可以帮助我们获得： 1） 在不同粒径分布下皮带运输机的运输效率及抛洒情况； 2） 优化皮带带宽、进料速度、进料口倾角等涉及参数； 3） 优化皮带速度等运行参数对运输效率的影响； 4） 皮带运输机的受力情况； 图 1.4 输运设备的工作过程模拟 1.31.3 模拟洗选设备和洗选工艺模

5、拟洗选设备和洗选工艺 准确的预测颗粒行为对于洗选设备和洗选工艺的设计非常重要，通过模拟可以得到： 1） 现有设备在工作过程中存在的缺陷； 4 2） 优化洗选设备的形状和尺寸； 3） 优化洗选设备的操作条件； 4） 与有限元分析软件结合，确定设备的强度等； 1.41.4 模拟筛分设备和筛分模拟筛分设备和筛分工艺工艺 EDEM 可以帮助评估筛分的工艺参数和振动筛几何尺寸对筛分效率的影响，通过模拟可以得到： 1） 不同粒径分布下振动筛的筛分效率； 2） 振动筛几何尺寸和孔眼大小对筛分效率的影响； 3） 激振频率和振幅对筛分效率的影响； 4） 颗粒对筛网和机器内表面的冲刷力； 1.51.5 模拟模拟挖

6、掘机、挖掘机、装载机的装载效率装载机的装载效率 EDEM 可以用来进行挖掘机铲斗、 装载机车斗的设计， 它可以帮助我们获得： 1） 在给定颗粒粒度条件铲斗和车斗的装载效率； 2） 铲斗（车斗）形状、尺寸对装载效率的影响； 3） 运输和铲装时的抛洒情况； 4） 铲斗（车斗）的受力过程，可以成为铲斗寿命设计的依据； 5） 由于铲斗是直接承载部件，可以根据铲斗受力换算出其它部件的受力，为车体和车架的强度计算提供依据。 5 图 5 各种挖掘机械模拟 6 二、二、购置软件的必要性购置软件的必要性 2.12.1 研制任务及其难点研制任务及其难点 目前矿山机械领域设计和研究的绝大多数产品都与颗粒有关，长期以

7、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，它的困难在于： 1） 经验设计的优点是简单易行，但无法揭示造成现有设计缺陷的根源。如现有采掘机的效率较低，不清楚造成低效率的机理和原因，改进设计具有一定的盲目性。 2） 对于像连续采煤机这样的全新设备无经验可循，使设计的风险增大。 3） 传统设计依赖于试验验证，因而使产品开发周期增长，开发成本增加。 因此，颗粒行为预测在矿山机械领域具有广泛的应用前景，在第一章中仅仅列出了这些应用的一部分， EDEM可以预测所有的与颗粒相关的设备及工艺过程，还可以与其它 CAE 软件（如：结构分析软件，多体动力学分析软件）联合模拟更为复杂的问题。

8、2.22.2 EDEMEDEM 在国内外的应用情况在国内外的应用情况 离散元模拟是九十年代开始兴起模拟方法，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准确的预测颗粒行为，包括了颗粒大小及颗粒形状的影响。 EDEM 软件一经推出，就得到市场的认可，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，例如罗尔-罗伊斯公司利用 EDEM 模拟颗粒对发动机叶片的影响，NASA 利用 EDEM 模拟月球车着陆过程的受力状态。除此之外，EDEM 被广泛用来预测制药、矿物处理、工程机械、 石油化工等各个领域涉及的颗粒问题。 在

9、国外大约有 600 多家用户利7 用 EDEM 模拟各种颗粒问题。 在国内已有超过 80 多家用户选用 EDEM 模拟颗粒问题，例如昆明茨坝矿山机械有限公司利用 EDEM 模拟矿石的装载和运输，天津水泥工业研究院利用EDEM 模拟流体与固体颗粒，中国空间技术研究院利用 EDEM 模拟月球车的受力过程。 2.32.3 矿山机械领域矿山机械领域的现有模拟能力的现有模拟能力 国内目前在对颗粒力学模拟方面还处于起步阶段， 对掘进机等产品性能设计仍主要依赖理论分析和物理试验来进行， 颗粒物料分析已经成为矿山机械整体性能仿真唯一的盲点。 因此迫切需要离散元模拟工具来模拟矿山机械等设计过程中的颗粒问题。 2

10、.42.4 矿山机械领域用户矿山机械领域用户引进引进 EDEMEDEM 软件的必要性软件的必要性 2.4.12.4.1 引进引进 EDEMEDEM 软件是软件是科研与科研与设设计部门的迫切需求计部门的迫切需求 EDEM 可以用来模拟掘进设备，输运设备和中的颗粒问题，既可以模拟设备的工作效率，同时也可以获得设备的受力情况。如果没有模拟工具，这些问题只有通过实验获得，导致设计周期加长，成本上升。 2.4.22.4.2 EDEMEDEM 在国内外已经有许多在国内外已经有许多现实的工程应用现实的工程应用 北京矿冶研究总院利用 EDEM 模拟矿山皮带运输机的运输效率， 昆明茨坝矿山机械有限公司利用 ED

11、EM 模拟矿山机械的工作效率， 中冶赛迪工程技术股份有限公司利用 EDEM 模拟钢渣及流化床问题， 国家电力设计研究院模拟流体与固体颗粒的耦合， 中国北方车辆研究所利用 EDEM 模拟沙粒对增压器叶片的作用力及磨损，北方发动机研究中心利用 EDEM 模拟发动机进气口的过滤效率，NASA 利用 EDEM 模拟月球车着陆的阻力特性。 这些客户的成功应用表明 EDEM 已经成为可以用来模拟工业级颗粒问题的软件。 8 三、三、EDEMEDEM 的技术规格的技术规格 3.1 3.1 离散元方法离散元方法简介简介 传统的力学研究都是建立在连续性介质假设的基础上的，即认为研究对象是由相互连接没有间隙的大量微团构成。 然而， 这种假设在有些领域并不适用， 如：岩土力学。1971 年，CUNDALL 提出的一种处理非连续介质问题的数值模拟方法，离散元方法（Discrete Element Method,简称 DEM） ，理论基础是结合不同本构关系（应力-应变关系）的牛顿第二定律。随后，这种方法被越来越广泛的应用于涉及颗粒系统地各个领域。通过求解系统中每个颗粒的受力（碰撞力及场力） ，不断地更新位置和速度信息，从而描述整个颗粒系统。 3.3.2 2 EDEMEDEM 软件介绍软件介绍 EDEM 是世界上第一个基于最先进的离散元方法（DEMDiscret