Numerical model and experimental characterization of a surface miner during rock excavation

The rock excavation field includes a wide range of technologies constantly evolving to improve excavating machines performance. A deeper knowledge of the digging process, and of its influence on these machines, is essential to ensure an efficient development of rock digging equipment. This Thesis aim is then to develop a numerical model of a surface miner during rock excavation, and to validate it through an experimental campaign. The work is organized in 5 chapters, explaining the procedure followed for the model formulation, the experimental campaign description and the model validation, on the basis of the experimental data. The literature review, in the first chapter, presents the main parameters affecting the cutting process and how uncertainties and discontinuities of rocks hinder the accuracy of excavating force models. A selection of cutting force models are compared on the basis of their domain of validity and similarities with the case of study. The kinematic of the cutting process is then formulated to compute a theoretical force model, derived from the literature research; a model improvement is achieved introducing the whole machine dynamics through a flexible multibody model. The model validation is finally performed by comparing the simulation results with the experimental campaign data. The surface miner is tested in the field in different working conditions, to obtain a relationship between the process behaviour and its principal parameters. Numerical and experimental results are compared to validate the model. The simulated results and the experimental data show a good degree of similarity, especially considering the high level of uncertainty due to rock properties and process parameters.

Il settore dell'estrazione mineraria comprende una grande varietà di tecnologie in costante evoluzione, finalizzata a incrementare le prestazioni dei macchinari. Una conoscenza approfondita del processo di scavo, e della sua influenza su questi macchinari, è essenziale per garantire un efficacie sviluppo delle apparecchiature minerarie. L'obiettivo di questa Tesi è quindi quello di sviluppare un modello numerico di un macchinario per sbancamento, utilizzato per scavi in miniere di superficie e cave, durante le operazioni di scavo, e di validarlo attraverso una campagna sperimentale. Il lavoro è organizzato in 5 capitoli che espongono la procedura seguita per lo sviluppo del modello, la descrizione della campagna sperimentale e la validazione del modello sulla base dei dati sperimentali. L'analisi sulla letteratura, nel primo capitolo, illustra i principali parametri che influenzano il processo di scavo e come le incertezze e discontinuità della roccia siano di impedimento ad una buona precisione per i modelli della forza di scavo. Una selezione di modelli è confrontata sulla base dei loro campi di validità e somiglianze con il soggetto di studio. In seguito, un modello teorico di forza, derivato dalla ricerca in letteratura, è stato formulato attraverso lo studio della cinematica del processo di scavo; un miglioramento del modello è stato raggiunto introducendo il comportamento dinamico dell'intero macchinario attraverso un modello multibody a corpi flessibili. Infine, la validazione del modello è eseguita confrontando i risultati delle simulazioni numeriche con i dati sperimentali. Il macchinario è stato testato sul campo in differenti condizioni per ottenere una relazione tra il fenomeno di scavo e i suoi parametri principali. I risultati numerici e sperimentali sono confrontati per la validazione del modello, i dati delle simulazioni e quelli sperimentali mostrano un buon livello di somiglianza, specialmente considerando il gran numero di incertezze dovute alle proprietà della roccia e dei parametri di processo.