潘 璇 孟國營
(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)
基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的支架搬運(yùn)車動(dòng)態(tài)特性分析
潘 璇 孟國營
(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)
應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真,由于支架搬運(yùn)車在不同的路上行駛時(shí),車體相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)和內(nèi)部作用力等都與時(shí)間有關(guān),所以對(duì)支架搬運(yùn)車結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,可以較真實(shí)地反映設(shè)備實(shí)際作業(yè)工況。本文模擬了該車在平路、上坡和下坡3種工況下的運(yùn)動(dòng)情況,輸出所需參數(shù)的曲線圖。
液壓支架搬運(yùn)車 虛擬樣機(jī)技術(shù) 動(dòng)態(tài)特性
隨著礦用機(jī)械的不斷改進(jìn)與發(fā)展,現(xiàn)在國際市場(chǎng)上井下特種車輛的種類繁多,其中專門用于搬運(yùn)液壓支架的特種車輛更是層出不窮,一些公司的產(chǎn)品趨于系列化,然而這些產(chǎn)品一般都是依照國外標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的,而且價(jià)格相當(dāng)昂貴。為提高國內(nèi)井下車輛的整體水平,提高性價(jià)比,國內(nèi)許多公司都從國外引進(jìn)樣機(jī),進(jìn)行仿制,但是由于缺少必要的技術(shù)資料,所生產(chǎn)的產(chǎn)品性能差強(qiáng)人意。
同其他產(chǎn)品一樣,支架搬運(yùn)車的研發(fā)存在一個(gè)“設(shè)計(jì)—改進(jìn)—定型”的過程,面對(duì)瞬息萬變的市場(chǎng),支架搬運(yùn)車如何盡快地適應(yīng)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)?虛擬樣機(jī)技術(shù)的引入,為支架搬運(yùn)車的研發(fā)提供了一個(gè)契機(jī)。
虛擬樣機(jī)技術(shù)(Virtual Prototype Technology)是當(dāng)前設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一門新技術(shù),涉及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、計(jì)算方法與軟件工程等學(xué)科。它利用軟件建立機(jī)械系統(tǒng)的三維實(shí)體模型和力學(xué)模型,分析和評(píng)估系統(tǒng)的性能,從而為物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供參數(shù)依據(jù)。
本文的研究對(duì)象是某煤機(jī)裝備有限公司生產(chǎn)的液壓支架搬運(yùn)車,載重40 t,自重27 t。該車主要用于綜采工作面1.75 m間距搬運(yùn)液壓支架及其他煤礦重型設(shè)備。拉運(yùn)支架時(shí),用提升機(jī)構(gòu)上的起重鏈鉤住支架底座,提升油缸動(dòng)作將支架提起,即可行走。
該車車身主要由前機(jī)架、U型框架、提升機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)梁等組成,見圖1。前機(jī)架承載著動(dòng)力源;后機(jī)架設(shè)計(jì)為U型框架,承載著液壓支架的重量。前機(jī)架和U型框架通過鉸接銷軸連接,U型框架與擺動(dòng)梁也為鉸接結(jié)構(gòu)。
圖1 支架搬運(yùn)車結(jié)構(gòu)
該車外形尺寸9036mm×3500mm×1650mm;結(jié)構(gòu)類型為中央鉸接;離地間隙290mm;空載速度0~24 km/h,滿載速度0~12 km/h,總功率200 kW;中心距小于或等于1.65 m;液壓傳動(dòng)形式。
通過對(duì)三維模型的分析,可以得到各部件的質(zhì)量、慣性矩、材質(zhì)和質(zhì)心位置。支架搬運(yùn)車的整車動(dòng)態(tài)模型拓?fù)鋱D見圖2,根據(jù)仿真需要,對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副、自由度和約束的分析,忽略對(duì)仿真結(jié)果不造成影響的運(yùn)動(dòng)和約束,進(jìn)行有針對(duì)性地簡(jiǎn)化。
(1)前機(jī)架與鉸接處、鉸接處與后機(jī)架、擺動(dòng)梁與后機(jī)架、6個(gè)輪胎與構(gòu)件以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接;轉(zhuǎn)向油缸與鉸接處以球形副連接。
(2)按照不同工況在鉸接處、轉(zhuǎn)向油缸及6個(gè)輪胎處施加運(yùn)動(dòng)約束。
(3)發(fā)動(dòng)機(jī)支撐與前機(jī)架以4個(gè)軸套力連接(剛度為1.8×108N/mm);轉(zhuǎn)向油缸與前機(jī)架以軸套力連接(剛度為2.4×108N/mm);液壓支架與前機(jī)架以彈簧連接(剛度為0.7×108N/mm)。
仿真需提供輪胎的參數(shù)情況,在考慮輪胎剛度和阻尼的情況下,6個(gè)輪胎的參數(shù)規(guī)定如下。
(1)2個(gè)前胎:垂向剛度為2240 N/mm;滾動(dòng)阻力系數(shù)0.045;滑動(dòng)阻力系數(shù)0.9。
(2)4個(gè)后胎:垂向剛度為4370 N/mm;滾動(dòng)阻力系數(shù)0.045;滑動(dòng)阻力系數(shù)0.9。
圖2 支架搬運(yùn)車動(dòng)態(tài)模型拓?fù)鋱D
支架搬運(yùn)車在巷道內(nèi)工作時(shí),平路加減速、下坡制動(dòng)和上坡啟動(dòng)3種工況比較常見。特別是支架搬運(yùn)車滿載運(yùn)行時(shí),需滿足一定的安全規(guī)定,否則容易出現(xiàn)危險(xiǎn)。因此對(duì)這3種常見工況進(jìn)行仿真,盡量真實(shí)地反映車輛的實(shí)際運(yùn)行情況,并得到4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪輸出力矩隨時(shí)間變化的曲線圖,疊加后可進(jìn)一步得到總力矩隨時(shí)間的變化曲線。仿真結(jié)果可與最大啟動(dòng)力矩、最大制動(dòng)力矩相比較。
平路工況反映車輛在平路上滿載運(yùn)行的情況,分為3個(gè)階段:靜止—全速—靜止,平路工況示意圖見圖3,起步階段歷時(shí)20 s,勻速運(yùn)行10 s后制動(dòng),經(jīng)過5.7 s車輛完全靜止。通過仿真分別得到4個(gè)輪胎驅(qū)動(dòng)力的力矩圖,疊加后得到總力矩圖見圖4。由圖4可知,車輛在起步的前5 s內(nèi),力矩增長較快,5 s后力矩增長減緩,10 s時(shí)達(dá)到峰值3.36×107N·mm,勻速力矩維持在 3.15×107N·mm;車輛運(yùn)行至30 s時(shí),開始制動(dòng),制動(dòng)最大力矩為5.19×107N·mm。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,該車的最大啟動(dòng)力矩為5.3×107N·mm,仿真表明,該工況車輪力矩符合設(shè)計(jì)要求。
圖3 平路工況示意圖
下坡工況表現(xiàn)車輛在下坡行駛過程中的運(yùn)行狀況,假設(shè)有一個(gè)斜坡坡度為10°的坡,車輛從坡頂?shù)狡赂?經(jīng)歷3個(gè)階段:起步階段、勻速階段和制動(dòng)階段,其時(shí)間和距離要求見圖5,其中制動(dòng)距離為15 m,制動(dòng)時(shí)間為7.19 s。
圖4 平路總力矩圖
通過仿真得到4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪胎的制動(dòng)力矩圖,見圖6,圖6(a)為中左輪胎40 s后的制動(dòng)力矩變化曲線,圖6(b)為中右輪胎圖,圖6(c)、圖6(d)右兩圖分別為后左、后右輪胎。由圖6可知,車輛在46 s左右各輪制動(dòng)力矩達(dá)到峰值,最大制動(dòng)力矩分別為2.14×107N·mm、2.10×107N·mm、2.0×107N·mm、2.06×107N·mm,均小于設(shè)計(jì)所需最大制動(dòng)力矩4×107N·mm,符合設(shè)計(jì)要求。
圖5 下坡工況示意圖
上坡工況表現(xiàn)車輛上坡過程的運(yùn)行狀況,共分為5個(gè)階段:起步階段、勻速階段、制動(dòng)階段、靜止階段和坡上起步階段,其時(shí)間和距離要求見圖7。斜坡坡度同樣規(guī)定為10°。該工況相對(duì)復(fù)雜,為研究仿真車輛坡起能力,在坡路上制動(dòng)靜止后,仿真一個(gè)坡上起步,觀察其各階段的車輪扭矩變化。
圖6 下坡時(shí)各驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)力矩圖
仿真得到4個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪的扭矩,疊加后得到總啟動(dòng)力矩,見圖8,圖8反映出車輛在70~75 s過程中坡上起步的力矩變化情況,坡起時(shí)力矩變化相對(duì)比較平穩(wěn),啟動(dòng)力矩為1.14×107N·mm,小于設(shè)計(jì)規(guī)定的最大啟動(dòng)力矩5.3×107N·mm,符合設(shè)計(jì)要求。
虛擬樣機(jī)技術(shù)為制造技術(shù)的革新提供了新的設(shè)計(jì)方法,并已在制造業(yè)中發(fā)揮了不可忽視的作用,虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)使其日益受到機(jī)械領(lǐng)域的重視。井下車輛存在著開發(fā)周期長、制造成本高等特點(diǎn),虛擬樣機(jī)技術(shù)的引入減少了進(jìn)行物理樣機(jī)試驗(yàn)的次數(shù),降低了成本,大大提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率。
[1]王國強(qiáng)等.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2002
[2]李丹,李印川.虛擬樣機(jī)技術(shù)在制造業(yè)中應(yīng)用及研究現(xiàn)狀[J].機(jī)械,2008(6)
(責(zé)任編輯 張艷華)
Analysis of dynamic characteristics of roof support hauler using virtual prototyping technology
Pan Xuan,Meng Guoying
(School of Mechanical Electronic and Information Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Haidian,Beijing 100083,China)
The dynamic characteristics of roof support hauler are simulated using virtual prototyping technology.When operating on different terrain,the corresponding movement of the hauler body and its internal acting force are related to time,therefore,a dynamic analysis of the hauler structure is made,which can represent the actual condition of the hauler in operation.The paper simulates the condition of the hauler when operating on flat terrain and uphill and downhill,and generates curve charts for necessary parameters.
hydraulic roof support hauler,virtual prototyping technology,dynamic characteristic
TD5
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潘璇(1986-),女,內(nèi)蒙赤峰人,中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院碩士研究生,主要研究方向:計(jì)算機(jī)輔助車輛設(shè)計(jì)。