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基于PROE行為建模的掘進(jìn)鉆車機(jī)罩優(yōu)化設(shè)計(jì)

2020-07-03 08:47:56焦中興賈體鋒趙建東陳保磊
鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具 2020年2期
關(guān)鍵詞:氣彈簧鉆車側(cè)門

焦中興,賈體鋒,趙建東,陳保磊

(徐州徐工鐵路裝備有限公司,江蘇 徐州221001)

1 概述

液壓掘進(jìn)鉆車是地下礦山掘進(jìn)常用設(shè)備,近年來(lái),施工機(jī)械化程度提升,掘進(jìn)鉆車應(yīng)用越來(lái)越廣泛。早期鉆車設(shè)計(jì)對(duì)外觀不夠重視,主機(jī)部分通常僅設(shè)計(jì)一個(gè)頂罩,用于動(dòng)力系統(tǒng)等部件的防護(hù)。隨著行業(yè)不斷發(fā)展進(jìn)步,越來(lái)越多的鉆車采用全封閉式機(jī)罩設(shè)計(jì),不僅提升設(shè)備的美觀度,也可改善主機(jī)部分的熱循環(huán),增強(qiáng)設(shè)備的動(dòng)力性能。

2 存在的問(wèn)題

掘進(jìn)鉆車在礦山巷道內(nèi)使用,為了具有足夠的防護(hù)性能,機(jī)罩門多采用3 mm及以上的鈑金件制作,重量較大,單純依靠人力開(kāi)啟較為費(fèi)力,因此經(jīng)常設(shè)計(jì)氣彈簧用于側(cè)門的開(kāi)啟;同時(shí),可使用氣彈簧反向支撐,以保持側(cè)門的關(guān)閉狀態(tài),省去門鎖設(shè)計(jì),方便維護(hù)。氣彈簧設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下使用性能:

(1)關(guān)閉力小于100 N,可較為省力地關(guān)閉機(jī)罩門,同時(shí)有效支撐機(jī)罩門,保持開(kāi)啟狀態(tài),防止其自行關(guān)閉傷害到維修保養(yǎng)人員。

(2)使用氣彈簧保持關(guān)閉的側(cè)門,在經(jīng)過(guò)氣彈簧死點(diǎn)前轉(zhuǎn)過(guò)的角度不宜小于5°,否則因車輛振動(dòng)、側(cè)坡行駛等因素,易導(dǎo)致側(cè)門自行開(kāi)啟。

機(jī)罩門開(kāi)啟關(guān)閉速度相對(duì)較慢,可忽略慣性力的影響。設(shè)計(jì)時(shí)僅需校核開(kāi)啟力、機(jī)罩門重力、氣彈簧支撐力三者之間的力平衡即可。然而受空間布局、氣彈簧行程、安裝距等諸多條件限制,達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)效果需要反復(fù)變更氣彈簧鉸點(diǎn)位置,重復(fù)進(jìn)行計(jì)算,導(dǎo)致工作量較大,影響設(shè)計(jì)效率。

3 掘進(jìn)鉆車機(jī)罩結(jié)構(gòu)

典型的液壓掘進(jìn)鉆車機(jī)罩結(jié)構(gòu)如圖1所示,頂板固定不動(dòng),左右兩側(cè)均為開(kāi)門,以方便維護(hù)內(nèi)部元件。O點(diǎn)為左側(cè)門開(kāi)啟鉸點(diǎn),左側(cè)門初始處于圖示位置,開(kāi)啟后繞O點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。B點(diǎn)為氣彈簧固定鉸點(diǎn),在機(jī)罩頂板上焊接的耳板上,位置相對(duì)保持不變。A點(diǎn)為氣彈簧活動(dòng)鉸點(diǎn),是左側(cè)門上的鉸點(diǎn),開(kāi)啟時(shí)隨側(cè)門一起旋轉(zhuǎn)。C點(diǎn)為開(kāi)門、關(guān)門時(shí)的手持位置,計(jì)算時(shí)可認(rèn)為:開(kāi)啟力與門板始終垂直。

4 機(jī)構(gòu)仿真分析

PROE軟件的機(jī)構(gòu)仿真可進(jìn)行位置、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等多方面的分析,并且在分析過(guò)程中,可對(duì)模型中創(chuàng)建的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。為方便后期進(jìn)行優(yōu)化分析,本次仿真進(jìn)行參數(shù)化運(yùn)算,并使用機(jī)構(gòu)仿真中的位置分析,對(duì)側(cè)門開(kāi)啟全過(guò)程進(jìn)行運(yùn)算,仿真步驟如下。

圖1 掘進(jìn)鉆車機(jī)罩結(jié)構(gòu)組成

(1)使用機(jī)構(gòu)連接進(jìn)行裝配。在O、A、B處創(chuàng)建銷釘連接,氣彈簧本身的缸桿與缸筒采用滑動(dòng)桿連接。

(2)創(chuàng)建分析用參數(shù)。

創(chuàng)建距離測(cè)量參數(shù)如下:

PDG:門重心到O點(diǎn)的水平投影距離,即重力力臂;

DF:氣彈簧支撐力力臂;

創(chuàng)建角度測(cè)量參數(shù)如下:

AN:門開(kāi)啟的實(shí)時(shí)角度;

AN1:過(guò)氣彈簧死點(diǎn)前需旋轉(zhuǎn)的角度;

創(chuàng)建常態(tài)參數(shù)如下:

M:左側(cè)門重量,取35.94 kg;

g:重力減速度,取10 m/s2;

F:氣彈簧支撐力,取1300 N;

DK:開(kāi)啟力的力臂,取560 mm;

創(chuàng)建關(guān)系參數(shù),用于開(kāi)啟力KA計(jì)算,其定義如下:

If AN:FID_AN<AN1:FID_AN1

KA=(M*g*PDG:FID_DG+F*DF:FID_DF)/DK

Else

KA=(M*g*PDG:FID_DG-F*DF:FID_DF)/DK

End if

即在過(guò)死點(diǎn)前,開(kāi)啟力矩等于重力力矩與氣彈簧力矩之和;過(guò)死點(diǎn)后,開(kāi)啟力矩等于重力力矩與氣彈簧力矩之差。

(3)機(jī)構(gòu)仿真

將PROE切換至功能模塊,在O點(diǎn)創(chuàng)建伺服電機(jī),設(shè)定轉(zhuǎn)速為9°/s,創(chuàng)建位置分析,時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為10 s,使左側(cè)門轉(zhuǎn)過(guò)90度,然后運(yùn)行分析即可。

(4)結(jié)果分析

分析結(jié)果如圖2所示,開(kāi)啟力滿足<100 N,滿足設(shè)計(jì)要求;關(guān)閉力>100 N,過(guò)死點(diǎn)前旋轉(zhuǎn)角度3.6°<5°,不能滿足設(shè)計(jì)要求。因此,需要對(duì)氣彈簧鉸點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整。

5 運(yùn)動(dòng)骨架優(yōu)化分析

圖2 開(kāi)啟力、氣彈簧力臂仿真分析結(jié)果

PROE軟件中,在單一的零件或組件中參數(shù)傳遞較為便捷,而跨部件傳遞參數(shù)較為困難。在圖1所示組件中調(diào)整A、B鉸點(diǎn)位置涉及到多個(gè)零件尺寸的調(diào)整,因此不適合用于分析優(yōu)化。在此,可創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)骨架模型進(jìn)行優(yōu)化分析。所創(chuàng)建的骨架模型如圖3所示,其中Ⅰ為頂板上的輔助線,用于創(chuàng)建參數(shù)AN1。

按照機(jī)構(gòu)仿真分析類似的方法創(chuàng)建參數(shù)和位置分析,在進(jìn)行優(yōu)化分析之前,需創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)分析參數(shù),用于對(duì)優(yōu)化條件的限制。在運(yùn)動(dòng)分析特征中創(chuàng)建如下參數(shù):

圖3 運(yùn)動(dòng)骨架模型

MIN_FK:關(guān)閉力最大值;

MAX_FK:開(kāi)啟力最大值;

MAX_LQ:氣彈簧最大安裝距;

MIN_LQ:氣彈簧最小安裝距;

調(diào)用PROE行為建模中的的優(yōu)化/可行性分析功能,創(chuàng)建優(yōu)化分析流程,目標(biāo)為使AN1最大化,即過(guò)死點(diǎn)前旋轉(zhuǎn)角度最大化;設(shè)計(jì)約束條件為開(kāi)啟力和關(guān)閉力均小于100 N,氣彈簧最小安裝距大于270 mm,最小安裝距小于450 mm,便于氣彈簧的加工制造;設(shè)計(jì)變量為活動(dòng)鉸點(diǎn)和固定鉸點(diǎn)的尺寸值,根據(jù)內(nèi)部其它元件布置,選擇合理的最小、最大限制;最終,創(chuàng)建的優(yōu)化分析如圖4所示。

運(yùn)行優(yōu)化分析,得到結(jié)果如圖5所示,可見(jiàn)經(jīng)過(guò)8次迭代,AN1值優(yōu)化至6.4°,滿足設(shè)計(jì)要求。接受目前的分析結(jié)果,對(duì)尺寸值進(jìn)行圓整,使其符合設(shè)計(jì)習(xí)慣。然后可按第4節(jié)仿真分析的方法,對(duì)結(jié)果進(jìn)行最終的校核。

圖4 過(guò)死點(diǎn)前旋轉(zhuǎn)角度優(yōu)化分析

6 結(jié)論

(1)使用機(jī)構(gòu)仿真和運(yùn)動(dòng)骨架優(yōu)化分析的方法,對(duì)掘進(jìn)鉆車機(jī)罩側(cè)門進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),使得機(jī)罩滿足使用要求;

圖5 優(yōu)化分析迭代過(guò)程

(2)提供了一種機(jī)構(gòu)仿真的計(jì)算方法,可用于PROE模型中側(cè)門開(kāi)啟和關(guān)閉力的全過(guò)程計(jì)算;

(3)給出了使用運(yùn)動(dòng)骨架模型和PROE行為建模進(jìn)行氣彈簧鉸點(diǎn)優(yōu)化分析的方法,免去了因尺寸調(diào)整帶來(lái)的重復(fù)計(jì)算工作量,可快速得到滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)果。

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