晉紀(jì)巖

冀中能源峰峰集團(tuán)新屯礦 河北邯鄲 056201

峰 峰集團(tuán)新屯礦于 1958 年 6 月建井，采用多水 平開拓方式。隨著礦井采掘深度的增加及范圍的擴(kuò)大，巷道出現(xiàn)了架空乘人裝置 (也稱猴車) 水平轉(zhuǎn)彎的情況。針對(duì)機(jī)道小轉(zhuǎn)彎的實(shí)際問題，該礦首先選用行星輪式轉(zhuǎn)彎裝置，但在使用過程中，發(fā)現(xiàn)座椅通過時(shí)存在沖擊力大、運(yùn)行不平穩(wěn)等安全隱患。為此，該礦改用雙托雙壓輪組轉(zhuǎn)彎裝置，以消除轉(zhuǎn)彎安全隱患[1]。2010 年，劉海平教授研究了一種固定抱索器架空乘人裝置行星輪系水平轉(zhuǎn)彎新技術(shù)[2]。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，但運(yùn)行時(shí)抱索器與行星輪系之間沖擊力大、運(yùn)行不平穩(wěn)。因此新屯礦技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目組采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析、設(shè)計(jì)及仿真等手段，對(duì)小角度轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究。針對(duì)第 4 部猴車所在巷道轉(zhuǎn)彎情況，設(shè)計(jì)了雙托雙壓輪組式小角度轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。

1 2 種小角度轉(zhuǎn)彎裝置的結(jié)構(gòu)

1.1 行星輪式轉(zhuǎn)彎裝置

該轉(zhuǎn)彎裝置主要由行星轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)盤定位器和固定抱索器等組成，如圖 1 所示。其中，行星轉(zhuǎn)盤又由 6 個(gè)小滾輪、行星支架、中心軸及定位盤等組成。滾輪在行星轉(zhuǎn)盤末端，由聚乙烯材料制成。固定抱索器將座椅固定在鋼絲繩上，通過小滾輪的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤與固定抱索器的接觸，乘員不用下車即能通過巷道轉(zhuǎn)彎處。

圖1 行星輪式轉(zhuǎn)彎裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of planetary wheel typed turning device

行星輪式轉(zhuǎn)彎裝置的工作原理：固定抱索器未到達(dá)水平轉(zhuǎn)彎裝置前，在彈簧的作用下，定位器頂住定位孔，此時(shí)大行星轉(zhuǎn)盤不轉(zhuǎn)動(dòng)，而其上的小滾輪在鋼絲繩的帶動(dòng)下隨鋼絲繩的移動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。固定抱索器隨著鋼絲繩向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)固定抱索器通過水平轉(zhuǎn)彎裝置時(shí)，轉(zhuǎn)彎裝置受到固定抱索器的推力，當(dāng)推力大于定位器預(yù)先設(shè)定的彈簧推力時(shí)，大行星轉(zhuǎn)盤開始轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，固定抱索器隨著鋼絲繩一起順利通過。抱索器通過后，轉(zhuǎn)盤在慣性作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到轉(zhuǎn)到 60°，到達(dá)下一個(gè)定位孔，定位器在彈簧的作用下頂住定位孔，此時(shí)大轉(zhuǎn)盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，小滾輪在鋼絲繩的帶動(dòng)下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)水平轉(zhuǎn)彎[2]。

該轉(zhuǎn)彎裝置的特點(diǎn)：當(dāng)固定抱索器未經(jīng)過水平轉(zhuǎn)彎裝置時(shí)，行星轉(zhuǎn)盤在轉(zhuǎn)盤定位器的作用下不動(dòng)，穩(wěn)住轉(zhuǎn)盤，以免行星轉(zhuǎn)盤在慣性作用下旋轉(zhuǎn)，干擾鋼絲繩的運(yùn)行；轉(zhuǎn)盤上的小滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與鋼絲繩之間是滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小，各零部件磨損?。划?dāng)固定抱索器通過水平轉(zhuǎn)彎裝置時(shí)，行星轉(zhuǎn)盤開始轉(zhuǎn)動(dòng)，讓開抱索器及吊椅的位置，實(shí)現(xiàn)水平轉(zhuǎn)彎。

1.2 雙托雙壓式轉(zhuǎn)彎裝置

雙托雙壓輪組轉(zhuǎn)彎裝置由固定梁、固定壓輪、活動(dòng)托輪和活動(dòng)鉸鏈裝置等構(gòu)成，主要是解決較小角度巷道內(nèi)鋼絲繩轉(zhuǎn)彎問題，其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。當(dāng)鋼絲繩通過固定轉(zhuǎn)輪后，通過第 1 個(gè)活動(dòng)托輪時(shí)，前面的活動(dòng)托輪自然向下，后面的活動(dòng)托輪向上，鋼絲繩順利通過。通過第 2 個(gè)活動(dòng)托輪時(shí)，由于活動(dòng)鉸接裝置作用，第 1 個(gè)活動(dòng)托輪向上夾繩，第 2 個(gè)托輪向下放繩，鋼絲繩順利通過。

圖2 雙托雙壓式轉(zhuǎn)彎裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of double-drag and double-press turning device

該轉(zhuǎn)彎裝置共由 3 組輪系構(gòu)成，每組輪系的轉(zhuǎn)彎輪組結(jié)構(gòu)一致，僅在數(shù)量和安裝角度上有所區(qū)別。第 1 組輪系的作用是在轉(zhuǎn)彎前固定鋼絲繩，僅含 1 套轉(zhuǎn)彎輪組；第 2 組輪系的作用是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，其由若干套轉(zhuǎn)彎輪組組成，每 2 套輪組可實(shí)現(xiàn) 1°～2°的轉(zhuǎn)彎功能，根據(jù)巷道實(shí)際轉(zhuǎn)彎角度來設(shè)置輪組的具體數(shù)量；第 3 組輪系也僅含 1 套轉(zhuǎn)彎輪組，用于固定轉(zhuǎn)彎后的鋼絲繩。

雙托雙壓轉(zhuǎn)彎輪組所用輪子均由特殊材料制作而成，輪子上安裝向心推力軸承，使輪子既能承受縱向作用力，又能承受橫向作用力，以實(shí)現(xiàn)水平和垂直角度的微量調(diào)整；同時(shí)，能夠固定鋼絲繩，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的功能。其原理是：第 1 組輪系主要是對(duì)進(jìn)入輪系的鋼絲繩進(jìn)行固定，使其分散受力，為第 2 組輪系能夠改變鋼絲繩的角度打好基礎(chǔ)；第 2 組輪系根據(jù)轉(zhuǎn)彎的角度確定輪組數(shù)量，在安裝第 2 組輪系的第 1 套時(shí)，根據(jù)巷道角度 (α) 將該輪系按照預(yù)定角度水平安裝；第 3 組輪系將轉(zhuǎn)彎后的鋼絲繩再次固定在中心線上，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖 3 所示。鋼絲繩在進(jìn)入輪組后的第 1 個(gè)固定壓輪時(shí)，并未在輪子中心線上，但當(dāng)進(jìn)入第 1 個(gè)活動(dòng)托輪時(shí)，輪系的第 1 個(gè)固定壓輪和活動(dòng)托輪共同作用，使鋼絲繩處于第 1 個(gè)活動(dòng)托輪的中心線上，從而改變角度。

圖3 小角度轉(zhuǎn)彎裝置的原理Fig.3 Principle of small-angle turning device

第 4 部架空乘人裝置所在巷道有 7°的轉(zhuǎn)彎，其輪系布置如下：第 1 組安裝了 1 套輪系，第 2 組安裝了 7 套輪系，第 3 組安裝了 1 套輪系，共安裝 9 套。

2 小轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析

2.1 行星輪式轉(zhuǎn)彎裝置受力分析

當(dāng)座椅及抱索器未與行星輪式轉(zhuǎn)彎裝置碰撞時(shí)，乘人裝置受到重力G和鋼絲繩向上的兩側(cè)拉力T1和T2(見圖 4(a))，處于平衡狀態(tài)，勻速向前行駛。

當(dāng)座椅及抱索器與行星輪式轉(zhuǎn)彎裝置碰撞時(shí)，乘人裝置會(huì)受到來自行星輪的沖擊力F的作用 (見圖 4(b))，座椅開始擺動(dòng)。

圖4 行星輪式轉(zhuǎn)彎裝置的受力分析Fig.4 Force analysis of planetary wheel typed turning device

擺角θ與沖擊力大小及座椅的自重有關(guān)，即

式中：θ為擺動(dòng)角度；G為猴車座椅自重；T壓為鋼絲繩對(duì)托輪的垂直壓力；Ff為鋼絲繩對(duì)托輪的水平力。

由式 (1) 可知，沖擊力越大，擺角越大；座椅自重越小，擺動(dòng)也越明顯。

根據(jù)參考文獻(xiàn) [3]，若將座椅撞擊行星輪的沖擊力以 700 N 計(jì)，座椅加乘員的總質(zhì)量約 90 kg，由上式可求出撞擊時(shí)座椅的最大擺角

可見，座椅瞬時(shí)的擺動(dòng)角度很大，再加上該沖擊力不在質(zhì)心處，因而還會(huì)對(duì)座椅產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)力矩，使得乘員感到既擺又扭，很不舒服。這種擺動(dòng)是由沖擊力的擾動(dòng)產(chǎn)生的，會(huì)逐漸減弱并消失[4]。

2.2 雙托雙壓輪組轉(zhuǎn)彎裝置受力分析

架乘裝置通過抱索器固定在鋼絲繩上，以 1.2 m/s 的速度勻速向前行駛。當(dāng)架乘裝置距離轉(zhuǎn)彎裝置較遠(yuǎn)時(shí)，雙托雙壓輪組處于初始平衡狀態(tài) (見圖 5(a))。圖中，T1和T2為鋼絲繩兩側(cè)受到的拉力；f1和f2分別為鋼絲繩與 2 個(gè)活動(dòng)托輪間的摩擦力，它們也是托輪轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力；F1和F2分別為鋼絲繩對(duì) 2 個(gè)托輪的壓力，F(xiàn)1=F2，其大小與鋼絲繩作用在輪上的重力平衡。此時(shí)，活動(dòng)輪組垂向受力平衡，無繞鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的傾向，每個(gè)托、壓輪會(huì)在鋼絲繩帶動(dòng)下繞自己的中心旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)架乘裝置及抱索器在鋼絲繩的帶動(dòng)下逐漸向小轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)靠近時(shí)，由于架乘裝置的重力作用，第 1 個(gè)活動(dòng)托輪左側(cè)繩子張力T1方向會(huì)略向下傾斜，受力如圖 5(b) 所示。此時(shí)，左側(cè)活動(dòng)托輪的受力F1中包括鋼絲繩的重力和鋼絲繩張力T1的分力，右側(cè)托輪受到的壓力F2仍為鋼絲繩的重力。當(dāng)F1與F2之差不足以克服活動(dòng)鉸鏈裝置的最大靜摩擦力時(shí)，活動(dòng)托輪組仍處于平衡狀態(tài)。

隨著架乘裝置繼續(xù)移近托輪裝置，T1在托輪垂向的分力增大，F(xiàn)1與F2之差增大，當(dāng)差值產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大于活動(dòng)鉸鏈裝置的最大靜摩擦轉(zhuǎn)矩時(shí)，活動(dòng)托輪組開始逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，左側(cè)托輪向下運(yùn)動(dòng)，右側(cè)托輪向上運(yùn)動(dòng)，如圖 5(c) 所示。此時(shí)，T1在托輪垂向的分力繼續(xù)增大，使得F1繼續(xù)增大。同時(shí)，右側(cè)托輪向上運(yùn)動(dòng)，對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生壓力F3，該壓力使右側(cè)活動(dòng)托輪上的鋼絲繩張力增大，從而導(dǎo)致其所受壓力F2(其兩側(cè)的鋼絲繩張力與鋼絲繩重力的合力) 也逐漸增大。但此時(shí)由于F1產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩仍大于F2產(chǎn)生的阻力矩，因而活動(dòng)托輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)[5]。

當(dāng)架乘裝置運(yùn)動(dòng)到左側(cè)托輪上方時(shí)，F(xiàn)1和F2均增加到瞬間最大值，且二者相等。此時(shí)，托輪組的轉(zhuǎn)動(dòng)角度也達(dá)到最大，如圖 5(d) 所示。

圖5 雙托雙壓式轉(zhuǎn)彎裝置的受力分析Fig.5 Force analysis of double-drag and double-press turning device

在活動(dòng)托輪的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)彎輪組實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼絲繩的第 1 次調(diào)整。即鋼絲繩在進(jìn)入第 1 個(gè)固壓輪時(shí)并未在輪子中心線上，但隨著活動(dòng)托輪裝置的旋轉(zhuǎn)，在右活動(dòng)托輪托著繩子上行過程中，其與左側(cè)固定壓輪共同作用，將鋼絲繩旋轉(zhuǎn)成與雙托雙壓輪組安裝方向一致，從而將鋼絲繩放在了第 1 個(gè)活動(dòng)托輪的中心線上。

架乘裝置繼續(xù)勻速向前行駛，F(xiàn)1和F2均減小，托輪組開始復(fù)位，當(dāng)架乘裝置到達(dá)轉(zhuǎn)彎裝置的中間位置時(shí)，托輪組恢復(fù)到水平位置，如圖 5(e) 所示。

經(jīng)過中間的平衡位置后，架乘裝置繼續(xù)向前勻速運(yùn)動(dòng)。開始時(shí)，F(xiàn)2大于F1，托輪組開始順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著架乘裝置移近右活動(dòng)托輪，F(xiàn)2繼續(xù)增加，同時(shí)因轉(zhuǎn)動(dòng)角度的增加，固定梁上左側(cè)的壓輪對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生壓力F3，使得鋼絲繩對(duì)左側(cè)托輪的壓力F1也逐漸增大。當(dāng)架乘裝置運(yùn)動(dòng)到右側(cè)托輪時(shí)，托輪組達(dá)到最大轉(zhuǎn)動(dòng)量，F(xiàn)1和F2均又一次增加到瞬時(shí)最大值，如圖 5(f) 所示。

在活動(dòng)托輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)過程中，由于第 1 個(gè)活動(dòng)托輪的托繩上行，其與 2 個(gè)固定壓輪一起再次將鋼絲繩固定在中心線上。

架乘裝置繼續(xù)勻速向前行駛，當(dāng)逐漸離開轉(zhuǎn)彎裝置時(shí)，F(xiàn)1和F2均逐漸減小，托輪裝置逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 5(g) 所示。當(dāng)架乘裝置遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)彎裝置時(shí)，F(xiàn)1和F2均減小到初始狀態(tài)的值，即等于鋼絲繩作用在其上的重力時(shí)，托輪組恢復(fù)到初始平衡狀態(tài)。

鋼絲繩本身具有一定的剛度，兩邊的拉力相當(dāng)大，鋼絲繩的變形量很小，在實(shí)際的運(yùn)行中，托輪的運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)并沒有上圖所示的那么明顯，上述受力分析圖較夸張地闡述其力學(xué)狀態(tài)。

3 建模及 ADAMS 仿真

為了驗(yàn)證該小轉(zhuǎn)彎裝置使用方案的可行性，對(duì)雙托雙壓小轉(zhuǎn)彎輪組進(jìn)行了三維建模和 ADAMS 仿真分析。

3.1 三維建模

三維實(shí)體建模主要包括：首先，在 Pro/E 中建立三維簡化模型，以提高分析計(jì)算的成功率；其次，將三維模型導(dǎo)入 ADAMS 軟件中，并建立各個(gè)零件間的連接關(guān)系；最后，設(shè)置模型參數(shù)并進(jìn)行模型調(diào)試[6]。

建模時(shí)，需要對(duì)模型進(jìn)行簡化，以減小工作量，保證模型的運(yùn)行效率。主要簡化內(nèi)容：簡化完整軌道，取一部分進(jìn)行研究，由部分的仿真情況反映整體運(yùn)行情況；簡化抱索器，由于復(fù)雜的外形在計(jì)算時(shí)經(jīng)常出錯(cuò)，所以在不影響整體性能的情況下，將抱鎖器簡化為較簡單的幾何實(shí)體；等效礦工的質(zhì)量，將架乘裝置與乘員當(dāng)成一個(gè)整體，質(zhì)心集中在一個(gè)球體上[7]。

具體三維建模過程如下：

(1) 實(shí)際中，9 組雙托雙壓式轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 7°的轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎的曲率半徑大約是 70 m。9 組均分在這段弧線上，每組完成 1°轉(zhuǎn)彎。固定梁采用的是 11 號(hào)礦用工字鋼，并在其下方裝配 2 個(gè)方鋼，使其具有活動(dòng)鉸鏈裝置的作用。每組雙托雙壓轉(zhuǎn)彎裝置的 2 個(gè)壓輪的中心距為 900 mm，同組的 2 個(gè)托輪的中心距為 360 mm。此次建模進(jìn)行了簡化，選取了其中 5 組轉(zhuǎn)彎裝置，完成 5°的轉(zhuǎn)彎模擬。每兩組之間的轉(zhuǎn)彎角度仍為 1°，可以測試雙托雙壓輪組轉(zhuǎn)彎時(shí)的平穩(wěn)性。裝配后的轉(zhuǎn)彎輪系模型如圖 6(a) 所示。

轉(zhuǎn)彎裝置中的托輪和壓輪采用同一規(guī)格，實(shí)際中裝有轉(zhuǎn)動(dòng)軸承，可以在 ADAMS 中設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)副和阻尼，在 Pro/E 中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪軸與鋼板上的預(yù)留孔的配合即可。托輪模型如圖 6(b) 所示。

圖6 雙托雙壓式轉(zhuǎn)彎裝置模型Fig.6 Model of double-drag and double-press turning device

(2) 抱索器要鎖緊鋼絲繩并通過轉(zhuǎn)輪，其與轉(zhuǎn)輪接觸部分的曲率半徑要小于轉(zhuǎn)輪接觸部分的曲率半徑，這樣可以減少撞擊時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。抱索器的簡化三維模型如圖 7 所示。

圖7 抱索器模型Fig.7 Model of cable grip

(3) 鋼絲繩離地面的距離為 2.00 m，架乘座椅的高度大約為 1.65 m。建模時(shí)對(duì)其簡化，將其重心建在小球的中心，方便在仿真時(shí)對(duì)其平穩(wěn)性進(jìn)行分析。為簡化建模，該處架乘座椅與第 5 部架乘裝置采用同樣的三維模型，如圖 8 所示。

圖8 座椅模型Fig.8 Model of seat

3.2 ADAMS 運(yùn)動(dòng)仿真

建立架空乘人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，將 Solid-Works 模型導(dǎo)入到 ADAMS 環(huán)境中，然后將零部件添加約束組成整體，建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型[8]。

3.2.1 鋼絲繩

鋼絲繩是架空乘人裝置的主要撓性部件，其幾何形狀具有不確定性，其自身的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)以及與其接觸的接觸剛度系數(shù)和接觸阻尼系數(shù)難以確定，加之鋼絲繩的柔性特質(zhì)，無法用 Pro/E、SolidWorks 等軟件對(duì)其建模。使用現(xiàn)有模塊提供的約束進(jìn)行近似模擬，最終確定采用 Create FE Part 模塊進(jìn)行建模，通過定義其材料屬性，使其具有繩索特性。

鋼絲繩在輪槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，需要在 ADAMS 中建立鋼絲繩與轉(zhuǎn)輪的接觸，通過轉(zhuǎn)輪的位置及規(guī)格參數(shù)確定鋼絲繩 MARKER 點(diǎn)的位置，再插入 200 個(gè) Node 點(diǎn)建出鋼絲繩。建繩結(jié)束后，需要定義鋼絲繩的材料、密度、阻尼系數(shù)、彈性模量、泊松比等參數(shù)，具體如圖 9 所示。

圖9 鋼絲繩參數(shù)設(shè)置Fig.9 Settings of wire rope parameters

3.2.2 固定梁

在 Pro/E 中完成對(duì)固定梁的建模，在 ADAMS 中需要把固定梁固定在大地上，否則在重力的作用下，整體會(huì)做自由落體運(yùn)動(dòng)。固定梁的參數(shù)定義如圖 10 所示。

圖10 固定梁參數(shù)設(shè)置Fig.10 Settings of fixed beam parameters

3.2.3 活動(dòng)鉸鏈裝置

活動(dòng)鉸鏈裝置在轉(zhuǎn)彎過程中起著至關(guān)重要的作用，在座椅沒有經(jīng)過時(shí)，鉸鏈裝置處于平衡狀態(tài)；當(dāng) 2 個(gè)活動(dòng)托輪所受壓力不同、且壓力差產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩能克服阻力轉(zhuǎn)矩時(shí)，鉸鏈裝置開始轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)際中，鋼絲繩很長并形成回路，由于建模的局限性，不可能把所有鋼絲繩都建模，但有限長度的鋼絲繩經(jīng)過活動(dòng)鉸鏈裝置時(shí)，如果沒有一定的約束，活動(dòng)鉸鏈裝置會(huì)一直轉(zhuǎn)下去，在 ADAMS 中添加扭簧可以實(shí)現(xiàn)其要求[9]。

3.2.4 轉(zhuǎn)輪

為了減小撞擊時(shí)的振動(dòng)，使鋼絲繩能夠平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)輪的內(nèi)襯填充特殊的尼龍材料。其性能參數(shù)如圖 11 所示。

圖11 轉(zhuǎn)輪參數(shù)設(shè)置Fig.11 Settings of roller parameters

由于鋼絲繩是柔性體，尼龍又是特殊的材料，在運(yùn)動(dòng)過程中兩者間的摩擦因數(shù)尤為重要，靜摩擦因數(shù)取 0.2，動(dòng)摩擦因數(shù)取 0.1，其他相關(guān)因數(shù)設(shè)置如圖 12 所示。

圖12 鋼絲繩與轉(zhuǎn)輪的接觸參數(shù)Fig.12 Contact parameters of wire rope and roller

3.2.5 仿真結(jié)果

仿真條件：猴車座椅自重為 20 kg，礦工自重為 75 kg，巷道傾斜角度為 15°，水平轉(zhuǎn)彎角度為 2°，猴車運(yùn)行速度為 1.1 m/s，對(duì)猴桿轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)彎區(qū)域進(jìn)行分析研究。在軟件中，分別對(duì)鋼絲繩、固定梁、活動(dòng)鉸鏈裝置、轉(zhuǎn)輪等部件進(jìn)行設(shè)置，將在 Pro/E 中完成的裝配體導(dǎo)入 ADAMS 中，設(shè)置部件材料屬性、相關(guān)約束與力，把座椅鎖定在鋼絲繩上，如圖 13 所示。

圖13 ADAMS 仿真界面Fig.13 ADAMS simulation interface

此次仿真的目的是研究雙托雙壓式轉(zhuǎn)彎裝置在使用中的安全性和平穩(wěn)性，通過仿真觀察鋼絲繩的變形情況，以及是否會(huì)出現(xiàn)斷繩和脫繩的情況。從仿真運(yùn)行的動(dòng)態(tài)圖發(fā)現(xiàn)，座椅的擺動(dòng)情況十分微小，無脫繩現(xiàn)象發(fā)生。

為定量獲取座椅通過托輪轉(zhuǎn)彎裝置時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，分別選取抱索器上一點(diǎn)和架乘裝置的質(zhì)心 (球心) 作為測試點(diǎn)，利用 ADAMS 中的函數(shù)功能，通過測量這 2 個(gè)點(diǎn)在z軸方向角度的變化，來測試猴車在通過轉(zhuǎn)彎裝置時(shí)的左右擺動(dòng)情況；通過測量這 2 個(gè)點(diǎn)在x軸方向角度的變化，來測試猴車在通過轉(zhuǎn)彎裝置時(shí)前后的擺動(dòng)情況。ADAMS 仿真結(jié)果如圖 14 所示。

圖14 ADAMS 仿真結(jié)果Fig.14 ADAMS simulation results

由圖 14 可知，仿真時(shí)，第 1 s 內(nèi)，由于座椅從靜止到開始運(yùn)動(dòng)，有加速的過程，所以座椅擺動(dòng)角度較大，約有 5°的擺動(dòng)；當(dāng)座椅運(yùn)動(dòng)達(dá)到勻速狀態(tài)時(shí)，座椅的運(yùn)動(dòng)很平穩(wěn)，角度波動(dòng)在 3°以內(nèi)。

4 結(jié)論

為驗(yàn)證小轉(zhuǎn)彎裝置使用的可行性，對(duì)雙托雙壓轉(zhuǎn)彎裝置進(jìn)行三維建模和仿真分析。建模時(shí)，將 SolidWorks 模型導(dǎo)入到 ADAMS 環(huán)境，同時(shí)提供各構(gòu)件初始位置，將零部件添加約束組成整體，建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。ADAMS 仿真結(jié)果表明：雙托雙壓式轉(zhuǎn)彎裝置在使用中具有良好的安全性和平穩(wěn)性；鋼絲繩未出現(xiàn)變形及斷繩和脫繩的情況；雙托雙壓輪組式小轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn) 15°以內(nèi)的巷道轉(zhuǎn)彎，且在轉(zhuǎn)彎處運(yùn)行平穩(wěn)可靠。