基于ADAMS的液压支架运动学分析

基于ADAMS的液压支架运动学分析 王立新1,李 震2,王锁吉2 (1. 安阳工学院,河南 安阳455000; 2.河南安彩集团,河南 安阳455000) 摘要:介绍一种模型数据流畅交换的联合仿真分析方法,通过对液压支架可视化动态模拟、 干涉检查和运动学分析,验证所建立的数字化样机正确合理,分析结果对液压支架的设计分析和性 能评估具有参考价值。 关键词:液压支架;运动学分析;三维模型 中图分类号: TD355 文献标志码: A 文章编号:100320794(2008)1220082203 Kinematics Analysis of Hydraulic Support Based on ADAMS WANGLi - xin1, LI Zhen2, WANG Suo - ji2 (1.Anyang Institute of Technology , Anyang 455000 , China; 2. Henan Ancai Group , Anyang 455000 , China) Abstract:A unity simulation analysis method that it can fluent exchange model data was introduced , in the base of hydraulic support visualization development imitate , intervene examination and kinematics analysis , verify correct and reasonableness of hydraulic support virtual digitized prototype , the result has reference value to hydraulic support design and property appraised. Key words:hydraulic support ; kinematics analysis; 3 - D model 0 前言 本文以ZY87001732型液压支架为例,通过理 论计算分析与运动学分析,得出液压支架基本概况, 为进一步改善液压支架的受力情况、 改进结构提供 依据。 1 虚拟样机平台介绍 (1)建立液压支架三维模型 液压支架的三维模型是在CATIA软件中建立 的,CATIA (Computer Aided Tri - Dimensional Interface Application)是世界上主流的CADCAECAM 一体化 软件,广泛应用于航空航天、 汽车制造、 造船、 机械制 造、 电子电器、 消费品行业,它的集成解决方案覆盖 所有的产品设计与制造领域。使用CATIA建立液 压支架三维模型快速准确,虚拟装配迅速,为液压支 架的开发节省了更多的时间,并且修改方便,一旦出 现问题,可以及时解决。如图1为液压支架三维整 机模型。 图1 液压支架三维整机模型 (2)液压支架的运动仿真 液压支架主要运动形式简化后就是一种四连杆 机构运动,主要是依靠立柱和前后连杆、 掩护梁完成 升架、 降架过程。本文使用ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)软件进行液压支架运动 仿真分析。ADAMS软件求解器采用多刚体系统动力 学理论中的拉格朗日方程方法,建立系统动力学方 程,对虚拟机械系统进行静力学、 运动学和动力学分 析,可以输出位移、 速度、 加速度和反作用力曲线。用 户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿 真,而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域问 题进行快速有效地建模与仿真分析。 (3)液压支架的模型传递 CATIA、ADAMS在各自的领域是占有领先地位 的,但是CATIA并不能完成运动仿真分析,而AD2 AMS的三维建模能力又非常差,所以MSC. Simde2 signer应运而生,它是专门为实现CATIA与ADAMS 无缝连接而设计的软件。大型复杂的模型在CATIA 中建立并装配,不需要退出CATIA应用环境,就可 以将装配体根据其运动关系定义为机械系统模型。 底座与大地固连,底座,前、 后连杆,掩护梁与顶梁的 连接处都设置为旋转副约束,2根双伸缩立柱和千 斤顶连接设置成滑动副,液压支架运动是依靠滑动 副设置的驱动函数。生成的机械系统模型转化输出 cmd文件就可以在ADAMS中流畅应用。液压支架 虚拟样机建立与运动仿真分析就是在这样的环境中 进行的。研究流程如图2所示。 2 液压支架运动学分析研究 2. 1 运动学理论基础 利用ADAMS建立机械系统仿真模型时,系统构 28 第29卷第12期 2008年 12月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol129No112 Dec. 2008 件之间存在运动副的联接,这些运动副可以用系统 广义坐标表示代数方程。设表示运动副的约束方程 为nh,则用系统广义坐标(nc)矢量表示的运动学约 束方程组为 K (q) = K 1(q ) , K 2(q ) , , K nh(q ) T = 0(1) 图2 课题研究流程 为使系统具有确定运动,要使系统实际自由度 为零,为系统施加等于自由度(nc-nh)的驱动约束 D (q,t ) =0 (2) 在一般情况下,驱动约束是系统广义坐标和时 间函数。驱动约束在其集合内部及其与运动学约束 集合中必须是独立和相容的,在这种条件下,驱动系 统将做确定运动。 由式(1)系统运动学约束方程和式(2)驱动约束 方程可以统一表示为 (q,t ) = K (q,t) D (q,t) = 0(3) 式(3)表示nc个广义坐标的nc个非线性方程 组,其构成了系统位置方程。对式(3)求导,得到速 度约束方程 ?(q,?q,t ) = q(q,t)?q+t(q,t) =0(4) 若令v= -t(q,t ) , 则速度方程为 ?(q,?q,t ) = q(q,t)?q-v= 0(5) 对式(4)求导,可得加速度方程为 (q,?q,q,t ) = q(q,t)q+ q(q,t)?q?q+ 2qt(q,t)?q+tt(q,t) =0(6) 若令= - (q? q)q?q- 2qt?q-tt,则加速度方 程为 (q,?q,q,t ) = q(q,t)q-(q,?q,t ) = 0 (7) 矩阵 q为雅可比矩阵。如果 的维数是 m, q的维数是n,那么 q维数就是mn矩阵,其定 义为(q)(i,j)= 5 i 5qj 。这里 q为ncnc(nh个运 动学约束,nc-nh个驱动约束,nc个广义坐标)的 方阵。 2. 2 运动仿真分析的设置 通过MSC. Simdesigner软件,将ZY87001732型 两柱掩护式液压支架导入到ADAMS中形成的数字 化样机如图3所示。 图3 ADAMS环境下的液压支架数字化样机 液压支架为四连杆运动机构,四连杆机构不仅能 起到抗水平力作用,还能抗侧向力作用,它规范了液 压支架的运动轨迹,控制了顶梁前端距煤壁的距离, 对连杆受力起着重大的作用,从而影响液压支架的使 用寿命。顶梁端点的运动轨迹受到平衡千斤顶和立 柱的控制,运动轨迹如图4所示。 图4 顶梁端点的运动轨迹 图中A-B-C-D即为顶梁端点的运动轨 迹。运动轨迹一般为双扭线,摆动量的大小直接影 响支架性能和连杆受力。为了优化四连杆运动机 构,使摆动量在一定范围内,在顶梁端点建立标记点 (makers) ,通过判断标记点的运动轨迹的最大水平 摆动,查看摆动量是否符合液压支架四连杆机构设 计要求。 通过设置立柱和平衡千斤顶的驱动函数,完成 液压支架从最低位置移动到最高位置的过程。跟踪 标记点在升、 降架的运动轨迹,把标记点水平位移直 接输出,如图5所示,由图5可见顶梁端点的运动轨 迹的水平最大变化量。摆动量在 35 mm范围内变 化。符合液压支架四连杆机构设计要求。 图5 顶梁端点运动曲线图 38 第29卷第12期 基于ADAMS的液压支架运动学分析 王立新,等 Vol129No112 多圆盘同轴互逆回转体振动的模糊聚类分析 王秋珍 (湖北第二师范学院,武汉430205) 摘要:应用模糊理论中隶属度的概念来描述机器振动故障存在的倾向性,用动态模糊聚类 分析法分析机器振动的原因。通过对框式预磨机实例检验表明,该方法具有良好的应用前景,为多 圆盘同轴互逆回转体机器的故障诊断提供了一种新途径。 关键词:多圆盘;同轴互逆;回转体;振动;模糊聚类 中图分类号: TH123 文献标志码: A 文章编号:100320794(2008)1220083204 Fuzzy Clustering Analysis Methodology of Vibration of Coaxial Reciprocal Parallel Circular Gyro - rotor WANG Qiu - zhen (No.2 Hubei University of Education , Wuhan 430205 , China) Abstract :Describes the tendentiousness of the existence of mechanical vibrating faulting in term of the mem2 bership grade in fuzzy theory and analyzes the reasons of mechanical vibration by the fuzzy clustering analysis methodology. Inspection of living examples proved the future of the application of the method , it offers a new way to diagnose the malfunction in machines with coaxial reciprocal parallel circular gyro - rotor. Key words:parallel circular; coaxial reciprocal ; gyro - rotor; fuzzy clustering 1 框式预磨机转子的振动特点及原因 1. 1 框式预磨机转子的振动特点 多圆盘同轴互逆回转体框式预磨机的转子振动 与其他旋转机械的振动相比,有其独自的特点,主要 表现在振动的复杂性、 耦联性及振动故障和特征的 非一一对应性上。 多圆盘同轴互逆回转体框式预磨机转子的振动 比其他旋转机械的振动要复杂得多。如果简单地以 传统的二值逻辑来划分,即当振动幅值超过某值就 认为有病症或故障存在,低于某值则认为无症状或 故障不存在,这显然是不合适的,更合理的方法是用 相应的隶属度来描述故障存在的倾向性。借助模糊 数学理论,用隶属度概念来描述机器振动强弱就比 较符合实际。 1. 2 框式预磨机转子的振动原因 (1)回转体的临界转速引起的机器振动 临界转速是指某些特定的转速,当回转体在这 些转速或附近运转时,本身将出现很大变形并作弓 状回旋。引起整个机器的剧烈振动,甚至造成轴承 和回转体的破坏,当转速在这些特定转速之外时,运 转即趋平稳。 对于框式预磨机,内转子和外转子的转速既要 保持足够大的线速度,以确保物料获得破碎动能,又 要保证设备避开共振区的临界转速。即 n1n 1. 2n2 且满足0. 7n2n 3 结语 传统的设计方式只能依靠二维图纸推理确定顶 梁端点运动轨迹,浪费时间财力,使用ADAMS运动 仿真功能计算,可以直接得到摆动量大小,如果变化 量不符合设计要求,将根据煤矿自然情况改进前后 连杆的尺寸设计,以满足液压支架受力要求。液压 支架运动学分析为虚拟样机整体分析奠定了基础, 为以后进行液压支架有限元分析和疲劳分析创造了 条件。 参考文献: 1王国法.液压支架技术M.北京:煤炭工业出版社,1999. 2徐亚军,王国法,柴宾元,等.液压支架虚拟样机构建技术的研究 J .煤矿开采,2003(4) :8 - 11. 3曹必德.液压支架虚拟样机模型研究与特征分析D.郑州:郑州 大学,2006. 4李军,邢俊文,覃文洁.ADAMS实例教程 K.北京:北京理工大学 出版社