（机械电子工程专业论文）推板式抓斗纠偏装置设计与研究.pdf

摘要 摘要 随着当前我国城市化建设的高速发展，地下连续墙施工获得越来越广泛的 推广和使用。然而由于我国引进连续墙技术的时间较晚以及国外公司对制造和 设计连续墙成槽机的关键技术和系统参数的严格控制，目前国内有能力量产地 下连续墙抓斗的厂家较少，且大多技术水平一般。其中，抓斗纠偏系统落后成 为制约我国连续墙抓斗向国际先进水平发展的关键性瓶颈之一。 本文基于对国际上先进的连续墙抓斗纠偏系统之一一推板式纠偏系统 的研究，开展了广泛而细致的调研。通过对各个厂家的推板式连续墙抓斗进行 优缺点比较，并结合在现场调研中发现的现有产品存在的问题，吸纳优点，改 进不足，为本文推板式连续墙抓斗纠偏系统的设计奠定了基础。 文中详尽地对连续墙抓斗在实际工作环境中可能遇到的极端情况进行分 析，并结合抓斗各个条件下受力情况分析的结果，确定了纠偏油缸的主要尺寸 参数。随后使用p r o e 三维建模软件对设计出来的连续墙抓斗的每个零件进行绘 制并装配成实体模型，同时把p r o e 模型导入a d a m s 动力学分析软件，在 a d a m s 中对抓斗纠偏过程进行模拟。通过这种更加直观、准确的方式，本文对 抓斗纠偏系统的工作情况进行了全程分析，完成了抓斗纠偏系统动力学参数测 定，从而验证了之前理论设计的正确性。 本文在验证了推板式纠偏系统机械结构设计之后，对抓斗纠偏系统进行了 详细的液压工况和纠偏过程动作分析，以此对抓斗纠偏液压动力系统进行设计： 选定合适的工作压力与执行方式，完成抓斗纠偏系统液压图的设计，并确定了 系统中各个阀的型号参数。在此基础下，根据抓斗纠偏动作逐步完成的特点， 采用p l c 软件中梯形图编程语言对纠偏过程进行控制编程，最终完成了推板式 连续墙抓斗纠偏系统的全部设计。 最后，对本次设计的工作和其前景进行了总结，并对一些有待完善的地方 予以说明。 关键词：推板式抓斗纠偏系统，a d a m s 动力学分析，液压系统，梯形图编程 a b s t r a c t 一一_ 一 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht l l el l i g h s p e e dd e v e l o p m e n t o fu r b a n i z a t i o ni nc h i n a , t h e u n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l lc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yh a s b e e nm o r ea n dm o r e w i d e l yi nu s e h o w e v e r , d u et ol a t ei n t r o d u c t i o no fc o n t i n u o u sw a l lt e c h n o l o g ya n d f o r e i g nc o m p a n i e s c o n t r o lo v e rt h ek e yt e c h n o l o g i e so f t h e i rm a n u f a c t u r ea n dd e s i g n ， n o w o n l yf e wd o m e s t i c m a n u f a c t u r e r sh a v ea b i l i t yt op r o d u c et h ec o n t i n u o u sw a l l g r a b sa n de v e l li ft h e yh a v e ，t h et e c h n o l o g yi sn o r m a l t h eg r a br e c t i f y i n gs y s t e m h a s b e c o m eo n eo ft h ek e yb o t t l e n e c k s ，w h i c hl i m i t so u rc o n t i n u o u sw a l lg r a bt or e a c ht h e i n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e l al o to fr e s e a r c h e sh a v e b e e nc a r r i e do u t0 1 1t h es t u d yo ft h eo n e o fi n t e r n a t i o n a l a d v a n c e dc o n t i n u o u sw a l lg r a br e c t i f y i n gs y s t e m - - p u s h p l a t er e c t i f y i n gs y s t e m t h r o u g hc o m p a r i n gt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s b e t w e e nd i f f e r e n tp u s h - p l a t e g r a b sa n dc o m b i n i n gw i t ht h er e s e a r c h e so n t h ep r o b l e mo fe x i s t i n gp r o d u c t s ，t h i s d e s i g na b s o r b st h ea d v a n t a g e so f t h e ma n di m p r o v e st h e i rd i s a d v a n t a g e s i nt h i sa r t i c l e ，t h ea n a l y s i so ft h ee x t r e m ew o r k i n ge n v i r o n m e n to fc o n t i n u o u s w a l lg r a ba n dt h ef o r c es i t u a t i o no fg r a bi su s e dt od e t e r m i n et h ep r o p e rp a r a m e t e r d i m e n s i o n so ft h er e c t i f y i n gc y l i n d e r t h e n ，p r o | et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g s o f t w a r ei su s e dt od r a we v e r yp a r to ft h eg r a bw h i c hh a sf i n a l l yb e e na s s e m b l e di n t o ac o n c r e t em o d e l a tl a s t ，t h ep r o | em o d e li st r a n s m i t t e di n t oa d a m sd y n a m i c a n a l y s i ss o f t w a r e ，a n dt h e r e a f t e r , s i m u l a t i o no ft h er e c t i f y i n gp r o c e s so fg r a bh a sb e e n f i n i s b e di na d a m s t h r o u g ham o r ea c c u r a t ea n a l y s i sm o d eo fr e c t i f y i n gs y s t e m ，t h e d y n a m i cp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n to fr e c t i f y i n gs y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e ds oa st o v e n f yt h ep r e v i o u st h e o r e t i c a ld e s i g n a r e rv e r i f y i n gt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g no fr e c t i f y i n gs y s t e m ，i no r d e rt o d e s i g nt h eh y d r a u l i cp o w e rs y s t e mo fr e c t i f y i n gs y s t e m ，t h i sa r t i c l eh a sc o m p l e t e d d e t a i l e da n a l y s i so ft h eh y d r a u l i cw o r k i n gc o n d i t i o n sa n dt h er e c t i f y i n gp r o c e s s w h a t sm o r e ，t h ed e s i g np r o c e s si sc o m p r i s e do fs e l e c t i n gt h ep r o p e rw o r k i n g p r e s s u r ea n de x e c u t i n gm o d e ，f i n i s h i n gt h ed e s i g no fh y d r a u l i cp o w e rs y s t e mo f a b s t r a c t r e c t i f y i n gs y s t e ma n dd e t e r m i n i n gv a l v em o d e l s b a s e do nt h eg r a d u a la n ds e q u e n t i a l f e a t u r eo f t h er e c t i f y i n gm o t i o n s ，l a d d e r - c h a r tp r o g r a m m ei nt h ep l cs o f t w a r ei su s e dt o p r o g r a mf o rt h ec o n t r o lo fr e c t i f y i n gp r o c e s s u n t i ln o w , t h eg o a lo fd e s i g n i n gt h e r e c t i f y i n gs y s t e mo ft h ep u s h - p l a t eg r a b sh a sb e e na c h i e v e d t h el a s tp a r to ft h i sa r t i c l ei se n g a g e di nt h es u m m a r yo ft h i sd e s i g na n di t s p r o s p e c ta n da d d i n gs o m e i n s t r u c t i o nt ot h ep r o c e s so ft h ed e s i g nw h i c hi se x p e c t e d t ob ep e r f e c t k e yw o r d s ：p u s h p l a t er e c t i f ys y s t e m ，p r o em o d e l i n g , d y n a m i c sa n a l y s i s ， l a d d e r - c h a r tp r o g r a m m e 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名 矽攻年 具h锭 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名：饮 年月日 刎7 年多月弦日 f 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：秀起 弋 年了月o 日 第l 章引言 第1 章引言 1 1 课题来源及其意义 本课题为国家“十一五 科技支撑项目建筑基础地下连续墙施工设备研究 与产业化开发的子项。 地下连续墙工艺是近几十年来在地下工程及基础工程中应用较为广泛的一 项工程技术。它以其特有的优点一结构刚性大、防渗性能好、适应地质条件范 围广、用途多等，在世界范围内得到了普遍的推广，广泛应用于建筑物地下室、 地铁、隧道等地下工程及水利水电工程。随着地下连续墙应用的不断推广，其施 工技术与工艺也得到不断的发展。近几十年来，各国在地下连续墙施工积累方面 进行了大量的革新，设计制造出各种具有不同地质适应性、满足不同要求的新型 成槽机械，并形成相应的施工方法，使地下连续墙施工技术得以高速发展。【r 7 l 地下连续墙的挖掘成槽，总的可以分成抓斗型挖泥成槽和粉碎型挖泥成槽两 大类。为了适应各类地层中成槽的要求，抓斗型施工机械已从绳索式重力抓斗发 展成各类绳索式，绳索导杆式及全导杆式液压抓斗。粉碎型施工机械则从潜水电 动立铣发展成全液压卧铣式成槽设备。这两类设备各有所长：粉碎型施工机械工 效较低，噪音大，墙体的垂直度不及液压抓斗成槽，同时由于机械振动较大不利 于泥浆护壁，但对于坚硬的岩石层则效率明显，往往根据地质情况与液压抓斗成 槽机结合使用。液压抓斗成槽机效率高、噪声小、振动小、墙体的垂直度高，对 周围环境影响小，但对于硬度较高的岩层必须改用钻机或冲机施工。【1 2 l 目前国内外使用液压抓斗成槽施工为主流。国际上知名的制造商有：德国的 宝峨和利勃海尔，意大利的土力、卡萨蓝德以及r 本真砂等公司。产品主要有： 德国宝峨公司的d h g 系列和日本真砂工业株式社的m h l 及m e l 系列为代表的钢丝 绳悬吊式液压抓斗，意大利卡萨蓝德公司的k r c 系列伸缩方钻杆加k 系列液压抓 斗为代表的全导杆式液压抓斗和意大利土力公司的b h - 7 、b h - 1 2 液压抓斗为代表 的半导杆式液压抓斗。这些抓斗均具有较高的技术水平，抓斗的闭合力一般在 1 1 0 吨一1 8 0 吨之间，挖掘深度在5 0 米以上，技术成熟，性能较好，多配有斗体 纠偏装置，可在开挖过程中调整抓斗姿态以保证开挖的槽体垂直度，并可自动测 量垂直度和深度，配备功率控制和状念监测等功能以保证设备的可靠运行。如采 用转斗式纠偏系统的利勃海尔的h s 8 4 3 h d 型地下连续墙液压抓斗。该抓斗各测 量结果自动地从传感器反馈到处理器，显示在操作屏上。在挖掘过程中一旦发现 槽幅有偏离现象可以自动进行垂直方向的偏斜纠f ，保持地下连续墙的垂直度， 已实现预先纠偏而不是偏斜后纠正。再如目前最为先进的连续墙液压抓斗：同本 第1 卓引吉 真砂近年来丌发的聚用推板式纠偏系统的m e 1 2 0 2 5 索式液瓜抓4 ，j e 蛙大挖捌墙 厚达3 米，斗辑25 立方米，自币3 9l ，最大挖捌深度达1 5 0 m ，抓斗闭力选 1 7 55 t ，适应丁砂卵砾石地j 去。这充分显不了推板式纠偏系统的优良特性和极高 的精确度。 i o l i 当然它们【卫有各自的缺点。例生n 木真砂的连续墙抓斗m 具有较好的成槽睡 电度，f h 操作复杂、所配的底柱功率偏小，使得抓斗丌船、i j j 台时旬长，整机作 业效率不高且人机界面不甚理矗 ! 。盅峨连续墙抓斗结构简练，但成槽垂直度有待 提岛，尤其存挖掘较硬的十_ 层时，抓斗现有的纠偏功能还不足于保证有较好的成 槽垂直度等等。此外国外产品价格普遍较国内川类产，记要高得多。 目前国内能够量产地f 连续i 尚抓斗的家例如p 海会泰、无锡择矿等，正在 研发的肯三重工、中联重科等。受技术条件、制造工艺和材料材质的i 制，h 前围内制造的地f 连续墙施t 设备，虽然价格低廉，f l 多是无纠偏系统或采用较 为简单的手动纠偏系统，在自动化程度、没蔷本身的质量稳定、甲均无故障时n j 及综合效率等方血都j j 进步挺高。 纵观罔内外产品，地下连续墙抓爿姿忐的控制智能化特别是幽阢、先进的推板 式纠偏系统的研究和设汁，必将为进步史脱孜固连续墙抓斗的柑能化、现代化， 为我圈掌拆2 凡= 仃中同知泌产权的先进连续墙抓斗技术提供自力的支持。通过刈抓 叫姿态的智能化控制，降低人为冈索对施工质量的影响，提高纠偏装置的自动化 1 e 【 ! 度及挡制的精确度，实现个更简易的人机界面使操作者更易上下，最终实现 个更简单、易川、有效的抓- 姿态控制系统。这也是地下连续墙成槽机技术创 新的重点之。 目前比较先进的纠偏系统推板式纠偏系统和转叫式纠偏系统曲i 下幽所示： 第1 章引言 1 2 地下连续墙抓斗纠偏工作原理 1 2 1 抓斗倾斜原因及过程分析 通过到地铁施工工地的实地考察，以及向上海相关厂家的技术人员请教，现 已基本了解连续墙抓斗产生倾斜的原因、过程，以及国外同类型抓斗在处理倾斜 问题时，所采用的方法和具体操作过程。 l 、连续墙抓斗倾斜产生的原因、过程 由于施工地区，土层组成不均匀，以及可能异物的存在，造成连续墙抓斗在 挖掘过程中受力不均匀，从而出现抓斗倾斜现象。当然也不排除操作人员技术水 平不过硬，人为造成抓斗不稳，而使成槽倾斜。 一般情况下，成槽的倾斜都是一点点积累的结果。由于上述各种原因的影响 使得抓斗不能真正完全垂直地抓入土层，从而引起一定的倾斜。由于每一次造成 的倾斜都没有超过规定范围，所以倾斜检测设备不会马上有所反应，但随着抓取 动作的继续，抓斗倾斜程度由于多次积累而达到或超出规定值，这时机器仪表会 发出警示来提醒操作者进行纠偏操作。 开始倾斜 倾斜超 图1 抓斗倾斜引起槽体倾斜 2 、 解决方法 当抓斗的倾斜超出规定范围后，操作人员必须马上进行纠偏操作，以避免槽 体倾斜进一步扩大，并逐渐回到事先预定的范围里。 目前无论是推板式的连续墙抓斗还是转斗式的连续墙抓斗都是通过改变抓 斗的抓掘路径，使其向倾斜的反方向抓取来逐步使槽体回到预定范围，从而实现 纠偏。 第l 章引言 图2 抓斗纠偏过程 3 、纠偏步骤简述 以本论文研究的推板式连续墙抓斗为例。 在发现抓斗倾斜超出规定范围后，机器仪表发出警报，驾驶人员进行纠偏操 作。此时，操作人员把抓斗提上一段距离( 一般为2 米) ，使其恢复垂直，然后 抓斗推板会上下两组一起推出，把斗体向倾斜相反方向旋转到相应角度，再落斗 抓取泥土，若此时抓斗斗体仍然倾斜超标，则再次提斗挖掘。如此反复，直到把 槽体逐步纠回到规定范围内。通过仪表核实斗体己处在比较理想的范围，从而结 束纠偏操作。 不过上述情况一般在土层较硬地区发生，像上海地区这种软土层，由于土层 基本以泥土为主，硬度很低，抓斗下行需要钢索提拉，不然容易陷入泥中。所以 当发现倾斜时，多采用一次抓取纠偏而无须反复纠偏。 具体纠偏过程中斗体姿态变化情况如下图所示： 4 第1 章引言 检测出斗体偏斜 落斗进行纠偏 捷斗到垂直位置 伸出推板进行预纠偏 图3 抓斗纠偏过程示意 5 纳偏完成后的槽体 辨i 章m j 1 2 2 抓斗纠偏实际操作中发生的问题 2 0 0 8 年3 月l lf f 在司济大学正l j 地铁施工工地进行参叫咖m 时，掂金泰 1 剐连续墙成悄机驾驶员所述，其操作纤骑为： 般抓 入上深j _ f ：d 加：j f ) 城水 之口j ，”j 发现抓f 倾斜厉，塾奉是直接嫌作纠偏，而小是按r 述所随提 2 米， 右，预纠偏后阿进行抓耻纠偏。另外，国产成楠机驾靴室多、r 操作啦备1 分简陋， 仪表堇小分散十狭小空川的备个位置，操作按键诎多，日仪表外天保护描施小足 等问题。从f ：述现文口，以分析为以f 几血： 1 、炎自、操作巾，驾驶员肝小先全依据操作规范行动，返就鉴求矾：抓斗垃训 过程【 】应陵科f 定种j 量，以心埘非规范操作造成的损害。 2 、换个角度随十驾驶员文化水下昔遍不苛，而操作叉比较繁琐，这也 导致了驾驶员的小按枷范操作= 3 、 艘驾驶空只配备几个湿不，i i i = 本信息的机械仪表，宴际操作中，钙驶人 员不便丑；时清楚观察，m 彰通过经验束刈抓斗姿态进行控制，从m 降低了成椅质 量，如粜能吱现时抓_ 上作叶 的并【j 状态指标的电r 肝幕牡示，驾驶儿就可以 山便地进行1 _ ! ；! 纠偏或更轻松的口动纠偏。 1 、小排除驾驶员追求i 程进度或山丁报酬上山挂钩的关东，而不按 蚬张操作，过分追求速度mi 能。 图4 简m 的i # 驶审 第1 章引言 1 3 地下连续墙抓斗纠偏过程受力分析 1 3 1 抓斗纠偏过程数学模型理论分析 下图为连续墙抓斗结构简图，假设抓斗高度为a ，宽度为b ，两推板中心线 垂直距离为l ，则具体分析如图5 所示。 i j l k 、 图5 抓斗示意简图 当抓斗发生倾斜时，假设倾斜角度为， 在纠偏过程中，由于规范和实际 操作的不同，会对纠偏装置的结构和力学性能产生很大的影响，下面我们就分别 进行分析： 1 、当按规范操作，提斗纠偏时，由于抓斗没有和土层发生接触，所以纠偏 系统工作时受力更小，反应更快，且对纠偏系统的使用寿命有很大的好处。具体 情形如图6 所示： s 图6 正常纠偏时抓斗的情形 7 第1 章引言 当抓斗在抓取时，纠偏系统检测出抓斗倾斜超过极限值，若此时为。则进 行提斗操作，在抓斗离开土层回到槽体垂直正常的部位时进行反向的预纠偏。即 通过上下两组纠偏推板推动斗体向抓斗倾斜相反方向转动o 。由于斗体的长度远 大于推板伸出长度，并且斗体转动的角度很小，所以推板伸出长度s 可近似为： s = z 2 + 6 2 ( 1 1 ) 2 在纠偏推板受力方面，由于此时钢丝绳拉力与抓斗重力相互平衡，推板所受 土壤阻力以正推力为主，所以推板油缸可以较轻松地推出完成上述操作。 2 、当按一些工地驾驶员的方法，不提起抓斗，就让抓斗在土层里强行操作， 如图7 所示： 图7 非正常工作状态下斗体受力示意 由于抓斗插在土层之中，在抓斗斗体转动时，抓斗会受到很大的土壤阻力， 这就造成抓斗下部纠偏推板受到的阻力远大于上部纠偏推板，且斗体不再绕抓斗 中心转动，而是绕下推板转动。由于下推板受很大阻力影响，其伸出距离可忽略 不计，则此时要使抓斗回到垂直位置，上推板需伸出更长距离s 。 s 7 ：腼( 1 2 ) 且在受力方面上，下推板要承受比上推板大2 3 倍的力。也就是说当下推 板油缸到最大推力时，上油缸还有很大的裕量。 从上述分析不难看出，在这种极端工作情况下，推板油缸需要伸出2 倍于正 常工况下的长度，力能达到一样的纠偏效果，且要求油缸压力更大，对纠偏系统 液压回路的各项性能要求更高，提高了生产成本。 另一方面，对于抓斗制造商而言，由于驾驶人员素质水平不一，不能完全按 照规范行事，所以在抓斗的设计生产时，应该考虑这一点。适当增加一些裕量， 以保证抓斗能j 下常工作，减少抓斗的人为损害维修带给使用者的诸多不便。 第1 章引言 1 3 2 抓斗纠偏油缸尺寸确定 1 、纠偏油缸的选取 虽然在现场实际操作中存在种种的不规范现象发生，但向专业设计人员和老 师了解到大型连续墙抓斗在进行纠偏操作时都必须严格按照操作规范进行提斗 预纠，因此，在本推板式纠偏系统设计中无需考虑太多极端情况。 幽8 正常情况下斗体纠偏受力分析图 j 下常提斗情况下，纠偏油缸受力分析如图7 所示。纠偏油缸输出动力为f ， 两侧油缸水平距离为l ，倾斜角度为9 ，抓斗重心到钢索吊点距离为s 。则以吊 点为转轴的力矩平衡方程为： f i = g s s i n 秒( 1 3 ) 因为当0 很小时，s i n8 0 ，则 f l = g s 口 f ：= g s o ， 由已知的一些技术参数以及抓斗的一些初步设计，g = 2 0 t ，s = 4 m ，l = 5 m ，0 2 。则f = 5 5 k n 。因为油缸推力【3 7 】 9 第1 章引言 f 油= f + f 密+ f 背( 1 4 ) f 密为油缸的密封摩擦力；f ；为液压系统背压力；f 为外负载。 因为连续墙成槽机属于工程机械，其液压系统采用高压系统，所以按照设计 规范：该液压系统背压一般取1 2 3 0 m p a 3 8 1 则可得： f 背2 噜。s 背1 剧( 1 5 ) = 风( 1 6 ) 通过查阅液压缸中的各种密封件摩擦系数标准可知：f 基本在0 1 左右。 k = 风= o 1 f 油= f + k + f 背= 5 5 + 1 + 0 1 则可得该液压油缸至少应该具备的推力f 油27 2 k n 。 由液压缸中液压缸的设计标准可知：液压缸安全数的选定在有轻度液压 冲击时安全系数取1 2 5 1 5 。考虑到工程机械工作条件的恶劣程度，在这里取 1 5 。【3 7 j 则 f 油l o 8k n 。 通过参照机械设计手册第五卷中的液压缸设计标准，本文初步选定液 压缸的一些主要参数为： 油缸内径为4 0 m m ；活塞杆直径为2 2 m m ；速度比为1 4 6 ； 工作压力为i o m p a ；输出推力为1 2 5 7 k n 。 再参照机械设计手册第五卷中的工程机械用液压缸外径系列选用标准 可得：液压缸外径为5 0 r a m 。 另外，根据连续墙抓斗的结构设计和纠偏油缸的安装方式，本文初步选定液 压缸为：直线运动液压缸，安装采用尾部单耳环安装。【3 8 】 2 、油缸行程的确定 由前面的第一阶段报告分析可知，推板伸出长度s 满足： s k 审盯i k 为系数在0 5 1 之问。经计算，s 2 0 0 m m 。 考虑到抓斗宽度为9 8 0 m m ，且抓斗的工作环境，根据机械设计手册第五 卷中的液压缸气缸行程参数系列选用标准，本文初步选取：s = 2 5 0 m m 。1 3 8 1 l o 第2 章连续墙抓斗p r o e 建模设计及力学分析 第2 章连续墙抓斗p r o e 建模设计及力学分析 2 1 三维建模软件p r o e 简介 p r o e n g i n e e r ( p r o e ) 软件是美国p t c 公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ，参数技术公司) 于1 9 8 9 年开发的一种先进的工业、工程设计软件， 在支持产品并行开发环境方面具有独特的作用。p r o e 软件通过一系列全相关的 模块把多项设计工作联系起来，使各个相关部门可以同时致力于单一产品的开发 之中，具有在工业设计及机械设计方面的多项功能。它以单一数据、参数化、基 于特征、全相关性以及工程数据再利用等改变了传统设计的理念、成为当今世界 c a d 领域的新秀。由于其强大的功能，该软件已广泛使用与机械、电子、汽车、 模具、航空航天、家电、工艺造型设计等许多行业。 现在，p r o e 已经发展成为典型的c a d c a m 产品，在国内，无论是专门从 事c a c a e 圮a m 的研究人员还是从事具体产品设计的工程师，都在其研究和 产品开发工程中广泛地使用p r o e 。p r o e 对于从事c a d c a e c a m 研究和产品 开发的人来说，真可谓是如鱼得水。它最突出的特点就是实现了参数化管理，三 维与二维图元具有全相关性；也就是说，不管是对三维还是二维中的任意一个图 形元素进行怎么样的修改，其对应的二维或三维中相应的图形元素也会自动地进 行相应的修改。 目前，p r o e 的用户已遍布全球，由于p r o e 引进了行为建模的功能，因而， 可以根据用户的需要进行优化设计，这几乎囊括了所有设计及制造领域的三维建 模、仿真分析、虚拟制造以及产品数据管理等的全部或主体功能。 p r o e 系统主要包括p r o e 、p r o n 订e c h a n i c a l 和p r o h e l p 三个组成部分。 其中p r o e 是三维造型的核心：p r o m e c h a n i c a l 主要对三维造型进行运动学 与动力学参量的计算、模态分析与运动模拟，也可以进行简单的三维造型，有关 运动学及动力学仿真方面的问题，可使用美国m d i 公司推出的a d a m s 多体系 统动力学仿真软件及参考有关方面的书籍：p r o h e l p 主要提供在线帮助。【3 9 】 2 1 1p r o e 的特点 当今世界上领先的企业现在j 下在追求的战略是并行工程，在该环境中，把产 品投放到市场所需的过程是同时进行，而非顺序进行的。在概念设计进行的同时， 可以较早创建详细的零件和装配体，进行优化设计，完成工程图的绘制，并且定 义制造工程。这些功能的并行交迭极大地缩减了产品投放市场的时间。 p r o e 软件开发环境在支持并行工程方面是独一无二的。通过一系列完全相 第2 章连续墙抓斗p r o e 建模设计及力学分析 关的模块他们能够表达产品的外形、装配及其功能一一p r o e 能够把多 个部门同时致力于同一产品模型中。这包括在工业设计和机械设计方面的多项功 能，包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。概括来讲， p r o e 软件的特点有如下几个方面。 1 、相关性 p r o e 的所有模块都是齐全的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的 修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设 计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任 何损失，使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥作用。 2 、基于特征的参数化造型 p r o e 使用户熟知的特征成为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普 通的机械对象，他们包含了周围环境的一些特征，并且可以按预先设置很容易地 进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟 悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其他学科都是用这些领域独特的特征。通过给这些特 征设置参数( 不但包括几何尺寸，还包括非几何属性) ，然后使修改参数很容易 地进行多次设计迭代，实现产品开发。 3 、数据管理 加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率， 必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研 制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了p r o e 独特 的全相关性功能，因而使之成为可能。 4 、装配管理 在p t c 公司，通常开发的是产品，而不是一个个零件。因此，p r o e 的基本 结构能够使用户利用一些直观的命令，例如：“啮合”、“插入 、“对齐等很容 易地把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构 造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。 5 、工程数据重用 目前，许多企业逐渐意识到，使用标准的、已经证明了的设计作为新产品的 开发起点，可以获得巨大的生产效率并且降低成本。这种方法称为工程数据重用 ( e d r ) ，它能够使整个产品家族快速地创建起来。p r o e 的基本结构使e d r 易于 实现。随着将来几代产品的创建，用户会发现从p r o e 中获得的益处将大大超过 最初的投资。 1 2 第2 章连续墙抓斗p r o e 建模设计及力学分析 6 、易于使用 菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选项的最普通选项，同 时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式容易学习和使用。 7 、硬件独立 p r o e 可以在所有主要的u n i x 、w i n d o w sn t 以及w i n d o w s9 5 平台上运行， 并且在每一个平台保持同样的外观，使用起来的感觉也一样。用户根据需要选择 最经济的硬件配置，也可以选择异型结构的多品种平台。由于p r o e 独特的数据 结构模式，产品信息可以毫无困难地在不同平台间流动。 2 1 2p r o e 主要模块介绍 p r o e 是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统， 是一个参数华、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。 p r o e n g i n e e r ( p r o e ) 是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中 功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型、三维上色实体或线框造型、设 计完整工程图及产品不同视图( 三维造型还可以移动、放大或缩小和旋转) 。p r o e 是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专门功能来实现的，其中包 括：筋、槽、倒角和抽空等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自 然、更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这种系统的参数功能是采用符号形 式赋予形体尺寸，不像其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程是可 任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其他相关的特征 也会自动修正。这种功能使得修改更为方便并可令设计优化更趋完美。造型不单 可以在屏幕上显示，还可以传送到绘图机上或一些支持p o s t s c r i p t 格式的彩色打 印机上。p r o e 还可输出三维和二维图形到其他应用软件，诸如有限元分析及后 处理等软件，这都是通过标准数据交换格式来实现的，用户更可配上p r o e 软件 的其他模块或自行利用c 语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下( 没 有任何附加模块) 具有大部分的设计能力、组装能力( 人工) 和工程制图能力， 并且支持符合工业标准的绘图仪和黑白及彩色打f 0 , j t 的二维和三维图形输出。 p r o e 功能如下： 1 、特征驱动( 例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等) 。 2 、参数化( 参数= 尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等) 。 3 、通过零件的特征值之间，载荷边界条件与特征参数之间( 如表面积等) 的关系来进行设计。 4 、支持大型、复杂组合件的设计( 规则排列的系列组件，交替排列， p r o p r o g r a m 的各种能用零件设计的程序化方法等) 。 5 、贯穿所有应用的完全相关性( 任何一个地方的变动都将引起与之有关的 第2 章连续墙抓斗p r o e 建模设计及力学分析 其他每个地方变动) 。其他辅助模块将进一步提高扩展p r o e n g i n e e r 的基本功 能。 2 1 3p r o e 的工作模式 ( 1 ) 模型类型 在p r o e 中，可以使用装配模型、零件模型和绘图模型。在p r o e 中，每一 个模型均伴随着一格文件。系统会根据下列伴随在模型名称后的扩展名自动辨识 出模型的类型( 辨识它是装配、零件还是绘图类型) 。 “p r t ”表示零件模型。 “a s m ”表示装配类型。 “d r w 表示绘图类型。 当创建类型时，系统会根据所选取的类型，自动给模型增加扩展名。当打开 模型时，可以过滤出模型的类型。 处于不同的工作模式，可以创建或检索不同的模型类型。 草图模式( s k e t c h e rm o d e ) ：允许创建一个参数化的草图模型。 零件模式( p a r tm o d e ) ：允许创建一个三维模型。 装配模式( a s s e m b l y ) ：允许创建一个将零件组装配在一起的三维模型。 绘图模式( d r a w i n gm o d e ) ：允许创建一个有零件或装配尺寸标注的二维绘 图模型。 在p r o e 中，也可以已开始先构造零件或其他类型的模型，然后再复制信息 到另一个模型中。 ( 2 ) 建模准则 无论在p r o e 中建立什么模型，都会有一个共同的思路，即设计意图( d e s i g n i n t e n t ) 。用p r o e 所提供的工具可以准确地体现产品模型的设计意图。 一记录设计准则 在尚未开始创建模型之前，应该规划好要生成的模型的设计准则，是后续工 作在创建每一个特征时都能依此准则，及共同参考所谓的设计意图。 特征的次序( o r d e ro f f e a t u r e s ) 。 特征类型( f e a t u r et y p e ) 。 特征的形式( f e a t u r ef o r m ) 。 特征的复制( f e a t u r ed u p l i c a t i o n ) 。 一使用p r o e 作为参数化建模工具 在设计的过程中，p r o e 可随时修改模型( 装配、零件与绘图) 。当进行设计 准则规划时，无论对模型作任何尺寸上的修改，涉及意图依旧保持不变。p r o e 的一个主要功能就是生成父子( p a r e n t c h i l dr e l a t i o n s h i p ) 关系，或不用父子关 1 4 第2 章连续墙抓斗p r o e 建模设计及力学分析 系，也可通过关系式( r e l a t i o n s ) 创建尺寸，彼此生成密切的关系。 p m e 全相关的优点 当在装配与绘图中使用p r o e 所提供的相关性时，它会自动地结合在模型当 中。而且在对模型作修改时，系统也会维持设计意图不变。所以使用p m e 时可 以多利用此功能所提供的优点。 改变设计意图 在p m e 创建模型时，一般来说没有办法实现决定整个设计。p r o e 除可让 设计者能够掌握模型的设计意图外，也提供了下列的选项。 l 、重定义( r e d e f i n e ) ：改变特征中原来定义的元素或装配中已定义的约束。 2 、新参考( r e r o u t e ) ：改变模型中的特征与原件所具有的外部参考。 3 、插入模式( i n s e r tm o d e ) ：通过将特征与原件插入重新生成循环中的方 式来重新生成循环。 4 、重新排序( r e o r d e r ) ：改变零件的特征或装配中的元件的重新生成次序。 5 、替换模式( i n t e r c h a n g em o d e ) ：通过另一个对等模型作交换的方式来改 变装配的意图。 以上这些工具与技巧可使设计这在p r o e 中捕获设计意图。 下图说明了p r o e 的设计流程。 图9p r o e 设计流程图 1 5 第2 章连续墙抓斗p r o e 建横醴h 投力学分析 2 2 连续墙抓斗的3 1 ) 建模 绌含抓斗设技术要求和第翱佝理沦分析所得的汕缸参数，川p r o e3 d 建模软什埘抓斗及内部纠偏油缸推板系统每一个零件进行建模，并最终装配成一 个完整的抓_ 。如r 幽所小： 蚓1 0 带纠偏系统抓i 模犁 其c 一，在用p r o e 软件进行每个零件的建模及皱配过程中遇到的问题有以下 几个方面： 1 、在抓q 建模的过程l | _ 】，人最相同t 寸的零什存在。冈此，我在建模过 羁! 中充分利川了p r o e 瓠人的复制功能，使甜t 作量人人减少。 2 、在装配过程巾，经常遇到选择零件与部什叫足选择“插入”还足“匹配” 的问题，如销钉插入7 l ，却发现方向不对。解决办法是台理选择基准而，并根据 实际情况，选择最优的力式完成装配。 3 、装配过程巾复制装配的问题。这个问题曾在我的吱际装配过程中导致了 我装配失败，重新来过的严重后果。冈为p r o e 不仅可以复制零件，而且还可以 在装配过程中使丹】镜像等功能。这就容易让人在对称装配时，很容易想到在装配 好一半后，使用镜像功能直接完成另半。但足，由十镜像导致了另半的零件 没有各自独立的命名，而与被复制的零件采用一样的命名。这就导致了建模完成 第2 章连续墙抓斗p r o e 建模设计及力学分析 后的分析工作无法展开。因为像本文后面采用的a d a m s 软件，它对导入的装配 体有严格的要求，必须是每一个零件都有属于自己的独立的名称。而镜像的p r o i 模型有一半是相同的名称，这就导致p r o e 中的模型无法正常导入a d a m s 中进 行分析的严重后果。 总之，在注意到这些可能发生的问题后，连续墙抓斗的p r o e 建模终于顺利 完成了。 2 3 抓斗纠偏系统工作原理介绍 随着连续墙技术的推广，目前连续墙建设深度也随之逐步增加，过去那种只 依靠抓斗斗体保持垂直的方法已经不能满足现在连续墙建设的精度要求。 目前，各国先进连续墙抓斗均采用抓斗纠偏系统来保证抓斗在抓掘过程中进 行实时监控并自动进行纠偏，以此保证施工的精度要求。连续墙抓斗纠偏系统当 前主要有转斗式和推板式两种，本文研究推板式抓斗纠偏系统。 2 3 1 推板式连续墙抓斗纠偏系统结构 从图1 l 不难看出，连续墙抓斗主要由抓斗、斗体框及框内安装的纠偏系统 三部分组成。抓斗纠偏系统由安装在斗体框内前后面各四块和两侧各两块共计十 二块推板油缸系统构成。其中前后面的八块用于抓斗纵向纠偏，两侧四块用 于抓斗横向纠偏。推板一油缸系统结构如下图1 1 所示，通