基于ADAMS的连续采煤机履带行走装置的仿真研究.pdf

第 5 期 总 第 162 期 2010 年 10 月 机 械 工 程 与 自 动 化 M E C H A N IC A L E N G IN E E R IN G A U T 0 M A T IO N No 5 0 c t 文 章 编 号 1672 6413 2010 05 0023 03 基于 A D A M S 的连续采煤机履带行走装置的仿真研究 梁 健 1 太原理工大学 机械工程学院 山西 常 宗旭 刘混举 丁志勇 太原030024 2 太原矿 山机器 集团公 司 山西 太原030032 摘要 利用 U G 建 立连续采煤机履 带行走装置 的简 化模型 然后将模 型导入 A D A M S 对履带行走装置进行 动 力学仿真分析 从仿真 曲线中得 出行走部驱动轮的运 动规律及驱动轮与履带板 的接触力变化规律 从而为连续 采煤机 的产 品开发提供 了有价值 的依据 并对其他 大型机械履 带行走装置 的动力 学仿 真具有一定的参考价值 关键词 A D A M S 连续采煤 机 履带行走装置 仿 真 中图分类号 T D 421 6 5 T P 391 9 文献标识码 A 0 引 言 连续采 煤机是 现代 化 的采掘设 备 履 带行走 装置 是连 续采煤 机 的重 要 组成部 分 在连续 采 煤机工 作过 程 中 履带 行走装 置 承受着来 自煤壁及 底 板 的巨大载 荷 直接影响连续采煤机的工作可靠性l 本文在虚拟 环境 中对履带行走装置进行仿真分析 以降低开发成 本 缩短开 发周期 同时提 高产 品 的市 场竞 争力 1 连续 采煤 机履 带行 走装置 工作 原理 连续采煤机履带行走装 置的工作原理 如下 驱 动轮 在减速器驱 动转矩 的作用下 通过轮齿 和履 带板之 问的 啮合 连续不断地把履带从后方卷起 接地的那部分履 带给地面一个 向后 的作 用力 而地面相应地 给履带一个 向前 的反作用力 这个反作 用力是推动机 器 向前行驶 的 驱动力 当驱动力足以克服行走阻力时 履带架就在履 带上表面向前滑动 从而使机器向前行驶l 2 连续采 煤机行走 时 需要 不 断克服 行走 中所 遇到 的各种 运动 阻力 牵 引力 也就 是用 于克 服这 些运 动阻 力 的 图 1 是连续 采煤 机履 带行走 装 置 的受 力 简图 其 中 G 为连续采 煤机 的整 机重力 F 为履 带行走 装 置的内阻力 F 为地面与履带板之间的摩擦力 F 为 地面支撑力 为地面对履带板的阻力 牵引力计算 原 则 是 行走 装置 的牵 引力应 该 大于总 阻力 而 牵引 力 又不应 超 过履带 板与地 面 的附着 力 图 1 连 续采煤机履 带行走装置 的受力简图 2 动 力学仿 真模型 的建 立 用 U G软 件建 立 履 带 行 走 装 置 各 部 件 的 三 维 模 型 装 配完 毕后 导入 A D A M S V i ew 环境 中 然后在 每 个 构件 上施加 各种 约束 以及 接触力 从 而确定 各个 构 件 的相对 运动 关 系 并 将不 同构件 连接起 来 组成一 个 完 整 的虚拟样 机 动力学 模 型 2 1 模 型 简化 如 果 将 整 个 履 带 行 走 装 置 上 的 所 有 部 件都 导 入 A D A M S 进行仿 真 那会 使仿 真变得 很 困难甚 至不 能 实 现 因此 在仿 真 的时候 需要 将模 型进行 简化 模 型简化原则是 将各履带板之间的连接销轴等零件 简化掉 对仿真结果影响不大I4 作为一个单独的牛 顿惯性参考系 地面 在这里也作为一个构件 它固 定 在一个 绝 对静 止 的空 间 中 属 于 地 面 上 的 任何构件 的速度和加速度均为零 为提高建模的灵 活性 将 履带 架 简化 并将 驱动轮 和导 向轮 都与履 带 架 铰接 依据 上述 简化 原则 得到 的连续 采煤 机履带 行 走 装置模 型如 图 2 所示 图 2 U G中履带行走 装置模型 模型建立完毕后 使用 U G 与 A D A M S 的良好接 口Parasol i d 将装配图整体从 U G 导人 A D A M S 中 因为接 口良好 故整个 模 型每个 零件 的属性 包 括体 积 密 度 和零 件 的定 位关 系都 不会 改变 数据 也不会 收稿 日期 2010 04 30 作者简介 梁健 1 985一 男 山东德州人 在读硕 士研究生 主要研究方向为机械系统动态仿真 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 24 机 械 工 程 与自 动 化 2010 年第 5 期 有任何丢失 2 2 施 加 约束 创建 了模型后 需要添加约束 定义各个构件的 相对运 动关 系 2 3 施 加 接 触 力 在履带行走装置中 由于履带板块数 比较多 运 动的时候驱动轮 导向轮及履带架都与每块履带板有 接触力作用 所以用常规的方法来逐个施加接触力既 不准确也难 以实现 在建 立动力学模 型过程 中 每个 接触 力 的施 加都 可编制一段 m ac ro 语 句来实 现 这样 会 大大简化 接触力 的施加过 程 5 2 4基 本动力 学载荷 的处理 为了使履带行走装置的动力学仿真顺利进行 将 各种阻力计算出来后 以集中力的形式直接施加到履 带行走装置质心的位置上 这样对仿真结果影响不是 很大 而且既可以减少计算量 也能提高仿真速度 3 动力 学仿真分 析 3 1仿真 设置 根据 A D A M S 中提供的已有单位 将整个系统单 位设置为 M K S 另外求解器选用 G ST IFF 的I3 格式 并将 Error 改为 0 1 以满足系统要求 在左 右两驱 动轮上施加速度驱动为 3O 0d ti m e 表示驱动轮每 秒钟转过 3O 仿真时间为10 S 步数为1 000 3 2 仿真 结果分析 仿真结束后可 以进入 PostP roc essor 后处理模块 查看所需的结果曲线 仿真结果如图 3 图 7 所示 图 3右驱动轮质心水 平方 向速度 由图 3 和图 4 可看 出 当驱动轮施加恒定的转速 时 驱 动轮质 心 的水平 速度 和加速 度并非 是均匀 的 而 是呈 周期性 变化 这些 周期性 的波 动是 由于驱动轮 与 履带板啮合时突然受力造成的 在每个变化周期中间 加速度曲线有一些不规律的突然增大点 这是因为在 仿真中驱动轮与履带板的接触面出现棱角与平面接触 的现象 所以力出现突然增大 但在真实环境中这种 绝对的棱角与平面的接触是不存在的 所以这些突然 增 大点 可 以忽 略 一 一yotl q Jdon9 b O 1 2 3 4 5 t S 图 4 右 驱 动 轮 质心 水平 方 向加 速 度 由图 5 可以看出 驱动轮开始运行 1 履带板慢 慢 与驱动轮 啮合 1 履带板与驱动轮之间水平 轴 方 向的接触 力沿着 轴 正 向 当履 带板运 动到 与 驱动轮质心在同一个水平面上时 1 履带板与驱动轮 之间 x 轴方 向的接触力达到最大值 而当 1 履带板 高于驱动轮质心的时候 1 履带板与驱动轮之间 轴方向的接触力仍然是沿着 x 轴正 向 直到 1 履带 板与驱动轮之间脱离啮合 当 1 履带板与驱动轮之 间脱 离啮合后 它 们之 间 x 轴 的接触力 就变为零 垂 直 y 轴 方向上 1 履带板与驱动轮之间的接触力曲 线为近似正弦曲线分布 刚开始运动时 1 履带板与 驱动轮之间的接触力是负值 当履带板运动到与驱动 轮质心在同一个水平面上的时候 它们之间 y 轴方向 的接触力变为零 1 履带板与驱动轮继续啮合运动 1 履带板与驱动轮之间的接触力由沿着 y 轴负方向 转 变成沿 着 y 轴 正方 向 随着履 带板脱 离驱 动轮 y 方 向作用力 减小 为零 右驱动轮与 1 履带板 轴方 向接触 力 飞 一 h r 小 一 谑 厂 l 一 一 右 驱 动 辜 与1 履 带 板z轴 方 向 掊 角 由 力 一 p 右 亟 动 轮 与l 履 带 j 反 r轴 方向 接 触力 图 5右驱动轮与 1 履 带板的作用力 0 一 一 一 一 山 一 m 珈 哥 弓 委 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2010 年第 5 期 梁健 等 基 于 A D A M S 的连 续采 煤机 履带行走 装置 的仿 真研 究 2 5 从图 6 和图 7 可以看出 驱动轮与履带板之间在 水平方向和竖直方向的受力变化情况很相似 而且在 竖直方向近似可以看成正弦曲线 这和普通链传动基 本吻合 各履 带板 与驱 动 轮之 间的作用 力基 本上 呈现 相同的变化规律 只是在时间上存在相位差 这是由 于各履带板和驱动轮相对位置不同而引起的啮合时间 上的差 异 4结 束语 2 5 OO 16 25 7 5 O O 本 文运 用 U G 软件 建立 了连 续采煤 机履 带行 走装 置的简化模型 在 A D A M s V i ew 环境下 结合实际情 况建立虚拟样机模型 对机构进行动力学仿真分析 从 而验证连续采煤机履带行走装置设计的合理性 这对 改善关键零部件设计有很重要 的作用 并为后续的有 限元分析打下了坚实的基础 同时对其他大型机械履 带行走装置的动力学仿真研究有一定 的借鉴意义 有 动轮 考 方 力 板 水 平 方 接 触 力 一 l 石 眍动轮与 4 履带 板 K 平方 向接触 力 L 1 f 一 一 t f t 2 3 4 图 6右 驱动轮 与 1 4 履 带板水 平方 向的作用力对 比 8 9 1O f 一 右驱动轮与 1 履带 IJ 右驱动轮与 履 f 忱 亩亡南 触 t 1 广 厂 1 板 竖 直 方 向 接 触 力 一 一 驱动 一 板 竖 直 沦 与 2 履 带 右 驱 动 等 盏 蒜 疗 向 接 触 力 板 竖直 i 1 图 7右驱动轮与 1 4 履带板竖直方 向的作用力对 比 参考文献 与试验 EJ 煤炭学报 2009 3 415 419 1 赵建 军 连 续采 煤机结 构综 合 分析 J 煤 矿机 械 1998 4 隋文涛 大 型矿用挖 掘机履带式 行走装 置动力 学仿真研 6 29 31 究 D 长春 吉林大学 2007 35 40 2 李春 英 赵瑞 萍 两 种履 带行 走机 构 的讨论 rJ 煤 矿机 5 吴 彦 冯泾 若 汪崇 建 虚拟样机 技术在采 煤机械设 计 中 电 2008 4 79 82 的应用 J 煤矿机电 2003 1 4 7 3 宿月文 朱爱斌 连续采煤 机履 带行走系统驱动功率 匹配 S i m u l ati o n o f C ra w l er Wa l k i n g Mec h an i sm of C o n ti n u ou s Mi n er B a sed o n A D A MS LIA N G Ji an CH A N G Z ong XU L IU H un ju D IN G Z hi yong 1 C ol l ege of M ec han i c al E n gi neeri ng T ai yuan U ni versi ty of T ec hn ol ogy T ai yuan 030 024 C h i na 2 D esi gn Insti tute of T ai yu an M i ni ng M ac hi nery C o L td T a i y u an 0 3 0 0 3 2 C h in a A b strac t T h i s pap er set u p th e si m pl i fi ed 3D so l i d m od el o f th e c raw l er w a l k i n g m ec h an i sm o f a c on ti n u ou s m i n er i n U G so ftw are th en i m p orted the m o de l i n to A D A M S softw are and g ot th e resul t o f dy n am i c si m u l ati o n a nal ysi s o f th e c o n ti n u ou s m i n er c raw l er w a l k i n g m ec h an i sm T h e l a w s of d ri vi ng w h eel m o ti o n an d th e vari a ti o n o f c o n tac t fo rc e be tw ee n d ri vi n g w h eel an d the trac k p l a te w ere go t from th e resu l t T h i s w ork p rov i des a val u ab l e b asi s fo r the d evel op m en t of c o nti nu