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1974 抱索器 全套 PDF 说明书 只能 作为 参考

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1974_抱索器(全套图PDF说明书只能作为参考),1974,抱索器,全套,PDF,说明书,只能,作为,参考

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分类号UDC 串C E N T R A L硕士论文题目学科、专业研究生姓名导师姓名及专业技术职务原创性声明l i i ir ll llrll ll lll l lIIIY 1914 0 2 3本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名：日期：丝年厶牡日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：导师签越日期：赳年色一月摘要本文针对重力式抱索器自身较重、体积大、在脱绳时容易卡死、不能进行斜坡转弯、铰孔容易开裂等缺点和不足，以及设计理论体系的不完整，研究抱索器的运动特点及结构特征，提出其核心部件的四杆机构工作原理。为设计抱索器抱紧力，采用杠杆比衡量抱索器四杆机构的增力效果，进而确定抱索器关键零件的有效尺寸。为保证抱索器抱绳的稳定性，又能在脱绳时灵活自如，采用包形系数衡量其作用效果，通过钳口理论，设计抱索器的包形角。增设轮架和摩擦板，为抱索器脱绳后在轨道上的运行提供平衡支撑和动力。最后，通过仿真分析和实验研究论证设计理论的可靠性，为抱索器的开发和设计提供理论依据和数据支持。针对可摘挂式抱索器系统特性要求，采用P r o F E 进行数字样机装配并检查装配精度，为抱索器的优化设计提供尺寸设计依据和装配数据。利用P r o M e c h a n i c a l 平台对抱索器进行运动分析，检测抱索器各个零件的运动状态以及是否存在空间干涉和运动过度现象，为抱索器活动抱卡的张开角度提供三维数据，确保抱索器运动性能的实现。通过A N S Y S 仿真模态分析，提取抱索器的模态参数，改善抱索器结构布置和尺寸，提高易引起共振的低阶固有频率，减少因振动对抱索器零部件造成的损坏，确保抱索器安全稳定运行。再运用A N S Y S 应力应变仿真模块，研究应力应变的分布规律，对活动抱卡应力集中的危险部位( 铰孔和内外抱体连接处) ，采用增厚或增大过度角等安全设计手段减小应力集中，保证抱索器的危险截面的可靠性。实验研究中引入间接测力概念，通过测定抱索器抱紧钢块的变形，获得钢块所受压力即为抱索器抱紧力，经过反复测试，求得抱索器平均杠杆比，验证设计理论的可靠性。通过抱索器试验模态，对抱索器低阶自然频率的测定，验证抱索器结构设计的可靠性，以及仿真模态分析时边界条件设定的合理性。借助应变实验，测试抱索器内外抱体关键部位( 抱头和铰孔) 的应变量，对仿真中应力应变分布规律进行校验，确定抱索器核心零部件的危险截面，并优化危险截面的承载能力。本文对可摘挂式抱索器从理论、仿真到实验进行系统性的分析研究，为抱索器的优化设计和优化性能提供理论及实验数据，经过三方面的对比分析，用理论计算指导抱索器的设计，以仿真分析优化抱索器活动抱卡的结构和尺寸，最后以实验检验优化后的效果及前期设计的准确性，为企业的研发和生产提供参考。关键词：可摘挂式抱索器，模态分析，应力应变分析，动力学分析，抱紧力T od e a lw i t ht h eh e a v ys e l f - w e i g h t ，i n c a p a b l eo fm a k i n gt u r n so nas l o p ea n de a s il yc r a c k e dr e a m e dh o l e s ，a sw e l la st h el a c ko fi n t e g r a lt h e o r e t i c a ls y s t e mt oa i dd e s i g np r o c e d u r e ，t h ek i n e m a t i c sa n ds t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r i pi Ss t u d i e di nt h i ss t u d y T h eo p e r a t i o np r i n c i p l e so ft h e4 一b a rm e c h a n i s m ，t h ec o r ep a r to ft h eg r i p ，a r ep r o p o s e d T h eh o l d i n gf o r c eo ft h eg r i pi sd e s i g n e db a s e do nt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dt h ef o r c ea m p l i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo ft h e4 b a rm e c h a n i s mi Sc h a r a c t e r i z e dw i t ht h ec o n c e p to fl e v e rr a t i o T h ed i m e n s i o n so ft h eg r i p sc o r ep a r t sa r ed e t e r m i n e db yt h ed e s i g no fap r o p e rl e v e rr a t i o T h ee n v e l o pa n g l ei sc a l c u l a t e dw i t ht h ej a wt h e o r y ,w h e r et h eg d pp e r f o r m a n c ei sc h a r a c t e r i z e dw i t ha ne n v e l o pc o e f f i c i e n t Ap r o p e re n v e l o pc o e f f i c i e n te n s u r e sb o t ht h es t a b i l i t yd u r i n gt h eg r i p i n ga n dt h ef l e x i b i l i t yd u r i n gt h ed e r a i l i n g W h e e lc a r r i e ra n df r i c t i o nb o a r da r ei n s t a l l e dt os u p p l yt h eb a l a n c ep o i n ta n dp o w e rf o rt h eg d pt or u na f t e rd e r a i l i n g T h er e l i a b i l i t yo ft h ep r o p o s e dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t si Sa n a l y z e dt h r o u g hb o t ht h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t ，p r o v i d i n gd a t aa n dt h e o r ys u p p o r tt ot h ed e v e l o p m e n ta n dd e s i g no fg r i p s A c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fs y s t e mp e r f o r m a n c eo fd e t a c h a b l eg r i p ，a s s e m b l ea c c u r a c yo fd i g i t a lm o d e li sa s s e m b l e da n di t sa s s e m b l ya c c u r a c yi Sc h e c k e di nP r o E I tp r o v i d e sas p a t i a lc o n c e p ta n da s s e m b l yd a t af o ro p t i m u mg r i pd e s i g n T h ek i n e m a t i c so ft h eg r i pa r ea n a l y z e di nP r o M e c h a n i c a lt oo b t a i nt h em o t i o ns t a t eo fe a c hp a r ta n dd e t e c tt h ep o s s i b l es p a t i a li n t e r f e r e n c eo rt h ee x c e s s i v em o t i o n w h i c hp r o v i d e st h r e ed i m e n s i o n a ld a t at ot h eo p e na n g l eo ft h em o v a b l ec l i pt og u a r a n t e et h er e a l i z a t i o no fk i n e m a t i c sp e r f o r m a n c eo ft h eg r i p S i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tw i t hA N S Y Ss o f t w a r et oi n v e s t i g a t et h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s sa n ds t r a i ni nt h eg r i p A c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ec r i t i c a ls e c t i o n si nt h em o v a b l ec l i pw h e r es t r e s sc o n c e n t r a t i o no c c u r sa r ei m p r o v e db yt h i c k e n i n go ri n c r e a s i n gt h et r a n s i t i o na n g l et og u a r a n t e et h er e l i a b i l i t yo ft h ec r i t i c a ls e c t i o n si nt h eg r i p I nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y , t h ec o n c e p to fi n d i r e c tf o r c em e a s u r e m e n ti si n t r o d u c e dt om e a s u r et h ed i s t o r t i o ni nt h es t e e lc l i po ft h eg r i p ，c o r r e s p o n d i n gt ot h ep r e s s u r eo ft h ec li p ，w h i c hi se q u a lt ot h eg r i p p i n gf o r c eo ft h eg r i p A f t e ras e r i a lo fm e a s u r e m e n t s ，t h ea v e r a g el e v e rr a t i ow a sc a l c u l a t e d ，w h i c hw a su s e dt ov e r i f yt h et h e o r e t i c a ld e s i g na n dc a l c u l a t i o n ，a sw e l la st h er e a s o n a b l e n e s so fb o u n d a r yc o n d i t i o ns e t t i n g sf o rm o d a la n a l y s i ss i m u l a t i o n T h r o u g ht h es t r a i ne x p e r i m e n t s ，t h et o t a Is t r a i ni nk e yp a r t so fi n n e ra n do u t e rc l i p ，i e c l i ph e a da n dr e a m e dh o l e s ，w e r em e a s u r e dt oc h e c kt h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o no b t a i n e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o na n dd e f i n et h ec r i t i c a ls e c t i o n si nt h eg r i p Sc o r ep a r t s T h em e a s u r e m e n t sw e r ea l s ou s e dt oe n h a n c et h el o a dc a p a c i t yo ft h ec r i t i c a ls e c t i o n si nl a t e ro p t i m i z a t i o np r o c e s s T h es y s t e m a t i ca n a l y s i sa n di n v e s t i g a t i o na r ec a r r i e do u to nt h ed e t a c h a b l eg r i pt h r o u g ht h et h e o r e t i c a l ，t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yt op r o v i d et h e o r e t i c a ld a t af o rt h eo p t i m i z a t i o no fm o v a b l ec l i p T h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa r eu s e dt og u i d et h e 酊pd e s i g n S i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tt oo p t i m i z et h es t r u c t u r ea n dd i m e n s i o n so ft h eg r i p E x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt ov e r i f yt h eo p t i m i z e dd e s i g na n di t sa c c u r a c y T h ew o r kc o m p l e t e di nt h i st h e s i sp r o v i d e sab e n e t i c l a l。一r e f e r e n c ef o rt h ei n d u s t r y K e y w o r d s ：d e t a c h a b l eg r i p ，m o d a la n a l y s i s ，s t r e s sa n ds t r a i na n a l y s i s ，k i n e m a t i ca n a l y s i s ，h o l d i n gf o r c eI V 口罩I = l 习弋摘要IA B S T R A C T I I I目录V第一章绪论11 1 论文研究背景11 2 架空乘人索道研究及发展概况21 3 架空乘人索道抱索器的国内外研究现状及发展趋势51 3 1 抱索器研究更迭51 3 2 可摘挂式抱索器研究发展现状61 4 有限元法在可摘挂式抱索器中的应用研究81 5 课题的来源、意义及论文主要研究内容91 5 1 课题来源及研究意义91 5 2 论文的主要研究内容10第二章可摘挂式抱索器工作机理及结构设计1 22 1 可摘挂式抱索器工作机理研究1 22 2 可摘挂式抱索器数学模型研究1 32 3 可摘挂式抱索器关键部件计算l52 3 1 抱索器整体设计思路l52 3 2 内抱体力学性能设计1 62 3 3 外抱体力学性能设计1 72 3 4 外抱体抱头部分包络角及杠杆比设计182 4 可摘挂式抱索器总体设计2 02 5 本章小结2 l第三章可摘挂式抱索器动力学分析及模态分析2 23 1 可摘挂式抱索器仿真分析思路2 23 1 1 抱索器运动仿真分析2 23 1 2 抱索器有限元仿真前处理2 23 1 3 抱索器接触分析一2 33 1 4 抱索器模态分析2 33 2 可摘挂式抱索器P r o E 建模及运动分析2 43 2 1 几何模型建立2 43 2 2 虚拟装配2 53 2 3P r o E 机构运动分析2 73 3 可摘挂式抱索器有限元模念分析关键技术研究2 93 3 1 有限元模型建立及结构简化2 93 3 2 模型网格划分3l3 3 3 有限元接触分析3 l3 3 4 有限元模念分析及模念参数研究3 33 4 抱索器幅频特性仿真值与测试值对比分析3 53 5 本章小结3 8第四章可摘挂式抱索器有限元应力应变仿真分析3 94 1 抱索器整体应力应变参数设定及仿真分析3 94 2 抱索器活动抱卡应力应变仿真结果分析4 l4 2 1 内抱体应力应变分布变化规律4 l4 2 2 外抱体应力应变分布变化规律4 34 3 本章小结4 4第五章可摘挂式抱索器实验数据处理及结果分析4 55 1 抱索器活动抱卡抱紧力测试及杠杆比测试4 55 2 抱索器活动抱卡应变测试及结果分析4 95 2 1 测试方法和装置4 95 2 2 内抱体应变测试及结果分析5 05 2 3 外抱体应变测试结果与分析5 l5 3 本章小结5 3第六章全文总结与展望5 46 1 全文总结5 46 2 未来展望5 5参考文献5 7致谢6 2攻读硕士学位期间主要研究成果6 3硕I j 学位论文第一章绪论1 1 论文研究背景第一章绪论索道是一种特殊的交通运输工具，通常分为两类，一类是地面架空乘人索道，又称吊车、空中缆车【2 】，主要应用于旅游景点的游客或货物的运送。目酊也被作为繁华都市的公共交通工具使用1 3 J ，如国内重庆的嘉陵江过江索道和长江过江索道以及美国纽约市罗斯福岛空中索道，如图1 1 所示。另一类是地下架空乘人索道即矿山载人索道【4 】，主要运用于矿山作业人员和矿石的运送，其中用来输送作业人员的索道俗称“猴车，1 5 1 。二十世纪6 0 7 0 年代欧美国家采矿业正是蓬勃发展时期，载人索道的生产与研发也达到了顶峰。当时可查相关专利达到2 3 2项，但是随着资源的匮乏，人们对环境保护意识的增强，二十世纪7 0 年代中后期欧美部分厂家开始研发地面旅游索道，用于滑雪场及旅游景点的旅客输送【6 ，7 1 。二十世纪6 0 年代后期中国山东淄博煤矿架设了国内第一条矿山载人索道，也拉开了国内矿山应用索道进行人力输送的序幕【5 J ，但是由于经济条件的限制，这一应用并没有得到有力推广。图1 1 嘉陵江过江索道及罗斯福岛空中索道二十一世纪中国迎来了发展新纪元，随着改革开放的深入，国内能源需求市场的扩大以及经济快速发展的需要，中国采矿业得到了势如破竹的发展。同时市场竞争也日益剧烈，提高采矿效率和改善采矿作业工人工作环境的需求迫在眉睫。中国加大了矿山载人索道技术的引进，并经过国内多家研究机构和公司研究推广，架空乘人索道在采矿业发挥着越来越重要的作用【6 1 。目前被大多数人所熟知的是旅游索道，其为世界各地的名山大川、滑雪胜地甚至是较为前沿的大都市的客流运送提供了极大的便利。其实，在旅游索道兴盛的同时，矿用载人索道也正蓬勃发展。尽管索道的应用如此广泛，但是对索道以硕l j 学位论文第一章绪论及抱索器的研究却寥寥无几，可以检索到的少量文献基本发表在中国索道期刊上，多为国内几家索道设备生产、安装或维护企业的创办者或工程师的经验总结。调研国内几家生产抱索器的企业和使用架空乘人索道的煤矿，他们的技术都相对较为落后，企业苦于没有理论指导进行抱索器的研发，现用技术基本来自欧美二十世纪6 0 7 0 年代的专利，由此可见对抱索器系统的理论研究势在必行。图1 2 张家界天门山索道图1 3 井冈山笔架山索道从经济角度分析，斜长为7 4 5 5 m 的张家界天门山索道( 如图1 2 所示) 总投资为2 2 6 亿元人民币，斜长为5 2 0 0 m 的井冈山笔架山索道( 如图1 3 所示)仅从国外购进设备就耗费了8 0 0 0 万元。建于1 9 9 7 年的浙江普陀山索道全长仅为1 0 5 0 m ，设备造价就高达3 8 0 0 多万元，国内旅游索道的技术和设备基本是来自奥地利的D o p p e l m a y r 或法国的P O M A 公司，以上无一不透露着巨大的经济潜力。而抱索器又是整条索道的核心，国外之所以没有相关的研究文献刊出，应该是企业的一种技术垄断保护，所以对抱索器的研究不但是突破国外技术封锁的关键，也是索道生产研发实现本土化的利器。1 2 架空乘人索道研究及发展概况人类历史上第一条架空索道是古代中国巴蜀人发明并使用的，早在春秋战国时期，地处我国交通不便利的西南山区怒族人用竹索或藤索作为渡江工具，到战国末期，时任蜀守的李冰为了改善交通建造了如图1 4 所示的溜索【8 】。至秦襄昭王时期，在溜索的基础上，李冰设计了索桥，并一直沿用至今，如图1 5 怒江地区的学生通过溜索渡江上学。在唐宋时期甚至作为娱乐工具，宋人庄季裕在其所著鸡肋篇中用“宁州城倚北山，遇上元节，于南山之巅维一绳，下达其麓，以瓦缶盛薪火，贯以环索，自上坠下，遥望如大奔星，土人呼为彗星灯记录当时的盛况。明朝曹学俭撰蜀中广记中用“度索寻撞之桥”表述索道对蜀地交通的重要性。世界上第一条机械架空乘人索道是威尼斯人F a u s t oV e r a n z i o硕l j 学位论义第一章绪论( 约1 5 5 1 一J a n u a r y1 7 1 6 1 7 ) 在1 6 1 6 年设计发明的( 9 】，但是真证运转起来是在1 6 4 0 年荷兰人W y b eA d a m ( 约1 5 9 0 - 约1 6 5 3 ) 架设了第一条运转系统。这项技术在欧洲的阿尔匹斯山区得到了推广和使用，甚至在第一次世界大战期间作为奥地利和意大利之间的军事物资输送工到10 1 。图1 4 古人笔下的溜索图1 5 怒江地区一直沿用的溜索图卜6 世界第一条滑雪索道及其目前在S u nV a l l e y 的分布1 8 3 1 年至1 8 3 4 年间，德国矿业局行政官员W i l h e l mA u g u s tJ u l i u sA l b e r t( J a n u a r y2 4 ，1 7 8 7 一J u l y4 ，1 8 4 6 ) 发明了第条现代化的地下架空乘人索道，并成功应用于德国下萨克森州克劳斯塔尔市的哈尔茨矿山( n a r zM o u n t a i n si nC l a u s t h a l ，L o w e rS a x o n y ，G e r m a n y ) ，从此开创了矿山乘人索道研发与生产的先河【l l l 。随后在斯匹兹卑尔根群岛、俄罗斯、美国、阿根廷、新西兰和加蓬的矿山都出现了地下架空乘人索道，甚至在今天的美国科罗拉多州的S a nJ u a nM o u n t a i n s 山系还能看到以前地下架空乘人索道的遗址【1 2 l 。正是架空乘人索道在矿山的应用极大地提高了采矿效率，以及为矿业作业人员提供的空前便利，掀起了架空乘人索道在雪山及旅游场地的应用。这一技术首先被德国的B l e i c h e r t 公司于1 9 1 3 年在奥地利的B o z e n 和意大利的B o l z a n o 之间架起的旅游索道【l 引。随硕f j 学位论义第一章绪论后1 9 3 6 年，美国的联合太平洋铁路公司丌始在爱达荷州的S u nV a l l e y 架设滑雪专用架空乘人索道( 如图1 - 6 所示) ，其西起P r o c t o rM o u n t a i n 东至B a l dM o u n t a i n ，总长3 K m ，于1 9 3 9 年i l i O N 运行【4 】。甚至美国索道工程师在1 9 8 6 年丌始着手研制用于月球采矿运输用的“太空索道1 2 】。1 9 4 0 年欧洲才真正进入架空乘人索道的新纪元，自从在C z e c hR e p u b l i c ( 前捷克斯洛伐克) M o r a v i a n S i l e s i a nB e s k i d sm o u n t a i n s 山系的R a z t o k a 山和P u s t e v n y 之问架设了架空乘人索道【4 1 。其后在奥地利，意大利，德国，瑞士，法国等开始大范围的应用架空乘人索道，目前奥地利是世界上索道覆盖比例最大的国家一度达到8 5 ，甚至作为城市的公共交通运输工具【1 4 】。图1 7 林业索道技术在中国的推广与应用随着新技术的不断涌现以及旅游和采矿业的需求日渐增长，架空乘人索道技术也获得了突飞猛进的发展。我国于二十世纪5 0 年代从苏联引进索道技术，当时为了配合国家大跃进的政策号召，此项索道技术主要运用于林业( 如图1 7 所示) 。N - 十世纪6 0 年代后期才从德国引进矿用架空索道技术，1 9 6 6 年首次将该技术成果转化为实际的生产力，在山东的淄博煤矿发挥着作用【5 1 。随后国家开始对旅游索道进行技术储备和开发，当时由北京有色金属研究院组织，并与1 9 7 9年在辽宁铁岭微波站建成了第一条旅游索道( N T 上、下山用) ，随后昆明有色院也加入旅游索道的研发。两家研究院与奥地利的D o p p e l m a y r ( 多贝玛雅) 公司以及法国的P O M A 公司或合作或引进技术，建立了泰山中天门索道，浙江普陀山索道以及张家界天子山索道等重要的旅游索道【1 5 】。目前对于矿用架空乘人索道的研究在国内也在悄然进行，石家庄煤矿机械研究院，中国煤炭科学研究总院重庆分院以及中德合资的石家庄贝克采矿运输设备硕f j 学位论义第章绪论有限公司，长沙正中科技有限公司，湘潭市恒欣实业有限公司等都在为研发适应新的矿井条件的索道和抱索器探索前进着。1 3 架空乘人索道抱索器的国内外研究现状及发展趋势1 3 1 抱索器研究更迭抱索器是架空乘人索道的核心部件，也是整个索道技术的关键所在。初始阶段索道的发展推动着抱索器的革新，自从动力无极绳索的问世，索道技术的发展就完全归结为抱索器的技术创新。索道发明伊始和使用初期为无动力绳索，利用地理位置的落差进行人员或货物的输送，此时抱索器是木制或竹制的钩子，后期发展为铁钩或铜钩【1 6 】，这是最简易的抱索器，适应了当时索道条件，但是缺点也非常明显：滑行速度无法控制，对绳索及抱索器本身的磨损都比较严重。工业革命后，动力驱动的日益完善也为架空乘人索道提供了新的发展机会，无极绳索的问世更是大大提升了索道的运载和控制能力，此时抱索器就不需要在绳索上滑行了而是抱紧钢丝绳，此类抱索器即为第一代抱索器固定式抱索器( F i x e dG r i p ) 0 7 l 。图1 8 固定式抱索器图1 9 可摘挂式抱索器固定式抱索器如图1 8 所示，顾名思义抱索器固定于钢丝绳的某一个位置，在架空乘人索道运行的过程中，不论有无人员乘坐抱索器都在随钢丝绳运转。此类抱索器结构简单，使用和维护比较方便。由于其固定在钢丝绳上，故能爬升较大角度的陡坡( 3 0 0 6 0 0 ) 。目前索道都是往复循环式，对于固定抱索器而言最大的障碍就是不能与钢丝绳脱离，其只能使用于直线式索道上，对于有转弯的巷道，固定式抱索器就无法发挥其优势了。由于在转弯时需要抗绳轮来支撑维护钢丝绳的弯角，固定式抱索器只能通过外转弯。当需要内转弯时，固定式抱索器因5 硕I j 学位论文第章绪论无法与钢丝绳脱离，故无法逾越抗绳轮。另外固定式抱索器在运行速度上也受很大限制，安装有固定式抱索器的索道，由于不能静止上下车，高速运行就相对比较危险。根据国家标准G B2 1 0 0 8 2 0 0 7 地下矿用架空索道安全标准，固定式抱索器运行速度不能超过1 2 m s ，这就极大地影响了运输效率【1 8 】。为了提高固定式抱索器适应能力，提高运行效率，解决转弯问题，第二代抱索器应运而生。欧美主要国家已与二十世纪9 0 年代术期全部淘汰了固定式抱索器，而我国的矿山目前有9 0 的索道还在使用固定式抱索器。第二代抱索器又称为可摘挂式抱索器( D e t a c h a b l eG r i p ) 如图1 - 9 所示，又称为高速抱索器，其最高运行速度可达3 1 5 m s 。可摘挂式抱索器由固定式抱索器发展而来，其不但继承了固定式抱索器的所有优点，还对固定式抱索器不灵活，不能高速运行，不能静止上下车，不能进行内转弯的缺点进行了优化和改进。可摘挂式抱索器在进站和出站时与钢丝绳脱离，这样在索道系统运转速度不变的情况下，抱索器就能减速或慢慢加速，从而实现静止上下车。在内转弯时可摘挂式抱索器会在进入弯道前脱绳进入辅助轨道，顺利绕过张紧轮后再抱紧钢丝绳脱离轨道。在正常运转时，可摘挂式抱索器就会利用摩擦力或人员重力抱紧钢丝绳，此时其基本工作原理和固定式抱索器相似。1 3 2 可摘挂式抱索器研究发展现状可摘挂式抱索器的雏形是滑雪专用的盘式索道抱索器，由德国黑深林地区( B l a c kF o r e s ti nG e r m a n y ) 的R o b e r tW i n t e r h a l d e r ( 18 6 6 - - - 19 3 2 ) 于19 0 8 发明的，并由法国的P O M A 公司正式应用于欧洲的滑雪场。如图1 1 0 所示，尽管这种盘式索道抱索器的抱头是固定式的，但是在下部其设计了新的装置。没有人拉动把手的时候其内部缆绳是卷绕的，当人拉动后，缆绳开始拉伸，这样就有一个启动的缓冲，相当于现在可摘挂式抱索器静止上下车功能的原型【1 9 1 。时隔7 0 年后，真正意义上的可摘挂式抱索器才由奥地利的D o p p e l m a y r 公司于1 9 7 8 年成功研制，并与1 9 8 1 年改进为高速架空乘人索道并应用于美国的科罗拉多州，这是史无前例的1 2 0 】。可摘挂式抱索器按照其工作原理可分为无增力式和增力式两种。无增力式可摘挂式抱索器是对固定式抱索器的延续，只是局部改善了其灵活性。奥地利G i r a k公司于二十世纪8 0 年代初期开始采用的链轮式可摘挂式抱索器是无增力式的先河，其工作原理是索道站口设有使链轮转动的固定链条。链轮正转时，螺母带动螺杆，使内抱体右移脱开钢丝绳。链轮反转时，螺杆推动碟形弹簧组，并使用内抱体左移抱紧钢丝绳。这类抱索器的缺点也比较明显，由于链轮的磨损容易引起硕I j 学位论文第一章绪论齿位不正，运动容易出现偏差，另外结构也比较复杂，运行噪声大。J 下是这类缺陷，G i r a k 公司于二十世纪8 0 年代术推出了其优化的凸轮式抱索器，如图1 1 1所示。其工作原理为尾杆上抬时，辅助螺旋弹簧推动滑块，并使内抱体右移脱丌钢丝绳。尾杆下压时，凸轮推动碟形弹簧组，并使内抱体左移抱紧钢丝绳，凸轮采用偏心配置以便锁定抱紧状态。该结构复杂，零部件工作可靠性差这一缺点还是未得到改善，另外润滑和密封的困难也使得其应用大受限制【2 。二十世纪8 0年代末石家庄贝克公司开发了瓦片式抱索器( 如图1 1 2 所示) ，其在结构上进行了简化，摘挂更加灵活，但是抱索器不能夹持钢丝绳而是靠衬块的摩擦力来抱紧钢丝绳，使得其可靠性和使用寿命降低。由于衬块的摩擦系数受限，瓦片式抱索器不能爬升较大角度的斜坡，在人力的辅助下，其对于大角度( 大于1 2 0 。) 的转弯能较好的适应，该抱索器目前在山东省兖矿集团的兴隆庄煤矿使用。图1 1 0 盘式索道抱索器及其核心部件图1 1 1 凸轮式抱索器图1 1 2 瓦片式抱索器可摘挂式抱索器的另一种是增力式抱索器，其基本工作原理是四杆机构，并有效利用杠杆比以达到增加抱紧力的目的。与其他抱索器相比，增力式抱索器能随着国内矿山开采的进行，巷道形貌也呈现出越来越复杂的状况，特别是南方的矿山出现了水平转弯、斜坡转弯，甚至是连续的“S 型 转弯巷道，目前的索道企业未能给出解决此类复杂巷道人员和矿物运输的方案，很大程度降低了采矿效率，增大了矿山从业人员的劳动强度，增加了企业的运作成本。由此开发一种新型的可摘挂式抱索器，来解决这一难题势在必行。1 4 有限元法在可摘挂式抱索器中的应用研究有限元法( F i n i t eE l e m e n tM e t h o d ) 是一种高效、快速的计算方法。其早硕l j 学位论文第一章绪论期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中( 这类场与泛函的极值问题有着紧密的联系) 2 4 】。其发展最早可上溯到二十世纪4 0 年代，美国科学家E D C o u r a n t ( 柯隆) 首次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解S t V e n a n t ( 圣维南) 扭转问趔2 5 J 。现代有限单元法第一个成功的尝试是在1 9 5 6 年，M J T u r n e r 、R W C l o u g h 、H C M a r t i n 等人在分析飞机结构时，将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确答案。1 9 6 0 年，R W C l o u g h 进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了”有限元法”，使人们认识到它在解决工程问题时的有效性及快速性。中国科学院院士、著名工程力学专家、教育家徐芝纶教授首次将有限元法引入我国，对它在解决工程问题上的应用起了很大的推动作用1 2 6 J 。有限元法的核心思想是结构的离散化，其将实际结构假象地离散为有限个简单单元的组合体，实体结构的物理性能可以通过对离散单元进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际机构的分析。本文首次利用有限元软件A N S Y S 对可摘挂式抱索器进行有限元分析，在设计之初利用A N S Y S 对抱索器进行接触分析和模态分析，提取抱索器的模态参数，并根据低阶固有频率对抱索器结构进行优化，提高其低阶频率，避免因共振而产生的零部件损坏及工作不稳定性。接着以模态分析为基础进行力学分析，对抱索器关键承载零件的关键部位进行应力应变分析，并对应力集中部位进行结构的优化设计，并对抱索器核心零件活动抱卡进行优化处理，在满足工况载荷的前提下，缩减尺寸，增加其过度部位的平滑度，以达减小应力集中、顺利通过托压绳轮和张紧轮之目的。1 5 课题的来源、意义及论文主要研究内容1 5 1 课题来源及研究意义地下矿用架空乘人装置( 俗称猴车) 以其爬坡能力强、运输距离远、投资低、运行及维护管理简单、输送人员既安全又方便等独特的优势，在煤炭行业中得到广泛的推广与使用。由于国内煤矿地质比较复杂及随着开采的进行，巷道的形貌也呈现出越来越复杂的状况，如水平拐弯和斜坡拐弯，甚至连续的S 型弯道，这也为猴车的使用带来很多技术难关。合格的拐弯装置必须保证工人能够安全、平稳、可靠的通过弯道。目前有关抱索器的研究主要包括下述几个方面：( 1 ) 抱索器关键结构尺寸优化研究；( 2 ) 不同工作环境下的抱索器结构分析研究；硕l j 学位论文第一章绪论( 3 ) 抱索器工作中的稳定性及结构强度问题；( 4 ) 新型抱索器的矿下应用推广及研究。从目f j i 矿下所用抱索器来看，主要使用比较早期的固定式抱索器，虽然其结构简单，维护方便，对环境的要求比较低，安装成本和使用成本都相对比较低。但是其有如下缺点：( 1 ) 不能零速上下车；( 2 ) 运行速度低( 一般小于1 2 m s ) ，工作效率差：( 3 ) 不能有效进行内转弯；( 4 ) 固定处对钢丝绳损伤比较大；( 5 ) 不能避免钢丝绳的扭转问题；( 6 ) 乘坐的舒适性差。综上，对可摘挂式抱索器进行研究，从机理上寻找突破，建立一套适用于新时代要求的抱索器设计方法迫在眉睫，为我国复杂矿井巷道的斜坡转弯问题提供较为合理的解决方案，也为抱索器的研发提供理论依据和开发平台，为企业节约开发周期和开发成本。1 5 2 论文的主要研究内容本文将主要对以下内容进行研究：( 1 )可摘挂式抱索器机械原理分析，研究其工作机理和数学模型，设计抱索器的结构尺寸，为抱索器的设计提供理论支撑和理论依据，并通过实验研究验证抱索器抱紧力，杠杆比等关键因素；( 2 ) 对可摘挂式抱索器核心机构( 四杆机构) ，进行三维建模并虚拟装配，确保其装配精度和各部件相不干涉，然后进行动力学分析，研究其运动性能，并对可能存在的运动过度进行优化，避免因运动过度而产生的“卡死 现象；( 3 )对可摘挂式抱索器进行有限元模态分析，提取出其模态参数，并通过优化结构布局以提高其低阶固有频率，避免抱索器因共振而产生的零部件损坏和工作不稳定的状况，确保其动态性能。再对核心零件( 活动抱卡) 进行有限元仿真分析，得出应力应变分布状况【2 7 1 ，优化载荷分布与应力集中状况，保证其静力学性能的可靠性；( 4 )根据以上分析再次对可摘挂式抱索器进行结构优化，并通过实验进行验证。论文结构框架和整体思路如图1 1 5 所示。硕l j 学位论文第一。章绪论图1 1 5 论文的结构框架和整体思路硕I j 学位论文第二章可摘挂式抱索器工作机理及结构设计第二章可摘挂式抱索器工作机理及结构设计本章主要针对可摘挂式抱索器的数学模型和工作机理进行研究，并根据抱索器的运行性能和工作要求，对抱索器进行力学设计，并对设计的可行性进行验证分析。通过设定适当的杠杆比和包形系数，保证抱索器抱绳时的可靠性和脱绳时的灵活性。2 1 可摘挂式抱索器工作机理研究可摘挂式抱索器为摇杆滑块四杆机构，如图2 - 1 所示，其利用四杆机构的增力原理，将人体重量以杠杆比的量级放大，以活动抱卡抱紧力的形式抱紧牵引钢丝绳。根据可摘挂式抱索器的功能分析，其主要有两种工作状态，即如图2 2所示的抱绳脱轨状态和如图2 3 所示的入轨脱绳状态。1 外抱体，2 内抱体，3 轮架，4 箱体，5 摇杆，6 钢丝绳，7 弯杆轴，8 一座椅连杆图2 1 可摘挂式抱索器结构图当可摘挂式抱索器处于直道非转弯阶段时，抱索器利用其活动抱卡抱紧牵引钢丝绳，如图2 - 2 所示。此时，人体重量以杠杆比的量级放大后，以抱紧力的形式将抱索器紧紧地固定在钢丝绳上，此时弯杆2 的预运动状态是向右运动，使得活动抱卡能更有效地抱紧钢丝绳。图2 - 1 中摇杆5 为防止在运行中振动对抱紧力产生影响，其在弹簧的作用下一直卡压弯杆轴，防止其窜动，不致抱索器运行中发生脱绳事故。当内转弯爬坡结束时，抱索器需要从轨道上脱轨从新抱紧钢丝绳，为了保证运行的安全性，抱索器需要先抱紧钢丝绳，然后再从轨道脱离，这时弯杆5 也从导轨上脱离，在弹簧力的作用下从新卡压弯杆轴。硕I ：学位论文第_ 章可摘挂式抱索器工作机理及结构设计B t ，矗裂I图2 2 抱索器抱绳脱轨状态及机构原理图图2 3 抱索器入轨脱绳状态及机构原理图当可摘挂式抱索器即将内转弯爬坡时，抱索器需要上轨脱离钢丝绳，其运行状态如图2 3 所示。为了保障运行的安全性，抱索器首先进入轨道，将人体重量承接在轨道上，此时摇杆5 在导板的作用下会慢慢处于竖直状态，解除对弯杆轴的卡压，弯杆2 会向左运动，此时活动抱卡会松开钢丝绳，直到抱索器完全进入轨道，抱索器会完全脱力钢丝绳，完全在轨道上运行，实现内转弯爬坡动作。2 2 可摘挂式抱索器数学模型研究随着现代科学技术特别是计算机技术的发展和学科之间的相互渗透，使得计算机在科学研究和工程设计应用中的用途日益普及并发挥着越来越显著的作用，业已成为分析、研究、解决复杂工程设计问题的利器。利用计算机仿真机构运动是现在机构设计不可或缺的重要途径，这是一种按照一定时间间隔，在屏幕上依次显示机构的运动形态和运动轨迹，模拟机构运动过程和特性的计算机应用技术。在机械设计过程中，运用机构概念设计得到的可行方案比较多，为了分析这些机构是否能满足给定的运动规律和运动空间要求，设计者可以利用其数学模型进行运动仿真，观察各个构件的运动状况和整个机构的运动过程，分析机构的极限位置转角、干涉状况、空间运动轨迹及运动参数。这样既能判断设计方案的合理性，又能检查各个构件是否存在干涉，还可为进一步的设计提供精确地预测和改进，为后期零件形状和尺寸设计提供依据，提高设计效率f 2 3 l 。纛蓄。馥王爹妻l、誊铳移艮，0，量顾I ：学位论文第二章可摘挂式抱索器工作机理及结构设计图2 4 滑块摇杆机构数学模型简图X根据可摘挂式抱索器的运动状态可以分析出，其数学模型为滑块摇杆四杆机构，图2 4 是其数学模型简图，假设摇杆4 B 为原动件，以等角速度l 转动，其长度为小角位移为9 1 ，连杆长度为2 ，滑块偏心距为e ，显然，摇杆有角位移方程：叩l = l f( 2 - 1 )B 点的位置坐标为：27 c ? ，( 2 2 )，l、，J ，B2 lS l n 【P lJ建立机构的封闭向量方程为：A B + B C = A C( 2 3 )该向量方程在X 轴与Y 轴上的投影分量为：，l c 唧一+ 1 2C O S t p 2 毡 ( 2 - 4 )l is i n t p l + ，2s i n ( p 2 = eJ由式( 2 - 4 ) 可以推出：咖铲必产：一12-(e-lIs i n t p l ) 2，所以k ：1 。c o s ( p ，+ 压乏i j 丽( 2 5 )把摇杆角位移所处位置( p 。：兀+ ，口刀一t 必为滑块的原点，那么滑块在图2 1P硕f j 学位论文第二章可摘挂式抱索器一T ：作机理及结构设计所示位置时的位移S 为：s = t 一f ，：一，。) 2 一P 2 ，再将式( 2 5 ) 带入其中便得滑块运动方程：S = ，lc o s q ) l + J l ；- ( e - I Is i n c p I 夕2 一f ，2 一，l 夕2 一P 2( 2 6 )将式( 2 1 ) 代入式( 2 6 ) ，并对其做关于t 的一次和二次导数，即可得滑块的速度和加速度方程，如此就能获得可摘挂式抱索器的极限角位移和机构的运动参数，为抱头张开角及张开宽度的大小提供理论依据，也为抱索器内抱体限位块的设计提供初始数据。2 3 可摘挂式抱索器关键部件计算2 3 1 抱索器整体设计思路抱索器是架空乘人索道的核心部件，工作原理是通过各个杆长的变化来改变其杠杆比。较大的杠杆比能有效增加抱紧力( 增力效应) ，使其更为有效、稳定的工作。抱索器的核心零件是内抱体和外抱体，内外抱体的抱头部分夹持钢丝绳，外包卡尾部与抱索器本体相连，下延抱索器座椅，承载人体重量。原抱索器样件因其尺寸较大，运行中发车和停车阶段以及过托、压绳轮时振动比较剧烈，容易空翻，甚至造成掉车事故，这些缺点限制了其使用和推广。经过现场调研，架空乘人索道在初始运行和过绳轮时的振动频率激发了抱索器的共振，导致以上事故的发生。本文对原有抱索器样件进行优化设计，并通过模念分析的方式来分析其低阶频率是否能得到优化，以保证其平稳的运行【2 9 1 。利用P r o E 对可摘挂式抱索器进行动力学建模，并利用P r o M e c h a n i c a l 进行干涉分析和装配精度检验。利用P r o E 与A N S Y S1 0 0 具有并机接口，直接将抱索器模型导入到A N S Y S 中，并进行模态分析，提取模态参数( 低阶固有频率，振型和振幅) ，检验抱索器的优化效果以便进一步完成优化设计，也为后期的瞬态分析、谐响应分析、谱分析奠定基础。通过对抱索器整体进行应力应变分析，对应力集中较为明显的零件进行预测。通过A N S Y S 自身携带的结构优化模块，先进行初步优化，并通过手动方式对抱头过渡部位，以及过托压绳轮部位和铰链处进行尺寸和圆弧优化，使其既能满足刚度要求又能尽量避免因应力集中对零部件产生的不可预知的破坏。其中对抱头过度部位圆弧度的优化，有助于抱索器在通过托压绳轮组时的平滑性，减小因此产生的振动给矿井工人带来乘坐不适，以及因此产生的脱绳危险。此方法的引入也必将会为架空乘人索道的设计与优化增加新的方法，也为索道的安全运行保驾护航幽J 。1 5 竺J 学位论文2 3 2 肉抱体力学性能设计翼三董垩堡塞塞垫童逊结构设计出式( 2 7 ) 可得：l 只= oi 辑= 0睁一= ol + 彬e ：0 。( 2 - 7 )( 2 8 )硕f ：学位论义第二章可摘挂式抱索器工作机理及结构设计因为a - b + c ，所以( 2 - 9 )( 2 一l o )式( 2 1 0 ) 中Q l 即为内抱体抱紧力，F B 。和F B y 为内抱体铰链B 处所承受剪切力，P l 为内抱体铰链C 处所承受剪切力，将具体数据代入即可得到近似承载值。图2 7 可摘挂式抱索器整体受力分析示意图图2 8 活动抱卡受力分析示意图2 3 3 外抱体力学性能设计外抱体是抱索器的核心部件之一，如图2 - 9 所示，像内抱体一样是关键承重零件，尤其是其头部设计，不但要有能力抱紧牵引钢丝绳，还要具有一点的过度圆弧，在其通过压绳轮时能较为平稳不会产生较大的振动【矧。图2 - 9 外抱体三维零件图图2 1 0 外抱体受力分析示意图钢丝绳作用于外抱体作用力的水平分量Q 2 ，垂直分量为W 2 ，其实他们分别与钢丝绳作用于内抱体上的作用力的水平分量Q I 和垂直分量W l 是一对反作用矿一2一形一c口一=J一哦叫9R ，肜i1 1一一c 5 iR ，硕I j 学位论文第二章可摘挂式抱索器工作机理及结构设计力。根据图2 1 2 外抱体受力分析示意图可知，铰链D 处作用力P 2 ，以及作用于铰链B 的反作用力F B 。和F B y ，共同形成一平面力系，即F x = 0 ，F y = 0 ，因此 芝：震，：0p I 哆+ 只一=。再将w 2 2 W 2 ，忍= 6 代入式( 2 1 1 ) 得：由此可见，其与式( 2 - 1 0 ) 的结果是一致的。所以在计算内抱体受力分析时的计算在理论上是正确的，对外抱体的受力分析也验证了内抱体的受力分析的正确性。由铰链B 点的力矩平衡M B = O 得：j 坦，托一( b - e ) P t = ”专【f ，口一e ) P 2 一P 一d 0 2 = 0因为a _ b + c ，将式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 代入式( 2 一1 2 ) 中，并简化得：茹口bF 1 一秭e ( a + b ) 1 w 一妒一一舭所以内外抱体的抱紧力Q 为：Q = 钟掣kp 聊所以我们若需要增加抱索器的抱紧力，只需对抱索器的四个关键尺寸做适当的调整即可。2 3 4 外抱体抱头部分包络角及杠杆比设计包络角即为抱索器外抱体抱头部分包络牵引钢丝绳的角度。包络角越大，抱索器抱紧牵引钢丝绳的力度就相应越大，极端的例子就是固定式抱索器，其活动抱卡完全包络钢丝绳，但是包络角越大，其脱绳的灵活性越差，固定式抱索器在运行中就不能自由脱绳，限制了其应用的广泛性【1 5 】。可摘挂式抱索器包络角的设计，既能满足稳定抱紧牵引钢丝绳的要求，又要在脱绳时能灵活自如。如图2 1 3 所示，抱索器抱头部分如钳口一样抱紧钢丝绳，在此就引用钳口包络计算公式来进行抱索器抱头部分包络角的设计与计算，其包络角的大小由包络系数K o 来确定，根据工程实际经验1 硒2 较为合适。由于抱索器的钳口是圆弧形，其恰好与钢丝绳外表吻合。当抱紧力Q 通过钢丝绳横截面中心沿水平矿6 一型知=I IQ ，【翠硕l ：学化论文第_ 二章可摘挂式抱索器T 作机理及结构设计轴线x x 作用时，Q 可以分解成沿弧形钳口无数个小径向压力q ，q 的大小不等，距离原点越远越小，最大值q m a x 在Q 的作用线上。这些小径向压力的代数和q比他们的几何和Q 大，办即q = K o Q ，K o 即是钳口的包形系数，q 与最大径向压力的关系是q = q m 缸c o s p 。由图2 一1 3 可知：沏= e 2B q R a f 3( 2 1 4 )1 J ，将q = q m 觚c o s f l 代入式( 2 1 4 ) 并积分变换后得：Z q = R B q m 双( s i n l 3 2 一s i n 3 , )( 2 15 )因为Q = e 2B q R c o s 3 d p ，将q = q m 戕c o s p 及c o s 2 3 = ( 1 + c o s 2 1 3 ) 2 代入得：Q ：冬B g ( 3 2 - p l + l s i n 2 1 3 2 一昙s 伽2 p l J ( 2 - 1 6 )所以包形系数磁为：= 等，将式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 代入得：K =4 ( s i n p 2 一J 加p l J2 D 2 2 p l + s i n 2 3 2 一s i n 2 f 3 l( 2 1 7 )一般情况下 3 2 - - 7 # 2 ，所以在设计抱索器包络角时，只需设计出合理的下行包络角p l 的大小即可。Q图2 1 l 抱索器抱头部分钳口包络分析杠杆比是杆件机构特有的增力效率因子，在可摘挂式抱索器里，其体现的是重力通过四杆机构的增力功能后抱紧钢丝绳的效果。在实际的机构传动中存在摩擦等致使功率损失因素，在可摘挂式抱索器的工程经验中有效杠杆比一般取6 8 为适。这样既能有效放大人体重力，使抱索器抱紧钢丝绳，又能在抱索器脱绳和抱绳时动作顺利。由于在传动过程中，存在着效率的损失，弯杆轴是轴向滑动的，且接触面积比较大，取其滑动效率T 1 l = 0 8 5 ，销轴C 处为转动链接，取其转动效率T 1 2 ：o 9 0 ，同理销轴B 处也取1 1 3 = 0 9 0 ，所以总传递效率r l = r l l l 1 1 r 1 3 = O 6 8 8 5 ，将式( 2 1 3 ) 中的几何计算部分取出，并考虑传递效率，设定为有效杠杆比为：f 唤f j 学位论文第一章可摘挂式抱索器工作机理及结构设计扛竺l 卜警I = 0 6 8 8 5 等I 一掣l口所以在设计杠杆比时，只需设计合理的偏心距e 和抱头中心距d 的大小即可。2 4 可摘挂式抱索器总体设计为解决斜坡转弯这一世界级难题，也为节约研究成本和降低因引进新工艺新技术产生的不确定性风险，将如图2 - 1 2 所示的原有抱索器样件进行了改进，并增加了前导轮以在轨道上运行，增加了摩擦板以提供爬坡动力。抱索器样件因尺寸设计偏大和比例适当，导致抱索器占用较大的空间，本身较重，如果发生掉绳事故将对作业工人造成很大的伤害。另外该样件结构杠杆比过大，导致其在脱绳上轨时，弯杆被卡死，不能按照规定完成脱绳动作。鉴于以上缺点，该抱索器样件在试验阶段就被叫停，未能为企业带来真正意义上的经济效益。图2 1 2 原抱索器结构及装配尺寸图2 1 3 新型抱索器结构及装配尺寸经过查阅文献与企业工程经验对比分析，通过计算确定合理的杠杆比和承载能力【l5 1 ，将原有抱索器进行尺寸和结构优化。在保证抱索器实现斜坡转弯功能的同时，减小结构尺寸，减轻抱索器自身重量。工程经验中，为保证抱索器的抱紧能力和运动的灵活性，避免出现弯杆轴卡死的现象，抱索器有效杠杆比i 取6 8 较为适宜，本课题研究中令i = 7 ，根据式( 2 1 8 ) 反设计偏心距d ，以及活动抱卡与牵引钢丝绳中心距e 的大小。通过分析原有抱索器样件，并将参数带入式( 2 - 1 8 ) 中，求得其杠杆比高达2 6 7 7 ，尽管抱紧效果得到很好保证，但灵活性却几乎为零，实际试制的产品也反映了这个缺点。经过对杠杆比公式分析，减小杠杆比的有效方式是增大偏心距d ，减小活动保卡与牵引钢丝绳中心距e ，通过试错法，最终确定如表2 - 1 所示的主要机构尺寸数据，改进后的抱索器如图2 - 1 3 所示，更为轻巧紧凑，外观更为优美。从试制产品的运行状况来看，其运动更为灵活，可靠性也大为提升。将改进后的抱索器关键尺寸代入公式( 2 - 1 8 ) 后求得其有效杠杆比i = 6 9 8 ，2 0 -硕f 学位论文第二章可摘挂式抱索器工作机理及结构设计如果乘坐者的体重为8 0 K g ，则抱索器抱紧力Q = 5 5 8 6 7 N ，能够使可摘挂式抱索器有效抱紧钢丝绳，减小运行中掉车风险。为更有效的保证抱绳的可靠性，对包形系数公式( 2 1 7 ) 分析可知1 3 2 = 7 r J 2 ，另外由于l K o 2 ，所以将其简化为：J 型二兰丝壁1 2 2( 2 - 1 9 )2 7 t 一2 1 3 1 一s i n 2 1 3 1、7为了便于设计取1 3 1 = r d 6 ，则= 1 6 3 ，满足工程要求。表2 - 1 抱索器改进前后结构尺寸参数对比( m m )2 5 本章小结通过对抱索器力学设计，确保其承载能力。通过设计合适的杠杆比和包形系数确定抱索器的主要尺寸，既能保障较好的增力效果，增加抱索器抱紧钢丝绳的可靠性，又能保障抱索器在脱绳和抱绳运动时具有较好的灵活性。本文通过对抱索器的工作原理和机构机械原理研究，为抱索器的后期研发和生产提供理论支撑。义单元类型、定义实常数和材料属性( 弹性模量、泊松比) 等，通过对可摘挂式抱索器中的部分零件进行布尔运算，将运动次要零件进行胶合( g l u e ) 操作，减小运算量，接着定义横截面和单元坐标系，对模型进行网格划分，形成有限单元和节点，然后进行接触分析并施加荷载及约束。利用分析计算模块进行求解计算，亦即求解矩阵方程，通过直接求解器计算简单的矩阵方程，通过迭代求解器计算复杂的矩阵方程并利用一定的收敛准则，加速求解由有限元方法建立的联立方程组，得到节点的自由度解，并进一步得到单元解。最后利用后处理模块检查A N S Y S 的计算分析结果，通过后处理，将仿真计算结果以多种方式显示，这有利于查看所加载荷在模型上产生的影响。通用后处理器P O S T l ，查看模型在某一特定时刻( 或某一载荷步、频率) 的结果，如轮廓线硕l j 学位论文第三章可摘挂式抱索器动力学分析及模态分析显示、变形形状，以及分析结果的列表，如提取模态参数。时I 日历程后处理器P O S T 2 6 ，用来查看模型指定点相对于时问、频率或其它结果项的变化，并以彩色梯度矢量图形显示和列表的方式来表达抱索器应力和应变分布特征，并在瞬念分析和谐响应分析中，以图像形式显示结果项与时间的关系，亦或在非线性的应变分析中以图表形式表述作用力与变形的关系。3 1 3 抱索器接触分析为了更真实的对可摘挂式抱索器进行有限元仿真，得到与工程实际比较接近的结果，就无法忽略接触问题。因为抱索器是一个装配体，由多个零件组成，零件之间存在着接触，与以前遇到的单个零件的有限元仿真有着本质差别。接触问题属于有限元分析中的非线性问题，求解收敛是一个比较大的难点，将会占用大量的计算资源，所以对接触类型的界定和模型的合理建立都是至关重要的【3 I 】。根据可摘挂式抱索器运动过程分析，主要的相对运动副包括移动轴和套筒之间的滑动、外抱体和箱体之间的铰链转动、内抱体与外抱体之间的铰链转动以及内抱体与弯杆轴之间的铰链转动，都存在接触问题。根据接触类型的分类及界定指南，可摘挂式抱索器的接触主要是金属之间的接触，变形量有相对的差异，在此就可将此类接触定义为柔体- 冈0 体接触问题，在A N S Y S 环境中表现为面面接触能力【3 羽。这样定义具有以下优点：( 1 ) 支持低阶和高阶单元；( 2 ) 支持有大滑动和摩擦的大变形，能够选择协调刚度阵计算法或不对称刚度阵单元提法；( 3 ) 提供更加接近工程实际的接触结果，如法向压力和摩擦应力：( 4 ) 不受刚体表面形状的限制，刚体表面光滑性允许存在不连续甚至是拐点；( 5 ) 接触单元多，节约硬盘空间及C P U 计算时间；( 6 ) 允许绑定接触、不分离接触、粗糙接触、渐变初始穿透、目标面自动移动到初始接触、平移接触面( 考虑梁和单元的厚度) 以及用户定义的接触偏移等建模控制方式【3 3 J 。3 1 4 抱索器模态分析以振动理论为基础，求解模态参数( 自然频率、振型及振型参与系数即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动) 的过程即模态分析【3 4 1 。模态分析不但是所有动力学分析类型最基础的内容，还能有助于在其他动力学分析中估算求解控制参数；不但能使设计工程师认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何应用的，还能使机构设计避免共振或以特定频率进行振动1 3 5 , 3 6 1 。- 2 3 论计算确定外观尺寸，同样外抱体也是主要承载零件，为了既能减小外观尺寸，又能保证其他零件有较大的活动空间，将外抱体的两侧臂设计成圆弧形。弯杆轴作为连接内抱体与抱索器主体的主要零件，也是承载的关键，在进行设计时，充分考虑其局部应力，对其厚度进行了适当的增加，并在铰链处采用渐进过渡，相当于加强筋的作用。为了能具有较好的润滑性，在空心轴和移动轴接触面，加工储油槽，保证更好的运动灵活性。为了保证可摘挂式抱索器能够顺利的斜坡转弯，在内转弯时，抱索器需要脱绳进入轨道，此时抱索器就失去了动力源，需要通过加设轮架和摩擦板，用摩擦板从轮组上取得动力，轮架上安装的两个导轮保证稳定的运行和正硕l j 学位论义第三章可摘挂式抱索器动力学分析及模态分析确的导向。为了使结构显得紧致，外观优美，在设计轮架和摩擦板时，采用一体化设计，将二者设计在一起，不但节约了空1 8 J ，也减少了设计和生产步骤，节约成本，提高效率。抱索器其他主要零件的三维零件图如图3 1 所示。黟”“”9 ”一。矽”职彬I ，j7 。7 獯；i荔0；l ；一彦I ，4。jj ：。，；餮| + i参雾 j 钞，j( c ) 轮架3 2 2 虚拟装配缀锡庸秽。靴彤i j ? 。i 冀謦“鬻，j ”7 p “+ + 考q 一?，( b ) 箱体：( d ) 连杆组图3 1 抱索器其他主要零件三维零件图P r o E 装配模式中可以将零件或是子装配件组合成装配体，可以根据需要对装配体进行修改、分析和重定向操作。通过使用简化表示、互换装配件和设计管理器等工具，可以进行大型和复杂的装配体设计和管理。P r o E 虚拟装配有两种模式可供选择，一种是没有运动关系的装配，另一种就是需要设置联接类型的装配。为了能进行P r o E 机构运动分析和干涉检查，此处选择有联接关系的装配方式，在有转动副的地方选择销钉联接方式，在有固定联接的地方选用刚性即可。可摘挂式抱索器的设计思路是自上向下( T o p D o w n ) ，但在装配时采用自下向上的思路。可摘挂式抱索器虚拟装配过程及最终数字样机模型如图3 2 所示，其分解视图如图3 3 所示。在装配过程中，内抱体与外抱体及弯杆轴的装配最为复杂，一2 S 锈荔缓缓秀兹绣；：顾l j 学位论文第三章可摘挂式抱索器动力学分析及模态分析内抱体与弯杆轴之间存在尺寸定位，在二维装配图设计时，选用的牵引钢丝绳直径为2 0 m m ，所以装配时设置弯杆轴距空心轴的水平距离约束为1 0 m m 。羲0 t 一图3 2 可摘挂式抱索器装配过程及装配模型图3 3 可摘挂式抱索器样机模型的分解视图2 6 黟一谚鬟彰i势；0岬，、，il；t#、一3 ，。，舅旷艮”骥滋，貉瓤；甏；：，硕f ：学位论文第三章可摘挂式抱索器动力学分析及模态分析3 2 3P r o E 机构运动分析为获得抱索器的运动性能，研究各个零部件的运动状态和特点，需要检查需要对抱索器进行运动分析。将可摘挂式抱索器装配完毕后，其装配精度和装配误差，确保虚拟样机模型的准确性。P r o E 中的P r o M e c h a n i c a l 模块，能够对装配后的样机进行装配公差和装配精度进行分析。表3 1 即为装配后的公差报告，有表可知，装配后轮架的累积公差最大为0 3 5 3 m m ，与设计时的7 级尺寸公差0 5 m m 不相冲突，能够保证整个抱索器的性能。表3 1 可摘拄式抱索器虚拟样机装配公著报告( 单位m m )M o d e lN a m eT o l e r a n c eV a l u eW H E E LC A R R I E R P R TE X T E R N A L G R l P B O D Y P R TS T E E L W I R E M O D E L P R TM O B l L ES H A F T P R TB O X B O D Y P R TS T E P P E DS H A F T P R TG R I P C H A I RC O N N E C T O R P R TI N N E R G R I P B O D Y P R TR O L L 烈GB A R P R TF R o N T W H E E L P I t TT O R I S I O NB A R P R TW H E E LS H A F T P I 珂L O N G S H A F T P R TB A C K W H E E L P R TS C R E WN U T M 2 4 P R TS P R I N GW A S H E R M 2 4 P R TL O N G F I N E S H A F T P R TS H O R T S H A F T P R TS C R E WN U T Ml6 P R TS P R I N GW A S H E R Ml6 P R TF R I C T I O N R I N G P R T0 3 5 30 3 2 00 2 4 20 2 1 8O 1 9 5O 1 4 20 1 4 1O 1 3 2O 1 3 2O 1 0 8O 1 0 00 0 9 80 0 9 70 0 9 00 0 7 20 0 6 30 0 6 10 0 6 0O 0 5 10 0 4 20 0 3 4图3 4 抱索器装配精度检测过程及结果2 7 -硕I ：学位论文第三章可摘挂式抱索器动力学分析及模态分析在进行机构运动仿真前，对可摘挂式抱索器进行装配精度检测是必要的【4 2 1 ，进入P r o M a c h a n i c a l 模式后，在机构工具栏下拉菜单选择连接，进行组件分析，在弹出的对话框选择运行即可，从弹出的如图3 4 所示的对话框可知，可摘挂式抱索器虚拟样机的装配误差为0 0 0 0 4 9 ，而在设计时需要的装配公差为0 0 0 1 ，证明装配达标，满足设计要求。参礤连接 肇浅接头； 霹弦C o n a e e t i o n _ 4C G R I P )； ； 物主体l ! 翻主体2； ；岛彤簇辑鞴；夕S e m M o t o r 2 ( W L G R I P )； 白加C o r m e c t io n 6 ( G 】R 工P )； i ；物主体li ；翻主体5i ；岛釉平移轴；| 多S e r v o M o t o r l 帆L - G I i I P )；国彤C o n n e c t i o nl O P )；南l 声r ：- 7栅T 、图3 - 5 抱索器连接处接头设置岛耍电动机! 禽耍倒艮彩多S e r v o M o t o r l 帆L G R I P ) ；i 酝酗平移轴；! - 幻主体l i ；- 物主体51 ；盘多S e r V 。舶。t o r 2 ( 1 ，E L _ G P ：I I P )国膨旋转轴i ；一幻主体l! ；翻主体2图3 - 6 抱索器伺服电机的设置j 瓿，。，j 艨慨i 。锄j 盘j。j j “，盘。 ，如。j 。点? 。瞧，。j i 。“i 。盘。：j 。施。一蛩毫“。i i。乱鼍图3 7 抱索器零件之间连接及驱动关系视图机构分析的第一步是建立运动模型，在抱索器装配之初，已经选择有运动联结的装配方式，在此过程中已经设置了连接轴和运动副【4 3 l 。众所周知，机构运动需要动力源，在P r o M e c h a n i c a l 中通过设置伺服电机来驱动机构【删。如图3 5所示，在连接的每个接头处都需要定义运动关系，各个零件才能动作。销钉连接处，存在转动关系，此处就需要将伺服电机设置成旋转模式，但是，移动轴和空硕l j 学位论文第三章可摘挂式抱索器动力学分析及模态分析心轴之问的运动属于滑动，所以将伺服电机设置为平移模式。不论旋转还是平移，其运动时都是相对的，所以在设置时就要选择活动主体和固定主体，抱索器两个驱动伺服电机的设置如图3 - 6 所示。在初始设计时已经定义过材料属性，在此只需定义重力方向即可，如图3 7 所示是抱索器连接设置完成后的驱动关系视图。可摘挂式抱索器仿真运动的核心，主要是对抱索器在脱绳和抱绳的状态进行模拟，检测是否存在干涉【4 5 1 。可摘挂式抱索器脱绳过程如图3 8 所示。通过观测其运动轨迹，检测是否存在运动突变点，在运行过程中是否平稳【4 6 1 ，以及当抱索器完全脱绳后是否会达到运动极限以及卡死的状况，以上各点经过运动仿真证实，另外在设计内抱体时通过增加工艺突台，完全避免了卡死状况【4 7 】。图3 8 可摘挂式抱索器脱绳过程3 3 可摘挂式抱索器有限元模态分析关键技术研究3 3 1 有限元模型建立及结构简化在进行A N S Y S 有限元模态分析时，为了减少运算量，节约C P U 运算时间，2 9 图3 - 9 可摘挂式抱索器简化模型图3 1 0 可摘挂式抱索器有限元模型如图3 - 9 所示，完成可摘挂式抱索器模型简化并装配后，将其直接导入A N S Y S1 0 0 中。对导入的实体模型，A N S Y S 软件所识别的只是点线面单元。可摘挂式抱索器的有限元模型如图3 1 0 所示，为了赋予这些单元实际的实体参数，在A N S Y S 环境下对有限元模型进行前处理。1 ) 设置材料属性。可摘挂式抱索器内外抱体、抱索器主体i 轮架、弯杆、硕l j 学位论文第三章可摘挂式抱索器动力学分析及模态分析摇杆、连杆组和箱体采用的是铸钢件，销钉、移动轴和螺母采用是4 5号钢，表3 2 是所用材料属性。表3 - 2 所川材料属性2 ) 设置单元类型。由于可摘挂式抱索器属于实体单元，进行模态分析时需要质量特性，故选择3 D 结构实体单元类型S o l i d 4 5 ，其具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变特性，进而选择B r i c k8 n o d e7 0 节点类型【2 9 1 。为了仿真负载时的模态情形，需要将人体设置为一个质点单元，此处选择结构质量单元类型S t r u c t u r a lm a s s ，其具有3 D 质量属性，通过设置常数来赋予其质量特性，进而选择3 Dm a s s2 1 节点类型。3 ) 设置常数。为了赋予质点单元质量特性，对m a s s2 1 节点进行赋常量操作，假设人体质量为8 0 K g ，在此对X 、Y 、Z 轴方向的质量常数都设置为8 0 ，加速度设置为Z 向l O ，其他为0 。4 ) 布尔运算操作。在各个零部件配合面之间有些具有相对运动，为了减少网格划分时的面处理，进而减少单元数目，节约运算时间，在此对不具有运动关系或转化后可视为不具有运动关系( 如销轴链接的内外抱体，即可处理为销轴与内抱体是一体，其只与外抱体具有相对转动) 的零件进行胶合操作( g l u e ) 1 5 0 1 。3 3 2 模型网格划分模态分析对于网格的要求不是特别高，在划分网格时选择智能方式s m a r ts i z e 与手工划分相结合的方式。抱索器外抱体、箱体采用智能网格划分方式，精度选为5 级，其他部件采用手动网格划分，材料标号选择2 ，没有常数设置，网格划分完毕的效果图如图3 1 1 所示。载人时，需要增加质点来模拟人体的质心，先将工作平面移至选定的抱索器连杆组底部的关键点上，再将坐标平面移至( O ，0 1 3 ，0 0 5 ) ，在工作平面建立关键点，进行网格划分，选用智能方式，常数选择2 ，划分完毕网格后，再进行刚度耦合操作，将质点与连杆组进行耦创5 1 】，其耦合效果如图3 1 2 所示。在抱索器抱绳运行过程中，抱头部分是相对固定不动的，所以需要设置其与钢丝绳接触面的自由度为0 ，保证仿真分析的可靠性。3 3 3 有限元接触分析由于可摘挂式抱索器由多个零件组成，在模态分析时需要提取关键零部件的- 3 1 硕I j 学位论文第三章可摘挂式抱索器动力学分析及模态分析模态参数，在A N S Y S 中只有通过接触分析，方能表明装配体中零件的参与作用。可摘挂式抱索器一共存在五对接触副，其中四处为铰链的转动接触，另外一个是移动轴与空心轴的滑移接触。在进行模型简化操作时，为了减小接触面积，节约C P U 的计算时间，将销钉与内抱体或是外抱体做成整体，这样只计算两端的接触【5 2 1 。w Fi 唪：l 吐矿蹦岫2图3 - 11 抱索器网格及约束效果图脯“。Z 。；冀 嘏H j ：礴f 纵峨舅母t 。，图3 1 2 负载时质点单元刚性耦合效果图图3 1 3 库仑摩擦模式图图3 1 4 接触副摩擦因数没置在基本的库仑摩擦模型中，两个接触面在开始相互滑动之前，在它们的界面上会有达到某一大小的剪应力产生，这种状态则作粘合状态( S t i c k i n g ) 库仑摩擦模型定义了一个等效剪应力。) 一旦剪应力超过此值后，两个表面之间将开始相互滑动，这种状态，叫作滑动状态( S l i d i n g ) 。抱索器有相互运动的零件，为了较为真实的模拟其运动，利用如图3 1 3 所示的摩擦模式图，为了指定接触界面上最大许可剪应力，设置常数T A U M A X 为1 0 E 2 0 ，这种限制剪应力的情况一般用于接触压力非常大的时候，以至于用库仑理论计算出的界面剪应力超过了材料的屈服极限。对T A U M A X 的一个合理估算为翌( 旦是材料的m i s e s 屈服应33硕l j 学位论文第三章可摘挂式抱索器动力学分析及模态分析力) 。识别接触对后，建立目标单元和接触单元。以内抱体与外抱体的接触为例，由于内抱体的运动幅度较大，设置内抱体销钉外壁为目标单元，外抱体铰链孔内壁为接触单元，这样就定义了一个接触环1 3 1 I 。接着选择出接触面并命名保存，五对接触副( 如图3 1 5 所示) 保存后，根据表3 2 所示的材料摩擦系数，设定钢与钢之间的摩擦系数为0 1 5 ，最大摩擦应力为l e 2 0 ，如图3 1 4 所示。再建立接触对，选择目标面与接触面后进行耦合，就可以建立完毕，接触对耦合后的效果如图3 1 6 所示，抱索器的五对接触对如图3 1 7 所示。兰三：薯-琶曩薯图3 1 5 抱索器五对接触副图3 1 6 抱索器接触对耦合后效果图图3 - 1 7 抱索器五对接触对阵列3 3 4 有限元模态分析及模态参数研究为了获取抱索器低阶模态参数，研究振动对抱索器零件的影响，也为后期的瞬态分析等做好铺垫，利用A N S Y S 进行有限元模态分析。有限元法的基本思路是将弹性体离散为有限多个单元，即所谓的网格划分，而后根据各个单元节点的位移协调条件和平衡条件建立整体刚度方程【剐阻肛 + 【c 肛 + 【置肛) = 扩O ) ( 3 1 )硕I j 学位论文第三章可摘挂式抱索器动力学分析及模态分析式中：嗍质量矩阵； q 阻尼矩阵； 1 0 刚度矩阵； X ) 加速度矩阵； X ) 速度矩阵； 地位移矩阵； 刑) 瞬态作用力矩阵【5 4 1 。在进行模态分析时忽略外部载荷故F ( t ) = 0 ，由于阻尼对系统的固有频率影响不大故可令 q = 0 ，式( 3 1 ) 简化为：阻肛 + 阻肛) = 0 )( 3 2 )令 x = 印 s i n ( m t + c p ) ，则有谚 - 一0 ) 2 如细”0 ，+ 叩) ，代入( 3 2 ) 式可得怄卜C 0 2 阻m = o )( 3 3 )根据矩阵方程定义可知，式( 3 ) 有解的基本条件是其特征矩阵沈，( 陋卜2 阻】) = p ( 3 4 )式( 3 - 3 ) 、( 3 - 4 ) q b 为机构的自振频率，特征向量如 为机构的振型和模态，通过解析方N ( 3 4 ) 的特征值即可得到对应振型的模态和固有频率【5 3 ，5 5 ，5 6 1 。结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合【5 7 】，其中低阶固有振型较高阶对结构的振动影响较大。越是低阶影响越大，低阶振型对结构的动态特性起决定作用，故进行结构的振动特性的分析计算时通常取前6 阶即可【5 8 , 5 9 】。对可摘挂式抱索器进行模态分析，得到如图3 1 8 所示的前6 阶固有频率与振型。根据提取的模态结果可知，经过优化设计后的整体结构最大幅频特性小于2 ，达到了合理化的结构组合。从如图3 1 8 所示的前六阶模态云图可知，固有频率为3 2 2 H z 的第一阶模态主要是轮架和箱体的Y 向偏振，此时的幅频特性为1 1 5 8 ；第二阶的固有频率为5 7 2 H z ，主要体现的为轮架和抱索器主体部分的Y Z 向偏振，其幅频特性为1 2 1 5 ；第三阶的固有频率为6 0 1 H z ，主要体现的是箱体的X 向偏振，其幅频特性为1 4 7 7 ；第四阶的固有频率为6 6 4 H z ，主要体现的是箱体和轮架的X Y 向偏振，其幅频特性为1 4 0 4 ；第五阶的固有频率为7 3 6 H z ，主要体现的是箱体和轮架的X Z 向偏振，其幅频特性为1 5 1 2 ；第六阶的固有频率为8 4 5 H z ，主要体现的是轮架、箱体和抱索器主体部分的X Y - X Z 向混合偏振，其幅频特性为1 2 0 9 。由此可见优化后抱索器主振频率为7 3 6 H z ，最低阶固有频率为3 2 2 H z ，大于系统的激振频率，能够保证抱索器的稳定运行。硕 学位论文第三章可摘挂式抱索器动力学分析及模态分析第1 阶模态一：、 一n 4 t 。j ：* ，瓤i ，2 博“f “f 二，7 V一 Hf t j kS Z f 镰掣，唧： ：“：。：! l：j，。g牙拽、t”：一； 穹r 以J = 4 ：，第3 阶模态。| ，+ 铲，佴f铱矿t一? j；z o 螺S ?l ，“7秆洳d 哦，l o 弘：伯岈王。蜊* 一；x一。矍。S 口：i 6 ：二，J女吐#：饼#t t x ，* ：越7 嚣，硒5 辩0 M ，a “；S o：蚍二 垃第2 阶模态耳 ：0 一 ，第4 阶模态 H：，。“F ， ：W vqt p 7 -1 o ：“一4 0 4脚l ，：o 努i ! 撼磋膨l， Hm #4 。O 二：# 篇；一，j ：二 ：，?xp*mgmj 吣* “W = 氍搿p 品 ，y ，第6 阶模态! 圈固蠢囊暖罄蜀匿= ：= ，翻_。二一”：“l y P 、铲4 7 8 * 。w ，t ：1 2 嚣L 婪斑L 量曼撼携量睚托 垡婪一一。图3 1 8 抱索器前6 阶模态云图3 4 抱索器幅频特性仿真值与测试值对比分析使用4 通道便携式快速傅立叶变换频谱分析仪( O n oS o k k iC F 3 4 0 0 ) 进行实验模态分析【6 0 , 6 1 】，如图3 1 9 所示。利用美国P C BP i e z o t r o n i c s 公司生产的如图3 2 0 所示的P C B3 3 3 8 3 0 振动传感器( 加速度传感器) ，以锤击法进行模态试验，振动传感器吸附在抱索器如图3 2 1 所示的不同位置，检测出抱索器如图3 2 2 所示的模态阵列【6 2 l 。表3 3 为提取出的可摘挂式抱索器前六阶仿真与测试模态参数对比【6 3 1 ，从表中可知结构优化后低阶频率得到较大提高，在乘人索道运行中避开了激发抱索器共振的频率段，故抱索器能较为安全的自由运行【6 4 1 ，对整个运- 3 5 硕I j 学位论文第三章可摘挂式抱索器动力学分析及模态分析载系统也无太苛刻的运作要求，为企业降低了附加成本。抱索器固有频率仿真结果较实验结果偏大，最大达到1 4 4 ，由于仿真时设置的工作条件较为理想，边界条件选取的较为苛刻，故产生偏大的现象。与频率相反，振幅的仿真结果较实验结果偏小。图3 1 9 模态测试平台j 。罄4：3 5 5 8 鳓。鞘燃骥貔貔勉施磊放纭_ ，2 j 疵。；i ，：，兹图3 2 0P C B 磁式振动传感器图3 2 l 振动传感器测试抱索器各个位置示意图，g：磊硕I ? 学位论义第三章可摘挂式抱索器动力学分析及模态分析4 01 2 0- 4 0M a 9d l 了、r1 2 00) ( = 0 0 0 0 H z Y ：- 7 8 6 2 d B v r0图3 2 2 测试出的抱索器模态阵列表3 3 抱索器前6 阶仿真与测试模态参数对比誉誉遴- A - - 试制抱索器扳动测试绪聚悫参数l 卷参数2 4 6 0 08 0 01 0 0 01 2 4 振功频率( H z )图3 2 3 抱索器前后模态参数对比分析3 7 -O98765幸32，O11，11j- 3 8 -颀f 学位论文第p n q 章可摘挂式抱索器有限元应力应变仿真分析第四章可摘挂式抱索器有限元应力应变仿真分析在第三章验证抱索器整体的运动性能和动态性能的可靠性之后，本章将采用有限元仿真分析静力学性能的方法，研究抱索器应力应变分御规律，并对抱索器危险截面处( 铰孔和抱头过渡处) 的最大等效应力和应变进行校核，通过对抱索器主要承载零件( 内外抱体) 的分析，进一步改进设计，减小应力集中，均布载荷，保证抱索器使用的安全性与零部件的可靠性。4 1 抱索器整体应力应变参数设定及仿真分析在对摘挂式抱索器进行应力应变分析时，为更真实的反应工程实际状况，先对抱索器进行线性的静念应力应变分析，求出其应力应变分布规律，揭示抱索器关键承载零件与应力应变较为明显的部件。为进一步研究抱索器关键零部件的应力应变分布规律，再分别对内抱体和外抱体做线性结构分析( 由于抱索器的内外抱体不存在大变形因素，此处不需要进行几何非线性分析) ，研究其应变的分布状况。图4 1 抱索器加载后的有限元模型由于前期在进行接触分析和模态分析时，已经进行了材料属性的设置以及必- 3 9 顾I j 学位论文第四章可摘挂式抱索器有限元应力应变仿真分析要的单元类型选择和网格划分，在抱索器的抱头部位也进行了约束操作，在进行应力应变分析时，只需要施加载荷操作即可。成人人体重量一般为6 0 - 8 0 K g ，为了使设计具有合理的安全系数，在仿真时设置载荷为1 K N ，设置载荷后效果图如图4 1 所示。为了能够更真实地求解载荷的累计作用，以及装配体因接触问题带来的载荷状态的改变，虑及在抱索器的某些部位会发生大变形，甚至是蠕变，因而在应力应变仿真分析时，需要进行非线性的分析。在A N S Y S1 0 0 中通过激活U n a b r i d g e dM e n u 命令，调出分析类型( A n a l y s i sT y p e ) 下的分析选项( A n a l y s i sO p t i o n s ) ，为了获得大变形对抱索器零件的影响状况，将非线性选项( N o n l i n e a rO p t i o n s )中的大变形影响( L a r g ed e f o r me f f e c t s ) 丌启，为了加快求解，需要在N e w t o n R a p h s o n 选项中，使用修正的N e w t o n R a p h s o n ( M o d i f i e dN R ) 公式修正模型的切线矩阵方程。为了获得较好的求解稳定性和求解速度，在求解器中选择稀疏矩阵直接求解器( S p a r s es o l v e r ) 进行求解运算，其具体设置如图4 2 所示。I 一F 而甄斛受；! ；刀靶霸栩辱銎臻糍缴驻嬲裁戳鳓懿鳓强翻暖魏强翰琵翳貔戮舄圈暖嬲翰嘲霸暖麟叛穰翻越驻籀缀翳臻强舷嬲缀嬲戮鞲猫籀缀臻强翟翔啪。一爿阻饪。啦L a r g e 如缸碲e 懒O n嗍融I 躲勘却叫黼l 刚N - RA d 剐妊蜊2| 一f 删一咖y 0 酏0 mD 删lu l e h 带e d n a p - o x ? t - g ；q 缸v 】q b ，d 1 5 r 蚓v e r二l。 二v 删妇翻e x o 群哇F r 舯翻拍d 鱼懵e S 嗽刚晰 二y a r d 酬vf a tP ! t e o n 蘸的nC G护剐- c 碍0 0 嘲s n o kP r 斟蝤o n I - O f fv n l i e l 础f a t 舟t a 删蛳C 6髀s A 嘲帅V s 垤t - O f Fv a 醚酬y f 晡P r e o 删# o n C 6酾v c 嘲鲰椭撇O nv 喇鲥v b r F v o n t a ，妇m 州P c G s o I v 螂豫嘲孽阍s 廿曲铂。p r e 蝣。| P r H 口铡二IN o l ：”i 啦曩j 侧枷朗，e tS S T 萨，O M 滞踊啪m 怖一 b e t 搿e a h 幽缸砖阳毒喇罩酋oo f a c 曲e 培$ 豳_ - - _ _ _ - - _ - _ _ 一- - - - _ _ _ _ - - _ 一_ _ - - _ - - _ _ _ - _ 一2 -图4 - 2 分析选项中的设置硕I 学位论文第四章可摘挂式抱索器有限元应力应变仿真分析设置完成后，直接进行求解运算，之后，利用通用后处理器，读取仿真结果，可摘挂式抱索器整体应力分布云图如图4 3 所示，从中可知，抱索器的最大等效应力为0 8 6 8 1 0 4 P a ，其应力集中的部位为活动抱卡的过渡处及铰孔所在位置，其最大等效应力值为O 7 1 3x1 0 3 P a 满足设计要求。从如图4 4 所示的可摘挂式抱索器整体应变分布云图可知，抱索器仿真应变分布符合应力应变曲线，在应力较大的部位，应变也会相应的较大。1 。- 9 J 。以z ：2 e + + ：j 辨，! F ，7 就x ，、。q 群，i 掣岱叠麓王! ! 魅一图4 3 可摘挂式抱索器整体应力分布云图4 2 抱索器活动抱卡应力应变仿真结果分析4 2 1 内抱体应力应变分布变化规律可摘挂式抱索器的核心零部件是活动抱卡，内抱体是构成活动抱卡的最要零件之一，也是抱索器主要的承载零件。研究内抱体在载荷作用下应力应变的分布规律，有助于优化其薄弱部位，改善应力集中状况。将简化后的内抱体三维几何实体模型，通过接口工具导入到A N S Y S1 0 0 中，设嚣单元类型和材料属性后，并对内抱体进行网格划分，最后设置载荷，如图4 5 所示为内抱体有限元模型( a )硕f j 学位论文第四章可摘挂式抱索器有限元应力应变仿真分析及前期处理后的效果图( b ) 。完成有限元前期处理后，再进行应力应变求解运算，计算完成后，利用通用后处理器读取应力应变数据。从如图4 - 6 所示的内抱体应力分布云图中可知，内抱体应力分布主要在抱头部位，在过渡部位有应力集中的现象，也是内抱体在承载中较为薄弱的地方，其最大等效应力为2 4 0 2 7 P a ，远小于材料屈服应力值，能够满足工程实际要求。( b )I ：o76 67 ；，qM mm 4H - 鲥鬣艰l n 翻L j 拓t 5 誊3 乒c y图4 5 内抱体有限元模型及预处理后的效果图鼍紫 擎鼍竺鼍紫警攀焉产竺紫I 攀学_ 啤紫煳糊絮炉麟翻鬣产幽帮哪j f | 茹娜蝴“IMB 坼”酃噼i 嘲”。图4 - 6 内抱体应力分布云图图4 7 内抱体硕f j 学位论文第四章可摘挂式抱索器有限元戍力戍变仿真分析根据如图4 7 所示的内抱体应变分布云图可知，内抱体的应变分布规律与应力分布规律一致，在应力较大的地方，应变也较大，优化后的内抱体，最大应变为0 1 1 2 X1 0 。6 。为了改善内抱体过渡处应力应变集中状况，在二次设计抱索器时，通过增加内抱体过渡处圆角，使得内抱体抱头弯角流线更为圆滑，均柿所受载荷。4 2 2 外抱体应力应变分布变化规律同样，经过对外抱体有限元预处理，得到如图4 8 所示的外抱体的有限元模型( a ) 及前处理后的效果图( b ) 。进行静态应力应变求解后，利用通用后处理模块，提取如图4 9 所示的应力分布云图，以及如图4 1 0 所示的应变分布云图。从图中可知，外抱体危险截面与预测一致，其分布在抱头与抱体的过渡处及铰孔处。从云图中可知，在铰孔内侧，其最大等效应变达到0 1 4 3 X1 0 。6 ，仿真所得值为接触应变，并不是真实的铰孔应变。在实际中，通过对铰孔进行热处理，以及选用材料刚度相对小的销钉即可达到减小外抱体应变的目的，延长其使用寿命。另外在二次优化设计时通过增加外抱体铰孔处的厚度，以及过渡圆角，能够有效改善应力集中状况。1 一- 1 二J ”。蹦* 埔 ：辨：4：竹畦M“吒u i d 皿每I 尊咤图4 8 外抱体有限元模型及前处理后的效果图棚，? * l ：，j 一*? ，j 戴：铀枞m ，r f 2 J f i q d 患喇。：婶哺鼍，黔霉劈黧摹矛鬻筑。岫l 鲋州t 筠锄k * 肇南M 乳_ 掰葚甜图4 - 9 外抱体应力分布云图硕I j 学位论文第p n q 章可摘挂式抱索器有限元应力应变仿真分析对可摘挂式抱索器内外抱体单独做有限元应力应变分析时，由于是单体，未进行接触分析，仿真的应力和应变结果就会显偏大。另外在对内外抱体施加载荷时，利用的是计算出等效集中载荷值，对局部受力就会显得过大，计算出的仿真应力应变结果也会偏大。为了能够得到更为精准的仿真结果，首先需要利用M S C A D A M S 软件进行动力学仿真，求解出内外抱体的载荷分布与值，然后导入到A N S Y S1 0 0 中，如此方能在应力应变仿真中获取较为准确的结果。在对抱索器进行有限元仿真时，设定载荷和自由度是关键，也是导致仿真结果是否准确的关键因素。在实际中，抱索器抱紧钢丝绳正常运行时，抱索器活动抱卡与牵引钢丝绳存在相对的运动，另外钢丝绳受到侧向力时会发生转动，由此在仿真时设置抱索器活动抱卡自由度为O 时，可作为苛刻的边界条件设置。当设置除转动外其他自由度为O 时，可作为宽松的边界条件，仿真出的结果应是实际结果的上下界限。另外在载荷布置时，通过将载荷均布在铰链孔的受力半圆面，再通过建立接触对增加摩擦系数，这样就能更好的模拟工程实际，得到的结果也相对更具可靠性。4 3 本章小结通过有限元静力学分析，研究抱索器核心零部件应力应变分布规律，在抱索器设计时，通过对抱索器内外抱体应力集中部位，进行圆弧设计和过渡设计减小应力集中。对于应变比较大的部位，通过适当增加厚度或是增加侧边筋，以增强抵抗变形能力。硕卜学位论文第五章可摘挂式抱索器实验数据处理及结果分析第五章可摘挂式抱索器实验数据处理及结果分析本章通过实验分析的方法对抱索器抱紧力和杠杆比进行验证，在此过程中，引入间接测力概念，测试抱索器的抱紧力。利用电阻应变片测试抱索器在不同载荷下的应变量，验证仿真时抱索器危险截面的应变预测，确保其变形在线弹性阶段。5 1 抱索器活动抱卡抱紧力测试及杠杆比测试检测抱索器抱紧力一直是企业的难题，目前市场上也没有专用的测力仪器可供选择。为了能够测得抱索器的真实抱紧力，此处提出一种间接测力的概念，利用如图5 1 所示的实验线，通过抱索器夹紧一个钢块，测定该钢块的应变，检测求出钢块所受到的压力大小，此即为抱索器的抱紧力。图5 1 架空乘人索道现场试验线图5 2 四臂全桥测量法利用如图5 3 所示的电阻应变式传感器测力桥路( c ) ，经过信号补偿和放大电路后将数据传输至数据采集卡，通过数据处理，显示出测量结果。为了更好的测试抱紧力数据，本实验采用程控静态电阻应变仪Y E 2 5 3 3 ( b ) ，其中两个L E D 显示屏既能显示应变量又能显示所受力的大小，这样就可以直接显示出抱索器抱紧力的大小。为了补偿温度影响和因扭转而带来的误差，采用如图5 2 所示四臂全桥测量法，将四个电阻应变片用5 0 2 胶贴在钢块的对侧。此处通过采用高精度电阻应变式传感器Z F l 0 0 0 1 5 A A T 8 ( a ) 来实现机械量到电量的转换，此种传感器以改良酚醛为基底，用卡玛合金箔制成。其通过采用全封闭结构，可实现内部蠕变和温度自补偿，由于改性酚醛的阻抗较高( 1 0 4 M f 2 ) ，故稳定性好，精度能达到0 0 2 级的传感器使用要求。表5 1 为测得抱索器抱紧力与理论值对比分析。4 5 硕I ：学位论文第五章可摘挂式抱索器实验数据处理及结果分析t ，Fj 一+ o t 一 。4 j眵I jI 醇，疗。一 客 A艮麓，。7 ：。阐曩。，。 二蠹叠，捌蠡g O D - f 。三，一，。，。；，：毒二。，鞠：!，麓缀麓霾I - 4 d 。a 自d 叠k = l ：，；，|，霎黩L 一地j8y 小恸翩A、Ca l J m ,I I 。E， 、图5 3 抱索器抱紧力测试平台及数据处理过程表5 1 抱索器抱紧力测试值与理论值对比载荷( N )测试值( N )理论值( N )03 0 0 205 06 2 0 13 4 7 71 0 09 6 7 06 8 5 41 5 01 3 1 3 21 0 4 3 12 0 01 6 9 0 81 3 9 0 82 5 02 0 9 6 4l7 3 8 53 0 02 4 3 2 42 0 8 6 23 5 02 6 5 7 52 4 3 3 94 0 03 0 3 9 02 7 8 1 64 5 03 4 3 0 331 2 9 35 0 03 9 9 1 03 4 7 7 06 2 04 9 3 8 54 3 1 1 57 0 05 7 3 3 04 8 6 7 84 6 硕f ? 学位论文第五章可摘挂式抱索器实验数据处理及结果分析Z泅强蔫? ，测试值。一理论值载荷小图5 4 抱索器抱紧力测试值与理论值对比曲线滔醪痊Z从如图5 4 所示的可知抱索器抱紧力测试值与理论值对比曲线可知，在载荷越小的时候存在差异越大，但是随着载荷的逐步增大，测试值与理论值也越逼近。产生此种情况的原因大致有一下三点：1 在理论计算时未将抱索器及座椅的重力计算在内：2 测试值斜率先变小后增大，是因为电阻应变片受力时变形是非线性的；3 测试时由于环境、传感器及测试装置本身精度和稳定性存在差异。4 0 0 0Z篓娜蘸2 0 O1 2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0修正载荷( N )图5 5 抱索器杠杆比拟合曲线硕I j 学位论文第五章可摘挂式抱索器实验数据处理及结果分析为了获得较为真实的抱索器杠杆比测试结果，通过求抱索器和座椅的有效作用力，以修J 下平均值的方式获得抱索器的近似杠杆比。此处设抱索器和座椅的有效作用力为X ，抱索器杠杆比为i ，则有表5 2 的修正计算结果。从如图5 5 所示的拟合直线图可得有效作用力平均值X = 2 7 2 ，抱索器杠杆比平均值f - 7 6 4 ，而理论值i 理论= 6 9 8 ，所以平均误差为8 6 ，标准公差为1 2 ，如图5 5 所示是其直线拟合后的效果图。抱索器杠杆比测试值为7 6 4 ，也达到了有效杠杆比应在6 8 之间的技术要求。表5 2 修止后的抱索器未知参数为了能更为准确的设计抱索器，在理论求解时，需要考虑抱索器自身重量对抱索器抱紧力的影响，根据最后的实验结果与分析，需要对第二章的抱紧力公式做如下修正：Q = 等I 卜剑2 a bb 以)( 5 - 1 )。甜II I 、7、式中：1 1 抱索器各个传动零件的效率；W 乘坐人体的重量；X 抱索器和吊椅的有效作用力。使用修正后的抱索器抱紧力公式能有效减小理论与实验结果间的误差，提高设计的准确率，更有效的指导生产和研发。4 8 硕I j 学位论文第五章可摘挂式抱索器实验数据处理及结果分析5 2 抱索器活动抱卡应变测试及结果分析5 2 1 测试方法和装置首先利用焊锡将应变片连接到转接板再引出两条导线( b ) ，再用5 0 2 胶将电阻应变片贴在抱索器抱头部位，然后将其接至如图5 - 6 所示的静态电阻应变测试仪Y E 2 5 3 3 ( a ) 上，经过测试仪的数据信号处理，读出测试结果。为了避免其他因素对测量结果产生的不必要误差的影响，在选择配套设备时，选用四芯防屏蔽数据采集专用导线，既能减小因导线粗细不均带来的额外误差，还能有效屏蔽外界的信号冲击影响。在不影响测试精度和可靠性的前提下，为了节约电阻应变片，此处采用半桥方式测试应变量。在进行数据测试时，通过施加一系列载荷，研究应变的变化规律，为了不破坏抱索器的完整性，在此仅施加到普通人体重量的载荷，并检验在这些载荷下抱索器危险截面处是否会发生开裂等现象，如图5 7 所示为测试现场。黪删叠kj，岛( b ) 。j 珏“胤傅瘟乱 觎铲靴赢鳓缸。| 劫”。i o 饬图5 6 静态电阻应变仪及所用电阻应变片图5 7 抱索器应力应变测试现场jq镰蒿一lq涸囊一盏，一牲聃童一，怅兰嚣誉璧墨瓣 | 黼一善基器墨糊。誉叠羹基墨堋一黝r孽誊誊删囔一幽前嚣三二，z 影。缀，妙毖硕l j 学位论义第五章可摘挂式抱索器实验数据处理及结果分析5 2 2 内抱体应变测试及结果分析根据仿真结果可知，抱索器内抱体如图5 8 所示抱头部位应变较大，在此部位贴上电阻应变片检测应变量。由于内抱体所承受主要力为比较简单的单向力，所以设定内抱体抱头部位的应变方向为单轴的纵向，籍此应变片的贴法如图5 - 9所示。对抱索器施加一系列载荷后测得应变量如表5 3 所示，图5 1 0 为对应的载荷与应变量的关系图。从测试结果可见，所测得的应变量为负值，证明内抱体测量点所受变形为压缩变形。图5 8 内抱体抱头应变最人部位图5 - 9 内抱体抱头部位应变片贴法表5 3 内抱体抱头两个应变片所测力及应变量硕I j 学位论文第五章可摘挂式抱索器实验数据处理及结果分析0oO瑚湖柏0铷鲫7 0 0竣铺f N 图5 1 0 内抱体抱头所受载荷与应变量关系图Ub ，、k阡I蚴盯ed uhJJ-f P1A ，一一，珊一一。l “o5o 图5 - 1 1 低碳钢拉伸曲线)由表5 3 和图5 1 0 可知，内抱体在最大7 0 0 N 载荷下的变形还未达到如图5 1 1 所示的弹性极限载荷点e ，这一系列载荷还在线弹性应变阶段，不会对制件造成损坏。从试验结果可知当载荷为6 2 0 N 时，内抱体所贴应变片处的应变量为2 6 3 1 t e ，贴处的厚度为5 m m ，所以根据应变计算公式折合应变为1 3 1 5l am ，变形量很小，满足设计要求。5 2 3 外抱体应变测试结果与分析可摘挂式抱索器外抱体外观比较复杂，其受力部位也较大，但其主要承载部位还是抱头部位，应力较为集中的部位为铰孔和抱头的外侧。根据如图5 1 2 所示有限元应变仿真分析云图，通过分析这两个部位的形变方向，采用如图5 1 3所示的应变片贴法。为了减小横向变形对应变量测量的影响，在外抱体抱头外侧贴应变片时，采用了一横一纵的方式。表5 4 为铰孔处两个应变片测得的力大小及应变量，表5 5 为外抱体抱头端部应变片测得力大小及应变量，如图5 1 4 所示为载荷与应变量对比关系图。图5 1 2 外抱体抱头部位5 1 珊瑚撕螂蜘一譬一l枣爱顾I j 学位论爻第五章可摘挂式抱索器实验数据处理及结果分析麓穗移”? J ，| 蝴毫氅黔。黟”。苷。一，口9 缀籀，z 。绷图5 1 3 外抱体抱头部位应变片贴法示意图表5 4 外抱体抱头铰孔处应变片所测力及应变量表5 5 外抱体抱头端部全桥应变片所测力及应变董载荷应变量( “)O5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 05 5 06 0 06 2 0调平衡5 58 l9 61 0 21 2 01 2 71 4 51 6 42 0 52 3 42 4 1- S 2 -硕I j 学位论文第五章可摘挂式抱索器实验数据处理及结果分析钠4 0 05 600，0 2 0 03 0 0螂载锔( N )撬街f 、图5 1 4 外抱体铰孔及抱头端部所受载荷与应变量关系图由表5 - 4 、表5 5 、图5 1 4 可知，外抱体在系列载荷下的应变属于线弹性应变，整个系统处于安全载荷的区域，由此可见抱索器在初始设计阶段的载荷估算是合理的。由于应变片测量的局限性，在测试时不能测量曲面处或是表面较粗糙处，所以铰孔等复杂部位不能利用应变片测量应变大小。为了求得铰孔处等不易测试部位的应变量大小，可以通过回归方程近似计算得出，此处就不赘述。5 3 本章小结通过间接的方式测量抱索器抱紧力，不仅能简化测量模型，还能避免因测量工作面的不平整带来的误差，另外还能有效规避因活动卡与钢丝绳发生相对运动造成的电阻应变片的损坏。求解抱索器杠杆比的时候，需要对数据进行修正，由于实际生产的抱索器其重心并非处于抱卡铅垂线上，所以抱索器和座椅的部分重力会产生效力。通过设定抱索器与座椅重量的参与因子，在计算时通过方程组即可求得抱索器杠杆比，由于测量时存在不确定性因素，才会存在抱索器杠杆比的浮动变化，通过求平均值的方式来近似验证抱索器杠杆比设计的合理性。抱索器活动抱卡应变的测试存在比较大的风险，由于抱索器内外抱体的测量面的平面度较差，所以电阻应变片不能与测试面很好的接触，影响测试的精度。另外由于抱索器内外抱体是分开不对称结构，在测试时不能通过四臂全桥的方式进行温度补偿，亦不能在抱卡与钢丝绳结合面贴应变片( 接触面的先对运动会增加应变片额外变形，影响测试的精准性) ，故测试结果误差较大。- S 3 -柏口n)一氯硕I j 学位论文第六章全文总结与展望第六章全文总结与展望6 1 全文总结本文未解决地下架空承认索道斜坡转弯的世界级难题，从抱索器工作原理和机构机械原理出发，以理论设计计算为基础，在结构和尺寸上，对原有重力式抱索器自身重、尺寸大、运动不灵活、脱绳时容易卡死、运行时容易掉车等缺点进行改进并优化设计。通过虚拟装配检测装配精度以及通过运动仿真研究其运动状态，采用有限元模态分析，提取模态参数，优化结构布局防止因振动对零件造成的损坏，借助有限元应力应变分析研究其应力应变分布规律，确定抱索器零件的危险截面，并二次设计保证抱索器的工作可靠性，进而成功开发出满足企业实际生产要求的可摘挂式抱索器。论文的主要研究成果和结论如下：( 1 ) 本文以理论方式对抱索器进行了工作机理和结构原理的系统分析，为抱索器的设计提供理论支撑。在设计之初通过分析抱索器的结构特征，提取出其四杆机构的机械工作原理，并对影响抱索器抱紧能力的抱紧力进行设计验算。可摘挂式抱索器不但需要可靠的抱紧力保障，还需要在脱绳和抱绳时能够灵活轻便，而制约抱索器灵活性的关键因素是杠杆比。而抱索器杠杆比是由抱索器的组合尺寸决定的，再根据工程实际，抱索器合理的杠杆比为6 - 8 ，据此通过设置适当的杠杆比就能确定抱索器核心零件的尺寸。利用钳口包形理论设计抱索器活动保卡包形系数，合理的包形系数不仅能保证抱索器抱紧钢丝绳，还能使抱索器在脱绳和抱绳时具有较好的灵活性；( 2 ) 为了保证可摘挂式抱索器能够顺利进行斜坡转弯，在设计抱索器时，通过增加摩擦板，为抱索器脱绳后在轨道上的运行提供动力，通过增加导向轮引导抱索器在轨道上的运行，提供精准的运动轨迹，便于二次抱绳；( 3 ) 为了研究抱索器的运动性能，本文用P r o E 建立抱索器数字样机模型，虚拟装配检测其装配精度，确保抱索器各个零件之间协调配合互不干涉，借助P r o M e c h a n i c a l 程序，对抱索器数字样机模型进行运动分析，研究抱索器脱绳和抱绳运行状态，以及检查此过程中是否存在空间运动干涉，为抱索器的设计提供样机运动数据，还能有效缩减设计周期、节约生产成本；( 4 ) 任何机械装置都存在振动，为了防止抱索器在运行中产生共振，避免振动对抱索器零部件寿命带来加剧损耗，本文首次尝试利用有限元软件A N S Y S1 0 0 对抱索器进行模态分析，提取其低阶模态参数。对于较小的固有频率，通过改善结构布置和尺寸提高其频率，尽量避开索道系统硕I ：学化论文第六章全文总结与展单运行频率，为抱索器的稳定运行保驾护航；( 5 ) 抱索器在承载的时候，活动抱卡和铰链铰孔位置容易出现因应力集中和应变较大而破裂的状况，为了在设计之初就能够预测敏感部位的承载能力，并对薄弱部位进行加强设计。利用有限元应力应变分析，研究其应力应变分布规律，对关键部位进行应变检测，通过优化设计改善铰孔处和过渡处承载能力和应力集中状况；( 6 ) 由于抱索器抱紧力一直没有专用仪器进行测试，企业和生产单位亦没有解决方案，他们验证抱紧力只是通过工程经验。为了更为精确地测试抱索器抱紧力，本文首次引入间接测量抱紧力的概念，通过测量贴有电阻应变片的钢块的应变量，来求解作用于钢块上的压力即抱索器的抱紧力，进一步印证抱索器设计的抱紧力和杠杆比的可靠性。对抱索器关键部位进行应变测试，与有限元仿真的应力应变分布进行对比分析，校验仿真边界条件及载荷布置的适当性。6 2 未来展望( 1 ) 可摘挂式抱索器脱绳抱绳实验本文设计并试生产了优化改进后的可摘挂式抱索器，通过理论分析计算抱索器的抱紧力，杠杆比和包络系数，利用该抱索器进行抱紧力实验和应力应变实验，亦在现场试验线做了抱绳运转和转弯，证实了抱索器的可行性。但是并未进行脱绳和重抱绳运行试验，对于其脱绳动作是否实现顺利，在抱绳是否精准需要进一步的实验来验证；( 2 ) 可摘挂式抱索器动力学分析由于理论计算只是近似集中计算，不能满足仿真分析时的均布载荷要求，会对仿真结果的精度产生影响。为了能更精确的仿真抱索器核心零部件的应力应变分布，首先应通过M S C A D A M S 动力学分析软件，分析求解抱索器的载荷分布状况，再通过A D A M S 与A N S Y S 的接口将具有载荷信息的有限元模型导入到A N S Y S10 0 中，由此进行的仿真将更为接近工程实际；( 3 ) 索道系统模态分析抱索器运行时与索道系统的特性是密不可分的，所以了解索道系统的固有频率也是提高抱索器运行稳定性的保障。利用A D A M S 软件仿真分析索道系统的动态特性以及抱索器在索道上的运行性能，再利用A N S Y S对索道系统做模态分析，提取其模态参数，并通过结构优化改变索道系统的低阶固有频率，扩大抱索器的安全运行频率段；5 5 学位论义第六章全文总结与展望( 4 ) 抱索器活动抱卡抱头部位材料改进当抱索器用于地下架空乘人索道时，特别是具有防爆要求的矿山时，抱索器与牵引钢丝绳之间不能产生火花。当抱索器高速运行时，抱索器脱绳和再抱绳阶段，抱索器与钢丝绳有相对运动，此时就有因摩擦产生明火的可能，如果抱索器抱头部位采用高强度耐磨擦的高分子材料，不仅能避免火花的产生，还能减轻抱索器自身重量，节约生产成本。5 6 硕I j 学位论文参考文献参考文献A b o u tR o p e w a y s 【h t t p ：l i b r a r y m i n e s e d u A b o u t _ R o p e w a y sh t t p ：w w w u s h a b r e c o c o m a b o u t r o p e w a y s h t m l 【2 】周新年，郑丽凤，邓盛梅我国工程索道的发展与展望【J 】福建林学院学报，2 0 0 5 ，2 5 ( 1 ) ：8 5 9 0 【3 】K l a u sH o f f m a n n R e c e n td e v e l o p m e n t si nc a b l e d r a w nu r b a nt r a n s p o r ts y S t e m s J 】F a c u l t yo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ( F M E ) T r a n s a c t i o n s ，2 0 0 6 ，3 4 ( 4 ) ：2 0 5 -2 1 2 【4 】C h a i r l i f t 【h t t p ：e n w i k i p e d i a o r g w i l d C h a i r l i f th t t p ：e n a c a d e m i c r u d i c n s f e n w i k i 18 0 4 5 9 【5 】张立忠，刘黎明我国矿山载人索道现状及发展前景【C 】2 0 0 7 年赣闽皖苏湘五省煤炭学会联合学术交流会厦门，2 0 0 7 ：1 2 4 1 2 6 6 】王庆武中国索道建设的现状与发展趋势【J 中国索道，2 0 0 1 ，l ( 2 ) ：1 6 ， 7 】A e r i a ll i f t h t t p ：e n w i k i p e d i a o r g w i k i A e r i a l _ l i f t 【8 】袁庭栋巴蜀文化【M 】沈阳：辽宁教育出版社，1 9 9 5 4 1 5 8 【9 】F a u s t oV e r a n z i o 【h t t p ：e n w i k i p e d i a o r g w i k i F a u s t o _ V e r a n z i oh t t p ：w w w a r c i p e l a g o a d r i a t i c o i t u o m i n i d a l m a t i v e r a n z i o h t m l 【10 】W y b eA d a m 【h t t p ：t r i f t e r c o r n e u r o p e g e r m a n y t h e - f i r s t s k i - l i f t h t t p ：e z i n e a r t i c l e s c o m ? T h e - F i r s t - S k i - L i f t - T h r o u g h t o T o d a y s C a b l e - C a r s & i d =5 3 7 8 5 3 7 【1 1 】W i l h e l mA l b e r t h t t p ：e n w i k i p e d i a o r g w i k i W i l h e l r n _ A l b e r t 【12 】F u n i t e l 【h t t p ：e n w i k i p e d i a o r g w i k i F u n i t e l 【13 】A e r i a lt r a m w a y h t t p ：e n w i k i p e d i a o r g w i k i A e r i a l _ t r a m w a y 【1 4 】G o n d o l al i f t h t t p ：e n w i k i p e d i a o r g w i k i G o n d o l a _ l i f t 1 5 】嵇焕章客运索道脱挂式抱索器的剖析与计算【J 】中国索道，2 0 0 2 ，2 ( 4 ) ：2 3 2 9 【16 】T - b a rl i f t 【h t t p ：e n w i k i p e d i a o r g w i k i T - b a r _ l i f t 【17 】C a b l eg r i p h t t p ：e n w i k i p e d i a o r g w i k i C a b l eg r i p 【1 8 】肖公平浅谈煤矿架空乘人装置中平面转弯机构的设计 J 】煤矿开采，2 0 0 9 ，1 4( 1 ) ：7 2 - 7 4 【19 】J - b a rl i f t h t t p ：e n w i k i p e d i a o r g w i k i J b a r _ l i f t 【2 0 】D e t a c h a b l ec h a i r l i f t 【h t t p ：e n w i k i p e d i a o r g w i k i D e t a c h a b l ec h a i r l i f t 【2 1 】朱俊国脱挂式抱索器综合评述【J 】中国索道，2 0 0 1 ，1 ( 4 ) ：1 5 2 2 】王黎虹P O M A 双抱索器的检测与研究【J 】中国索道，2 0 0 2 ，2 ( 6 ) ：3 5 4 1 - S 7 硕I j 学位论文参考文献【2 3 】杨义勇，王延利，王人成循环式索道抱索器的结构优化设计及有限元分析【J 】机械设计与制造，2 0 0 6 ( 11 ) ：3 2 3 4 2 4 】Y u Q i uL o n g ，S o n gC e n ，Z h i F e iL o n g A d v a n c e dF i n i t eE l e m e n tM e t h o di nS t r u c t u r a lE n g i n e e r i n g M N e wY o r k ：S p r i n g e rP u b l i s h i n gC o m p a n y ,I n c o r p o r a t e d ，2 0 0 9 5 4 6 - 6 7 3 2 5 】尚晓江，邱峰，赵海峰A N S Y S 结构有限元高级分析方法与范例应用【M 】北京：中国水利水电出版社，2 0 0 5 1 1 9 2 6 7 【2 6 】张向慧，钱桦1 2 波长复合形变幅杆的有限元分析 J 】南京理工大学学报( 自然科学版) ，2 0 1 0 ，3 4 ( 1 ) ：9 9 1 0 2 【2 7 】M Z g r a g g e n ，GP i s k o t y , M F a i l e r e ta 1 A n a l y s i so ft r a c kr o p ed a m a g ei ns e r i o u si n c i d e n to nS c h i l t h o ma e r i a lr o p e w a y J M a t e r i a l sa n dC o r r o s i o n ，2 0 0 6 ，5 7 ( 7 ) ：5 4 9 5 5 4 2 8 】习小英，姜莉莉，丘瑞林双四杆机构的运动分析及其优化【J 】机械设计与制造，2 0 1 0 ( 1 ) ：1 0 6 1 0 8 【2 9 R VP e t r o v a , K H o f f m a n n ，R L i e h l M o d e l l i n ga n ds i m u l a t i o no fb i c a b l er o p e w a y su n d e rc r o s s w i n di n f l u e n c e J M a t h e m a t i c a la n dC o m p u t e rM o d e l l i n go fD y n a m i c a lS y s t e m s ：M e t h o d s ，T o o l sa n dA p p l i c a t i o n si nE n g i n e e r i n ga n dR e l a t e dS c i e n c e s ，2 0 0 7 ，13 ( 1 ) ：6 3 - 81 【3 0 】杨义勇，李建中架空索道新型脱挂抱索器的结构原理及试验装置研究 J 】中国机械工程，2 0 0 1 ，1 2 ( 8 ) ：8 7 1 8 7 2 ，8 7 5 。【3 l 】孙林松，王德信，谢能刚接触问题有限元分析方法综述 J 水利水电科技进展，2 0 0 1 ，2 1 ( 3 ) ：1 8 2 0 ，6 8 3 2 】J a v i e rB o n e t ，R i c h a r dD W o o d N o n l i n e a rC o n t i n u u mM e c h a n i c sf o r F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i s M ，2 n dE d i t i o n N e wY o r k ：C a m b r i d g eU n i v e r s i t yP r e s s ，2 0 0 8 6 3 13 0 【3 3 】A N S Y SI n c A N S Y SI C E MC F D A I 。E n v i r o n m e n t1 0 0U s e rM a n u a l 3 4 】傅志方振动模态分析与参数辨识【M 】北京：机械工业出版社，1 9 9 0 5 8 一1 0 1 3 5 】冯坤振动信号处理技术及其在机械故障诊断中的应用【D 】北京：北京化工大学，2 0 0 6 【36 】K l a u sH o f f m a n n O s c i l l a t i o nE f f e c t so fR o p e w a y sC a u s e db yC r o s s W i n da n dO t h e rI n f l u e n c e s J F a c u l t yo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ( F M E ) T r a n s a c t i o n s ，2 0 0 9 ，3 7 ( 4 ) ：17 5 18 4 【3 7 】崔志琴，杨瑞峰复杂机械结构的参数化建模及模态分析 J 】机械工程学报，5 8 硕I j 学位论文参考文献2 0 0 8 ，4 4 ( 2 ) ：2 3 4 2 3 7 3 8 】汪伟，辛勇车架有限元建模及模念分析 J 】机械设计与制造，2 0 0 9 ( 11 ) ：5 3 5 4 【3 9 】王誉蓉基于虚拟技术的结构模态分析系统的研究 D 】保定：华北电力大学2 0 0 6 【4 0 】J i m i nH e ，Z h i - F a n gF u M o d a lA n a l y s i s M O x f o r d ：B u t t e r w o r t h - H e i n e m a n n ，2 0 0 1 1 2 5 1 【41 I Z a g h b a n i ，VS o n g m e n e E s t i m a t i o no fm a c h i n e t o o ld y n a m i cp a r a m e t e r sd u r i n gm a c h i n i n go p e r a t i o nt h r o u g ho p e r a t i o n a lm o d a la n a l y s i s J I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f M a c h i n eT o o l sa n dM a n u f a c t u r e ，2 0 0 9 ，4 9 ( 1 2 1 3 ) ：9 4 7 9 5 7 【4 2 】H a n sC R e n e z e d e r , A l o i sS t e i n d l ，H a n sT r o g e r T h r e e D i m e n s i o n a lS i m u l a t i o no f aC i r c u l a t i n gM o n o c a b l eR o p e w a y J P A M M ，2 0 0 6 ，6 ( 1 ) ：3 2 7 - 3 2 8 【4 3 】J a v i e rG a r c i ad eJ a l o n ，E d u a r d oB a y o K i n e m a t i ca n dD y n a m i cS i m u l a t i o no fM u l t i b o d yS y s t e m s ：T h eR e a lT i m eC h a l l e n g e M N e wY o r k ：S p r i n g e r - V e r l a gN e wY 6 r k ，I n c ，1 9 9 4 7 1 1 9 8 【4 4 】朱琦含移动副四杆机构运动仿真设计的数学模型【J 】山西机械，2 0 0 3 ( 4 ) ：1 7 1 8 【4 5 】L i e d lS t e p h a l l M o t i o n sa n df o r c e si nt h er o p es y s t e mo fa e r i a lr o p e w a y sd u r i n go p e r a t i o n C 】I n t e r n a t i o n a l e rS e i l b a h n k o n g r e s s S a nF r a n c i s c o ：C e n t e rf o rR o p e w a yS t u d i e s ：I n t e m a t i o n a lO r g a n i z a t i o nf o rt h eS t u d yo fT r a n s p o r t a t i o nb yR o p e ( O I T A F ) ，1 9 9 9 ：3 8 1 - 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2 3 【5l 】YYH u n g ，S YH u n g ，YH H u a n g e ta 1 H y b r i dh o l o g r a p h i c n u m e r i c a lm e t h o df o rm o d a la n a l y s i so fc o m p l e xs t r u c t u r e s J 0 1 0 t i c s & L a s e rT e c h n