基于proe的纵轴式掘进机虚拟样机建模与仿真

基于proe的纵轴式掘进机虚拟样机建模与仿真

纵轴挖掘机操作灵活方便，工艺简单。这是目前开采井的常用挖掘机。但由于掘进工作面环境恶劣、截割对象的物理机械复杂多变,加之悬臂截割、履带挠性等因素影响,致使掘进机工作时的载荷变化很大,并具有一定的随机性,因此机器工作过程存在明显的振动现象,特别是硬岩截割,该问题更加突出。机器振动致使零部件、连接件、电器元件、液压元件等产生变形和损坏,严重地降低掘进机工作的可靠性,直接影响其截割性能、使用寿命和掘进生产率。由于掘进机工作条件差,受力复杂以及工作面底板性质、不平度等很多不确定因素的存在,从整机的角度研究振动比较困难。利用虚拟样机技术,通过建立纵轴式掘进机的三维模型,考虑截割头空间载荷以及履带地面载荷,利用Proe/Adams联合仿真方法,建立掘进机虚拟样机的模型,为研究不同工作状态下掘进机的振动特征创造条件。1维实体建模纵轴式掘进机是由截割机构、回转机构、装载机构、行走机构、转运机构等几部分组成,其三维实体建模包括零件建模和整体装配。基于Pro/e的变量化设计和实体造型技术,完成截割头、装载机构、悬臂、油缸、回转台、行走机构等各零件的建模以及装配,得到纵轴式掘进机整机三维实体模型,如图1所示。2负荷确定2.1截齿位置角的确定以截割头上第i个截齿为例(见图2),所受x、y、z三个方向的分力分别为:⎧⎩⎨⎪⎪Xi=Frisinøi+FzicosøiYi=Fricosøi−FzisinøiZi=Fxi{Xi=Frisinøi+FzicosøiYi=Fricosøi-FzisinøiΖi=Fxi,(1)式中,⌀i为截齿的位置角,⌀i=ωt;ω为截割头旋转角速度;Fxi、Fri、Fzi分别为第i个截齿所受的侧向力、牵引阻力和截割阻力。截割头沿x、y、z三个方向的合力分别为:⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪Rxi=Σi=1nXiRyi=Σi=1nYiRzi=Σi=1nZi{Rxi=Σi=1nXiRyi=Σi=1nYiRzi=Σi=1nΖi,(2)式中,n为处于截割区域的截齿数。由于截割头上各截齿的载荷是随所处位置的不同改变其大小和方向的,运用Adams/view中的IF函数,根据位置角确定截齿受力。函数表达式:IF(sin(⌀t),0,0,F)(3)⌀t=nt+β,式中,⌀t为截齿所在位置角,(°);F为截齿受力,N;n为截割头转速,(°/s);β为截齿初始位置角,(°)。对每个截齿逐一施加三个分量的作用力,具体施加情况见图3。2.2刚体动力学中的支重轮-条件碰撞模型掘进机是低速行走的履带车辆,作为挠性体的履带承受着整机的重量,工作时存在一定的变形(见图4)。将履带、支重轮、地面假设为质量m、刚度系数k、阻尼系数为常数c的单自由度线性振动系统,垂直激励函数为f(t),以系统静平衡位置为坐标原点,质心垂直位移z(t)为响应输出函数,见图5。由文献,其动力学方程式为:mz(t)+cz(t)+kz(t)=f(t).(4)将上式两端做傅里叶变换,得:A(ω)Z(ω)=F(ω),(5)式中,A(ω)为系统机械阻抗,A(ω)=(k-ω2m)+jωc;H(ω)为系统机械导纳,或称传递函数,是A(ω)的倒数,即H(ω)=[A(ω)]-1。由上分析处理,得支重轮-履带接触碰撞的模型,见图6。在刚体系统动力学中,接触力为:FCij=-kδnijijn+cδij,(6)式中,k、c分别为刚度和阻尼系数;δij为穿透度,即δij=Ryi-Ryj-r;Ryi、Ryj为相对位移矢量。掘进机履带行走装置是一个典型的多接触碰撞系统,履带与地面、履带与支重轮之间均存在碰撞力和摩擦力,其碰撞参数见表1。3adams///模型的建立利用接口软件Mechanism/pro,在Pro/e中对掘进机整机模型装配体刚体定义。对需要研究的部件逐一添加约束后,将模型导入Adams/view中添加驱动,再对其模型进行验证(Model,Verify),确保映射到运动模型中的约束及驱动满足运动要求。然后,在Adams/view环境下对模型添加驱动,定义各零部件的材料属性等,软件会自动计算质心、转动惯量等质量信息,完成Adams/view软件操作环境和虚拟样机分析的前处理阶段。通过上述过程,建立的纵轴式掘进机虚拟样机模型如图7所示。4建立了约束机制(1)基于Pro/e的变量化设计和实体造型技术,完成了纵轴式掘进机各组成部分的建模与装配,得到了整机的三维实体模型。(2)分析截割头空间载荷、履带与支重轮、履带与地面间接触力的性质,确定了其计算方法。(3)完成对整机装配体模型刚体定义、部件约束添加,将建立的纵轴式掘进机三维模型传递到机械系统动力学仿真分析软件中,定义零部件材料属性以及驱动,解决了行走机构各零部件接触力及载荷施加问题。对模型进行验证,完成其前处理过程,确保映射到运动模型中