基于虛擬樣機技術的支架搬運車動態特性分析

潘 璇 孟國營

(中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院,北京市海淀區,100083)

基于虛擬樣機技術的支架搬運車動態特性分析

潘 璇 孟國營

(中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院,北京市海淀區,100083)

應用虛擬樣機技術對其結構進行動態特性仿真,由于支架搬運車在不同的路上行駛時,車體相應的運動和內部作用力等都與時間有關,所以對支架搬運車結構進行動態分析,可以較真實地反映設備實際作業工況。本文模擬了該車在平路、上坡和下坡3種工況下的運動情況,輸出所需參數的曲線圖。

液壓支架搬運車 虛擬樣機技術 動態特性

1 引言

隨著礦用機械的不斷改進與發展,現在國際市場上井下特種車輛的種類繁多,其中專門用于搬運液壓支架的特種車輛更是層出不窮,一些公司的產品趨于系列化,然而這些產品一般都是依照國外標準設計和生產的,而且價格相當昂貴。為提高國內井下車輛的整體水平,提高性價比,國內許多公司都從國外引進樣機,進行仿制,但是由于缺少必要的技術資料,所生產的產品性能差強人意。

同其他產品一樣,支架搬運車的研發存在一個“設計—改進—定型”的過程,面對瞬息萬變的市場,支架搬運車如何盡快地適應國內標準?虛擬樣機技術的引入,為支架搬運車的研發提供了一個契機。

虛擬樣機技術(Virtual Prototype Technology)是當前設計制造領域的一門新技術,涉及系統動力學、計算方法與軟件工程等學科。它利用軟件建立機械系統的三維實體模型和力學模型,分析和評估系統的性能,從而為物理樣機的設計和制造提供參數依據。

2 支架搬運車結構和性能參數

本文的研究對象是某煤機裝備有限公司生產的液壓支架搬運車,載重40 t,自重27 t。該車主要用于綜采工作面1.75 m間距搬運液壓支架及其他煤礦重型設備。拉運支架時,用提升機構上的起重鏈鉤住支架底座,提升油缸動作將支架提起,即可行走。

該車車身主要由前機架、U型框架、提升機構和擺動梁等組成,見圖1。前機架承載著動力源;后機架設計為U型框架,承載著液壓支架的重量。前機架和U型框架通過鉸接銷軸連接,U型框架與擺動梁也為鉸接結構。

圖1 支架搬運車結構

該車外形尺寸9036mm×3500mm×1650mm;結構類型為中央鉸接;離地間隙290mm;空載速度0～24 km/h,滿載速度0～12 km/h,總功率200 kW;中心距小于或等于1.65 m;液壓傳動形式。

3 支架搬運車動態模型

3.1 運動副、約束及載荷的建立

通過對三維模型的分析,可以得到各部件的質量、慣性矩、材質和質心位置。支架搬運車的整車動態模型拓撲圖見圖2,根據仿真需要,對整個模型進行運動副、自由度和約束的分析,忽略對仿真結果不造成影響的運動和約束,進行有針對性地簡化。

(1)前機架與鉸接處、鉸接處與后機架、擺動梁與后機架、6個輪胎與構件以轉動副連接;轉向油缸與鉸接處以球形副連接。

(2)按照不同工況在鉸接處、轉向油缸及6個輪胎處施加運動約束。

(3)發動機支撐與前機架以4個軸套力連接(剛度為1.8×108N/mm);轉向油缸與前機架以軸套力連接(剛度為2.4×108N/mm);液壓支架與前機架以彈簧連接(剛度為0.7×108N/mm)。

3.2 輪胎模型

仿真需提供輪胎的參數情況,在考慮輪胎剛度和阻尼的情況下,6個輪胎的參數規定如下。

(1)2個前胎:垂向剛度為2240 N/mm;滾動阻力系數0.045;滑動阻力系數0.9。

(2)4個后胎:垂向剛度為4370 N/mm;滾動阻力系數0.045;滑動阻力系數0.9。

圖2 支架搬運車動態模型拓撲圖

4 分析結果

支架搬運車在巷道內工作時,平路加減速、下坡制動和上坡啟動3種工況比較常見。特別是支架搬運車滿載運行時,需滿足一定的安全規定,否則容易出現危險。因此對這3種常見工況進行仿真,盡量真實地反映車輛的實際運行情況,并得到4個驅動輪輸出力矩隨時間變化的曲線圖,疊加后可進一步得到總力矩隨時間的變化曲線。仿真結果可與最大啟動力矩、最大制動力矩相比較。

4.1 平路工況

平路工況反映車輛在平路上滿載運行的情況,分為3個階段:靜止—全速—靜止,平路工況示意圖見圖3,起步階段歷時20 s,勻速運行10 s后制動,經過5.7 s車輛完全靜止。通過仿真分別得到4個輪胎驅動力的力矩圖,疊加后得到總力矩圖見圖4。由圖4可知,車輛在起步的前5 s內,力矩增長較快,5 s后力矩增長減緩,10 s時達到峰值3.36×107N·mm,勻速力矩維持在 3.15×107N·mm;車輛運行至30 s時,開始制動,制動最大力矩為5.19×107N·mm。根據設計要求,該車的最大啟動力矩為5.3×107N·mm,仿真表明,該工況車輪力矩符合設計要求。

圖3 平路工況示意圖

4.2 下坡工況

下坡工況表現車輛在下坡行駛過程中的運行狀況,假設有一個斜坡坡度為10°的坡,車輛從坡頂到坡根,經歷3個階段:起步階段、勻速階段和制動階段,其時間和距離要求見圖5,其中制動距離為15 m,制動時間為7.19 s。

圖4 平路總力矩圖

通過仿真得到4個驅動輪胎的制動力矩圖,見圖6,圖6(a)為中左輪胎40 s后的制動力矩變化曲線,圖6(b)為中右輪胎圖,圖6(c)、圖6(d)右兩圖分別為后左、后右輪胎。由圖6可知,車輛在46 s左右各輪制動力矩達到峰值,最大制動力矩分別為2.14×107N·mm、2.10×107N·mm、2.0×107N·mm、2.06×107N·mm,均小于設計所需最大制動力矩4×107N·mm,符合設計要求。

圖5 下坡工況示意圖

4.3 上坡工況

上坡工況表現車輛上坡過程的運行狀況,共分為5個階段:起步階段、勻速階段、制動階段、靜止階段和坡上起步階段,其時間和距離要求見圖7。斜坡坡度同樣規定為10°。該工況相對復雜,為研究仿真車輛坡起能力,在坡路上制動靜止后,仿真一個坡上起步,觀察其各階段的車輪扭矩變化。

圖6 下坡時各驅動輪制動力矩圖

仿真得到4個驅動車輪的扭矩,疊加后得到總啟動力矩,見圖8,圖8反映出車輛在70～75 s過程中坡上起步的力矩變化情況,坡起時力矩變化相對比較平穩,啟動力矩為1.14×107N·mm,小于設計規定的最大啟動力矩5.3×107N·mm,符合設計要求。

5 結語

虛擬樣機技術為制造技術的革新提供了新的設計方法,并已在制造業中發揮了不可忽視的作用,虛擬樣機技術的優勢使其日益受到機械領域的重視。井下車輛存在著開發周期長、制造成本高等特點,虛擬樣機技術的引入減少了進行物理樣機試驗的次數,降低了成本,大大提高了產品的市場占有率。

[1]王國強等.虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實踐[M].西安:西北工業大學出版社,2002

[2]李丹,李印川.虛擬樣機技術在制造業中應用及研究現狀[J].機械,2008(6)

(責任編輯 張艷華)

Analysis of dynamic characteristics of roof support hauler using virtual prototyping technology

Pan Xuan,Meng Guoying
(School of Mechanical Electronic and Information Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Haidian,Beijing 100083,China)

The dynamic characteristics of roof support hauler are simulated using virtual prototyping technology.When operating on different terrain,the corresponding movement of the hauler body and its internal acting force are related to time,therefore,a dynamic analysis of the hauler structure is made,which can represent the actual condition of the hauler in operation.The paper simulates the condition of the hauler when operating on flat terrain and uphill and downhill,and generates curve charts for necessary parameters.

hydraulic roof support hauler,virtual prototyping technology,dynamic characteristic

TD5

B

潘璇(1986-),女,內蒙赤峰人,中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院碩士研究生,主要研究方向:計算機輔助車輛設計。