Stewart 機構在滾筒采煤機搖臂加載中的仿真與探究

王 凱

(中國煤炭科工集團 上海研究院，上海 201401)

以往對滾筒采煤機截割部傳動裝置的檢測，只限于扭轉力矩的加載，為了扭轉力矩加載同時施加推進阻力、截割阻力以及軸向力，成為滾筒采煤機搖臂檢驗檢測的技術難題。

如何更加準確地對滾筒采煤機搖臂進行加載成為亟需解決的問題。并聯機構因其具有精度高、可控性好、自由度多等諸多優點而被關注，但并聯機構作為滾筒采煤機搖臂的加載裝置目前尚未被國內礦用設備測試檢驗機構應用。因此，對Stewart 并聯機構作為加載裝置進行研究，不但可以解決滾筒采煤機搖臂多載荷加載的難題，而且也為類似加載問題提供了一種解決的可能性。

1 Stewart 并聯機構簡介

Stewart 并聯機構(如圖1)是通過6 個可伸縮的驅動桿的協調運動使得動平臺可以完成6 自由度的運動。它可以繞空間任意軸線轉動，沿空間中的任意曲線移動，因此Stewart 并聯機構可完成模擬空間任意位置與姿態運動的任務。Stewart 并聯機構有著剛度高、運動精度高、承載能力好等特點。

圖1 6 自由度并聯機構示意

2 滾筒采煤機搖臂的受力情況

在并聯加載裝置的研究中，實際工況下截割載荷的確定最為關鍵。滾筒采煤機在工作過程中，前滾筒受力可簡化為3 個方向的等效載荷［1］，如圖2所示。

圖2 滾筒受力示意

沿牽引方向滾筒所承受的推進阻力:

式中，K1為截齒磨損系數，當截齒磨損較小時取值0.2，磨損較大時取值1.0，中等磨損程度時取值0.6～0.8。

滾筒所承受的截割阻力:

式中，p 為電機額定功率，kW;φ 為電機過負荷系數;i 為截割部總傳動比;η 為截割部總效率;n 為電動機轉速，r/min;D 為滾筒直徑，mm。

軸向力:

式中，LK為滾筒端盤截齒寬度，m;K2為考慮滾筒端盤部分接近半封閉截割條件系數，取1.5;Lj為滾筒有效截深，m。

3 并聯加載裝置的應用探究

Stewart 并聯加載裝置的使用設想如圖3。序號5 聯軸器安裝在并聯加載裝置的軸線位置，從并聯加載裝置的中心穿過。將序號4 Stewart 并聯加載裝置安裝在序號2 被測采煤機搖臂與序號3 扭矩加載裝置之間，目的是通過并聯加載裝置在扭矩加載的同時，進行軸向力、推進阻力、截割阻力的模擬加載。

圖3 Stewart 并聯加載裝置的應用

采用Stewart 并聯加載裝置對滾筒采煤機搖臂進行復合加載正是為解決推進阻力、截割阻力以及軸向力的加載問題而提出的方案，并且結構緊湊，可以作為并聯加載模塊添加到以往加載試驗的模式中去。這樣不但可以進行截割部內的齒輪、軸、軸承等溫升、傳動效率和可靠性考核，而且可以同時進行推進阻力、截割阻力以及軸向力的加載試驗，因此更貼近滾筒采煤機搖臂的實際工況。

采煤機搖臂在工作狀態時由于軸向力、推進阻力、截割阻力的作用，將產生位移和變形。

Stewart 并聯加載裝置開始工作時，驅動桿(電動驅動或液壓驅動)將按照計算機預先設定的程序進行伸縮運動并且輸出載荷，使得動平臺根據規劃好的運動與輸出載荷迫使搖臂發生同等應力與變形，動平臺質心點所產生的三方向分力，與所模擬的截割阻力、軸向力、推進阻力大小相等，方向相同。

動平臺產生的運動軌跡將覆蓋滾筒采煤機搖臂受力時產生的位移與變形，從而模擬滾筒采煤機搖臂工作時的狀態。如果被測搖臂達到強度要求，動平臺推動搖臂到達理論位移與變形位置后便不再運動，而輸出載荷保持不變;若被測搖臂不能達到強度要求，動平臺在驅動桿的作用下，沿預先設定的運動軌跡與輸出載荷使被測滾筒采煤機搖臂發生斷裂。并聯加載裝置固定在地面，動平臺通過螺栓與被測采煤機搖臂外殼連接，也可以由專門設計的連接裝置與被測采煤機搖臂輸出軸相連接。并聯加載裝置驅動桿可以根據實際需要采用電動驅動或液壓驅動。這樣就可以在以往采煤機搖臂檢測試驗裝置的基礎上對其進行復合加載試驗。

4 Stewart 并聯加載裝置ADAMS 仿真過程

運用Pro/E 建立Stewart 并聯加載裝置的模型后導入ADAMS 中(圖4)，然后對導入好的模型進行環境變量設置與構件屬性設置。對系統進行設置，選擇cartesian 坐標系。如圖5 所示，設置長度(Length)、質 量 (Mass)、力 (Force)、時 間(Time)、角度(Angle)、頻率(Frequency)等的單位，重力設置為9.80625m/s2。在Material Type項中選擇materials steel，將所有零部件的材料定義為steel。

圖4 導入ADAMS 后的模型

圖5 環境變量設置

為模型添加約束。表1 為6 自由度并聯加載裝置各個構件間所使用到的約束情況。

表1 6 自由度并聯加載裝置約束副

為了防止仿真運行過程中驅動桿圍繞軸心轉動，這里增加了胡克副，胡克副約束1 個旋轉和3個移動自由度。由于球副的上、下蓋板、殼體與球鉸座之間、球副與上驅動桿之間，均不存在相對運動，因此將其作為一個整體構件。

為了滿足動平臺的運動軌跡需要模擬前面提到的滾筒受力后的運動趨勢的要求，將一般點運動施加在Stewart 并聯加載裝置的動平臺質心點。一般點運動描述運動構件沿著3 個軸(6 個自由度)移動或者轉動。

分別對6 個驅動桿進行位移測量，動平臺質心點添加推進阻力為659kN，截割阻力為151kN，軸向力35kN，得到驅動桿隨時間的位移曲線 (圖6)。連桿的伸縮范圍為1050～1950mm。

圖6 6 自由度并聯加載裝置驅動桿位移曲線

輸出載荷如圖7 所示，圖中驅動桿載荷為正時是驅動桿伸出時的載荷，驅動桿載荷為負值時是驅動桿收縮時的載荷。

圖7 6 自由度并聯加載裝置驅動桿載荷

驅動桿的速度與加速度如圖8 所示。圖8 (a)中可以看出驅動桿的速度變化曲線比較光滑，而圖8 (b)中驅動桿的加速度變化曲線在第5s 時出現明顯變化繼而均勻，這與動平臺的一般點運動的位置與時間的關系方程有關。但從圖6、圖7 可以看出并無沖擊顯現，表明運行基本平穩。

5 結束語

圖8 6 自由度并聯加載裝置驅動桿速度與加速度曲線

由于受到試驗條件等限制，以往對采煤機搖臂的檢測檢驗僅限于對扭矩、溫升等試驗，不能按照實際工況進行軸向力、推進阻力、截割阻力加載，無法模擬采煤機實際工作過程中外負載對傳動系統、搖臂殼體形變和強度的影響。使用并聯機構作為加載裝置，為解決此類大功率傳動及承載零部件的檢驗檢測提供了一種新的思路。

應用ADAMS 軟件為動平臺進行運動規劃和動力學分析，可以得到驅動桿的位移與時間的變化曲線，同時得到了機械系統的動力學數據，為以后測控系統的設計奠定了基礎，也為零部件的選型與設計提供了必要的參數。

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