礦用U 型鋼專用曲臂舉升機虛擬樣機分析＊

朱建安 王 蓋 郭培紅

（河南理工大學，河南省焦作市，454000）

目前煤礦巷道掘進方式分為綜掘和炮掘兩種，根據國內科學技術的發展水平，對于煤或半煤巖巷道掘進采用綜掘法較好，對于中硬度以上的巷道掘進有些還是以炮掘為主，而炮掘巷道支護的U 型鋼卻仍需借助導鏈、撬杠等原始工具進行人工安裝，存在支護速度慢、工作效率低且安全性差的問題，由此影響了掘進速度，是引發煤礦開采過程中“采掘失調”的原因之一。

煤礦井下支護作業具有巷道空間狹小、底板硬度低且凸凹不平和具有可燃爆炸性氣體等特殊環境，普通起重設備無法使用。因此，研制巷道支護U 型鋼的專用舉升設備便成為采用炮掘煤礦亟需解決的一項重要課題。本文以虛擬樣機技術開發了一種履帶式礦用U 型鋼專用曲臂舉升機，以實現巷道支護的安全性和快速性，著重對舉升臂機構虛擬樣機進行了設計分析。

1 舉升機的概念設計

根據煤礦井下巷道支護的使用要求，U 型鋼專用舉升機主要的性能要求及設計特點如下：

（1）該舉升機采用履帶式行走機構、液壓動力傳動系統以及曲臂式舉升機構，以適應掘進巷道的復雜路況及狹小作業空間，能進行短距離行走，結構緊湊并符合防爆要求。

（2）滿足安裝作業的進度要求，一次舉升循環時間在60s 之內，吊裝卡具最大運動速度為0.4m／s，實現U型鋼快速穩定的舉升過程。

（3）舉升機工作空間范圍如下：寬度為3.5m，高度為5 m，最大舉升高度為5 m，舉升力不小于5kN，降垂線偏差不大于300mm。

應用SolidWorks三維建模，舉升機概念設計及幾何建模如圖1所示。

圖1 舉升機概念設計圖

由圖1可見，舉升機裝置可分為行走系統和舉升臂系統兩大組成部分。行走系統包括履帶、底盤、回轉機構、電機和操作臺；舉升臂系統包括支撐臂液壓缸、支撐臂、動臂液壓缸、動臂、搖臂液壓缸和搖臂。舉升臂系統安裝在履帶底盤上，支撐臂可以折疊。

舉升機工作過程為：由吊裝卡具從平板車上吊起U 型鋼后，通過控制支撐臂液壓缸活塞桿伸縮，打開支撐臂至豎直位置，同時動臂與搖臂兩液壓缸活塞桿伸縮，使U 型鋼達到相應的工作位置，進而完成U 型鋼的舉升。

2 舉升臂機構虛擬樣機分析

舉升臂是舉升機完成U 型鋼舉升動作過程的執行機構，是舉升機最主要的設計對象。對舉升臂機構的虛擬樣機分析，是舉升機設計的關鍵環節。

2.1 機構建模

對舉升臂機構的虛擬樣機分析是基于ADAMS軟件進行的。

在舉升機概念設計及幾何建模的基礎上，考慮到舉升機構的復雜性以及SolidWorks導入ADAMS后需要添加約束的數量，在機構建模時省略了一些不需要分析的零部件。從程序的原理來看，只要虛擬樣機模型的質量、質心、轉動慣量等和實際構件相同，仿真結果與物理樣機就是等價的。如鉸接和重物等可以在ADAMS中添加摩擦和力來完成。在運動學仿真中考慮到吊裝卡具運動軌跡受控于搖臂的運動，就只需在卡具與搖臂鉸接點做標記點，如圖2中的A 點所示，測量A 點即能得到吊裝卡具的相應參數。

2.2 舉升臂虛擬樣機仿真

本文采用已知系統運動學參量反求動力學參量的方式，設定舉升重物質量、舉升臂運行軌跡和舉升時間等參數，反求各個構件的動力學和運動學參量。除去行走機構和其他輔助部件，按照舉升過程運動關系，在ADAMS軟件中可將舉升臂系統機構三維模型劃分舉升臂、動臂、搖臂液壓缸及其活塞桿、動臂液壓缸及其活塞桿，共5個運動部件，其虛擬樣機如圖2所示。

圖2 舉升臂機構的虛擬樣機圖

2.2.1 添加約束

根據機構運動關系，各部件間施加約束關系如表1所示。

2.2.2 施加驅動和舉升力

由舉升機工作過程可知，要想順利完成舉升過程，液壓缸必須采取手動閥控制。所以在建立驅動約束時，運用ADAMS 函數庫中的STEP 函數模擬手動閥功能。在液壓缸滑移副處添加驅動，并使用STEP函數實現對運動的控制。

添加驅動要根據系統實際工作過程，而運動控制要符合舉升臂運動軌跡。舉升臂完成一個完整的舉升動作可分解為兩條曲線段過程：吊裝U 型鋼，然后提升至目標高度并平移至終點；下降并回到起始位置。

表1 模型仿真的約束分配

對于每一段軌跡，設定重物的運動規律為靜止-加速-減速-靜止。考慮舉升臂舉升軌跡和結構限位要求以及舉升作業循環的時間，編寫STEP函數實現控制運動行程，在0～40s舉升臂加速然后減速到靜止，重物上升到最高位置時速度減為零。40～60s舉升臂下降到初始位置，并且工作過程中速度不能超過要求最大速度。

在搖臂末端A 點位置施加最大載荷5kN 的作用力，方向豎直向下，模擬了舉升機完整的工作情況。

2.3 仿真結果分析

圖3～圖6分別為輸出吊裝卡具Y、Z方向位移以及Z 方向速度和加速度曲線 （坐標系方向如圖2中所示）。圖7和圖8分別為動臂舉升力、舉升臂系統仿真過程圖。

2.3.1 吊裝卡具位移

圖3所示為吊裝卡具在Y 方向隨時間的位移曲線。

圖3 吊裝卡具Y 方向位移曲線

由圖3可見，吊裝卡具在工作過程中的最大位移為3.2m。

圖4所示為吊裝卡具在Z方向隨時間的位移曲線。

圖4 吊裝卡具Z 方向位移曲線

由圖4可見，舉升臂系統絕對舉升高度可以達到要求的4.2 m 以上，加上履帶與回轉機構等的高度0.8m，總高度能達到5～5.2 m，滿足了概念設計中設定的工作高度。

2.3.2 吊裝卡具速度和加速度

圖5所示為吊裝卡具在Z 方向速度曲線，反應了U 型鋼在舉升過程中的速度變化。

圖5 吊裝卡具Z 方向速度曲線

由圖5可見，0～40s為舉升時段，在40s時速度為零，達到最大舉升高度；40～60s為空車下降時段，最大速度為0.3 m／s，小于設定值0.4m／s。速度較為穩定，滿足了設計要求。

圖6所示為吊裝卡具在Z 方向加速度曲線。

由圖6可見，最大加速度不超過0.02m／s2。

2.3.3 動臂舉升力及仿真過程圖

圖7所示為動臂舉升力隨時間變化曲線。

由圖7可見，0～40s是載重物舉升過程，動臂最大舉升力為14.3kN。設計中設定U 型鋼重力不超過5kN，取舉升力的安全系數為1.5，所以實際舉升力滿足要求。

圖6 吊裝卡具Z 方向加速度曲線

圖7 動臂舉升力隨時間變化曲線

圖8所示為舉升臂機構實體仿真過程軌跡圖。

圖8 舉升臂系統仿真過程圖

由圖8可見，升降垂線偏差h 約為200mm ，基本滿足設計要求，能在規定時間內能完成全部動作。

本文所示虛擬樣機分析，為礦用U 型鋼專用曲臂舉升機的最終產品設計與制造奠定了基礎。

3 結論

本文研究開發一種煤礦U 型鋼專用曲臂舉升機，運用虛擬樣機技術增加了設計結果的可靠性，節約了設計成本，縮減了產品開發周期，可用于炮掘巷道U 型鋼的快速支護安裝，對于提高支護效率，節約掘進成本，降低支護工人勞動強度具有重要意義。

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