基于Inventor的耙礦絞車三維機構運動分析

仲 偉， 楊有林， 張周平， 謝世棋， 楊亞平， 高澤民， 姜 麗

(金川集團公司， 甘肅 金昌 737100)

0 前言

耙礦絞車在我公司所屬礦山井下使用較廣，其經濟實用、適應性強、安全可靠等特性使之成為井下使用較多的采場出毛(毛石)設備，我們在實際使用和檢修中發現，修理人員由于對耙礦絞車內部的行星齒輪系統及差動輪系不了解，對其檢修調試工作存在一定障礙，對檢修造成一定的影響。由于修理人員專業理論上相對不夠深厚，加上差動輪系是輪系中較為復雜和專業，技術人員若直接從理論上講，在現場講解起來就較為生澀，難于理解，為此，我們利用現在的計算機三維軟件建模制作出設備的三維模型，并裝配成數字樣機，然后驅動數字樣機，進行設備工作仿真運轉，通過生動、逼真的運動模擬，使修理人員對設備的運轉原理進行了充分地理解，并在其隨后的設備故障判斷中極大的提高了工作效率，降低盲目性。計算機三維軟件我們用的是AutoDesk Professional Inventor，是機械工程里較為好用的三維軟件。

圖1 耙礦絞車示意圖

1 Inventor軟件簡介

Inventor是美國AutoDesk公司推出的一款三維可視化實體模擬軟件，能夠建立真實地反映系統的三維實體模型，并且可以將多個三維實體模型裝配為系統進行機構動態分析。包括：零件造型、鈑金、裝配、表達視圖和工程圖等設計模塊。該軟件不僅具有強大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配和產生工程圖等設計功能，而且在設計過程中可以進行有限元分析、機構運動分析、動力學分析和仿真模擬，提高了設計的可靠性。由于具有簡單易用、二三維數據無縫轉換等特性，使其在教育、制造、電子、汽車、航空等領域得以迅猛發展和普及。

2 耙礦絞車傳動系統結構及絞車工作原理

2.1 絞車傳動系統結構

耙礦絞車俗稱電耙子，其主機主要由驅動電機、普通二級齒輪減速器、主剎車機構(主操縱機構)、主卷筒、副剎車機構(副操縱機構)、副卷筒等組成(如圖2所示)，其中，主剎車機構及主卷筒內含1個行星齒輪減速器，副剎車機構及副卷筒同樣也內含1個行星齒輪減速器，這兩個行星齒輪減速器結構相同，皆為差動輪系，但減速比不同，兩套差動輪系的中心輪都靠同一傳動軸驅動，該傳動軸長度較長，貫穿兩個行星齒輪減速器，其本身驅動由前面的二級齒輪減速器的輸出端驅動。

1.副剎車機構 2.副卷筒 3.主剎車機構 4.主卷筒 5.減速機6.電動機 7.副差動輪系 8.主差動輪系圖2 耙礦絞車傳動系統結構配置圖

差動輪系是一種先進的齒輪傳動機構，具有結構緊湊、體積小、質量小、承載能力大、傳遞功率范圍及傳動范圍大、運行噪聲小、效率高及壽命長等優點。

兩套輪系結構相同(如圖3所示)，兩個內齒圈都同為剎車輪，兩個輪系的系桿都與相應的卷筒固定為一體，但主差動輪系減速比大于副差動輪系，即主卷筒轉速低于副卷筒。

1.副差動輪系 2.主差動輪系 3.定軸輪系圖3 耙礦絞車傳動輪系結構圖

2.2 絞車工作原理

耙礦絞車工作開始工作時是在電機啟動后，當兩個內齒輪均未被閘住的時候，則兩個內齒輪都旋轉，但此時主、副卷筒在鋼絲繩和耙斗作用下都不動，如圖4所示。

圖4 井下耙礦絞車工作狀況示意圖

(1)當制動主剎車制動手柄，使主差動輪系內齒圈剎住，則與之相應的主卷筒在行星輪和行星架的帶動下旋轉纏繩，拖動耙斗耙毛石，副卷筒在鋼絲繩作用下轉動，其轉向與主卷筒轉向相反，但轉速與主卷筒相同，由此平穩旋轉放繩；

(2)松開主剎車制動手柄，操縱副剎車手柄制動，使副差動輪系內齒圈剎住，則與之相應的副卷筒在行星輪和行星架的帶動下旋轉纏繩，拖動耙斗快速(副卷筒轉速高于主卷筒)返回毛石堆，同理，主卷筒在鋼絲繩作用下，其轉向與副卷筒轉向相反，但轉速副卷筒相同，以此完成快速旋轉放繩；

(3)交替操縱主、副剎車手柄，耙斗即做往復運動完成耙毛石工作。期間，驅動電機自始至終保持轉速及轉向不變，通過差動輪系完成運動的分解及運動方向的改變，即如此循環往復運動，實現其工作需求。

3 Inventor三維數字建模及機構運動仿真

3.1 絞車Inventor三維數字建模

以現場使用中的2JP- 15型耙礦絞車進行建模，主要參數為：

(1)齒輪模數都為4 mm；

(2)主差動輪系：中心輪Z1=22，行星輪Z2=29，內齒圈Z3=80。

(3)副差動輪系：中心輪Z1=34，行星輪Z2=23，內齒圈Z3=80。

在用Inventor軟件建模時只考慮傳動齒輪為實體建模為主，其它構件盡量簡化，前提是保證模型系統為耙礦絞車主機傳動系統的真實比照，否則模擬的就不是耙礦絞車的真實的運動仿真。具體方法如下：

(1)所有軸承處都用鉸支孔聯接替代，簡化后仍可保證其轉動性；

(2)部件裝配中，鍵連接盡量保持原有，便于理解，簡單處可省略但必須用約束命令將其與相應部件約束為一體；

(3)機架及制動部件盡量簡化，能保證原有工作要求即可；

(4)各結構件建模時盡量簡單，裝配后要保證間隔，同時要保證便于觀察，盡量減小部件間的遮擋；

(5)各部件配色要求相應地對比分明。

通過Inventor絞車傳動系統三維建模如圖5所示。

圖5 耙礦絞車傳動系統Inventor三維建模模型布置圖

3.2 絞車Inventor機構運動仿真

由于該絞車傳動系統中運動部件達20余個，都為轉動，為保證Inventor軟件能完成運動仿真的效果，在做運動約束時要注意全部使用“放置約束”里面的“角度約束”，而且選取“定向角度約束”選項(如圖6所示)。也即其中的齒輪嚙合不用軟件的“轉動約束”而用“角度約束”。在“角度”欄中填入“傳動比”*1deg，以保證數值單位是“度”。模型建好后，關鍵的就是后面的動畫設計。

圖6 Inventor建模放置約束示意圖

本文模擬的耙礦絞車動畫全部有4個過程，具體為：

(1)主副制動均未執行時傳動機構的運行形態；

(2)主制動執行，副制動未執行時傳動機構的運行形態；

(3)主制動脫開，副制動執行時傳動機構的運行形態；

(4)主副制動全部脫開時傳動機構的運行形態(同(1))；

利用Inventor軟件中的Inventor Studio功能對模型中的各部件按步驟有條件的進行動畫設計，然后進行驅動，完成前述的耙礦絞車的運動仿真，在Inventor Studio中，本模型選用“位置表達動畫”和“參數動畫”進行動畫設計，并且先用“位置表達動畫”設計整個動畫的“骨架”，然后用“參數動畫”對“骨架”進行“添加血肉”，從而保證動畫設計清晰有序進行，繁而不亂，具體如下：

(1)在“裝配”界面中設置“位置1”和“位置2”，并在“激活”條件下分別對主副卷筒和主副內齒圈分別進行“替代”及“固定”設置；

(2)在“裝配”界面中調出“參數”選框，將主副差動輪系轉動部件相對應的參數項重新用大寫字母和數字命名，并將參數最右邊選框的“√”打上(如圖7所示)，在對主副差動輪系相同部件進行參數命名時要用相同的字母，用不同的腳標區分，便于設計及檢索時對參數的辨認；

圖7 Inventor參數動畫制作之參數設定布置圖

圖8 Inventor參數動畫制作之各參數動畫的時間位置設置圖

(3)進入Inventor Studio界面對動畫激活后，先定動畫總時間T(60秒)，并將整個動畫設計成4個時間段，即依次為“0—T1”10秒、“T1—T2”20秒、“T2—T3”20秒、“T3—T4”10秒，其中0、T1、T2、T3、T4分別為5個時間點，然后調出“動畫時間軸”點開“展開操作編輯器”后，用“位置表達動畫”設計將4個位置即“主要”、“位置1”、“位置2”、“主要”設置到相應的時間軸位置，這樣就構架出了整個動畫的全部框架，然后進行“參數動畫”設計，按表1對各部件進行相應的參數動畫設置即可(如圖8所示)。

表1 Inventor參數動畫中各模型動作的時間及位置控制表

說明：①表內參數S1和S2由角度表示，具體數值取當部件發生干涉時的角度即可；

②其它參數皆用轉速表示，具體數值用輪系公式和本文后面介紹的相對轉動原理得出的公式(1)、(2)、(3)即可算出。

③中心輪1轉速盡量取低些，可以清晰觀察各轉動部件的運動狀態。

圖9 差動輪系結構及運動原理圖

在Studio界面中，在對各參數值及轉向確認后，即可完成運動仿真動畫制作，然后驅動動畫，若運動達到要求，渲染動畫，制作成視頻存盤，至此運動仿真模擬制作完成。過程中須注意兩點：

(1)各部件轉動的傳動比和轉向要正確，否則，運動仿真會失真；

(2)位置參數設置要準確，否則，不同的運動前后聯動不起來，也不易同時聯動。

(本文的絞車三維機構運動仿真動圖由于是視頻格式，在本文中不能播放，具體見http://v.youku.com/v_show/id_XMzMzNTg2ODM4MA==.html?spm=a2h3j.8428770.3416059.1或http://www.jxcad.com.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=1837351觀看。)

3.3 絞車三維機構運動仿真分析及應用

通過運行Inventor制作的耙礦絞車主機傳動機構的數字樣機，真實還原設備內部結構組成，精確做到設備的運動仿真，顯示各構件的運動特性，確定各構件的運動關系。

在本例中，主副卷筒分別直接與各自差動輪系中的系桿連接并由其帶動做相應的轉動，制動手柄直接控制兩個差動輪系的內齒圈，兩個差動輪系皆為2K- H型差動輪系(如圖9所示)，自由度為2，2K- H型差動輪系傳動比及轉向計算。

太陽輪(中心輪)：齒輪1和齒輪3；

行星輪：齒輪2；

行星架(系桿)：構件H；

轉速分別為：n1，n3，n2，nH；

根據相對轉動原理可得：

(1)

(2)

(3)

因為n3轉向不定，所以nH轉向不能確定，根據實際形態確定。

數字樣機模擬耙礦絞車運動仿真：

運動驅動保證：全過程中兩套差動輪系的中心輪在電動機的驅動下保持轉速和轉向(順時針)不變，平穩轉動，為運動的輸入端，主副卷筒分別與對應差動輪系行星架(系桿H)聯動，為運動的輸出端。圖5背景端為耙斗工作現場，即卷筒順時針轉動為收繩，逆時針為放繩。

(1)主副制動均未執行(如圖5所示)

(2)主制動執行副制動未執行(如圖10所示)

圖10 主制動執行副制動未執行運動仿真演示圖

內齒圈不轉則行星齒輪既保持自轉(逆時針)又要沿著內齒圈公轉(順時針)，帶動系桿H轉動，相應主卷筒承受系統輸入端的轉矩并按相應的(定軸輪系)傳動比轉動(順時針)；副卷筒在鋼絲繩作用下被動轉動，其轉速同主卷筒但轉向相反，副內齒圈按新的傳動比轉動(按公式3計算)，轉向仍與其主動的中心齒輪轉向相同，主副差動輪系的各行星齒輪既有自轉又有公轉，此時，主卷筒收繩，副卷筒放繩，耙斗現場耙礦，運動方向逐漸靠近絞車。

(3)主制動脫開副制動執行(如圖11所示)

圖11 主制動未執行副制動執行運動仿真演示圖

(4)主副制動全部脫開(同運動(1)，略)

在井下現場通過不斷交替重復耙礦絞車的運動(2)和(3)，來完成耙礦工作。

運動仿真應用：在將錄制的耙礦絞車三維機構運動仿真視頻放給維修人員看后，多數人反映，在看了視頻2～4遍后，已經大概弄明白設備內部運轉原理，認為這樣的視頻很直觀，容易理解，并表示在后面的設備故障檢修中就容易上手了，從而能減少設備檢修時間并相應的提高檢修效率，進而達到進行設備三維運動仿真的目的。

總之，利用Inventor軟件建立模擬數字樣機，通過運動仿真進行動畫演示，能清晰表達出機構運動的原理及運動狀況，使人快速領悟復雜機構的運動。

4 結語

利用Inventor 軟件的“驅動約束”模塊可以模擬實現耙礦絞車主機差動輪系的運動過程；使用Inventor的參數驅動可以建立起約束主動變量與其他變量之間的關聯關系，實現多個動作的同時驅動或動作按先后順序驅動。由于這些模擬過程無須編程或編寫代碼，因而顯得更加方便快捷、不易出錯。將該方法用于耙礦絞車的主機運動分析中，則可以通過制作的三維運動仿真模擬視頻，便可以方便而直觀地了解復雜的差動輪系結構和工作原理，從而能提高檢修工作效率，降低檢修成本，還有助于修理人員學習了解設備等工作的開展。