基于ADAMS的電力隧道掘進機設計與仿真分析

李賢初，江自力，岳 波，黃 彬，何 川

（1.重慶市送變電工程有限公司，重慶 400030；2.重慶大學 機械工程學院，重慶 400044）

0 引言

隨著城市電力隧道需求日益增加，對城市電力隧道專用掘進機的相關需求也在增加。我國常用的地下開發方法有礦山法、盾構法、頂管法等多種形式，而礦山法[1]采用的爆破模式不適宜城市隧道安全性要求，盾構機[2]以及頂管法[3]其使用的開采機械過大，無法滿足小型化、專業化要求。目前城市電力隧道常用的挖掘方法是人工使用水鉆進行破壁，如圖1所示，通過人工鉆取一圈大孔，在利用炮釬敲擊其中間的輔助小孔，可達到電力隧道開挖效果。但其效率低下，同時存在較大安全隱患，故本文設計一套專業城市電力隧道掘進設備，利用ADAMS對其工作流程進行仿真，分析其工作過程不同工況以及工藝參數對回轉驅動裝置的影響。提高設計效率，縮短設計周期，實現掘進裝置的優化設計。

圖1 人工鉆取工藝

1 隧道掘進機結構設計及動力學理論

1.1 結構設計

隧道掘進機以挖掘機底座為基礎，底座采用履帶型，通過與如圖2所示水鉆機構連接，實現在隧道中的鉆取。水鉆機構由水鉆鉆頭，液壓馬達、伺服電機、齒輪齒條、取芯桿、回轉驅動以及大臂構成。在實際工作情況下，水鉆鉆頭在液壓馬達的控制下進行旋轉運動，同時水鉆整體下方有齒輪齒條驅動其進給運動。在鉆孔過程中，通過伺服電機驅動齒輪齒條進行鉆孔，鉆孔結束通過齒輪齒條帶動鉆頭的后退，同時水鉆內部的取芯桿將鉆頭內的巖芯頂出，完成取芯動作，水鉆機構后端由繞X軸方向、繞Y軸方向的的回轉驅動裝置構成，回轉驅動作為一種集成了驅動動力源的全周回轉減速機構，既能承受較大的傾覆力矩，也能夠實現水鉆在空間中自由的調節姿態，可以解決在電力隧道狹小空間，姿態調整的問題。

圖2 水鉆機構三維模型

隧道掘進機在鉆取的過程中，需要對半弧面實行鉆孔，為保證鉆孔過程的連續性，兩次連續鉆孔需保證有一定重合度，實現整個斷面的全部打空，如圖3所示，通過連續的小段直線擬合一個半圓弧面。在一個鉆取動作完成后，掘進機底座進行相應

圖3 水鉆機構鉆取工藝

回轉運動，同時回轉驅動調節回轉角度、液壓缸進行伸縮運動，直到達到第二次打孔位置，開始二次鉆取。掘進機在工作情況下各聯結處不斷受到交變載荷作用，在兩次連續鉆取過程中，采用傳統方法無法分析各連接處以及各部件的受載情況。本文利用ADAMS軟件，對挖掘機連續兩次打孔情況進行動力學仿真分析[4,5]，分析不同工況以及不同工藝參數對回轉驅動的影響，對其安全性進行校核。

1.2 動力學理論

電力隧道掘進機虛擬樣機機械系統模型可以通過多剛體系統動力學理論中的拉格朗日方法[6]，建立系統動力學方程。它選取系統內每個剛體質心在慣性參考系的三個直角坐標和確定剛體方位的三個歐拉角作為笛卡爾廣義坐標，用帶乘子的拉格朗日方程處理多余坐標的完整約束系統或完整約束系統，導出笛卡爾廣義坐標為變量的運動學方程。對于N個剛體組成的系統，位置坐標陣q中的坐標個數為3N（二維）或6N（三維），由于鉸約束存在，這些位置坐標不獨立。系統動力學模型一般模式為：

式中，φ為位置坐標矩陣q的約束方程，φq為雅克比矩陣，λ為拉格朗日乘子。ADAMS對剛體質心笛卡爾坐標和反映剛體方位的歐拉角作為廣義坐標，系統動力學方程雖然是最大數量，但卻是高度稀疏耦合微分代數方程，適用于稀疏矩陣的高效求解。隧道掘進機在考慮約束情況下其動力學方程利用ADAMS拉格朗日乘子的拉格朗日第一類方程能量形式得到如下方程：

T為系統廣義坐標表達的動能，qj為廣義坐標，Qj為廣義坐標qj方向的廣義力，最后一項涉及約束方程和拉格朗日乘子表達了在廣義坐標qj方向的約束反力。在進行動力學分析之前，ADAMS會自動進行初始條件分析，使得在初始系統模型各物體坐標與各種運動學約束之間達成協調，其求解方式是為了得到隧道掘進機位置、速度、加速度目標函數的最小值。最后在運算過程中，通過使用用戶給定的求解器算法，能夠快速的計算出動力學微分函數的解[7]。

2 虛擬樣機建模

2.1 隧道掘進機工作流程及驅動函數

利用SolidWorks對電力隧道掘進機樣機進行三維建模，同時對其進行相應簡化操作，省略運動學分析中不相關的零部件，將模型保存為Step中間格式，然后導入模型到ADAMS并定義部件材料屬性、密度以及轉動慣量。其中運動副包含三對齒輪副、三個移動副、以及8對鉸接副，齒輪副主要由伺服電機帶動的齒輪與齒條和回轉驅動模塊中的蝸輪蝸桿構成。移動副主要由活塞與活塞缸構成，旋轉副包括各桿件構成的鉸接點。對于其中一些結構，可通過布爾運算，將其與其他部件并為一個整體，最后，將簡化的零部件添加相應的運動約束和驅動函數，就可進行仿真分析。

運用ADAMS進行動力學分析時，需仿真隧道掘進機不同的工作流程。每個工作流程下，需要添加各自的驅動函數。本文對隧道掘進機連續兩次鉆取過程進行分析，具體為一次鉆取，收縮取芯，姿態調整、二次鉆取、二次取芯五個工作流程。下面對每個工作流程進行描述。

一次打孔：隧道掘進機在初始情況下，通過伸縮液壓缸，調整齒輪齒條推動水鉆鉆頭從初位置到最頂端。同時水鉆在液壓馬達帶動下進行旋轉運動。

取芯：水鉆鉆頭在最頂端位置通過伺服電機帶動齒輪齒條進行收縮，水鉆鉆頭的取芯桿將鉆頭內的巖石推出。

調整：液壓缸收縮，回轉驅動裝置以及底座轉盤進行相應轉動，轉動到二次打孔位置。

二次打孔：重復工況一動作，調整齒輪齒條推動水鉆鉆頭往前移動。

二次取芯：重復工況二動作，收縮水鉆鉆頭，進行取芯動作。

為了更好的分析水鉆機構調整油缸、大臂油缸、回轉驅動裝置、齒輪齒條在各工作流程情況，下面使用增量式驅動函數對各機構旋轉位移情況進行介紹。

表1 齒輪齒條位移驅動函數

表2 水鉆機構液壓缸驅動函數

表3 大臂底座液壓缸驅動函數

表4 X軸回轉驅動旋轉驅動函數

表4 （續）

表5 Z軸回轉驅動旋轉驅動函數

表6 底座旋轉驅動函數

2.2 工藝參數分析

在鉆孔過程中，不同的鉆孔速度、水鉆鉆頭受力、回轉驅動回轉速度等工藝參數均會對隧道掘進機構穩定性以及動力學結果產生影響。在人工鉆取過程中，鉆孔速度依靠經驗，但實際的鉆孔過程鉆孔速度并非勻速的鉆取。同時水鉆的鉆取力受到伺服電機轉速、巖層硬度、水鉆鉆頭橫截面積等多種因素影響。回轉驅動自身的不同轉速產生不同的回轉慣量同樣影響著掘進機的工作效果。為此需要討論不同鉆孔速度、鉆取力以及回轉速度對回轉驅動的影響。

3 虛擬樣機仿真分析

為了分析隧道掘進機其部件在工作流程中其回轉驅動重要零部件的受力情況，需要考慮不同轉速以及移動速度下關鍵零部件受力情況。在實際打孔中，由于存在不同的工況，需要對不同打孔過程進行分析，本文將打孔過程分為先慢后快、先塊后慢、勻速打孔三種工況。在勻速打孔過程中，設置其打孔速度恒定。在先慢后快工況下，設定在15到35秒、110秒到130秒下慢速打孔，35到60秒、130秒到155秒下快速打孔。先快后慢工況下，設定在15到35秒、110秒到130秒下慢速打孔，35到60秒、130秒到155秒下快速打孔。

3.1 勻速打孔工況

圖4所示為隧道掘進機回轉驅動在勻速打孔中工作流程中的受力曲線圖，圖4(a)為水平方向回轉驅動在工作流程其鉸接點受力曲線圖，由圖可知，水平方向回轉驅動最大受力為2806N，出現在第一次打孔結束時，最小受力為2667N，最大力矩1934KN.m，出現在二次打孔結束位置，由于水平方向采用SE9圍欄型回裝驅動裝置，其額定輸出扭矩6.5KN.m，軸向動載荷91KN，徑向動載荷71KN，故其強度滿足設計要求，同時由圖可知每次打孔過程，回轉驅動力矩隨著進給量的增加而增加。圖4(b)為豎直方向回轉驅動受力曲線，可知豎直方向受力明顯大于水平方向受力，其最大受力為7003N，出現在第一次打孔結束時，最小受力為6875N，在第一次打孔存在著最大力矩，為4575N.m，由于豎直Z方向采用WEA9圍欄型回轉驅動裝置，其額定輸出轉矩為8KN.m，其抗傾覆力矩均為33.9KN.m，故滿足設計要求。同時由圖可知在每次打孔過程中，其受力均增加，在取芯動作流程下，力矩減小。

圖4 回轉驅動勻速情況力矩曲線

3.2 前慢后快工況

由圖5可知，1號曲線為先慢后快打孔過程，水平回轉驅動與豎直回轉驅動其所受到的力矩均較恒定工況下偏大。對于水平回轉驅動，在打孔進行到33秒，其所受到力矩較勻速打孔高146N.m，在打孔到128秒時，其所受力矩較勻速打孔高141N.m。故可知在慢速打孔即將結束，在慢速打孔結束之前，前慢后快工況較勻速打孔有最大正偏差。

3.3 前快后慢工況

在先快后慢工況中，由圖5易知這樣打孔方式可減少回轉驅動所受到的其力矩大小，對于水平回轉驅動而言，在打孔到41秒時，其所受到的力矩值較勻速打孔小147N.m，在打孔到136秒時，回轉驅動受到的力矩較勻速情況小139N.m。故可知在先快后慢工況下，回轉驅動在快速打孔開始時，前快后慢工況較勻速打孔有較大負偏差。

圖5 不同工況下回轉驅動力矩變化

3.4 鉆取力對回轉驅動影響

水鉆在工作過程中，受到液壓馬達提供的旋轉驅動以及伺服電機提供的進給運動，其水鉆受力主要受到水鉆的橫截面積，巖層硬度，電機進給速度的影響。為了分析不同水鉆力對回轉驅動的影響，進行如圖5所示分析。分析中，分別給與水鉆鉆頭500N、800N、1000N、1500N、0N的鉆取阻力，發現當鉆取力越大時，在打孔過程中回轉驅動最大力矩越小，同時在不給水鉆施加力時，回轉驅動在打孔以及取芯過程中受力均達到峰值。

圖5 不同水鉆力下回轉驅動力矩變化

3.5 回轉速度對回轉驅動的影響

回轉驅動轉速受到液壓馬達轉速以及回轉驅動內部的減速比的影響，不同的轉速會影響在隧道掘進機在工位調整中回轉驅動力矩的變化。如圖6所示，若將轉速分為高速、中速、低速以及超低速進行仿真模擬，可知當轉速越低，調整過程回轉驅動的力矩越小，其中水平方向回轉驅動力矩在105秒具有最大差值136N.m，豎直方向回轉驅動力矩在105S具有最大差值91N.m。

圖6 回轉速度對回轉驅動力矩影響

4 結語

本文針對城市電力隧道開掘現狀設計一種多角度自由調節姿態的電力隧道掘進設備，運用ADAMS軟件建立虛擬仿真模型，根據設計方案添加其運動約束與驅動函數，模擬隧道掘進機的工作流程，分析隧道掘進機不同打孔工況、不同的水鉆鉆取力以及回轉速度對隧道掘進機關鍵零部件回轉驅動的影響，得到各因素下的回轉驅動的受力曲線，通過分析各因素下不同變量對回轉驅動受力的影響，為工程實際中掘進機結構的優化以及可靠性分析提供了理論參考。