履带行走式液压支架行走机构动力学仿真研究 -.pdf

煤炭工程 2 0 1 1年第 8期 履带行走式液压支架行走机构 动力学仿真研 究 石 岚 中 国煤炭科工集团 太原研究院 ，山西 太原0 3 0 0 0 6 摘 要 履带行走式液压支架是短壁机械化开采连续采煤机后配套关键设备之一，为短壁工 作面机械化开采提供 了一种新的支护设备。文章 用 S o l i d Wo r k s建立行走支架履带行走机构的三维 模型，将其导入 A D A MS中施加约束 ，并用宏命令施加接触力，之后对前进和转弯两种工况进行 动力学仿真 ，得 出接触力的仿真曲线 ，从而为后继的有限元分析提供理论基础和边界载荷条件 。 关键词 A D A MS ；行走 支架；履带行走机构 ；仿真 中图分类号 T D 3 5 5 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 1 0 8 - 0 1 1 6 0 3 S t u d y o n Dy n a mi c s S i mu l a t i o n o f W a l k i n g Me c h a n i s m f o r C r a w l e rt y p e Hy dr a u l i c Po we r e d S up po r t S HI L a n T a i y u a n R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a C o a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ，T a i y u a n 0 3 0 0 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e c r a wl e r～ t y p e wa l k a b l e h y d r a u l i c p o we r e d s u p p o r t w o u l d b e o n e o f t h e k e y e q u i p me n t s b e h i n d t h e c o n t i n u o u s mi n e r i n t h e me c h a n i z e d s h o r t w a l l mi n i n g a n d c o u l d b e n e w s u p p o r t e q u i p me n t t o t h e me c h a n i z e d mi n i n g o f t h e s h o r t wa l l mi n i n g． Th e So l i dW o r ks s o f t wa r e wa s a p pl i e d t o e s t a bl i s h a 3 D mo d e l o f t he c r a wl e r wa l ki n g me c h a n i s m f o r t h e wa l k a bl e p o we r e d s up po r t ． I n c o mb i na t i o n wi t h t h e ADAMS wi t h t h e r e s t r a i n t s a n d t h e c o n t a c t for c e b y t h e ma c r o i n s t r u c t i o n， t h e n t h e d y n a mi c s s i mu l a t i o n c o u l d b e c o n d u c t e d o n t h e f o r wa r d o r r e t u n i n g p e r f o r ma n c e s ． F h e s i mu l a t i o n c u r v e o f t h e c o n t a c t f o r c e w a s o b t a i n e d a n d c o u l d p r o v i d e t h e t h e o r e t i c a l b a s e a n d b o u n d a r y L o a d c o n d i t i o n for t h e la t e f i n i t e e l e me nt a na l y s i s ． Ke y wo r d s A DAMS； w a l k a b l e h y d r a u l i e p o we r e d s u p p o r t ； e r a w] e r w a l k i n g me c h a n i s m； s i mu l a t i o n 履带行走式液压支架 以下简称行走支架 是短壁工作 面机械化开采的一种新的支护设备，与连续采煤机、运煤 车、锚杆钻机、给料破碎机和铲车等设备配套共同组成短 壁机械化连续采煤 系统。该支架主要随连续采煤机工作， 对顶板及时支护 ，为采煤设备及人员提供安全的作业空间。 近年来 ，随着数字技术的快速发展，国内外机械产品 开发过程中广泛应用高效率 、低成本的虚拟样机技术代替 传统设计方法 ，不再用周期长、成本高的 “ 设计一试制一 试验一改进”的基于物理样机的设计研发模式，实现了新 技术向新产品的快速转化。通过 S o l i d Wo r k s 软件建立行走 支架履带行走机构的简化模型，导入 A D A MS进行动力学仿 真，并快速分析、比较多种参数的设计方案，大大减少了 物理样机制造及试验过程得 出所需的力学曲线，为零部件 的优化设计提供理论依据 。 1行走支架行走机构构成及工作原理 行走支架由支护系统、控制系统、行走机构与铲煤板 组成 ，如图 l 所示 。文章 主要研究 该设备 的行 走机 构 ，其 行走机构采用履带驱动方式，无支重轮，具有结构简单 ， 重量轻，可靠性高等优点，能够承载行走支架重量，并带 动行走支架在井下巷道行走 ，是行走支架 的主要部件 ． ． _芰护 系统液n | 系统 控制 系统 铲煤 饭 干 亍 走减速 器 液压 马达 履带架 腹带 张紧机构 图 1 行走支架总体及行走机构构成 行走机构 由液压 马达 、行走 减速器 、驱动链 轮 、履带 、 张紧机构和履带架等几部分组成。其工作原理是以液 收稿 日期 2 0 1 1 ～ o 4一l 4 作者简介石岚 1 9 7 4～ ，女，四川成都人，高级工程师，1 9 9 6年毕业于山西矿业学院机械设计与制造专业，_ _E 要 从事煤矿机械的设 计与开发工作 。 1 1 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年 第 8期 煤炭工程 马达为动力源，通过减速器和驱动链轮将转矩传递到履带， 用以克服履带板与地面间的摩擦力 ，牵引行走支架向前或 向后移动。 2 履带行走机构三维模型的建立 由于履带连接副较多 ，用传统的方法来计算行走支架 与地面的动力学关系，计算量大，结果不够精确，因此， 以往对其性能的研究一直停留在 “ 经验 试验” 的基础 上。本文根据行走支架的设计数据，确定各个零件的外形 尺寸 ，在 S o l i d Wo r k s中分别建立履带板、驱动链轮、导向 轮和履带架的三维模型。考虑到模型的复杂程度及仿真重 点，建模时将各履带板之间的履带销、滚套等简化掉，然 后将履架当作与驱动链轮、导向轮连接的唯一零件，将整 机重量整合 到履 带架上 。 3 履带行走机构虚拟样机的建立 在 A D A MS ／ V i e w环境中建立虚拟样机，然后根据实际 情况用宏命令修改各零件质量并定义其之间的约束关系。 约束包括以下运动副铰接副、圆柱副、点点副、固定副， 驱动链轮和行走减速器，导向轮和履带架以及履带板之间 均视为铰接副。各履带板之间先全部施加铰接副，后将其 中任意两个改为圆柱副和点点副 否则会有过约束 ，最后 建立地面模型 ，用固定副将其固定在空问内。 另外 ，在两碰撞的零件之间需要添加接触力，即需要 对各履带板分别与驱动链轮、导向轮、履带架、地面施加 接触。根据实际接触情况，采用冲击 函数法 I m p a c t 模拟 零件问的碰撞 ，履带板与地面摩擦力用库伦法添加。该方 法需要反复试验接触刚度 k 、指数 e 、阻尼 d以及切入深度 几个参数值，得出符合实际的参数值。最后经过反复试验 确定 k取 1 ． 0 E0 0 8 N ／ m，d取 1 ． 0 E0 0 6 ，切 入深度取 1 ． 0 E一0 0 3 ，金属之间 e 取 1 ． 5，金属与地面间 e 取 2 ． 2 ，根 据矿井巷道实际情况钢与钢之间动摩擦系数取 0 ． 1 5 ，钢与 土壤之间取 1 ． 3 。编制宏命令，使得接触力添加参数化 T 0 0 1 s M a c ms E d i t _ Ma c m1 ，然后通 过 C o mm a n d N a v i g a t o r 浏览器执行宏命令 T o o l s - - C o mm a n d N a v i g a t o r - - Ma c r o l ， 施加完成后行走机构虚拟样机建立完毕。 4动力学仿真分析 4 ． 1 仿 真设 置 根据 A D A M S中提供的已有参数的单位，将整个系统单 位设置为 MK S ，即设定系统单位为 L e n g t h m；M a s s k g ； F o r c e N；T i me s ；A n g l e D e g r e e ；F r e q u e n c y H e r t z 。习 ℃ 解器 选用 G s T I F F的 I 3格式，校正器设 置 C o r r e c t o r 为 Mo d i f i e d ，E r r o r 改为 0 ． 1 ，能够满足系统精度要求。 在驱动链轮上加速度驱动 3 5 ． O dt i m e ，表示驱动链轮 每秒钟转 3 5 。 。当行走支架前进时，在左右两驱动链轮上均 加上 3 5 ． 0 d x t i m e的驱动；当行走支架转弯时，在左右两驱 动链轮上分别加上 3 5 ． 0 dt i m e和 一3 5 ． 0 dt i m e的驱动 ， 实现机构原地转弯。仿真时间 t 6 ，步长 S t e p S i z e 0 ． 0 1 ， 能模拟履带板和驱动链轮一个啮合周期。 4 ． 2仿真结果 仿真结束后进人 P o s t P r o c e s s o r 后处理模块查看所需的 结果曲线，行走支架前进与转弯时左右驱动链轮力矩分别 如图 2和图3所示。 营 ● 交 言 至 蕊 图 2 前进 时左右驱动链轮 力矩 时间／ s 图 3 转弯时左右驱动链轮力矩 对比图2和图 3可得 出以下结论 行走支架无论是匀 速前进还是原地转弯，稳定后驱动链轮的力矩均近似保持 在一个定值上 ，而且转弯时的力矩明显大于前进时的力矩， 近似于前进时力矩的8倍。 行走支架运行过程驱动链轮和履带板的各接触力情况 分别如 图 4 7所示 ，图4 5中 1 、2 、3分别为左驱动轮和 左履带板的 X、Y、Z方向作用力；图6 、7中，1～ 6分别 为左驱动轮和左履带板 1 ～ 6的 x方向或 Y方向作用力。 图 4前进时驱动轮与履带板 1的作用力 综合各图分析可得出以下结论 各个履带板在 x、Y、 z 方向的受力情况很相似，而且在 Y方向近似为正弦曲线 ， z方向作用力相对波动很小，这与普通链传动基本吻合 ； 各履带板与驱动链轮之间的作用力均呈现相同的变化规律， 只在时间上存在相位差 ，这是由于各履带板与驱动链轮啮 ． 1 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 1 年 第 8期 时l _U J ／ s 图 5 转 弯时驱 动轮 与履 带板 1的作用 力 合时间上的差异 形成 的。对 比图 4和 图 5可 知 ，履带 板 在 转弯时所受的力近似于前进时所受力的7～ 8倍 ，因此转弯 时履带板更易磨损 ，在设计与校核强度时应考虑到履带板 所能承受的最大载荷。 n , lU l ／ s 图 6 转弯 时 1 ～ 6履 带板 X方向作用力对 比 5 结语 运用三维软件 S o l i d Wo r k建立了行走支架履带行走机构 实体模 型 ，在 A D A MS ／ V I E W 环境下 ，结合实 际情 况建立 了 虚拟样机。对机构进行动力学仿真分析，仿真结果表 明， 建立的仿真模型是合理的。 从数值上得出驱动链轮及履带 上接 第 1 1 5页 嚣嚣 苦 ■面 罱 7 3【 I E 一 0 3 0 0 2l 7 6 0 03 6 2 2 0 0 5 0 68 0 1 6 5I 4 图 8 铲斗 Vo n Mi s e s 应变分布 图 5 结论 1 根据模型的空间位置关系，用 MA T L A B编程可以 方便地通过添加逻辑约束条件实现对杆长数据的筛选，可 以从杆长数据中得到最希望得到的那组解。这为设计类似 的连杆类工作机构提供 了一种可行的通用性方法 。 2 利用 A D A M S进行动力学仿真的过程会产生一定的 1 1 8 图 7 转弯 时 1 6履带板 Y方 向作用力对 比 板分别在行走支架前进时的力矩和力与行走支架转弯时的 最大力矩和 最大 力 之 间的关 系 ，对改 善 关键零 部 件设 计 ， 为后继的有限元分 析打下 了理论 基础 ，同时对其 它大 型机 械的履带行走装置的动力学仿真研究有一定的借鉴意义 参考文献 [ 1 ] 朱艳芳 ，翟雁 ，郭晓波．基 于 A D A MS的腔 带 牟辆行 走系统 性能的仿真 [ J ] ．传动技术 ，2 0 0 8 ，2 2 2 2 9～ 3 1 ． [ 2 ] 李春英 ，赵瑞萍．两种履 带行 走机 构的讨 论 [ J ] ．煤 矿机 电，2 0 0 8， 4 7 9 ． 【 3 ] 陈雪飞．E B Z 1 3 5掘进机行走 机构的设计 【 J ] ．机 械 啊望与 自动化 ，2 0 0 8， 6 1 3 2～1 3 3 ． [ 4 ] 王水林 ，邹月伟 ，李海伟 基于 A D AMS的仿真技 术在履带 行走装置 的应用 [ J ] ．机电产 晶开发与创新 ，2 0 0 8 ，2 1 3 4 448 ． [ 5 ] 李增刚．A D A M S 人门详解与实例 [ M] ．北京 防 I 业d { 版社 ，2 0 0 7 ． [ 6 ] 李海伟．5 5矿用挖掘机履带行走装 置动力学研究 [ I j ． 长 春 吉林大学 ，2 0 0 8 ． 责任 编辑赵巧 芝 失真，因为所建立模型不够精确，而且实际现场工况对及 其工作性能的影响因素十分复杂。但得到的结果对液压系 统的设计仍具有一定的指导意义。 3 经过计算机仿真得到的最大 V o n Mi s e s 应力值为G r ⋯ 1 9 0 M P a比手 E 计算的应力值 ～ 1 4 6 4 M P a值偏小，原凼是手 计算的不是据 o - 出的等效应力值，而是以正应力和剪应力分别表示的条件。 参考文献 得 [ 1 ] 高梦熊．地下装载机结 构设 计与使用 l M] ．北 京冶金 1 业 出版社 ，2 0 0 1 ． [ 2 J 薛定宇，陈阳泉．基于 M A T L A B ／ S i m u l i n k 的系统仿真技术 与应用 [ M] ．北京 清华 大学 出版社 ，2 0 0 2 ． [ 3 ] 胡仁喜 ，王庆五．A N S Y S 8 2机械设计高级应用实例 【 M] 北京 机械工业 出版社 ，2 0 0 5 ． 责任 编辑赵巧芝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m