礦用U 型鋼專用曲臂舉升機(jī)虛擬樣機(jī)分析＊

朱建安 王 蓋 郭培紅

（河南理工大學(xué)，河南省焦作市，454000）

目前煤礦巷道掘進(jìn)方式分為綜掘和炮掘兩種，根據(jù)國內(nèi)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平，對于煤或半煤巖巷道掘進(jìn)采用綜掘法較好，對于中硬度以上的巷道掘進(jìn)有些還是以炮掘?yàn)橹鳎诰蛳锏乐ёo(hù)的U 型鋼卻仍需借助導(dǎo)鏈、撬杠等原始工具進(jìn)行人工安裝，存在支護(hù)速度慢、工作效率低且安全性差的問題，由此影響了掘進(jìn)速度，是引發(fā)煤礦開采過程中“采掘失調(diào)”的原因之一。

煤礦井下支護(hù)作業(yè)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(huán)境，普通起重設(shè)備無法使用。因此，研制巷道支護(hù)U 型鋼的專用舉升設(shè)備便成為采用炮掘煤礦亟需解決的一項(xiàng)重要課題。本文以虛擬樣機(jī)技術(shù)開發(fā)了一種履帶式礦用U 型鋼專用曲臂舉升機(jī)，以實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)的安全性和快速性，著重對舉升臂機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)進(jìn)行了設(shè)計分析。

1 舉升機(jī)的概念設(shè)計

根據(jù)煤礦井下巷道支護(hù)的使用要求，U 型鋼專用舉升機(jī)主要的性能要求及設(shè)計特點(diǎn)如下：

（1）該舉升機(jī)采用履帶式行走機(jī)構(gòu)、液壓動力傳動系統(tǒng)以及曲臂式舉升機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)掘進(jìn)巷道的復(fù)雜路況及狹小作業(yè)空間，能進(jìn)行短距離行走，結(jié)構(gòu)緊湊并符合防爆要求。

（2）滿足安裝作業(yè)的進(jìn)度要求，一次舉升循環(huán)時間在60s 之內(nèi)，吊裝卡具最大運(yùn)動速度為0.4m／s，實(shí)現(xiàn)U型鋼快速穩(wěn)定的舉升過程。

（3）舉升機(jī)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(yīng)用SolidWorks三維建模，舉升機(jī)概念設(shè)計及幾何建模如圖1所示。

圖1 舉升機(jī)概念設(shè)計圖

由圖1可見，舉升機(jī)裝置可分為行走系統(tǒng)和舉升臂系統(tǒng)兩大組成部分。行走系統(tǒng)包括履帶、底盤、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電機(jī)和操作臺；舉升臂系統(tǒng)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(tǒng)安裝在履帶底盤上，支撐臂可以折疊。

舉升機(jī)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(dá)到相應(yīng)的工作位置，進(jìn)而完成U 型鋼的舉升。

2 舉升臂機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)分析

舉升臂是舉升機(jī)完成U 型鋼舉升動作過程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是舉升機(jī)最主要的設(shè)計對象。對舉升臂機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)分析，是舉升機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.1 機(jī)構(gòu)建模

對舉升臂機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)分析是基于ADAMS軟件進(jìn)行的。

在舉升機(jī)概念設(shè)計及幾何建模的基礎(chǔ)上，考慮到舉升機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性以及SolidWorks導(dǎo)入ADAMS后需要添加約束的數(shù)量，在機(jī)構(gòu)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(jī)模型的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等和實(shí)際構(gòu)件相同，仿真結(jié)果與物理樣機(jī)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(yùn)動學(xué)仿真中考慮到吊裝卡具運(yùn)動軌跡受控于搖臂的運(yùn)動，就只需在卡具與搖臂鉸接點(diǎn)做標(biāo)記點(diǎn)，如圖2中的A 點(diǎn)所示，測量A 點(diǎn)即能得到吊裝卡具的相應(yīng)參數(shù)。

2.2 舉升臂虛擬樣機(jī)仿真

本文采用已知系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)參量反求動力學(xué)參量的方式，設(shè)定舉升重物質(zhì)量、舉升臂運(yùn)行軌跡和舉升時間等參數(shù)，反求各個構(gòu)件的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)參量。除去行走機(jī)構(gòu)和其他輔助部件，按照舉升過程運(yùn)動關(guān)系，在ADAMS軟件中可將舉升臂系統(tǒng)機(jī)構(gòu)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(yùn)動部件，其虛擬樣機(jī)如圖2所示。

圖2 舉升臂機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)圖

2.2.1 添加約束

根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動關(guān)系，各部件間施加約束關(guān)系如表1所示。

2.2.2 施加驅(qū)動和舉升力

由舉升機(jī)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(qū)動約束時，運(yùn)用ADAMS 函數(shù)庫中的STEP 函數(shù)模擬手動閥功能。在液壓缸滑移副處添加驅(qū)動，并使用STEP函數(shù)實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動的控制。

添加驅(qū)動要根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際工作過程，而運(yùn)動控制要符合舉升臂運(yùn)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(biāo)高度并平移至終點(diǎn)；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(shè)定重物的運(yùn)動規(guī)律為靜止-加速-減速-靜止?？紤]舉升臂舉升軌跡和結(jié)構(gòu)限位要求以及舉升作業(yè)循環(huán)的時間，編寫STEP函數(shù)實(shí)現(xiàn)控制運(yùn)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(diǎn)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(jī)完整的工作情況。

2.3 仿真結(jié)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(biāo)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(tǒng)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(tǒng)絕對舉升高度可以達(dá)到要求的4.2 m 以上，加上履帶與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等的高度0.8m，總高度能達(dá)到5～5.2 m，滿足了概念設(shè)計中設(shè)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(yīng)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(dá)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(shè)定值0.4m／s。速度較為穩(wěn)定，滿足了設(shè)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(shè)計中設(shè)定U 型鋼重力不超過5kN，取舉升力的安全系數(shù)為1.5，所以實(shí)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(jī)構(gòu)實(shí)體仿真過程軌跡圖。

圖8 舉升臂系統(tǒng)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(shè)計要求，能在規(guī)定時間內(nèi)能完成全部動作。

本文所示虛擬樣機(jī)分析，為礦用U 型鋼專用曲臂舉升機(jī)的最終產(chǎn)品設(shè)計與制造奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

本文研究開發(fā)一種煤礦U 型鋼專用曲臂舉升機(jī)，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)增加了設(shè)計結(jié)果的可靠性，節(jié)約了設(shè)計成本，縮減了產(chǎn)品開發(fā)周期，可用于炮掘巷道U 型鋼的快速支護(hù)安裝，對于提高支護(hù)效率，節(jié)約掘進(jìn)成本，降低支護(hù)工人勞動強(qiáng)度具有重要意義。

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