組合繩鋸組鋸機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)虛擬仿真研究

方 正，張延軍，周志成，王汝貴＊

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004；2.桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林541004）

0 前言

金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)已經(jīng)作為一種主要的先進(jìn)石材開采工具，在石材開采和大型構(gòu)筑物、建筑物、橋墩等的拆除和分解中有出色的表現(xiàn)，由于金剛石繩鋸開采的低成本，高效率、節(jié)水和節(jié)能等諸多優(yōu)越性，使之成為新的第三代超硬材料工具[1]。但是組合繩鋸組鋸機(jī)體積大，重量大，材料、生產(chǎn)及運(yùn)輸成本高，對(duì)金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析已成為其工程應(yīng)用中期待解決的關(guān)鍵問題，對(duì)提高組合繩鋸組鋸機(jī)產(chǎn)品性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力也具有較重要意義。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)組合繩鋸組鋸機(jī)進(jìn)行了研究[2-5]，并在組合繩鋸組鋸機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性等方面取得了一定的研究成果[6-7]。

2015年，王飛[8]等人基于多體動(dòng)力學(xué)理論，建立了多排組合繩鋸組鋸機(jī)組系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。用有限元法對(duì)組合繩鋸組鋸機(jī)進(jìn)行了分析，得到了組合繩鋸組鋸機(jī)的固有頻率和振型。在此基礎(chǔ)上，使用ADAMS/振動(dòng)分析模塊分析了位移、速度、加速度、加速度之間的關(guān)系。組合繩鋸組鋸機(jī)機(jī)關(guān)鍵部件在壓力下的加速度和頻率。確定金剛石組合繩鋸振動(dòng)的感應(yīng)并驗(yàn)證理論的準(zhǔn)確性多角度鋸的結(jié)構(gòu)。它為結(jié)構(gòu)參數(shù)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化和振動(dòng)固有特性的調(diào)節(jié)提供了方法和基礎(chǔ)，有利于提高多排組合繩鋸組鋸機(jī)鋸切石材的效率。2018年，王海波與王喆團(tuán)隊(duì)[9]合作下，開展了對(duì)水下金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)切割動(dòng)力學(xué)特性研究。對(duì)繩鋸的切割系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，得到了繩鋸切割振動(dòng)時(shí)的特性。通過仿真研究實(shí)驗(yàn)，縱向和橫向振動(dòng)在一定的情況下會(huì)發(fā)生耦合，在這種耦合的情況下，切割振動(dòng)頻率接近共振頻率時(shí)，繩鋸會(huì)發(fā)生較大的共振。

雖然組合繩鋸組鋸機(jī)的研究已經(jīng)取得了可喜成果，但在對(duì)組合繩鋸組鋸機(jī)整機(jī)動(dòng)態(tài)性能研究方面仍有欠缺，這在某種程度上制約著組合繩鋸組鋸機(jī)在工程上的廣泛應(yīng)用。本文以桂林特邦新材料有限公司的ZJP56型組合繩鋸組鋸機(jī)為研究對(duì)象，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)及理論分析相結(jié)合手段，基于樣機(jī)物理模型實(shí)際結(jié)構(gòu)、材料及驅(qū)動(dòng)參數(shù)，搭建ZJP56型金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)虛擬樣機(jī)分析模型，對(duì)其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行虛擬仿真研究，求解金剛石繩鋸的運(yùn)作過程中運(yùn)動(dòng)學(xué)和載荷參數(shù)，并應(yīng)用有限元分析方法對(duì)金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)進(jìn)行在外載荷作用下的力學(xué)分析，得到組合繩鋸組鋸機(jī)的應(yīng)力分布狀況。

本研究工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

1 動(dòng)力學(xué)建模

本文研究的對(duì)象是以桂林特邦新材料有限公司的ZJP56金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)實(shí)體機(jī)器如圖2所示，運(yùn)用三維建模軟件所繪制圖形如圖3所示。

圖2 金剛石組合繩鋸組合繩鋸組鋸機(jī)實(shí)體總圖

圖3 ZJP56組合繩鋸組鋸機(jī)示意圖

ZJP56金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)工作原理：組合繩鋸組鋸機(jī)的加工過程為組合繩鋸纏繞經(jīng)過主動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、從動(dòng)輪、張緊輪再回到主動(dòng)輪。調(diào)試張緊輪對(duì)組合繩鋸實(shí)時(shí)獨(dú)立張緊，啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)，主動(dòng)輪啟動(dòng)，組合繩鋸開始環(huán)繞運(yùn)行，升降裝置向下作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，依靠組合繩鋸的金剛石對(duì)石材進(jìn)行高速磨削加工。

一個(gè)完整的復(fù)雜的機(jī)械多體系統(tǒng)是由多個(gè)連接的剛性或柔性元件通過力鉸鏈部件形成。由圖2和3得知組合繩鋸組鋸機(jī)的實(shí)物圖和三維圖，組合繩鋸組鋸機(jī)的正面二維圖如圖4。

圖4 組合繩鋸組鋸機(jī)二維圖

組合繩鋸組鋸機(jī)的運(yùn)動(dòng)是輪組系從上到下實(shí)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，兩邊的升降裝置保持平衡，輪組系依靠金剛石串珠繩鋸連接，張緊輪實(shí)時(shí)張緊，保持張力。為了更直觀地分析組合繩鋸組鋸機(jī)的力學(xué)性質(zhì)，按照組合繩鋸組鋸機(jī)運(yùn)動(dòng)方式，簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁進(jìn)行力學(xué)分析如圖5。

圖5 組合繩鋸組鋸機(jī)簡(jiǎn)支梁形式

組合繩鋸組鋸機(jī)兩邊的立柱簡(jiǎn)化為A，B兩邊，所受到的支反力為FAy，F(xiàn)By，組合繩鋸組鋸機(jī)的向下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，張緊輪張緊繩鋸可視作均布載荷作用。兩個(gè)升降裝置之間的位移為L(zhǎng)，繩鋸撓度為δ。E為彈性模量，I為慣性矩。

由如下平衡方程：

得到

2 組合繩鋸組鋸機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真

虛擬樣機(jī)仿真的思路是對(duì)組合繩鋸組鋸機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行逆向運(yùn)動(dòng)分析，即通過確定升降裝置的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（關(guān)于時(shí)間的函數(shù)），從而可以確定整個(gè)組合繩鋸組鋸機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后進(jìn)行仿真運(yùn)算，可求出各鉸接點(diǎn)的反力[10]。

組合繩鋸組鋸機(jī)的參數(shù)設(shè)定表如表1所示。

表1 組合繩鋸組鋸機(jī)屬性參數(shù)表

組合繩鋸組鋸機(jī)處于起步調(diào)試過程中時(shí)，將升降裝置的進(jìn)給長(zhǎng)度看作是隨時(shí)間（time）變化的函數(shù)：在0～120 s，組合繩鋸組鋸機(jī)的升降裝置從初始位置下降600 mm。對(duì)移動(dòng)副的驅(qū)動(dòng)函數(shù)用STEP函數(shù)表示：STEP（time，0，0，120，600）

建立的虛擬樣機(jī)模型如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 ZJP56組合繩鋸組鋸機(jī)虛擬樣機(jī)圖

圖7 ZJP56組合繩鋸組鋸機(jī)虛擬樣機(jī)圖

組合繩鋸組鋸機(jī)在運(yùn)行的過程中有兩部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是升降裝置的升降，本次仿真是從上向下在2 min時(shí)間運(yùn)動(dòng)了600 mm；另一個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)就是繩索系統(tǒng)在轉(zhuǎn)動(dòng)，在升降裝置下降的過程中，繩索系統(tǒng)在以29.5 m/s的速度不停的轉(zhuǎn)動(dòng)。

經(jīng)過仿真運(yùn)算后，產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)已存在虛擬樣機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)里，要觀察這些數(shù)據(jù)，需要設(shè)定所需的測(cè)量，然后，在ADAMS/PostProcessor模塊里，用圖線表達(dá)這些數(shù)據(jù)。

通過圖8、圖9、圖10加工區(qū)三個(gè)方向的位移變化，組合繩鋸組鋸機(jī)在加工時(shí)由升降裝置提供垂直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，在Y方向的位移是從5 020 mm下降至4 420 mm，運(yùn)動(dòng)過程就是先緩慢加速進(jìn)入工作區(qū)，進(jìn)行一段近似勻速的類直線運(yùn)動(dòng)，然后減速之后停止加工狀態(tài)。在X方向和Z方向沒有位移發(fā)生，切割出來的石料是光滑平整。

圖8 繩鋸X方向位移圖

圖9 繩鋸Y方向位移圖

圖10 繩鋸Z方向位移圖

圖11 繩鋸X方向速度圖

通過圖10、圖11、圖12三個(gè)方向的速度圖，在X方向上和Z方向上，升降裝置由于固定受到摩擦力，沒有速度的變化。在Y方向上速度變化呈現(xiàn)類拋物線形式，在0～60 s，Y方向的速度以類拋物線的曲線形式先快速增長(zhǎng)后趨于平緩到7.5 mm/s，在60～120 s，Y方向的速度以和前60 s相反類拋物線的曲線形式變化至0。說明組合繩鋸組鋸機(jī)在下降切割時(shí)，石料對(duì)串繩的阻力使得在針對(duì)加工區(qū)速度有變化。

圖12 繩鋸Y方向速度圖

圖13 繩鋸Z方向速度圖

通過圖14、圖15、圖16三個(gè)方向的加速度圖，在X方向上和Z方向上，升降裝置由于固定受到摩擦力，X和Z方向上加速度為零。Y方向的加速度先陡增至-0.25 mm/s2再以類直線加速至0.25 mm/s2。

圖14 繩鋸X方向加速度圖

圖15 繩鋸Y方向加速度圖

圖16 繩鋸Z方向加速度圖

為研究組合繩鋸組鋸機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)所承受的載荷峰值，對(duì)升降裝置在運(yùn)動(dòng)過程中的力的變化進(jìn)行了虛擬樣機(jī)仿真分析，得到升降裝置在X方向，Y方向以及Z方向的力的變化如圖17、圖18、圖19所示。

圖17 升降裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)X方向力的變化

圖18 升降裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)Y方向力的變化

圖19 升降裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)Z方向力的變化

升降裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)X方向力在0～30 s內(nèi)以類拋物線增長(zhǎng)，在30～90 s內(nèi)以類直線形式增長(zhǎng)，在30到120 s內(nèi)以類拋物線形式趨近于臨界最大值691 800 N，Y方向力在運(yùn)動(dòng)初期有個(gè)突變力，以類直線形式增長(zhǎng)至最大值為16 940 000 N，Z方向力在運(yùn)動(dòng)初期有個(gè)突變力，以類直線形式增長(zhǎng)至最大值是107 100 N，為后續(xù)有限元分析提供數(shù)據(jù)支撐。

通過對(duì)組合繩鋸組鋸機(jī)的虛擬樣機(jī)的仿真分析了解到，金剛石組合繩鋸在運(yùn)動(dòng)過程中的移動(dòng)構(gòu)件在給定條件下的構(gòu)件的位移變化、速度變化、加速度變化以及升降裝置在不同方向上力的變化等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，了解實(shí)際運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)過程中的一些內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，促進(jìn)今后對(duì)金剛石組合繩鋸的各方面調(diào)整和優(yōu)化等研究。

3 模型的有限元分析

為研究組合繩鋸組鋸機(jī)工作狀態(tài)中所承受的典型載荷作用下的力學(xué)變化，使用有限元分析軟件對(duì)組合繩鋸組鋸機(jī)模型在虛擬仿真中得到的外載荷作用下進(jìn)行力學(xué)分析，得到組合繩鋸組鋸機(jī)整機(jī)和關(guān)鍵零部件的應(yīng)力、應(yīng)變、總變形量分布區(qū)域和變化，為結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)提供了重要的展示作用[11-12]。有限元分析流程如圖20所示。

圖20 有限元分析流程

設(shè)置單元類型和材料屬性，單元類型選擇用有限元分析軟件默認(rèn)的單元類型在有限元分析中進(jìn)行設(shè)置，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖21所示。

圖21 網(wǎng)格劃分

進(jìn)行有限元分析計(jì)算后，得到在設(shè)定施加的載荷X方向力為691 800 N，Y方向力為16 940 000 N，Z方向力為107 100 N。下機(jī)構(gòu)的應(yīng)力圖、應(yīng)變圖和變形圖，金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)構(gòu)模型工作時(shí)輪系承受向上壓力時(shí)各構(gòu)件受力情況如圖22、23和24所示。

圖22 組合繩鋸組鋸機(jī)復(fù)合應(yīng)力云圖

圖23 組合繩鋸組鋸機(jī)應(yīng)變復(fù)合云圖

圖24 組合繩鋸組鋸機(jī)變形云圖

由應(yīng)力分布圖22可知，連接部分旁的升降裝置和基座部分、基座支撐的肋板受到少許應(yīng)力，應(yīng)力主要集中在連接構(gòu)件上，且最大的應(yīng)力部分為226.89 MPa。應(yīng)力集中的部分是應(yīng)變集中的部分，由圖22可知，應(yīng)變的分布規(guī)律和應(yīng)力的分布規(guī)律基本一致，最大應(yīng)變只有0.001 141 9 mm。由圖24可知，最大變形位于機(jī)構(gòu)的最高水平位置處，變形最小的位于基座的固定部分，在受力時(shí)整個(gè)機(jī)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁的模型，底座固定部分基本不變形，而越往上變形越高，但最大變形也只有2.509 mm整個(gè)機(jī)構(gòu)最大變形處基本不變形、不位移。

4 結(jié)論

ZJP56型金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)是礦石開采領(lǐng)域使用的主要工具，其整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能決定著繩鋸加工精度的可靠性，本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)及理論分析相結(jié)合手段，基于樣機(jī)物理模型實(shí)際結(jié)構(gòu)、材料及驅(qū)動(dòng)參數(shù)，搭建ZJP56型金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)虛擬樣機(jī)分析模型，對(duì)其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行虛擬仿真研究，求解金剛石繩鋸的運(yùn)作過程中運(yùn)動(dòng)學(xué)和載荷參數(shù)，并應(yīng)用有限元分析方法對(duì)金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)進(jìn)行在外載荷作用下的力學(xué)分析，得到組合繩鋸組鋸機(jī)的應(yīng)力分布狀況，為組合繩鋸組鋸機(jī)的結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)和安全作業(yè)工況選擇提供數(shù)據(jù)支持，提高組合繩鋸組鋸機(jī)產(chǎn)品穩(wěn)定性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，使得組合繩鋸組鋸機(jī)能更廣泛地使用，提高礦石產(chǎn)業(yè)開采效率與經(jīng)濟(jì)發(fā)展。