扒斗式裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真分析

黨永強(qiáng)

摘要：煤礦巷道施工機(jī)械領(lǐng)域采用液壓扒斗式裝載機(jī)技術(shù)，可以加快施工速度、降低工人的勞動強(qiáng)度，而且在巷道、隧道、水電涵洞等施工方面具有廣闊的應(yīng)用前景。本文采用現(xiàn)代設(shè)計理論和方法對液壓裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真研究。論述了扒斗式裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，通過機(jī)構(gòu)分析，歸納出了斗齒尖的運(yùn)動方程。對扒斗式裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，并進(jìn)行了虛擬裝配。在三維建模的基礎(chǔ)上對扒斗式裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動仿真并對關(guān)鍵點(diǎn)斗齒尖的軌跡曲線進(jìn)行了繪制。本文內(nèi)容為新型裝載機(jī)的研制提供了理論基礎(chǔ)，具有重要的工程實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：扒斗式裝載機(jī);運(yùn)動分析;運(yùn)動仿真

中圖分類號：E923.39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0062-02

0? 引言

目前巖巷施工主要使用上面提到的裝載設(shè)備，其各有優(yōu)缺點(diǎn)，但都不能同時具備連續(xù)裝載、運(yùn)輸、清理等功能[1]。在目前“高產(chǎn)高效礦井”的要求下，如何在安全的條件下提高巷道施工速度，提高礦井建設(shè)的效率，已是迫在眉睫的問題。應(yīng)用高效新裝巖設(shè)備可以提高掘進(jìn)速度，減輕工人勞動強(qiáng)度，改善現(xiàn)場勞動條件[2，3]。本文針對扒斗式裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維建模、并進(jìn)行了虛擬裝配。在三維模型的基礎(chǔ)上對工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動仿真，繪制了斗齒點(diǎn)的運(yùn)動曲線，為裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)提供了設(shè)計模型及參數(shù)設(shè)計方法。本文研究實(shí)現(xiàn)了從二維圖紙設(shè)計向三維模型設(shè)計的參數(shù)化、集成化設(shè)計。為新型裝載機(jī)的研制提供了理論基礎(chǔ)，具有重要的工程實(shí)際意義。

1? 工作機(jī)構(gòu)設(shè)計

扒斗式裝載機(jī)是前面扒取物料，在設(shè)備后方卸載，采用分層扒取物料的施工工藝，行走方式為履帶式?？蛇B續(xù)將矸石集中、扒取、輸送到梭式礦車或其它運(yùn)載設(shè)備上。主要特點(diǎn)為：①煤、巖皆可裝載，適用于煤巷、巖巷和地面煤場，也可用于井底水倉清理。②集裝載、運(yùn)輸、行走于一體的全液壓裝載設(shè)備，后配套方式靈活合理。還能和礦用車、刮板運(yùn)輸機(jī)及帶式運(yùn)輸機(jī)等礦用運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行配合使用。③可在高瓦斯礦井巷道使用，依靠液壓方式控制，履帶行走距離短。其可作為鋼絲繩耙斗裝巖機(jī)、側(cè)卸式裝巖機(jī)、裝煤機(jī)的替代品。④采用履帶行走，機(jī)動靈活，扒斗能夠左右擺動，扒掘范圍大，裝巖寬度受限制小，可以全斷面裝巖，不留死角，對巷道斷面有很強(qiáng)的適應(yīng)性。⑤扒斗部分可對大塊落料二次破碎，便于裝載。⑥裝載平穩(wěn)、不灑料，高效、連續(xù)性強(qiáng)，是全液壓鉆眼臺車的最佳配套設(shè)備，機(jī)械化程度高。

扒斗式裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)挖掘動作的執(zhí)行，是整機(jī)功能實(shí)現(xiàn)的執(zhí)行部分。扒斗式裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)是包括以下三個主要組成部分。包括動臂結(jié)構(gòu)、斗桿結(jié)構(gòu)以及扒斗結(jié)構(gòu)，并且三個部分依靠鉸連接進(jìn)行組裝。而對于三個組成部分功能的實(shí)現(xiàn)，需要液壓驅(qū)動原件給予動力。為滿足現(xiàn)場施工的需求，還能配合礦用車、刮板運(yùn)輸 機(jī)及帶式運(yùn)輸機(jī)等礦用運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行配合使用。工作機(jī)構(gòu)執(zhí)行工作指令時，通過控制液壓驅(qū)動原件中的閥體，即可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠在±45°范圍內(nèi)執(zhí)行挖掘任務(wù)。待挖掘任務(wù)完成之后，動臂結(jié)構(gòu)與斗桿結(jié)構(gòu)執(zhí)行動作，將物料運(yùn)輸至裝載部分。然后，裝載部分再將物料進(jìn)行二次裝載，進(jìn)行運(yùn)輸。

扒斗式裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示。工作機(jī)構(gòu)主要有6個組成部分，包含扒斗8、連桿7、曲柄6、斗桿4、動臂2以及動臂油缸1、斗桿油缸3、扒斗油缸5三組液壓缸等部分。工作機(jī)構(gòu)動臂部分通過鉸連接與裝載機(jī)轉(zhuǎn)臺相連。工作機(jī)構(gòu)通過控制動臂液壓缸動作，實(shí)現(xiàn)動臂及工作機(jī)構(gòu)整機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。通過扒斗油缸動作，實(shí)現(xiàn)斗桿能夠環(huán)繞動臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。扒斗安裝于斗桿部分的前端，通過控制扒斗油缸與連桿動作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)扒斗動作的執(zhí)行。

扒斗式裝載機(jī)工作過程中，首先通過控制轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)停留在所需挖掘位置。通過控制動臂液壓缸動作，實(shí)現(xiàn)動臂及工作機(jī)構(gòu)整機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。通過扒斗油缸動作，實(shí)現(xiàn)斗桿能夠環(huán)繞動臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。扒斗安裝于斗桿部分的前端，通過控制扒斗油缸與連桿動作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)扒斗動作的執(zhí)行。

扒斗式裝載機(jī)工作過程中，因待裝物料情況、堆集物料面等條件不同。因此機(jī)構(gòu)中三種液壓缸在執(zhí)行挖掘動作時，三者的配合是多樣且靈活的。工作時，典型的挖掘工況有扒斗扒掘、斗桿扒掘、聯(lián)合扒掘三種。扒斗扒掘工況采用扒斗油缸單獨(dú)進(jìn)行扒掘，常用于清除障礙以提高生產(chǎn)率;斗桿扒掘工況采用斗桿油缸單獨(dú)進(jìn)行扒掘。在聯(lián)合扒掘 工況當(dāng)中，扒斗油缸與斗桿油缸需要進(jìn)行復(fù)合動作進(jìn)行挖掘。正常工作時以斗桿扒掘?yàn)橹鳎嵌钒蔷驗(yàn)檩o。

裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的動臂與斗桿均是變截面的箱梁結(jié)構(gòu)，扒料斗是采用鋼板焊接而成。各油缸可被看作是只承受拉壓載荷的桿。為了研究方便，可以對工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行適 當(dāng)簡化處理。

2? 工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析

工作機(jī)構(gòu)中，扒斗直接接觸工作面，它執(zhí)行了類似人的手部扒掘的運(yùn)動，采用了類似機(jī)械手的機(jī)構(gòu)，扒斗位置參數(shù)是動臂油缸的長度L1、斗桿油缸的長度L2和扒斗油缸的長度L3的函數(shù)。下面針對斗齒尖進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，運(yùn)動計算簡圖如圖2所示。

齒尖處，CQ 連線與水平線夾角，有如下關(guān)系式：

CQ連線在水平線之上，ψ1為正，反之為負(fù)。最終可以得到：

3? 工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真

運(yùn)動學(xué)仿真基于三維模型，本文采用Pro/Engineer 軟件對其工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建模，并進(jìn)行了虛擬裝配。運(yùn)動仿真利用計算機(jī)方法，模擬各種作業(yè)過程，將各作業(yè)時的真實(shí)狀態(tài)反映出來，并檢查干涉情況和分析構(gòu)件在作業(yè)過程中的載荷與強(qiáng)度狀況。仿真流程介紹如下：若想實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)仿真，首先需要按照實(shí)體進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，并且所建模型需符合實(shí)際工況要求及尺寸要求。待模型建立完成之后，對之進(jìn)行相關(guān)問題研究的方法，以便分析要研究的內(nèi)在特性、運(yùn)行規(guī)律、相關(guān)關(guān)系。

由于本文直接采用Pro/Engineer軟件對其工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建模及裝配，因此，結(jié)合Pro/Engineer軟件的綜合特性，可直接采用Pro/E各功能模塊進(jìn)行仿真，可有效地避免模型導(dǎo)入其他分析軟件中模型特性不兼容問題的出現(xiàn)。通過Pro/E功能模塊軟件進(jìn)行工作機(jī)構(gòu)的靜態(tài)及動態(tài)仿真分析，可實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動機(jī)構(gòu)路徑軌跡、所需變量及各參數(shù)表格等參數(shù)的輸出。依據(jù)仿真分析結(jié)果，可為相關(guān)設(shè)計提供所需要的可靠依據(jù)。

實(shí)現(xiàn)運(yùn)動仿真，工作機(jī)構(gòu)應(yīng)在設(shè)定的條件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。針對裝載機(jī)復(fù)雜的工況需求，在對工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，首先需要滿足工作機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度要求。除此之外，以下幾點(diǎn)要求還需進(jìn)一步的考慮。首先，工作機(jī)構(gòu)在預(yù)設(shè)的工作條件下還需將其構(gòu)造成幾何可變結(jié)構(gòu)。其次，在完成工作循環(huán)中全部功能的每個位置，都應(yīng)實(shí)現(xiàn)各對應(yīng)位置的相關(guān)功能。扒斗安裝于斗桿部分的前端，通過控制扒斗油缸與連桿動作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)扒斗動作的執(zhí)行。在對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真過程中，首先，需要進(jìn)行運(yùn)動干涉的檢驗(yàn)，保證工作機(jī)構(gòu)能夠正常運(yùn)行。其次，工作機(jī)構(gòu)需要按照額定需求滿足各種動作的實(shí)現(xiàn)[4]。

采用 Pro/Engineer軟件的機(jī)構(gòu)（Mechanism）模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)動仿真。在Pro/Engineer的“機(jī)構(gòu)（Mechanism）”模塊中，可在設(shè)計好參數(shù)后，由計算機(jī)進(jìn)行一個機(jī)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動仿真，還可以將其結(jié)果輸入到Pro/MECHANICA中，以便于用戶進(jìn)行進(jìn)一步的力學(xué)分析與處理。并且，用戶通過“回放”功能來捕獲運(yùn)動圖像，將“機(jī)械模型”創(chuàng)建一個動 畫序列[5]。使用約束條件將固定關(guān)系的零部件裝配，再將運(yùn)動的零部件進(jìn)行裝配，再進(jìn)入機(jī)構(gòu)模塊，運(yùn)用手工拖拽零件試驗(yàn)裝配，再進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，添加伺服電動機(jī)，最后進(jìn)行分析及仿真，輸出分析結(jié)果。

利用 Pro/Engineer 進(jìn)行干涉檢驗(yàn)非常方便，充分體現(xiàn)了計算機(jī)虛擬設(shè)計及虛擬裝配的優(yōu)越性。進(jìn)行運(yùn)動干涉仿真的主要目的是分析工作機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)在執(zhí)行運(yùn)動指令時，可能出現(xiàn)的運(yùn)動干涉及“死點(diǎn)位置”。此命令是確保工作機(jī)構(gòu)正常執(zhí)行命令的基礎(chǔ)。由于工作機(jī)構(gòu)的干涉問題較為復(fù)雜，單獨(dú)在圖紙上模擬分析耗用較多時間，這在設(shè)計中是一個繁瑣且迫切需要解決的難題。

現(xiàn)有的干涉檢驗(yàn)方法是通過分析各桿件的長度是否存在尺寸干涉，并將利用各桿件繪制成圖進(jìn)行檢驗(yàn)。此方法存在檢測效率度、檢測精度低的缺陷。相對來講，在使用 Pro/Engineer進(jìn)行運(yùn)動仿真分析過程中，運(yùn)用軟件動態(tài)運(yùn)行命令可自動檢測各桿件在運(yùn)動過程中存在的干涉問題。操作簡單有效且精度較高。

4? 結(jié)束語

本文采用現(xiàn)代設(shè)計理論和方法對液壓裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真研究。論述了扒斗式裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，通過機(jī)構(gòu)分析，歸納出了斗齒尖的運(yùn)動方程。對扒斗式裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，并進(jìn)行了虛擬裝配。在三維建模的基礎(chǔ)上對扒斗式裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動仿真并對關(guān)鍵點(diǎn)斗齒尖的軌跡曲線進(jìn)行了繪制。本文內(nèi)容為新型裝載機(jī)的研制提供了理論基礎(chǔ)，具有重要的工程實(shí)際意義。

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