基于ADAMS的電力隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044）

0 引言

隨著城市電力隧道需求日益增加，對(duì)城市電力隧道專用掘進(jìn)機(jī)的相關(guān)需求也在增加。我國(guó)常用的地下開發(fā)方法有礦山法、盾構(gòu)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(gòu)機(jī)[2]以及頂管法[3]其使用的開采機(jī)械過(guò)大，無(wú)法滿足小型化、專業(yè)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(jìn)行破壁，如圖1所示，通過(guò)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(dá)到電力隧道開挖效果。但其效率低下，同時(shí)存在較大安全隱患，故本文設(shè)計(jì)一套專業(yè)城市電力隧道掘進(jìn)設(shè)備，利用ADAMS對(duì)其工作流程進(jìn)行仿真，分析其工作過(guò)程不同工況以及工藝參數(shù)對(duì)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的影響。提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 人工鉆取工藝

1 隧道掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)理論

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道掘進(jìn)機(jī)以挖掘機(jī)底座為基礎(chǔ)，底座采用履帶型，通過(guò)與如圖2所示水鉆機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)在隧道中的鉆取。水鉆機(jī)構(gòu)由水鉆鉆頭，液壓馬達(dá)、伺服電機(jī)、齒輪齒條、取芯桿、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)以及大臂構(gòu)成。在實(shí)際工作情況下，水鉆鉆頭在液壓馬達(dá)的控制下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)水鉆整體下方有齒輪齒條驅(qū)動(dòng)其進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在鉆孔過(guò)程中，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條進(jìn)行鉆孔，鉆孔結(jié)束通過(guò)齒輪齒條帶動(dòng)鉆頭的后退，同時(shí)水鉆內(nèi)部的取芯桿將鉆頭內(nèi)的巖芯頂出，完成取芯動(dòng)作，水鉆機(jī)構(gòu)后端由繞X軸方向、繞Y軸方向的的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)作為一種集成了驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源的全周回轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)，既能承受較大的傾覆力矩，也能夠?qū)崿F(xiàn)水鉆在空間中自由的調(diào)節(jié)姿態(tài)，可以解決在電力隧道狹小空間，姿態(tài)調(diào)整的問(wèn)題。

圖2 水鉆機(jī)構(gòu)三維模型

隧道掘進(jìn)機(jī)在鉆取的過(guò)程中，需要對(duì)半弧面實(shí)行鉆孔，為保證鉆孔過(guò)程的連續(xù)性，兩次連續(xù)鉆孔需保證有一定重合度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)斷面的全部打空，如圖3所示，通過(guò)連續(xù)的小段直線擬合一個(gè)半圓弧面。在一個(gè)鉆取動(dòng)作完成后，掘進(jìn)機(jī)底座進(jìn)行相應(yīng)

圖3 水鉆機(jī)構(gòu)鉆取工藝

回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)角度、液壓缸進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，直到達(dá)到第二次打孔位置，開始二次鉆取。掘進(jìn)機(jī)在工作情況下各聯(lián)結(jié)處不斷受到交變載荷作用，在兩次連續(xù)鉆取過(guò)程中，采用傳統(tǒng)方法無(wú)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(duì)挖掘機(jī)連續(xù)兩次打孔情況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析[4,5]，分析不同工況以及不同工藝參數(shù)對(duì)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的影響，對(duì)其安全性進(jìn)行校核。

1.2 動(dòng)力學(xué)理論

電力隧道掘進(jìn)機(jī)虛擬樣機(jī)機(jī)械系統(tǒng)模型可以通過(guò)多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方法[6]，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。它選取系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)剛體質(zhì)心在慣性參考系的三個(gè)直角坐標(biāo)和確定剛體方位的三個(gè)歐拉角作為笛卡爾廣義坐標(biāo)，用帶乘子的拉格朗日方程處理多余坐標(biāo)的完整約束系統(tǒng)或完整約束系統(tǒng)，導(dǎo)出笛卡爾廣義坐標(biāo)為變量的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。對(duì)于N個(gè)剛體組成的系統(tǒng)，位置坐標(biāo)陣q中的坐標(biāo)個(gè)數(shù)為3N（二維）或6N（三維），由于鉸約束存在，這些位置坐標(biāo)不獨(dú)立。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型一般模式為：

式中，φ為位置坐標(biāo)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(duì)剛體質(zhì)心笛卡爾坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角作為廣義坐標(biāo)，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程雖然是最大數(shù)量，但卻是高度稀疏耦合微分代數(shù)方程，適用于稀疏矩陣的高效求解。隧道掘進(jìn)機(jī)在考慮約束情況下其動(dòng)力學(xué)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(tǒng)廣義坐標(biāo)表達(dá)的動(dòng)能，qj為廣義坐標(biāo)，Qj為廣義坐標(biāo)qj方向的廣義力，最后一項(xiàng)涉及約束方程和拉格朗日乘子表達(dá)了在廣義坐標(biāo)qj方向的約束反力。在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析之前，ADAMS會(huì)自動(dòng)進(jìn)行初始條件分析，使得在初始系統(tǒng)模型各物體坐標(biāo)與各種運(yùn)動(dòng)學(xué)約束之間達(dá)成協(xié)調(diào)，其求解方式是為了得到隧道掘進(jìn)機(jī)位置、速度、加速度目標(biāo)函數(shù)的最小值。最后在運(yùn)算過(guò)程中，通過(guò)使用用戶給定的求解器算法，能夠快速的計(jì)算出動(dòng)力學(xué)微分函數(shù)的解[7]。

2 虛擬樣機(jī)建模

2.1 隧道掘進(jìn)機(jī)工作流程及驅(qū)動(dòng)函數(shù)

利用SolidWorks對(duì)電力隧道掘進(jìn)機(jī)樣機(jī)進(jìn)行三維建模，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化操作，省略運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中不相關(guān)的零部件，將模型保存為Step中間格式，然后導(dǎo)入模型到ADAMS并定義部件材料屬性、密度以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。其中運(yùn)動(dòng)副包含三對(duì)齒輪副、三個(gè)移動(dòng)副、以及8對(duì)鉸接副，齒輪副主要由伺服電機(jī)帶動(dòng)的齒輪與齒條和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)模塊中的蝸輪蝸桿構(gòu)成。移動(dòng)副主要由活塞與活塞缸構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)副包括各桿件構(gòu)成的鉸接點(diǎn)。對(duì)于其中一些結(jié)構(gòu)，可通過(guò)布爾運(yùn)算，將其與其他部件并為一個(gè)整體，最后，將簡(jiǎn)化的零部件添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)約束和驅(qū)動(dòng)函數(shù)，就可進(jìn)行仿真分析。

運(yùn)用ADAMS進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，需仿真隧道掘進(jìn)機(jī)不同的工作流程。每個(gè)工作流程下，需要添加各自的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。本文對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)連續(xù)兩次鉆取過(guò)程進(jìn)行分析，具體為一次鉆取，收縮取芯，姿態(tài)調(diào)整、二次鉆取、二次取芯五個(gè)工作流程。下面對(duì)每個(gè)工作流程進(jìn)行描述。

一次打孔：隧道掘進(jìn)機(jī)在初始情況下，通過(guò)伸縮液壓缸，調(diào)整齒輪齒條推動(dòng)水鉆鉆頭從初位置到最頂端。同時(shí)水鉆在液壓馬達(dá)帶動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

取芯：水鉆鉆頭在最頂端位置通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)齒輪齒條進(jìn)行收縮，水鉆鉆頭的取芯桿將鉆頭內(nèi)的巖石推出。

調(diào)整：液壓缸收縮，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置以及底座轉(zhuǎn)盤進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)到二次打孔位置。

二次打孔：重復(fù)工況一動(dòng)作，調(diào)整齒輪齒條推動(dòng)水鉆鉆頭往前移動(dòng)。

二次取芯：重復(fù)工況二動(dòng)作，收縮水鉆鉆頭，進(jìn)行取芯動(dòng)作。

為了更好的分析水鉆機(jī)構(gòu)調(diào)整油缸、大臂油缸、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、齒輪齒條在各工作流程情況，下面使用增量式驅(qū)動(dòng)函數(shù)對(duì)各機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)位移情況進(jìn)行介紹。

表1 齒輪齒條位移驅(qū)動(dòng)函數(shù)

表2 水鉆機(jī)構(gòu)液壓缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)

表3 大臂底座液壓缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)

表4 X軸回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)函數(shù)

表4 （續(xù)）

表5 Z軸回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)函數(shù)

表6 底座旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)函數(shù)

2.2 工藝參數(shù)分析

在鉆孔過(guò)程中，不同的鉆孔速度、水鉆鉆頭受力、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)速度等工藝參數(shù)均會(huì)對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性以及動(dòng)力學(xué)結(jié)果產(chǎn)生影響。在人工鉆取過(guò)程中，鉆孔速度依靠經(jīng)驗(yàn)，但實(shí)際的鉆孔過(guò)程鉆孔速度并非勻速的鉆取。同時(shí)水鉆的鉆取力受到伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速、巖層硬度、水鉆鉆頭橫截面積等多種因素影響?；剞D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)自身的不同轉(zhuǎn)速產(chǎn)生不同的回轉(zhuǎn)慣量同樣影響著掘進(jìn)機(jī)的工作效果。為此需要討論不同鉆孔速度、鉆取力以及回轉(zhuǎn)速度對(duì)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的影響。

3 虛擬樣機(jī)仿真分析

為了分析隧道掘進(jìn)機(jī)其部件在工作流程中其回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)重要零部件的受力情況，需要考慮不同轉(zhuǎn)速以及移動(dòng)速度下關(guān)鍵零部件受力情況。在實(shí)際打孔中，由于存在不同的工況，需要對(duì)不同打孔過(guò)程進(jìn)行分析，本文將打孔過(guò)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(guò)程中，設(shè)置其打孔速度恒定。在先慢后快工況下，設(shè)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(shè)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(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)在工作流程其鉸接點(diǎn)受力曲線圖，由圖可知，水平方向回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)最大受力為2806N，出現(xiàn)在第一次打孔結(jié)束時(shí)，最小受力為2667N，最大力矩1934KN.m，出現(xiàn)在二次打孔結(jié)束位置，由于水平方向采用SE9圍欄型回裝驅(qū)動(dòng)裝置，其額定輸出扭矩6.5KN.m，軸向動(dòng)載荷91KN，徑向動(dòng)載荷71KN，故其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)由圖可知每次打孔過(guò)程，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩隨著進(jìn)給量的增加而增加。圖4(b)為豎直方向回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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(xiàn)在第一次打孔結(jié)束時(shí)，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(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，其額定輸出轉(zhuǎn)矩為8KN.m，其抗傾覆力矩均為33.9KN.m，故滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)由圖可知在每次打孔過(guò)程中，其受力均增加，在取芯動(dòng)作流程下，力矩減小。

圖4 回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)勻速情況力矩曲線

3.2 前慢后快工況

由圖5可知，1號(hào)曲線為先慢后快打孔過(guò)程，水平回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)與豎直回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)其所受到的力矩均較恒定工況下偏大。對(duì)于水平回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，在打孔進(jìn)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(shí)，其所受力矩較勻速打孔高141N.m。故可知在慢速打孔即將結(jié)束，在慢速打孔結(jié)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(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)所受到的其力矩大小，對(duì)于水平回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)而言，在打孔到41秒時(shí)，其所受到的力矩值較勻速打孔小147N.m，在打孔到136秒時(shí)，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)在快速打孔開始時(shí)，前快后慢工況較勻速打孔有較大負(fù)偏差。

圖5 不同工況下回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩變化

3.4 鉆取力對(duì)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)影響

水鉆在工作過(guò)程中，受到液壓馬達(dá)提供的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)以及伺服電機(jī)提供的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其水鉆受力主要受到水鉆的橫截面積，巖層硬度，電機(jī)進(jìn)給速度的影響。為了分析不同水鉆力對(duì)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的影響，進(jìn)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(fā)現(xiàn)當(dāng)鉆取力越大時(shí)，在打孔過(guò)程中回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)最大力矩越小，同時(shí)在不給水鉆施加力時(shí)，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)在打孔以及取芯過(guò)程中受力均達(dá)到峰值。

圖5 不同水鉆力下回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩變化

3.5 回轉(zhuǎn)速度對(duì)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的影響

回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速受到液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速以及回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的減速比的影響，不同的轉(zhuǎn)速會(huì)影響在隧道掘進(jìn)機(jī)在工位調(diào)整中回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩的變化。如圖6所示，若將轉(zhuǎn)速分為高速、中速、低速以及超低速進(jìn)行仿真模擬，可知當(dāng)轉(zhuǎn)速越低，調(diào)整過(guò)程回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的力矩越小，其中水平方向回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩在105秒具有最大差值136N.m，豎直方向回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩在105S具有最大差值91N.m。

圖6 回轉(zhuǎn)速度對(duì)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩影響

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)城市電力隧道開掘現(xiàn)狀設(shè)計(jì)一種多角度自由調(diào)節(jié)姿態(tài)的電力隧道掘進(jìn)設(shè)備，運(yùn)用ADAMS軟件建立虛擬仿真模型，根據(jù)設(shè)計(jì)方案添加其運(yùn)動(dòng)約束與驅(qū)動(dòng)函數(shù)，模擬隧道掘進(jìn)機(jī)的工作流程，分析隧道掘進(jìn)機(jī)不同打孔工況、不同的水鉆鉆取力以及回轉(zhuǎn)速度對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵零部件回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的影響，得到各因素下的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的受力曲線，通過(guò)分析各因素下不同變量對(duì)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)受力的影響，為工程實(shí)際中掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及可靠性分析提供了理論參考。