基于ADAMS 軟件對干法成形多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)的仿真與運動學(xué)分析

黃佳雯，易嘉琦，李汶潔，方永振

(1.景德鎮(zhèn)學(xué)院 機械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333400；2.景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引言

建筑陶瓷工業(yè)一直以來都有高污染、高能耗、低效率等問題，是“三高一低”行業(yè)的典型代表[1-3]。原料制備車間是“三高一低”的主要集中點。球磨機是陶瓷原料制備車間中對物料進行粉碎處理的主要設(shè)備。其球磨性能的好壞對陶瓷產(chǎn)品的質(zhì)量有著非常大的影響[4-6]。為有效改善球磨機性能，提高研磨效率，設(shè)計了多層組合式連續(xù)球磨機，并借助ADAMS 軟件對其進行運動仿真與運動學(xué)分析，對其性能進行優(yōu)化。

ADAMS 軟件以其強悍的“功能化數(shù)字樣機”技術(shù)，在工程設(shè)計計算機輔助工程中占有一席之地，是應(yīng)用行業(yè)廣的機械系統(tǒng)仿真軟件[7]。ADAMS可以建立復(fù)雜機械系統(tǒng)的“虛擬樣機”，可模擬現(xiàn)實工作環(huán)境下所有運動情況。對系統(tǒng)的各種運動學(xué)性能進行有效的評估，并可快速分析和比較多種設(shè)計思想，得到最優(yōu)設(shè)計方案，提高產(chǎn)品性能與產(chǎn)品設(shè)計水平[8-9]。張楠等[10]借助ADAMS 對多連桿機構(gòu)和一般曲柄滑塊機構(gòu)的運動學(xué)及動力學(xué)分析作對比，闡述了微型壓力機多連桿機構(gòu)滑塊的位移、速度、加速度及鉸接點的受力情況相較于一般曲柄滑塊機構(gòu)的不同特性。寧德倫等[11]運用ADAMS 虛擬樣機技術(shù)模擬某輪式裝備鐵路運輸緊急制動的過程。同時結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對模擬仿真結(jié)果進行定性與定量的分析。通過分析結(jié)果得出仿真實驗結(jié)果有效的結(jié)論。吳同一等[12]利用ADAMS 軟件建立多連桿機構(gòu)模型,仿真了多連桿機構(gòu)滑塊的位移，速度及加速度曲線以及各個鉸支點的受力狀況，再將其與手工計算值相比較，得出了小型快速壓力機滑塊運動特性。

基于上述運用ADAMS 軟件研究基礎(chǔ)，借助ADAMS 的運動仿真對多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)進行運動學(xué)仿真與運動學(xué)分析，對其進行優(yōu)化分析，驗證多層組合式連續(xù)球磨粗磨系統(tǒng)工藝設(shè)計的合理性。

1 多層組合式連續(xù)球磨機

多層組合式連續(xù)球磨機球體采用多層滾筒結(jié)構(gòu)，共分為三個系統(tǒng)——粗磨系統(tǒng)、細磨系統(tǒng)和超細磨系統(tǒng)。料漿依次經(jīng)過粗磨系統(tǒng)、細磨系統(tǒng)和超細磨系統(tǒng)研磨。三個系統(tǒng)借助齒輪傳動方式實現(xiàn)差速運動。多層組合式連續(xù)球磨機示意圖如圖1 所示。

圖1 多層組合式連續(xù)球磨機示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-layer combined continuous ball mill

2 多層組合式連續(xù)球磨機運動模型建立

2.1 建立運動模型

借助UG 三維建模軟件對多層組合式連續(xù)球磨機進行三維實體建模，并將其導(dǎo)入ADAMS 軟件，建立多層組合式連續(xù)球磨機運動模型，如圖2所示。

圖2 多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)運動模型Fig.2 Motion model of coarse grinding system of multilayer combined continuous ball mill

2.2 施加運動副

為保證對多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)運動準確仿真，根據(jù)該粗磨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成對運動模型運動副的施加。通過對多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析，該運動模型包括有5 個固定副、3 個旋轉(zhuǎn)副。首先，提取ADAMS軟件約束庫中的固定副(Joint:Fixed)，在粗磨電機輸出軸與粗磨小齒輪、減速器小齒輪與軸、減速器大齒輪與軸、粗磨倉與左連接件、粗磨大齒輪與左連接件之間施加固定副。接著提取ADAMS軟件約束庫中的旋轉(zhuǎn)副(Joint:Revolute)，在粗磨桶與地面(ground)、粗磨電機輸出軸與地面、減速器軸與地面之間施加旋轉(zhuǎn)運動副。該多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)齒輪傳動較為復(fù)雜。為保證仿真的準確性，需在粗磨小齒輪與減速器小齒輪、減速器大齒輪與粗磨大齒輪之間添加接觸力。為避免重力對運動模型仿真結(jié)果的影響，需將重力(Gravity)關(guān)閉。多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)運動模型的運動副施加完成，含運動副的多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)運動模型如圖3 所示。

圖3 含運動副的多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)運動模型Fig.3 Motion model of rough grinding system of multilayer combined continuous ball mill with kinematic pair(a) front view;(b) left view

2.3 建立運動驅(qū)動

在該多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)中，粗磨電機為整個系統(tǒng)的動力源。故在該運動模型中，確定粗磨電機輸出軸為原動件，提取ADAMS 軟件約束庫中的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(Rotational Joint Motion)工具，在粗磨電機輸出軸與地面之間的旋轉(zhuǎn)運動副上完成旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的建立。根據(jù)多層組合式連續(xù)球磨機智能裝粗磨系統(tǒng)運動特點及設(shè)計要求，對旋轉(zhuǎn)驅(qū)動參數(shù)進行設(shè)置，將旋轉(zhuǎn)驅(qū)動作用函數(shù)設(shè)置為240d* time，即該驅(qū)動角速度為240°/s。該多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)運動模型的運動驅(qū)動施加完成。含運動驅(qū)動多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)運動模型如圖4 所示。

3 運動仿真與運動學(xué)分析

3.1 運動仿真

借助ADAMS 軟件對已建立的多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)運動模型進行運動仿真。點擊仿真工具，對運動仿真參數(shù)進行設(shè)置。設(shè)置仿真終止時間(End Time)為10 s，仿真工作步數(shù)(Work Steps)為1000，然后點擊“開始仿真”按鈕。完成多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)運動模型的運動仿真，對該多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)運動模型進行運動學(xué)分析。

3.2 運動學(xué)分析

借助ADAMS 軟件的運動學(xué)分析功能，使用測量(Measures)工具，對該多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)運動模型進行運動學(xué)分析。分析粗磨桶內(nèi)壁面一A 點相對于地面上一點B 的位移、速度以及加速度隨時間變化規(guī)律，得到位移、速度、加速度隨時間變化規(guī)律曲線圖。

（1）位移曲線圖

由圖5 位移曲線圖可知：該圖為粗磨倉內(nèi)部一A 點相對于地面上一B 點的位移在10 s 的運動仿真時間內(nèi)位移隨時間變化規(guī)律曲線圖。在T=4.0 s、T=5.2 s、T=6.0 s、T=7.0 s、T=7.8 s、T=8.0 s等時刻，位移曲線圖存在不同程度的突變。但并不影響A、B 兩點的位移隨著時間變化的總體趨勢。在10 s 的運動仿真時間內(nèi)，位移A、B 兩點的位移隨著時間呈現(xiàn)周期性變化，其周期約為1.5 s。在T=0 s 時A、B 兩點相對位移為170 mm。在T=0.2 s、T=1.7 s、T=3.1 s、T=4.4 s、T=5.8 s、T=7.0 s、T=9.2 s 時，A、B 兩點相對位移均處于最小值為53.0 mm。在T=1.0 s、T=2.5 s、T=3.5 s、T=5.0 s、T=6.8 s、T=8.4 s、T=9.5 s 時，A、B 兩點相對位移處于最大值，為265.0 mm。在一個周期內(nèi)，A、B 兩點相對位移最小值約為53.0 mm，最大值約為265.0 mm，且只存在一個最小值點和一個最大值點。該結(jié)果與多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)工藝設(shè)計要求相吻合。

圖5 位移曲線圖Fig.5 Displacement curve

（2）速度曲線圖

由圖6 速度曲線圖可知：該圖為粗磨桶內(nèi)壁面一A 點相對于地面上一B 點的速度在10 s 的運動仿真時間內(nèi)，速度隨時間變化規(guī)律曲線圖。T=0-10.0 s 時間段內(nèi)，速度曲線圖為一直線，始終為一恒定值230.5 mm/s。由此可得，A 點相對于B點的速度不隨時間發(fā)生變化，粗磨桶的運動情況為勻速旋轉(zhuǎn)。該結(jié)果與多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)工藝設(shè)計要求相吻合。

圖6 速度曲線圖Fig.6 Velocity curve

（3）加速度曲線圖

由圖7 加速度曲線圖可知：該圖為粗磨桶內(nèi)部一A 點相對于地面上一B 點的加速度在10 s 的運動仿真時間內(nèi)，加速度隨時間變化規(guī)律曲線圖。在仿真時間為6 s 之前，加速度曲線僅出現(xiàn)少數(shù)幾個波動粉小峰，加速度未發(fā)生較大的波動，變化不顯著。在T=6-10 s 時間段內(nèi)，加速度曲線出現(xiàn)多個峰值，且峰值點較大，尤其在T=6.1 s、T=7.5 s 與T=9.9 s 三個時刻，加速度突變較為顯著，變化較大。在該仿真時間內(nèi)，加速度存在突變，但突變的值較小，對粗磨桶的速度幾乎不存在影響。且在絕大部分時間段加速度值為0，該加速度曲線圖與速度曲線圖結(jié)果大體相符。由此可得，A 點相對于B點的加速度隨時間僅發(fā)生少許十分微小的變化，絕大部分時間加速度的值為0。該結(jié)果與多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)工藝設(shè)計要求相吻合。

圖7 加速度曲線圖Fig.7 Acceleration curve

4 結(jié)論

伴隨著虛擬樣機技術(shù)的高速發(fā)展，基于ADAMS 強大的仿真分析功能，通過對多層組合式連續(xù)球磨機的粗磨系統(tǒng)進行運動仿真與運動學(xué)分析，所得位移曲線圖、速度曲線圖及加速度曲線圖均與多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)設(shè)計要求相吻合。結(jié)果表明了該多層組合式連續(xù)球磨機粗磨系統(tǒng)機構(gòu)設(shè)計方案的可行性并能實現(xiàn)相應(yīng)功能。