基于Pro/E的刮板輸送機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)與仿真研究

史萬(wàn)青，李建平，張紅兵，牛廣毅

（潞安集團(tuán) 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031）

0 引言

刮板輸送機(jī)是煤礦常使用的運(yùn)輸機(jī)械，鏈輪的設(shè)計(jì)制造水平直接影響鏈輪與鏈環(huán)的正確嚙合以及鏈傳動(dòng)的運(yùn)行狀態(tài)。鏈輪的規(guī)格眾多，三維參數(shù)化可以減少重新建模的次數(shù)，節(jié)省時(shí)間，避免出錯(cuò)，因此，參數(shù)化對(duì)鏈輪實(shí)際的制造具有指導(dǎo)意義。本文通過(guò)ADAMS對(duì)鏈嚙合傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，從而為刮板輸送機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

1 刮板輸送機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)

1.1 鏈輪的三維建模

根據(jù)中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)礦用刮板輸送機(jī)鏈輪MT231—1991，以規(guī)格18×64、7齒的鏈輪形式和尺寸進(jìn)行鏈輪的建模?；赑ro/E生成的鏈輪三維模型如圖1所示。

1.2 鏈輪參數(shù)化

參數(shù)化設(shè)計(jì)是基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，以VC＋＋6.0為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用Pro/TOOLKIT開(kāi)發(fā)工具，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序具有同步和異步兩種工作模式，本文采用同步模式中的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，即DLL模式。

運(yùn)用VC＋＋6.0中的應(yīng)用程序向?qū)ВˋppWizard）和類向?qū)В–lassWizard）來(lái)創(chuàng)建和調(diào)試Pro/TOOKIT應(yīng)用程序。通過(guò)VC＋＋6.0編寫(xiě)源文件，包括菜單資源文件、對(duì)話框資源文件等，可以在Pro/E的主界面添加菜單條以及菜單按鈕，也可以通過(guò)函數(shù)顯示設(shè)置參數(shù)化界面的對(duì)話框。

三維模型參數(shù)化需要對(duì)建立的鏈輪模型進(jìn)行參數(shù)定義，如圖2所示，各個(gè)參數(shù)均以礦用刮板輸送機(jī)鏈輪MT231－1991標(biāo)準(zhǔn)中的公式進(jìn)行計(jì)算，并且對(duì)各個(gè)參數(shù)加以說(shuō)明。

在鏈輪的參數(shù)化過(guò)程中，還需對(duì)建模的相關(guān)曲線尺寸與圖2所示的參數(shù)建立關(guān)系，如圖3所示。

1.3 裝配模型的建立

由于刮板輸送機(jī)的零部件數(shù)量多，因此先進(jìn)行分段裝配，然后再進(jìn)行總裝配。在Pro/E中進(jìn)行子裝配與總裝配，不需要定義實(shí)際的約束副，只需要確定各個(gè)零部件的相對(duì)位置，并且嚴(yán)格保證沒(méi)有干涉即可。直線段的鏈條與鏈條的裝配，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)齊、輔助平面對(duì)齊方式裝配。彎曲段的鏈條與鏈輪的裝配采用平環(huán)與鏈窩底平面高副接觸、其余自由度與立環(huán)均為輔助平面定位。將直線段與彎曲段的子裝配進(jìn)行裝配，得到鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)的總裝配，如圖4所示。

圖1 鏈輪的三維建模

圖2 參數(shù)表

圖3 關(guān)系式

圖4 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的總裝配

2 鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真

2.1 仿真模型的建立

將虛擬裝配的裝配體保存為x＿t格式的文件，然后導(dǎo)入ADAMS/View中。在ADAMS中導(dǎo)入仿真模型后，需要為各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件添加所需的約束，使它們之間具有符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對(duì)每個(gè)零部件添加各種約束后，就形成了一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)。

2.2 仿真模型的設(shè)置

仿真模型生成后，要進(jìn)行一系列的設(shè)置，才能進(jìn)行仿真。主要步驟如下：

（1）設(shè)置工作柵格平面與鏈輪中心軸垂直，并將工作平面設(shè)置在廣義坐標(biāo)系X－Y平面內(nèi)，定義單位制MMKS。定義各個(gè)零部件的質(zhì)量屬性為steel。在每個(gè)零件的質(zhì)心處添加maker點(diǎn)，如圖5所示。

（2）通過(guò)菜單中的Contact接觸功能添加約束，接觸類型選擇solid to solid，剛度系數(shù)不得低于109，否則，在仿真時(shí)會(huì)發(fā)生鏈環(huán)與鏈環(huán)之間的穿透。具體接觸參數(shù)如圖6所示。

圖5 仿真模型

圖6 接觸參數(shù)

2.3 添加運(yùn)動(dòng)副與驅(qū)動(dòng)力矩

定義鏈輪與大地之間的旋轉(zhuǎn)副，并定義左側(cè)鏈輪為驅(qū)動(dòng)鏈輪1，右側(cè)鏈輪為驅(qū)動(dòng)鏈輪2，方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，分別添加負(fù)載扭矩。

在定義了運(yùn)動(dòng)副、約束、接觸、質(zhì)心，設(shè)置好單位、重力后，對(duì)模型進(jìn)行檢查，通過(guò)檢查后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。設(shè)置仿真時(shí)間為4s，仿真步長(zhǎng)為50，積分器采用變步長(zhǎng)GSTIFF，求解器I3，其他的參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)值。

3 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

點(diǎn)擊運(yùn)行，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后仿真運(yùn)行結(jié)束，得到仿真結(jié)果。本文以驅(qū)動(dòng)鏈鏈輪2緊邊鏈的鏈環(huán)Part21來(lái)對(duì)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的受力狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析。

（1）鏈環(huán)Part21質(zhì)心在X軸方向上的位移變化如圖7所示。驅(qū)動(dòng)鏈輪2的中心為零點(diǎn)位置，在處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，Part21的質(zhì)心位于距離驅(qū)動(dòng)鏈輪2中心位置大約750mm處；在大約0.4s時(shí)，鏈環(huán)Part21的質(zhì)心到達(dá)距離驅(qū)動(dòng)鏈輪2最遠(yuǎn)的位置；大約2.3s時(shí)，到達(dá)距離驅(qū)動(dòng)鏈輪1最遠(yuǎn)的位置。

圖7 鏈環(huán)Part21質(zhì)心的位移曲線

（2）鏈環(huán)Part21質(zhì)心處的加速度曲線如圖8所示。由圖8可知：在0s～0.6s內(nèi)，在啟動(dòng)時(shí)緊鏈邊受到非常大的動(dòng)載荷，加速度的變化劇烈，該動(dòng)載荷包括啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷與鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)帶來(lái)的規(guī)律性動(dòng)載荷；在0.6s～3.7s內(nèi)，鏈環(huán)Part21質(zhì)心處的加速度波動(dòng)明顯減小，這段時(shí)間包括回程段部分、鏈環(huán)與驅(qū)動(dòng)鏈輪1的嚙合部分，還包括承載段部分以及與驅(qū)動(dòng)鏈輪2的初始嚙合部分；在3.7s～4.0s內(nèi)，鏈環(huán)Part21質(zhì)心的加速度出現(xiàn)兩個(gè)尖峰，第一個(gè)尖峰處鏈環(huán)Part21承受了負(fù)載與驅(qū)動(dòng)力，第二個(gè)尖峰處是圓環(huán)鏈傳動(dòng)多邊形效應(yīng)引起的動(dòng)載荷導(dǎo)致的。

圖8 鏈環(huán)Part21質(zhì)心處的加速度曲線

（3）鏈環(huán)Part21質(zhì)心處的速度曲線如圖9所示。通過(guò)對(duì)曲線分析可知：在啟動(dòng)時(shí)，鏈環(huán)Part21質(zhì)心處的速度在很短時(shí)間內(nèi)升高；在0s～0.6s內(nèi)速度逐漸衰減，說(shuō)明在啟動(dòng)時(shí)，鏈環(huán)Part21受到很大的沖擊；在0.6s～2.1s內(nèi)，速度在小范圍內(nèi)波動(dòng)，這是由于多邊形效應(yīng)引起的波動(dòng)，此時(shí)的鏈環(huán)處于回程段；在2.6s～4s內(nèi)，鏈環(huán)處于承載段。

（4）經(jīng)過(guò)查詢，可知接觸 CONTACT＿40為Part21與驅(qū)動(dòng)輪2的接觸定義，因此得到接觸力的大小與時(shí)間的變化關(guān)系，如圖10所示。分析圖10可知，鏈環(huán)Part21進(jìn)入嚙合時(shí)，接觸力迅速增大，當(dāng)其后的平環(huán)進(jìn)入嚙合后，其接觸力迅速減小。

（5）經(jīng)過(guò)查詢，可知 CONTACT＿14為鏈環(huán)Part21與相鄰鏈環(huán)的接觸定義，因此得到接觸力的變化曲線，如圖11所示。

圖9 鏈環(huán)Part21質(zhì)心處的速度曲線

圖10 鏈環(huán)Part21與驅(qū)動(dòng)輪2接觸力曲線

圖11 鏈環(huán)Part21與相鄰鏈環(huán)的接觸力曲線

從圖11可以得知，圓環(huán)鏈在啟動(dòng)時(shí)，受到波動(dòng)比較大的動(dòng)載荷，進(jìn)入正常的嚙合后，鏈環(huán)受到的拉力減小至零，回程段的動(dòng)載荷由多邊形效應(yīng)產(chǎn)生。當(dāng)鏈環(huán)Part21再次與驅(qū)動(dòng)鏈輪2嚙合時(shí)，啟動(dòng)時(shí)的沖擊振動(dòng)已經(jīng)消失。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析可知，在啟動(dòng)的瞬間，承載段的鏈環(huán)受到非常大的沖擊振動(dòng)載荷。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法比，通過(guò)仿真可以定量地判斷啟動(dòng)時(shí)與運(yùn)行時(shí)刮板鏈條所受的動(dòng)載荷，為設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。

［1］李世國(guó).Pro/TOOLKIT程序設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］張繼春.Pro/ENGINEER二次開(kāi)發(fā)實(shí)用教程［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2003.

［3］鄭建榮.ADAMS——虛擬樣機(jī)技術(shù)入門(mén)與提高［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.