基于虚拟样机技术的支架搬运车动态特性分析

潘 璇 孟国营

(中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院,北京市海淀区,100083)

基于虚拟样机技术的支架搬运车动态特性分析

潘 璇 孟国营

(中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院,北京市海淀区,100083)

应用虚拟样机技术对其结构进行动态特性仿真,由于支架搬运车在不同的路上行驶时,车体相应的运动和内部作用力等都与时间有关,所以对支架搬运车结构进行动态分析,可以较真实地反映设备实际作业工况。本文模拟了该车在平路、上坡和下坡3种工况下的运动情况,输出所需参数的曲线图。

液压支架搬运车 虚拟样机技术 动态特性

1 引言

随着矿用机械的不断改进与发展,现在国际市场上井下特种车辆的种类繁多,其中专门用于搬运液压支架的特种车辆更是层出不穷,一些公司的产品趋于系列化,然而这些产品一般都是依照国外标准设计和生产的,而且价格相当昂贵。为提高国内井下车辆的整体水平,提高性价比,国内许多公司都从国外引进样机,进行仿制,但是由于缺少必要的技术资料,所生产的产品性能差强人意。

同其他产品一样,支架搬运车的研发存在一个“设计—改进—定型”的过程,面对瞬息万变的市场,支架搬运车如何尽快地适应国内标准?虚拟样机技术的引入,为支架搬运车的研发提供了一个契机。

虚拟样机技术(Virtual Prototype Technology)是当前设计制造领域的一门新技术,涉及系统动力学、计算方法与软件工程等学科。它利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型,分析和评估系统的性能,从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。

2 支架搬运车结构和性能参数

本文的研究对象是某煤机装备有限公司生产的液压支架搬运车,载重40 t,自重27 t。该车主要用于综采工作面1.75 m间距搬运液压支架及其他煤矿重型设备。拉运支架时,用提升机构上的起重链钩住支架底座,提升油缸动作将支架提起,即可行走。

该车车身主要由前机架、U型框架、提升机构和摆动梁等组成,见图1。前机架承载着动力源;后机架设计为U型框架,承载着液压支架的重量。前机架和U型框架通过铰接销轴连接,U型框架与摆动梁也为铰接结构。

图1 支架搬运车结构

该车外形尺寸9036mm×3500mm×1650mm;结构类型为中央铰接;离地间隙290mm;空载速度0～24 km/h,满载速度0～12 km/h,总功率200 kW;中心距小于或等于1.65 m;液压传动形式。

3 支架搬运车动态模型

3.1 运动副、约束及载荷的建立

通过对三维模型的分析,可以得到各部件的质量、惯性矩、材质和质心位置。支架搬运车的整车动态模型拓扑图见图2,根据仿真需要,对整个模型进行运动副、自由度和约束的分析,忽略对仿真结果不造成影响的运动和约束,进行有针对性地简化。

(1)前机架与铰接处、铰接处与后机架、摆动梁与后机架、6个轮胎与构件以转动副连接;转向油缸与铰接处以球形副连接。

(2)按照不同工况在铰接处、转向油缸及6个轮胎处施加运动约束。

(3)发动机支撑与前机架以4个轴套力连接(刚度为1.8×108N/mm);转向油缸与前机架以轴套力连接(刚度为2.4×108N/mm);液压支架与前机架以弹簧连接(刚度为0.7×108N/mm)。

3.2 轮胎模型

仿真需提供轮胎的参数情况,在考虑轮胎刚度和阻尼的情况下,6个轮胎的参数规定如下。

(1)2个前胎:垂向刚度为2240 N/mm;滚动阻力系数0.045;滑动阻力系数0.9。

(2)4个后胎:垂向刚度为4370 N/mm;滚动阻力系数0.045;滑动阻力系数0.9。

图2 支架搬运车动态模型拓扑图

4 分析结果

支架搬运车在巷道内工作时,平路加减速、下坡制动和上坡启动3种工况比较常见。特别是支架搬运车满载运行时,需满足一定的安全规定,否则容易出现危险。因此对这3种常见工况进行仿真,尽量真实地反映车辆的实际运行情况,并得到4个驱动轮输出力矩随时间变化的曲线图,叠加后可进一步得到总力矩随时间的变化曲线。仿真结果可与最大启动力矩、最大制动力矩相比较。

4.1 平路工况

平路工况反映车辆在平路上满载运行的情况,分为3个阶段:静止—全速—静止,平路工况示意图见图3,起步阶段历时20 s,匀速运行10 s后制动,经过5.7 s车辆完全静止。通过仿真分别得到4个轮胎驱动力的力矩图,叠加后得到总力矩图见图4。由图4可知,车辆在起步的前5 s内,力矩增长较快,5 s后力矩增长减缓,10 s时达到峰值3.36×107N·mm,匀速力矩维持在 3.15×107N·mm;车辆运行至30 s时,开始制动,制动最大力矩为5.19×107N·mm。根据设计要求,该车的最大启动力矩为5.3×107N·mm,仿真表明,该工况车轮力矩符合设计要求。

图3 平路工况示意图

4.2 下坡工况

下坡工况表现车辆在下坡行驶过程中的运行状况,假设有一个斜坡坡度为10°的坡,车辆从坡顶到坡根,经历3个阶段:起步阶段、匀速阶段和制动阶段,其时间和距离要求见图5,其中制动距离为15 m,制动时间为7.19 s。

图4 平路总力矩图

通过仿真得到4个驱动轮胎的制动力矩图,见图6,图6(a)为中左轮胎40 s后的制动力矩变化曲线,图6(b)为中右轮胎图,图6(c)、图6(d)右两图分别为后左、后右轮胎。由图6可知,车辆在46 s左右各轮制动力矩达到峰值,最大制动力矩分别为2.14×107N·mm、2.10×107N·mm、2.0×107N·mm、2.06×107N·mm,均小于设计所需最大制动力矩4×107N·mm,符合设计要求。

图5 下坡工况示意图

4.3 上坡工况

上坡工况表现车辆上坡过程的运行状况,共分为5个阶段:起步阶段、匀速阶段、制动阶段、静止阶段和坡上起步阶段,其时间和距离要求见图7。斜坡坡度同样规定为10°。该工况相对复杂,为研究仿真车辆坡起能力,在坡路上制动静止后,仿真一个坡上起步,观察其各阶段的车轮扭矩变化。

图6 下坡时各驱动轮制动力矩图

仿真得到4个驱动车轮的扭矩,叠加后得到总启动力矩,见图8,图8反映出车辆在70～75 s过程中坡上起步的力矩变化情况,坡起时力矩变化相对比较平稳,启动力矩为1.14×107N·mm,小于设计规定的最大启动力矩5.3×107N·mm,符合设计要求。

5 结语

虚拟样机技术为制造技术的革新提供了新的设计方法,并已在制造业中发挥了不可忽视的作用,虚拟样机技术的优势使其日益受到机械领域的重视。井下车辆存在着开发周期长、制造成本高等特点,虚拟样机技术的引入减少了进行物理样机试验的次数,降低了成本,大大提高了产品的市场占有率。

[1]王国强等.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,2002

[2]李丹,李印川.虚拟样机技术在制造业中应用及研究现状[J].机械,2008(6)

(责任编辑 张艳华)

Analysis of dynamic characteristics of roof support hauler using virtual prototyping technology

Pan Xuan,Meng Guoying
(School of Mechanical Electronic and Information Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Haidian,Beijing 100083,China)

The dynamic characteristics of roof support hauler are simulated using virtual prototyping technology.When operating on different terrain,the corresponding movement of the hauler body and its internal acting force are related to time,therefore,a dynamic analysis of the hauler structure is made,which can represent the actual condition of the hauler in operation.The paper simulates the condition of the hauler when operating on flat terrain and uphill and downhill,and generates curve charts for necessary parameters.

hydraulic roof support hauler,virtual prototyping technology,dynamic characteristic

TD5

B

潘璇(1986-),女,内蒙赤峰人,中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院硕士研究生,主要研究方向:计算机辅助车辆设计。