基于PROE行为建模的掘进钻车机罩优化设计

焦中兴，贾体锋，赵建东，陈保磊

（徐州徐工铁路装备有限公司，江苏 徐州221001）

1 概述

液压掘进钻车是地下矿山掘进常用设备，近年来，施工机械化程度提升，掘进钻车应用越来越广泛。早期钻车设计对外观不够重视，主机部分通常仅设计一个顶罩，用于动力系统等部件的防护。随着行业不断发展进步，越来越多的钻车采用全封闭式机罩设计，不仅提升设备的美观度，也可改善主机部分的热循环，增强设备的动力性能。

2 存在的问题

掘进钻车在矿山巷道内使用，为了具有足够的防护性能，机罩门多采用3 mm及以上的钣金件制作，重量较大，单纯依靠人力开启较为费力，因此经常设计气弹簧用于侧门的开启；同时，可使用气弹簧反向支撑，以保持侧门的关闭状态，省去门锁设计，方便维护。气弹簧设计应满足以下使用性能：

（1）关闭力小于100 N，可较为省力地关闭机罩门，同时有效支撑机罩门，保持开启状态，防止其自行关闭伤害到维修保养人员。

（2）使用气弹簧保持关闭的侧门，在经过气弹簧死点前转过的角度不宜小于5°，否则因车辆振动、侧坡行驶等因素，易导致侧门自行开启。

机罩门开启关闭速度相对较慢，可忽略惯性力的影响。设计时仅需校核开启力、机罩门重力、气弹簧支撑力三者之间的力平衡即可。然而受空间布局、气弹簧行程、安装距等诸多条件限制，达到最优的设计效果需要反复变更气弹簧铰点位置，重复进行计算，导致工作量较大，影响设计效率。

3 掘进钻车机罩结构

典型的液压掘进钻车机罩结构如图1所示，顶板固定不动，左右两侧均为开门，以方便维护内部元件。O点为左侧门开启铰点，左侧门初始处于图示位置，开启后绕O点顺时针旋转90°。B点为气弹簧固定铰点，在机罩顶板上焊接的耳板上，位置相对保持不变。A点为气弹簧活动铰点，是左侧门上的铰点，开启时随侧门一起旋转。C点为开门、关门时的手持位置，计算时可认为：开启力与门板始终垂直。

4 机构仿真分析

PROE软件的机构仿真可进行位置、运动学、动力学等多方面的分析，并且在分析过程中，可对模型中创建的参数进行运算。为方便后期进行优化分析，本次仿真进行参数化运算，并使用机构仿真中的位置分析，对侧门开启全过程进行运算，仿真步骤如下。

图1 掘进钻车机罩结构组成

（1）使用机构连接进行装配。在O、A、B处创建销钉连接，气弹簧本身的缸杆与缸筒采用滑动杆连接。

（2）创建分析用参数。

创建距离测量参数如下：

PDG：门重心到O点的水平投影距离，即重力力臂；

DF：气弹簧支撑力力臂；

创建角度测量参数如下：

AN：门开启的实时角度；

AN1：过气弹簧死点前需旋转的角度；

创建常态参数如下：

M：左侧门重量，取35.94 kg；

g：重力减速度，取10 m/s2；

F：气弹簧支撑力，取1300 N；

DK：开启力的力臂，取560 mm；

创建关系参数，用于开启力KA计算，其定义如下：

If AN：FID_AN＜AN1：FID_AN1

KA＝(M*g*PDG：FID_DG+F*DF：FID_DF)/DK

Else

KA＝(M*g*PDG：FID_DG-F*DF：FID_DF)/DK

End if

即在过死点前，开启力矩等于重力力矩与气弹簧力矩之和；过死点后，开启力矩等于重力力矩与气弹簧力矩之差。

（3）机构仿真

将PROE切换至功能模块，在O点创建伺服电机，设定转速为9°/s，创建位置分析，时长设定为10 s，使左侧门转过90度，然后运行分析即可。

（4）结果分析

分析结果如图2所示，开启力满足＜100 N，满足设计要求；关闭力＞100 N，过死点前旋转角度3.6°＜5°，不能满足设计要求。因此，需要对气弹簧铰点位置进行调整。

5 运动骨架优化分析

图2 开启力、气弹簧力臂仿真分析结果

PROE软件中，在单一的零件或组件中参数传递较为便捷，而跨部件传递参数较为困难。在图1所示组件中调整A、B铰点位置涉及到多个零件尺寸的调整，因此不适合用于分析优化。在此，可创建运动骨架模型进行优化分析。所创建的骨架模型如图3所示，其中Ⅰ为顶板上的辅助线，用于创建参数AN1。

按照机构仿真分析类似的方法创建参数和位置分析，在进行优化分析之前，需创建运动分析参数，用于对优化条件的限制。在运动分析特征中创建如下参数：

图3 运动骨架模型

MIN_FK：关闭力最大值；

MAX_FK：开启力最大值；

MAX_LQ：气弹簧最大安装距；

MIN_LQ：气弹簧最小安装距；

调用PROE行为建模中的的优化/可行性分析功能，创建优化分析流程，目标为使AN1最大化，即过死点前旋转角度最大化；设计约束条件为开启力和关闭力均小于100 N，气弹簧最小安装距大于270 mm，最小安装距小于450 mm，便于气弹簧的加工制造；设计变量为活动铰点和固定铰点的尺寸值，根据内部其它元件布置，选择合理的最小、最大限制；最终，创建的优化分析如图4所示。

运行优化分析，得到结果如图5所示，可见经过8次迭代，AN1值优化至6.4°，满足设计要求。接受目前的分析结果，对尺寸值进行圆整，使其符合设计习惯。然后可按第4节仿真分析的方法，对结果进行最终的校核。

图4 过死点前旋转角度优化分析

6 结论

（1）使用机构仿真和运动骨架优化分析的方法，对掘进钻车机罩侧门进行了优化设计，使得机罩满足使用要求；

图5 优化分析迭代过程

（2）提供了一种机构仿真的计算方法，可用于PROE模型中侧门开启和关闭力的全过程计算；

（3）给出了使用运动骨架模型和PROE行为建模进行气弹簧铰点优化分析的方法，免去了因尺寸调整带来的重复计算工作量，可快速得到满足设计要求的结果。