掘錨聯(lián)合機穩(wěn)定性仿真分析范文
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《機械設(shè)計與研究雜志》2014年第四期
1．1邊界條件設(shè)置(1)建模環(huán)境設(shè)置，設(shè)置重力加速度為9806．65mm•s－2，背景網(wǎng)格長度、寬度為100，Icon/markersize為100。(2)定義各零件的質(zhì)量屬性根據(jù)各零件的材料定義各零件的密度，在RecurDyn系統(tǒng)中會自動計算零件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。(3)定義運動副鑒于掘錨聯(lián)合機的虛擬模型非常復雜，故將掘進機的履帶、鏟板、主機架、一運、后支撐等固化為一個整體(掘進機本體)，掘錨聯(lián)合機的運動副約束見圖1。(4)施加驅(qū)動以煤礦井下巷道高度為4m，寬4．5m時，打巷道頂部邊錨桿孔的工況為例，回轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動為STEP(TIME，0，0，10，26．3d);截割頭升降液壓缸(0);伸縮液壓缸STEP(TIME，10，0，50，800);翻轉(zhuǎn)液壓缸STEP(TIME，50，0，70，－620);支座旋轉(zhuǎn)(0d);支護液壓缸STEP(TIME，70，0，79，1200);鉆桿馬達STEP(TIME，80，0，100，384000d);雙倍程推進缸STEP(TIME，80，0，100，－1400)。(5)施加作用力鉆孔機械手在鉆進過程中，受到的力有鉆削推進阻力和阻力扭矩，在RecurDyn中載荷的施加如下:支護載荷STEP(time，70，0，80，6000);鉆頭扭矩負載STEP(time，81，0，100，160000);鉆頭阻力AKISPL(TIME，0，Sp1，0)，其中Sp1表示鉆頭工作阻力隨時間的變化關(guān)系，鉆頭阻力數(shù)據(jù)由鉆頭動力學仿真獲得，如圖2所示。
1．2模型建立機載鉆孔機械手的虛擬實驗模型如圖3。整個振動系統(tǒng)模型如圖3所示，仿真激振測試系統(tǒng)由激振器、輸入通道、輸出通道、掘錨聯(lián)合機振動模型四部分組成，其中激振器作為激振測試的信號源，輸入通道用來定義振動輸入點和方向，輸出通道則用來測量振動響應(yīng)。采用RecurDyn建立掘錨聯(lián)合機虛擬模型進行振動仿真實驗，在模型中各關(guān)節(jié)處添加表1、2所示的剛度和阻尼，激振器的信號采用鉆頭阻力載荷，模型建立完成后，利用RecurDyn中的Eigenvalue求解器對系統(tǒng)的振動頻率和相應(yīng)點的時域信息等進行求解。
2鉆孔機械手工作穩(wěn)定性仿真分析
錨桿鉆頭在隨機載荷作用下，使掘進機發(fā)生振動，為了分析掘進機機身的振動響應(yīng)，測量了整機重心在X，Y，Z三個方向上的位移，沿著掘進機前進方向為X軸方向，垂直于地面豎直向上方向為Y方向，掘進機左右擺動方向為Z方向。圖4所示:在X方向上，0～10s內(nèi)重心位移急速下降了4．8mm，10～80s時間段內(nèi)，重心位移緩慢變化，變化量在0．5mm左右，10～100s時間段內(nèi)，重心位移隨著激振信號幅值的變化而變化，但變化量較小，在0．5mm左右;在Y方向上，重心變化范圍主要在0～20s時間段內(nèi)，其余時間內(nèi)重心處于緩慢變化狀態(tài)，變化量在0．5mm左右;在Z方向上，重心位置變化情況與X、Y方向基本相同;由3個方向的重心位置變化曲線可知:掘錨機在啟動階段，即鉆孔機械手隨截割臂調(diào)整位置階段(0～10s)，由于截割臂啟動慣性的影響，重心會發(fā)生較大的位移，當機械手進入工作狀態(tài)后，重心位移變化很小，在0．5mm左右，說明鉆孔機械手打頂部巷道時，對整機穩(wěn)定性幾乎沒有影響。
3機械手對掘進機工作穩(wěn)定性的影響
3．1模型建立為了分析鉆孔機械手對掘進機截割工作穩(wěn)定性的影響，分別建立掘進機和掘錨機的振動虛擬實驗模型，為了模擬截割臂工作情況，施加在截割臂上的豎直方向驅(qū)動為STEP掘進機截割頭上下擺動截割時，整機的振動虛擬模型如圖5。
3．2虛擬實驗結(jié)果分析時域振動如圖6所示，X軸方向上，0～5s時間內(nèi)，截割臂在啟動工作過程中，重心振動位移發(fā)生不規(guī)則的抖動，振動量在2mm以內(nèi)，并且掘進機重心的抖動量要比掘錨機大一些，說明掘錨機在截割臂啟動工作過程中的穩(wěn)定性要優(yōu)于掘進機;隨著截割臂進入正常工作狀態(tài)，重心位移也隨之發(fā)生變化，其變化周期與截割頭激勵信號輸入周期相同，從10～100s可以明顯的看出掘錨機的重心曲線位于掘進機的下端，這說明在相同載荷情況下，掘錨機向后端偏移量大，此現(xiàn)象從理論上分析是不利于截割工作的，但其值在2mm左右，所以在實際工作中，該偏差是可以忽略的。Y軸方向上，兩種模型中的重心變化趨勢與X軸相類似，不同之處在于掘進機的重心位移曲線位于掘錨機的下面，說明鉆孔機械手安裝到截割臂后，增加了截割臂的重量，從而提高了整機在Y方向上的穩(wěn)定性。Z軸方向上，截割臂在啟動的過程中(0～5s)，重心發(fā)生了較大偏移，分析原因:截割頭在剛開始的旋轉(zhuǎn)工作時，產(chǎn)生了側(cè)向切削阻力，加之掘進機履帶與地面之間的切向剛度相對小一些，所以產(chǎn)生此種現(xiàn)象。由圖6可以看出，兩種模型中重心的位移誤差均控制在2mm之內(nèi)，分析三個方向重心的位移曲線可以得出:截割臂豎直截割工作時，鉆孔機械手的安裝提高了整機在豎直方向的穩(wěn)定性，降低了其余兩個方向上的穩(wěn)定性，但兩種模型中重心的差值均控制在2mm以內(nèi)，由此可以說明掘錨機與掘進機兩者的穩(wěn)定性幾乎是相同的。
4整機振動穩(wěn)定性試驗
根據(jù)掘錨孔整機的結(jié)構(gòu)特點，其重心位于掘進機回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心下端，所以在回轉(zhuǎn)臺的下端布置測點來進行整機的振動測試，測量鉆孔機械手打頂部、側(cè)幫錨桿孔，以及掘錨聯(lián)合機在上下、左右擺動截割時，整機重心在3個方向的振動量。測試系統(tǒng)如下:(1)激勵系統(tǒng)。以掘進機截割頭工作過程中的實際截割阻力作為系統(tǒng)的激勵。(2)傳感器。采用KISTLER生產(chǎn)的三向加速度傳感器進行測量，數(shù)據(jù)采前端PC工作站，一臺工作站連接一部多通道數(shù)據(jù)采集前端，數(shù)據(jù)采集前端以模塊化結(jié)構(gòu)為特征。每一個輸入通道都含有一個模擬信號適調(diào)模塊，一個可編程放大器，一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一個可編程濾波器，本實驗采用的是LMS公司通道數(shù)據(jù)采集前端。(3)分析軟件:LMS公司的TestLab振動分析軟件。測試結(jié)果如下:由圖7、8可知:為滿足打錨桿孔的需要，鉆孔前需要截割臂左右擺動以調(diào)整機械手的位置，這時隨著掘進機的啟動和截割臂的擺動，整機重心發(fā)生了較大的位移，隨著工作的進行，整機振動量趨于穩(wěn)定，當機械手鉆進破巖時，重心位移稍有增大;實驗所測得的整機振動曲線比仿真曲線波動量大，這主要是因為在實際鉆孔過程中，掘進機液壓系統(tǒng)噪聲、煤巖的節(jié)理發(fā)育使鉆頭破巖阻力與仿真阻力不同，以及其他外部環(huán)境因素造成的，但從整機振動曲線的發(fā)展趨勢分析，仿真結(jié)果與實測曲線大致是相同的，所以說仿真結(jié)果是具有實際意義。由圖9、10可知:掘錨聯(lián)合機在縱向截割工作時，整機在豎直方向振動較大，其波動量在4mm左右，其余兩方向波動量較小為3mm左右;在橫向截割時，由于截割臂的擺角較大，故在開始截割時，整機的振動位移變化較大。由于掘進機液壓系統(tǒng)噪聲、煤巖的硬度不均勻、以及其他外部環(huán)境因素等造成了實測振動曲線與仿真結(jié)果稍有差別，當對比兩種可以看出:仿真曲線從總體上，模擬了掘錨機在工作時的整機重心振動位移，該仿真結(jié)果具有一定的實際意義。5結(jié)論(1)通過建立鉆孔機械手打巷道頂部錨桿孔時，掘錨聯(lián)合機的振動模型，研究了整機重心的時域振動特性，結(jié)果表明:打頂部錨桿孔時，掘錨整機重心的振動位移在0．5mm以內(nèi)，由此可以說明鉆孔機械手工作時整機運行非常平穩(wěn)。(2)通過建立掘進機截割工作時，整機的振動模型，研究了整機的時域振動特性，結(jié)果表明:掘進機正常工作時因鉆孔機械手引起的振動偏差控制在2mm以內(nèi)，說明機械手對掘進機截割性能的影響非常小。(3)通過對鉆機手及掘錨機工作過程中，整機重心振動量的測量，驗證了虛擬模型建立的正確性。
作者：毛君盧進南陳洪月孟輝單位：遼寧工程技術(shù)大學機械工程學院中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機集團有限公司