基于ADAMS的管片拼裝機運動學(xué)與動力學(xué)分析

王南，張俊，盧軍廣，郝莉紅

(河北工程大學(xué)機電學(xué)院，河北邯鄲056038)

現(xiàn)代盾構(gòu)掘進機已成為集機、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體的隧道掘進專用工程機械，具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導(dǎo)向糾偏等功能，已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道工程。盾構(gòu)管片拼裝機是盾構(gòu)掘進機的關(guān)鍵部件之一，其主要功能是:在盾構(gòu)向前掘進一環(huán)后，按預(yù)定要求將混凝土管片拼裝成環(huán)，形成襯砌，以此來支護剛開挖的隧道表面。作者提出了一種新型盾構(gòu)掘進機管片拼裝系統(tǒng)，并利用Pro/E和ADAMS進行三維建模及運動學(xué)、動力學(xué)仿真，驗證了設(shè)計的合理性，改善了產(chǎn)品的設(shè)計方法，為管片拼裝機的研制和改進提供了重要的參考依據(jù)。

1 管片拼裝機三維建模

圖1 管片拼裝機總體裝配圖

根據(jù)設(shè)計要求，利用三維建模軟件Pro/E進行建模，并對其進行總體裝配。如圖1所示，管片拼裝機包括平移機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、舉升機構(gòu)和微調(diào)機構(gòu)。整個系統(tǒng)由兩個同步伸縮的平移油缸提供動力，帶動整個機構(gòu)通過移動架上的滾輪裝置沿與隧道軸向相平行的兩托梁上的導(dǎo)槽運動，實現(xiàn)x方向的平移運動;固定盤體上的驅(qū)動裝置通過齒輪副驅(qū)動回轉(zhuǎn)盤體在固定盤體上作同軸回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)沿y向的轉(zhuǎn)動;平行四邊形機構(gòu)通過兩個驅(qū)動油缸帶動微調(diào)機構(gòu)及管片沿隧道的徑向運動，實現(xiàn)z向運動;微調(diào)機構(gòu)是一個三轉(zhuǎn)動自由度并聯(lián)機構(gòu)，完成橫搖 (θx)、仰俯(θy)和偏轉(zhuǎn) (θz)動作，實現(xiàn)管片的姿態(tài)調(diào)整。

2 管片拼裝機整機模型的導(dǎo)入與設(shè)置

2.1 管片拼裝機模型導(dǎo)入

管片拼裝機模型的各個零部件及其裝配體單位設(shè)置為kg(質(zhì)量)、℃(溫度)、mm(長度)，s(時間)。通過Parasolid接口將Pro/E中裝配好的整機模型以x_t文檔輸出，再通過Import將這種中間格式的文件導(dǎo)入ADAMS工作環(huán)境中。將導(dǎo)入模型大齒輪質(zhì)心設(shè)置為原點，與大齒輪的前端面平行的xy面設(shè)置為工作柵格平面，z軸的正方向設(shè)置為重力方向。對仿真分析過程中所需的各個構(gòu)件物理特性如幾何形體質(zhì)量、構(gòu)件材料、初始位置和方向以及轉(zhuǎn)動慣量等進行修改，完成工作環(huán)境的設(shè)置。

2.2 施加約束和載荷

將設(shè)置好的模型各個構(gòu)件連接起來形成一個有機的整體，使用約束來定義模型各部件的相對運動完成連接任務(wù)。如圖2所示，樣機模型約束為22個活動部件、1個齒輪副 (Gears)、2個固定副 (Fixed Joints)、8個移動副 (Translational Joints)、9個球面副 (Spherical Joints)、10個鉸鏈副 (Revolute Joints)。

圖2 施加約束后管片拼裝機虛擬樣機模型圖

3 管片拼裝機典型工況仿真及結(jié)果分析

3.1 驅(qū)動函數(shù)添加

根據(jù)管片拼裝的工藝路線以及工步時間規(guī)劃，通過ADAMS/VIEW中的step(time，*，*，*，*)函數(shù)分別設(shè)定各個運動的驅(qū)動函數(shù)。工作過程驅(qū)動函數(shù)表如表1所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

主要對管片拼裝機平移、回轉(zhuǎn)和舉升過程的3個典型工況及0°狀態(tài)、90°狀態(tài)、180°狀態(tài)進行運動學(xué)和動力學(xué)特性分析。在ADAMS/View中選用GSTIFF算法進行仿真計算。將摩擦副處的靜摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2，動摩擦因數(shù)設(shè)置為0.15。并對系統(tǒng)進行60 s、步長0.05的仿真。進入后處理，查看拼裝機管片質(zhì)心各個工作過程的運動情況。

表1 工作過程驅(qū)動函數(shù)表

3.2.1 運動學(xué)仿真結(jié)果分析

管片質(zhì)心沿x方向的運動位移和速度曲線如圖3所示:在t=05 s管片質(zhì)心隨著管片的舉升沿盾構(gòu)前進的反方向運行100 mm;在t=520 s沿盾構(gòu)前進方向運行1 000 mm，工作過程歷經(jīng)加速啟動、勻速運動、制動;在t=2050 s之間沒有位移;在t=5060 s之間隨著管片舉升沿盾構(gòu)前進方向運行90 mm。

圖3 管片質(zhì)心x方向(軸向)運動曲線

管片質(zhì)心沿y方向 (即繞x軸)的角度和角速度曲線如圖4所示 (在ADAMS后處理中通過對角速度曲線積分得到角度曲線)，管片質(zhì)心在t=2050 s之間從0°旋轉(zhuǎn)到-90°，在回轉(zhuǎn)過程中歷經(jīng)加速啟動、勻速運動、減速過程，最大速度是3.2 rad/s，運行平穩(wěn)。

圖4 管片質(zhì)心y方向(回轉(zhuǎn))運動曲線

管片質(zhì)心沿z方向 (徑向)的位移和速度曲線如圖5所示。

圖5 管片質(zhì)心z方向(徑向)運動曲線

管片質(zhì)心在t=05 s之間沿盾構(gòu)徑向移動65 mm，完成管片的抓取舉升過程，在t=5060 s沿盾構(gòu)徑向反向移動65 mm，完成管片舉升初調(diào)過程。

3.2.2 動力學(xué)仿真結(jié)果分析

舉升油缸的驅(qū)動力隨時間的變化曲線如圖6所示:舉升油缸在t=05 s驅(qū)動管片舉升過程中，最大驅(qū)動力為22 600 N;在t=520 s平移過程中，驅(qū)動力始終保持在4 180 N;在t=2050 s隨著回轉(zhuǎn)運動的開始，所需要克服的重力的分量逐漸減小，其中在t= 35 s，即舉升機構(gòu)回轉(zhuǎn)至90°方位時，達(dá)到最小值;舉升油缸在t=5060 s驅(qū)動管片舉升過程中，最大驅(qū)動力為20 000 N。

圖6 舉升油缸驅(qū)動力變化曲線

平移運動油缸驅(qū)動力隨時間的變化曲線如圖7所示:在t=05 s仿真開始階段，平移油缸靜止，驅(qū)動力為0;在t=520 s平移過程中，驅(qū)動力為2 850 N;在t=20 s以后平移油缸驅(qū)動力較小，基本保持在200300 N。

圖7 平移油缸驅(qū)動力變化曲線

回轉(zhuǎn)運動小齒輪驅(qū)動力矩變化曲線如圖8所示:小齒輪在t=020 s舉升和平移工作過程中，回轉(zhuǎn)力矩為0;在t=2050 s回轉(zhuǎn)過程中，力矩隨時間成正弦曲線變化增大至3.437 5×106N·mm;在t=5060 s管片舉升過程中，小齒輪的回轉(zhuǎn)力矩增大至4.375×106N·mm。

圖8 回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩變化曲線

4 結(jié)論

利用ADAMS對新型管片拼裝機工作過程的3種典型工況進行運動學(xué)、動力學(xué)仿真與分析，結(jié)果表明:所設(shè)計的管片拼裝機滿足設(shè)計要求。利用這種方法將管片拼裝機設(shè)計中的問題盡可能在設(shè)計階段解決，節(jié)省經(jīng)費，縮短設(shè)計周期，為管片拼裝機的研制和改進提供了重要的參考依據(jù)。

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