基于ADAMS和AMESim聯(lián)合仿真的調(diào)繩器動態(tài)特性分析

李軍霞，何月華

(1.太原理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，太原 030024;2.山西省礦山流體控制工程技術(shù)研究中心，太原 030024;3.徐工集團 工程機械股份有限公司 建設(shè)機械分公司，江蘇 徐州 221004)

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基于ADAMS和AMESim聯(lián)合仿真的調(diào)繩器動態(tài)特性分析

李軍霞1,2，何月華3

(1.太原理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，太原 030024;2.山西省礦山流體控制工程技術(shù)研究中心，太原 030024;3.徐工集團 工程機械股份有限公司 建設(shè)機械分公司，江蘇 徐州 221004)

為全面分析調(diào)繩器的機-液耦合復(fù)雜系統(tǒng)，提出了基于數(shù)字化虛擬樣機的評估方法。通過ADAMS與AMESim軟件接口，關(guān)聯(lián)調(diào)繩器液壓系統(tǒng)模型與機械模型，建立調(diào)繩器的機-液耦合仿真模型和實驗樣機，分析了調(diào)繩器的動態(tài)特性。結(jié)果表明，鎖繩裝置可以快速鎖緊鋼絲繩；在鎖繩狀態(tài)下，通過預(yù)緊力油缸反向作用力，可以順利打開鎖繩裝置。耦合仿真模型和試驗樣機可用于調(diào)繩設(shè)備方案設(shè)計、性能評估，也可用于系統(tǒng)優(yōu)化研究。

調(diào)繩器；機液耦合；動態(tài)特性

提升機鋼絲繩在使用過程中，受鋼絲繩提升循環(huán)次數(shù)、載重量等因素影響，會產(chǎn)生一定的塑性伸長[1]。鋼絲繩伸長會帶來嚴(yán)重的安全隱患，影響礦井生產(chǎn)[2-5]。首繩過長，會使提升系統(tǒng)兩提升容器在停車時偏離正確位置，造成裝載或卸載困難，影響礦井生產(chǎn)效率[6-12]。首繩長度的調(diào)節(jié)關(guān)系到煤礦生產(chǎn)，具有重要意義。傳統(tǒng)調(diào)繩方法有：利用張力平衡油缸調(diào)繩[13-15]，利用手拉葫蘆調(diào)繩[16]等方法，存在費時費力、可靠性低、安全性差等缺點。全自動調(diào)繩設(shè)備可以很好地克服這些缺點,利用該調(diào)繩設(shè)備可以減少人力物力，提高調(diào)繩的效率和安全性[17-20]。目前，很多的廠家開發(fā)出了調(diào)繩設(shè)備，但限于應(yīng)用時間尚短，調(diào)繩設(shè)備存在開發(fā)周期長、成本高等問題。針對這一問題，筆者利用計算機輔助設(shè)計技術(shù)，用ADAMS軟件建立調(diào)繩器虛擬樣機，聯(lián)合AMESim中建立的液壓系統(tǒng)模型，通過設(shè)置AMESim與ADAMS之間的通訊接口，實現(xiàn)AMESim液壓系統(tǒng)模型與ADAMS虛擬樣機技術(shù)之間數(shù)據(jù)的交互，以及調(diào)繩器機-液耦合復(fù)雜系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，觀察系統(tǒng)設(shè)計的機械液壓匹配性及系統(tǒng)動態(tài)特性，達到虛擬設(shè)計的目的，提高設(shè)計成功率。根據(jù)虛擬設(shè)計的結(jié)果，制作了相應(yīng)的樣機，并模擬工況現(xiàn)場的條件與仿真結(jié)果進行對比，對調(diào)繩設(shè)備進行全方位的評估與檢測，驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。

1 調(diào)繩器工作原理

調(diào)繩器是調(diào)繩設(shè)備機械結(jié)構(gòu)上的一部分，調(diào)繩設(shè)備就是利用上下兩調(diào)繩器的鎖緊油缸交替鎖緊，配合提升系統(tǒng)實現(xiàn)提升罐籠的作用。圖1所示為上調(diào)繩器的三維結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為調(diào)繩系統(tǒng)的液壓原理圖。

圖1 調(diào)繩器三維模型Fig.1 Three-dimensional model of rope adjusting device

1-電機；2-柱塞泵；3-電磁溢流閥；4-測壓接頭；5-測壓軟管；6-壓力表；7-換向閥(34SO-L10H)；8-單向閥；9-減壓閥(Y-34H)；10-預(yù)緊力油缸圖2 調(diào)繩設(shè)備液壓系統(tǒng)Fig.2 Hydraulic system of rope locking device

調(diào)繩器在工作時，首先向預(yù)緊力油缸10無桿腔充高壓油，將楔形塊打開；其后，將鋼絲繩置入楔形塊繩槽；再向油缸10有桿腔充高壓油，楔形塊在油缸力作用下鎖緊鋼絲繩。有桿腔壓力越大，楔形塊與鋼絲繩接觸面越多，摩擦力越大，從而鎖繩效果越好；但是，楔形塊鎖緊鋼絲繩后，由于自鎖作用打開時會相對緩慢，壓力過大會造成導(dǎo)向部分變形，因此在液壓系統(tǒng)中引入了減壓閥9，降低打開時的壓力。

2 調(diào)繩器機-液耦合仿真建模

以某礦使用的調(diào)繩設(shè)備具體尺寸為基礎(chǔ)，根據(jù)圖1在ADAMS中建立了調(diào)繩器的三維模型，定義了各零部件間的約束。由鎖繩原理可知，預(yù)緊力油缸提供初鎖力，鎖緊楔形塊在初鎖力的作用下初步鎖緊鋼絲繩，在負載作用下，楔形塊隨鋼絲繩向下移動，最終鎖緊鋼絲繩。由此可知，整個運動過程，動力學(xué)模型輸出速度、位移，液壓模型輸出初鎖力，由此可以確定仿真的輸入輸出關(guān)系。ADAMS與AMESim聯(lián)合仿真時，動力學(xué)模型向液壓模型輸出楔形塊的速度和位移，液壓模型則向動力學(xué)模型提供作用力。因此，需要在AMESim模型中添加力傳感器，檢測活塞桿受力情況，并通過數(shù)據(jù)接口進行傳遞。同時，添加速度位移傳感器接收動力學(xué)模型中楔形塊速度與位移數(shù)據(jù)，分別將傳感器與接口模塊對應(yīng)端口鏈接，建立的耦合仿真模型如圖3所示。

圖3 機-液耦合仿真模型 Fig.3 Machine hydraulic coupling simulation model

3 耦合仿真結(jié)果分析

機-液耦合仿真模型建立后，在AMESim環(huán)境中，設(shè)置液壓相關(guān)參數(shù)如表1所示。在ADAMS環(huán)境中設(shè)置仿真運行參數(shù)：仿真時間為20 s，步長為0.001。為了使仿真真實再現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)繩情況，根據(jù)實際作業(yè)過程，設(shè)置鋼絲繩在5 s時施加負載，即預(yù)緊力油缸完成夾繩，上調(diào)繩器上提；此時，忽略鋼絲繩質(zhì)量，鎖繩裝置上端載荷為零，鋼絲繩下端僅作用罐籠和配重。設(shè)置負載為34 t，加載時間為0.5 s；在7.5 s時開始減小負載，8 s時負載變?yōu)榱?如圖4)；同時預(yù)緊力油缸施加反向力，打開鎖繩裝置。運行仿真分析結(jié)果如圖5-圖8所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置表

圖4 負載作用曲線圖Fig.4 Graph of load effect

根據(jù)表1參數(shù)設(shè)置，可以將仿真分為鎖繩階段(0～7.5 s)和松繩階段(7.5～20 s)。

3.1 鎖繩階段

圖5、圖6所示，分別為預(yù)緊力油缸有桿腔和無桿腔壓力曲線。系統(tǒng)壓力為8 MPa，仿真開始，有桿腔迅速達到系統(tǒng)壓力，并推動鎖緊楔形塊下移，初步夾緊鋼絲繩，其后，壓力恒定在系統(tǒng)壓力；此時，無桿腔壓力始終為零。

圖5 預(yù)緊力油缸有桿腔壓力曲線Fig.5 Pressure curve of hydraulic cylinder chamber with piston-rod

圖6 預(yù)緊力油缸無桿腔壓力曲線Fig.6 Pressure curve of hydraulic cylinder chamber without piston-rod

圖7、圖8所示分別為活塞桿位移曲線和鎖緊楔形塊位移曲線。由于活塞桿與楔形塊是剛性連接在一起的，二者運動趨勢完全一致。在0～5 s時，鎖緊楔形塊在預(yù)緊力油缸的作用下，向下移動約125 mm；5～5.5 s施加負載后，楔形塊與鋼絲繩同步向下移動；隨著負載穩(wěn)定在34 t，6.5 s時，楔形塊停止移動，鎖緊了鋼絲繩。在負載作用下，楔形塊(活塞桿)移動總位移為25 mm。

圖7 活塞桿位移曲線Fig.7 Displacement curve of piston

圖8 楔形塊位移曲線Fig.8 Displacement curve of wedge

3.2 松繩階段

根據(jù)圖5、圖6所示有桿腔和無桿腔壓力曲線可知，楔形塊鎖緊鋼絲繩后，在8 s時換向閥換向，高壓油經(jīng)減壓閥進入無桿腔，有桿腔壓力降為0，無桿腔壓力由于減壓閥作用系統(tǒng)壓力變?yōu)楣ぷ鲏毫? MPa，進入松繩階段；15.3 s時，楔形塊與鋼絲繩分開，鋼絲繩彈性伸縮，施加給楔形塊震動的慣性力，導(dǎo)致油缸無桿腔壓力出現(xiàn)震蕩，隨后又穩(wěn)定下來；17 s時，油缸行程走完，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在 5 MPa。

圖7、圖8表示的活塞桿位移與楔形塊位移在8 s時，預(yù)緊力油缸施加反向拉力，鎖緊楔形塊在外力作用下緩慢向上移動，松開鋼絲繩；15.3 s時，楔形塊與鋼絲繩脫離，只受到與珠架結(jié)構(gòu)間的滾動摩擦力作用，但該作用力較小，使得楔形塊迅速上移；17 s時，活塞桿到達行程終了，維持在穩(wěn)定值，最大行程不再改變。

綜合仿真曲線和上述分析可知，鎖繩裝置在工作時，依靠油缸本身作用力楔形塊下移初鎖鋼絲繩；其后，鋼絲繩上加載負載作用力，由于負載力大于摩擦力，楔形塊加速向下鎖緊鋼絲繩；隨后，當(dāng)摩擦力最終等于負載時，楔形塊停止運動，鋼絲繩被鎖緊。相比鎖繩過程，松繩則是一個緩慢的過程，負載為零，楔形塊在油缸力的作用下緩慢上升，并最終松開鋼絲繩。

4 實驗結(jié)果分析

基于耦合仿真實驗，搭建了調(diào)繩裝置實驗平臺。在實驗平臺上用拉力油缸模擬負載，檢查調(diào)繩系統(tǒng)中4組鎖繩裝置的鎖繩與松繩的效果。

圖9和圖10是鎖繩裝置在預(yù)緊油缸為0 MPa和5 MPa作用下，楔形塊的位移和相對位移曲線。由圖9和圖10可以看出：1#，2#，3#，4#共4組鎖繩裝置在預(yù)緊力油缸作用后，鎖緊楔形塊迅速鎖緊鋼絲繩，并隨鋼絲繩一起下移：起初，發(fā)生少許相對滑動，之后完全鎖緊；隨著載荷的不斷加大，楔形塊的位移也越來越大，在負載達到一定程度時，鋼絲繩與鎖緊楔形塊之間沒有相對滑動；鎖繩裝置在未施加預(yù)緊力(預(yù)緊力為0 MPa)時，依靠鋼絲繩重力鎖緊鋼絲繩后，再施加負載。

實驗表明，當(dāng)載荷小于4 MPa時，繩與楔形塊間相對位移較大；當(dāng)載荷施加到5 MPa時，鎖緊楔形塊位移明顯增大，相對位移變小，此時楔形塊才慢慢鎖緊鋼絲繩；其后，楔形塊位移趨勢與施加預(yù)緊力的實驗結(jié)果相似，楔形塊與鋼絲繩之間有輕微相對位移。綜上分析，鎖繩裝置在施加預(yù)緊力后，鎖繩效果更理想。

圖9 楔形塊位移曲線Fig.9 Displacement curve of wedge block

圖10 楔形塊相對位移曲線Fig.10 Relative displacement curve of wedge block

拉力實驗結(jié)束后進行松繩實驗，在預(yù)緊力油缸壓力5 MPa作用下，鎖繩裝置楔形塊有輕微移動，經(jīng)多次切換換向閥，鎖緊楔形塊順利打開。結(jié)果表明，實驗結(jié)果與機液耦合仿真結(jié)果相吻合，鎖繩裝置能滿足調(diào)繩裝置的鎖繩與松繩的要求。

5 結(jié)論

1) 利用AMESim與ADAMS建立了調(diào)繩器復(fù)雜系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，與傳統(tǒng)獨立建模、獨立仿真方法相比，模型與實際系統(tǒng)更加貼近。

2) 利用機-液聯(lián)合仿真，設(shè)計者可以直觀地檢測產(chǎn)品的液壓系統(tǒng)與機械結(jié)構(gòu)的匹配性及系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高設(shè)計成功率。

3) 聯(lián)合仿真模型可用于調(diào)繩器系統(tǒng)方案設(shè)計、調(diào)繩器樣機性能評估，也可用于調(diào)繩器系統(tǒng)優(yōu)化的研究，為產(chǎn)品開發(fā)提供一種周期短、成本低的新方法。

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(編輯：龐富祥)

Analysis of Dynamic Characteristic of Rope Adjusting Device Based on ADAMS and AMESim Co-simulation

LI Junxia1,2,HE Yuehua3

(1.CollegeofMechanicalEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China; 2.ShanxiProvincalEngineeringLaboratoryforMineFluidControl,Taiyuan030024,China； 3.XuzhouConstructionMachineryGroupCo.,Ltd.，Xuzhou221004,China)

In order to analyze complex hydraulic-mechanical coupling system of rope adjusting device, the evaluation on digital virtual prototype was proposed.Hydraulic-mechanical simulation model was established by integrating the hydraulic system model and mechanical model of rope adjusting device, via software interfaces between ADAMS and AMESim,and the dynamic characteristics of the device were analyzed. The co-simulation model can be used to design the system，evaluate the performance and optimize the system to develop rope adjusting device. It provides a short development cycle and low-cost method to develop production.

rope adjusting device;hydraulic-mechanical;dynamic characteristics

1007-9432(2016)03-0304-05

2015-10-26

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃基金資助項目(NCET-12-1038)；山西省科技攻關(guān)基金資助項目：帶式輸送機斷帶抓捕裝置設(shè)計與研究(2015031006-2)

李軍霞(1976-)，女，河南許昌人，博士，教授，主要從事機電液一體化研究，(E-mail)bstljx@163.com

TH122

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.03.006