基于ADAMS的履帶式多功能鉆機(jī)變幅—偏擺機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析

吳幫普，穆迪

（1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550000 ；2.貴州航天天馬機(jī)電科技有限公司，貴州 遵義 563000）

基于ADAMS的履帶式多功能鉆機(jī)變幅—偏擺機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析

吳幫普1，穆迪2

（1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550000 ；2.貴州航天天馬機(jī)電科技有限公司，貴州 遵義 563000）

介紹了ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)在履帶式多功能鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用，通過仿真分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了仿真分析結(jié)論的正確性。同時(shí)，借助該虛擬樣機(jī)技術(shù)良好的可視化效果對(duì)樣機(jī)多種工作狀況進(jìn)行模擬，對(duì)工作過程中所遇到的各種特殊現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行合理推斷，得到解決方案，并運(yùn)用于新的系列鉆機(jī)產(chǎn)品研發(fā)中，有效提升產(chǎn)品性能，降低研究成本，縮短研制周期。

鉆機(jī)；變幅機(jī)構(gòu)；ADAMS；建模仿真

履帶式多功能鉆機(jī)是主要針對(duì)地下連續(xù)墻、土釘墻支護(hù)、防滲墻、抗浮錨桿等施工工藝中鉆孔成孔的鉆探設(shè)備，廣泛應(yīng)用于水電圍堰施工、堤壩防滲施工、公路邊坡錨固、地鐵隧道管棚支護(hù)施工、機(jī)場(chǎng)、高層建筑深基坑。采用潛孔錘常規(guī)鉆進(jìn)、跟管鉆進(jìn)、螺旋鉆進(jìn)。在各類復(fù)雜地層及不同鉆進(jìn)方法的造孔施工實(shí)踐中，其優(yōu)異的鑿孔性能，得到廣泛認(rèn)可。

20世紀(jì)40年代，國外已將錨固支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于巷道支護(hù)工程，到20世紀(jì)50年代末，美國、瑞典、英國、波蘭等國家真正實(shí)現(xiàn)錨固支護(hù)的機(jī)械化，先后出現(xiàn)伸縮式氣動(dòng)鑿巖機(jī)錨固孔、鉆車式錨固鉆機(jī)，并率先將錨固支護(hù)技術(shù)運(yùn)用于煤礦巷道支護(hù)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國外錨固鉆機(jī)產(chǎn)品型號(hào)齊全，針對(duì)性強(qiáng)，機(jī)械化和智能化程度高，進(jìn)入我國國內(nèi)市場(chǎng)的廠商有德國的Bauer-Klemm（寶峨-克萊姆），瑞典的Atlas Copco（阿特拉斯），美國Schramm（雪姆）和Ngersoll-rand（英格索蘭）等公司。

20世紀(jì)60年代末，我國引進(jìn)英國維克托錨固鉆機(jī)，并開始研制第一代電動(dòng)錨固鉆機(jī)，20世紀(jì)90年以后，在錨固支護(hù)技術(shù)的大力推廣應(yīng)用下，錨固鉆機(jī)技術(shù)才有了真正的發(fā)展。近幾年，我國錨固鉆機(jī)的研制普遍吸收了國外錨固鉆機(jī)技術(shù)，并針對(duì)具體的水文地質(zhì)和施工工法，慢慢形成國產(chǎn)品牌的錨固鉆機(jī)。目前國內(nèi)主要品牌有無錫雙帆YGL系列、成都哈邁HM系列、北京天和縱邦系列、北京探礦系列、北京優(yōu)博林系列等。

履帶式多功能鉆機(jī)為了適合不同的施工要求，已經(jīng)向高效率、高性價(jià)比發(fā)展，根據(jù)不同的施工工法和施工地質(zhì)條件，衍生出各種各樣的機(jī)型，所以研發(fā)周期、研發(fā)成本成了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要內(nèi)容之一。ADAMS是集建模、求解、可視化一體的機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)學(xué)等分析。該軟件在幾十年的應(yīng)用中，得到了很好的驗(yàn)證，說明該軟件分析結(jié)果可以作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，采用該軟件作為研發(fā)工具，可以有效提高分析結(jié)果的正確性和可靠度。

1 結(jié)構(gòu)組成

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

TDL-260履帶式多功能鉆機(jī)是在借鑒國外阿特拉斯產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，考慮西南地區(qū)水文情況，研制的集水井鉆探和邊坡錨固一體的工程鉆機(jī)。

如圖1所示，鉆機(jī)主要由：履帶底盤、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力頭、鉆桅、變幅機(jī)構(gòu)、夾持器、卷揚(yáng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。主要參數(shù)為：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)70kW，總重量10000kg，長寬高6500mm×2300mm×2880mm，鉆孔直徑130～280mm，動(dòng)力頭最大扭矩6000Nm，起拔力65kN，動(dòng)力頭滑移行程3500mm，卷揚(yáng)提拉力85kN。

圖1 TDL-260履帶式多功能鉆機(jī)結(jié)構(gòu)組成

1.2 變幅—偏擺機(jī)構(gòu)

TDL-260履帶式多功能鉆機(jī)的變幅—偏擺機(jī)構(gòu)是動(dòng)力輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直接載體，變幅—偏擺機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性、空間位置、抗沖擊能力與鉆機(jī)的整體性能有著密切聯(lián)系。將上車聯(lián)接座作為基礎(chǔ)件，拆去底盤上車和下車，簡(jiǎn)化后的變幅-偏擺機(jī)構(gòu)的三維模型如圖2所示，主要由：基座部件、大臂構(gòu)件、俯仰構(gòu)件、鉆桅部件、大臂起豎油缸、大臂擺動(dòng)油缸、鉆桅起豎油缸、鉆桅擺動(dòng)油缸等組成。

圖2 變幅—偏擺機(jī)構(gòu)

各個(gè)油缸的參數(shù)見表1。

主要工作和極限狀態(tài)見圖3。

圖3 鉆桅工作及極限狀態(tài)

2 工作機(jī)構(gòu)仿真

2.1 變幅—偏擺機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)建模

變幅—偏擺機(jī)構(gòu)是具有多個(gè)自由度的開鏈空間連桿機(jī)構(gòu)。它由多個(gè)構(gòu)件用關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，其一端固定接在機(jī)座上，而另一端則是末端執(zhí)行器即鉆桅。變幅—偏擺的各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件、油缸參數(shù)與鉆桅在空間的位置、姿態(tài)之間的關(guān)系以及某速度及加速度的確定是鉆機(jī)動(dòng)力學(xué)研究的主要內(nèi)容，也是液壓、電器控制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖和坐標(biāo)系的建立見圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

采用Denarit-Hartenbeerg方法來描述空間桿的相對(duì)位置和姿態(tài)，任一桿件相對(duì)基座坐標(biāo)系的位姿根據(jù)坐標(biāo)變換公式可表示為：

在圖4的運(yùn)動(dòng)桿件系中，鉆桅的位姿采用中心點(diǎn)P的空間位置矢量（xp,yp,zp）T和過P點(diǎn)與鉆桅固結(jié)的單位矢量a及b的方向余弦（l,m,n）T和（u,v,w）T來描述。此時(shí)，在坐標(biāo)系O4x4y4z4中P點(diǎn)的坐標(biāo)為（0,0,dp）T，a及b的方向余弦為（0,0,1）T和（1,0,0）T，鉆桅的位姿矩陣為：

各桿件的機(jī)構(gòu)參數(shù)有：d1，dp，d2=d3=d4=0；h1，h2，h3，h4；α1=α4=90°，α2=α3=0°；運(yùn)動(dòng)參數(shù)為：θ1，θ2，θ3，θ4，其中θ1是S1的簡(jiǎn)單函數(shù)，θ2是S2的簡(jiǎn)單函數(shù)，θ3是S3的簡(jiǎn)單函數(shù)，θ4是S4的簡(jiǎn)單函數(shù)。連接座與基座之間的位姿矩陣為M01；大臂構(gòu)件與連接座之間的位姿矩陣為M12；俯仰構(gòu)件與大臂構(gòu)件之間的位姿矩陣為M23；鉆桅與俯仰構(gòu)件之間的位姿矩陣為M34，各函數(shù)分別為：

表1 各個(gè)油缸參數(shù)表

將M01～M34代入式（2），采用MATLAB軟件矩陣運(yùn)算功能經(jīng)矩陣連乘運(yùn)算可得鉆桅中心點(diǎn)P的坐標(biāo)和矢量a及b的方向余弦，將θ1，θ2，θ3，θ4用S1，S2，S3，S4替換，則得到鉆桅相對(duì)基座的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

2.2 動(dòng)力學(xué)仿真

（1）簡(jiǎn)化模型。為了獲得變幅—偏擺機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的更高效率和精度，合理簡(jiǎn)化原模型特征，并采用UG的wave幾何連接器功能和SW的實(shí)體組合功能，可以把沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝配體組件轉(zhuǎn)化為part零件，從而簡(jiǎn)化ADAMS的操作和提高求解速度。完成裝配的模型另存為parasolid.x_t格式，然后導(dǎo)入到ADAMS環(huán)境中如圖5(a)。

圖5 ADAMS環(huán)境中的變幅-偏擺機(jī)構(gòu)模型

（2）施加約束、力。如圖6(b)所示，在ADAMS環(huán)境中，先完成重命名，設(shè)置材料密度，更改顏色，合并相對(duì)固定的部件等工作，利用Edit-Delete檢查是否有未更改過名字的部件，刪除多余部件。用Fixed Joint固定副把基座與大地固聯(lián)；因?yàn)橛透變啥司嘘P(guān)節(jié)軸承，所有對(duì)油缸連接處采用Spherical Joint球鉸副；自制件的連接處采用Revolut Joint鉸接副并設(shè)置摩擦系數(shù)；對(duì)油缸活塞采用Cylindrecal Joint圓柱副；油缸缸筒和活塞桿之間添加Contact三維接觸；對(duì)活塞桿設(shè)置Point Motion單軸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。完成設(shè)置后，用Tools-Model Verify功能檢查模型的狀態(tài)，一共有14個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，4個(gè)圓柱副，7個(gè)球鉸副，6個(gè)鉸接副，1個(gè)固定副，4個(gè)單軸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，7個(gè)自由度，沒有多余的約束。

（3）變幅-偏擺機(jī)構(gòu)垂直狀態(tài)。給定油缸進(jìn)程流量40L/min（回程20L/min）。對(duì)應(yīng)φ125mm缸徑，得活塞運(yùn)動(dòng)速度為（速比為1.55，此處針對(duì)無桿腔進(jìn)行計(jì)算）

將該速度設(shè)置在鉆桅起豎缸活塞桿上，令其相對(duì)鉆桅起豎缸筒運(yùn)動(dòng)，可得大臂起豎油缸和鉆桅起豎油缸反作用力曲線,如圖6所示。

圖6 垂直狀態(tài)大臂起豎油缸和鉆桅起豎油缸受力情況

在起豎過程中，鉆桅起豎油缸最大推力為108753N,最大拉力為100547N，并且在6.8s時(shí)由推力變?yōu)槔Γ淮蟊燮鹭Q油缸沒有運(yùn)動(dòng)，受到靜力作用，為152751N。開始起豎瞬間，俯仰處鉸點(diǎn)處受到308513N沖擊,之后迅速降到105624N，這時(shí)起豎變幅趨于穩(wěn)定；回轉(zhuǎn)處鉸點(diǎn)受力平穩(wěn)上升，最大到145687N。

（4）橫向水平工作狀態(tài)各油缸受力變化曲線。大臂起豎油缸和鉆桅起豎油缸同時(shí)作用，鉆桅在最高位置時(shí)各油缸和鉸點(diǎn)受力如圖7所示。

圖7 水平狀態(tài)大臂起豎油缸和鉆桅起豎油缸受力情況

在起豎過程中，鉆桅起豎油缸最大推力為102417N；大臂起豎油缸最大推力為48527N。開始起豎瞬間，俯仰處鉸點(diǎn)處受到312428N沖擊,之后迅速降到121475N，這時(shí)起豎變幅趨于穩(wěn)定；回轉(zhuǎn)處鉸點(diǎn)最大受力48516N。

3 結(jié)語

利用ADAMS軟件，建立了履帶式多功能鉆機(jī)的變幅-偏擺機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并對(duì)其各個(gè)工作狀態(tài)和鉸點(diǎn)進(jìn)行了分析，仿真過程可視性好、仿真結(jié)果圖表豐富，提高了履帶式多功能鉆機(jī)變幅-偏擺機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率，分析結(jié)果可以作為變幅-偏擺機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效參考數(shù)據(jù)，為下一系列履帶式多功能鉆機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了重要的指導(dǎo)。

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1671-0711（2017）06（下）-0117-04