基于Inventor的耙礦絞車三維機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

仲 偉， 楊有林， 張周平， 謝世棋， 楊亞平， 高澤民， 姜 麗

(金川集團(tuán)公司， 甘肅 金昌 737100)

0 前言

耙礦絞車在我公司所屬礦山井下使用較廣，其經(jīng)濟(jì)實(shí)用、適應(yīng)性強(qiáng)、安全可靠等特性使之成為井下使用較多的采場出毛(毛石)設(shè)備，我們?cè)趯?shí)際使用和檢修中發(fā)現(xiàn)，修理人員由于對(duì)耙礦絞車內(nèi)部的行星齒輪系統(tǒng)及差動(dòng)輪系不了解，對(duì)其檢修調(diào)試工作存在一定障礙，對(duì)檢修造成一定的影響。由于修理人員專業(yè)理論上相對(duì)不夠深厚，加上差動(dòng)輪系是輪系中較為復(fù)雜和專業(yè)，技術(shù)人員若直接從理論上講，在現(xiàn)場講解起來就較為生澀，難于理解，為此，我們利用現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)三維軟件建模制作出設(shè)備的三維模型，并裝配成數(shù)字樣機(jī)，然后驅(qū)動(dòng)數(shù)字樣機(jī)，進(jìn)行設(shè)備工作仿真運(yùn)轉(zhuǎn)，通過生動(dòng)、逼真的運(yùn)動(dòng)模擬，使修理人員對(duì)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)原理進(jìn)行了充分地理解，并在其隨后的設(shè)備故障判斷中極大的提高了工作效率，降低盲目性。計(jì)算機(jī)三維軟件我們用的是AutoDesk Professional Inventor，是機(jī)械工程里較為好用的三維軟件。

圖1 耙礦絞車示意圖

1 Inventor軟件簡介

Inventor是美國AutoDesk公司推出的一款三維可視化實(shí)體模擬軟件，能夠建立真實(shí)地反映系統(tǒng)的三維實(shí)體模型，并且可以將多個(gè)三維實(shí)體模型裝配為系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析。包括：零件造型、鈑金、裝配、表達(dá)視圖和工程圖等設(shè)計(jì)模塊。該軟件不僅具有強(qiáng)大的實(shí)體造型、曲面造型、虛擬裝配和產(chǎn)生工程圖等設(shè)計(jì)功能，而且在設(shè)計(jì)過程中可以進(jìn)行有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)力學(xué)分析和仿真模擬，提高了設(shè)計(jì)的可靠性。由于具有簡單易用、二三維數(shù)據(jù)無縫轉(zhuǎn)換等特性，使其在教育、制造、電子、汽車、航空等領(lǐng)域得以迅猛發(fā)展和普及。

2 耙礦絞車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及絞車工作原理

2.1 絞車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

耙礦絞車俗稱電耙子，其主機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、普通二級(jí)齒輪減速器、主剎車機(jī)構(gòu)(主操縱機(jī)構(gòu))、主卷筒、副剎車機(jī)構(gòu)(副操縱機(jī)構(gòu))、副卷筒等組成(如圖2所示)，其中，主剎車機(jī)構(gòu)及主卷筒內(nèi)含1個(gè)行星齒輪減速器，副剎車機(jī)構(gòu)及副卷筒同樣也內(nèi)含1個(gè)行星齒輪減速器，這兩個(gè)行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)相同，皆為差動(dòng)輪系，但減速比不同，兩套差動(dòng)輪系的中心輪都靠同一傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)，該傳動(dòng)軸長度較長，貫穿兩個(gè)行星齒輪減速器，其本身驅(qū)動(dòng)由前面的二級(jí)齒輪減速器的輸出端驅(qū)動(dòng)。

1.副剎車機(jī)構(gòu) 2.副卷筒 3.主剎車機(jī)構(gòu) 4.主卷筒 5.減速機(jī)6.電動(dòng)機(jī) 7.副差動(dòng)輪系 8.主差動(dòng)輪系圖2 耙礦絞車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置圖

差動(dòng)輪系是一種先進(jìn)的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量小、承載能力大、傳遞功率范圍及傳動(dòng)范圍大、運(yùn)行噪聲小、效率高及壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

兩套輪系結(jié)構(gòu)相同(如圖3所示)，兩個(gè)內(nèi)齒圈都同為剎車輪，兩個(gè)輪系的系桿都與相應(yīng)的卷筒固定為一體，但主差動(dòng)輪系減速比大于副差動(dòng)輪系，即主卷筒轉(zhuǎn)速低于副卷筒。

1.副差動(dòng)輪系 2.主差動(dòng)輪系 3.定軸輪系圖3 耙礦絞車傳動(dòng)輪系結(jié)構(gòu)圖

2.2 絞車工作原理

耙礦絞車工作開始工作時(shí)是在電機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)兩個(gè)內(nèi)齒輪均未被閘住的時(shí)候，則兩個(gè)內(nèi)齒輪都旋轉(zhuǎn)，但此時(shí)主、副卷筒在鋼絲繩和耙斗作用下都不動(dòng)，如圖4所示。

圖4 井下耙礦絞車工作狀況示意圖

(1)當(dāng)制動(dòng)主剎車制動(dòng)手柄，使主差動(dòng)輪系內(nèi)齒圈剎住，則與之相應(yīng)的主卷筒在行星輪和行星架的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)纏繩，拖動(dòng)耙斗耙毛石，副卷筒在鋼絲繩作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)向與主卷筒轉(zhuǎn)向相反，但轉(zhuǎn)速與主卷筒相同，由此平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)放繩；

(2)松開主剎車制動(dòng)手柄，操縱副剎車手柄制動(dòng)，使副差動(dòng)輪系內(nèi)齒圈剎住，則與之相應(yīng)的副卷筒在行星輪和行星架的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)纏繩，拖動(dòng)耙斗快速(副卷筒轉(zhuǎn)速高于主卷筒)返回毛石堆，同理，主卷筒在鋼絲繩作用下，其轉(zhuǎn)向與副卷筒轉(zhuǎn)向相反，但轉(zhuǎn)速副卷筒相同，以此完成快速旋轉(zhuǎn)放繩；

(3)交替操縱主、副剎車手柄，耙斗即做往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成耙毛石工作。期間，驅(qū)動(dòng)電機(jī)自始至終保持轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向不變，通過差動(dòng)輪系完成運(yùn)動(dòng)的分解及運(yùn)動(dòng)方向的改變，即如此循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其工作需求。

3 Inventor三維數(shù)字建模及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 絞車Inventor三維數(shù)字建模

以現(xiàn)場使用中的2JP- 15型耙礦絞車進(jìn)行建模，主要參數(shù)為：

(1)齒輪模數(shù)都為4 mm；

(2)主差動(dòng)輪系：中心輪Z1=22，行星輪Z2=29，內(nèi)齒圈Z3=80。

(3)副差動(dòng)輪系：中心輪Z1=34，行星輪Z2=23，內(nèi)齒圈Z3=80。

在用Inventor軟件建模時(shí)只考慮傳動(dòng)齒輪為實(shí)體建模為主，其它構(gòu)件盡量簡化，前提是保證模型系統(tǒng)為耙礦絞車主機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的真實(shí)比照，否則模擬的就不是耙礦絞車的真實(shí)的運(yùn)動(dòng)仿真。具體方法如下：

(1)所有軸承處都用鉸支孔聯(lián)接替代，簡化后仍可保證其轉(zhuǎn)動(dòng)性；

(2)部件裝配中，鍵連接盡量保持原有，便于理解，簡單處可省略但必須用約束命令將其與相應(yīng)部件約束為一體；

(3)機(jī)架及制動(dòng)部件盡量簡化，能保證原有工作要求即可；

(4)各結(jié)構(gòu)件建模時(shí)盡量簡單，裝配后要保證間隔，同時(shí)要保證便于觀察，盡量減小部件間的遮擋；

(5)各部件配色要求相應(yīng)地對(duì)比分明。

通過Inventor絞車傳動(dòng)系統(tǒng)三維建模如圖5所示。

圖5 耙礦絞車傳動(dòng)系統(tǒng)Inventor三維建模模型布置圖

3.2 絞車Inventor機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

由于該絞車傳動(dòng)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件達(dá)20余個(gè)，都為轉(zhuǎn)動(dòng)，為保證Inventor軟件能完成運(yùn)動(dòng)仿真的效果，在做運(yùn)動(dòng)約束時(shí)要注意全部使用“放置約束”里面的“角度約束”，而且選取“定向角度約束”選項(xiàng)(如圖6所示)。也即其中的齒輪嚙合不用軟件的“轉(zhuǎn)動(dòng)約束”而用“角度約束”。在“角度”欄中填入“傳動(dòng)比”*1deg，以保證數(shù)值單位是“度”。模型建好后，關(guān)鍵的就是后面的動(dòng)畫設(shè)計(jì)。

圖6 Inventor建模放置約束示意圖

本文模擬的耙礦絞車動(dòng)畫全部有4個(gè)過程，具體為：

(1)主副制動(dòng)均未執(zhí)行時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行形態(tài)；

(2)主制動(dòng)執(zhí)行，副制動(dòng)未執(zhí)行時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行形態(tài)；

(3)主制動(dòng)脫開，副制動(dòng)執(zhí)行時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行形態(tài)；

(4)主副制動(dòng)全部脫開時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行形態(tài)(同(1))；

利用Inventor軟件中的Inventor Studio功能對(duì)模型中的各部件按步驟有條件的進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，完成前述的耙礦絞車的運(yùn)動(dòng)仿真，在Inventor Studio中，本模型選用“位置表達(dá)動(dòng)畫”和“參數(shù)動(dòng)畫”進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)計(jì)，并且先用“位置表達(dá)動(dòng)畫”設(shè)計(jì)整個(gè)動(dòng)畫的“骨架”，然后用“參數(shù)動(dòng)畫”對(duì)“骨架”進(jìn)行“添加血肉”，從而保證動(dòng)畫設(shè)計(jì)清晰有序進(jìn)行，繁而不亂，具體如下：

(1)在“裝配”界面中設(shè)置“位置1”和“位置2”，并在“激活”條件下分別對(duì)主副卷筒和主副內(nèi)齒圈分別進(jìn)行“替代”及“固定”設(shè)置；

(2)在“裝配”界面中調(diào)出“參數(shù)”選框，將主副差動(dòng)輪系轉(zhuǎn)動(dòng)部件相對(duì)應(yīng)的參數(shù)項(xiàng)重新用大寫字母和數(shù)字命名，并將參數(shù)最右邊選框的“√”打上(如圖7所示)，在對(duì)主副差動(dòng)輪系相同部件進(jìn)行參數(shù)命名時(shí)要用相同的字母，用不同的腳標(biāo)區(qū)分，便于設(shè)計(jì)及檢索時(shí)對(duì)參數(shù)的辨認(rèn)；

圖7 Inventor參數(shù)動(dòng)畫制作之參數(shù)設(shè)定布置圖

圖8 Inventor參數(shù)動(dòng)畫制作之各參數(shù)動(dòng)畫的時(shí)間位置設(shè)置圖

(3)進(jìn)入Inventor Studio界面對(duì)動(dòng)畫激活后，先定動(dòng)畫總時(shí)間T(60秒)，并將整個(gè)動(dòng)畫設(shè)計(jì)成4個(gè)時(shí)間段，即依次為“0—T1”10秒、“T1—T2”20秒、“T2—T3”20秒、“T3—T4”10秒，其中0、T1、T2、T3、T4分別為5個(gè)時(shí)間點(diǎn)，然后調(diào)出“動(dòng)畫時(shí)間軸”點(diǎn)開“展開操作編輯器”后，用“位置表達(dá)動(dòng)畫”設(shè)計(jì)將4個(gè)位置即“主要”、“位置1”、“位置2”、“主要”設(shè)置到相應(yīng)的時(shí)間軸位置，這樣就構(gòu)架出了整個(gè)動(dòng)畫的全部框架，然后進(jìn)行“參數(shù)動(dòng)畫”設(shè)計(jì)，按表1對(duì)各部件進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)動(dòng)畫設(shè)置即可(如圖8所示)。

表1 Inventor參數(shù)動(dòng)畫中各模型動(dòng)作的時(shí)間及位置控制表

說明：①表內(nèi)參數(shù)S1和S2由角度表示，具體數(shù)值取當(dāng)部件發(fā)生干涉時(shí)的角度即可；

②其它參數(shù)皆用轉(zhuǎn)速表示，具體數(shù)值用輪系公式和本文后面介紹的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)原理得出的公式(1)、(2)、(3)即可算出。

③中心輪1轉(zhuǎn)速盡量取低些，可以清晰觀察各轉(zhuǎn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖9 差動(dòng)輪系結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)原理圖

在Studio界面中，在對(duì)各參數(shù)值及轉(zhuǎn)向確認(rèn)后，即可完成運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫制作，然后驅(qū)動(dòng)動(dòng)畫，若運(yùn)動(dòng)達(dá)到要求，渲染動(dòng)畫，制作成視頻存盤，至此運(yùn)動(dòng)仿真模擬制作完成。過程中須注意兩點(diǎn)：

(1)各部件轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向要正確，否則，運(yùn)動(dòng)仿真會(huì)失真；

(2)位置參數(shù)設(shè)置要準(zhǔn)確，否則，不同的運(yùn)動(dòng)前后聯(lián)動(dòng)不起來，也不易同時(shí)聯(lián)動(dòng)。

(本文的絞車三維機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)圖由于是視頻格式，在本文中不能播放，具體見http://v.youku.com/v_show/id_XMzMzNTg2ODM4MA==.html?spm=a2h3j.8428770.3416059.1或http://www.jxcad.com.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=1837351觀看。)

3.3 絞車三維機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析及應(yīng)用

通過運(yùn)行Inventor制作的耙礦絞車主機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)字樣機(jī)，真實(shí)還原設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成，精確做到設(shè)備的運(yùn)動(dòng)仿真，顯示各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)特性，確定各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

在本例中，主副卷筒分別直接與各自差動(dòng)輪系中的系桿連接并由其帶動(dòng)做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)手柄直接控制兩個(gè)差動(dòng)輪系的內(nèi)齒圈，兩個(gè)差動(dòng)輪系皆為2K- H型差動(dòng)輪系(如圖9所示)，自由度為2，2K- H型差動(dòng)輪系傳動(dòng)比及轉(zhuǎn)向計(jì)算。

太陽輪(中心輪)：齒輪1和齒輪3；

行星輪：齒輪2；

行星架(系桿)：構(gòu)件H；

轉(zhuǎn)速分別為：n1，n3，n2，nH；

根據(jù)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)原理可得：

(1)

(2)

(3)

因?yàn)閚3轉(zhuǎn)向不定，所以nH轉(zhuǎn)向不能確定，根據(jù)實(shí)際形態(tài)確定。

數(shù)字樣機(jī)模擬耙礦絞車運(yùn)動(dòng)仿真：

運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)保證：全過程中兩套差動(dòng)輪系的中心輪在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下保持轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向(順時(shí)針)不變，平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，為運(yùn)動(dòng)的輸入端，主副卷筒分別與對(duì)應(yīng)差動(dòng)輪系行星架(系桿H)聯(lián)動(dòng)，為運(yùn)動(dòng)的輸出端。圖5背景端為耙斗工作現(xiàn)場，即卷筒順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為收繩，逆時(shí)針為放繩。

(1)主副制動(dòng)均未執(zhí)行(如圖5所示)

(2)主制動(dòng)執(zhí)行副制動(dòng)未執(zhí)行(如圖10所示)

圖10 主制動(dòng)執(zhí)行副制動(dòng)未執(zhí)行運(yùn)動(dòng)仿真演示圖

內(nèi)齒圈不轉(zhuǎn)則行星齒輪既保持自轉(zhuǎn)(逆時(shí)針)又要沿著內(nèi)齒圈公轉(zhuǎn)(順時(shí)針)，帶動(dòng)系桿H轉(zhuǎn)動(dòng)，相應(yīng)主卷筒承受系統(tǒng)輸入端的轉(zhuǎn)矩并按相應(yīng)的(定軸輪系)傳動(dòng)比轉(zhuǎn)動(dòng)(順時(shí)針)；副卷筒在鋼絲繩作用下被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速同主卷筒但轉(zhuǎn)向相反，副內(nèi)齒圈按新的傳動(dòng)比轉(zhuǎn)動(dòng)(按公式3計(jì)算)，轉(zhuǎn)向仍與其主動(dòng)的中心齒輪轉(zhuǎn)向相同，主副差動(dòng)輪系的各行星齒輪既有自轉(zhuǎn)又有公轉(zhuǎn)，此時(shí)，主卷筒收繩，副卷筒放繩，耙斗現(xiàn)場耙礦，運(yùn)動(dòng)方向逐漸靠近絞車。

(3)主制動(dòng)脫開副制動(dòng)執(zhí)行(如圖11所示)

圖11 主制動(dòng)未執(zhí)行副制動(dòng)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)仿真演示圖

(4)主副制動(dòng)全部脫開(同運(yùn)動(dòng)(1)，略)

在井下現(xiàn)場通過不斷交替重復(fù)耙礦絞車的運(yùn)動(dòng)(2)和(3)，來完成耙礦工作。

運(yùn)動(dòng)仿真應(yīng)用：在將錄制的耙礦絞車三維機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真視頻放給維修人員看后，多數(shù)人反映，在看了視頻2～4遍后，已經(jīng)大概弄明白設(shè)備內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)原理，認(rèn)為這樣的視頻很直觀，容易理解，并表示在后面的設(shè)備故障檢修中就容易上手了，從而能減少設(shè)備檢修時(shí)間并相應(yīng)的提高檢修效率，進(jìn)而達(dá)到進(jìn)行設(shè)備三維運(yùn)動(dòng)仿真的目的。

總之，利用Inventor軟件建立模擬數(shù)字樣機(jī)，通過運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行動(dòng)畫演示，能清晰表達(dá)出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的原理及運(yùn)動(dòng)狀況，使人快速領(lǐng)悟復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)語

利用Inventor 軟件的“驅(qū)動(dòng)約束”模塊可以模擬實(shí)現(xiàn)耙礦絞車主機(jī)差動(dòng)輪系的運(yùn)動(dòng)過程；使用Inventor的參數(shù)驅(qū)動(dòng)可以建立起約束主動(dòng)變量與其他變量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)多個(gè)動(dòng)作的同時(shí)驅(qū)動(dòng)或動(dòng)作按先后順序驅(qū)動(dòng)。由于這些模擬過程無須編程或編寫代碼，因而顯得更加方便快捷、不易出錯(cuò)。將該方法用于耙礦絞車的主機(jī)運(yùn)動(dòng)分析中，則可以通過制作的三維運(yùn)動(dòng)仿真模擬視頻，便可以方便而直觀地了解復(fù)雜的差動(dòng)輪系結(jié)構(gòu)和工作原理，從而能提高檢修工作效率，降低檢修成本，還有助于修理人員學(xué)習(xí)了解設(shè)備等工作的開展。