雙曲線稱重倉的參數(shù)化建模

李 旭，孫國(guó)順，趙建陽

(1.天地科技股份有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 儲(chǔ)裝技術(shù)研究分院，北京 100013；3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，散裝物料裝車外運(yùn)需求不斷增加，快速定量裝車系統(tǒng)的應(yīng)用愈加廣泛[1，2]，涉及的散裝物料有煤炭、礦石、糧食、鐵精粉、硫磺、堿粉等等?？焖俣垦b車系統(tǒng)基于大型料斗秤的工作原理，預(yù)先在緩沖倉中緩存物料，通過控制閘門向稱重倉中按標(biāo)重快速配倉并精確計(jì)量，然后通過裝車溜槽往車廂中卸料裝載，實(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)態(tài)快速精確定量裝車或單車裝載。快速定量裝車系統(tǒng)憑借高精度、高效率的自動(dòng)計(jì)量，有效提高了散裝物料裝車外運(yùn)的效率[3，4]，受到了煤礦、港口等企業(yè)的青睞，是目前最為先進(jìn)的大宗散料物料裝車方式。

稱重倉是快速定量裝車系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一[5]，其直接與物料接觸，工作過程中既要保證稱重的精度，又要保證在裝車時(shí)物料持續(xù)穩(wěn)定的流動(dòng)。稱重倉建模過程重復(fù)繁瑣、修改過程復(fù)雜，稱重倉的建模效率直接影響著快速定量裝車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。

稱重倉的截面形狀是決定計(jì)量精度和物料流動(dòng)性的重要因素[6]，傳統(tǒng)快速定量裝車系統(tǒng)的稱重倉多采用方倉結(jié)構(gòu)，隨著物料的復(fù)雜化和多樣化，對(duì)于某些流動(dòng)性較差的物料，裝車時(shí)堵料卡料情況時(shí)有發(fā)生，雙曲線稱重倉因物料在倉內(nèi)整體流動(dòng)性好得到推廣應(yīng)用，因此，本文對(duì)雙曲線稱重倉進(jìn)行研究，提出一種雙曲線稱重倉參數(shù)化建模方法，旨在提高雙曲線稱重倉的建模效率，同時(shí)為其他設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考，進(jìn)而提高快速定量裝車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。

1 雙曲線稱重倉的主要結(jié)構(gòu)

稱重倉的主要材料為鋼板，從結(jié)構(gòu)形式上看，雙曲線倉一般可以分為圓形料斗和方形料斗兩種形式[7]，如圖1所示。本文雙曲線稱重倉采用的是圓形料斗形式。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般將雙曲線稱重倉分為直段、錐段、天圓地方和立柱四大部分，如圖2所示。其中，直段、錐段和天圓地方是雙曲線稱重倉的主體結(jié)構(gòu)，立柱為支撐結(jié)構(gòu)，立柱下方安裝稱重傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)倉內(nèi)物料的精確計(jì)量。

圖1 雙曲線倉形式(mm)

圖2 雙曲線稱重倉的主要結(jié)構(gòu)

雙曲線稱重倉自身的幾何形狀特殊，結(jié)構(gòu)形式相對(duì)固定，實(shí)體模型比較復(fù)雜，制造也比較困難，理論上的雙曲線倉在施工中需將鋼板彎成弧型，但實(shí)際施工時(shí)很難準(zhǔn)確制作，因此在設(shè)計(jì)時(shí)一般將雙曲線稱重倉的錐段等分為幾段，用不同傾角的圓錐斗來擬合雙曲線，每段高度按實(shí)際曲線確定，一般采用500～1000mm[7]。同時(shí)考慮到加工、安裝、運(yùn)輸?shù)葐栴}，一般將每段直段、錐段分別等分為4份，每份直段由上下法蘭、壁板、加強(qiáng)筋、側(cè)面筋板等焊接組成；每份錐段由上下法蘭、壁板、襯板、加強(qiáng)筋、側(cè)面筋板等焊接組成；天圓地方由上下法蘭、壁板、襯板等焊接組成。最后，通過螺栓將直段、錐段、天圓地方及立柱連接起來，組成雙曲線稱重倉。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)概述

Creo Parametric是當(dāng)今流行的三維實(shí)體建模軟件之一，是一款參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于電子、通信、航空等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，能夠幫助工程設(shè)計(jì)人員更好的實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)[8，9]。

2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是Creo Parametric重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的設(shè)計(jì)理念，參數(shù)化設(shè)計(jì)包含兩個(gè)要素：一是參數(shù)，二是關(guān)系。參數(shù)是參數(shù)化模型設(shè)計(jì)中的核心概念[10]，在一個(gè)模型中，參數(shù)是通過“尺寸”的形式來體現(xiàn)的，參數(shù)可以提供設(shè)計(jì)對(duì)象的附加信息，也可以配合關(guān)系的使用來創(chuàng)建參數(shù)化模型。關(guān)系是設(shè)計(jì)人員自定義的尺寸符號(hào)和參數(shù)之間等式，捕獲特征之間、參數(shù)之間或組件之間的設(shè)計(jì)關(guān)系。

參數(shù)化建模是不同于直接建模的一種建模方式[11]，直接建模方式只關(guān)注幾何模型本身以及幾何本身的拓?fù)?；參?shù)化建模關(guān)注的是參數(shù)化、關(guān)聯(lián)性等，適合于系列化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段過程中有可能經(jīng)常發(fā)生結(jié)構(gòu)和尺寸調(diào)整的設(shè)計(jì)，參數(shù)化建模的突出優(yōu)點(diǎn)在于可以通過變更參數(shù)的方法來方便地修改設(shè)計(jì)意圖，從而修改設(shè)計(jì)結(jié)果。

2.2 雙曲線稱重倉的參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

Creo Parametric只是一種計(jì)算機(jī)輔助建模設(shè)計(jì)工具，要實(shí)現(xiàn)雙曲線稱重倉的參數(shù)化建模，需要對(duì)雙曲線稱重倉進(jìn)行全面的參數(shù)化設(shè)計(jì)。雙曲線稱重倉是一個(gè)裝配體模型，不僅各個(gè)零件需要參數(shù)化，裝配體也需要參數(shù)化，所以在設(shè)計(jì)之前要充分考慮零件與裝配體之間的關(guān)系。本文對(duì)雙曲線稱重倉的參數(shù)化建模采用參考骨架模型技術(shù)，首先建立參考骨架模型，再根據(jù)參考骨架模型創(chuàng)建各個(gè)零件，最后按照默認(rèn)方式對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行裝配，這樣就使得裝配體設(shè)計(jì)不受零件裝配順序的限制，同時(shí)避免了不必要的裝配限制的沖突。具體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 雙曲線稱重倉參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

3 雙曲線稱重倉的參數(shù)化設(shè)計(jì)

3.1 雙曲線設(shè)計(jì)

雙曲線設(shè)計(jì)是雙曲線稱重倉設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，雙曲線的截面收縮率C是一定值，雙曲線計(jì)算方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，x為雙曲線上任意高度y處的截面半徑，mm；B為雙曲線稱重倉下口直徑，mm；k1為形狀系數(shù)，圓形時(shí)k1=1，方形時(shí)k1=0.75～1；C為等截面收縮率；Y為雙曲線上任一點(diǎn)的高度，mm；H為雙曲線稱重倉雙曲線段高度，mm；D為雙曲線稱重倉上口直徑，mm；α0為雙曲線初始角，x=D/2時(shí)的雙曲線與x軸之間的夾角，一般取50°～55°；α為雙曲線與x軸之間的夾角，°。

為了能夠直觀看到雙曲線的形狀，取雙曲線稱重倉上口直徑a=5500mm，雙曲線稱重倉下口直徑b=1524mm，雙曲線稱重倉雙曲線段高度h=4500mm，在Matlab中編程。因?yàn)殡p曲線稱重倉截面形狀為圓形，所以取k1=1，編程得到雙曲線的形狀如圖4所示。

圖4 雙曲線稱重倉的雙曲線段設(shè)計(jì)

3.2 參考骨架模型設(shè)計(jì)

在雙曲線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在Creo Parametric 2.0中以曲面的形式創(chuàng)建雙曲線稱重倉參考骨架模型，雙曲線稱重倉的截面為圓形，但是其下口與閘門相連，閘門口為方口，因此，將雙曲線稱重倉的下方一段設(shè)計(jì)為天圓地方結(jié)構(gòu)，作為圓形料倉與閘門口的過渡段。

根據(jù)現(xiàn)有的雙曲線稱重倉尺寸，按照表1中所示的模型參數(shù)，對(duì)參考骨架模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先繪制出雙曲線稱重倉的基準(zhǔn)曲線，選擇基準(zhǔn)軸旋轉(zhuǎn)繪制出曲面模型，再根據(jù)閘門口尺寸，繪制出天圓地方曲面模型，完成參考骨架曲面模型設(shè)計(jì)。根據(jù)需要添加基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)面等，并按直段、錐段、天圓地方的分類發(fā)布幾何特征，雙曲線稱重倉的參考骨架模型如圖5所示。

表1 參考骨架模型的參數(shù)

圖5 雙曲線稱重倉的參考骨架模型

3.3 雙曲線稱重倉參數(shù)化模型

零件設(shè)計(jì)時(shí)，在參考骨架模型基礎(chǔ)上建立零件模型，先復(fù)制參考骨架模型中的幾何特征，再以幾何特征為參考，繪制零件模型，完成零件模型建立后逐個(gè)設(shè)置零件參數(shù)，并創(chuàng)建參數(shù)與模型尺寸之間的尺寸驅(qū)動(dòng)。

由于每個(gè)零件模型都是在參考骨架模型基礎(chǔ)上建立的，所以裝配時(shí)不需要考慮零件的裝配順序，也不需要做任何裝配限制和約束，只需按默認(rèn)的方式將各個(gè)零件裝配在一起即可，其中直段和錐段分別按1/4模型創(chuàng)建的，裝配后陣列，最終完成雙曲線稱重倉裝配體模型，如圖6所示。

圖6 雙曲線稱重倉裝配體模型

在雙曲線稱重倉的裝配體模型中的所有零件參數(shù)之間建立關(guān)系，可以將由用戶定義的參數(shù)變?yōu)橛申P(guān)系驅(qū)動(dòng)的參數(shù)，這樣可以大大減少可變參數(shù)的數(shù)量，最終達(dá)到以最少的參數(shù)驅(qū)動(dòng)整體模型的效果，雙曲線稱重倉的主要控制參數(shù)見表2。

創(chuàng)建尺寸關(guān)系后，進(jìn)行設(shè)置程序，便于通過輸入自定義參數(shù)的新尺寸來再生雙曲線稱重倉的裝配體和零件模型，完成程序設(shè)置后，使用參數(shù)化設(shè)置命令選擇要修改的參數(shù)如圖7所示，重新輸入即可實(shí)現(xiàn)模型再生。

表2 雙曲線稱重倉的主要控制參數(shù)

圖7 使用參數(shù)化設(shè)置命令

利用參數(shù)化建模方法設(shè)計(jì)的雙曲線稱重倉比原來設(shè)計(jì)周期縮短了40%，雙曲線倉稱重倉的設(shè)計(jì)效率大大提高。通過雙曲線稱重倉參數(shù)化模型的建立，在雙曲線稱重倉標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)時(shí)，無需重新建模，只需修改雙曲線稱重倉的一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)，即可達(dá)到模型再生的效果，為雙曲線稱重倉的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)提供了有力保障。

4 雙曲線稱重倉的應(yīng)用

利用參數(shù)化建模方法設(shè)計(jì)的雙曲線稱重倉滿足加工、安裝和運(yùn)輸需要，并在快速定量裝車系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，如圖8所示。

應(yīng)用情況表明，設(shè)計(jì)的雙曲線稱重倉不堵料、不卡料，工作穩(wěn)定可靠，為快速定量裝車系統(tǒng)連續(xù)動(dòng)態(tài)快速精確定量裝車提供了有力保障。

圖8 雙曲線稱重倉現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5 結(jié) 語

本文利用參考骨架模型技術(shù)，提出一種雙曲線稱重倉參數(shù)化的建模方法，建立的雙曲線稱重倉參數(shù)化模型，只受幾個(gè)參數(shù)變量的控制，改變參數(shù)變量即可快速改變雙曲線稱重倉裝配體模型和零件模型，達(dá)到以最少的參數(shù)驅(qū)動(dòng)整體模型的效果，此方法可以大幅度提高雙曲線倉稱重倉的設(shè)計(jì)效率，同時(shí)為雙曲線稱重倉的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)提供有力保障。