基于PROE行為建模的掘進鉆車機罩優(yōu)化設計

焦中興，賈體鋒，趙建東，陳保磊

（徐州徐工鐵路裝備有限公司，江蘇 徐州221001）

1 概述

液壓掘進鉆車是地下礦山掘進常用設備，近年來，施工機械化程度提升，掘進鉆車應用越來越廣泛。早期鉆車設計對外觀不夠重視，主機部分通常僅設計一個頂罩，用于動力系統(tǒng)等部件的防護。隨著行業(yè)不斷發(fā)展進步，越來越多的鉆車采用全封閉式機罩設計，不僅提升設備的美觀度，也可改善主機部分的熱循環(huán)，增強設備的動力性能。

2 存在的問題

掘進鉆車在礦山巷道內使用，為了具有足夠的防護性能，機罩門多采用3 mm及以上的鈑金件制作，重量較大，單純依靠人力開啟較為費力，因此經常設計氣彈簧用于側門的開啟；同時，可使用氣彈簧反向支撐，以保持側門的關閉狀態(tài)，省去門鎖設計，方便維護。氣彈簧設計應滿足以下使用性能：

（1）關閉力小于100 N，可較為省力地關閉機罩門，同時有效支撐機罩門，保持開啟狀態(tài)，防止其自行關閉傷害到維修保養(yǎng)人員。

（2）使用氣彈簧保持關閉的側門，在經過氣彈簧死點前轉過的角度不宜小于5°，否則因車輛振動、側坡行駛等因素，易導致側門自行開啟。

機罩門開啟關閉速度相對較慢，可忽略慣性力的影響。設計時僅需校核開啟力、機罩門重力、氣彈簧支撐力三者之間的力平衡即可。然而受空間布局、氣彈簧行程、安裝距等諸多條件限制，達到最優(yōu)的設計效果需要反復變更氣彈簧鉸點位置，重復進行計算，導致工作量較大，影響設計效率。

3 掘進鉆車機罩結構

典型的液壓掘進鉆車機罩結構如圖1所示，頂板固定不動，左右兩側均為開門，以方便維護內部元件。O點為左側門開啟鉸點，左側門初始處于圖示位置，開啟后繞O點順時針旋轉90°。B點為氣彈簧固定鉸點，在機罩頂板上焊接的耳板上，位置相對保持不變。A點為氣彈簧活動鉸點，是左側門上的鉸點，開啟時隨側門一起旋轉。C點為開門、關門時的手持位置，計算時可認為：開啟力與門板始終垂直。

4 機構仿真分析

PROE軟件的機構仿真可進行位置、運動學、動力學等多方面的分析，并且在分析過程中，可對模型中創(chuàng)建的參數進行運算。為方便后期進行優(yōu)化分析，本次仿真進行參數化運算，并使用機構仿真中的位置分析，對側門開啟全過程進行運算，仿真步驟如下。

圖1 掘進鉆車機罩結構組成

（1）使用機構連接進行裝配。在O、A、B處創(chuàng)建銷釘連接，氣彈簧本身的缸桿與缸筒采用滑動桿連接。

（2）創(chuàng)建分析用參數。

創(chuàng)建距離測量參數如下：

PDG：門重心到O點的水平投影距離，即重力力臂；

DF：氣彈簧支撐力力臂；

創(chuàng)建角度測量參數如下：

AN：門開啟的實時角度；

AN1：過氣彈簧死點前需旋轉的角度；

創(chuàng)建常態(tài)參數如下：

M：左側門重量，取35.94 kg；

g：重力減速度，取10 m/s2；

F：氣彈簧支撐力，取1300 N；

DK：開啟力的力臂，取560 mm；

創(chuàng)建關系參數，用于開啟力KA計算，其定義如下：

If AN：FID_AN＜AN1：FID_AN1

KA＝(M*g*PDG：FID_DG+F*DF：FID_DF)/DK

Else

KA＝(M*g*PDG：FID_DG-F*DF：FID_DF)/DK

End if

即在過死點前，開啟力矩等于重力力矩與氣彈簧力矩之和；過死點后，開啟力矩等于重力力矩與氣彈簧力矩之差。

（3）機構仿真

將PROE切換至功能模塊，在O點創(chuàng)建伺服電機，設定轉速為9°/s，創(chuàng)建位置分析，時長設定為10 s，使左側門轉過90度，然后運行分析即可。

（4）結果分析

分析結果如圖2所示，開啟力滿足＜100 N，滿足設計要求；關閉力＞100 N，過死點前旋轉角度3.6°＜5°，不能滿足設計要求。因此，需要對氣彈簧鉸點位置進行調整。

5 運動骨架優(yōu)化分析

圖2 開啟力、氣彈簧力臂仿真分析結果

PROE軟件中，在單一的零件或組件中參數傳遞較為便捷，而跨部件傳遞參數較為困難。在圖1所示組件中調整A、B鉸點位置涉及到多個零件尺寸的調整，因此不適合用于分析優(yōu)化。在此，可創(chuàng)建運動骨架模型進行優(yōu)化分析。所創(chuàng)建的骨架模型如圖3所示，其中Ⅰ為頂板上的輔助線，用于創(chuàng)建參數AN1。

按照機構仿真分析類似的方法創(chuàng)建參數和位置分析，在進行優(yōu)化分析之前，需創(chuàng)建運動分析參數，用于對優(yōu)化條件的限制。在運動分析特征中創(chuàng)建如下參數：

圖3 運動骨架模型

MIN_FK：關閉力最大值；

MAX_FK：開啟力最大值；

MAX_LQ：氣彈簧最大安裝距；

MIN_LQ：氣彈簧最小安裝距；

調用PROE行為建模中的的優(yōu)化/可行性分析功能，創(chuàng)建優(yōu)化分析流程，目標為使AN1最大化，即過死點前旋轉角度最大化；設計約束條件為開啟力和關閉力均小于100 N，氣彈簧最小安裝距大于270 mm，最小安裝距小于450 mm，便于氣彈簧的加工制造；設計變量為活動鉸點和固定鉸點的尺寸值，根據內部其它元件布置，選擇合理的最小、最大限制；最終，創(chuàng)建的優(yōu)化分析如圖4所示。

運行優(yōu)化分析，得到結果如圖5所示，可見經過8次迭代，AN1值優(yōu)化至6.4°，滿足設計要求。接受目前的分析結果，對尺寸值進行圓整，使其符合設計習慣。然后可按第4節(jié)仿真分析的方法，對結果進行最終的校核。

圖4 過死點前旋轉角度優(yōu)化分析

6 結論

（1）使用機構仿真和運動骨架優(yōu)化分析的方法，對掘進鉆車機罩側門進行了優(yōu)化設計，使得機罩滿足使用要求；

圖5 優(yōu)化分析迭代過程

（2）提供了一種機構仿真的計算方法，可用于PROE模型中側門開啟和關閉力的全過程計算；

（3）給出了使用運動骨架模型和PROE行為建模進行氣彈簧鉸點優(yōu)化分析的方法，免去了因尺寸調整帶來的重復計算工作量，可快速得到滿足設計要求的結果。