Pro／E和ADAMS环境下回柱绞车虚拟样机建模及动力学分析

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矿用回柱绞车，又称慢速绞车，是用来拆除和回收矿山采煤工作面顶柱的机械设备。由于它的高度较低，重量又轻，特别适用于薄煤层、急倾斜煤层采煤工作面，以及各种采煤工作面回收沉入底板或被矸石压埋的金属支柱之用。牵引力大和牵引速度慢是回柱绞车的主要性能要求。随着机械化采煤程度的提高，矿用回柱绞车越来越多地被广泛用于机械化采煤工作面，作为安装、回收各种设备之用。回柱绞车除用于回柱放顶工作外，也可用来拖运和调运车辆 j。

为了分析其动态特性，笔者采用 Pro/E软件先对整个绞车进行实体建模，然后再利用 ADAMS软件对其传动性能进行分析 。

1 传动原理回柱绞车的传动原理图如图1所示，动力传动系统的传递路线为：防爆电动机 弹性联轴器-小斜齿轮-大斜齿轮-环面蜗杆-蜗轮-小圆柱直齿轮-过桥齿轮-大圆柱直齿轮-卷筒。

图 l 回柱绞车传动原理图1.大圆柱直齿轮 2.过桥齿轮 3.小圆柱直齿轮 4.蜗轮5.大斜齿轮 6.防爆电动机 7.弹性联轴器8.小斜齿轮 9.环面蜗杆 1O.卷筒2 虚拟样机模型2.1 Pr(/E模型建立利用 Pm/E参数化建模功能，首先对该绞车各个69王凯 ，等：Pro/E和 ADAMS环境下回柱绞车虚拟样机建模及动力学分析 2013年第 5期表 1 各传动级刚度系数0.05，静摩擦因数为0.08。

4 仿真结果分析4.1 传动速度验证设置仿真时间为 0.5s，步数设为 1 500，得到各传动部件的转动速度如图4所示。

- 需辞时间/s图4 各传动部件的转动速度由ADAMS软件统计工具可得到各传动部件的转速值，并和理论转速进行对比，如表2所示。

表2 理论转速与仿真转速对比转速误差需控制在 1%以内，即可说明模型的正确性。由仿真结果可看出，理论转速与仿真转速误差很小，虚拟样机模型各部件满足传动要求。

4.2 齿轮啮合力分析由于篇幅有限，只给出传动最剧烈 的第-级(高速级)和负载最大的最后-级(低速级)的仿真结果。

1)高速级。各级的转速差别较大，为了得到较好的图形结果，故对于每-级分别设置仿真条件(仿真时间和步长)。第-级由于速度很高，故减少仿真时间。电动机速度函数设为 STEP(time，0，0d，0.08，5 910d)，仿真时间设为0.25s，仿真步长设为0.000 2。

虽 -星蚤 R匠尽- 2- 4- 6- 8 5频翠 /Hb)频域图图 5 高速级斜齿轮啮合的切向力时域和频域图对模型运行 0.08s之后的部分进行 Fourier(傅里叶)变换，得到图5b所示的高速级斜齿轮切向力的频域信息，查看主频为574.65Hz。齿轮啮合频率理论值的计算公式为：，zn/60 (4)式中：z为齿轮齿数；n为齿轮转速，r/min。

由式 (4)计算可得齿轮啮合频率的理论值为574.58Hz，误差为 0.01%。

采用 ADAMS后处理 中的查看工具，得到仿真0.1 s之后斜齿轮啮合力的平均值，分别计算斜齿轮的各向力的理论值，切向力 、径向力 F 、轴向力 的计算公式为：F 2T/D (5)F，F tan Ot /cos (6)F。 ta (7)式中： 为主动齿轮传递的力矩；D为主动齿轮分度圆直径；or 为法面压力角； 为分度圆螺旋角。

将理论值和仿真结果平均值进行对比，啮合力误差根据传动级的不同而不同，低速级由于负载很大，会造成很大的冲击，所以啮合力的仿真值与理论值的误差控制在 15%内即可满足要求，高速级啮合力仿真值与理论值的对比结果如表 3所示。

表 3 高速级啮合力仿真值与理论值的对比结果71wn- -O 砰 皓 2013年第 5期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)由表3所示可以看出，仿真值与理论值较接近，说明虚拟样机模型的可用性。

2)低速级。对最后-级而言，卷筒直接带动钢丝绳拖拉负载，转速很慢，故可以适当增加仿真时间。

电动机速度函数设为 STEP(time，0，0d，0.5，5 910d)，仿真时间为 3s，仿真步长为 1 000。最后-级齿轮啮合径向力的时域和频域图如图6所示。

时间/a时域图频率/Hzb)频域图图 6 低速级齿轮啮合径向力的时域和频域图经过傅里叶变换得主频为 7.016Hz，理论值为7.161Hz，误差为 2.02%。分别计算低速级齿轮的切向力、径向力的理论值，并与仿真结果平均值进行对比，其结果如表 4所示。

表 4 低速级啮合力仿真值与理论值的对比结果通过对比看出，虚拟样机模型的齿轮啮合力仿真值与理论值基本吻合，说明虚拟样机模型的准确性和实用性。其中存在的误差，可以认为是由以下因素引起。

1)由于几何模型是通过通用格式 Parasolid文件导人到 ADAMS中的，所以模型的质量会有所降低，造成啮合时受力误差。

2)仿真条件的设置，例如接触模型的参数主要包括刚度系数、阻尼系数、碰撞指数和摩擦因数等，因为理论计算时并没有完全或者较少考虑这些因素的影响。

3)仿真时间和步长的设置，如果步数太少，就会造成丢失很多仿真帧数，出现较大的影响和干扰，仿真效果变差。

4)结果分析中，将波动曲线取平均值，也会造成72误差 。

对于上述误差，可以通过提高建模精度，设置合适仿真参数以及仿真时间等措施加以改善。

5 结语基于 Pro/E建模软件，建立了回柱绞车的三维模型，并导人动力学仿真软件 ADAMS中，通过施加各种约束和载荷，形成了虚拟样机模型。通过动力学仿真，得到各传动件的转速，将其与理论值进行对比，误差满足要求，验证了传动的准确性。再由接触模型得到各齿轮啮合各向力的时域和频域图，与理论值基本相符，说明虚拟样机模型合理，仿真具有实用价值，可以为回柱绞车传动系统的强度校核、优化设计和振动分析等提供有效的依据。