矿用U 型钢专用曲臂举升机虚拟样机分析＊

朱建安 王 盖 郭培红

（河南理工大学，河南省焦作市，454000）

目前煤矿巷道掘进方式分为综掘和炮掘两种，根据国内科学技术的发展水平，对于煤或半煤岩巷道掘进采用综掘法较好，对于中硬度以上的巷道掘进有些还是以炮掘为主，而炮掘巷道支护的U 型钢却仍需借助导链、撬杠等原始工具进行人工安装，存在支护速度慢、工作效率低且安全性差的问题，由此影响了掘进速度，是引发煤矿开采过程中“采掘失调”的原因之一。

煤矿井下支护作业具有巷道空间狭小、底板硬度低且凸凹不平和具有可燃爆炸性气体等特殊环境，普通起重设备无法使用。因此，研制巷道支护U 型钢的专用举升设备便成为采用炮掘煤矿亟需解决的一项重要课题。本文以虚拟样机技术开发了一种履带式矿用U 型钢专用曲臂举升机，以实现巷道支护的安全性和快速性，着重对举升臂机构虚拟样机进行了设计分析。

1 举升机的概念设计

根据煤矿井下巷道支护的使用要求，U 型钢专用举升机主要的性能要求及设计特点如下：

（1）该举升机采用履带式行走机构、液压动力传动系统以及曲臂式举升机构，以适应掘进巷道的复杂路况及狭小作业空间，能进行短距离行走，结构紧凑并符合防爆要求。

（2）满足安装作业的进度要求，一次举升循环时间在60s 之内，吊装卡具最大运动速度为0.4m／s，实现U型钢快速稳定的举升过程。

（3）举升机工作空间范围如下：宽度为3.5m，高度为5 m，最大举升高度为5 m，举升力不小于5kN，降垂线偏差不大于300mm。

应用SolidWorks三维建模，举升机概念设计及几何建模如图1所示。

图1 举升机概念设计图

由图1可见，举升机装置可分为行走系统和举升臂系统两大组成部分。行走系统包括履带、底盘、回转机构、电机和操作台；举升臂系统包括支撑臂液压缸、支撑臂、动臂液压缸、动臂、摇臂液压缸和摇臂。举升臂系统安装在履带底盘上，支撑臂可以折叠。

举升机工作过程为：由吊装卡具从平板车上吊起U 型钢后，通过控制支撑臂液压缸活塞杆伸缩，打开支撑臂至竖直位置，同时动臂与摇臂两液压缸活塞杆伸缩，使U 型钢达到相应的工作位置，进而完成U 型钢的举升。

2 举升臂机构虚拟样机分析

举升臂是举升机完成U 型钢举升动作过程的执行机构，是举升机最主要的设计对象。对举升臂机构的虚拟样机分析，是举升机设计的关键环节。

2.1 机构建模

对举升臂机构的虚拟样机分析是基于ADAMS软件进行的。

在举升机概念设计及几何建模的基础上，考虑到举升机构的复杂性以及SolidWorks导入ADAMS后需要添加约束的数量，在机构建模时省略了一些不需要分析的零部件。从程序的原理来看，只要虚拟样机模型的质量、质心、转动惯量等和实际构件相同，仿真结果与物理样机就是等价的。如铰接和重物等可以在ADAMS中添加摩擦和力来完成。在运动学仿真中考虑到吊装卡具运动轨迹受控于摇臂的运动，就只需在卡具与摇臂铰接点做标记点，如图2中的A 点所示，测量A 点即能得到吊装卡具的相应参数。

2.2 举升臂虚拟样机仿真

本文采用已知系统运动学参量反求动力学参量的方式，设定举升重物质量、举升臂运行轨迹和举升时间等参数，反求各个构件的动力学和运动学参量。除去行走机构和其他辅助部件，按照举升过程运动关系，在ADAMS软件中可将举升臂系统机构三维模型划分举升臂、动臂、摇臂液压缸及其活塞杆、动臂液压缸及其活塞杆，共5个运动部件，其虚拟样机如图2所示。

图2 举升臂机构的虚拟样机图

2.2.1 添加约束

根据机构运动关系，各部件间施加约束关系如表1所示。

2.2.2 施加驱动和举升力

由举升机工作过程可知，要想顺利完成举升过程，液压缸必须采取手动阀控制。所以在建立驱动约束时，运用ADAMS 函数库中的STEP 函数模拟手动阀功能。在液压缸滑移副处添加驱动，并使用STEP函数实现对运动的控制。

添加驱动要根据系统实际工作过程，而运动控制要符合举升臂运动轨迹。举升臂完成一个完整的举升动作可分解为两条曲线段过程：吊装U 型钢，然后提升至目标高度并平移至终点；下降并回到起始位置。

表1 模型仿真的约束分配

对于每一段轨迹，设定重物的运动规律为静止-加速-减速-静止。考虑举升臂举升轨迹和结构限位要求以及举升作业循环的时间，编写STEP函数实现控制运动行程，在0～40s举升臂加速然后减速到静止，重物上升到最高位置时速度减为零。40～60s举升臂下降到初始位置，并且工作过程中速度不能超过要求最大速度。

在摇臂末端A 点位置施加最大载荷5kN 的作用力，方向竖直向下，模拟了举升机完整的工作情况。

2.3 仿真结果分析

图3～图6分别为输出吊装卡具Y、Z方向位移以及Z 方向速度和加速度曲线 （坐标系方向如图2中所示）。图7和图8分别为动臂举升力、举升臂系统仿真过程图。

2.3.1 吊装卡具位移

图3所示为吊装卡具在Y 方向随时间的位移曲线。

图3 吊装卡具Y 方向位移曲线

由图3可见，吊装卡具在工作过程中的最大位移为3.2m。

图4所示为吊装卡具在Z方向随时间的位移曲线。

图4 吊装卡具Z 方向位移曲线

由图4可见，举升臂系统绝对举升高度可以达到要求的4.2 m 以上，加上履带与回转机构等的高度0.8m，总高度能达到5～5.2 m，满足了概念设计中设定的工作高度。

2.3.2 吊装卡具速度和加速度

图5所示为吊装卡具在Z 方向速度曲线，反应了U 型钢在举升过程中的速度变化。

图5 吊装卡具Z 方向速度曲线

由图5可见，0～40s为举升时段，在40s时速度为零，达到最大举升高度；40～60s为空车下降时段，最大速度为0.3 m／s，小于设定值0.4m／s。速度较为稳定，满足了设计要求。

图6所示为吊装卡具在Z 方向加速度曲线。

由图6可见，最大加速度不超过0.02m／s2。

2.3.3 动臂举升力及仿真过程图

图7所示为动臂举升力随时间变化曲线。

由图7可见，0～40s是载重物举升过程，动臂最大举升力为14.3kN。设计中设定U 型钢重力不超过5kN，取举升力的安全系数为1.5，所以实际举升力满足要求。

图6 吊装卡具Z 方向加速度曲线

图7 动臂举升力随时间变化曲线

图8所示为举升臂机构实体仿真过程轨迹图。

图8 举升臂系统仿真过程图

由图8可见，升降垂线偏差h 约为200mm ，基本满足设计要求，能在规定时间内能完成全部动作。

本文所示虚拟样机分析，为矿用U 型钢专用曲臂举升机的最终产品设计与制造奠定了基础。

3 结论

本文研究开发一种煤矿U 型钢专用曲臂举升机，运用虚拟样机技术增加了设计结果的可靠性，节约了设计成本，缩减了产品开发周期，可用于炮掘巷道U 型钢的快速支护安装，对于提高支护效率，节约掘进成本，降低支护工人劳动强度具有重要意义。

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