2008基于Pro E礦井提升機(jī)的實(shí)體建模

PAGEPAGE2基于Pro/E礦井提升機(jī)的實(shí)體建模解占新作者簡介：解占新作者簡介：解占新（1964-），男，山西平陸人，晉中學(xué)院副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)及研究；劉剛（1971-），男，山西臨縣人，晉中學(xué)院講師，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)、研究方向：CAD、CAE。（晉中學(xué)院機(jī)械學(xué)院山西·晉中030600）摘要本文以2JTP×1.2型礦井提升機(jī)為模型進(jìn)行研究，利用Pro/E軟件建立虛擬樣機(jī)三維模型，避免了做物理樣機(jī)的周期長、損耗大的缺點(diǎn)，為提升機(jī)虛擬樣機(jī)模型的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真建立基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：Pro/E，礦井提升機(jī)，動力學(xué)仿真，三維建模ABSTRACT：Thethree-dimensionalmodelbasedon2JTP×1.2wassetupbyusingPro/E.Anditwillbestudiedinthispaper.itnotonlyavoiddoingphysicalprototypewithalongcycleandbiglossbutalsoestablishafoundationforkinematicanddynamicsimulationresearchofvirtualprototypemodel.KEYWORDS:Pro/E，minehoister,dynamicssimulation，3Dmodeling1、引言礦井提升裝置是采礦業(yè)的重要設(shè)備，它的設(shè)計理論與分析比較復(fù)雜，很多研究人員做了大量的靜態(tài)和疲勞加載實(shí)驗(yàn)，給出了大量的提升機(jī)設(shè)計準(zhǔn)則。利用提升機(jī)的虛擬樣機(jī)對其纏繞系統(tǒng)進(jìn)行分析可以也可以避免各種理論準(zhǔn)則的使用局限性。利用計算機(jī)軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)或整機(jī)的動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、靜力學(xué)分析需要構(gòu)造他們的實(shí)體模型。本文以礦井提升機(jī)纏繞系統(tǒng)為原型，利用PRO/E三維實(shí)體造型設(shè)計軟件建立礦井提升機(jī)虛擬樣機(jī)三維實(shí)體模型的主體部分，為提升機(jī)虛擬樣機(jī)模型的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真建立基礎(chǔ)。2、礦井提升機(jī)的組成按提升機(jī)類型劃分，礦井提升機(jī)分為纏繞式礦井提升機(jī)與摩擦式礦井提升機(jī)，本文將以山西機(jī)器廠生產(chǎn)的2JTP×1.2型單繩雙卷筒纏繞式礦井提升機(jī)為對象進(jìn)行課題的研究。它由以下主要部件組成：主軸裝置（包括卷筒、主軸、主軸承、調(diào)繩裝置）、制動裝置（包括盤式制動器、液壓站）、減速器、天輪、驅(qū)動電機(jī)等[1]。1、調(diào)繩裝置在雙筒提升機(jī)中，都設(shè)有調(diào)繩裝置，它的用途是使游動卷筒與主軸分離或聯(lián)接，以便調(diào)節(jié)繩長、更換中段或更換鋼絲繩時，使兩個卷筒產(chǎn)生相對運(yùn)動。2、減速器礦井提升機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速，根據(jù)提升速度的要求，一般在20~60轉(zhuǎn)/分之間，而用作拖動提升機(jī)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速，通常在290~980轉(zhuǎn)/分的范圍內(nèi)。因此，除采用低速直流電動機(jī)拖動外，不能把電動機(jī)與主軸直接聯(lián)接，必須經(jīng)過減速器。提升機(jī)減速器分一級的和二級的。一般傳動比小于11.5時制成一級的，傳動比大于11.5時制成二級的。本文所用的提升機(jī)模型傳動比為24，因此采用二級減速。3、天輪天輪安設(shè)在井架上，供引導(dǎo)鋼絲繩轉(zhuǎn)向之用。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同分為兩類：鑄造輻條式天輪和型鋼裝配式天輪。鑄造輻條式天輪一般直徑在3.5米以下時選用，型鋼裝配式天輪一般在直徑4米以上時使用。輪緣是天輪的工作機(jī)構(gòu)，它有帶襯的與不帶襯的兩種。目前這兩種類型在我國礦山都采用。襯墊可用木材、舊皮帶、軟金屬或耐磨塑料等制成。由于木襯墊取材和制造容易，故我國礦山采用較多，在本文的分析中，亦采用這種材料。3、提升系統(tǒng)solidmodelingofminehoisterbasedonPro/E本文研究的提升系統(tǒng)圖如圖3-1所示。提升絞車采用2JTP×1.2型提升絞車，最大提升速度2.5m/s，最大提升高度520m,最大靜張力29400N，最大靜張力差19600N。罐籠采用YMGS-1.3-1型單層罐籠進(jìn)行建模，其自重為1150Kg，最大載重1200Kg，高度為1.3m。圖1提升系統(tǒng)圖Fig.1Thediagramofhoistingsystem電動機(jī)采用JO3-100S-6型，額定功率55KW，額定電壓380V，額定轉(zhuǎn)速960r/min，轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)矩為12.5Kg/m2。下面章節(jié)將介紹提升機(jī)系統(tǒng)主要部件的計算和選取。4主要尺寸的計算與選擇單繩纏繞式提升機(jī)系統(tǒng)的主要設(shè)計尺寸是鋼絲繩的選取、卷筒的直徑和寬度、天輪的直徑及鋼絲繩的最大靜張力和靜張力差，井架高度，鋼絲繩的偏角、卷筒中心至井筒提升中心線間的水平距離b等[2][3]。4.1鋼絲繩鋼絲繩每米重量為：其中，Q一次提升礦石重量；罐籠重量；鋼絲繩鋼絲的極限抗拉強(qiáng)度，一般為1.7*108Kg/m2；m提升鋼絲繩的安全系數(shù)，專為升降人員用的不低于9；升降人員和物料用的不低于8.5；專為升降物料用的不低于6.5。在本文的研究中，選取m=9。H0鋼絲繩最大懸垂長度，根據(jù)3.3節(jié)可知，所再用提升絞車的最大提升高度為520m，選取H0為400m。因此選取6×19鋼絲繩，技術(shù)規(guī)格為：直徑0.0155m，每米重量為1.02Kg，鋼絲破斷拉力總和為1.84*105N。4.2卷筒直徑卷筒直徑D的確定是以保證鋼絲繩在卷筒上纏繞時產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力較小為原則。根據(jù)理論和試驗(yàn)研究，鋼絲繩彎曲應(yīng)力與比值D/d間的關(guān)系如圖3-2所示。當(dāng)比值D/d≈80時，再增大比值D/d，彎曲應(yīng)力無顯著下降；相反，當(dāng)D/d≈60時，再減小比值D/d，則會引起彎曲應(yīng)力的急劇增加。據(jù)此，安全規(guī)程規(guī)定，卷筒直徑D與鋼絲繩直徑d之比：對于地面提升設(shè)備D/d≧80（1）對于井下提升設(shè)備D/d≧60（2）20204060800D/d圖2鋼絲繩彎曲應(yīng)力與D/d的關(guān)系Fig.2TherelationbetweenthebendstressofsteelcableandD/d按（1）或（2）式所求得的數(shù)值，選擇提升機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)卷筒直徑。在本文的研究中，2JTP×1.2型提升絞車卷筒直徑為1.2m。4.3卷筒寬度卷筒寬度B根據(jù)所需容納的鋼絲繩總長度來確定。鋼絲繩總長度包括：①提升高度；②供試驗(yàn)用的鋼絲繩長度；③為減少繩頭在卷筒上固定處的張力而設(shè)的三圈摩擦圈。雙卷筒提升機(jī)每個卷筒的寬度：單層纏繞時：（3）式中——鋼絲繩試驗(yàn)長度;——摩擦圈;——鋼絲繩圈之間的間隙，一般取2～3mm;——提升高度多層纏繞時：（4）式中n——卷筒上纏繞層數(shù)；——平均纏繞直徑，——每兩個月將鋼絲繩錯動0.25圈所需的備用圈數(shù)，根據(jù)鋼絲繩的使用年限，取2～4圈在本文的研究中，2JTP×1.2型提升絞車卷筒寬度為0.8m。4.4天輪直徑天輪直徑的選擇，一般等于卷筒直徑，或按安全規(guī)程規(guī)定：對于地面提升設(shè)備Dt/d≧80對于井下提升設(shè)備Dt/d≧60其中，d為鋼絲繩直徑。在本文的研究中，天輪直徑取為1.2m。根據(jù)3.4.1所選鋼絲繩直徑為0.0155m，因此選用TSG-1200/8.5型天輪。4.5最大靜張力與最大靜張力差按計算數(shù)值選擇標(biāo)準(zhǔn)提升機(jī)后，須驗(yàn)算提升機(jī)最大靜張力及最大靜張力差，都不應(yīng)超過提升機(jī)技術(shù)規(guī)格中的規(guī)定值。鋼絲繩最大靜張力（5）鋼絲繩最大靜張力差（6）式中：——容器自重；——一次提升量；——所選標(biāo)準(zhǔn)提升鋼絲繩每米重量。提升開始時，空罐籠一部分重量被曲軌支承，或者罐籠落在托爪上，提升機(jī)靜張力差都有可能出現(xiàn)瞬時過載，但也不應(yīng)超過允許值。4.6井架高度對于罐籠提升：(7)其中，容器高度，根據(jù)3.3節(jié)的選取，取為1.3m；過卷高度，當(dāng)提升速度時，；當(dāng)時，。本文中，提升最大設(shè)計速度為1.4m，因此取為4m。根據(jù)以上選取，井架高度4.7鋼絲繩偏角鋼絲繩偏角α是指鋼絲繩弦與天輪平面所成的角度，其值不應(yīng)大于。偏角的限制主要是防止鋼絲繩與天輪輪緣彼此磨損。在本文的研究中，鋼絲繩偏角取為。4.8水平距離b卷筒中心至井筒提升中心線間的水平距離b的大小主要應(yīng)使提升機(jī)房的基礎(chǔ)不與井架支撐的基礎(chǔ)相接觸。若兩者接觸，由于井架支撐的振動，可能引起提升機(jī)房以及提升機(jī)基礎(chǔ)的損壞，為了避免上述現(xiàn)象的產(chǎn)生，其最小距離應(yīng)滿足下式要求：根據(jù)2.4.6，，因此m，即b最小取8.06m，本文中取中心距離b為8.5m。5實(shí)體建模在本文中，提升機(jī)減速器、電動機(jī)、提升絞車等的模型采用美國PTC公司的三維建模軟件PRO/E來完成。Pro/EngineerWildfire3.0軟件是美國參數(shù)化技術(shù)公司PTC推出的新一代產(chǎn)品,它提供了集產(chǎn)品的三維造型設(shè)計、模具設(shè)計、加工、分析及繪圖等完整的CAD/CAE/CAM解決方案,該軟件以實(shí)用方便、參數(shù)化造型和系統(tǒng)的全相關(guān)性著稱[4]。在建模之前，必須對實(shí)際的礦井提升機(jī)模型進(jìn)行簡化。這樣不僅可以節(jié)省大量的建模時間，也可以保證仿真及分析過程能夠順利進(jìn)行。建模及簡化要遵循以下原則：①根據(jù)運(yùn)動副對模型進(jìn)行簡化，各個零件之間的運(yùn)動副要表示清楚。②在不影響視覺效果的前提下，模型外形應(yīng)盡量簡化③多個零件固結(jié)時，可以只用一個零件表示，以節(jié)省運(yùn)動副數(shù)量。因?yàn)檫\(yùn)動鏈越長，計算誤誤差越大。5.1建模流程Pro/E提供了多種實(shí)體建模方法，對于復(fù)雜的機(jī)械零件，我們都可以看成是由一些簡單的特征經(jīng)過相互之間的疊加、切割或相交而組成。一個零件的建模過程實(shí)際上就是許多個簡單特征相互之間的疊加、切割或相交的操作過程。一般來說，用Pro/E進(jìn)行實(shí)體建模的流程如圖3所示。啟動Pro/E進(jìn)入零件實(shí)體建模啟動Pro/E進(jìn)入零件實(shí)體建模環(huán)境分析零件特征，確定創(chuàng)建順序創(chuàng)建與修改基本特征創(chuàng)建與修改其它改造特征完成所有特征，保存零件模型圖3用Pro/E進(jìn)行三維實(shí)體建模流程Fig.3Theflowchartofbuildingthree-dimensionalbodyusingPro/Esoftware5.2建模方法本文所研究的對象是由山西機(jī)器廠生產(chǎn)的2JTP×1.2型單繩雙卷筒纏繞式礦井提升機(jī)。根據(jù)以上的建模方法和原則，結(jié)合礦井提升機(jī)物理樣機(jī)的實(shí)際尺寸，在Pro/E中進(jìn)行簡化建模，其主要由電機(jī)、減速器、主軸裝置、軸承等。圖4驅(qū)動電動機(jī)模型Fig.4themodelofdrivingmotor提升機(jī)驅(qū)動電動機(jī)采用JO3-100S-6型號交流電動機(jī)，模型整體尺寸按電動機(jī)尺寸建立，模型轉(zhuǎn)子質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量按實(shí)際電動機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量設(shè)置，使電動機(jī)動力學(xué)分析更符合實(shí)際。圖5減速器模型Fig.5themodeloftheretarder減速器采用二級減速，減速比為24，其中第一級減速比為4，第二級減速比為6。圖6減速器模型（去上蓋）Fig.6themodeloftheretarder(takenoutoftheuppercover)減速器第一級減速為直齒輪傳動，第二級為斜齒輪傳動，提高承載能力和輸出的穩(wěn)定性。圖7卷筒模型Fig.7themodelofthebarrel卷筒直徑為1.2m，寬度為0.8m尺寸按照山西機(jī)器廠生產(chǎn)的2JTP×1.2型單繩雙卷筒纏繞式礦井提升機(jī)的卷筒尺寸建造。5.3整機(jī)裝配圖8提升絞車模型Fig.8themodelofthewinch在以建立的提升機(jī)纏繞系統(tǒng)各零部件三維模型基礎(chǔ)上，按照實(shí)際組裝情況對其進(jìn)行總體裝配，如上圖所示。提升機(jī)主體結(jié)構(gòu)在PRO/E軟件中建造完畢，根據(jù)鋼絲繩等的特點(diǎn)，其將在ADAMS/VIEW中建立，進(jìn)而完成提升機(jī)纏繞系統(tǒng)的建模，為進(jìn)一步的分析做好準(zhǔn)備。6小結(jié)本文闡述了礦井提升機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其部分參數(shù)的選擇方法。根據(jù)提升機(jī)設(shè)計準(zhǔn)則，