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1、http:/ 基于虚拟样机技术的防爆电缆卷筒产品开发 王桂梅，杨立洁，段楠 河北工程学院（056038）摘 要：摘 要：地下以电为动力源的移动设备如果安装了防爆电缆卷筒则可以提高其机动灵活性，并增强设备的安全性，目前国内外还未见类似产品。因此有必要开发防爆电缆卷筒产品。为使电缆卷筒的设计制造更加快速、可靠，本文首先利用 Pro/Engineer 进行防爆电缆卷筒的设计，创建其整体模型，然后将其模型转换到 ADAMS 中，进行仿真和运动学动力学分析，从而完成了防爆电缆卷筒的虚拟样机设计。在设计过程中依据煤矿安全规程对防爆电缆卷筒进行了防爆检验。结果表明，运用上述方法，可以大大缩短新产品的研发时间
2、，设计结果安全可靠。本文的方法还可以进一步应用到其他产品设计中。关键词：关键词：电缆卷筒，防爆，虚拟设计，Pro/Engineer，ADAMS 1、前言 以电为驱动源的地下设备不得不拖带很长的电缆，使得电缆长期在复杂的采场地面拖拽，有时操作人员不注意，可能碾压电缆，电缆被拖拽受到磨损，极易发生导电、漏电现象，从而引发人身、设备事故，同时也使车辆的机动性受到很大限制。解决这一问题的途径可以有两个方案：一是加装卷缆装置；二是采用其它无需从井下电网取电的设备，如使用防爆柴油机或用蓄电池向电机提供电源 1。目前国内外大型防爆柴油机产品已经较为成熟，在许多大型矿山的地下开采及运输中已广泛采用，但小型防爆
3、柴油机产品还未成熟；用蓄电池向电机提供电源则不需要向电网取电，因而也不存在电缆的收放问题，但蓄电池能够提供的电力及其持续时间非常有限。故针对地下以电为动力源的小型移动设备，安装电缆卷筒较合适。安装了防爆电缆卷筒则可以提高其机动灵活性，并增强设备的安全性，目前国内外还未见类似产品。因此有必要开发防爆电缆卷筒产品。虚拟样机（Virtual prototype）技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工矿进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术2。为使防爆电缆卷筒的设计制造
4、更加快速、可靠，本文首先利用Pro/Engineer进行电缆卷筒设计，并建立其整体模型，然后将其转换到ADAMS中，进行仿真和运动学动力学分析，从而完成了防爆电缆卷筒的虚拟样机设计34。在设计过程中依据煤矿安全规程对防爆电缆卷筒进行了防爆检验。结果表明，运用上述方法，可以大大缩短新产品的研发时间，设计结果安全可靠。且本文的设计方法还可以进一步应用到其他产品设计中。2、软件简介 Pro/Engineer是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation,简称PTC）的产品。Pro/Engineer用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建
5、立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型，系统独立于硬件，便于移植5。Pro/Engineer的主要功能有：（1）真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方；（2）具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力；（3）具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的意图；（4）容易使用，可极大的提高设计效率。1http:/ ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)即为机械系统动力学分析软件,该软件是世界上占有率最高的机械系统仿真MSS(Mechanical System Simulation)软件6，也是世界上应用最广泛且最具
6、有权威的机械系统运动力学仿真软件2。工程师、设计人员利用ADAMS软件能够建立和测试虚拟样机，实现在计算机上仿真分析复杂机械系统的运动学和动力学性能。ADAMS可以在多个领域内应用，如航空航天，汽车工程，铁路车辆及装备，工业机械，工程机械等。ADAMS 软件由若干模块组成，分为核心模块、功能扩展模块、专业模块、工具箱和接口模块 5 类。其主要功能有:（1)提供多个通用求解器的基础上,提供丰富的样本库、专用模块。（2)开放的软件环境为研究人员集成 CAD/CAM/CAE 软件、开发用户专用模块提供了方便。（3)充分考虑工程应用实际,提供功能齐全的工程分析和优化设计功能。（4)提供了与控制软件和绘
7、图软件如:MATLAB 和 Pro/Engineer 等软件的接口。（5)提供实体动画显示功能与运动干涉检查。3、建模及装配 3.1 零件建模 在 Pro/Engineer 环境下进行防爆电缆卷筒的设计。首先创建了电缆卷筒的零件模型。具体零件的建模过程不进行详细阐述，大致过程如图 1。电缆卷筒的零件有卷筒、卷筒支架、马达支架、传动轴、空心轴、端盖、电刷、集电环、电刷支架等等。3.2 总体装配及检验 Pro/Engineer 提供了相当丰富的装配类型，装配功能强大。电缆卷筒的零件模型建立后，进行整体装配，整个装配过程完全是按照设计思路进行，富有人性化，便于人机交互。图 2即为在 Pro/Engi
8、neer 环境下电缆卷筒的装配模型。装配完成后对电缆卷筒进行了干涉检验和防爆检验。其流程见图 3。4、防爆检验 为使电缆卷筒与电动机间的电缆在卷筒转动过程中不出现相对运动，设计过程中在电缆卷筒内设计了电刷和集电环。由于这一装置在一定情况下可能产生火花，当空气中含有一定浓度的瓦斯时，就会燃烧甚至爆炸，所以电缆卷筒必须具有耐爆性和不传爆性。耐爆要求，是由外壳的材质和机械结构强度来保证的，根据材料力学及实验结果，对于板外壳，理论上最小厚度为 34mm，铸铁为 6mm。不传爆性可通过外壳装配结合面宽度L、临界间隙dkp和加工表面精度来保证（参见表 1）78。据上述原则，电缆卷筒的外壳设计为 8 厘米厚
9、的钢板，外壳各结合面装配允许间隙0.5mm，结合面宽度大于20mm9。依据煤矿安全规程对防爆电缆卷筒进行了防爆检验，完全达到防爆标准，检验合格。创建草绘特征，如拉伸、选转、扫掠、混成创建三维实体零件定义截面轮廓，对草图施加尺寸约束和几何约束修改特征，如修改草图、修改各类参数创建放置特征，如切割、打孔、倒角、复制 图 1 零件建模 表 1 隔爆结合面宽度与临界间隙关系 结合面宽度（mm）25 15 5 临界间隙（mm）1.15-1.17 1.05 0.8 2http:/ 图 2 装配模型（Pro/engineer）5、转换 由Pro/Engineer建立的样机模型不能直接导入到ADAMS 中，两
10、个软件之间需安装接口文件，以实现其转换10。转换过程为：在 Pro/Engineer的MECH/Pro菜单选择“Set Up Mechanism-Rigid Body-Automatic”命令，装配体下的各个子装配体会各自生成刚体。在Pro/Engineer中生成刚体后，继续选择 MECH/Pro菜单下的“Interface-ADAMS/VIEW-Only Write Files”命令，完成两种软件之间的模型转换，在此我们选择转换的类型为Render格式，转换精度设置为最高值 1011。图 4 即为转换到ADAMS 中的三维样机模型。3http:/ 整机装配部件装配零件建模ADAMS转入干涉检
11、验,防爆检验检验合格否是否 图 3 整机装配 图 4 卷筒模型（ADAMS）6、仿真及运动学动力学分析 ADAMS采用世界上广泛流行的多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统的动力学方程。它选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的三个直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉角作为笛卡尔广义坐标，用带乘子的拉格朗日方程处理具有多余坐标的完整约束系统或非完整约束系统，导出以笛卡尔广义坐标为变量的运动学方程。ADAMS的计算程序应 4http:/ 用了吉尔（Gear）的刚性积分算法以及稀疏矩阵技术，大大提高了计算效率12。611 运动学方程的建立 ADAMS 程序采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程：
12、.()()TTTqdTTqdtqq0+=完整约束方程 (,)0q t=非完整约束方程 （61）.(,)0q q t=其中 T 系统动能；系统广义坐标列阵；q 广义力列阵；Q 对应于完整约束的拉氏乘子列阵；对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。612 动力学方程求解 把（61）式写成更一般的形式：.(,)0F q u ut=.(,)0G u quq=(,)0q t=（62）其中 广义坐标列阵；，u广义速度列阵；q.q约束反力及作用力列阵；F系统动力学微分方程及用户定义的微分方程（如用于控制的微分方程、非完整约束方程）；描述约束的代数方程列阵。在进行运动学分析时，ADAMS 采用两种算法：（1）提供三种
13、功能强大的变阶、变步长积分求解程序：GSTIFF 积分器、DSTIFF 积分器和 BDF 积分器来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程，这种方法适于模拟刚性系统（特征值变化范围大的系统）。（2）提供 ABAM 积分求解程序，采用坐标分离算法来求解独立坐标的微分方程，这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。612 运动学分析 运动学分析研究零件自由度系统的位置、速度、加速度和约束反力，因此只需求解系统的约束方程:(,)0nq t=(62)任一时刻位置的确定，可由约束方程的 Newton-Raphson 迭代求得：nt 5http:/|(jjjnqqq,)t=（63）其中，1jjqqq+=jj
14、表示第j次迭代。nt时刻速度、加速度的确定，可由约束方程求一阶、二阶时间导数得到：.()qqt=（64）22.211()()()nnklklklqq qqqtqqttqt=+q（65）nt时刻约束反力的确定，可由带乘子的拉格朗日方程得到：.()()()TTdTTQqdtqqT=+（66）针对转换为 ADAMS 中的电缆卷筒模型，首先利用 ADAMS 软件中提供的约束库、力库等建模模块，给电缆卷筒添加约束、力及力矩。完成这些设置之后，在马达上添加驱动，设置转速为默认值。利用主工具箱中的 Simulation 进行运动仿真。设置仿真类型（Simulation type）为 Default，设置仿真
15、的终止时间（End Time）为 5.0，仿真工作步长（Step Size）为 0.1,开始进行仿真。仿真完成后，进行运动学动力学分析。图 5 即为在默认驱动转速为 30rad/s 下，电缆卷筒上的马达上转动副 JOINT_15 和卷筒质心 ROLLER_GROUP_CM 的角加速度随时间的变化曲线。（a）转动副 JOINT_15 的扭矩 6http:/ （b）卷筒质心 ROLLER_GROUP_CM 的加速度 图 5 7、结论 本文在Pro/Engineer中对防爆电缆卷筒进行了设计、建模及装配13，在ADAMS中对其模型进行了仿真和运动学动力学分析14，其测试结果达到了预期目的。本文通过实
16、例说明了利用三维建模软件Pro/Engineer以及动力学仿真软件ADAMS的无缝连接15，对机构进行设计，有利于节省设计时间，提高设计效率，保证设计质量。这种方法大大提高了设计效率，对电缆卷筒进行虚拟设计研究，是一个良好的开端，我们将从电缆卷筒开始将虚拟设计延伸到更加广泛的领域内。参考文献 1 王桂梅，张平格，刘殿辉，等.井下用微型装载机的研制及改进.工程机械，2000（11）：911 2王国强，张进平，马若丁.虚拟样机技术及其在 ADAMS 上的实践.西安：西北工业大学出版社，2002 3 吴镇,吴庆鸣,孙国正.运用虚拟样机技术对四连杆组合臂架变幅轨迹的仿真研究.武汉理工大学学报(交通科学
17、与工程版).2004,28(2):226228 4刘金鹏,周丽琨,陈定方.IBR 虚拟现实系统中透镜模型的建立与实现.武汉理工大学学报(交通科学与工程版).2002,26(6):804806 5 钟建琳.Pro/Engineer 典型机械设计.北京：机械工业出版社，2002 6马玉坤,贾策,栾延龙,等.ADAMS 软件及其在汽车动力学仿真分析中的应用.重庆交通学院学报，2004（8）：110113，120 7电机工程手册编辑委员会.电机工程手册M.北京：机械工业出版社，1992 8开滦煤矿.防爆原理及修理手册M.北京：煤炭工业出版社，1974 9 王桂梅，宋德玉，段楠，等.QCL03 清仓机电
18、缆卷筒.机械工程师，2001（5）：3031 10 http:/ 11倪进峰，徐诚.Pro/Engineer 与 ADAMS 的复杂模型传递方法.机械工程师，2004（9）：1516 12李军，邢俊文，覃文洁等.ADAMS 实例教程.北京：北京理工大学出版社，2002 13 张越今,宋健.多体动力学仿真软件理论及应用研讨.机械科学与技术,1997,7http:/ 16(5)：753758,776 14 冯景华，吴南星，余冬玲.机械系统动态仿真技术及ADAMS 的理论基础研究.机械设计与制造，2004(2)：1719 15 陆 丹，汤 靖，王国林,基于ADAMS的麦弗逊前悬架优化设计.中国制造业
19、信息化，2004，33(8),106109 The product development of explosion-proof cable-roller based on technology of virtual prototype Wang Guimei，Yang Lijie，Duan Nan Hebei University of Engineering（056038）Abstract The moving equipment underground droved by electricity can improve its flexibility and enhance its sa
20、fety if equipped with explosion-proof cable-roller.But this product is not found home and abroad.Therefore，it is necessary to do this job.In order to make the design of explosion-proof cable-roller more quickly and more reliably,in this paper,firstly,the explosion-proof cable-roller is designed and
21、a 3-D model is set up with the software of Pro/Engineer.Then the model is changed into the environment of ADAMS,simulated and analyzed with the software.Thus the virtual prototype design of explosion-proof cable-roller is completed.Also an explosion-proof test is made according to Act of Coal for Se
22、curity.The result indicated that using this method can shorten the time of developing new product,and the design result is safe and reliable.The method in this paper can be applied to other products.Keywords:cable-roller,explosion-proof,virtual design,Pro/Engineer，ADAMS 8http:/ 2002 建立虚拟样机和建立物理样机的道理相同，要尽量简化模型。在满足虚拟样机仿真运动的完整性的同时，应尽量减少模型的零件数。虽然 ADAMS/View 具有强大的整机性能测试功能，但是建立模型时最好只包含所研究部分的系统和运动。因为需将整机模型转换到 ADAMS中，故在 Pro/Engineer 建模的过程中，只将主要零部件创建出来。一些小零件如螺钉、螺母、垫片等忽略，电刷、集电环在卷筒中虽然很重要，但对分析优化不起太大作用，故也将其省略不予考虑。电缆卷筒的主要零部件有传动轴、卷筒、空心轴、卷筒支架、卷筒端盖、支承端盖等。由于电缆卷筒的零件并不是太复杂，9