基于虚拟样机技术的防爆电缆卷筒产品开发

，杨立洁，段楠河北工程学院（056038）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，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：电缆卷筒，防爆，虚拟设计，Pro/Engineer，ADAMS1、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（Virtualprototype）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[3][4]。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（ParametricTechnologyCorporation,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。1(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)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(MechanicalSystemSimulation)软件[6]，也是世界上应用最广泛且最具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/Engineer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3－4mm，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）[7][8]。据上述原则，电缆卷筒的外壳设计为8厘米厚的钢板，外壳各结合面装配允许间隙0.5mm，结合面宽度大于20mm[9]。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）25155临界间隙（mm）1.15-1.171.050.82（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“SetUpMechanism-RigidBody-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-OnlyWriteFiles”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10[11]。图4即为转换到ADAMS中的三维样机模型。3,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4（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]。6．1．1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：..()()TTTqdTTqdtqqϕρµθ∂∂0−++=∂∂完整约束方程(,)0qtϕ=非完整约束方程（6－1）.(,,)0qqtθ=其中T────系统动能；────系统广义坐标列阵；q────广义力列阵；Qρ────对应于完整约束的拉氏乘子列阵；µ────对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。6．1．2动力学方程求解把（6－1）式写成更一般的形式：.(,,,,)0Fquutλ=..(,)0Guquq=−=(,)0qtφ=（6－2）其中────广义坐标列阵；，u────广义速度列阵；q.qλ────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）；φ────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。6．1．2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:(,)0nqtφ=(6－2)任一时刻位置的确定，可由约束方程的Newton-Raphson迭代求得：nt5|(jjjnqqq,)tφφ∂∆=−∂（6－3）其中，，1jjqqq+∆=−jj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：.()qqtφφ∂∂=−∂∂（6－4）22......211(){()()nnklklklqqqqqtqqttqtφφφφφ==∂∂∂∂∂∂∂=−+++∂∂∂∂∂∂∂∂∑∑}q（6－5）nt时刻约束反力的确定，可由带乘子的拉格朗日方程得到：.(){()()TTdTTQqdtqqTφλ∂∂∂=−++∂∂∂（6－6）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（Simulationtype）为Default，设置仿真的终止时间（EndTime）为5.0，仿真工作步长（StepSize）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6（b）卷筒质心ROLLER_GROUP_CM的加速度图57、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）：9～11[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(交通科学与工程版).2004,28(2):226～228[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.