仲 偉， 楊有林， 張周平， 謝世棋， 楊亞平， 高澤民， 姜 麗

(金川集團公司， 甘肅 金昌 737100)

0 前言

耙礦絞車在我公司所屬礦山井下使用較廣，其經(jīng)濟實用、適應(yīng)性強、安全可靠等特性使之成為井下使用較多的采場出毛(毛石)設(shè)備，我們在實際使用和檢修中發(fā)現(xiàn)，修理人員由于對耙礦絞車內(nèi)部的行星齒輪系統(tǒng)及差動輪系不了解，對其檢修調(diào)試工作存在一定障礙，對檢修造成一定的影響。由于修理人員專業(yè)理論上相對不夠深厚，加上差動輪系是輪系中較為復(fù)雜和專業(yè)，技術(shù)人員若直接從理論上講，在現(xiàn)場講解起來就較為生澀，難于理解，為此，我們利用現(xiàn)在的計算機三維軟件建模制作出設(shè)備的三維模型，并裝配成數(shù)字樣機，然后驅(qū)動數(shù)字樣機，進行設(shè)備工作仿真運轉(zhuǎn)，通過生動、逼真的運動模擬，使修理人員對設(shè)備的運轉(zhuǎn)原理進行了充分地理解，并在其隨后的設(shè)備故障判斷中極大的提高了工作效率，降低盲目性。計算機三維軟件我們用的是AutoDesk Professional Inventor，是機械工程里較為好用的三維軟件。

圖1 耙礦絞車示意圖

1 Inventor軟件簡介

Inventor是美國AutoDesk公司推出的一款三維可視化實體模擬軟件，能夠建立真實地反映系統(tǒng)的三維實體模型，并且可以將多個三維實體模型裝配為系統(tǒng)進行機構(gòu)動態(tài)分析。包括：零件造型、鈑金、裝配、表達視圖和工程圖等設(shè)計模塊。該軟件不僅具有強大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配和產(chǎn)生工程圖等設(shè)計功能，而且在設(shè)計過程中可以進行有限元分析、機構(gòu)運動分析、動力學(xué)分析和仿真模擬，提高了設(shè)計的可靠性。由于具有簡單易用、二三維數(shù)據(jù)無縫轉(zhuǎn)換等特性，使其在教育、制造、電子、汽車、航空等領(lǐng)域得以迅猛發(fā)展和普及。

2 耙礦絞車傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及絞車工作原理

2.1 絞車傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

耙礦絞車俗稱電耙子，其主機主要由驅(qū)動電機、普通二級齒輪減速器、主剎車機構(gòu)(主操縱機構(gòu))、主卷筒、副剎車機構(gòu)(副操縱機構(gòu))、副卷筒等組成(如圖2所示)，其中，主剎車機構(gòu)及主卷筒內(nèi)含1個行星齒輪減速器，副剎車機構(gòu)及副卷筒同樣也內(nèi)含1個行星齒輪減速器，這兩個行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)相同，皆為差動輪系，但減速比不同，兩套差動輪系的中心輪都靠同一傳動軸驅(qū)動，該傳動軸長度較長，貫穿兩個行星齒輪減速器，其本身驅(qū)動由前面的二級齒輪減速器的輸出端驅(qū)動。

1.副剎車機構(gòu) 2.副卷筒 3.主剎車機構(gòu) 4.主卷筒 5.減速機6.電動機 7.副差動輪系 8.主差動輪系圖2 耙礦絞車傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置圖

差動輪系是一種先進的齒輪傳動機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量小、承載能力大、傳遞功率范圍及傳動范圍大、運行噪聲小、效率高及壽命長等優(yōu)點。

兩套輪系結(jié)構(gòu)相同(如圖3所示)，兩個內(nèi)齒圈都同為剎車輪，兩個輪系的系桿都與相應(yīng)的卷筒固定為一體，但主差動輪系減速比大于副差動輪系，即主卷筒轉(zhuǎn)速低于副卷筒。

1.副差動輪系 2.主差動輪系 3.定軸輪系圖3 耙礦絞車傳動輪系結(jié)構(gòu)圖

2.2 絞車工作原理

耙礦絞車工作開始工作時是在電機啟動后，當(dāng)兩個內(nèi)齒輪均未被閘住的時候，則兩個內(nèi)齒輪都旋轉(zhuǎn)，但此時主、副卷筒在鋼絲繩和耙斗作用下都不動，如圖4所示。

圖4 井下耙礦絞車工作狀況示意圖

(1)當(dāng)制動主剎車制動手柄，使主差動輪系內(nèi)齒圈剎住，則與之相應(yīng)的主卷筒在行星輪和行星架的帶動下旋轉(zhuǎn)纏繩，拖動耙斗耙毛石，副卷筒在鋼絲繩作用下轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)向與主卷筒轉(zhuǎn)向相反，但轉(zhuǎn)速與主卷筒相同，由此平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)放繩；

(2)松開主剎車制動手柄，操縱副剎車手柄制動，使副差動輪系內(nèi)齒圈剎住，則與之相應(yīng)的副卷筒在行星輪和行星架的帶動下旋轉(zhuǎn)纏繩，拖動耙斗快速(副卷筒轉(zhuǎn)速高于主卷筒)返回毛石堆，同理，主卷筒在鋼絲繩作用下，其轉(zhuǎn)向與副卷筒轉(zhuǎn)向相反，但轉(zhuǎn)速副卷筒相同，以此完成快速旋轉(zhuǎn)放繩；

(3)交替操縱主、副剎車手柄，耙斗即做往復(fù)運動完成耙毛石工作。期間，驅(qū)動電機自始至終保持轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向不變，通過差動輪系完成運動的分解及運動方向的改變，即如此循環(huán)往復(fù)運動，實現(xiàn)其工作需求。

3 Inventor三維數(shù)字建模及機構(gòu)運動仿真

3.1 絞車Inventor三維數(shù)字建模

以現(xiàn)場使用中的2JP- 15型耙礦絞車進行建模，主要參數(shù)為：

(1)齒輪模數(shù)都為4 mm；

(2)主差動輪系：中心輪Z1=22，行星輪Z2=29，內(nèi)齒圈Z3=80。

(3)副差動輪系：中心輪Z1=34，行星輪Z2=23，內(nèi)齒圈Z3=80。

在用Inventor軟件建模時只考慮傳動齒輪為實體建模為主，其它構(gòu)件盡量簡化，前提是保證模型系統(tǒng)為耙礦絞車主機傳動系統(tǒng)的真實比照，否則模擬的就不是耙礦絞車的真實的運動仿真。具體方法如下：

(1)所有軸承處都用鉸支孔聯(lián)接替代，簡化后仍可保證其轉(zhuǎn)動性；

(2)部件裝配中，鍵連接盡量保持原有，便于理解，簡單處可省略但必須用約束命令將其與相應(yīng)部件約束為一體；

(3)機架及制動部件盡量簡化，能保證原有工作要求即可；

(4)各結(jié)構(gòu)件建模時盡量簡單，裝配后要保證間隔，同時要保證便于觀察，盡量減小部件間的遮擋；

(5)各部件配色要求相應(yīng)地對比分明。

通過Inventor絞車傳動系統(tǒng)三維建模如圖5所示。

圖5 耙礦絞車傳動系統(tǒng)Inventor三維建模模型布置圖

3.2 絞車Inventor機構(gòu)運動仿真

由于該絞車傳動系統(tǒng)中運動部件達20余個，都為轉(zhuǎn)動，為保證Inventor軟件能完成運動仿真的效果，在做運動約束時要注意全部使用“放置約束”里面的“角度約束”，而且選取“定向角度約束”選項(如圖6所示)。也即其中的齒輪嚙合不用軟件的“轉(zhuǎn)動約束”而用“角度約束”。在“角度”欄中填入“傳動比”*1deg，以保證數(shù)值單位是“度”。模型建好后，關(guān)鍵的就是后面的動畫設(shè)計。

圖6 Inventor建模放置約束示意圖

本文模擬的耙礦絞車動畫全部有4個過程，具體為：

(1)主副制動均未執(zhí)行時傳動機構(gòu)的運行形態(tài)；

(2)主制動執(zhí)行，副制動未執(zhí)行時傳動機構(gòu)的運行形態(tài)；

(3)主制動脫開，副制動執(zhí)行時傳動機構(gòu)的運行形態(tài)；

(4)主副制動全部脫開時傳動機構(gòu)的運行形態(tài)(同(1))；

利用Inventor軟件中的Inventor Studio功能對模型中的各部件按步驟有條件的進行動畫設(shè)計，然后進行驅(qū)動，完成前述的耙礦絞車的運動仿真，在Inventor Studio中，本模型選用“位置表達動畫”和“參數(shù)動畫”進行動畫設(shè)計，并且先用“位置表達動畫”設(shè)計整個動畫的“骨架”，然后用“參數(shù)動畫”對“骨架”進行“添加血肉”，從而保證動畫設(shè)計清晰有序進行，繁而不亂，具體如下：

(1)在“裝配”界面中設(shè)置“位置1”和“位置2”，并在“激活”條件下分別對主副卷筒和主副內(nèi)齒圈分別進行“替代”及“固定”設(shè)置；

(2)在“裝配”界面中調(diào)出“參數(shù)”選框，將主副差動輪系轉(zhuǎn)動部件相對應(yīng)的參數(shù)項重新用大寫字母和數(shù)字命名，并將參數(shù)最右邊選框的“√”打上(如圖7所示)，在對主副差動輪系相同部件進行參數(shù)命名時要用相同的字母，用不同的腳標(biāo)區(qū)分，便于設(shè)計及檢索時對參數(shù)的辨認；

圖7 Inventor參數(shù)動畫制作之參數(shù)設(shè)定布置圖

圖8 Inventor參數(shù)動畫制作之各參數(shù)動畫的時間位置設(shè)置圖

(3)進入Inventor Studio界面對動畫激活后，先定動畫總時間T(60秒)，并將整個動畫設(shè)計成4個時間段，即依次為“0—T1”10秒、“T1—T2”20秒、“T2—T3”20秒、“T3—T4”10秒，其中0、T1、T2、T3、T4分別為5個時間點，然后調(diào)出“動畫時間軸”點開“展開操作編輯器”后，用“位置表達動畫”設(shè)計將4個位置即“主要”、“位置1”、“位置2”、“主要”設(shè)置到相應(yīng)的時間軸位置，這樣就構(gòu)架出了整個動畫的全部框架，然后進行“參數(shù)動畫”設(shè)計，按表1對各部件進行相應(yīng)的參數(shù)動畫設(shè)置即可(如圖8所示)。

表1 Inventor參數(shù)動畫中各模型動作的時間及位置控制表

說明：①表內(nèi)參數(shù)S1和S2由角度表示，具體數(shù)值取當(dāng)部件發(fā)生干涉時的角度即可；

②其它參數(shù)皆用轉(zhuǎn)速表示，具體數(shù)值用輪系公式和本文后面介紹的相對轉(zhuǎn)動原理得出的公式(1)、(2)、(3)即可算出。

③中心輪1轉(zhuǎn)速盡量取低些，可以清晰觀察各轉(zhuǎn)動部件的運動狀態(tài)。

圖9 差動輪系結(jié)構(gòu)及運動原理圖

在Studio界面中，在對各參數(shù)值及轉(zhuǎn)向確認后，即可完成運動仿真動畫制作，然后驅(qū)動動畫，若運動達到要求，渲染動畫，制作成視頻存盤，至此運動仿真模擬制作完成。過程中須注意兩點：

(1)各部件轉(zhuǎn)動的傳動比和轉(zhuǎn)向要正確，否則，運動仿真會失真；

(2)位置參數(shù)設(shè)置要準確，否則，不同的運動前后聯(lián)動不起來，也不易同時聯(lián)動。

(本文的絞車三維機構(gòu)運動仿真動圖由于是視頻格式，在本文中不能播放，具體見http://v.youku.com/v_show/id_XMzMzNTg2ODM4MA==.html?spm=a2h3j.8428770.3416059.1或http://www.jxcad.com.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=1837351觀看。)

3.3 絞車三維機構(gòu)運動仿真分析及應(yīng)用

通過運行Inventor制作的耙礦絞車主機傳動機構(gòu)的數(shù)字樣機，真實還原設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成，精確做到設(shè)備的運動仿真，顯示各構(gòu)件的運動特性，確定各構(gòu)件的運動關(guān)系。

在本例中，主副卷筒分別直接與各自差動輪系中的系桿連接并由其帶動做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動，制動手柄直接控制兩個差動輪系的內(nèi)齒圈，兩個差動輪系皆為2K- H型差動輪系(如圖9所示)，自由度為2，2K- H型差動輪系傳動比及轉(zhuǎn)向計算。

太陽輪(中心輪)：齒輪1和齒輪3；

行星輪：齒輪2；

行星架(系桿)：構(gòu)件H；

轉(zhuǎn)速分別為：n1，n3，n2，nH；

根據(jù)相對轉(zhuǎn)動原理可得：

(1)

(2)

(3)

因為n3轉(zhuǎn)向不定，所以nH轉(zhuǎn)向不能確定，根據(jù)實際形態(tài)確定。

數(shù)字樣機模擬耙礦絞車運動仿真：

運動驅(qū)動保證：全過程中兩套差動輪系的中心輪在電動機的驅(qū)動下保持轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向(順時針)不變，平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，為運動的輸入端，主副卷筒分別與對應(yīng)差動輪系行星架(系桿H)聯(lián)動，為運動的輸出端。圖5背景端為耙斗工作現(xiàn)場，即卷筒順時針轉(zhuǎn)動為收繩，逆時針為放繩。

(1)主副制動均未執(zhí)行(如圖5所示)

(2)主制動執(zhí)行副制動未執(zhí)行(如圖10所示)

圖10 主制動執(zhí)行副制動未執(zhí)行運動仿真演示圖

內(nèi)齒圈不轉(zhuǎn)則行星齒輪既保持自轉(zhuǎn)(逆時針)又要沿著內(nèi)齒圈公轉(zhuǎn)(順時針)，帶動系桿H轉(zhuǎn)動，相應(yīng)主卷筒承受系統(tǒng)輸入端的轉(zhuǎn)矩并按相應(yīng)的(定軸輪系)傳動比轉(zhuǎn)動(順時針)；副卷筒在鋼絲繩作用下被動轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)速同主卷筒但轉(zhuǎn)向相反，副內(nèi)齒圈按新的傳動比轉(zhuǎn)動(按公式3計算)，轉(zhuǎn)向仍與其主動的中心齒輪轉(zhuǎn)向相同，主副差動輪系的各行星齒輪既有自轉(zhuǎn)又有公轉(zhuǎn)，此時，主卷筒收繩，副卷筒放繩，耙斗現(xiàn)場耙礦，運動方向逐漸靠近絞車。

(3)主制動脫開副制動執(zhí)行(如圖11所示)

圖11 主制動未執(zhí)行副制動執(zhí)行運動仿真演示圖

(4)主副制動全部脫開(同運動(1)，略)

在井下現(xiàn)場通過不斷交替重復(fù)耙礦絞車的運動(2)和(3)，來完成耙礦工作。

運動仿真應(yīng)用：在將錄制的耙礦絞車三維機構(gòu)運動仿真視頻放給維修人員看后，多數(shù)人反映，在看了視頻2～4遍后，已經(jīng)大概弄明白設(shè)備內(nèi)部運轉(zhuǎn)原理，認為這樣的視頻很直觀，容易理解，并表示在后面的設(shè)備故障檢修中就容易上手了，從而能減少設(shè)備檢修時間并相應(yīng)的提高檢修效率，進而達到進行設(shè)備三維運動仿真的目的。

總之，利用Inventor軟件建立模擬數(shù)字樣機，通過運動仿真進行動畫演示，能清晰表達出機構(gòu)運動的原理及運動狀況，使人快速領(lǐng)悟復(fù)雜機構(gòu)的運動。

4 結(jié)語

利用Inventor 軟件的“驅(qū)動約束”模塊可以模擬實現(xiàn)耙礦絞車主機差動輪系的運動過程；使用Inventor的參數(shù)驅(qū)動可以建立起約束主動變量與其他變量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)多個動作的同時驅(qū)動或動作按先后順序驅(qū)動。由于這些模擬過程無須編程或編寫代碼，因而顯得更加方便快捷、不易出錯。將該方法用于耙礦絞車的主機運動分析中，則可以通過制作的三維運動仿真模擬視頻，便可以方便而直觀地了解復(fù)雜的差動輪系結(jié)構(gòu)和工作原理，從而能提高檢修工作效率，降低檢修成本，還有助于修理人員學(xué)習(xí)了解設(shè)備等工作的開展。