基于ADAMS的石油管道纏繞機齒輪系統仿真

周利成, 鐘　飛

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

?

基于ADAMS的石油管道纏繞機齒輪系統仿真

周利成, 鐘飛

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

[摘要]在動力學分析軟件ADAMS下創建石油管道纏繞機齒輪傳動系的簡化模型,進而對模型添加約束、設置驅動參數并進行運動仿真，得到齒輪傳動系在設定運動狀態下各齒輪的角速度、角加速度、位移和位移加速度等特性曲線,與理論值進行比較,驗證了理論設計的合理性。

[關鍵詞]機械系統動力學自動分析；纏繞機；齒輪傳動系；運動仿真

我國石油管道外防腐層修復通常采用在管道表面纏繞防腐膠帶或涂覆價格昂貴的煤焦油，施工基本上是人工作業[1-3]。鑒于此，設計研制了適合于國內管道實際情況及修復需要的自動纏繞機械，以提高管道外防腐層修復的效率和質量，降低修復工作中的勞動強度和人工成本[4]。

機械動力學分析軟件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)是集建模求解、可視化技術于一體的虛擬樣機軟件[5-10]。在ADAMS環境下，通過建立虛擬樣機模型,實現其運動過程的仿真，不斷修改設計缺陷以改進系統，直至獲得最優化的參數方案,最終做出理想的物理樣機[11-13]。

1石油管道纏繞機齒輪系統工作原理

該機具傳動部分由液壓馬達驅動回轉支架，連接在支架上對稱放置的筒式纏繞部分隨之做旋轉運動，外防腐膠帶由導出機構緊密纏繞于管道上。安裝在行走支架上的三組行走輪系統對其進行角度調節，以保證防腐膠帶搭接的寬度和厚度，從而實現整機做旋轉運動的同時沿軸向運動，最終完成防腐膠帶的纏繞(圖1)。

圖 1　纏繞機結構

2方案設計

2．1傳動系統設計

纏繞機傳動系統所要完成的功能任務是傳遞動力，保證機具能正常運轉。考慮到石油管道纏繞機野外作業的特殊環境，整機設計應輕便和易于裝卸。經對比齒輪傳動、帶傳動、鏈傳動、螺旋傳動以及摩擦輪傳動，發現齒輪傳動具有結構緊湊、工作可靠、傳動平穩、效率高、壽命長、能保證恒定的傳動比等優點，而且其傳遞的功率和適用的速度范圍大，能很好滿足設計要求。齒輪傳動系統結構見圖2。

圖 2　齒輪傳動系統結構

2.2傳動系統的理論計算

石油管道纏繞機齒輪傳動系工作原理：液壓馬達為初始動力，動力通過主動軸傳給直齒圓柱齒輪1，同軸直齒圓柱2通過嚙合傳動給齒輪3，使之帶動纏繞架繞管道回轉運動，同時直齒圓柱齒輪1通過直齒圓柱齒輪4、直齒圓柱齒輪5、直齒圓柱齒輪6多級傳動，將動力傳動到錐齒輪7和8，齒輪8連接著行走輪，只要行走輪以一定的速度旋轉就可以沿軸向運動(圖3)。整個傳動系通過齒輪多級傳動使錐齒輪8和直齒輪3轉動。為了驗證仿真的可靠性，計算各齒輪的輸出情況。各齒輪詳細參數見表1。

圖 3　石油管道纏繞機齒輪傳動系簡圖

齒數z/個模數分度圓直徑/mm齒輪119238齒輪245290齒輪32602520齒輪448296齒輪517234齒輪648296齒輪720240齒輪820240

已知驅動轉速為3 600 °/s，ω1、ω2、ω3、ω4、ω5、ω6、ω7、ω8分別為8個齒輪的角速度，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8分別為8個齒輪的加速度，i12為圓柱直齒輪1和圓柱直齒輪2的傳動比，z1和z2分別為齒輪1和齒輪2的齒數。

圓柱直齒輪1和齒輪4的傳動比

齒輪4和齒輪5的加速度

同理可得

ω2=3600°/s，ω3=623°/s，

ω6=504.7°/s，ω7=ω8=504.7°/s

因為創建的運動為勻速轉動，故

a1=a2=a3=a4=a5=a6=a7=a8=0°/s

3ADAMS中的建模

3.1創建圓柱直齒輪

“新建部件”下設置長度和半徑，在界面中選擇“起點”和“終點”，剛體圓柱直齒輪創建完成。

3.2創建傳動軸

“新建部件”下輸入長度及半徑，選擇齒輪的中心點作為軸的起點，垂直于齒輪創建一根傳動軸；同理，創建與軸連接的另一端齒輪。

3.3合并塊

首先選擇一個齒輪，接著選擇傳動軸，使之進行布爾加合并操作，此時齒輪與軸就合并成塊；同理，將傳動軸另一端的齒輪與軸合并成塊再進行布爾加操作。此時，兩個齒輪與中間傳動軸創建合并塊完成。

4創建約束

4.1創建旋轉副

將構建方式設置為“2體1點定位”和“選擇形狀特性”。需要注意的是，在拾取構件時應該首先選取齒輪，再選擇ground，否則在創建齒輪副的時候會出錯；同軸的齒輪只需建立一個旋轉副，所以分別在直齒輪1、直齒輪3、直齒輪5、錐齒輪7和錐齒輪8和ground之間建立一個旋轉副。整個齒輪傳動系共創建了5個旋轉副。

4.2創建方向坐標marker

兩兩嚙合的齒輪之間需要創建一個方向坐標“marker”點。“marker”的Z軸是指向齒輪的嚙合方向；將標記點設置為“添加到地面”，把方向設置為“全局XY平面”，分別在圓柱直齒輪1和4、齒輪2和3 、齒輪5和6 、錐齒輪7和8之間建立一個“marker”點。

4.3創建齒輪副

齒輪副是由2個旋轉副和1個方向坐標marker點組成的，方向坐標marker點建立起了2個齒輪與地面和2個旋轉副之間的關系。方向坐標marker點在ground地面上，作為2個齒輪的嚙合點，它的Z軸方向與齒輪嚙合的方向保持一致。

首先在圓柱直齒輪1和圓柱直齒輪4之間創建一個齒輪副。在運動副名稱的輸入框中點擊鼠標右鍵，“運動副”選取“JOINT_1”和“JOINT_2”，“共同速度標記點”的輸入框中點擊鼠標右鍵選取“ground.MARKER_19”。最后鼠標點擊“確定”，即完成了創建齒輪副GEAR1。接著按同樣的步驟創建齒輪2和齒輪3、齒輪5和齒輪6、圓柱錐齒輪7和圓柱錐齒輪8之間的齒輪副。

4.4添加驅動

液壓馬達與齒輪1相連接，只需在齒輪1上添加旋轉驅動，“特性”里面的“速度”設置為3 600°/s，完成驅動的添加(圖3)。

圖 4　添加約束的結果

5仿真運動及分析

5.1運動仿真

完成三維模型創建和添加約束后，即可對其進行動態仿真。仿真參數下的“時間設置”輸入“5.0 s”，“步數設置”輸入“200 步”，點擊“開始鍵”就可以進行模型的仿真運動。

5.2仿真結果

可通過Part Measure測量各個齒輪的角速度、角加速度以及齒輪上某一marker點位移和速度。測量特性選擇質心角速度，分量選擇幅值，得到的各齒輪的角速度曲線見圖4；同理，測量特性選擇質心角加速度，分量選擇幅值，得到各齒輪角加速度的曲線(圖5) 。齒輪上某一marker點的位移和位移加速度曲線見圖6。

圖 5　各齒輪角速度曲線

圖 6　各齒輪角加速度曲線

圖 7　marker點位移和位移加速度曲線

由圖4可得：ω1=3600°/s，ω2=ω1=3600°/s，ω3=623°/s，ω4=1425°/s，ω5=1425°/s，ω6=504.7°/s，ω7=ω8=504.7°/s。

由圖5可得：a1=a2=a3=a4=a5=a6=a7=a8=0°/s2。

將仿真所得值與計算所得理論值相比較，仿真結果與理論值一致。由圖6可見，marker點位移和位移加速度曲線為正弦曲線，且與理論一致，證明仿真可靠。

[參考文獻]

[1]高強.管道防腐層修復技術研究[D] . 青島：中國石油大學(華東)，2009.

[2]全佳，譚泉玲，岳良武，等.埋地油氣管道外防腐層檢測及修復技術[J].天然氣與石油，2013(01):75-77.

[3]李天一. 關于輸油管道的維修與防腐的研究[J]. 企業導報，2011 (13)：279.

[4]王光華，莫燦林.一種新型的管道纏繞技術[J].纖維復合材料，1996,9(3)：26-33.

[5]陳德民，槐創鋒，張克濤，等.精通ADMS2005/2007虛擬樣機技術[M].北京：化學工業出版社，2010.

[6]賈長治，殷軍輝，薛文星，等. MD ADMS虛擬樣機從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2010.

[7]唐鵬，石成江，劉占民，等.基于ADAMS的管道機器人動力學分析及仿真[J]. 機械設計與制造，2012， 7(7):2-3.

[8]于殿勇，錢玉進.基于ADAMS動力學仿真參數設置的研究[J].計算機仿真，2006(09)：103-106 .

[9]馮景華，吳南星，余冬玲. 機械系統動態仿真技術及ADAMS的理論基礎研究[J]. 機械設計與制造，2004(02) ：107-109.

[10] 孫月海，張策，潘鳳章，等. 直齒圓柱齒輪傳動系統振動的動力學模型[J]. 機械工程學報，2000(08)：47-50，54.

[11] 武志斐. 基于虛擬樣機技術的齒輪系統動力學分析[D]. 太原：太原理工大學，2008.

[12] 朱秋玲.齒輪系統動力學分析及計算機仿真[D].蘭州：蘭州理工大學，2004.

[13] 梁光偉. 齒輪傳動系統的動力學仿真分析 [J]. 數字技術與應用，2011(12)：207.

[責任編校： 張眾]

Modeling and Simulation of Gear System of Oil Pipe Winding Machine based on ADAMS

ZHOU Licheng，ZHONG Fei

(SchoolofMechanicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：Using ADAMS,the dynamic analysis software，the study realized the virtual prototype modeling and dynamic simulation of the gear transmission system of oil pipe winding machine, which greatly shortens the design cycle and reduces the cost of the repeating machine-making. This paper mainly introduces the simplified model of the gear transmission system of the oil pipe winding machine, and then adds the constraint and the driving parameters to the ADAMS, obtaining the characteristic curve of the gear transmission system under the condition of setting the angular velocity and the angular velocity of the gear. By comparing it with theoretical value, it verifies the rationality of theoretical calculation，which provides an important theoretical basis for the design and optimization of the gear transmission system of oil pipeline.

Keywords：automatic dynamic analysis of mechanical systems; winding machine; gear transmission system; motion simulation

[中圖分類號]TP391.9

[文獻標識碼]：A

[文章編號]1003-4684(2016)01-0038-04

[作者簡介]周利成(1989-)， 男， 湖北武穴人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為機械工程

[收稿日期]2015-10-28