基于ADAMS的履帶式多功能鉆機變幅—偏擺機構動力學仿真分析

吳幫普，穆迪

（1.貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550000 ；2.貴州航天天馬機電科技有限公司，貴州 遵義 563000）

基于ADAMS的履帶式多功能鉆機變幅—偏擺機構動力學仿真分析

吳幫普1，穆迪2

（1.貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550000 ；2.貴州航天天馬機電科技有限公司，貴州 遵義 563000）

介紹了ADAMS虛擬樣機技術在履帶式多功能鉆機變幅機構的動力學分析中的應用，通過仿真分析結果與實驗現象及數據的對比，驗證了仿真分析結論的正確性。同時，借助該虛擬樣機技術良好的可視化效果對樣機多種工作狀況進行模擬，對工作過程中所遇到的各種特殊現象的產生機理進行合理推斷，得到解決方案，并運用于新的系列鉆機產品研發(fā)中，有效提升產品性能，降低研究成本，縮短研制周期。

鉆機；變幅機構；ADAMS；建模仿真

履帶式多功能鉆機是主要針對地下連續(xù)墻、土釘墻支護、防滲墻、抗浮錨桿等施工工藝中鉆孔成孔的鉆探設備，廣泛應用于水電圍堰施工、堤壩防滲施工、公路邊坡錨固、地鐵隧道管棚支護施工、機場、高層建筑深基坑。采用潛孔錘常規(guī)鉆進、跟管鉆進、螺旋鉆進。在各類復雜地層及不同鉆進方法的造孔施工實踐中，其優(yōu)異的鑿孔性能，得到廣泛認可。

20世紀40年代，國外已將錨固支護技術應用于巷道支護工程，到20世紀50年代末，美國、瑞典、英國、波蘭等國家真正實現錨固支護的機械化，先后出現伸縮式氣動鑿巖機錨固孔、鉆車式錨固鉆機，并率先將錨固支護技術運用于煤礦巷道支護。經過幾十年的發(fā)展，國外錨固鉆機產品型號齊全，針對性強，機械化和智能化程度高，進入我國國內市場的廠商有德國的Bauer-Klemm（寶峨-克萊姆），瑞典的Atlas Copco（阿特拉斯），美國Schramm（雪姆）和Ngersoll-rand（英格索蘭）等公司。

20世紀60年代末，我國引進英國維克托錨固鉆機，并開始研制第一代電動錨固鉆機，20世紀90年以后，在錨固支護技術的大力推廣應用下，錨固鉆機技術才有了真正的發(fā)展。近幾年，我國錨固鉆機的研制普遍吸收了國外錨固鉆機技術，并針對具體的水文地質和施工工法，慢慢形成國產品牌的錨固鉆機。目前國內主要品牌有無錫雙帆YGL系列、成都哈邁HM系列、北京天和縱邦系列、北京探礦系列、北京優(yōu)博林系列等。

履帶式多功能鉆機為了適合不同的施工要求，已經向高效率、高性價比發(fā)展，根據不同的施工工法和施工地質條件，衍生出各種各樣的機型，所以研發(fā)周期、研發(fā)成本成了市場競爭力的重要內容之一。ADAMS是集建模、求解、可視化一體的機械系統(tǒng)仿真分析軟件，廣泛應用于機械結構的靜力學、運動學、動力學、振動學等分析。該軟件在幾十年的應用中，得到了很好的驗證，說明該軟件分析結果可以作為產品設計的參考依據，采用該軟件作為研發(fā)工具，可以有效提高分析結果的正確性和可靠度。

1 結構組成

1.1 整機結構

TDL-260履帶式多功能鉆機是在借鑒國外阿特拉斯產品的基礎上，考慮西南地區(qū)水文情況，研制的集水井鉆探和邊坡錨固一體的工程鉆機。

如圖1所示，鉆機主要由：履帶底盤、柴油發(fā)動機、動力頭、鉆桅、變幅機構、夾持器、卷揚、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。主要參數為：柴油發(fā)動機70kW，總重量10000kg，長寬高6500mm×2300mm×2880mm，鉆孔直徑130～280mm，動力頭最大扭矩6000Nm，起拔力65kN，動力頭滑移行程3500mm，卷揚提拉力85kN。

圖1 TDL-260履帶式多功能鉆機結構組成

1.2 變幅—偏擺機構

TDL-260履帶式多功能鉆機的變幅—偏擺機構是動力輸出執(zhí)行機構的直接載體，變幅—偏擺機構的穩(wěn)定性、空間位置、抗沖擊能力與鉆機的整體性能有著密切聯系。將上車聯接座作為基礎件，拆去底盤上車和下車，簡化后的變幅-偏擺機構的三維模型如圖2所示，主要由：基座部件、大臂構件、俯仰構件、鉆桅部件、大臂起豎油缸、大臂擺動油缸、鉆桅起豎油缸、鉆桅擺動油缸等組成。

圖2 變幅—偏擺機構

各個油缸的參數見表1。

主要工作和極限狀態(tài)見圖3。

圖3 鉆桅工作及極限狀態(tài)

2 工作機構仿真

2.1 變幅—偏擺機構數學建模

變幅—偏擺機構是具有多個自由度的開鏈空間連桿機構。它由多個構件用關節(jié)串聯而成，其一端固定接在機座上，而另一端則是末端執(zhí)行器即鉆桅。變幅—偏擺的各運動構件、油缸參數與鉆桅在空間的位置、姿態(tài)之間的關系以及某速度及加速度的確定是鉆機動力學研究的主要內容，也是液壓、電器控制設計的基礎。運動簡圖和坐標系的建立見圖4所示。

圖4 運動簡圖

采用Denarit-Hartenbeerg方法來描述空間桿的相對位置和姿態(tài)，任一桿件相對基座坐標系的位姿根據坐標變換公式可表示為：

在圖4的運動桿件系中，鉆桅的位姿采用中心點P的空間位置矢量（xp,yp,zp）T和過P點與鉆桅固結的單位矢量a及b的方向余弦（l,m,n）T和（u,v,w）T來描述。此時，在坐標系O4x4y4z4中P點的坐標為（0,0,dp）T，a及b的方向余弦為（0,0,1）T和（1,0,0）T，鉆桅的位姿矩陣為：

各桿件的機構參數有：d1，dp，d2=d3=d4=0；h1，h2，h3，h4；α1=α4=90°，α2=α3=0°；運動參數為：θ1，θ2，θ3，θ4，其中θ1是S1的簡單函數，θ2是S2的簡單函數，θ3是S3的簡單函數，θ4是S4的簡單函數。連接座與基座之間的位姿矩陣為M01；大臂構件與連接座之間的位姿矩陣為M12；俯仰構件與大臂構件之間的位姿矩陣為M23；鉆桅與俯仰構件之間的位姿矩陣為M34，各函數分別為：

表1 各個油缸參數表

將M01～M34代入式（2），采用MATLAB軟件矩陣運算功能經矩陣連乘運算可得鉆桅中心點P的坐標和矢量a及b的方向余弦，將θ1，θ2，θ3，θ4用S1，S2，S3，S4替換，則得到鉆桅相對基座的運動學方程。

2.2 動力學仿真

（1）簡化模型。為了獲得變幅—偏擺機構運動仿真的更高效率和精度，合理簡化原模型特征，并采用UG的wave幾何連接器功能和SW的實體組合功能，可以把沒有相對運動的裝配體組件轉化為part零件，從而簡化ADAMS的操作和提高求解速度。完成裝配的模型另存為parasolid.x_t格式，然后導入到ADAMS環(huán)境中如圖5(a)。

圖5 ADAMS環(huán)境中的變幅-偏擺機構模型

（2）施加約束、力。如圖6(b)所示，在ADAMS環(huán)境中，先完成重命名，設置材料密度，更改顏色，合并相對固定的部件等工作，利用Edit-Delete檢查是否有未更改過名字的部件，刪除多余部件。用Fixed Joint固定副把基座與大地固聯；因為油缸兩端均有關節(jié)軸承，所有對油缸連接處采用Spherical Joint球鉸副；自制件的連接處采用Revolut Joint鉸接副并設置摩擦系數；對油缸活塞采用Cylindrecal Joint圓柱副；油缸缸筒和活塞桿之間添加Contact三維接觸；對活塞桿設置Point Motion單軸點運動。完成設置后，用Tools-Model Verify功能檢查模型的狀態(tài)，一共有14個運動部件，4個圓柱副，7個球鉸副，6個鉸接副，1個固定副，4個單軸點運動，7個自由度，沒有多余的約束。

（3）變幅-偏擺機構垂直狀態(tài)。給定油缸進程流量40L/min（回程20L/min）。對應φ125mm缸徑，得活塞運動速度為（速比為1.55，此處針對無桿腔進行計算）

將該速度設置在鉆桅起豎缸活塞桿上，令其相對鉆桅起豎缸筒運動，可得大臂起豎油缸和鉆桅起豎油缸反作用力曲線,如圖6所示。

圖6 垂直狀態(tài)大臂起豎油缸和鉆桅起豎油缸受力情況

在起豎過程中，鉆桅起豎油缸最大推力為108753N,最大拉力為100547N，并且在6.8s時由推力變?yōu)槔?；大臂起豎油缸沒有運動，受到靜力作用，為152751N。開始起豎瞬間，俯仰處鉸點處受到308513N沖擊,之后迅速降到105624N，這時起豎變幅趨于穩(wěn)定；回轉處鉸點受力平穩(wěn)上升，最大到145687N。

（4）橫向水平工作狀態(tài)各油缸受力變化曲線。大臂起豎油缸和鉆桅起豎油缸同時作用，鉆桅在最高位置時各油缸和鉸點受力如圖7所示。

圖7 水平狀態(tài)大臂起豎油缸和鉆桅起豎油缸受力情況

在起豎過程中，鉆桅起豎油缸最大推力為102417N；大臂起豎油缸最大推力為48527N。開始起豎瞬間，俯仰處鉸點處受到312428N沖擊,之后迅速降到121475N，這時起豎變幅趨于穩(wěn)定；回轉處鉸點最大受力48516N。

3 結語

利用ADAMS軟件，建立了履帶式多功能鉆機的變幅-偏擺機構的動力學模型，進行了動力學與運動學仿真，并對其各個工作狀態(tài)和鉸點進行了分析，仿真過程可視性好、仿真結果圖表豐富，提高了履帶式多功能鉆機變幅-偏擺機構的設計效率，分析結果可以作為變幅-偏擺機構的結構優(yōu)化設計的有效參考數據，為下一系列履帶式多功能鉆機的設計開發(fā)提供了重要的指導。

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TU67

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1671-0711（2017）06（下）-0117-04