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基于虚拟样机技术的堆取料机主要结构设计与运动仿真研究

尚鹏，崔志平，臧文韬，宋绍文，广玉明

河北工业大学机械工程学院，天津300130

天津市海威机械设备有限公司，天津300000

huiyipaper@163.com

关键词：堆取料机；结构设计；动态模拟

摘要：在本文中，基于虚拟样机技术设计了斗轮堆取料机的主要结构。首先，利用Solidworks三维设计软件建立斗轮堆取料机模型。 然后采用有限元分析方法对主要结构进行静力分析。最后使用Adams软件完成运动仿真，并绘制速度曲线。 本文基于参数化建模，有限元分析和运动仿真等一系列虚拟样机技术，有效地完成了主要结构设计和运动仿真。 虚拟样机技术在大型工程设备设计中具有明显的优势。

1 介绍

大型工程机械研发设计工作往往不是靠物理样机的帮助，而是借助比物理样机更有效，更经济的虚拟样机技术来完成。斗轮堆取料机主要用于热机厂、矿山、港口、钢铁、水泥等行业及大型水利建设工地的散料的堆料、取料、转运和均化。悬臂斗轮堆取料机因其堆取料能力强、料场小、操作方便、易于实现自动控制等优点而被广泛应用于工业部门，根据前臂架变幅的形式，臂架斗轮堆取料机可分为整体变幅式和臂架变幅系统杠杆抵消式。本文完成了整体变幅式斗轮堆取料机的主要结构设计和运动仿真。

整体变幅式斗轮堆取料机主要包括整体运动、回转和臂架变幅三种运动协调，通过斗轮机构、臂架带式输送机和尾部带式输送机的运行，实现物料的取、送、堆的自由裁量。斗轮堆取料机属于大型堆取料工程设备，结构复杂。因此，本文主要对整体变幅式斗轮堆取料机的回转机构、变幅机构和斗轮机构进行分析，完成了主要结构参数的计算，并选择斗轮机构作为主体结构进行了详细设计，且绘制了装配图、部装图和零件图。借助SolidWorks软件完成了机构的三维建模[1-2]和虚拟样机，并对斗轮机构的机构核心部件进行了有限元分析，验证了主轴承部件的设计强度，最后完成了Adam环境中虚拟样机的运动仿真[3-5]。

2 斗轮堆取料机的主要机构组成及主要结构设计

2.1回转机构

2.1.1回转机构的组成

回转机构主要由支承部件和回转驱动装置组成。支承部件一般由滚动轴承和上下座圈等组成，回转驱动装置由电动机、正交行星减速器、制动器、限矩联轴器、机座、盖板等组成，下座圈底部固定在门座上，下座圈的顶部则与带有外齿的推力径向交叉滚子轴承的外环连接，上座圈的顶部支撑转盘（或门柱），上座圈的底部则与滚子轴承的内环连接。安装在减速器输出轴上的主动齿轮与轴承外齿啮合，通过电机的动力传递，实现转盘上部到门座的回转。

2.1.2回转机构的主要结构参数设计

根据堆取料场及工作效率的要求，取斗臂架回转角度phi;=plusmn;110°

斗臂架最大回转速度V max=5times;9=45 m/min

斗臂架回转半径R=L=35m

2.2变幅机构

2.2.1变幅机构的组成

整体变幅式斗轮堆取料机的变幅机构采用液压变幅形式。主变幅液压装置[6-7]主要由变幅液压站、液压锁块、液压缸、管道、管接头、橡胶管、密封圈等组成，变幅液压站由电动机、油压泵、电磁阀、滤油器、安全阀、液压控制止回阀、闸阀、管道、管接头、密封圈、压力表、液位温度计、排油阀、油温自动加热系统等组成。其中变幅是由液压缸的膨胀完成的。

2.2.2变幅机构的主要结构参数计算

根据堆取料角度，取桩高：铁轨顶部的桩高为12米 铁轨下方的桩高为2米

变幅角：仰角为13°，俯角为11°

中心位置斗臂架变幅角为5m/s

根据堆料情况，通过几何计算得到

斗臂架长度L= （12 2）/（2times;sin12°）=33.67m

根据经验 取L=35m

在斗轮中心位置，斗臂架变幅角速度omega;=5/35=0.143rad/s

3斗轮机构的主要部件结构设计与检查

3.1斗轮本体结构设计及检查

根据经验，初步选定斗架直径容量D=7m，斗架材料为Q235，对斗架进行静态分析，有限元分析结果如图1所示：

图1斗架的冯氏应力

分析结果表明，斗架满足强度要求，具有一定的安全阈值，工作安全可靠。

3.2轴承座的结构设计和检查

轴承座材料为HT 200。斗轮倾斜安装，因此轴承座内部承受相当大的载荷。因此，只需对轴承座内部进行有限元分析，应力图和应变图如图2和图3所示：

图2轴承座的冯氏应力 图3轴承座的位移

通过分析，轴承座内部满足强度要求，具有一定的安全阈值和较小的变形载荷，工作安全可靠。

4虚拟样机的建立和运动仿真

4.1虚拟样机的建立

在构建斗轮堆取料机虚拟样机的过程中进行了简化，只保留了斗轮机构、变幅机构、回转机构、行走机构。虚拟样机如图4所示：

图4斗轮堆取料机的虚拟样机

4.2斗轮堆取料机的运动仿真

设置电机参数如下：

斗轮轴旋转电机恒速n=6r/min

变幅液压缸直线电机速度v=20mm/s

腰部回转机构旋转电机角速度omega;=1.22°/s

取料过程的模拟动作顺序为：斗臂架起重；斗轮转动；臂摆动；摆臂停止到位；斗臂架下降；臂反向摆动；摆臂停止到位；斗轮停止转动；斗臂架恢复水平位置。在Adams的帮助下，得到了取料过程中前臂架前面的速度-时间图（斗轮运动中心），如图5所示。

图5前臂架前面的速度 - 时间图

根据仿真结果，各部件之间互不干涉。移动时，机器无倾斜，运动平稳，移动速度和轨迹均满足预定要求。

5.结论

本文对整体变幅式斗轮堆取料机的斗轮机构、回转机构和变幅机构进行了分析。完成了主要结构参数的计算，并以斗轮机构为主体结构进行了详细设计，绘制了装配图、部装图和零件图。利用SolidWorks完成了上述三种机构的三维建模和虚拟样机，并对斗轮机构的机构核心部件进行了有限元分析，验证了设计结果的正确性，最后完成了虚拟样机在ADAMS环境下的运动仿真。在设计中，斗轮堆取料机的所有斗轮机构部件均满足强度要求，工作安全可靠。斗轮堆取料机的运动仿真结果表明，各部件之间互不干涉。机器无倾斜，移动时平稳并稳定移动。

本文基于参数化建模、有限元强度分析和运动仿真等一系列虚拟样机技术，有效地完成了斗轮堆取料机的结构设计，充分展示了虚拟样机技术在大型工程设备设计中的优越性。本文借助于后续的相关软件，完成了不同工况下机械设备运行状态下的风、雪荷载的仿真工作。

斗轮取料机的机械臂建模

Tien-Fu Lu,，IEEE成员

摘要-斗轮取料机（BWR）已广泛应用于采矿工业中将散装材料（即铁矿石）在库存中的堆放/取料。一般来说，当前的BWR是手动操作、远程操作或自动化的，并简单地遵循预定的轨迹模式。BWR体积大，重量大，价格昂贵且运动缓慢。业界普遍认为，目前的堆垛/回收效率仍然可以大幅提高，从而可以节省以美元计算的大量资金。然而，由于BWR一直大量投入生产，不能轻易地为提高效率而进行必要的研究和开发，因此，一个接近实际的BWR模型将是非常必要的，并且对开展必要的研究和准备极为有益。本文介绍了利用Matlab/Simulink对典型BWR进行建模所做的工作，不仅包括典型BWR的运动学和动力学，还包括其关节的摩擦力、编码器分辨率的限制以及覆盖未建模动力学的随机干扰。此外，在基于模型的基础上，开发了一种混合控制器，它由模糊逻辑控制器组成，用于控制BWR的运动。仿真结果表明，所建立的模型具有良好的性能，可用于进一步的研究，以提高相关的生产效率。

索引术语-斗轮取料机、建模与仿真、控制和模糊逻辑

I.引言

澳大利亚矿产行业占私人新资本支出的近四分之一，占全国就业总额的近8%，其中大部分位于澳大利亚农村和偏远地区，对澳大利亚政府的税收和特许权使用费收入做出巨大贡献[1]。

矿业是澳大利亚重要的出口产业之一。采矿活动涉及广泛，从勘探和识别新的矿体到加工、运输和出口。在铁矿石等散装物料出口之前，它们通常存放在用来等待根据所需的质量和数量组合进行回收的港口，然后装船。关于铁矿石流量的简化采矿操作流程如图1所示。它显示了哪两个阶段的铁矿石是储存的。本文以铁矿石为研究对象，对本文的研究工作进行了说明。尽管如此，本文的工作也适用于采用类似于BWR机制的其他散装材料加工。

在散装物料的装卸作业中，料堆主要有三个作用：第一，料堆起到缓冲作用，使堆料前后各工序时不受相互制约。第二，通过在堆料/回收时混合，料堆可用于减少料堆内质量等级的变化量。第三，料堆可作为质量等级目标系统的一部分，减少料堆之间的质量等级差异[2]。

图1:散装物料流量[3]

为了堆放铁矿石以形成料堆，并从料堆中回收铁矿石，通常使用BWR，如图2所示。

图2：左侧斗轮取料机和右侧料堆的图片[5]

到目前为止，BWR都是手动操作、远程操作或自动操作，以遵循预定义的简单轨迹模式，不具备在需要时自动改变轨迹的灵活性。对于目前大多数的自动化操作，所采用的堆叠/回收算法都以基于固定轨迹模式的反应模式运行，而不考虑负载传感器是否检测到阻力。由于这种逻辑，BWR进行回收却只得到了空气因而浪费了大量时间。随着散料装卸设备为满足市场需求而达到了机械的极限，能够以更好的效率回收从而节省时间将是非常有益的[4]。

任何了解这一领域的人都会同意，关于BWR相关的操作，还有很多领域可以进一步开发，效率也可以大大提高，包括BWR运动控制和堆叠/回收轨迹优化，以实现所需的质量和数量组合。

然而，BWR总是大量投入使用，并一直延伸到生产极限。为了提高运营效率，他们不能抽出时间用来研究和开发。因此，一个尽可能接近真实系统的BWR仿真模型将是非常理想和非常有益的。在此基础上，可以在仿真环境中进行各种研究、备案和开发。在得到满意的结果之前，可以根据评估标准尝试和测试不同的算法、参数和程序。因此，BWR操作的中断将保持在最低限度，仅用于通过模拟获得的新开发项目的实施和微调。

对典型的BWR进行建模，首先，其运动学和动力学是必不可少的，它描述了BWR的基本行为和运动基础。为了使模型更真实，BWR应包括许多其他的方面如它的联合摩擦力和联合编码器分辨率限制用于补偿某些未建模动态和环境影响（如风力）的意外干扰。为了使模型在仿真环境中得以实现，还需要一个合适的控制系统。

因此，本研究的重点是 使用Matlab/Simulink进行BWR的建模，用于未来基于仿真的研究。在本文中，章节组织如下：第二节给出了一个典型BWR的运动学和动力学。第三节介绍了摩擦力的建模，编码器限制和意外干扰。第四节介绍了控制器的设计。第五节给出了轨迹和仿真结果与讨论。最后，结论和建议见第六节。

II. BWR的运动学和动力学

典型的BWR通常具有3个自由度。第一自由度（轴1）来自于线性轨迹，在图3中可以看到它位于BWR底部并指向纸外。这个移动轴指向纸外并用一个有黑点的矩形框表示。这个线性轨迹允许BWR线性移动，因此看做是使用机器人术语的移动关节。第二 自由度（轴2）来自于频繁摆动导致的倾斜运动。此轴由一条箭头向上的垂直线表示。第三自由度（轴3）来了从上下旋转动臂的回转运动。这个指向纸外的轴由一个带黑点的圆表示。因此，本文重点研究的典型BWR可以看作是一个PRR机械臂。

由于BWR的运动学和动力学先前作者已经推导和提出了。在本节中，将提取并列出最终方程。该推导的细节，请参阅作者以前的著作[4]。

Axis 2, revolute

Axis 3, revolute

Axis 1 prismatic pointing out of the paper

图3：左图为斗轮取料机，右图为料堆

本文所研究的BWR具有表1所列参数和（1）中所列关节限值，由于不同的BWR具有不同

资料编号：[3597]