2008基于Pro E矿井提升机的实体建模

PAGEPAGE2基于Pro/E矿井提升机的实体建模解占新作者简介：解占新作者简介：解占新（1964-），男，山西平陆人，晋中学院副教授，主要从事机械设计基础教学及研究；刘刚（1971-），男，山西临县人，晋中学院讲师，硕士，主要从事机械设计基础教学、研究方向：CAD、CAE。（晋中学院机械学院山西·晋中030600）摘要本文以2JTP×1.2型矿井提升机为模型进行研究，利用Pro/E软件建立虚拟样机三维模型，避免了做物理样机的周期长、损耗大的缺点，为提升机虚拟样机模型的运动学和动力学仿真建立基础。关键词：Pro/E，矿井提升机，动力学仿真，三维建模ABSTRACT：Thethree-dimensionalmodelbasedon2JTP×1.2wassetupbyusingPro/E.Anditwillbestudiedinthispaper.itnotonlyavoiddoingphysicalprototypewithalongcycleandbiglossbutalsoestablishafoundationforkinematicanddynamicsimulationresearchofvirtualprototypemodel.KEYWORDS:Pro/E，minehoister,dynamicssimulation，3Dmodeling1、引言矿井提升装置是采矿业的重要设备，它的设计理论与分析比较复杂，很多研究人员做了大量的静态和疲劳加载实验，给出了大量的提升机设计准则。利用提升机的虚拟样机对其缠绕系统进行分析可以也可以避免各种理论准则的使用局限性。利用计算机软件进行机构或整机的动力学、运动学、静力学分析需要构造他们的实体模型。本文以矿井提升机缠绕系统为原型，利用PRO/E三维实体造型设计软件建立矿井提升机虚拟样机三维实体模型的主体部分，为提升机虚拟样机模型的运动学和动力学仿真建立基础。2、矿井提升机的组成按提升机类型划分，矿井提升机分为缠绕式矿井提升机与摩擦式矿井提升机，本文将以山西机器厂生产的2JTP×1.2型单绳双卷筒缠绕式矿井提升机为对象进行课题的研究。它由以下主要部件组成：主轴装置（包括卷筒、主轴、主轴承、调绳装置）、制动装置（包括盘式制动器、液压站）、减速器、天轮、驱动电机等[1]。1、调绳装置在双筒提升机中，都设有调绳装置，它的用途是使游动卷筒与主轴分离或联接，以便调节绳长、更换中段或更换钢丝绳时，使两个卷筒产生相对运动。2、减速器矿井提升机的主轴转速，根据提升速度的要求，一般在20~60转/分之间，而用作拖动提升机的电动机转速，通常在290~980转/分的范围内。因此，除采用低速直流电动机拖动外，不能把电动机与主轴直接联接，必须经过减速器。提升机减速器分一级的和二级的。一般传动比小于11.5时制成一级的，传动比大于11.5时制成二级的。本文所用的提升机模型传动比为24，因此采用二级减速。3、天轮天轮安设在井架上，供引导钢丝绳转向之用。根据结构形式不同分为两类：铸造辐条式天轮和型钢装配式天轮。铸造辐条式天轮一般直径在3.5米以下时选用，型钢装配式天轮一般在直径4米以上时使用。轮缘是天轮的工作机构，它有带衬的与不带衬的两种。目前这两种类型在我国矿山都采用。衬垫可用木材、旧皮带、软金属或耐磨塑料等制成。由于木衬垫取材和制造容易，故我国矿山采用较多，在本文的分析中，亦采用这种材料。3、提升系统solidmodelingofminehoisterbasedonPro/E本文研究的提升系统图如图3-1所示。提升绞车采用2JTP×1.2型提升绞车，最大提升速度2.5m/s，最大提升高度520m,最大静张力29400N，最大静张力差19600N。罐笼采用YMGS-1.3-1型单层罐笼进行建模，其自重为1150Kg，最大载重1200Kg，高度为1.3m。图1提升系统图Fig.1Thediagramofhoistingsystem电动机采用JO3-100S-6型，额定功率55KW，额定电压380V，额定转速960r/min，转子飞轮转矩为12.5Kg/m2。下面章节将介绍提升机系统主要部件的计算和选取。4主要尺寸的计算与选择单绳缠绕式提升机系统的主要设计尺寸是钢丝绳的选取、卷筒的直径和宽度、天轮的直径及钢丝绳的最大静张力和静张力差，井架高度，钢丝绳的偏角、卷筒中心至井筒提升中心线间的水平距离b等[2][3]。4.1钢丝绳钢丝绳每米重量为：其中，Q一次提升矿石重量；罐笼重量；钢丝绳钢丝的极限抗拉强度，一般为1.7*108Kg/m2；m提升钢丝绳的安全系数，专为升降人员用的不低于9；升降人员和物料用的不低于8.5；专为升降物料用的不低于6.5。在本文的研究中，选取m=9。H0钢丝绳最大悬垂长度，根据3.3节可知，所再用提升绞车的最大提升高度为520m，选取H0为400m。因此选取6×19钢丝绳，技术规格为：直径0.0155m，每米重量为1.02Kg，钢丝破断拉力总和为1.84*105N。4.2卷筒直径卷筒直径D的确定是以保证钢丝绳在卷筒上缠绕时产生的弯曲应力较小为原则。根据理论和试验研究，钢丝绳弯曲应力与比值D/d间的关系如图3-2所示。当比值D/d≈80时，再增大比值D/d，弯曲应力无显著下降；相反，当D/d≈60时，再减小比值D/d，则会引起弯曲应力的急剧增加。据此，安全规程规定，卷筒直径D与钢丝绳直径d之比：对于地面提升设备D/d≧80（1）对于井下提升设备D/d≧60（2）20204060800D/d图2钢丝绳弯曲应力与D/d的关系Fig.2TherelationbetweenthebendstressofsteelcableandD/d按（1）或（2）式所求得的数值，选择提升机的标准卷筒直径。在本文的研究中，2JTP×1.2型提升绞车卷筒直径为1.2m。4.3卷筒宽度卷筒宽度B根据所需容纳的钢丝绳总长度来确定。钢丝绳总长度包括：①提升高度；②供试验用的钢丝绳长度；③为减少绳头在卷筒上固定处的张力而设的三圈摩擦圈。双卷筒提升机每个卷筒的宽度：单层缠绕时：（3）式中——钢丝绳试验长度;——摩擦圈;——钢丝绳圈之间的间隙，一般取2～3mm;——提升高度多层缠绕时：（4）式中n——卷筒上缠绕层数；——平均缠绕直径，——每两个月将钢丝绳错动0.25圈所需的备用圈数，根据钢丝绳的使用年限，取2～4圈在本文的研究中，2JTP×1.2型提升绞车卷筒宽度为0.8m。4.4天轮直径天轮直径的选择，一般等于卷筒直径，或按安全规程规定：对于地面提升设备Dt/d≧80对于井下提升设备Dt/d≧60其中，d为钢丝绳直径。在本文的研究中，天轮直径取为1.2m。根据3.4.1所选钢丝绳直径为0.0155m，因此选用TSG-1200/8.5型天轮。4.5最大静张力与最大静张力差按计算数值选择标准提升机后，须验算提升机最大静张力及最大静张力差，都不应超过提升机技术规格中的规定值。钢丝绳最大静张力（5）钢丝绳最大静张力差（6）式中：——容器自重；——一次提升量；——所选标准提升钢丝绳每米重量。提升开始时，空罐笼一部分重量被曲轨支承，或者罐笼落在托爪上，提升机静张力差都有可能出现瞬时过载，但也不应超过允许值。4.6井架高度对于罐笼提升：(7)其中，容器高度，根据3.3节的选取，取为1.3m；过卷高度，当提升速度时，；当时，。本文中，提升最大设计速度为1.4m，因此取为4m。根据以上选取，井架高度4.7钢丝绳偏角钢丝绳偏角α是指钢丝绳弦与天轮平面所成的角度，其值不应大于。偏角的限制主要是防止钢丝绳与天轮轮缘彼此磨损。在本文的研究中，钢丝绳偏角取为。4.8水平距离b卷筒中心至井筒提升中心线间的水平距离b的大小主要应使提升机房的基础不与井架支撑的基础相接触。若两者接触，由于井架支撑的振动，可能引起提升机房以及提升机基础的损坏，为了避免上述现象的产生，其最小距离应满足下式要求：根据2.4.6，，因此m，即b最小取8.06m，本文中取中心距离b为8.5m。5实体建模在本文中，提升机减速器、电动机、提升绞车等的模型采用美国PTC公司的三维建模软件PRO/E来完成。Pro/EngineerWildfire3.0软件是美国参数化技术公司PTC推出的新一代产品,它提供了集产品的三维造型设计、模具设计、加工、分析及绘图等完整的CAD/CAE/CAM解决方案,该软件以实用方便、参数化造型和系统的全相关性著称[4]。在建模之前，必须对实际的矿井提升机模型进行简化。这样不仅可以节省大量的建模时间，也可以保证仿真及分析过程能够顺利进行。建模及简化要遵循以下原则：①根据运动副对模型进行简化，各个零件之间的运动副要表示清楚。②在不影响视觉效果的前提下，模型外形应尽量简化③多个零件固结时，可以只用一个零件表示，以节省运动副数量。因为运动链越长，计算误误差越大。5.1建模流程Pro/E提供了多种实体建模方法，对于复杂的机械零件，我们都可以看成是由一些简单的特征经过相互之间的叠加、切割或相交而组成。一个零件的建模过程实际上就是许多个简单特征相互之间的叠加、切割或相交的操作过程。一般来说，用Pro/E进行实体建模的流程如图3所示。启动Pro/E进入零件实体建模启动Pro/E进入零件实体建模环境分析零件特征，确定创建顺序创建与修改基本特征创建与修改其它改造特征完成所有特征，保存零件模型图3用Pro/E进行三维实体建模流程Fig.3Theflowchartofbuildingthree-dimensionalbodyusingPro/Esoftware5.2建模方法本文所研究的对象是由山西机器厂生产的2JTP×1.2型单绳双卷筒缠绕式矿井提升机。根据以上的建模方法和原则，结合矿井提升机物理样机的实际尺寸，在Pro/E中进行简化建模，其主要由电机、减速器、主轴装置、轴承等。图4驱动电动机模型Fig.4themodelofdrivingmotor提升机驱动电动机采用JO3-100S-6型号交流电动机，模型整体尺寸按电动机尺寸建立，模型转子质量与转动惯量按实际电动机转子质量与转动惯量设置，使电动机动力学分析更符合实际。图5减速器模型Fig.5themodeloftheretarder减速器采用二级减速，减速比为24，其中第一级减速比为4，第二级减速比为6。图6减速器模型（去上盖）Fig.6themodeloftheretarder(takenoutoftheuppercover)减速器第一级减速为直齿轮传动，第二级为斜齿轮传动，提高承载能力和输出的稳定性。图7卷筒模型Fig.7themodelofthebarrel卷筒直径为1.2m，宽度为0.8m尺寸按照山西机器厂生产的2JTP×1.2型单绳双卷筒缠绕式矿井提升机的卷筒尺寸建造。5.3整机装配图8提升绞车模型Fig.8themodelofthewinch在以建立的提升机缠绕系统各零部件三维模型基础上，按照实际组装情况对其进行总体装配，如上图所示。提升机主体结构在PRO/E软件中建造完毕，根据钢丝绳等的特点，其将在ADAMS/VIEW中建立，进而完成提升机缠绕系统的建模，为进一步的分析做好准备。6小结本文阐述了矿井提升机的结构特点及其部分参数的选择方法。根据提升机设计准则，