基于Pro/E喷浆机喷射臂的虚拟样机分析

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随着高速铁路事业的快速发展，高速铁路逐渐进入西部山区，隧道施工工程随之增加，因而大断面地下工程及软弱围岩条件下的混凝土喷浆支护工程也日益增加。喷浆机在地下矿山、地下工程、水电涵洞 、交通隧道等施工中已得到广泛应用 。然而国内的喷浆机并不完善，主要依赖于进口，针对这-现状，某公司最新研制了1TrPJ喷浆机，它是-种全液压驱动的整体式喷射机组。

删 喷浆机是由底盘、喷射臂、液压和电气控制系统以及辅助管路系统组成。

2喷射臂驱动原理与结构1TIW 喷浆机的喷射臂有 9个自由度，分别是 ：大臂回转、大臂伸缩、大臂变幅、小臂回转、小臂伸缩、小臂变幅、喷头360。转动、喷嘴240。转动、喷嘴刷动阁。而且为了使小臂在大臂俯仰时自动保持平行，喷射臂还安装了液压调平装置 。调平装置是由上调平缸、下调平缸、大臂俯仰缸、大臂、大臂连接座、小臂连接座以及小臂组成，上、下调平缸结构尺寸完全相同。该调平系统中大臂俯仰缸为主动缸，当大臂在大臂俯仰缸的驱动下俯仰时 ，大臂同时带动下调平缸活塞杆伸出或收缩，而上调平缸也会同步地收缩或伸出151。喷射臂由大臂联接座、大臂、小臂、小臂连接座、喷射头这五部分组成，其主体结构，如图 1所示。

3喷射臂的Pro/E三维建模由于后续将进行喷射臂的动力学分析，因此采用 Proe的建模原则是：喷射臂建模严格细化，其他主体结构尽量简化。在三维建模时，首先按照已有的二维图纸建立单个零件的三维模型，然后根据各个组成部分的装配关系建立子装配，最后进行总装配。

按照这样由零件-子装配-总装配的建模流程 ，形成喷射臂的总装三维图，如图 2所示。

来稿日期：2012-06-05作者简介：吴晓明，(1957-)，男，黑龙江人，博士，硕士生导师，主要研究方向：电液伺服系统、气动伺服系统、机电液-体化l18 吴晓明等：基于Pro，E喷浆机喷射臂的虚拟样机分析 第4期1.大臂联接座 2.下调平缸 3.大臂俯仰缸 4.大臂 5.大臂伸缩缸6上 调平缸 7小臂连接座 8.，J、臂 9/j、臂伸缩缸 10.360。摆动缸1 1.240。摆动缸 12.喷射头图1喷射臂的主体结构图Fig.1 The Main Structure of the Slurry-Spraying Machine图2喷射臂i维总装图Fig.2 Th e 3D Model of the Slurry-Spraying Machine4喷射臂的虚拟样机仿真分析4.1基于 Pro/E软件的虚拟样机技术虚拟样机技术研究范围主要是：(1)机械系统运动学分析；(2)机械系统的动力学分析，主要涉及系统在外力作用下各构件之间的运动关系，是运动分析和动力学分析的混合形式日。Pro/Engineer中包括运动仿真 Mechanism design Extension(MDX)和动力学仿真Mechanism dynamics Option(MDO)两个方面的分析功H-[71，两者进行仿真分析时采用的流程，如表 1所示。

表 1 MD×和 MDO仿真分析流程Tab.1 The Analysis Process of MDX and MD0流程 MDX(运动仿真) MDO(动力学仿真)创建模型 定义连接生成连接添加建 应用伺服电机J1 Hj I口l 屯 L模图元运行运动学分析 析模型 1 明罕竹查看测量获得结果 创建运动包络创建轨迹曲线和运动包络定义主体指定质量属性生成连接应用伺服或执行电机、弹簧、阻尼器，定义力/力矩负荷、重力运行运动学分析运行静态、动态、力平衡分析创建轨迹曲线查看测量和动态测量创建要转移到Mechanica载荷42喷射臂的运动分析在 Pro/Engineer中按照 MDX的分析流程建立喷射臂的虚拟样机。此喷射臂具有 9个自由度，-般描述多自由度的运动是比较困难的。采用的思路是：将喷射臂的运动分为多个步骤，每个步骤保证不超过2个自由度。每个步骤结束的运动状态均作为下-个步骤的初始条件，这样可以模拟出该喷射臂的运动过程。而喷射臂作业范围非常广，主要研究以下三个特殊作业位置：最大喷射高度、最大喷射深度、最大喷射宽度。首先对喷射臂如何达到特殊工作尺寸进行实验步骤定义和理论分析 。

喷浆机主要用于隧道喷浆，由于其结构尺寸和喷射工作范围的限制，该喷射臂主要用于中等断面隧道(10-50)m 喷浆。在中等断面隧道中该喷射臂采用以下五个步骤完成整个喷射过程：(1)固定大、小臂回转机构保证大、小臂在同-个平面，调整大、小臂伸缩油缸到达最大行程，调整大臂俯仰缸和上调平缸使大、小臂与地面平行，此时为最大喷射宽度 ；(2)同时调整大臂俯仰缸行程至最小，上调平缸行程至最大；(3)调整上调平缸至最小行程 ，此时为最大喷射深度；(4)先调整上调平缸至最大行程，同时调整大臂俯仰缸行程至最大，上调平缸行程至最小；(5)调整上调平缸至最大行程，此时为最大喷射高度；(6)先调整上调平缸至最小行程，再同时调整大臂俯仰缸和上调平缸使喷射臂回到起始位置：在本机构中，驱动方式选择位置控制，调整油缸行程随时间改变，以2s作为-个动作时间段。为了确定喷射臂的最大作业范围必须首先建立测量点然后观察这些特殊点的坐标值变化，选取喷嘴口中心点作为测量点 P.。测量参考坐标系定义：首先在大臂和大臂支座中心铰接点建立坐标系，然后将此坐标系投影到地面形成测量参考坐标系 ACS1。最大喷射深度和最大喷射高度应由P.在坐标系 ACS1的Y轴的坐标变化来体现，而最大喷射宽度应由Pl在坐标系 ACS1的x轴的坐标变化来体现。运行完毕后在Pro/E/MDX中可以获得点 P 在 、l，轴的位移随时间变化曲线 ，如图3、图 4所示。

x轴位移变化曲线14000120oo1O0oog 8000600040oo2Ooo0f(s)图3 P，在 轴方向位移变化曲线Fig.3 The Displacement Curve of Pl in X Axis从图3中可以看出喷嘴按照预期在 16s出现了最高点，坐标值为 13206.79mm，考虑喷嘴距离喷射面距离为 1200mm所以最大喷射宽度为 14406.79mm。从图4中可以看出喷嘴按照预期在4s出现了最低点，在 12出现了最高点，坐标值分别为 (4，-6367.58)，(12，15027.59)，同样考虑喷嘴距离喷射面距离为1200mm，所以最大喷射深度为 7567.58mm，最大喷射高度为16227.59mm。

，，轴位移变化曲线f(s)图4 Pl在 Y轴方向位移变化曲线Fig.4 The Displacement Curve of Pt in Y Axis在 MDX中选择轨迹曲线”，可以绘制出测量点在喷射臂运行时的轨迹，在中等断面隧道喷浆过程中点P1的轨迹，如图5所示。此喷射臂的理论工作范围，如图 6所示。

No.4Apr.2013 机 械 设计 与 制造 ll9图 5喷射臂仿真轨迹Fig.5 The Simulation TrackIl-l， 。I l I I I I I∥ I l I I I I I II l l l曩 -] . I二i '、 f i -l- I -l I L I I图6理论工作范围Fig.6 The Work Scope in Theory喷射臂理论与模拟工作参数比较，如表2所示。

表 2喷射臂理论与模拟工作参数比较Tab.2 The Comparison Between the ParametersOf SimuIation and Those of Theo由表 2可看出模拟工作范围与理论工作范围基本-致，误差在许可范围内，也验证了本喷射臂虚拟样机模型的正确性。

4.3喷射臂的动力学分析针对喷浆机在中等断面隧道的整个喷浆过程，在 Pro/E/MDO中对喷射臂进行动力学分析时，油缸的驱动方式选择位置控制，由于在本模型中没有对混泥土管道建模 ，考虑管道和混泥土的重量，采用在喷头部分添加-个集中力 ，，其大小为 2000N。在 Pro/E/MDO中，分别对油缸和马达添加伺服电机，同时加载重力和集中力 ，为了后续对喷射臂的关键构进行受力分析，而模拟喷射臂的运动轨迹时只控制了油缸的位移 ，却没有控制驱动油缸的推力，为了保证本机构的受力真实，必须验证油缸是否在其工作范围内，即油缸输出力是否能实现此模拟工况。下面列举出各个驱动油缸在模拟中等断面隧道工况时其受力状况，驱动油缸受力随时间变化(图略)。

Drive2是大臂俯仰缸的受力曲线，油缸在 2s、6s时都达到峰值，其值为 348.58kN，此油缸在 250bar的工作压力其输出拉力为390kN。Drive3是大臂伸缩缸的受力曲线，油缸在 10s、14s时都达到峰值，其值为12.93kN，此油缸在 100bar的工作压力其输出推力为 51kN。Drive4是上调平缸的受力曲线，油缸在 2s、6s、12s时都达到峰值，其值为 150kN，此油缸在 250bar的工作压力其输出推力为202kN。Drive5是小臂伸缩缸的受力曲线，油缸在4s时达到峰值，其值为 6kN，此油缸在 50bar的工作压力其输出推力为13kN。四个驱动油缸理论与模拟最大输出力比较，如表 3所示。

由表 3可以看出四个驱动油缸模拟最大输出力均小于理论最大输出力，所以驱动油缸都能满足该工况需求。

表 3驱动油缸理论与模拟最大输出力比较Tab.3 The Comparison Between the Output Forces ofthe Drive Cylinders of Simulation and Those of Theo下面对-些重要构件与铰接点进行动态分析并查看他们的受力状况，找出其最恶劣的动作工况。喷射臂的关键构件是大臂连接座和小臂连接座，大臂连接座与其它构件有 3个铰接点连接，分别为连接座与大臂的铰接点，连接座与下调平油缸的铰接点，连接座与大臂俯仰缸的铰接点。在虚拟样机模型中分别定义这些铰接处所受的径向力为 Joint。、Joint 、Joint，。小臂连接座与其它构件有 2个铰接点连接，分别为连接座与小臂的铰接点，连接座与上调平油缸的铰接点。同理分别定义这些铰接处所受的径向力为Joint 、Joint 。在中等断面隧道喷浆过程中大臂连接座三个铰接点受力曲线，如图7所示。

40OOo0350oo03O0Ooo-250000弓20000015000o0ooo050000O(s)图7大臂连接座三个铰接点受力曲线Fig.7 The Force Curve of Three Hinged Points of theConnecting Seat of the Big Arm从图 7可以看出大臂连接座与大臂和大臂俯仰缸都在 2s和6s时达到最大值，与大臂俯仰缸受力变化-致，而连接座与下调平缸的受力则比较小，这与理论分析相符，因为大臂俯仰缸起主要支撑作用。在中等断面隧道喷浆过程中小臂连接座两个铰接点受力曲线 ，如图 8所示。从图 8可以看出小臂连接座与小臂和上调平缸都在 2s和 6s时达到最大值，与上调平缸受力变化基本- 致。综合分析大臂和小臂连接座受力图，可知当喷射臂的大臂俯仰缸处于最小行程，而上调平缸、大臂伸缩缸、小臂伸缩缸都处于最大行程时，喷射臂处于-个恶劣工况。

12O 机械设计与制造No.4Apr.2013f(s)图 8小臂连接座两个铰接点受力曲线Fig.8 The Force Curve of Three Hinged Points ofthe Connecting Seat of the Small Arm5总结介绍了9个自由度喷射臂的动作原理，该机构结构紧凑、动作范围广、可控性性好。-般多自由度机构描述运动过程比较困难，利用Proe建立其虚拟样机模型，同时对中等截面喷浆工况进行动力学仿真，验证驱动油缸的选型合理，同时找出了喷浆过程中喷射臂恶劣工况，即当喷射臂的大臂俯仰缸处于最小行程 ，而上调平缸、大臂伸缩缸、小臂伸缩缸都处于最大行程时，此时喷射臂受力最大，最易破坏。而动力学仿真结果为喷射臂的关键构件静力学分析提供理论依据，整个分析过程为多自由度臂架机构仿真提供-种简明有效的思路。