基于ADAMS的管片拼装机运动学与动力学分析

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Dynamic and Kinematical Analyses of Segment Erector Based on ADAMSWANG Nan ，ZHANG Jun ，LU Junguang，HAO Lihong(Colege of Mechanical and Electrical Engineering，Hebei University of Engineering，. Handan Hebei 056038，China)Abstract：Three-dimensional model of a segment erector was set up using three-dimensional modeling software Pro/E，and thenthe model was imported into simulation software ADAMS. Using ADAMS，kinematics，dynamic simulation and analyses for three typi-cal operating conditions of the segment erector were made. The analysis results demonstrate the rationality of the design。

Keywords：New segment erector；Three-dimensional modeling；Kinematics simulation；Dynamic simulation现代盾构掘进机已成为集机、电、液、传感、信息技术于-体的隧道掘进专用工程机械，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程。盾构管片拼装机是盾构掘进机的关键部件之-， 其主要功能是 ：在盾构向前掘进-环后 ，按预定要求将混凝土管片拼装成环 ，形成衬砌，以此来支护刚开挖的隧道表面。作者提出了-种新型盾构掘进机管片拼装系统，并利用Pro/E和 ADAMS进行三维建模及运动学、动力学仿真，验证了设计的合理性，改善了产品的设计方法，为管片拼装机的研制和改进提供了重要的参考依据。

1 管片拼装机三维建模根 据设计要 求，利 用 三 维 建 模 软 件Pro/E进行建模，并对其进行 总体装配。如图1所示，管片拼装机包 括平移机构、回转机构、举升机 构和微调机构。整个系统由两个同步伸缩的平移油缸提供动力，带 图1 管片拼装机总体装配图动整个机构通过移动架上的滚轮装置沿与隧道轴向相平行的两托梁上的导槽运动 ，实现 方 向的平移运动；固定盘体上的驱动装置通过齿轮副驱动回转盘体在固定盘体上作同轴回转运动，实现沿Y向的转动；平行四边形机构通过两个驱动油缸带动微调机构及管片沿隧道的径向运动，实现z向运动；微调机构是-个三转动 自由度并联机 构，完成横摇 ( )、仰俯(0 )和偏转 ( )动作，实现管片的姿态调整。

2 管片拼装机整机模型的导入与设置2.1 管片拼装机模型导入管片拼装机模型的各个零部件及其装配体单位设置为 kg(质量 )、℃ (温度)、mln(长度 )，s(时间)。通过 Parasolid接 口将 Pro/E中装配好的整机模型以xt文档输出，再通过 Import将这种中间格式的文件导人 ADAMS工作环境中～导人模型大齿轮质心设置为原点，与大齿轮的前端面平行的 面设置为工作栅格平面， 轴的正方向设置为重力方向。对仿真分析过程中所需的各个构件物理特性如几何形体质量、构件材料、初始位置和方向以及转动惯量等进行修改，完成工作环境的设置。

2.2 施加约束和载荷将设置好的模型各个构件连接起来形成-个有机的整体，使用约束来定义模型各部件的相对运动完成连接任务。如图2所示，样机模型约束为22个活动收稿 日期：2012-03-27作者简介：王南 (1957-)，博士，教授，硕士研究生导师，现从事机械系统动力学方面的研究。E-mail：zhangjun6767###163.tomo第 7期 王南 等：基于 ADAMS的管片拼装机运动学与动力学分析 。187·部件 、1个 齿 轮 副 (Gears)、2个 固定 副 (FixedJoints)、8个移动副 (Translational Joints)、9个球面副 (Spherical Joints)、10个铰链副 (Revolute Joints)。

图2 施加约束后管片拼装机虚拟样机模型图3 管片拼装机典型工况仿真及结果分析3.1 驱动函数添加根据管片拼装的工艺路线以及工步时间规划，通过 ADAMS/VIEW 中的 step (time， ， ， ， )函数分别设定各个运动的驱动函数。工作过程驱动函数表如表 1所示。

3.2 仿真结果分析主要对管片拼装机平移 、回转和举升过程的3个典型工况及 0。状态、90。状态、180。状态进行运动学和动力学特性分析。在 ADAMS/View中选用 GSTIFF算法进行仿真计算～摩擦副处的静摩擦因数设置为0.2，动摩擦 因数设置为 0.15。并对系统进行 60 S、步长0.05的仿真▲入后处理，查看拼装机管片质心各个工作过程的运动情况。

表 1 工作过程驱动函数表工部运动 step函数管片夹持管片举升平移运动初调轴向旋转初调举升运动初调向横摇微调Y向仰俯微调向偏转微调0velocitystep(time，0，0，1，-20)step(time，1，0，4，0)step(time，4，0，5，20)velocitystep(time，5，0，7，77)step(time，7，0，18，0)step(time，18，0，20，-77)velocitystep(time，20，0，22，-20d)4-step(time，22，0，48，0)step(time，48，0，50，28.20d)velocitystep(time，50，0，51，10)step(time，51，0，59，0)step(time，59，0，60，-10)TraX：Dispstep(time，60，0，65，2.5d)TraY：Dispstep(time，65，0，70，2.5d)TraZ：Dispstep(time，70，0，75，2.5d)3.2.1 运动学仿真结果分析 平稳。

管片质心沿 方向的运动位移和速度曲线如图3所示：在 t0～5 S管片质心随着管片的举升沿盾构前 --0。

进的反方向运行100 mm；在t5～20 s沿盾构前进方 善-1。

向运行1 000 Inln，工作过程历经加速启动、匀速运动、 砉.；：制动；在 t20～50 S之间没有位移；在 t50～60 S之 。2·间随着管片举升沿盾构前进方向运行90 nln。 ：- 管片( 方向)角速度曲线 管片O.方向)角度 曲线0.0 l0.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60时间，s禽姬亏 图4管片质心 方向(回转)运动曲线量 管片质心沿 方向(径向)的位移和速度曲线如图5所示。

- 管片(z方向)径向运动位移曲线 管片(方向)径向运动速度曲线图3 管片质心 方向 (轴向)运动曲线管片质心沿Y方向 (即绕 轴)的角度和角速度曲线如图4所示 (在 ADAMS后处理中通过对角速度曲线积分得到角度曲线)，管片质心在 t20～50 S之间从 0。旋转到 -90。，在 回转过程中历经加速启动、匀速运动、减速过程，最大速度是 3.2 rad/s，运行l 06n01 05仉0目 1 04n0l03 0.01 020·01 010.01 O0 0.099m00.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0时间，s图 5 管片质心 z方向 (径向)运动曲线 0 0 0 0 O O 0 0 0 帅枷 枷枷枷枷m瑚踟0- .IⅡ目 、髓m m 圳 剥 珈· 188· 机床与液压 第 4l卷管片质心在 t0-5 S之 间沿盾构径向移动 65mm，完成管片的抓荣升过程，在 50-60 S沿盾构径向反向移动65 into，完成管片举升初调过程。

3.2.2 动力学仿真结果分析举升油缸的驱动力随时间的变化曲线如图6所示：举升油缸在t0-5 s驱动管片举升过程中，最大驱动力为22 600 N；在 t5-20 s平移过程中，驱动力始终保持在4 180 N；在 t20-50 s随着回转运动的开始，所需要克服的重力的分量逐渐减小，其中在t35 S，即举升机构回转至 90。方位时，达到最小值；举升油缸在 t50～60 S驱动管片举升过程中，最大驱动力为 20 000 N。

图6 举升油缸驱动力变化曲线平移运动油缸驱动力随时间的变化曲线如图7所示：在t0～5 s仿真开始阶段，平移油缸静止，驱动力为0；在t5～20 S平移过程中，驱动力为2 850N；在 t20 s以后平移油缸驱动力较小 ，基本保持在 200～300 N。

Z 2旺1图7 平移油缸驱动力变化曲线回转运动小齿轮驱动力矩变化曲线如图8所示：小齿轮在 t0-20 s举升和平移工作过程中，回转力矩为0；在 t20～50 S回转过程 中，力矩随时间成正弦曲线变化增大至3.437 5×10。N·mm；在 t50～60 s管片举升过程 中，小齿轮 的回转力矩增 大至4.375×10 N·mm。

鲁皇Z×R 暖世图8 回转运动驱动力矩变化曲线4 结论利用ADAMS对新型管片拼装机工作过程的3种典型工况进行运动学、动力学仿真与分析，结果表明：所设计的管片拼装机满足设计要求。利用这种方法将管片拼装机设计中的问题旧能在设计阶段解决，节虱费，缩短设计周期，为管片拼装机的研制和改进提供了重要的参考依据。