基于ADAMS的石油管道缠绕机齿轮系统仿真

周利成, 钟　飞

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)



基于ADAMS的石油管道缠绕机齿轮系统仿真

周利成, 钟飞

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)

[摘要]在动力学分析软件ADAMS下创建石油管道缠绕机齿轮传动系的简化模型,进而对模型添加约束、设置驱动参数并进行运动仿真，得到齿轮传动系在设定运动状态下各齿轮的角速度、角加速度、位移和位移加速度等特性曲线,与理论值进行比较,验证了理论设计的合理性。

[关键词]机械系统动力学自动分析；缠绕机；齿轮传动系；运动仿真

我国石油管道外防腐层修复通常采用在管道表面缠绕防腐胶带或涂覆价格昂贵的煤焦油，施工基本上是人工作业[1-3]。鉴于此，设计研制了适合于国内管道实际情况及修复需要的自动缠绕机械，以提高管道外防腐层修复的效率和质量，降低修复工作中的劳动强度和人工成本[4]。

机械动力学分析软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)是集建模求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件[5-10]。在ADAMS环境下，通过建立虚拟样机模型,实现其运动过程的仿真，不断修改设计缺陷以改进系统，直至获得最优化的参数方案,最终做出理想的物理样机[11-13]。

1石油管道缠绕机齿轮系统工作原理

该机具传动部分由液压马达驱动回转支架，连接在支架上对称放置的筒式缠绕部分随之做旋转运动，外防腐胶带由导出机构紧密缠绕于管道上。安装在行走支架上的三组行走轮系统对其进行角度调节，以保证防腐胶带搭接的宽度和厚度，从而实现整机做旋转运动的同时沿轴向运动，最终完成防腐胶带的缠绕(图1)。

图 1　缠绕机结构

2方案设计

2．1传动系统设计

缠绕机传动系统所要完成的功能任务是传递动力，保证机具能正常运转。考虑到石油管道缠绕机野外作业的特殊环境，整机设计应轻便和易于装卸。经对比齿轮传动、带传动、链传动、螺旋传动以及摩擦轮传动，发现齿轮传动具有结构紧凑、工作可靠、传动平稳、效率高、寿命长、能保证恒定的传动比等优点，而且其传递的功率和适用的速度范围大，能很好满足设计要求。齿轮传动系统结构见图2。

图 2　齿轮传动系统结构

2.2传动系统的理论计算

石油管道缠绕机齿轮传动系工作原理：液压马达为初始动力，动力通过主动轴传给直齿圆柱齿轮1，同轴直齿圆柱2通过啮合传动给齿轮3，使之带动缠绕架绕管道回转运动，同时直齿圆柱齿轮1通过直齿圆柱齿轮4、直齿圆柱齿轮5、直齿圆柱齿轮6多级传动，将动力传动到锥齿轮7和8，齿轮8连接着行走轮，只要行走轮以一定的速度旋转就可以沿轴向运动(图3)。整个传动系通过齿轮多级传动使锥齿轮8和直齿轮3转动。为了验证仿真的可靠性，计算各齿轮的输出情况。各齿轮详细参数见表1。

图 3　石油管道缠绕机齿轮传动系简图

齿数z/个模数分度圆直径/mm齿轮119238齿轮245290齿轮32602520齿轮448296齿轮517234齿轮648296齿轮720240齿轮820240

已知驱动转速为3 600 °/s，ω1、ω2、ω3、ω4、ω5、ω6、ω7、ω8分别为8个齿轮的角速度，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8分别为8个齿轮的加速度，i12为圆柱直齿轮1和圆柱直齿轮2的传动比，z1和z2分别为齿轮1和齿轮2的齿数。

圆柱直齿轮1和齿轮4的传动比

齿轮4和齿轮5的加速度

同理可得

ω2=3600°/s，ω3=623°/s，

ω6=504.7°/s，ω7=ω8=504.7°/s

因为创建的运动为匀速转动，故

a1=a2=a3=a4=a5=a6=a7=a8=0°/s

3ADAMS中的建模

3.1创建圆柱直齿轮

“新建部件”下设置长度和半径，在界面中选择“起点”和“终点”，刚体圆柱直齿轮创建完成。

3.2创建传动轴

“新建部件”下输入长度及半径，选择齿轮的中心点作为轴的起点，垂直于齿轮创建一根传动轴；同理，创建与轴连接的另一端齿轮。

3.3合并块

首先选择一个齿轮，接着选择传动轴，使之进行布尔加合并操作，此时齿轮与轴就合并成块；同理，将传动轴另一端的齿轮与轴合并成块再进行布尔加操作。此时，两个齿轮与中间传动轴创建合并块完成。

4创建约束

4.1创建旋转副

将构建方式设置为“2体1点定位”和“选择形状特性”。需要注意的是，在拾取构件时应该首先选取齿轮，再选择ground，否则在创建齿轮副的时候会出错；同轴的齿轮只需建立一个旋转副，所以分别在直齿轮1、直齿轮3、直齿轮5、锥齿轮7和锥齿轮8和ground之间建立一个旋转副。整个齿轮传动系共创建了5个旋转副。

4.2创建方向坐标marker

两两啮合的齿轮之间需要创建一个方向坐标“marker”点。“marker”的Z轴是指向齿轮的啮合方向；将标记点设置为“添加到地面”，把方向设置为“全局XY平面”，分别在圆柱直齿轮1和4、齿轮2和3 、齿轮5和6 、锥齿轮7和8之间建立一个“marker”点。

4.3创建齿轮副

齿轮副是由2个旋转副和1个方向坐标marker点组成的，方向坐标marker点建立起了2个齿轮与地面和2个旋转副之间的关系。方向坐标marker点在ground地面上，作为2个齿轮的啮合点，它的Z轴方向与齿轮啮合的方向保持一致。

首先在圆柱直齿轮1和圆柱直齿轮4之间创建一个齿轮副。在运动副名称的输入框中点击鼠标右键，“运动副”选取“JOINT_1”和“JOINT_2”，“共同速度标记点”的输入框中点击鼠标右键选取“ground.MARKER_19”。最后鼠标点击“确定”，即完成了创建齿轮副GEAR1。接着按同样的步骤创建齿轮2和齿轮3、齿轮5和齿轮6、圆柱锥齿轮7和圆柱锥齿轮8之间的齿轮副。

4.4添加驱动

液压马达与齿轮1相连接，只需在齿轮1上添加旋转驱动，“特性”里面的“速度”设置为3 600°/s，完成驱动的添加(图3)。

图 4　添加约束的结果

5仿真运动及分析

5.1运动仿真

完成三维模型创建和添加约束后，即可对其进行动态仿真。仿真参数下的“时间设置”输入“5.0 s”，“步数设置”输入“200 步”，点击“开始键”就可以进行模型的仿真运动。

5.2仿真结果

可通过Part Measure测量各个齿轮的角速度、角加速度以及齿轮上某一marker点位移和速度。测量特性选择质心角速度，分量选择幅值，得到的各齿轮的角速度曲线见图4；同理，测量特性选择质心角加速度，分量选择幅值，得到各齿轮角加速度的曲线(图5) 。齿轮上某一marker点的位移和位移加速度曲线见图6。

图 5　各齿轮角速度曲线

图 6　各齿轮角加速度曲线

图 7　marker点位移和位移加速度曲线

由图4可得：ω1=3600°/s，ω2=ω1=3600°/s，ω3=623°/s，ω4=1425°/s，ω5=1425°/s，ω6=504.7°/s，ω7=ω8=504.7°/s。

由图5可得：a1=a2=a3=a4=a5=a6=a7=a8=0°/s2。

将仿真所得值与计算所得理论值相比较，仿真结果与理论值一致。由图6可见，marker点位移和位移加速度曲线为正弦曲线，且与理论一致，证明仿真可靠。

[参考文献]

[1]高强.管道防腐层修复技术研究[D] . 青岛：中国石油大学(华东)，2009.

[2]全佳，谭泉玲，岳良武，等.埋地油气管道外防腐层检测及修复技术[J].天然气与石油，2013(01):75-77.

[3]李天一. 关于输油管道的维修与防腐的研究[J]. 企业导报，2011 (13)：279.

[4]王光华，莫灿林.一种新型的管道缠绕技术[J].纤维复合材料，1996,9(3)：26-33.

[5]陈德民，槐创锋，张克涛，等.精通ADMS2005/2007虚拟样机技术[M].北京：化学工业出版社，2010.

[6]贾长治，殷军辉，薛文星，等. MD ADMS虚拟样机从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2010.

[7]唐鹏，石成江，刘占民，等.基于ADAMS的管道机器人动力学分析及仿真[J]. 机械设计与制造，2012， 7(7):2-3.

[8]于殿勇，钱玉进.基于ADAMS动力学仿真参数设置的研究[J].计算机仿真，2006(09)：103-106 .

[9]冯景华，吴南星，余冬玲. 机械系统动态仿真技术及ADAMS的理论基础研究[J]. 机械设计与制造，2004(02) ：107-109.

[10] 孙月海，张策，潘凤章，等. 直齿圆柱齿轮传动系统振动的动力学模型[J]. 机械工程学报，2000(08)：47-50，54.

[11] 武志斐. 基于虚拟样机技术的齿轮系统动力学分析[D]. 太原：太原理工大学，2008.

[12] 朱秋玲.齿轮系统动力学分析及计算机仿真[D].兰州：兰州理工大学，2004.

[13] 梁光伟. 齿轮传动系统的动力学仿真分析 [J]. 数字技术与应用，2011(12)：207.

[责任编校： 张众]

Modeling and Simulation of Gear System of Oil Pipe Winding Machine based on ADAMS

ZHOU Licheng，ZHONG Fei

(SchoolofMechanicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：Using ADAMS,the dynamic analysis software，the study realized the virtual prototype modeling and dynamic simulation of the gear transmission system of oil pipe winding machine, which greatly shortens the design cycle and reduces the cost of the repeating machine-making. This paper mainly introduces the simplified model of the gear transmission system of the oil pipe winding machine, and then adds the constraint and the driving parameters to the ADAMS, obtaining the characteristic curve of the gear transmission system under the condition of setting the angular velocity and the angular velocity of the gear. By comparing it with theoretical value, it verifies the rationality of theoretical calculation，which provides an important theoretical basis for the design and optimization of the gear transmission system of oil pipeline.

Keywords：automatic dynamic analysis of mechanical systems; winding machine; gear transmission system; motion simulation

[中图分类号]TP391.9

[文献标识码]：A

[文章编号]1003-4684(2016)01-0038-04

[作者简介]周利成(1989-)， 男， 湖北武穴人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为机械工程

[收稿日期]2015-10-28