组合绳锯组锯机系统动态虚拟仿真研究

方 正，张延军，周志成，王汝贵＊

（1.广西大学机械工程学院，广西 南宁530004；2.桂林特邦新材料有限公司，广西 桂林541004）

0 前言

金刚石组合绳锯组锯机已经作为一种主要的先进石材开采工具，在石材开采和大型构筑物、建筑物、桥墩等的拆除和分解中有出色的表现，由于金刚石绳锯开采的低成本，高效率、节水和节能等诸多优越性，使之成为新的第三代超硬材料工具[1]。但是组合绳锯组锯机体积大，重量大，材料、生产及运输成本高，对金刚石组合绳锯组锯机进行动态性能分析已成为其工程应用中期待解决的关键问题，对提高组合绳锯组锯机产品性价比和市场竞争力也具有较重要意义。国内外相关学者对组合绳锯组锯机进行了研究[2-5]，并在组合绳锯组锯机的运动学、动力学和稳定性等方面取得了一定的研究成果[6-7]。

2015年，王飞[8]等人基于多体动力学理论，建立了多排组合绳锯组锯机组系统的数学模型。用有限元法对组合绳锯组锯机进行了分析，得到了组合绳锯组锯机的固有频率和振型。在此基础上，使用ADAMS/振动分析模块分析了位移、速度、加速度、加速度之间的关系。组合绳锯组锯机机关键部件在压力下的加速度和频率。确定金刚石组合绳锯振动的感应并验证理论的准确性多角度锯的结构。它为结构参数的动态优化和振动固有特性的调节提供了方法和基础，有利于提高多排组合绳锯组锯机锯切石材的效率。2018年，王海波与王喆团队[9]合作下，开展了对水下金刚石组合绳锯组锯机切割动力学特性研究。对绳锯的切割系统进行了动力学分析，得到了绳锯切割振动时的特性。通过仿真研究实验，纵向和横向振动在一定的情况下会发生耦合，在这种耦合的情况下，切割振动频率接近共振频率时，绳锯会发生较大的共振。

虽然组合绳锯组锯机的研究已经取得了可喜成果，但在对组合绳锯组锯机整机动态性能研究方面仍有欠缺，这在某种程度上制约着组合绳锯组锯机在工程上的广泛应用。本文以桂林特邦新材料有限公司的ZJP56型组合绳锯组锯机为研究对象，采用虚拟样机技术及理论分析相结合手段，基于样机物理模型实际结构、材料及驱动参数，搭建ZJP56型金刚石组合绳锯组锯机虚拟样机分析模型，对其动态性能进行虚拟仿真研究，求解金刚石绳锯的运作过程中运动学和载荷参数，并应用有限元分析方法对金刚石组合绳锯组锯机进行在外载荷作用下的力学分析，得到组合绳锯组锯机的应力分布状况。

本研究工作流程如图1所示。

图1 工作流程图

1 动力学建模

本文研究的对象是以桂林特邦新材料有限公司的ZJP56金刚石组合绳锯组锯机实体机器如图2所示，运用三维建模软件所绘制图形如图3所示。

图2 金刚石组合绳锯组合绳锯组锯机实体总图

图3 ZJP56组合绳锯组锯机示意图

ZJP56金刚石组合绳锯组锯机工作原理：组合绳锯组锯机的加工过程为组合绳锯缠绕经过主动轮、导向轮、从动轮、张紧轮再回到主动轮。调试张紧轮对组合绳锯实时独立张紧，启动冷却系统，主动轮启动，组合绳锯开始环绕运行，升降装置向下作进给运动，依靠组合绳锯的金刚石对石材进行高速磨削加工。

一个完整的复杂的机械多体系统是由多个连接的刚性或柔性元件通过力铰链部件形成。由图2和3得知组合绳锯组锯机的实物图和三维图，组合绳锯组锯机的正面二维图如图4。

图4 组合绳锯组锯机二维图

组合绳锯组锯机的运动是轮组系从上到下实行进给运动，两边的升降装置保持平衡，轮组系依靠金刚石串珠绳锯连接，张紧轮实时张紧，保持张力。为了更直观地分析组合绳锯组锯机的力学性质，按照组合绳锯组锯机运动方式，简化为简支梁进行力学分析如图5。

图5 组合绳锯组锯机简支梁形式

组合绳锯组锯机两边的立柱简化为A，B两边，所受到的支反力为FAy，FBy，组合绳锯组锯机的向下进给运动，张紧轮张紧绳锯可视作均布载荷作用。两个升降装置之间的位移为L，绳锯挠度为δ。E为弹性模量，I为惯性矩。

由如下平衡方程：

得到

2 组合绳锯组锯机动力学仿真

虚拟样机仿真的思路是对组合绳锯组锯机机构进行逆向运动分析，即通过确定升降装置的运动规律（关于时间的函数），从而可以确定整个组合绳锯组锯机的运动规律，然后进行仿真运算，可求出各铰接点的反力[10]。

组合绳锯组锯机的参数设定表如表1所示。

表1 组合绳锯组锯机属性参数表

组合绳锯组锯机处于起步调试过程中时，将升降装置的进给长度看作是随时间（time）变化的函数：在0～120 s，组合绳锯组锯机的升降装置从初始位置下降600 mm。对移动副的驱动函数用STEP函数表示：STEP（time，0，0，120，600）

建立的虚拟样机模型如图6、图7、图8所示。

图6 ZJP56组合绳锯组锯机虚拟样机图

图7 ZJP56组合绳锯组锯机虚拟样机图

组合绳锯组锯机在运行的过程中有两部分进行运动，一个是升降装置的升降，本次仿真是从上向下在2 min时间运动了600 mm；另一个部分的运动就是绳索系统在转动，在升降装置下降的过程中，绳索系统在以29.5 m/s的速度不停的转动。

经过仿真运算后，产生的各类数据已存在虚拟样机的数据库里，要观察这些数据，需要设定所需的测量，然后，在ADAMS/PostProcessor模块里，用图线表达这些数据。

通过图8、图9、图10加工区三个方向的位移变化，组合绳锯组锯机在加工时由升降装置提供垂直方向的进给运动，在Y方向的位移是从5 020 mm下降至4 420 mm，运动过程就是先缓慢加速进入工作区，进行一段近似匀速的类直线运动，然后减速之后停止加工状态。在X方向和Z方向没有位移发生，切割出来的石料是光滑平整。

图8 绳锯X方向位移图

图9 绳锯Y方向位移图

图10 绳锯Z方向位移图

图11 绳锯X方向速度图

通过图10、图11、图12三个方向的速度图，在X方向上和Z方向上，升降装置由于固定受到摩擦力，没有速度的变化。在Y方向上速度变化呈现类抛物线形式，在0～60 s，Y方向的速度以类抛物线的曲线形式先快速增长后趋于平缓到7.5 mm/s，在60～120 s，Y方向的速度以和前60 s相反类抛物线的曲线形式变化至0。说明组合绳锯组锯机在下降切割时，石料对串绳的阻力使得在针对加工区速度有变化。

图12 绳锯Y方向速度图

图13 绳锯Z方向速度图

通过图14、图15、图16三个方向的加速度图，在X方向上和Z方向上，升降装置由于固定受到摩擦力，X和Z方向上加速度为零。Y方向的加速度先陡增至-0.25 mm/s2再以类直线加速至0.25 mm/s2。

图14 绳锯X方向加速度图

图15 绳锯Y方向加速度图

图16 绳锯Z方向加速度图

为研究组合绳锯组锯机运动时所承受的载荷峰值，对升降装置在运动过程中的力的变化进行了虚拟样机仿真分析，得到升降装置在X方向，Y方向以及Z方向的力的变化如图17、图18、图19所示。

图17 升降装置运动时X方向力的变化

图18 升降装置运动时Y方向力的变化

图19 升降装置运动时Z方向力的变化

升降装置运动时X方向力在0～30 s内以类抛物线增长，在30～90 s内以类直线形式增长，在30到120 s内以类抛物线形式趋近于临界最大值691 800 N，Y方向力在运动初期有个突变力，以类直线形式增长至最大值为16 940 000 N，Z方向力在运动初期有个突变力，以类直线形式增长至最大值是107 100 N，为后续有限元分析提供数据支撑。

通过对组合绳锯组锯机的虚拟样机的仿真分析了解到，金刚石组合绳锯在运动过程中的移动构件在给定条件下的构件的位移变化、速度变化、加速度变化以及升降装置在不同方向上力的变化等各项数据，了解实际运动和运动状态过程中的一些内部的动力学数据，促进今后对金刚石组合绳锯的各方面调整和优化等研究。

3 模型的有限元分析

为研究组合绳锯组锯机工作状态中所承受的典型载荷作用下的力学变化，使用有限元分析软件对组合绳锯组锯机模型在虚拟仿真中得到的外载荷作用下进行力学分析，得到组合绳锯组锯机整机和关键零部件的应力、应变、总变形量分布区域和变化，为结构安全设计提供了重要的展示作用[11-12]。有限元分析流程如图20所示。

图20 有限元分析流程

设置单元类型和材料属性，单元类型选择用有限元分析软件默认的单元类型在有限元分析中进行设置，并进行网格划分如图21所示。

图21 网格划分

进行有限元分析计算后，得到在设定施加的载荷X方向力为691 800 N，Y方向力为16 940 000 N，Z方向力为107 100 N。下机构的应力图、应变图和变形图，金刚石组合绳锯组锯机构模型工作时轮系承受向上压力时各构件受力情况如图22、23和24所示。

图22 组合绳锯组锯机复合应力云图

图23 组合绳锯组锯机应变复合云图

图24 组合绳锯组锯机变形云图

由应力分布图22可知，连接部分旁的升降装置和基座部分、基座支撑的肋板受到少许应力，应力主要集中在连接构件上，且最大的应力部分为226.89 MPa。应力集中的部分是应变集中的部分，由图22可知，应变的分布规律和应力的分布规律基本一致，最大应变只有0.001 141 9 mm。由图24可知，最大变形位于机构的最高水平位置处，变形最小的位于基座的固定部分，在受力时整个机构相当于一个悬臂梁的模型，底座固定部分基本不变形，而越往上变形越高，但最大变形也只有2.509 mm整个机构最大变形处基本不变形、不位移。

4 结论

ZJP56型金刚石组合绳锯组锯机是矿石开采领域使用的主要工具，其整机的动态性能决定着绳锯加工精度的可靠性，本文采用虚拟样机技术及理论分析相结合手段，基于样机物理模型实际结构、材料及驱动参数，搭建ZJP56型金刚石组合绳锯组锯机虚拟样机分析模型，对其动态性能进行虚拟仿真研究，求解金刚石绳锯的运作过程中运动学和载荷参数，并应用有限元分析方法对金刚石组合绳锯组锯机进行在外载荷作用下的力学分析，得到组合绳锯组锯机的应力分布状况，为组合绳锯组锯机的结构性能设计和安全作业工况选择提供数据支持，提高组合绳锯组锯机产品稳定性和市场竞争力，使得组合绳锯组锯机能更广泛地使用，提高矿石产业开采效率与经济发展。