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【摘 要】动筛排矸机通过动筛体的上下往复运动进行选煤，动筛体的运动规律关系到选煤的效果。为更好地掌握动筛体的运动规律，更合理地选择其传动机构曲柄的安装位置，达到最佳的选煤效果，文章首先运用UG软件建立了动筛排矸机传动机构的三维模型，然后利用ADAMS虚拟样机技术对其进行运动仿真分析，得出了动筛体在曲柄4个不同的安装位置的运动参数，进而得出曲柄安装位置对动筛体运动规律的影响趋势，为曲柄的安装位置选取提供理论依据。
【关键词】ADAMS；运动学分析；传动机构；急回特性；摆角
【中图分类号】TD40 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）09-0076-04
0 引言
在我国，综采放顶煤开采技术应用较广，但是在开采效率提高的同时，不可避免地混入大量围岩和废石，毛煤中矸石比例也随之提高，这就对选煤提出了更高的要求。动筛排矸机具有结构紧凑、工艺简单、用水量少、基建投资少、营运费用低等优点，在我国整个选煤行业有着广泛的应用，已占到选煤总量的70%。因此，选择合理的动筛排矸机性能参数，可以提高设备的选煤效果和选煤效率。
动筛排矸机通过驱动盘带动整机运转，使动筛体做上下往复运动。动筛体中的水和毛煤混合在一起，随着动筛体一起上下往复运动，传动机构在工作存在急回特性，物料上升速度较慢，物料下降速度较快，物料由于惯性与动筛体分离，在水中开始沉积。而煤与矸石的密度不同，所受到的浮力也不同，煤块下降速度小于矸石下降速度，在上下往复运动中，矸石与煤块逐渐分层，矸石沉积在下层，煤块在上层。
本文以LTD18/3.6型机械式动筛排矸机传动机构为例，结合驱动盘上曲柄的4个安装位置，具体说明不同安装位置的选择对动筛体运动规律的影响。本文通过建立动筛排矸机传动机构模型，利用ADAMS的运动仿真模块，对模型进行运动仿真，得出动筛体的运动曲线，计算出动筛体的振幅、摆角、急回特性等参数。同时，为确定仿真结果的正确性，本文又通过建立传动机构的数学模型，利用解析法求解动筛体的运动参数，验证仿真分析结果。
1 运动仿真分析
1.1 建立三维模型
UG是一款集CAD/CAE/CAM于一体的参数化机械产品造型设计软件，在汽车、造船、航空航天等工业领域广泛应用，具有强大的实体建模和虚拟装配功能，是当今世界上一流的产品设计软件。而ADAMS软件擅长做模型的运动学和动力学分析，建模方法单一，特别对于结构较为复杂的零件，建模过程困难，一般ADAMS软件不用于建立三维模型。
本文首先在UG软件中建立动筛排矸机传动机构各主要部件的三维模型，再进入UG软件的装配环境，按照部件间的几何约束关系进行虚拟装配，得到动筛排矸机的装配模型，最后把装配好的模型以Parasolid的形式导入ADAMS中（如图1所示）。需要注意的是，曲柄有4个安装位置，技术人员在安装曲柄时，可以根据工作需要选择不同的安装位置。4个安装位置对应的曲柄长度分别是195 mm、200 mm、205 mm、210 mm。
1.2 运动仿真分析
动筛排矸机的工作过程：驱动盘是原动件，由电机经减速装置驱动，驱动盘通过自身的旋转运动带动曲柄绕安装中心转动，曲柄通过连杆带动摇杆往复摆动，摇杆再通过拉杆带动整个动筛体做上下往复运动，使煤和矸石随着动筛体做上下往复运动，达到选煤的目的。
通过分析动筛排矸机的工作过程可以看出，各构件间的相互运动为回转运动，所以在ADAMS运动副的设置中，把各构件铰接处的运动副设置为回转副，驱动盘、摇杆和动筛体与机架固连，分别和机架构成回转副。对各个部件设置质量，密度设定为7.80×103 kg/m3。驱动盘为主动件，在驱动盘和机架组成的回转副上设置驱动，转速按照动筛排矸机实际工作的情况设定为40 r/min，仿真时间为3 s，也就是2个运动周期。
1.3 仿真结果输出
运动副、驱动设置完成后，对整个部件进行运动学仿真求解，得出仿真结果。通过后处理，可以得出各个构件的運动参数，如角速度、角加速度、质心位移等。以曲柄长度200 mm为例，根据研究目的的需要，可以获得动筛体的相关运动参数，输出仿真结果如图2所示，图2（a）表示动筛体入料口在竖直方向上的位移，图2（b）表示动筛体的摆角变化曲线。从图2（a）中可以得出，入料口在竖直方向上位移的最大值是868 mm，最小值是492 mm，两者之差就是动筛体入料口的振幅A=376 mm。从图2（b）中可以看出，动筛体摆角幅度极值差为4.7°，说明摆角φ=4.7°。AB段表示动筛体回落时间，BC段表示动筛体上升时间，进而可以求出动筛体上下往复运动时的急回特性K=tBC/tAB=1.27。
修改曲柄长度L为195 mm、205 mm、210 mm，分别得出相应的入料口位移、动筛体摆角和急回特性，具体数据见表1。
2 向量解析法求解相关参数
用传统的向量解析法来求解传动机构的运动规律，进一步验证ADAMS仿真结果的正确性。
2.1 建立数学模型
动筛排矸机的传动机构可以简化为平面六杆机构，分别用l2、l3、l4、l5、l6、l7表示驱动盘、连杆、摇杆CD、摇杆BE、拉杆、动筛体，l1和l8为机架，机构简图如图3所示，杆长值分别为l1=548 mm，l2=200mm，l3=347 mm，l4=527 mm，l5=556 mm，l6=419 mm，l7=4 680 mm，l8=4 308 mm。
2.2 求解角位移
由封闭四边形ABCD和DEFG得出矢量方程：
2.3 利用Matlab软件处理计算结果
Matlab软件具有强大的计算功能，可以把上面复杂的数据计算求解后，以图表的形式输出，得到摇杆和动筛体角位移的运动曲线和数值。由Matlab软件计算得动筛体的摆角为0.08 rad，即4.6°，入料口振幅可按照弧长近似计算，得A=374 mm，急回特性为K=1.24。与ADAMS仿真分析结果对比，结果十分接近，这也证明了ADAMS运动仿真分析的结果是正确的，但ADAMS大大简化了计算过程。
3 结论
（1）本文通过UG建模和ADAMS运动仿真，对动筛排矸机传动机构进行了运动学分析，求解出动筛体的相关运动参数，相比解析法，体现出ADAMS在运动仿真分析方面的优越性。
（2）在充分了解动筛排矸机选煤原理后，改变4个曲柄的安装位置所对应曲柄的长度，用图表和数据方便、直观地反映出选取不同曲柄安装位置对动筛体运动规律的影响，随着曲柄长度的增加，动筛体的摆角和急回特性呈增大趋势，有利于提高选煤效率，为动筛排矸机传动机构的安装调试提供了理论基础，在技术人员选择具体安装位置时，给予了很好的指导。
参 考 文 献
[1]李增刚.ADAMS入门与实例[M].北京：国防工业出版社，2006.
[2]孙桓，陈作模.机械原理[M].第7版.北京：高等教育出版社，2006.
[3]吕鲲，袁扬.基于ADAMS的六杆机构运动学及动力学仿真分析[J].河南理工大学学报，2012（5）：553-559.
[4]袁扬，王闯，王锦红.基于ADAMS的六杆机构仿真及优化[J].机械工程与自动化，2016（8）：67-68.
[5]谢贵山，韩启明.基于仿真分析与试验的整车尾门振动异响研究[J].企业科技与发展，2017（6）：56-59.
[责任编辑：陈泽琦]
【关键词】ADAMS；运动学分析；传动机构；急回特性；摆角
【中图分类号】TD40 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）09-0076-04
0 引言
在我国，综采放顶煤开采技术应用较广，但是在开采效率提高的同时，不可避免地混入大量围岩和废石，毛煤中矸石比例也随之提高，这就对选煤提出了更高的要求。动筛排矸机具有结构紧凑、工艺简单、用水量少、基建投资少、营运费用低等优点，在我国整个选煤行业有着广泛的应用，已占到选煤总量的70%。因此，选择合理的动筛排矸机性能参数，可以提高设备的选煤效果和选煤效率。
动筛排矸机通过驱动盘带动整机运转，使动筛体做上下往复运动。动筛体中的水和毛煤混合在一起，随着动筛体一起上下往复运动，传动机构在工作存在急回特性，物料上升速度较慢，物料下降速度较快，物料由于惯性与动筛体分离，在水中开始沉积。而煤与矸石的密度不同，所受到的浮力也不同，煤块下降速度小于矸石下降速度，在上下往复运动中，矸石与煤块逐渐分层，矸石沉积在下层，煤块在上层。
本文以LTD18/3.6型机械式动筛排矸机传动机构为例，结合驱动盘上曲柄的4个安装位置，具体说明不同安装位置的选择对动筛体运动规律的影响。本文通过建立动筛排矸机传动机构模型，利用ADAMS的运动仿真模块，对模型进行运动仿真，得出动筛体的运动曲线，计算出动筛体的振幅、摆角、急回特性等参数。同时，为确定仿真结果的正确性，本文又通过建立传动机构的数学模型，利用解析法求解动筛体的运动参数，验证仿真分析结果。
1 运动仿真分析
1.1 建立三维模型
UG是一款集CAD/CAE/CAM于一体的参数化机械产品造型设计软件，在汽车、造船、航空航天等工业领域广泛应用，具有强大的实体建模和虚拟装配功能，是当今世界上一流的产品设计软件。而ADAMS软件擅长做模型的运动学和动力学分析，建模方法单一，特别对于结构较为复杂的零件，建模过程困难，一般ADAMS软件不用于建立三维模型。
本文首先在UG软件中建立动筛排矸机传动机构各主要部件的三维模型，再进入UG软件的装配环境，按照部件间的几何约束关系进行虚拟装配，得到动筛排矸机的装配模型，最后把装配好的模型以Parasolid的形式导入ADAMS中（如图1所示）。需要注意的是，曲柄有4个安装位置，技术人员在安装曲柄时，可以根据工作需要选择不同的安装位置。4个安装位置对应的曲柄长度分别是195 mm、200 mm、205 mm、210 mm。
1.2 运动仿真分析
动筛排矸机的工作过程：驱动盘是原动件，由电机经减速装置驱动，驱动盘通过自身的旋转运动带动曲柄绕安装中心转动，曲柄通过连杆带动摇杆往复摆动，摇杆再通过拉杆带动整个动筛体做上下往复运动，使煤和矸石随着动筛体做上下往复运动，达到选煤的目的。
通过分析动筛排矸机的工作过程可以看出，各构件间的相互运动为回转运动，所以在ADAMS运动副的设置中，把各构件铰接处的运动副设置为回转副，驱动盘、摇杆和动筛体与机架固连，分别和机架构成回转副。对各个部件设置质量，密度设定为7.80×103 kg/m3。驱动盘为主动件，在驱动盘和机架组成的回转副上设置驱动，转速按照动筛排矸机实际工作的情况设定为40 r/min，仿真时间为3 s，也就是2个运动周期。
1.3 仿真结果输出
运动副、驱动设置完成后，对整个部件进行运动学仿真求解，得出仿真结果。通过后处理，可以得出各个构件的運动参数，如角速度、角加速度、质心位移等。以曲柄长度200 mm为例，根据研究目的的需要，可以获得动筛体的相关运动参数，输出仿真结果如图2所示，图2（a）表示动筛体入料口在竖直方向上的位移，图2（b）表示动筛体的摆角变化曲线。从图2（a）中可以得出，入料口在竖直方向上位移的最大值是868 mm，最小值是492 mm，两者之差就是动筛体入料口的振幅A=376 mm。从图2（b）中可以看出，动筛体摆角幅度极值差为4.7°，说明摆角φ=4.7°。AB段表示动筛体回落时间，BC段表示动筛体上升时间，进而可以求出动筛体上下往复运动时的急回特性K=tBC/tAB=1.27。
修改曲柄长度L为195 mm、205 mm、210 mm，分别得出相应的入料口位移、动筛体摆角和急回特性，具体数据见表1。
2 向量解析法求解相关参数
用传统的向量解析法来求解传动机构的运动规律，进一步验证ADAMS仿真结果的正确性。
2.1 建立数学模型
动筛排矸机的传动机构可以简化为平面六杆机构，分别用l2、l3、l4、l5、l6、l7表示驱动盘、连杆、摇杆CD、摇杆BE、拉杆、动筛体，l1和l8为机架，机构简图如图3所示，杆长值分别为l1=548 mm，l2=200mm，l3=347 mm，l4=527 mm，l5=556 mm，l6=419 mm，l7=4 680 mm，l8=4 308 mm。
2.2 求解角位移
由封闭四边形ABCD和DEFG得出矢量方程：
2.3 利用Matlab软件处理计算结果
Matlab软件具有强大的计算功能，可以把上面复杂的数据计算求解后，以图表的形式输出，得到摇杆和动筛体角位移的运动曲线和数值。由Matlab软件计算得动筛体的摆角为0.08 rad，即4.6°，入料口振幅可按照弧长近似计算，得A=374 mm，急回特性为K=1.24。与ADAMS仿真分析结果对比，结果十分接近，这也证明了ADAMS运动仿真分析的结果是正确的，但ADAMS大大简化了计算过程。
3 结论
（1）本文通过UG建模和ADAMS运动仿真，对动筛排矸机传动机构进行了运动学分析，求解出动筛体的相关运动参数，相比解析法，体现出ADAMS在运动仿真分析方面的优越性。
（2）在充分了解动筛排矸机选煤原理后，改变4个曲柄的安装位置所对应曲柄的长度，用图表和数据方便、直观地反映出选取不同曲柄安装位置对动筛体运动规律的影响，随着曲柄长度的增加，动筛体的摆角和急回特性呈增大趋势，有利于提高选煤效率，为动筛排矸机传动机构的安装调试提供了理论基础，在技术人员选择具体安装位置时，给予了很好的指导。
参 考 文 献
[1]李增刚.ADAMS入门与实例[M].北京：国防工业出版社，2006.
[2]孙桓，陈作模.机械原理[M].第7版.北京：高等教育出版社，2006.
[3]吕鲲，袁扬.基于ADAMS的六杆机构运动学及动力学仿真分析[J].河南理工大学学报，2012（5）：553-559.
[4]袁扬，王闯，王锦红.基于ADAMS的六杆机构仿真及优化[J].机械工程与自动化，2016（8）：67-68.
[5]谢贵山，韩启明.基于仿真分析与试验的整车尾门振动异响研究[J].企业科技与发展，2017（6）：56-59.
[责任编辑：陈泽琦]