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三维管路路径规划在煤矿机械设计中的应用

时间:2014-01-11 22:20来源:科技创新与生产力 作者:王刚锋点击:

  摘要:液压管路的路径规划在煤矿机械液压设计中非常重要,管路排布的合理与否关系到生产成本、装配效率以及设备使用寿命等。阐述了三维管路路径规划的重要性,以SolidWorks为基础,介绍了管路规划的原理和方法,并结合工程实例,实际分析了掘进机中的管路路径规划,优化设计了管路路径。

  关键词:管路路径规划;SolidWorks;液压管路;掘进机;煤矿机械

  液压传动是目前大多数煤矿机械采取的主要传动方式,而液压管路作为液压能的传递载体,其路径规划的合理性非常重要。

  在煤矿机械的设计和生产中,液压管路成本一直很高。尤其是胶管数量和长度的准确程度一直影响管路生产成本的高低,传统的管路设计方法主要依靠设计人员和工人长期积累的经验来完成,而煤矿机械中的管路数量很多,例如掘进机、锚杆机等设备,胶管数量多达数百根,很难在设备设计时就把胶管的数量和长度确定,无法实现管路的标准化。这样,在制订生产计划时,胶管数量和长度就无法确定,如果给多了,生产中就会有剩余,产生浪费,而且由于走向不合理,经常出现互相影响或长度不够等问题;如果给少了,只有在生产过程中才会被发现,从而产生加急采购,不仅增加采购成本,还会影响生产进度,造成不必要的损失。目前,胶管总成的数量和长度都是在整机装配完成后才现场量取,而胶管的采购需要一定的周期,这就严重影响了生产进度,造成很多浪费,而且由于时间仓促,管路的路径规划有很多不合理的地方,对液压系统性能也会有一定影响[1-2]。

  如果采用三维设计软件进行管路路径规划,在设计时就可以对液压元件最佳的布置位置进行准确地定位,对管路的路径规划进行合理布置,在避免与其他元部件互相影响的前提下,可以尽量减少管路长度。例如,在空间狭小的地方利用铰接接头取代直角弯头;较长的管路可以分割成若干段标准长度的管路,利用中间接头连接,并采取一定的固定方式,防止在设备动作过程中的磨损。与此同时,管路走向的提前确定,还能保证一些液压辅件位置的合理规划,例如过滤器、球阀、压力表、流量计等液压辅件的位置和固定方式。最后,在三维环境下进行管路路径规划,可以使管路的走向合理、美观,便于装配、维护和更换,提高生产效率,降低在设备使用过程中胶管的磨损,提高液压系统的可靠性和设备的使用寿命。同时还可以实现管路设计的标准化,提高液压管路的互换性,降低备件成本。因此,在煤矿机械中采用三维管路路径规划的设计方法,具有非常重要的研究意义[3-4]。

  1 SolidWorks Routing模块介绍

  SolidWorks是目前应用比较广泛的CAD软件,SolidWorks Routing模块可使各种类型的管道、管筒和电力电缆系统的设计实现自动化、简单化。

  利用SolidWorks Routing进行液压管路的设计,首先要定义连接点。连接点是管路附件零件中的一个点。连接点定义了管道的起点和结束点,接头零件的每个端口必须有一个连接点。因此建立管路系统时,必须从现有的装配体零件上的一个连接点开始。零件中的连接点定义了管道的相关参数,连接点定义的管道参数包括了管道的类型、方向、直径等参数。

  其次就是定义布路点,此点的位置定义了当管路附件应用于管路系统中时与三维草图的一个断点重合位置,及管路附件(接头、弯头等)的安装位置。图1为利用软件对掘进机某一部分的管路进行布置。

  2 三维管路路径规划工程实例

  以煤矿巷道掘进机升降油缸的液压油管布置为例。从升降油缸到换向阀的两根液压胶管,如果布置不合理,在油缸的动作过程中,就会造成磨损和挤压,大大缩短其使用寿命。因此这两根胶管的布置是个典型的管路路径规划问题,下面就利用三维软件进行建模与分析。

 

 

  2.1 三维建模

  在软件中建立掘进机回转平台、叉形架及升降油缸的三维模型并装配,可以直观地查看油缸在极限位置时各个部件的相对位置。图2为三维模型建立示意图。

  2.2 管路路径规划的分析

  2.2.1 油缸缩回时的管路规划

  通过三维设计软件的模拟,测量到叉形架下面的筋板与回转台的距离仅有33.6 mm,而胶管的外径为28.2 mm,胶管与筋板之间的空隙很小,在这种工况下极易造成胶管的磨损和挤压,大大缩短使用寿命。油缸缩回时的管路规划,见图3。

  2.2.2 油缸伸出时的管路规划

  在油缸伸出时,通过软件对软管最小折弯半径(220 mm)进行检查,此时胶管会出现折弯半径过小的提示,无法生成,表现在实际中就会出现胶管折断或者接头处损坏的情况。油缸伸出时的管路规划示意图,见图4。

  2.3 管路路径的优化设计

  从以上三维设计软件中对管路路径规划的分析,可以看出,当升降油缸动作到两个极限位置时,会出现筋板挤压胶管和胶管折弯半径太小的情况。因此必须更改机械结构的设计,才能适应胶管的走向。针对出现的问题,通过在筋板上开槽以及改变油缸平衡阀位置,在虚拟样机上解决了该处胶管容易损坏的难题,达到了管路路径优化布置的目的,并在实践中取得了理想的效果。第109页图5和图6分别为优化后油缸缩回时的管路规划示意图和优化后油缸伸出时的管路规划示意图。

  3 结论

  通过以上的分析可以看出,利用三维设计软件进行管路路径的规划,可以帮助工作人员在虚拟的样机环境中,最大限度地了解各个液压部件及管路布置的情况。特别是在设计初期就可以充分地了解可能出现的问题,做到管路路径和相关机械结构的优化设计,减少整机装配时可能出现的问题。从而达到设备在运行过程中降低胶管磨损率和液压元件的损坏,提高液压系统的可靠性,提高设备的使用寿命的目的。还可以辅助实现在三维环境中液压胶管的标准化设计,减少胶管种类和数量,进一步提高液压系统的互换性和可靠性。

  参考文献:

  [1] 刘兴龙.浅谈三维管路的设计要点[J].科技信息,2010(22): 349-351.

  [2] 高志恒.基于三维模型的管路布置方法[J].四川兵工学报,2011(2):153-154.

  [3] 张鹤.三维设计软件在工程设计中的应用[J].燃料与化学,2011(2):28-29.

  [4] 戴瑞华.SolidWorks管线设计系统[J].机械设计,2006(8):241-243.

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