第31卷第09期2010年09月
煤矿机械
Coal Mine Machinery
Vol.31No.09Sep. 2010
基于AMEsim 的牛头刨床刨刀驱动机构的运动分析*
杨树川，杨术明
（宁夏大学机械工程学院，银川750021）
摘要：依据牛头刨床刨刀驱动机构的组成，建立了刨刀驱动机构的AMEsim 模型，对其运动
进行仿真，获得了滑枕的水平运动速度曲线和机构运动的可视化界面，验证了刨刀驱动机构的正确性及AMEsim 模型的正确性。
关键词：AMEsim ；刨刀驱动机构；运动仿真中图分类号：TG522.1
文献标志码：A
文章编号：1003－0794（2010）09－0093－03
Kinematic Analysis of Shaper and Planner Tool Drive Mechanism
Based on AMEsim
YANG Shu-chuan, YANG Shu-ming
(Collegeof Mechanical Engineering ,Ningxia University, Yinchuan 750021, China)
Abstract ：According to driving mechanism composition of the shaper and planner tool, the driving mechanism AMEsim model was established, and kinematic simulation and analysis were carried. Simulation curve of horizontal velocity curve and visual simulation interface were obtained conveniently. This method confirmed the driving mechanism composition of the shaper and planner tool accuracy and the AMEsim model accuracy.
Key words ：AMEsim ；planner tool drive mechanism ；kinematic simulation 0
引言
牛头刨床是机械制造业中广泛使用的一种机械加工设备，主要用于单件小批量生产中小型工件上的平面、成形面和沟槽。中小型牛头刨床的主运动大多采用曲柄摇杆机构传动，滑枕的移动速度是不均匀的，具有急回作用，即滑枕的返回行程速度大于工作行程速度。牛头刨床主运动消耗的能量最大，有必要对其进行运动分析，以验证其机构设计是否合理，并可对新机构的设计提供理论依据。
机构运动轨迹的分析方法主要有图解法、解析法。图解法形象直观，但精度不高。解析法要建立机
*宁夏高等学校科学研究项目资助（NXGX2009-31）
构的数学模型，通过求解可得到很高的精度。但当机构很复杂时，推导其数学模型的过程也很麻烦。
AMEsim 是世界著名的工程系统高级建模与仿
真平台，它提供了一个系统级工程设计的完整平台，使得用户可以在单一的平台上建立复杂的一维多学科领域的机电液一体化系统模型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析。工程师在一个基于工程应用的AMEsim 友好环境下可研究任何元件或者系统的稳态和动态性能。AMEsim 的图形化用户界面使得用户可以在完整的应用模型库中选择需要的模块来构建复杂系统的模型。
AMEsim 的Planar mechanical 模块库，包含用
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 速度6.7m/s。该矿井底2个直径为8m 的斜底板螺以上多例国内已成功投产运行的斜底板螺旋
旋溜槽原煤仓，螺旋外直径D ＝9m ，底板斜角φ＝
溜槽和斜底板螺旋溜槽煤仓，螺旋外直径D 都比较大，所以均加大了底板斜角φ，目的就是为了增加切向速度从而增加离心力。这与理论计算结果的对比情况是一致的。
参考文献：
［1］煤矿专用设备设计计算［M ］. 北京：煤炭工业出版社，1984.
［2］于永宏. 螺旋煤仓的应用与改进初探［J ］. 煤矿设计，1996（11）：
24-26.
［3］李炳才，杨世龙. 螺旋溜槽在块煤防破碎中的应用［J ］. 煤炭工程，
2005（2）：59-60.
作者简介：董广起（1950-），山东寿光人，高级工程师，注册机械工程师，1976年毕业于原山东矿业学院（现山东科技大学）煤矿机械专业，
现从事机械专业的设计、校核、审核工作，研究中央式斜底板螺旋溜槽和斜底板螺旋溜槽煤仓10a ，电子信箱：[email protected].
35°，外螺旋角α1＝35°，切向速度v =10.3m/s，即使在
原煤水分大到选煤厂都不能洗的程度时，也没有出现过堵塞和中途落入煤仓的现象，煤质为无烟煤。
（3）文献[2]介绍山西阳泉三矿的井底原煤仓，仓直径为8m ，螺旋外直径D =9m ，所设斜底板螺旋溜槽煤仓底板斜角φ＝35°，外螺旋角α1＝35°，切向速度在8～10m/s，煤质为无烟煤。
（4）文献[3]介绍河南神火集团有限公司新庄煤矿，在6个井底原煤仓中均设置了壁挂式斜底板螺旋溜槽，其底板斜角φ＝35°，外螺旋角α1＝35°，煤质为无烟煤。设计前经过试验。
责任编辑：于秀文收稿日期：2010－04－16
Vol. 31No.09基于AMEsim 的牛头刨床刨刀驱动机构的运动分析———杨树川，
等
表1
模块标签
第31卷第09期
来搭建平面机构的各种模块。此模块库含Sources 、
模块参数设置表
参数名称
参数值
Sensors 、Nodes 模块组，Bodies 模块组和Junctions 模
块组。用户利用这些模块可方便地搭建所需的平面机构模型，不需推导其数学模型即可进行系统的运动仿真，获得所需杆件的位移、速度、加速度曲线，还可获得机构的可视化运动仿真界面。
1刨刀驱动机构简介
牛头刨床刨刀驱动机构简图见图1。当BC 杆绕
B 轴以等角速度转动时，AD 杆将在一定角度范围内
绕A 轴摆动，通过DE 杆的作用带动滑枕6作直线往复运动。
6
E
F 5B 1
243
D
C
A
00.35
plmrefwall_2[PLMEMB01]absolute x y position at port 100plmrefwall_3[PLMEMB01]absolute x y position at port 10.670.8plmtranslation_2[PLMTRA00-1]spring stiffness 0
damping coefficient 0spring stiffness 0plmpivottrans[PLMTRPI00-1]
damping coefficient 0spring stiffness 0plmpivot(5个)
damping coefficient 0x position at port 20.74plmbod3[PLMBOD03-1]
x position at port 30.4x position at port 1-0.6plmbod3_2[PLMBOD03-2]
x position at port 30.6
plmbod2[PLMBOD02-2]initial absolute angular position 90
initial absolute angular velocity 60
G:xposition 0.1x position at port 20.2
Mass 20
Moment of inertia around Gz axis 5
plmbod2_2[PLMBOD02-1]Mass 0.2
Moment of inertia around Gz axis 0.005
plmbod2_3[PLMBOD02-3]initial absolute angular position 150
G:xposition 0.2x position at port 20.4
gravity icon[GRAV0-1]constant gravity value 9.8
plmrefwall[PLMEMB01]absolute x y position at port 1
图1刨刀驱动机构简图
（3）仿真结果
设置好表1中的各模块参数（其他参数保持默认值）后，设定仿真时间5s ，时间间隔0.01s, 即可进行仿真。
按模型图中的
图标，即可进行机构的3D 动
画仿真，其仿真界面见图3。3D 动画直观地反映了刨刀驱动机构各部分的运动情况。
1. 机架2. 曲柄3. 滑块4. 摇杆5. 连杆6．滑枕
2刨刀驱动机构的AMEsim 模型及仿真分析（1）刨刀驱动机构的AMEsim 模型搭建在AMEsim 环境下，从Planar mechanical 模块
库和Mechanical 模块库中添加（指直接从各模块库中拖拽所需的模块到新建模型窗口）形成刨刀驱动机构AMEsim 模型所需的各种模块：1个个
模块、1个
模块、3个模块、5个模块、1个
模块、1个模块、3个
模
模块、1个块、2个
模块、1
模块共19个模块。模块
经翻转及连线等简单操作后，添加模型标签即可形成刨刀驱动机构的AMEsim 模型（见图2）。
图3
刨刀驱动机构的3D 动画仿真界面
滑枕的水平运动速度及垂直运动速度曲线见图4。
6
543210-1-20
速度/m ·s -1
1
2
12345
图2刨刀驱动机构的AMEsim 模型
时间/s
（2）各模块参数设置
在仿真前，需对部分模块进行必要的参数设置，刨刀驱动机构AMEsim 模型中各模块的参数设置见表1。
滑枕的运动速度曲线1. 水平方向速度2. 垂直方向速度
图4
从图4可见，滑枕在水平方向的速度比垂直方向大得多，且在水平方向速度不断变化，从时间轴可看出，滑块的运动确实存在急回作用
。
第31卷第09期2010年09月
煤矿机械
Coal Mine Machinery
Vol.31No.09Sep. 2010
基于COSMOS/Works的带式输送机传动滚筒的有限元分析
李晓丽，袁
圆
(安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001)
摘要：对输送机传动滚筒受力状况做了理论分析，运用有限元分析软件COSMOS/Works对
传动滚筒进行了静力分析，得出滚筒在载荷作用下的应力和变形分布规律。分析结果表明，该传动滚筒的结构设计完全满足其强度、刚度要求。
关键词：带式输送机；传动滚筒；COSMOS/Works；有限元中图分类号：TG522.1
文献标志码：A
文章编号：1003－0794（2010）09－0095－02
Finite Element Analysis of Driving Drum of Belt Conveyor Based on
COSMOS/Works
LI Xiao-li ，YUAN Yuan
（School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology ，Huainan 232001，China ）
Abstract ：The loading situation of belt -conveyor ’s drum was analysed. Linear static analysis is conducted with the finite analysis software COSMOS/Works,andobtained the stress and distortion distribution law of drum under load.The analysis results showed that the driving drum could fully satisfy the strength and stiffness requirement.
Key words:belt conveyor;driving drum; COSMOS/Works;finite element 0
前言
滚筒是带式输送机主要的传动部件，根据在输送机中所起作用可分为传动滚筒和改向滚筒。传动滚筒用来传递牵引力和制动力；而改向滚筒主要起改变输送带的运行方向以完成拉紧、返回等各种功能。二者在工作状态下的受力情况不同，故结构也不同。滚筒由滚筒轴、轴承座、轮毂、辐板、筒壳等部分组成。带式输送机的驱动滚筒有焊接和铸焊2种结构形式。本文以某矿用大型传动滚筒为例：滚筒直径为1800mm ，传动滚筒扭矩为428kNm ，合力为2
图1
F θ
λ
c
γ
360°-αθ
F 2
b
a a ′
F 1
滚筒上的张力变化图
596kN ，筒皮材质为Q235-A 。1
传动滚筒的受力分析
在带式输送机中，传动滚筒相当于带传动中的主动轮，而从动滚筒相当于从动轮。驱动滚筒正常工作时承受轴端输入扭矩作用旋转，同时还受输送带和滚筒之间摩擦力的作用，以及输送带对滚筒的压力作用，如图1所示。
假设输送带是理想的挠性体，可以任意弯曲，没有弯曲应力、质量和厚度。输送带在滚筒上的围包角为α，在围包角内存在滑动弧λ和静止弧γ，即α=λ+γ。两端输送带的张力差为F 1-F 2，此差值等于滚筒轴上输入的扭矩值。
输送带的张力变化可按欧拉公式计算，输送带任一点的张力
（1）F θ＝F 2e μθ
输送带在相遇点的极限张力
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
特别适合复杂的系统分析与仿真。3结语
（1）构建了刨刀驱动机构的AMEsim 模型，进行了仿真分析，获得了机构运动的3D 动画及滑枕运动的速度曲线。验证了刨刀驱动机构的正确性及
参考文献：
［1］魏兵，熊禾根. 机械原理［M ］. 武汉：华中科技大学出版社，2007. ［2］付永领, 祁晓野.AMESim 系统建模和仿真—从入门到精通［M ］. 北
京：北京航空航天大学出版社，2006.
作者简介：杨树川（1971-），宁夏吴忠人，副教授，硕士，电子信箱：[email protected].
AMEsim 模型的正确性；
（2）AMEsim 软件基于物理模型建模，不需推导系统的数学模型具有建模方便分析透彻等特点责任编辑：于秀文收稿日期：2010－05－27
F 1m a x
第31卷第09期2010年09月
煤矿机械
Coal Mine Machinery
Vol.31No.09Sep. 2010
基于AMEsim 的牛头刨床刨刀驱动机构的运动分析*
杨树川，杨术明
（宁夏大学机械工程学院，银川750021）
摘要：依据牛头刨床刨刀驱动机构的组成，建立了刨刀驱动机构的AMEsim 模型，对其运动
进行仿真，获得了滑枕的水平运动速度曲线和机构运动的可视化界面，验证了刨刀驱动机构的正确性及AMEsim 模型的正确性。
关键词：AMEsim ；刨刀驱动机构；运动仿真中图分类号：TG522.1
文献标志码：A
文章编号：1003－0794（2010）09－0093－03
Kinematic Analysis of Shaper and Planner Tool Drive Mechanism
Based on AMEsim
YANG Shu-chuan, YANG Shu-ming
(Collegeof Mechanical Engineering ,Ningxia University, Yinchuan 750021, China)
Abstract ：According to driving mechanism composition of the shaper and planner tool, the driving mechanism AMEsim model was established, and kinematic simulation and analysis were carried. Simulation curve of horizontal velocity curve and visual simulation interface were obtained conveniently. This method confirmed the driving mechanism composition of the shaper and planner tool accuracy and the AMEsim model accuracy.
Key words ：AMEsim ；planner tool drive mechanism ；kinematic simulation 0
引言
牛头刨床是机械制造业中广泛使用的一种机械加工设备，主要用于单件小批量生产中小型工件上的平面、成形面和沟槽。中小型牛头刨床的主运动大多采用曲柄摇杆机构传动，滑枕的移动速度是不均匀的，具有急回作用，即滑枕的返回行程速度大于工作行程速度。牛头刨床主运动消耗的能量最大，有必要对其进行运动分析，以验证其机构设计是否合理，并可对新机构的设计提供理论依据。
机构运动轨迹的分析方法主要有图解法、解析法。图解法形象直观，但精度不高。解析法要建立机
*宁夏高等学校科学研究项目资助（NXGX2009-31）
构的数学模型，通过求解可得到很高的精度。但当机构很复杂时，推导其数学模型的过程也很麻烦。
AMEsim 是世界著名的工程系统高级建模与仿
真平台，它提供了一个系统级工程设计的完整平台，使得用户可以在单一的平台上建立复杂的一维多学科领域的机电液一体化系统模型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析。工程师在一个基于工程应用的AMEsim 友好环境下可研究任何元件或者系统的稳态和动态性能。AMEsim 的图形化用户界面使得用户可以在完整的应用模型库中选择需要的模块来构建复杂系统的模型。
AMEsim 的Planar mechanical 模块库，包含用
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 速度6.7m/s。该矿井底2个直径为8m 的斜底板螺以上多例国内已成功投产运行的斜底板螺旋
旋溜槽原煤仓，螺旋外直径D ＝9m ，底板斜角φ＝
溜槽和斜底板螺旋溜槽煤仓，螺旋外直径D 都比较大，所以均加大了底板斜角φ，目的就是为了增加切向速度从而增加离心力。这与理论计算结果的对比情况是一致的。
参考文献：
［1］煤矿专用设备设计计算［M ］. 北京：煤炭工业出版社，1984.
［2］于永宏. 螺旋煤仓的应用与改进初探［J ］. 煤矿设计，1996（11）：
24-26.
［3］李炳才，杨世龙. 螺旋溜槽在块煤防破碎中的应用［J ］. 煤炭工程，
2005（2）：59-60.
作者简介：董广起（1950-），山东寿光人，高级工程师，注册机械工程师，1976年毕业于原山东矿业学院（现山东科技大学）煤矿机械专业，
现从事机械专业的设计、校核、审核工作，研究中央式斜底板螺旋溜槽和斜底板螺旋溜槽煤仓10a ，电子信箱：[email protected].
35°，外螺旋角α1＝35°，切向速度v =10.3m/s，即使在
原煤水分大到选煤厂都不能洗的程度时，也没有出现过堵塞和中途落入煤仓的现象，煤质为无烟煤。
（3）文献[2]介绍山西阳泉三矿的井底原煤仓，仓直径为8m ，螺旋外直径D =9m ，所设斜底板螺旋溜槽煤仓底板斜角φ＝35°，外螺旋角α1＝35°，切向速度在8～10m/s，煤质为无烟煤。
（4）文献[3]介绍河南神火集团有限公司新庄煤矿，在6个井底原煤仓中均设置了壁挂式斜底板螺旋溜槽，其底板斜角φ＝35°，外螺旋角α1＝35°，煤质为无烟煤。设计前经过试验。
责任编辑：于秀文收稿日期：2010－04－16
Vol. 31No.09基于AMEsim 的牛头刨床刨刀驱动机构的运动分析———杨树川，
等
表1
模块标签
第31卷第09期
来搭建平面机构的各种模块。此模块库含Sources 、
模块参数设置表
参数名称
参数值
Sensors 、Nodes 模块组，Bodies 模块组和Junctions 模
块组。用户利用这些模块可方便地搭建所需的平面机构模型，不需推导其数学模型即可进行系统的运动仿真，获得所需杆件的位移、速度、加速度曲线，还可获得机构的可视化运动仿真界面。
1刨刀驱动机构简介
牛头刨床刨刀驱动机构简图见图1。当BC 杆绕
B 轴以等角速度转动时，AD 杆将在一定角度范围内
绕A 轴摆动，通过DE 杆的作用带动滑枕6作直线往复运动。
6
E
F 5B 1
243
D
C
A
00.35
plmrefwall_2[PLMEMB01]absolute x y position at port 100plmrefwall_3[PLMEMB01]absolute x y position at port 10.670.8plmtranslation_2[PLMTRA00-1]spring stiffness 0
damping coefficient 0spring stiffness 0plmpivottrans[PLMTRPI00-1]
damping coefficient 0spring stiffness 0plmpivot(5个)
damping coefficient 0x position at port 20.74plmbod3[PLMBOD03-1]
x position at port 30.4x position at port 1-0.6plmbod3_2[PLMBOD03-2]
x position at port 30.6
plmbod2[PLMBOD02-2]initial absolute angular position 90
initial absolute angular velocity 60
G:xposition 0.1x position at port 20.2
Mass 20
Moment of inertia around Gz axis 5
plmbod2_2[PLMBOD02-1]Mass 0.2
Moment of inertia around Gz axis 0.005
plmbod2_3[PLMBOD02-3]initial absolute angular position 150
G:xposition 0.2x position at port 20.4
gravity icon[GRAV0-1]constant gravity value 9.8
plmrefwall[PLMEMB01]absolute x y position at port 1
图1刨刀驱动机构简图
（3）仿真结果
设置好表1中的各模块参数（其他参数保持默认值）后，设定仿真时间5s ，时间间隔0.01s, 即可进行仿真。
按模型图中的
图标，即可进行机构的3D 动
画仿真，其仿真界面见图3。3D 动画直观地反映了刨刀驱动机构各部分的运动情况。
1. 机架2. 曲柄3. 滑块4. 摇杆5. 连杆6．滑枕
2刨刀驱动机构的AMEsim 模型及仿真分析（1）刨刀驱动机构的AMEsim 模型搭建在AMEsim 环境下，从Planar mechanical 模块
库和Mechanical 模块库中添加（指直接从各模块库中拖拽所需的模块到新建模型窗口）形成刨刀驱动机构AMEsim 模型所需的各种模块：1个个
模块、1个
模块、3个模块、5个模块、1个
模块、1个模块、3个
模
模块、1个块、2个
模块、1
模块共19个模块。模块
经翻转及连线等简单操作后，添加模型标签即可形成刨刀驱动机构的AMEsim 模型（见图2）。
图3
刨刀驱动机构的3D 动画仿真界面
滑枕的水平运动速度及垂直运动速度曲线见图4。
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543210-1-20
速度/m ·s -1
1
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图2刨刀驱动机构的AMEsim 模型
时间/s
（2）各模块参数设置
在仿真前，需对部分模块进行必要的参数设置，刨刀驱动机构AMEsim 模型中各模块的参数设置见表1。
滑枕的运动速度曲线1. 水平方向速度2. 垂直方向速度
图4
从图4可见，滑枕在水平方向的速度比垂直方向大得多，且在水平方向速度不断变化，从时间轴可看出，滑块的运动确实存在急回作用
。
第31卷第09期2010年09月
煤矿机械
Coal Mine Machinery
Vol.31No.09Sep. 2010
基于COSMOS/Works的带式输送机传动滚筒的有限元分析
李晓丽，袁
圆
(安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001)
摘要：对输送机传动滚筒受力状况做了理论分析，运用有限元分析软件COSMOS/Works对
传动滚筒进行了静力分析，得出滚筒在载荷作用下的应力和变形分布规律。分析结果表明，该传动滚筒的结构设计完全满足其强度、刚度要求。
关键词：带式输送机；传动滚筒；COSMOS/Works；有限元中图分类号：TG522.1
文献标志码：A
文章编号：1003－0794（2010）09－0095－02
Finite Element Analysis of Driving Drum of Belt Conveyor Based on
COSMOS/Works
LI Xiao-li ，YUAN Yuan
（School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology ，Huainan 232001，China ）
Abstract ：The loading situation of belt -conveyor ’s drum was analysed. Linear static analysis is conducted with the finite analysis software COSMOS/Works,andobtained the stress and distortion distribution law of drum under load.The analysis results showed that the driving drum could fully satisfy the strength and stiffness requirement.
Key words:belt conveyor;driving drum; COSMOS/Works;finite element 0
前言
滚筒是带式输送机主要的传动部件，根据在输送机中所起作用可分为传动滚筒和改向滚筒。传动滚筒用来传递牵引力和制动力；而改向滚筒主要起改变输送带的运行方向以完成拉紧、返回等各种功能。二者在工作状态下的受力情况不同，故结构也不同。滚筒由滚筒轴、轴承座、轮毂、辐板、筒壳等部分组成。带式输送机的驱动滚筒有焊接和铸焊2种结构形式。本文以某矿用大型传动滚筒为例：滚筒直径为1800mm ，传动滚筒扭矩为428kNm ，合力为2
图1
F θ
λ
c
γ
360°-αθ
F 2
b
a a ′
F 1
滚筒上的张力变化图
596kN ，筒皮材质为Q235-A 。1
传动滚筒的受力分析
在带式输送机中，传动滚筒相当于带传动中的主动轮，而从动滚筒相当于从动轮。驱动滚筒正常工作时承受轴端输入扭矩作用旋转，同时还受输送带和滚筒之间摩擦力的作用，以及输送带对滚筒的压力作用，如图1所示。
假设输送带是理想的挠性体，可以任意弯曲，没有弯曲应力、质量和厚度。输送带在滚筒上的围包角为α，在围包角内存在滑动弧λ和静止弧γ，即α=λ+γ。两端输送带的张力差为F 1-F 2，此差值等于滚筒轴上输入的扭矩值。
输送带的张力变化可按欧拉公式计算，输送带任一点的张力
（1）F θ＝F 2e μθ
输送带在相遇点的极限张力
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
特别适合复杂的系统分析与仿真。3结语
（1）构建了刨刀驱动机构的AMEsim 模型，进行了仿真分析，获得了机构运动的3D 动画及滑枕运动的速度曲线。验证了刨刀驱动机构的正确性及
参考文献：
［1］魏兵，熊禾根. 机械原理［M ］. 武汉：华中科技大学出版社，2007. ［2］付永领, 祁晓野.AMESim 系统建模和仿真—从入门到精通［M ］. 北
京：北京航空航天大学出版社，2006.
作者简介：杨树川（1971-），宁夏吴忠人，副教授，硕士，电子信箱：[email protected].
AMEsim 模型的正确性；
（2）AMEsim 软件基于物理模型建模，不需推导系统的数学模型具有建模方便分析透彻等特点责任编辑：于秀文收稿日期：2010－05－27
F 1m a x