大跨度桁架式开沟机三维虚拟设计及运动仿真

0 引言

    根据南水北调工程郑州新郑段施工需要，白行研制了一种大跨度开沟机。最大跨度23m，最大坡度1：3，最大开沟深度0.6m，宽度0.4m，地质条件为混填土。设备的设计和安装考虑实现其功能，使各部件的结构以及整体布局合理，设计过程中，引入了三维绘图机运动仿真软件，对设备进行了虚拟设计。在实际操作中，零部件从设计到加工及装配需要较长时间，在很大程度上影响了新产品的研制周期，同时还使投资较大。在开沟机研制过程中应用虚拟设计技术旨在为设备的改进节省时间和降低成本。运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，提前发现设备存在的隐患和问题，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，显著提高产品质量及系统性能，从而获得最优化和创新的设计产品。

1 设备组成及其工作原理

    该施工设备由行走机构1、操纵机构2、桁架机构3和执行机构4组成（如图1）。桁架结构3由等长度的三段通过螺栓连接成一体，倾斜跨在待开挖的斜坡上，两端由行走机构1支撑，行走机构1底部铺设有轨道，操纵机构2设计在斜坡下方一侧的行走机构上1，桁架结构3的纵梁上设计有滑道，钢丝绳在上面滑动，带动桁架上的执行机构4在沿着桁架走向往复运动，同时执行机构在电机带动下白行转动，这样就能够完成在整个斜坡上的开沟施工。开沟深度可以通过执行机构刀头的高度控制，开沟宽度可以通过更换刀头来实现。

图1 开沟机装配模型

2 三维虚拟设计

    虚拟设计是在产品三维数字化定义用于产品研制过程中，结合产品研制的具体情况，突出以设计为核心的应用思想。虚拟设计过程亦是零部件的建模和模型装配过程。

    要想对产品进行虚拟设计，需要根据产品实际尺寸和结构关系，建立零件的三维实体模型。首先对零件进行结构分析，根据零件的特点确定零件的建模顺序。使用 CAD软件提供新的图纸细化功能，设计人员无需手动进行尺寸标注，节省了时间和精力。用户只需单击就能使尺寸标注对齐、错开或对中，而不会有任何重叠。

    桁架结构采用五节装配体通过螺栓连接完成整个结构的创建。首先打开零件建模模块（如图2a），建立矩形截面并用拉伸工具对桁架的纵梁和横梁建模（如图2h）；运用阵列工具和镜像工具建立多个横梁模型（如图2e）；运用拉伸中的沿方向拉伸做出斜桁架，通过阵列得到（如图2d）；通过镜像拉伸得到桁架结构（如图2e）。