行星绞合机运行情况的多体动力学仿真

Planetary stranders are large machines used to produce steel strands and ropes in single- or multi-operation processes. These machines are designed to combine many stranding elements while twisting them around a common axis. The stranding elements are initially wound on reels, which are mounted on rotating cages. The extraordinary moving masses and the risks that would result from a structural failure are critical issues in the design of stranders. Mario Frigerio S.p.A., Italy, which is a leading manufacturer of stranders, was asked to develop customized planetary stranders that had to meet exceptional specifications. RecurDyn software was used to virtually analyze all the possible operating scenarios. Simulation results provided both the maximum loads for parts, sizing and, at the same time, the required information for choosing the huge electric motor powering the machine.

行星绞合机是单工序或多工序生产钢绞线和钢丝绳的大型机器，多个绞合单元同时共绕一轴进行扭转，绞合元件最初缠绕在卷轴上，卷轴安装在旋转的保持架上，因绞合机工作条件特殊，设计过程不得不考虑其特殊的移动质量和结构故障可能引发的风险。意大利Mario Frigerio S.p.A.是绞合机的领先制造商，该公司开发定制的行星绞合机须满足特殊的规格要求，在设计过程中采用RecurDyn软件对绞合机所有可能面临的操作场景进行了仿真分析，依据仿真结果确定了最大负载、零件尺寸以及大型电机的规格。

Customer Challenges 面临的挑战

• 客户的操作条件很难预测
• 高转速情况下的卷筒不平衡所导致的极端动力学行为
• 需要确定最佳电机功率：
  • 如果电机功率太小，某些操作条件机器无法正常工作
  • 如果电机功率太大，会增加总体成本影响利润

Solutions 解决方案

• 采用专业的RecurDyn多体仿真软件快速计算动态条件下的功率峰值
• 采用参数化几何建模方法实现仿真模型工作场景的快速改变
• 自动计算惯性载荷和反作用力矩

Process 流程

1. 导入大约包含100个零件的CAD几何，通过运动副定义零件之间的传力关系
2. 定义转轴的摩擦效应
3. 通过参数化方法建立卷轴，快速再现不同的负载条件（即机器生产不同类型的绳线）
4. 所有行星齿轮机构均通过耦合副建模
5. 重点考虑加速、恒速和紧急制动三个阶段的64种负载工况

Key Technologies for Analysis 关键技术

• 运动副考虑摩擦效应
• 卷轴几何参数化建模
• 齿轮联轴器采用耦合副建模
• 多操作工况条件通过批处理方式实现快速仿真

Outcomes 效果

• 得到的绞合机零件用于结构验证的最大（尺寸）载荷
• 通过仿真多个负载工况，确定了电机的型号