1000kN/2500kNm鍛造操作機(jī)吊掛裝置仿真研究

牛 勇，張營杰，房志遠(yuǎn)，衛(wèi)凌云，范玉林，王宏亮，馮東曉，韓炳濤

(金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032)

1 前言

鍛造操作機(jī)具有重載、精密、高速、智能、柔性等特點(diǎn)，與自由鍛造液壓機(jī)協(xié)調(diào)作業(yè)，可以大大提高生產(chǎn)能力、產(chǎn)品精度、生產(chǎn)效率和材料利用率，降低能耗。操作機(jī)本體部分包括鉗桿裝置、吊掛裝置、預(yù)應(yīng)力機(jī)架、行走裝置等。其中，吊掛裝置直接決定鍛造操作機(jī)的工作空間、負(fù)載特性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性［1－3］。

ADAMS軟件是目前世界上應(yīng)用廣泛、具有權(quán)威性的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件之一，已被廣泛應(yīng)用到航空、航天、兵器、汽車和機(jī)械制造等各個(gè)行業(yè)［1，4－5］。

本文基于動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)分析軟件ADAMS，建立了1 000 kN/2 500 kNm鍛造操作機(jī)吊掛裝置的虛擬樣機(jī)模型，分析了上升和傾斜運(yùn)動(dòng)時(shí)各部件的運(yùn)動(dòng)及受力情況，仿真結(jié)果可以為鍛造操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造提供指導(dǎo)。

2 1 000 kN/2 500 kNm鍛造操作機(jī)吊掛裝置介紹

1 000 kN/2 500 kNm鍛造操作機(jī)采用平行四邊形吊掛裝置，三維模型如圖1所示。該機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是:吊掛裝置中鉗桿平行升降油缸斜置在墻板內(nèi)側(cè)，對(duì)稱布置，可降低安裝高度，節(jié)約空間，并增加鉗桿提升高度;驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂繞安裝在兩側(cè)墻板上的鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過與轉(zhuǎn)臂相聯(lián)接的吊桿來帶動(dòng)鉗桿裝置上升或下降;由于采用的是平行四邊形吊掛結(jié)構(gòu)，鉗桿中心線在升降運(yùn)動(dòng)過程中一直平行于水平面;傾斜缸位于轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)的上位，當(dāng)傾斜缸進(jìn)排液時(shí)，通過與轉(zhuǎn)臂相聯(lián)接的吊桿來帶動(dòng)鉗桿后部上升或下降，從而使鉗桿向下或向上傾斜。

本文計(jì)算夾持重量為1 000 kN、夾持力矩為2 500 kNm時(shí)，上升和傾斜運(yùn)動(dòng)中操作機(jī)各部件的運(yùn)動(dòng)及受力。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，1 000 kN/2 500 kNm鍛造操作機(jī)設(shè)計(jì)要求最大上升距離為2 000 mm，最大上傾角度為6°，最大下傾角度為10°，平升缸最大驅(qū)動(dòng)力為4 500 kN，傾斜缸最大驅(qū)動(dòng)力為4 000 kN。

圖1 1000kN/2500kNm鍛造操作機(jī)三維模型(a)本體(b)吊掛系統(tǒng)

3 模型的建立

采用ADAMS軟件進(jìn)行系統(tǒng)分析一般包括幾何建模、機(jī)構(gòu)約束、施加載荷、仿真分析及調(diào)試和結(jié)果處理等步驟［5］。本文建立幾何模型時(shí)，只考慮保證影響分析結(jié)果的主要尺寸，對(duì)細(xì)節(jié)尺寸不考慮。模型中的零部件及相互間約束見表1。

表1 模型中的約束副

4 仿真結(jié)果與討論

4．1 平行升降運(yùn)動(dòng)

圖2a為鉗桿高度隨平升缸伸長量的變化。分析表明，鉗桿高度與平升缸伸長量存在近線性關(guān)系，這種近線性可以為工程應(yīng)用提供便利。同時(shí)，鉗桿最高可升高2 074 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。圖2b為平升缸靜平衡驅(qū)動(dòng)力隨平升缸伸長量的變化。分析表明，平升缸最大靜平衡驅(qū)動(dòng)力為2 191 kN，最小靜平衡驅(qū)動(dòng)力為2 045 kN，變化幅度為6．9%。平升缸靜平衡驅(qū)動(dòng)力隨平升缸伸長量增大呈先增大后減小的趨勢，這主要是由于隨平升缸伸長量增加，平升缸與水平面夾角呈先減小后增大的趨勢，如圖2c所示。

4．2 傾斜運(yùn)動(dòng)

由于傾斜缸和鉗桿夾角對(duì)鉗桿傾斜角度以及傾斜缸靜平衡驅(qū)動(dòng)力的大小都有影響，因此首先分析鉗桿處于水平位置時(shí)，平升缸伸長量對(duì)傾斜缸和鉗桿夾角的影響，如圖3所示。結(jié)果表明，鉗桿和傾斜缸夾角隨平升缸伸長量增加呈先減小后增大的趨勢，變化幅度不大，并且在90°附近。本文研究鉗桿處于最低位置、中間位置和最高位置時(shí)，傾斜角度和傾斜缸靜平衡驅(qū)動(dòng)力隨傾斜缸伸長量的變化。

圖4a所示為鉗桿傾斜角度隨傾斜缸伸長量的變化(伸長量正值表示傾斜缸伸長，伸長量負(fù)值表示傾斜缸縮短;傾斜角度正值表示上傾，傾斜角度負(fù)值表示下傾)。分析表明，鉗桿位置對(duì)傾斜角度隨傾斜缸伸長量的變化影響不顯著;鉗桿傾斜角度與傾斜缸伸長量存在近似線性關(guān)系，這種近線性可以為工程應(yīng)用提供便利。同時(shí)，鉗桿上傾角度最大值略大于6°，下傾角度略大于10°，滿足設(shè)計(jì)要求。圖4b所示為傾斜缸靜平衡驅(qū)動(dòng)力隨傾斜缸伸長量的變化。分析表明，傾斜缸靜平衡驅(qū)動(dòng)力隨傾斜缸伸長量增加呈減小的趨勢，最大值小于1 950 kN，變化幅度小于200 kN。傾斜缸靜平衡驅(qū)動(dòng)力主要受鉗桿重心位置和鉗桿與傾斜缸夾角的影響，隨傾斜缸伸長量增加，鉗桿重心向傾斜缸一側(cè)移動(dòng)，所以傾斜缸靜平衡驅(qū)動(dòng)力減小。而傾斜缸靜平衡驅(qū)動(dòng)力還受到鉗桿位置的影響。鉗桿處于最低位置時(shí)，隨傾斜缸伸長量增加，鉗桿與傾斜缸夾角從113°減小89．5°，如圖4c所示。傾斜缸靜平衡驅(qū)動(dòng)力下降了193 kN，變化幅度為10．4%。鉗桿處于中間位置時(shí)，隨傾斜缸伸長量增加，鉗桿與傾斜缸夾角從94．2°減小到79．4°，傾斜缸靜平衡驅(qū)動(dòng)力下降了 19．4 kN，變化幅度為1．1%。鉗桿處于最高位置時(shí)，隨傾斜缸行程增加，鉗桿與傾斜缸夾角從98．2°減小到81．7°，傾斜缸靜平衡驅(qū)動(dòng)力下降了45 kN，變化幅度為2．8%。

圖4 傾斜運(yùn)動(dòng)

5 結(jié)論

本文研究了上升和傾斜運(yùn)動(dòng)時(shí)，1 000 kN/2 500 kNm鍛造操作機(jī)吊掛裝置主要部件的運(yùn)動(dòng)及受力情況。結(jié)果表明，鉗桿最大平升高度、最大上傾和下傾角度、平升缸和傾斜缸靜平衡驅(qū)動(dòng)力均滿足設(shè)計(jì)要求。平升缸靜平衡驅(qū)動(dòng)力隨平升缸伸長量增大呈先增大后減小的趨勢;傾斜缸靜平衡驅(qū)動(dòng)力隨傾斜缸伸長量增大而減小。兩組油缸驅(qū)動(dòng)力變化幅度不大，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

［1］ 陳博翁，關(guān)立文，李鐵民．基于ADAMS的鍛造操作機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，(3):6－8．

［2］ 趙凱，王皓，陳關(guān)龍等．自由鍛造操作機(jī)順應(yīng)過程分析［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(4):27－34．

［3］ 余發(fā)國，高峰，郭為忠等．鍛造操作機(jī)的回顧與展望［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2007，(?？?:12－15．

［4］ 李團(tuán)結(jié)，朱超．基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的球形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真研究［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18(4):1026－1029．

［5］ 鄭健榮．ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002．