擦窗機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析

吳玉厚，黃 凱，張 珂，孫 佳，吳 杰

（沈陽建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

0 引言

建筑業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，隨著經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，我國已成為當(dāng)今世界上最大的建筑市場。建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展使一大批新型的現(xiàn)代高層建筑物聳立在城市中，相比于傳統(tǒng)建筑造型，現(xiàn)代建筑以其造型新穎奇特、外形美觀受到青睞。現(xiàn)代建筑帶給城市美觀、新穎的同時(shí)，對(duì)建筑表面施工、安裝、維護(hù)及清潔等作業(yè)提出了更高的要求，需要高效、安全、環(huán)保的施工作業(yè)設(shè)備滿足其快速發(fā)展的需求。目前，我國建筑外立面施工、安裝、維護(hù)及清洗主要采用腳手架或簡易懸掛吊籃作業(yè)來完成，不僅施工效率低，而且安全性差，經(jīng)常有高處墜落事故發(fā)生，給人們生命財(cái)產(chǎn)和建筑施工安裝企業(yè)造成了巨大損失，給社會(huì)造成極大負(fù)擔(dān)。在此背景下，擦窗機(jī)作為新型的墻面維護(hù)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，它具有施工效率高、作業(yè)速度快、高空作業(yè)安全性好、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，替代傳統(tǒng)施工方法，符合現(xiàn)代建筑施工對(duì)設(shè)備的發(fā)展需求[1]。

為了滿足不同結(jié)構(gòu)形式擦窗機(jī)對(duì)特定建筑物屋頂結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，需要不斷地改善擦窗機(jī)自身結(jié)構(gòu)形式并降低其自身重量、提升安全性。然而，對(duì)于國內(nèi)市場，由于擦窗機(jī)的發(fā)展較晚，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相對(duì)薄弱，導(dǎo)致固有的設(shè)計(jì)方法無法滿足建筑業(yè)對(duì)擦窗機(jī)復(fù)雜、多樣的需求，嚴(yán)重制約了我國擦窗機(jī)設(shè)備的健康發(fā)展。本文以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，針對(duì)典型擦窗機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證擦窗機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度，進(jìn)而獲得更加準(zhǔn)確、快速的設(shè)計(jì)方法。

1 擦窗機(jī)的結(jié)構(gòu)及受力分析

擦窗機(jī)主要組成部件包括行走機(jī)構(gòu)、吊臂機(jī)構(gòu)以及卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該行走機(jī)構(gòu)上端連接底盤，底盤安裝有回轉(zhuǎn)盤，回轉(zhuǎn)盤上安裝有吊臂機(jī)構(gòu)，吊臂末端安裝有卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，在吊臂前端設(shè)置有旋轉(zhuǎn)吊臂，并連接有吊船裝置，吊臂機(jī)構(gòu)主要包括有舉升裝置、舉升連桿以及吊臂部件，舉升連桿的一端均鉸接在回轉(zhuǎn)盤上，另一端均與吊臂鉸接；吊臂、舉升連桿及回轉(zhuǎn)盤構(gòu)成平行四連桿機(jī)構(gòu)；通過俯仰油缸頂升的四連桿機(jī)構(gòu)，保證了吊臂在升降過程中的平行升降，同時(shí)其位置變化直觀，即能夠保證升降過程的安全性，又能提高對(duì)吊臂高度的控制精度。

圖1 擦窗機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of permanently installed suspended access equipment

擦窗機(jī)在舉升運(yùn)動(dòng)中，其主要?jiǎng)恿楦┭鲇透椎纳炜s。如 圖2 所示，此時(shí)作為動(dòng)力的舉升前連桿與地面的夾角最小，伴隨著油缸的舉升動(dòng)作，連桿的夾角在逐漸變大，其所受力的關(guān)系如下，對(duì)B 點(diǎn)取矩可知：

圖2 擦窗機(jī)舉升機(jī)構(gòu)受力簡圖Fig.2 The force diagram of permanently installed suspended access equipment

式中： G—連桿所受重力；FC—C 鉸點(diǎn)受力；L1—B點(diǎn)到油缸的距離；L2—連桿中心點(diǎn)到B 點(diǎn)的距離。

由于擦窗機(jī)所受外力大部分為重力所致（載重、機(jī)身自重等等），伴隨著油缸的舉升動(dòng)作，使舉升機(jī)構(gòu)在X軸方向的分力逐漸減小、L2減小、L1增大，同時(shí)由式（1）可知，F(xiàn)C伴隨著油缸的舉升呈降低趨勢。

2 舉升機(jī)構(gòu)的ADMAS 動(dòng)態(tài)仿真

ADMAS 動(dòng)態(tài)仿真建模型通常有以下兩種方法[2～3]：①使用ADAMS 中的三維建模模塊直接建模，由于ADAMS的建模能力對(duì)比于專業(yè)建模軟件來說相對(duì)較弱，因此常用于簡單模型的建模；②在專業(yè)建模軟件（Solidworks）中建立三維模型，然后利用該建模軟件和ADAMS 的接口技術(shù)將模型導(dǎo)入ADAMS 中，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。由于本文涉及的擦窗機(jī)為相對(duì)復(fù)雜的工程機(jī)械，所以選擇第二種建模方法。

模型導(dǎo)入后對(duì)其進(jìn)行布爾運(yùn)算，以減少模型所添加的約束，同時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)各個(gè)旋轉(zhuǎn)部件添加旋轉(zhuǎn)副，并對(duì)油缸添加滑移副，同時(shí)對(duì)滑移副添加直線驅(qū)動(dòng)。

由于舉升機(jī)構(gòu)是由液壓缸驅(qū)動(dòng)，在直線驅(qū)動(dòng)中選擇速度驅(qū)動(dòng)方式，而液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度是由液壓系統(tǒng)的流量來決定的，其流量與速度的關(guān)系式如下：

式中： Q—進(jìn)油腔的系統(tǒng)流量；V—活塞桿的線速度；D—進(jìn)油腔直徑（大腔為油缸內(nèi)徑，小腔則為油缸內(nèi)徑與活塞直徑的差值）。

由于系統(tǒng)的流量Q 為8.7L/min，液壓缸的規(guī)格尺寸為φ100/φ70×65，由此可知在大腔進(jìn)油時(shí)V=9.28×10-3m/s，反之為V=13.26×10-3m/s。

油缸的運(yùn)動(dòng)可以分為加速運(yùn)動(dòng)、勻速運(yùn)動(dòng)、減速運(yùn)動(dòng)，因此在驅(qū)動(dòng)中采用階躍函數(shù)來控制油缸的動(dòng)作，考慮到油缸加、減速運(yùn)動(dòng)，采取其驅(qū)動(dòng)時(shí)間在5s，同時(shí)經(jīng)過運(yùn)算得出各個(gè)階段的仿真時(shí)間，得出其控制函數(shù)如下所示：

STEP ( time , 0 , 0 , 5, 9.28 ) +

STEP ( time , 55 , 0 , 60, -9.28 ) +

STEP ( time , 70 , 0 , 75, -13.26 ) +

STEP ( time , 114 , 0 , 119, 13.26 )

圖3 吊臂角度變化曲線Fig.3 The curves of Crane jib Angle

圖4 液壓缸推力曲線Fig.4 The curves of hydraulic cylinder force

圖5 吊臂前連接點(diǎn)受力曲線圖Fig.5 The curves of Crane jib join

通過此函數(shù)可以控制擦窗機(jī)從停泊狀態(tài)→工作狀態(tài)→停泊狀態(tài)，同時(shí)對(duì)整機(jī)模型添加外載荷，通過仿真可得到吊臂角度變化曲線、液壓缸推力曲線以及舉升前連桿受力曲線圖，分別如圖3、圖4 和圖5 所示。由驅(qū)動(dòng)函數(shù)可知，在前5秒內(nèi)，油缸活塞做加速運(yùn)動(dòng)，5~55s 做勻速運(yùn)動(dòng)，55~60s做減速運(yùn)動(dòng)，擦窗機(jī)到達(dá)工作狀態(tài)，70~119s 則重復(fù)上述運(yùn)動(dòng)過程，擦窗回到初始停泊狀態(tài)。由 圖3 可 知，擦窗機(jī)在整體仿真過程中吊臂的變化角度從最初的-3.2°變化到2.3°，變化范圍非常小可以看作是平行升降，同時(shí)吊臂在兩個(gè)極端角度變化所花時(shí)間為58s，由此可以驗(yàn)證吊臂運(yùn)行的平穩(wěn)性。

圖4 表明液壓缸在舉升機(jī)構(gòu)上升過程中合力是單調(diào)遞減的，引起上述原因主要是推力在X 方向的分力減少，而在Y 軸方向的分力基本保持不變，其正好驗(yàn)證了在靜力學(xué)中的變化規(guī)律，同時(shí)也驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)仿真的可靠性。

同時(shí)，由圖4、5 聯(lián)合分析可知，整個(gè)舉升機(jī)構(gòu)受力都是呈現(xiàn)一個(gè)遞減的趨勢，由此可得出機(jī)構(gòu)的最危險(xiǎn)工況（舉升開始的時(shí)候），同時(shí)其最大受力為FC=46250N，F(xiàn)D=24000N，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析時(shí)，可將此力為有限元分析提供更合理的載荷值。

3 舉升機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析

3.1 有限元模型的建立材料參數(shù)確定

將SolidWorks 建立的舉升機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入到Ansys Workbench 軟件中，由于本文主要考慮的是提供動(dòng)力的前舉升連桿，因此在分析模型中將后舉升連桿省略，有利于減少網(wǎng)格劃分難度，提高求解精度[4]。并定義材料參數(shù)為Q235，屈服極限為235 MPa，抗拉應(yīng)力為460MPa，彈性模量E=2.1e5MPa，泊松比μ=0.3。

3.2 網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格劃分要求規(guī)則均勻，接觸位置及其附近的網(wǎng)格劃分要較為細(xì)密，其他部位可相對(duì)稀疏，所以對(duì)舉升機(jī)構(gòu)模型采用多區(qū)域劃分法[5]，接觸單元關(guān)聯(lián)度（element relevance）取為80。共得到節(jié)點(diǎn)數(shù)為17253 個(gè)，單元數(shù)為7865。

3.3 定義接觸和約束[6]

取連桿下端添加圓柱面約束，同時(shí)銷軸與回轉(zhuǎn)盤之間添加固定約束，設(shè)置好各部件的連接，同時(shí)運(yùn)用上文中所求得的最大力（FC=46250N，F(xiàn)D=24000N）進(jìn)行加載分析。

3.4 求解及分析

運(yùn)用Ansys workbench 進(jìn)行求解得到的應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖如圖6、7 所示。

圖6 表明舉升機(jī)構(gòu)應(yīng)力最大處發(fā)生在連桿與回轉(zhuǎn)盤連接處，同時(shí)在連桿與油缸連接處所受應(yīng)力反而是最小的，其最大應(yīng)力值為243.79MPa，超出了材料的最大屈服極限為235 MPa，需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理。

而舉升機(jī)構(gòu)的剛度校核則參考汽車起重機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[7，8]，其規(guī)定：輪載式汽車起重機(jī)的箱形臂許用撓度為f ≤L/30~L/50，L 為臂長，臂架的撓度變形應(yīng)比汽車起重機(jī)箱形臂的撓度要小，因此建議擦窗機(jī)的臂架撓度變形f≤L/50[9]，而舉升機(jī)構(gòu)的實(shí)際長度L=2000mm，可知其許用撓度為f≤L/50=40mm，而圖中所示最大繞度為4.19mm，發(fā)生在前舉升桿最前端，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，無需進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 舉升機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.6 The stress nephogram of lifting mechanism

圖7 舉升機(jī)構(gòu)應(yīng)變云圖Fig.7 The strain nephogram of lifting mechanism

3.5 舉升機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

綜上所述，對(duì)于舉升機(jī)構(gòu)的優(yōu)化可從以下兩方面進(jìn)行優(yōu)化： ①在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方面，改變舉升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，減少局部應(yīng)力集中，進(jìn)而增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的整體強(qiáng)度；②在取材方面，結(jié)合機(jī)構(gòu)整體承載及受力情況，選取適應(yīng)性較強(qiáng)的材料，以此達(dá)到整體受力均勻的目的。

為了達(dá)到機(jī)構(gòu)優(yōu)化目的，采取以上兩種方式同時(shí)進(jìn)行，改進(jìn)措施如下：

（1）考慮將連桿上油缸的支撐點(diǎn)往下移動(dòng)200mm，改善舉升機(jī)構(gòu)的整體受力，減少應(yīng)力集中。

（2）對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高的區(qū)域，考慮減少其材料的厚度，降低機(jī)構(gòu)自重對(duì)整機(jī)強(qiáng)度的影響[10]。

（3）在應(yīng)力最大處，考慮在內(nèi)部增加連接筋板或是增加該處管壁厚度，提升其整體力學(xué)性能。

圖8 優(yōu)化前后應(yīng)力對(duì)比圖Fig.8 The contrast figure of stress before and after optimization

圖8 為機(jī)構(gòu)改進(jìn)前后舉升連桿所受應(yīng)力對(duì)比曲線。從圖中可以看出，優(yōu)化后的應(yīng)力最大值為160MPa，同樣發(fā)生在連桿與回轉(zhuǎn)盤連接處，但是相比于原有值有較大改善，同時(shí)通過曲線分析可以看出優(yōu)化后的應(yīng)力集中明顯優(yōu)于優(yōu)化前，且低于材料的屈服極限（235 MPa），達(dá)到了優(yōu)化的目的。

4 結(jié)論

（1）利用三維建模軟件并結(jié)合ADAMS 對(duì)擦窗機(jī)舉升運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真，直觀的給出了擦窗機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性，并找出了擦窗機(jī)舉升過程中的最危險(xiǎn)工況，為接下來的靜力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。

（2）結(jié)合有限元分析軟件及ADAMS 動(dòng)力學(xué)分析軟件，將動(dòng)力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問題來處理，驗(yàn)證了舉升機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度，大大的減少了設(shè)計(jì)所花的時(shí)間，為擦窗機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

（3）通過靜力學(xué)分析得出，舉升連桿與回轉(zhuǎn)盤的連接部位所受應(yīng)力相對(duì)于其他部位明顯偏大，在設(shè)計(jì)過程中要著重考慮。

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