一種新型多功能起重輸送車設(shè)計與分析

范乃吉++陳靜++張揚++熊遷

摘 要：設(shè)計了一種新型多功能起重輸送車，兼具運輸、起重、俯仰調(diào)整等功能。在設(shè)計過程中，首先使用Pro/E對其進行三維建模，并對四桿擺臂機構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，然后基于ADAMS仿真平臺進行動力學(xué)分析，得到四桿擺臂機構(gòu)的位移、角度、速度、受力等相關(guān)特性曲線，最后利用ANSYS的APDL語言編制分析程序，分析了“水平運輸”和“起升”兩種工況下的整體變形及各部位的應(yīng)力和應(yīng)變。該文的設(shè)計方法對同類設(shè)備的運動學(xué)和動力學(xué)分析具有很好的參考價值。

關(guān)鍵詞：起重輸送車 有限元法 四桿機構(gòu) ANSYS ADAMS

中圖分類號：U11 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0001-04

在高功率固體激光裝置的建設(shè)過程中，由于待裝校光機組件的重量、形狀及安裝要求不同，需要設(shè)計不同的輔助工裝對其進行潔凈、精密裝校。因此，為滿足透鏡模塊等靶場光機組件的裝校，該所聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)一同研制了一種新型多功能起重輸送車。

由于實驗室的裝校環(huán)境較為復(fù)雜，且障礙較多，因此需要該設(shè)備的底盤盡可能低，同時，下車和上車間應(yīng)采用回轉(zhuǎn)支撐進行連接，下車采用定向輪和萬向輪結(jié)合的方式進行行走。為了防止運輸過程中起重輸送車出現(xiàn)傾翻情況，在下車前方設(shè)置了兩個防傾翻輪。除此之外，被運輸?shù)墓鈾C組件需要能夠自由調(diào)整俯仰角度，同時可以在擺臂上進行滑動，為了實現(xiàn)該功能，該設(shè)備采用電動缸驅(qū)動四桿擺臂機構(gòu)實現(xiàn)擺動，結(jié)合電機卷揚系統(tǒng)來實現(xiàn)被運輸設(shè)備在擺臂上的滑動。與此同時，當(dāng)擺臂仰起時，兼具起重設(shè)備功能，通過電機卷揚系統(tǒng)來實現(xiàn)光機組件的起吊。

1 四桿擺臂機構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

四桿擺臂機構(gòu)是起重輸送車（如圖1所示）的重要部分，是整個工作裝置的核心。光機組件需通過滑動夾具放置在四桿擺臂機構(gòu)上，運輸過程中，四桿擺臂機構(gòu)要承載光機組件和滑動夾具的重量，要安全可靠，同時占用空間體積要小，滿足高度限制；工作時，四桿擺臂機構(gòu)又可以將光機組件擺動到48°的位姿，同時還能使滑動夾具在48°方向上進行滑動。光機組件及其配套設(shè)備的重量約為1.2 t，但是重心位置時常有變化。因體積限制，兩個電動缸最大能提供的推力為4.4 t。鑒于上述要求，該設(shè)計采用四桿擺臂機構(gòu)的形式，伺服電動缸驅(qū)動搖臂，從而驅(qū)動滑桿擺動到48°；在滑桿頂端安裝滑輪組，通過鋼絲繩來控制滑動夾具的升降運動。經(jīng)過多次優(yōu)化修正，最終得到的各桿尺寸為轉(zhuǎn)臺的兩個鉸接點之間長度為Za=874.15 mm，擺臂長度Zb=411.45 mm，擺桿兩鉸接點間長度Zc=495 mm，搖桿長度Zd=794.25 mm，如圖2所示。

2 起重輸送車擺臂機構(gòu)的ADAMS仿真分析

建立起重輸送車執(zhí)行機構(gòu)ADAMS模型的過程如下。

首先，將在Pro/E中建立的起重輸送車三維模型各組成部分即底盤、轉(zhuǎn)臺、三角臂、擺桿、搖臂、電動缸、伸縮臂單獨保存成零件類型，然后重新進行裝配，將裝配體保存成“.x_t”格式，然后導(dǎo)入到ADAMS中，在模型修正模塊里將所有組成分塊（Part）的材料類型設(shè)置為Steel，可自動得到材料的密度和彈性模量以及泊松比等屬性，模型宏觀單位選擇MMKS，即毫米千克秒。

其次，在ADAMS中對執(zhí)行機構(gòu)各個部分之間建立約束關(guān)系。調(diào)整工作平面的方向，使其垂直于各轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸線，然后在各轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)之間于鉸接處建立起轉(zhuǎn)動副；在伺服電動缸與伸縮臂之間建立移動副；同時將轉(zhuǎn)臺與地面進行鎖定，即將轉(zhuǎn)臺進行全約束。

再次，在伺服電動缸缸套與伸縮臂的移動副處添加兩個移動關(guān)節(jié)的直線運動用來模擬伺服電動缸伸縮臂的伸縮，伸縮臂是勻速動作的，其移動速度設(shè)定為3 mm/s。

然后，對執(zhí)行機構(gòu)進行加載，重力加速度設(shè)置為Y軸負(fù)方向，大小為9.8 N/kg，物理診斷設(shè)備和滑動夾具在單個作用點的等效載荷為3528 N，施加在滑動夾具車輪與擺桿接觸的位置上，載荷隨著擺桿的移動同時移動，即其相對擺桿的位置不變，方向垂直向下。

最后，進入仿真求解模塊，根據(jù)伸縮臂伸縮長度和速度的比值，得到伸縮臂全程運行時間約為145 s，仿真步數(shù)設(shè)定為2000步，運行時間函數(shù)為STEP5（x，x0，h0，x1，h1），其中自變量x是時間time，x0是開始時間t=0 s，x1是結(jié)束時間t=145 s，h0是油缸起始伸縮量0 mm，h1是油缸最大伸縮量435 mm，仿真姿態(tài)如圖3和圖4所示

伺服電動缸仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。由伺服電動缸受力曲線可看出，最大受力接近18 000 N，在選用電動缸量程以內(nèi)，而且接近最大量程，能充分發(fā)揮電動缸的功用，而且伸縮臂受力大小變化比較平緩，沒有突變，另外油缸伸縮量約為430 mm，符合設(shè)計要求，所以由機構(gòu)分析和ADAMS仿真分析都能說明電動缸伸縮量設(shè)置的正確性。

3 起重輸送車的ANSYS仿真分析

在設(shè)計建模的過程中，采用Top-Down和Down-Top相結(jié)合的建模方法，即部分結(jié)構(gòu)通過點、線、面、體的順序來建立，而有的部分結(jié)構(gòu)采用先建立出體、面或線，然后自動生成其下級元素。起重輸送車的結(jié)構(gòu)模型比較復(fù)雜，所以在不影響計算精度的前提下，在建模過程中從結(jié)構(gòu)上進行適當(dāng)?shù)暮喕@樣可以減少大量的冗余的工作，讓設(shè)計人員把更多的時間放在設(shè)計的改善上，不僅大大減少了工作量，而且縮短了設(shè)計周期。

在對起重輸送車進行力學(xué)仿真的過程中，主要針對“水平運輸”和“起升”這兩個工況進行分析，如圖7和圖8所示為“水平運輸”工況下的整車幾何模型和加載后的有限元模型?！捌鹕惫r下，由于物理診斷設(shè)備長度規(guī)格不同，需要調(diào)整擺桿上滑架的位置來適應(yīng)物理診斷設(shè)備的長度，在此該文按照滑架完全伸出時的情況進行建模，同時，由于滑架和擺桿的材料相同，直徑差別很小，所以建模時直接將擺桿的長度設(shè)置為擺桿和滑架的總長度，如圖9和圖10所示為“起升”工況下的整車幾何模型和加載后的有限元模型。

在“水平運輸”和“起升”兩種工況下車架應(yīng)力云圖如圖11和圖12所示，起重輸送車整體都能滿足強度和剛度要求，擺桿變形在允許的范圍內(nèi)，能很好的滿足工作要求，出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位通過在加工中增加過渡圓角或者增大厚度就可以消除。

4 結(jié)語

在功能上，該文設(shè)計的新型功能起重輸送車滿足了設(shè)計要求，對同類設(shè)備的研發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。同時應(yīng)用ADMAS和ANSYS分別對該設(shè)備進行了運動學(xué)和結(jié)構(gòu)分析，從計算結(jié)果來看，設(shè)備安裝可靠，可以投入生產(chǎn)。

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