基于CATIA的平地機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)與仿真分析

苗國華,崔元福,王 永,馮克祥

(山東臨工工程機(jī)械有限公司,山東 臨沂,276023)

基于CATIA的平地機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)與仿真分析

苗國華,崔元福,王 永,馮克祥

(山東臨工工程機(jī)械有限公司,山東 臨沂,276023)

簡要介紹了平地機(jī)工作裝置基本結(jié)構(gòu),應(yīng)用CATIA完成工作裝置方案參數(shù)化建模.分析工作裝置各部件運(yùn)動關(guān)系并抽取工作裝置運(yùn)動副機(jī)構(gòu)模型,基于CATIA的DMU模塊建立工作裝置仿真模塊.通過仿真分析獲取其空間運(yùn)動包絡(luò)體、軌跡以及鏟刀各種工作狀態(tài)時(shí)鏟刀升降油缸、鏟刀側(cè)擺油缸支點(diǎn)變化軌跡,為工作裝置空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化和相關(guān)油缸參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù).

平地機(jī)工作裝置; 運(yùn)動副抽取; DMU仿真分析; 運(yùn)動軌跡

0 引言

平地機(jī)是一種以鏟刀為主、多種附具可選,主要用于大面積平整場地、修路、刮坡、挖溝、修邊渠、排水溝、除雪、松土、推土、開荒等工況的作業(yè)機(jī)械.為滿足上述各種工況需求,工作裝置在設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足左、右側(cè)擺90゜、鏟刀側(cè)刮20゜等要求,在開發(fā)新型平地機(jī)時(shí)由于工作裝置控制結(jié)構(gòu)多、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、空間結(jié)構(gòu)復(fù)合運(yùn)動等特點(diǎn),其設(shè)計(jì)難度較大.國內(nèi)外對工作裝置設(shè)計(jì)研究不多見,余波等[1]對平地機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置分析,建立參數(shù)化模型,并實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動仿真;潘勇軍等[2]提出一種平地機(jī)工作裝置混聯(lián)機(jī)構(gòu)簡化位置正解分析方法.

本文先簡要介紹某型號平地機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)并基于CATIA完成工作裝置初始方案的參數(shù)化三維建模.通過分析工作裝置各部件運(yùn)動關(guān)系并抽取其運(yùn)動副,在CATIA的DMU模塊中建立工作裝置運(yùn)動仿真模型.通過仿真分析獲取工作裝置空間運(yùn)動包絡(luò)體、關(guān)鍵點(diǎn)運(yùn)動軌跡和鏟刀升降油缸、側(cè)擺油缸支點(diǎn)的運(yùn)動軌跡,以此驗(yàn)證優(yōu)化工作裝置新方案空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鏟刀升降、鏟刀側(cè)擺油缸等參數(shù)設(shè)計(jì).

1 平地機(jī)工作裝置與結(jié)構(gòu)分析

某型號平地機(jī)工作裝置如圖1所示,主要由左小臂、左提升油缸、右小臂、右提升油缸、擺架連桿、側(cè)擺油缸、牽引架、回轉(zhuǎn)架、回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、鏟刀、傾角支架以及傾角油缸等組成.

圖1 某型號平地機(jī)工作裝置Fig.1 Diagram on structure of working equipment

左、右小臂分別通過銷軸與前車架鉸接連接,同時(shí)又分別與擺架連桿兩端通過銷軸鉸接連接.左、右提升油缸支架分別與左、右小臂鉸接連接.左、右提升油缸支架、左、右小臂及擺架連桿構(gòu)成平地機(jī)工作裝置中的擺架連桿機(jī)構(gòu),擺架連桿有若干定位孔,通過前車架的鎖緊油缸鎖緊擺架連桿不同位置孔,從而實(shí)現(xiàn)擺架連桿的調(diào)整.

左、右升降油缸一端分別與左、右提升油缸支架鉸接連接,另外一端分別與牽引架的兩球頭球鉸接;側(cè)擺油缸一端與擺架連桿固定球頭球鉸接,另外一端與牽引架球頭球鉸接.牽引架與前車架球面連接.回轉(zhuǎn)架通過回轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動繞牽引架可實(shí)現(xiàn)360゜回轉(zhuǎn);鏟刀與傾角支架移動副連接,并通過傾角支架與回轉(zhuǎn)架鉸接連接,傾角油缸一端與傾角支架鉸接,另外一端與回轉(zhuǎn)架鉸接.

由上述分析可知,平地機(jī)工作裝置是多自由度、多維復(fù)合空間機(jī)構(gòu).工作裝置空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、關(guān)鍵支點(diǎn)的確定以及各油缸支點(diǎn)與參數(shù)確定十分困難.在某型平地機(jī)工作裝置方案設(shè)計(jì)時(shí),先應(yīng)用CATIA完成其參數(shù)化三維建模.

2 工作裝置結(jié)構(gòu)抽取與仿真模型建立

根據(jù)上節(jié)分析的平地機(jī)工作裝置各部件運(yùn)動關(guān)系,抽象出某型平地機(jī)工作裝置各部件運(yùn)動副關(guān)系圖,如圖2所示:

圖2 工作裝置運(yùn)動副圖Fig.2 Diagram on kinematic pairs of working equipment

將基于CATIA的工作裝置方案參數(shù)化三維模型轉(zhuǎn)到CATIA的DMU模塊,根據(jù)抽取的工作裝置運(yùn)動副關(guān)系完成約束到運(yùn)動副關(guān)系的轉(zhuǎn)變.仿真模型中將前車架作為仿真模型的固定件,考慮到仿真模型主要驗(yàn)證優(yōu)化新工作裝置空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動軌跡、各工作油缸支點(diǎn)軌跡和油缸參數(shù)確定等,雙油缸+回轉(zhuǎn)閥擺動回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對整體仿真模型沒有影響,因此簡化回轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu),將其等效為回轉(zhuǎn)架與牽引架旋轉(zhuǎn)結(jié)合.同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況分別添加擺架連桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度命令、左升降油缸、右升降油缸、側(cè)擺油缸、側(cè)移油缸以及傾角油缸移動副命令和回轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)角度命令,完成工作裝置初始方案仿真模型的建立.但仿真模型完成后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)自由度不為0,DMU仿真系統(tǒng)不會提示可以模擬機(jī)械裝置.進(jìn)一步分析認(rèn)為側(cè)擺油缸的桿端與擺架連桿的固定球頭球鉸副、側(cè)擺油缸的活塞端與牽引架球頭的球鉸副、左升降油缸桿端與牽引架球頭的球鉸副以及右升降油缸桿端與牽引架球頭的球鉸副不能分別將側(cè)擺油缸活塞端、側(cè)擺油缸桿端、左升降油缸桿端及右升降油缸桿端繞其本身軸線的自由度約束住,與實(shí)際狀態(tài)不符,不能正常模擬.因此需要將上述四處的球鉸副按照實(shí)際狀況進(jìn)行等效處理,限制其繞本身軸線的自由度.應(yīng)用U形結(jié)合處理上述四處球鉸連接處,將U形結(jié)合的兩個(gè)軸線分別選取油缸活塞或活塞桿與牽引架球頭的軸線,兩軸線交點(diǎn)即為油缸與牽引架球頭連接的中心點(diǎn).工作裝置仿真模型如圖3所示:

圖3 工作裝置仿真模型Fig.3 Simulation model of working equipment

3 仿真分析

利用CATIA“知識工程”的“知識顧問”模塊的“規(guī)則編輯器”,參考鏟刀左、右側(cè)立90゜等工況的實(shí)際操作過程中,編制仿真模型的工作裝置鏟刀左、右側(cè)立90゜的仿真程序如下(以右立90゜為例):

在DMU模塊中,分別激活結(jié)構(gòu)樹中編制的“法線”,應(yīng)用“模擬”命令,并在選項(xiàng)卡中選中“使用法則曲線”選項(xiàng),生成左、右鏟刀側(cè)立90゜兩個(gè)“模擬”,再應(yīng)用“編譯模擬”分別生成左、右側(cè)立“重放”.基于“重放”使用“掃瓊包絡(luò)體”,仿真形成工作裝置左、右鏟刀側(cè)立90゜包絡(luò)體,如下圖4所示:

分析工作裝置方案的空間運(yùn)動包絡(luò)體,可得知在空間運(yùn)動過程中工作裝置與前車架、前橋等關(guān)聯(lián)部件沒有出現(xiàn)干涉現(xiàn)象,驗(yàn)證其方案設(shè)計(jì)是合理的.若方案包絡(luò)體出現(xiàn)干涉情況,可以切換到CATIA零件模塊,對工作裝置方案三維模型進(jìn)行參數(shù)化修改,快速驗(yàn)證方案可行性,提高設(shè)計(jì)效率.

圖4 工作裝置鏟刀左、右側(cè)立90゜包絡(luò)體Fig.4 Simulation program of working equipment

利用“軌跡”命令,分別基于工作裝置左、右側(cè)立90゜的“重放”生成工作裝置在空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動過程中牽引球頭、左(右)升降油缸與提升支架的支點(diǎn)、左(右)升降油缸與牽引架球頭的支點(diǎn)、側(cè)擺油缸與擺架連桿球頭支點(diǎn)以及側(cè)擺油缸與牽引球頭支點(diǎn)共7個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)軌跡變化情況,如圖5所示,結(jié)合工作裝置包絡(luò)體和7個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)軌跡對工作裝置方案切換到參數(shù)化建模中進(jìn)行優(yōu)化更改,確定最終方案.

以鏟刀左下頂點(diǎn)建立鏟刀速度、加速度傳感器,并建立左提升油缸支架與左球頭距離、右提升油缸支架與右球頭距離與側(cè)擺油缸兩端球頭距離傳感器.激活工作裝置鏟刀右側(cè)立90゜仿真程序,分別記錄工作裝置空間運(yùn)動情況下相關(guān)數(shù)據(jù),整理數(shù)據(jù)關(guān)系如下圖6所示:

分析圖6可知,在左、右升降油缸以及鏟刀側(cè)擺油缸位移有突變情況時(shí),鏟刀速度和加速度會產(chǎn)生瞬間突變使工作裝置產(chǎn)生慣性沖擊和抖動現(xiàn)象,這種現(xiàn)象在實(shí)際作業(yè)中不可避免的.在工作裝置鏟刀右側(cè)立90゜過程中,左提升油缸支架與左球頭距離(即左升降油缸桿端與活塞端支點(diǎn)距離)最大為1870.5 mm,最小值為968.5 mm;右提升油缸支架與右球頭距離(即右升降油缸桿端與活塞端支點(diǎn)距離)最大為922.8 mm,最小值為617.8 mm.

圖5 工作裝置關(guān)鍵7點(diǎn)空間軌跡Fig.5 Net body on blade left & right 90°

鏟刀側(cè)擺油缸兩端球頭距離最大為1 483 mm,最小值為1 163 mm.

激活工作裝置鏟刀左側(cè)立90゜仿真程序,分別記錄工作裝置空間運(yùn)動情況下相關(guān)數(shù)據(jù).整理數(shù)據(jù)關(guān)系如下圖7所示:

分析圖7可知,除在左、右升降油缸以及鏟刀側(cè)擺油缸位移有突變情況時(shí),在其它時(shí)間時(shí)鏟刀速度和加速度會產(chǎn)生瞬間突變,這主要是鏟刀側(cè)移油缸和鏟刀回轉(zhuǎn)等動作引起.在工作裝置鏟刀左側(cè)立90゜過程中,左提升油缸支架與左球頭距離最大為968.5 mm,最小值為618.5 mm;右提升油缸支架與右球頭距離最大為1 772.8 mm,最小值為922.8 mm.鏟刀側(cè)擺油缸兩端球頭距離最大為1 163 mm,最小值為1 013 mm

圖6 鏟刀右側(cè)立90゜過程關(guān)系圖Fig.6 Seven key points trace of working equipment

圖7 鏟刀左側(cè)立90゜過程關(guān)系圖Fig.7 Cylinder relation and kinematic characteristics on blade right 90°

考慮到左、右升降油缸通用性以及左、右升降油缸和鏟刀側(cè)擺油缸性能參數(shù)要同時(shí)滿足工作裝置鏟刀左、右側(cè)立90゜工況需求,因此左、右升降油缸最小安裝距取上述仿真值的最小值617.8mm,左、右升降油缸最大行程時(shí)要滿足其最大距離1 870.5 mm需求;鏟刀側(cè)擺油缸最小安裝距取上述仿真值的最小值1 013 mm,側(cè)擺油缸最大行程時(shí)要滿足其最大距離1 483 mm.

工作裝置鏟刀最大離地間隙也是一關(guān)鍵指標(biāo).在平地機(jī)行駛工況,鏟刀離地間隙直接影響平地機(jī)通過性,因此在確保工作裝置牽引架與擺架連桿機(jī)構(gòu)不干涉的前提下,激活“碰撞檢測(停止)”功能,使用“法則曲線進(jìn)行模擬”命令仿真分析,由分析數(shù)據(jù)可知,在牽引架與擺架連桿發(fā)生碰撞時(shí)左、右提升油缸支架與球頭距離為545 mm.

綜合分析仿真數(shù)據(jù)和工作裝置鏟刀各種工況需求,考慮到油缸安裝距和行程預(yù)留5 mm安全余量,最終設(shè)計(jì)確定左、右升降油缸最小安裝距540 mm,最大距離1 875 mm,即行程為1 335 mm;側(cè)擺油缸最小安裝距1 008 mm,最大距離1 488 mm,即行程480 mm;各油缸的缸徑、桿徑由工作液壓系統(tǒng)壓力和工作裝置負(fù)載通過有限元分析確定.

在某型號平地機(jī)開發(fā)中應(yīng)用CATIA參數(shù)化建模和DMU的仿真分析完成多自由度多維度工作裝置方案設(shè)計(jì)、空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與驗(yàn)證以及工裝裝置各工作油缸參數(shù)的確定.樣機(jī)實(shí)測表明新工作裝置設(shè)計(jì)滿足整機(jī)性能參數(shù)要求.

4 結(jié) 語

(1) 基于CATIA完成某新型工作裝置參數(shù)化

建模,分析工作裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn),抽取各部件運(yùn)動副關(guān)系,基于CATIA的DMU模塊建立工作裝置仿真模型,并根據(jù)實(shí)際情況對部分球鉸副等效處理.

(2) 參考實(shí)際操作,編制工作裝置空間運(yùn)動

仿真程序,通過仿真獲取工作裝置空間運(yùn)動的包絡(luò)體、關(guān)鍵點(diǎn)軌跡和各油缸支點(diǎn)距離變化情況,為多自由度工作裝置與前車架、前橋等關(guān)聯(lián)部件的空間驗(yàn)證優(yōu)化和工作油缸的參數(shù)確定提供參考和依據(jù).

(3) 將上述方法應(yīng)用于某型號平地機(jī)工作裝

置設(shè)計(jì),可以快速驗(yàn)證優(yōu)化多自由度多維度工作裝置結(jié)構(gòu),避免多次重復(fù)驗(yàn)證和多自由度多維度空間驗(yàn)證困難,大幅提高設(shè)計(jì)效率.

[1] 余波.PY165A型平地機(jī)的位置分析及運(yùn)動仿真[D].成都,四川大學(xué),2001.

YU Bo. Position analysis and motion simulation of PY165A blade grader[D].Chengdu: Sichuan University, 2001.

[2] 潘勇軍,侯亮,王其亮,等.平地機(jī)工作裝置混聯(lián)機(jī)構(gòu)簡化位置正解分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào) 2011,45(8),1346-1351.

PAN Yongjun, HOU Liang, WANG Qiliang,et al.Forward displacement analysis on hybrid mechanism of working device of grader[J].Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2011,45(8):1346-1351.

[3] 劉宏新,宋微微.CATIA數(shù)字化樣機(jī)運(yùn)動仿真詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

LIU Hongxin, SONG Weiwei.CATIA digital prototype kinematic simulation instruction[M].Beijing: Mechanical Industry Press,2013.

CATIA-based design and simulation analysis on grader working device

MIAO Guo-hua,CUI Yuan-fu,WANG Yong,FENG Ke-xiang

(Shandong Lingong Construction Machinery Co.,Ltd,Shandong,276023)

Firstly, a 3D parametric model for working device of grader is established using CATIATM according to structural and spatial kinematic pairs. By using the DMU module for simulation model, the spatial movement track is then obtained. Next, the pivot track of blade lifting cylinder and circle shifting cylinders are attained. Finally, the design optimization on spatial structure sets a reference to cylinder parametric design.

grader working device; extracted spatial kinematic pairs; DMU simulation analysis; movement track

項(xiàng)目名稱:G9190平地機(jī)開發(fā);課題來源:2013年山東省技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目計(jì)劃;項(xiàng)目編號:201330115015

苗國華(1982-),男,碩士,中級工程師.E-mail:guohua.miao@sdlg.com.cn

TP 391

A

1672-5581(2016)06-0499-05