多體動力學(xué)仿真分析在消防車變幅機(jī)構(gòu)計算中應(yīng)用

張軍　高志剛　白冰

（徐工消防安全裝備有限公司，徐州 221004）

多體動力學(xué)仿真分析在消防車變幅機(jī)構(gòu)計算中應(yīng)用

張軍高志剛白冰

（徐工消防安全裝備有限公司，徐州 221004）

消防車臂架變幅機(jī)構(gòu)計算主要是鉸點力求解及變幅缸行程的確定，若采用經(jīng)典理論計算，是一個比較繁瑣的過程，需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，而且機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中，力臂也在不斷變化，需要選取多個典型工況進(jìn)行計算對比分析，尋求最大解，費時費力。而應(yīng)用ADAMS多體動力學(xué)仿真軟件很容易就解決了這些問題，只要把模型建立好，定義模型質(zhì)量，添加約束和載荷，通過仿真分析，就能提取想要的力、位移、角度、速度、加速度曲線。

機(jī)構(gòu)計算；數(shù)學(xué)模型；力臂；ADAMS；多體動力學(xué)；仿真

引言

消防車臂架變幅機(jī)構(gòu)是單自由度平面六連桿運(yùn)動機(jī)構(gòu)，如圖1所示：其工作原理是通過變幅缸1的伸縮帶動連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動，從而實現(xiàn)驅(qū)動折疊臂2相對于伸縮臂5展收作業(yè)的。

圖1　臂架變幅機(jī)構(gòu)示意圖

1　模型建立

將PRO-E變幅機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入到ADAMS平臺中，如上圖所示，根據(jù)模型的運(yùn)動關(guān)系定義約束和驅(qū)動。

圖2　臂架變幅機(jī)構(gòu)分析模型圖

2　定義質(zhì)量和載荷

將各部件的質(zhì)量定義到機(jī)構(gòu)各桿件中，折疊臂600 kg，變幅缸180 kg水炮噴射反力2 000 N，噴射角度斜向上與水平成30°。

圖3　油缸長度隨時間變化曲線

3　分析過程

（1）根據(jù)設(shè)定的變幅角度來求解油缸的全伸長度。假設(shè)臂架等角速度變幅20 s實現(xiàn)折疊臂相對伸縮臂0～175°變幅來進(jìn)行仿真分析，可求解變幅缸的長度隨時間變化曲線，如圖3所示，軟件同時提供圖表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化功能，從而得到油缸的行程為1 615 mm～2 732 mm。

圖4　臂架變幅角度、角速度、角加速度隨時間變化曲線

圖5　伸縮臂0°時油缸受力隨時間變化曲線

圖6　伸縮臂30°時油缸受力隨時間變化曲線

圖7　伸縮臂60°時油缸受力隨時間變化曲線

圖8　伸縮臂83°時油缸受力隨時間變化曲線

圖9　 非噴水工況伸縮臂0°時油缸受力隨時間變化曲線

（2）因變幅機(jī)構(gòu)是通過油缸伸縮來驅(qū)動的，油缸運(yùn)動近似勻速直線運(yùn)動。因此，仿真分析油缸受力則需通過給定油缸速度，從而求解臂架變幅角速度、角加速度以及各鉸點的受力，根據(jù)油缸行程求解出20 s折疊臂變幅油缸伸縮速度：（2 732-1 615）/20=55.85 mm/s，繪制臂架變幅角度、角速度及角加速度如下圖所示：其中紅線為角度曲線，藍(lán)色虛線為角速度曲線，粉色虛線為角加速度曲線，從圖中可看出初始加速度較大，5 s后趨平緩，而臂架消防作業(yè)伸縮臂和折疊臂夾角通常大于90°，此時臂架變幅加速度小，臂架微動性、穩(wěn)定性好。

（3）連桿機(jī)構(gòu)確定后，給定油缸初始速度，那么臂架變幅的角速度和角加速度就定了，跟伸縮臂變幅角度無關(guān)。但油缸力的大小與伸縮臂與水平面的角度有很大關(guān)系，通過旋轉(zhuǎn)重力坐標(biāo)來模擬伸縮臂不同角度下的折疊臂變幅工況。得到0°、30°、45°、60°、83°的變幅缸受力曲線分別為：

從圖5～圖8中可看出，當(dāng)伸縮臂初始角度為0°時，油缸受力較大，此時為拉力，大概15.5 t，隨著伸縮臂角度的增加，油缸初始力越來越小，因為折疊臂重力的力臂在不斷變小。第一個拐點出現(xiàn)是在折疊臂與水平面垂直的情況，此時油缸力接近為0，隨著折疊臂的舉升，油缸力逐漸變大，此時油缸為推力，得出最大推力為13 t，其他幾個角度下最大推力和拉力都小于0°工況。因此得出油缸的最大推力為13 t。

因伸縮臂0°且伸縮臂與折疊臂夾角也為0°的工況是收臂工況，此時不噴水作業(yè)，因此計算油缸最大拉力時，仿真分析需去掉水炮噴水載荷，得到的油缸力曲線如圖9所示：此時油缸最大拉力為12 t。

4　結(jié)束語

以上分析結(jié)果可以為消防車變幅機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件有限元分析提供載荷參考，為油缸設(shè)計提供計算依據(jù)。ADAMS多體動力學(xué)仿真分析軟件應(yīng)用，大大提高了消防車機(jī)構(gòu)計算的效率。

［1］ 陳立平.機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程.清華大學(xué)出版社，2005

［2］ 王國強(qiáng).虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實踐.西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002