道路養(yǎng)護(hù)車上料機(jī)構(gòu)仿真研究

王金剛于作鑫甄冬趙祥

文章編號(hào)：1000033X（2016）12010604

收稿日期：20160519

基金項(xiàng)目：天津市自然科學(xué)基金（14JCYBJC42100）

摘要：在養(yǎng)護(hù)車上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)階段對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，利用ADAMS/Cable建立了道路養(yǎng)護(hù)車上料機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型。通過對(duì)工作部件的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束，解決了ADAMS中多體接觸時(shí)仿真容易失敗的問題，順利得到機(jī)構(gòu)工作部件的位移、速度、加速度和繩索受力的數(shù)據(jù)，及其危險(xiǎn)工況的發(fā)生時(shí)間，為進(jìn)一步分析優(yōu)化該機(jī)構(gòu)的工作特性提供了基礎(chǔ)，并且能提高上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：道路養(yǎng)護(hù)車；上料機(jī)構(gòu)； ADAMS；多體接觸

中圖分類號(hào)：U415.52文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Research on Simulation of Loading Mechanism on Road Maintenance Vehicle

WANG Jingang1， YU Zuoxin1， ZHEN Dong1， ZHAO Xiang2

（1. School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130，China；

2. Tianjin Fire Research Institute of MPS， Tianjin 300381， China）

Abstract： During the design stage of the loading mechanism， the motion simulation was carried out， and a kinetic model of cable lifting was proposed based on ADAMS/Cable. The motion trajectory of the working parts were analyzed in the process of simulation， verifying the structural rationality of the mechanism. The simulation failure of multibody contact in ADAMS was solved by the constraints of the working parts movement. The displacement， speed， acceleration and cable force of the working parts were attained， which provided the basis for analyzing the work characteristics of the mechanism and improved the efficiency of loading mechanism design.

Key words： road maintenance vehicle； loading mechanism； ADAMS； multibody contact

0引言

瀝青道路養(yǎng)護(hù)車可對(duì)瀝青路面出現(xiàn)的坑槽、網(wǎng)紋、裂縫、油包等進(jìn)行處理，以路面坑槽修補(bǔ)為主要作業(yè)內(nèi)容[16]。

養(yǎng)護(hù)車上料機(jī)構(gòu)的作用是將瀝青原料從車輛底部提升到料箱的入料口處。上料機(jī)構(gòu)在開始工作和突然結(jié)束工作時(shí)容易出現(xiàn)振動(dòng)，尤其當(dāng)提升機(jī)裝載物料較多時(shí)，物料容易因振動(dòng)散落丟失，造成浪費(fèi)。振動(dòng)沖擊還會(huì)使機(jī)構(gòu)的繩索產(chǎn)生疲勞，加大機(jī)構(gòu)中繩索與滑輪之間的摩擦，造成繩索疲勞破壞[7]。如果在設(shè)計(jì)階段就對(duì)上料機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，則可以通過仿真結(jié)果分析其結(jié)構(gòu)是否合理，從而避免上述情況發(fā)生。

繩索的動(dòng)力學(xué)行為非常復(fù)雜，未施加預(yù)緊力的繩索會(huì)在流體中晃蕩，繩索與滑輪的彈性接觸、繩索的收放和纏繞以及與其他物體的接觸，都增加了柔索建模的困難，阻礙了精確模型的建立。關(guān)于柔性繩索的仿真研究早期常用數(shù)值建模，但是柔性繩索體的數(shù)學(xué)仿真模型難以精確、有效地建立。要足夠準(zhǔn)確地反映繩索的動(dòng)力學(xué)特性，需編制的相應(yīng)計(jì)算程序規(guī)模很大，且難以保證較高的可靠性[8]。近年來(lái)，隨著商用軟件的發(fā)展，許多學(xué)者通過動(dòng)力學(xué)軟件研究繩索的仿真問題。其中應(yīng)用廣泛的有丁振興等[9]通過運(yùn)用CMD語(yǔ)言完成的鋼絲繩建模，該方法通過Bushing建立柔性繩索仿真模型，被稱為bushing法。該方法仿真精度較高，可模擬鋼絲繩起吊時(shí)與卷筒的纏繞及鋼絲繩的振動(dòng)；但是其建模困難，且無(wú)法完成參數(shù)化建模和優(yōu)化[10]，不具備通用性，不熟悉ADAMS二次開發(fā)的用戶很難使用。

本文利用ADAMS/Cable 成功創(chuàng)建上料機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析，得到料箱的位移、速度、加速度和繩索應(yīng)力的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠提高上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)速度和質(zhì)量。

1ADAMS/Cable模塊

ADAMS/Cable柔性繩索建模仿真解決方案是MSC公司開發(fā)的集成在ADAMS中的模塊，其主要功能是滿足用戶對(duì)繩索類問題的快速建模與精確求解，模擬的對(duì)象包括各種鋼絲繩、傳送帶和膠片等傳動(dòng)裝置，并且具有對(duì)各種滑輪機(jī)構(gòu)的建模功能。

在ADAMS/Cable模塊中繩索有2種建模方式可以選擇。

（1）簡(jiǎn)化模型（coupler mode）：忽略該模型繩索的質(zhì)量和慣性，繩索被認(rèn)為是滑輪之間沿切線方向的具有剛度的虛擬體；繩索的速度由滑輪的角速度積分得到；繩索的張力通過繩索兩端的幾何變形計(jì)算得到；該繩索模型計(jì)算速度快，并且能準(zhǔn)確得到滑輪的載荷。

（2）離散模型（guide mode）：繩索被離散成一段段的parts、joints和forces；將離散的繩索在幾何上表示為球體，利用廣義力進(jìn)行柔性連接。軸套力的計(jì)算方程為

F=-KX-CX[DD（-20x][KG*3]·[DD）]+F0（1）

式中：F為模型受的力；F0為模型初始受力；K為模型剛度；C為模型阻尼；X為模型位移；X[DD（-20x][KG*3]·[DD）]為模型速度。

使用離散模型計(jì)算時(shí)，因?yàn)榭紤]到了繩索的質(zhì)量和慣性的影響，故能夠得到精確的繩索晃蕩姿態(tài)，模擬出繩索和滑輪的相互接觸力，但是計(jì)算速度會(huì)變慢。

2上料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上料機(jī)構(gòu)的主要作用是為瀝青路面養(yǎng)護(hù)車的瀝青混合料攪拌箱裝載原料，液壓馬達(dá)帶動(dòng)絞車為上料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件提供動(dòng)力，使上料機(jī)構(gòu)完成上移和翻轉(zhuǎn)2個(gè)動(dòng)作。為滿足上述要求，設(shè)計(jì)的上料機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中為使上料機(jī)構(gòu)能完成翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，內(nèi)導(dǎo)軌和外導(dǎo)軌均有彎折部分。料箱滿載時(shí)150 kg，要求最終傾倒角度大于55° ，鋼絲繩直徑為9 mm，最小破斷拉力為313 kN。

3ADAMS 建模

將上料機(jī)構(gòu)在ADAMS view中建模，模型如圖2所示。定義料箱輪子和軌道之間為Impact接觸。定義錨固點(diǎn)、滑輪特性、繩索特性、絞車驅(qū)動(dòng)函數(shù)為step（time，0，0，2，200）+step（time，10，0，12，-200）。繩索特性選擇coupler mode。進(jìn)行仿真時(shí)的參數(shù)如表1所示。

3.1ADAMS軌跡分析及繩索與料箱連接點(diǎn)的確定

上料機(jī)構(gòu)的框架已經(jīng)基本確定，但繩索與料箱的連接點(diǎn)還未確定，繩索在料箱上的固定位置會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)的工作性能產(chǎn)生較大影響?，F(xiàn)選擇料箱3條棱中點(diǎn)的一處作為連接繩索的固定點(diǎn)，通過分析上料機(jī)構(gòu)工作過程中3個(gè)點(diǎn)的軌跡，獲得選擇不同固定點(diǎn)時(shí)機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，從而確定固定點(diǎn)的位置。

為得到3個(gè)備選點(diǎn)的軌跡，首先在上述3處分別添加mark點(diǎn)mark 1，mark 2和mark 3，然后給系統(tǒng)施加一個(gè)空間方向恒定向上的力，以便使料箱完成上料傾翻的動(dòng)作。設(shè)置一個(gè)傳感器，sensor設(shè)置參數(shù)如表2所示。觸發(fā)條件為greater than or equal。

表2中的measureangle是測(cè)量函數(shù)，用來(lái)描述料箱的傾斜角度。該傳感器的作用是當(dāng)料箱傾角不小于55° 時(shí)停止仿真。

當(dāng)仿真完成后，獲得3個(gè)mark點(diǎn)的軌跡trace 1，trace 2，trace 3，如圖3所示。發(fā)現(xiàn)只有尾端在定滑輪固定點(diǎn)的右側(cè)，即繩索固定在mark 1時(shí)，料箱才能順利完成傾倒。

W=∫F·cos αds（2）

式中：W為繩子拉力所做的功；F為繩索的拉力；α為力與mark 1點(diǎn)位移的夾角；s為mark 1點(diǎn)位移。

由式（2）可知，α的值越小，繩索拉力對(duì)料箱的功分量越大，將料箱壓向?qū)к壍姆至烤蜁?huì)越小，機(jī)構(gòu)工作效率就會(huì)越高，結(jié)構(gòu)受力越合理。在trace 1上均勻測(cè)量5個(gè)位置的α值，結(jié)果分別為：4.36° ，710° ，9.42° ，8.06° ，3.71° 。α的值已經(jīng)很小，因此選擇mark 1點(diǎn)作為固定點(diǎn)可以保證機(jī)構(gòu)的效率和良好的工況。

3.2料箱與導(dǎo)軌多接觸問題研究

ADAMS根據(jù)Hertz接觸理論，采用Impact函數(shù)提供的非線性等效彈簧阻尼模型作為接觸力的計(jì)算模型。該模型的接觸力由兩部分構(gòu)成：一是2個(gè)構(gòu)件之間相互切入而產(chǎn)生的彈性力；二是由相對(duì)速度產(chǎn)生的阻尼力。計(jì)算公式為

Fni=Kδei+CVi（3）

式中：Fni為法向接觸力（N）；K為Hertz接觸剛度；δi為接觸點(diǎn)的法向穿深度；e為力指數(shù)；C為阻尼系數(shù)；Vi為相對(duì)速度。

由于該模型定義料箱輪子與導(dǎo)軌之間有多個(gè)Impact接觸，求解困難且容易發(fā)生錯(cuò)誤。定義接觸后，求解速度變慢，經(jīng)過分析認(rèn)為由于接觸力躍變太大而產(chǎn)生數(shù)值困難，使仿真出錯(cuò)停止。通過分段仿真法可以避免這些失誤[11]，即將仿真的整個(gè)時(shí)間分割成數(shù)個(gè)小時(shí)間段分別進(jìn)行仿真，不斷調(diào)用save命令和reload命令以實(shí)現(xiàn)目的；但是該方法會(huì)得到許多結(jié)果文件，需要編寫相應(yīng)程序來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的整理，并且會(huì)增加仿真時(shí)長(zhǎng)。

ADAMS的接觸力模型允許阻尼達(dá)到最大值后構(gòu)件之間的相互切入還可以繼續(xù)。如果可以控制切入量始終保持在合理的范圍內(nèi)，法向接觸力的數(shù)值躍遷狀況就會(huì)得到改善，仿真失敗的問題就能得到解決。由于該機(jī)構(gòu)的軌跡是由軌道決定的，其運(yùn)動(dòng)軌跡可以準(zhǔn)確獲得。利用3.1中創(chuàng)建的mark 1和trace 1在connectors中建立一個(gè)point to curve約束來(lái)規(guī)范料箱的運(yùn)動(dòng)，使車輪的滲入量保持在一個(gè)合理的范圍，從而避免了接觸力的躍變過大，接觸參數(shù)如表3所示。

表3接觸參數(shù)設(shè)置

法向力剛度/（N·mm-1）貢獻(xiàn)指數(shù)穿透值

impact1.0×1052.30.1

仿真失敗時(shí)料箱輪子的接觸力時(shí)間圖像如圖4所示，接觸力曲線躍變嚴(yán)重，曲線峰值變化很大且無(wú)規(guī)律，最終到11 s時(shí)導(dǎo)致仿真失敗。規(guī)范料箱運(yùn)動(dòng)軌跡之后得到的相同時(shí)段內(nèi)的料箱輪子接觸力時(shí)間圖像如圖5所示，接觸力曲線比較平緩，沒有圖4中的躍變現(xiàn)象。

4結(jié)果分析

對(duì)調(diào)試好的模型進(jìn)行仿真，得到料箱質(zhì)心處的位移、速度、加速度和繩索張力隨工作時(shí)間變化的圖像，如圖6～9所示。

在4.5 s前，位移、速度和繩索張力變化平緩，當(dāng)料箱開始傾斜即4.5 s處時(shí)，曲線的變化趨勢(shì)發(fā)生改變。圖6顯示料箱質(zhì)心位移隨工作時(shí)間變化平緩。從圖7可以看出，工作時(shí)間從4.5～6 s時(shí)料箱質(zhì)心速度變化比較大，這是由于料箱的空間運(yùn)動(dòng)形式從單純的平移變成平移加旋轉(zhuǎn)，從而使得料箱質(zhì)心處速度開始變慢。如圖8所示，加速度的非周期震動(dòng)由輪子與導(dǎo)軌的切入量變化引起，在實(shí)際工況中加速度變化會(huì)平緩許多。圖9中鋼絲繩受力最大值為1 700 N，產(chǎn)生在料箱即將反轉(zhuǎn)之前，在料箱完成傾翻動(dòng)作之后鋼絲繩受力變小，這是因?yàn)榱舷鋬A斜以后得到豎直方向的支持力，會(huì)使繩索受力減輕。

綜合以上數(shù)據(jù)及分析結(jié)果可知，上料機(jī)構(gòu)的危險(xiǎn)工況是料箱在傾翻動(dòng)作時(shí)發(fā)生的，此時(shí)的繩索受力最大，且應(yīng)力變化較快。為減小該工況的應(yīng)力及應(yīng)力變化速度，應(yīng)避免上料機(jī)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊載荷，使導(dǎo)軌彎折更加平滑，從而使各上料機(jī)構(gòu)的工作更加平穩(wěn)。結(jié)合實(shí)際工作，這些數(shù)據(jù)還將為該機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)。

5結(jié)語(yǔ)

本文利用ADAMS/Cable模塊實(shí)現(xiàn)繩索機(jī)構(gòu)的全參數(shù)化建模，效率高并且能得到準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。在仿真過程中，通過對(duì)料箱運(yùn)動(dòng)軌跡的分析以及約束，驗(yàn)證了選擇繩索固定點(diǎn)的正確性，并克服了ADAMS中多體接觸容易仿真失敗的問題，為此類仿真工作提出了新方法。通過對(duì)仿真數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證了該上料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，且找到了該機(jī)構(gòu)的不足之處，并指明了改進(jìn)方案。

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[責(zé)任編輯：黨卓鈺]