基于虛擬樣機(jī)技術(shù)液壓搖臺動態(tài)特性分析方法

李玉強(qiáng)

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，山西 長治 046011)

0 引言

礦用液壓搖臺裝置是副立井提升系統(tǒng)中連接井口井底上下水平和罐籠的專用銜接設(shè)備[1]。當(dāng)罐籠提運(yùn)人員、物料和礦車到達(dá)副立井的上下平臺時，搖臺面下擺搭接到罐籠內(nèi)平臺上承接礦車出入罐籠，罐籠四角對稱布置的上下鎖舌順序伸向井筒方向從而鎖住罐籠。

該裝置在設(shè)計過程中，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計是最重要和關(guān)鍵的部分。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是用理論計算、靜態(tài)載荷有限元分析等，經(jīng)過靜態(tài)分析后按手冊和經(jīng)驗留安全系數(shù)。然而，在實際工作過程中，由于液壓搖臺受復(fù)合外力、突變負(fù)載和工況惡劣等因素的影響，系統(tǒng)受到復(fù)合沖擊載荷的作用，這是設(shè)計過程中不得不考慮的重要因素[2]。

傳統(tǒng)設(shè)計制造過程是：通過設(shè)計理論推導(dǎo)、數(shù)值計算，利用二維輔助設(shè)計軟件出圖、平面放樣試制一臺或少量樣機(jī)，然后再對樣機(jī)進(jìn)行測試、加載甚至破壞性試驗來檢查并找出設(shè)計中的不足,從而完善和優(yōu)化整機(jī)。該方法需投入大量的時間與資金，從而延長了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，不利于提高產(chǎn)品的市場競爭力和產(chǎn)品的系列化生產(chǎn)[3]。為此，本文利用三維CAD平臺設(shè)計分析軟件SolidWorks和ADAMS對液壓搖臺進(jìn)行三維建模、裝配和虛擬樣機(jī)構(gòu)建，對整機(jī)和關(guān)鍵零部件動力學(xué)仿真分析的方法進(jìn)行了探索研究，以 縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、節(jié)約試制成本。

1 液壓搖臺特征參數(shù)化建模

三維計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)軟件SolidWorks是法國達(dá)索公司于1995年11月開發(fā)的高集成度CAD/CAM/CAE于一體的高端三維設(shè)計和分析軟件，它是在Windows系統(tǒng)平臺上開發(fā)的，以其卓越的建模技術(shù)和友好的人機(jī)界面而著稱，因此一經(jīng)面世就風(fēng)靡全球，廣受工程設(shè)計人員和學(xué)習(xí)者的青睞。

其特征參數(shù)化數(shù)據(jù)模型還可與高端CAD軟件——虛擬樣機(jī)技術(shù)(ADAMS)進(jìn)行鏈接和共享。本文運(yùn)用SolidWorks對液壓搖臺進(jìn)行特征參數(shù)化實體建模和裝配，如圖1所示。

圖1 基于SolidWorks的液壓搖臺三維模型

2 液壓搖臺基于ADAMS/View虛擬樣機(jī)的建立

特征參數(shù)化模型建立后，雖能進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析和校核，但由于系統(tǒng)工作狀態(tài)下總是受到動態(tài)載荷和沖擊，所以并不能保證系統(tǒng)是最優(yōu)化的設(shè)計?？赏ㄟ^真實使用環(huán)境和受力虛擬的再現(xiàn)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)的仿真分析研究來代替破壞性試驗。本文運(yùn)用的自動仿真分析軟件ADAMS是由美國MDI公司開發(fā)的，其核心技術(shù)是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真，同時還包括三維CAD建模技術(shù)、機(jī)電液控制技術(shù)和最優(yōu)化技術(shù)等[4]。在設(shè)計中運(yùn)用此技術(shù)能使系統(tǒng)整體設(shè)計達(dá)到最優(yōu)化，提高整個產(chǎn)品的系統(tǒng)性能。ADAMS動力學(xué)仿真分析步驟如圖2所示。

本文以礦用液壓搖臺設(shè)計過程中的動力學(xué)仿真過程為研究載體，在SolidWorks和ADAMS之間進(jìn)行建模、裝配和鏈接共享，使用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。先在SolidWorks軟件中進(jìn)行特征參數(shù)化建模、裝配，然后將模型和屬性導(dǎo)入ADAMS/View系統(tǒng)界面，通過改變設(shè)計變量和建模參數(shù)值，能自動運(yùn)行動態(tài)特性和動力學(xué)仿真，得出一系列仿真結(jié)果。通過分析仿真結(jié)果可研究一個或多個耦合參數(shù)變化對整機(jī)系統(tǒng)、各子機(jī)構(gòu)和某個零部件的性能影響及影響程度，通過改變系統(tǒng)參數(shù)獲得最危險的工況和最優(yōu)化的樣機(jī)。

圖2 ADAMS動力學(xué)仿真分析步驟

3 將模型導(dǎo)入ADAMS/View及其相關(guān)注意事項

在特征參數(shù)化建模和裝配完成后，要在SolidWorks中給每個零部件賦予質(zhì)量屬性，具體步驟是：點(diǎn)擊零部件所在界面中的“工具”按鈕—質(zhì)量屬性—保存，然后再把所有運(yùn)動件設(shè)置到初始位后另存為“*.x—t”格式文件，運(yùn)用ADAMS/View界面打開另存的文件即能實現(xiàn)導(dǎo)入。導(dǎo)入時注意：①把所有運(yùn)動的零部件設(shè)置為工作時的初始位置狀態(tài)；②在保存為Parasolid格式的文件名和路徑中均不能有中文字符出現(xiàn)；③打開時選用Parasolid格式打開Import/File Type。如圖3所示，三維模型成功地導(dǎo)入ADAMS/View的界面。

4 動力學(xué)仿真分析方法

按照該裝置在現(xiàn)場使用的工況來設(shè)置約束和施加載荷。導(dǎo)入ADAMS/View界面后首先需要給模型賦予重力屬性，其次運(yùn)用重力按鈕測試零部件能否成功落下，若有零部件未落下或出現(xiàn)錯誤的提示則說明零部件模型在SolidWorks中未被賦予質(zhì)量屬性，需返回到原界面重新賦予質(zhì)量再另存為“*.x—t”格式。如果整個三維模型落下則表示成功鏈接，此時可對整機(jī)零部件施加約束、載荷和驅(qū)動函數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場工況，需要施加的載荷和約束為：機(jī)體施加接地約束；下鎖舌與機(jī)架、搖臺面與機(jī)架、上鎖舌與機(jī)架分別施加旋轉(zhuǎn)副；液壓油缸缸桿和缸體之間施加平行移動副。按實際工作順序、時長、運(yùn)動軌跡與方向設(shè)置驅(qū)動函數(shù)，動作順序如表1所示(為方便仿真縮減了時長)。

由表1得知，該裝置完成一次完整工作循環(huán)用時26 s。液壓油缸和罐籠共需施加11個驅(qū)動函數(shù)：

Function (time)

Translational motion1、motion4、motion6、motion9 (驅(qū)動下鎖舌的液壓油缸缸體和缸桿上添加驅(qū)動函數(shù)):

Step(time,11,0,12.5,-0.24)+Step(time,18.5,0,21.5,0.24) ；Translational motion2、motion5、motion7、motion 10 (驅(qū)動上鎖舌的液壓缸體和缸桿上添加驅(qū)動函數(shù)):

Step(time,6,0,7.5,-0.26)+Step(time,21.5,0,23,0.26)；Translational motion3、motion8 (驅(qū)動搖臺面液壓缸桿和缸體上添加驅(qū)動函數(shù))：

Step(time,0,0,3,0)+Step(time,3,0,6,0.885)+ Step(time,23,0,26,-0.885)；Translational motion11 (對罐籠添加驅(qū)動函數(shù)):

Step(time,7.5,0,9.5,-0.2)+Step(time,11,0,14.5,15)+Step(time,14.5,0,16.5,-15)+Step(time,15.1,0,21.5,0.2)；在工作過程中整個系統(tǒng)受到?jīng)_擊載荷最大的零部件是下鎖舌及其與機(jī)架連接處。從罐籠的總重量得知液壓搖臺每個下鎖舌的靜承載為60 t/4=15 t。在罐籠滿載狀態(tài)下，對下鎖舌一個完整的工作過程進(jìn)行仿真分析。在施加載荷時先要對樣機(jī)在ADAMS/View界面中進(jìn)行坐標(biāo)設(shè)定：X軸的正向為下鎖舌伸向井筒方向，反之為負(fù)；Y軸的正向為搖臺面向下擺動的法線方向，反之為負(fù)；Z軸與X、Y軸遵循右手法則。

表1 液壓搖臺動作順序表

空載狀態(tài)下，下鎖舌及其鉸接處沿X與Y方向的位移、(角)加速度、(角)速度、受力和動量仿真曲線可由系統(tǒng)自動運(yùn)行得出。加載狀態(tài)下，罐籠作用在下鎖舌的靜載荷為15 t，罐籠以不同的沖擊時間作用在下鎖舌上。因該罐籠是恒減速制動系統(tǒng)，經(jīng)查閱相關(guān)技術(shù)資料，國內(nèi)常用的提升機(jī)罐籠恒減速度a=2 m/s2，制動時間一般是2 s～4 s，則：

Ft=Mv.

(1)

其中：M為每個下鎖舌靜承載質(zhì)量，M=15×104kg；v為載重罐籠的運(yùn)行速度，制動時間取2 s，則v=6 m/s；F為下鎖舌受到的沖擊作用力；t為沖擊作用時間。

由式(1)可得，沖擊作用時間不同，則相同重量的罐籠對下鎖舌的沖擊力是不同的，如表2所示。

t取上述三種不同的值，滿載荷罐籠60 t沖擊作用下每個下鎖舌的位移、(角)加速度、(角)速度、受力和動量曲線可通過系統(tǒng)自動生成。

表2 沖擊時間和沖擊力對應(yīng)關(guān)系

沖擊作用時間t=0.05 s時，在下鎖舌受力表面坐標(biāo)系中添加載荷，其功能函數(shù)如下：

Function(time) SFORCE3、SFORCE4、SFORCE5、SFORCE6(施加在下鎖舌受力面坐標(biāo)系原點(diǎn)上):Step(time,0,-150 000,6.2,-150 000)+Step(time,6.2,0,7.7,150 000)+Step(time,16.1,0,16.15,-1 800 000) +Step(time,16.15,0,17.1,1 650 000)。

同理，當(dāng)t=0.1 s和t=0.2 s時對下鎖舌進(jìn)行動態(tài)仿真的綜合曲線可由系統(tǒng)自動生成。通過分析仿真綜合曲線，對比三種時間沖擊下系統(tǒng)的動力學(xué)仿真特性曲線來分析系統(tǒng)整機(jī)的安全性和最優(yōu)化狀態(tài)參數(shù)。

5 結(jié)束語

本文利用三維CAD平臺設(shè)計分析軟件SolidWorks和ADAMS，以礦用液壓搖臺機(jī)構(gòu)系統(tǒng)為載體進(jìn)行三維特征參數(shù)化建模、裝配和虛擬樣機(jī)的構(gòu)建。研究了對整機(jī)系統(tǒng)和關(guān)鍵零部件進(jìn)行動力學(xué)仿真分析的方法，成功地將液壓搖臺SolidWorks三維模型導(dǎo)入ADAMS/View平臺，實現(xiàn)了兩者之間的鏈接并總結(jié)了導(dǎo)入過程中的相關(guān)注意事項。為兩種設(shè)計軟件之間的模型共享與鏈接、探索整機(jī)機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)耦合仿真提供了方法，為機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計分析提供了一種新的更加貼合實際工況的動態(tài)分析方法和手段，具有一定的理論價值和應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李玉強(qiáng).礦用提升機(jī)液壓托罐搖臺的分析研究[J].煤礦機(jī)械，2011(5)：34-36.

[2] 李玉強(qiáng).礦用提升機(jī)液壓托罐搖臺研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2011：59.

[3] 二代龍震工作室.Solidworks2007高級設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[4] 李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[5] 鄭建榮.ADAMS—虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.