低水頭水電站液壓清污抓斗的優(yōu)化設(shè)計(jì)

毛漢領(lǐng),武羽馨,符家和,易 蘩,李欣欣,黃振峰

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南寧 530003; 2.南寧市航電投資有限責(zé)任公司 老口電廠,南寧 530008)

攔污柵作為水電站的一個(gè)重要組成部件,在進(jìn)水口攔截水流中可能進(jìn)入引水道的污物,擔(dān)負(fù)起保護(hù)發(fā)電機(jī)組的重?fù)?dān)[1].若攔污柵前污物堆積,形成的水位差不僅會(huì)減小電站的發(fā)電量,其堵塞還很有可能會(huì)壓壞攔污柵,危及發(fā)電機(jī)組,造成水資源的浪費(fèi).對(duì)于多數(shù)高水頭水電站,污物的影響相對(duì)較輕;而對(duì)于目前多地建設(shè)的低水頭水電站來(lái)說(shuō),水頭損失會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組發(fā)電.

為解決清污問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外開展了對(duì)不同清污機(jī)構(gòu)的研制,設(shè)計(jì)了不同的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于不同的攔污柵及水電站[2].本文研究針對(duì)低水頭水電站，從上游流下的各種污物極易集結(jié),大多為樹枝等大型污物,因此，一般選用抓斗式清污機(jī).為增大抓斗閉合力,大多設(shè)計(jì)為液壓式清污抓斗.對(duì)各地區(qū)正在使用的液壓清污抓斗進(jìn)行研究分析后,發(fā)現(xiàn)液壓缸兩端安裝位置并不是其最佳施力點(diǎn),即在抓取污物過(guò)程中抓斗并不能將液壓缸推力完全轉(zhuǎn)化為它的抓取力.這一方面導(dǎo)致了抓斗系統(tǒng)能量的浪費(fèi),另一方面使得抓斗抓取效率極低.

虛擬樣機(jī)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),有針對(duì)性地分析機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)特征.ADAMS的應(yīng)用已較為廣泛,提供的參數(shù)化建模及分析功能可以對(duì)設(shè)置的不同參數(shù)進(jìn)行一系列的仿真,并進(jìn)一步對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析,得到最優(yōu)樣機(jī).張春山等[3-5]對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,得到機(jī)構(gòu)動(dòng)靜態(tài)特性參數(shù),以確定結(jié)構(gòu)的合理性及安全性,提高了產(chǎn)品的性能.潘玉安等[6-7]對(duì)機(jī)構(gòu)中含有油缸的力臂及支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,建立對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型,以相關(guān)構(gòu)造點(diǎn)坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量,有效減小了油缸作用力.郭曉寧[8]提出有限元技術(shù)也可優(yōu)化機(jī)構(gòu),但對(duì)單個(gè)零件的優(yōu)化,不能對(duì)整機(jī)性能進(jìn)行評(píng)估,而虛擬樣機(jī)技術(shù)將各并行工作部分集成到了同一個(gè)虛擬樣機(jī)上,可以對(duì)整機(jī)性能進(jìn)行評(píng)估并優(yōu)化.李樹森[9]采用三維建模和虛擬樣機(jī)的方法,對(duì)液壓木材抓具展開動(dòng)靜態(tài)特性研究,判斷結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)機(jī)械性能的影響,并以此為依據(jù)為同類型結(jié)構(gòu)的研究提供參考.以上可以看出,利用ADAMS軟件對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要的意義.

本文研究對(duì)象為液壓清污抓斗,通過(guò)對(duì)抓斗抓取施力過(guò)程進(jìn)行分析,對(duì)施力點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.利用ADAMS虛擬樣機(jī),分析軟件的參數(shù)化建模以及ADAMS/View提供的參數(shù)化分析方法,對(duì)抓斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化,得到液壓清污機(jī)的最優(yōu)結(jié)構(gòu).

1 液壓清污抓斗結(jié)構(gòu)分析

1.1 液壓清污抓斗的工作原理

液壓清污抓斗主要由定耙、動(dòng)耙和液壓系統(tǒng)構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 液壓清污抓斗結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the hydraulic trash-cleaning grab

工作時(shí),抓斗整機(jī)由鋼絲繩起吊進(jìn)入孔口,緩慢下降后到達(dá)污物堆積處,定耙與動(dòng)耙耙齒插入污物準(zhǔn)備抓取污物.由上鉸點(diǎn)固定在定耙支架上的液壓缸施加推力,帶動(dòng)動(dòng)耙繞其與定耙的連接點(diǎn)旋轉(zhuǎn),抓斗逐漸閉合,并完成抓取工作.

1.2 抓取阻力分析

清污抓斗的抓取力主要由液壓缸提供,3個(gè)液壓缸串聯(lián)分別提供推力給3個(gè)動(dòng)耙抓取污物.經(jīng)分析,抓斗單斗受力分別由切入阻力、推壓阻力和摩擦阻力構(gòu)成.其單斗受力如圖2所示.

圖2 抓斗單斗受力簡(jiǎn)圖Fig.2 Force distributing diagrammatic sketch of one single bucket

在圖2中:F1為切入阻力,N;F2為推壓阻力,N;F3為摩擦阻力,N;F4為液壓缸推力,N;G為單斗動(dòng)耙重力,N;Q為滿斗污物自重,kg;y為刃尖挖掘深度,m.

切入阻力F1的計(jì)算公式為

(1)

式中:B為刃口寬度,m;δ為刃口厚度,m;P0為齒作用于物料的垂直壓力，MPa；r為物料容重,t/m3;y為刃口插入污物內(nèi)的垂直距離,m;f0為物料對(duì)鋼的摩擦系數(shù).

推壓阻力對(duì)抓斗影響較大,在抓取污物的過(guò)程中,污物沿耙齒上移,其一方面沿底板滑動(dòng),另一方面相對(duì)靜止的污物滑動(dòng),由此形成的滑動(dòng)摩擦力即為推壓阻力,計(jì)算公式為

(2)

式中:p為物料單位受壓，MPa；φ0為物料內(nèi)摩擦角,°.

在污物進(jìn)入抓斗內(nèi)部時(shí),推壓阻力和進(jìn)入抓斗內(nèi)部物料的自重會(huì)產(chǎn)生污物沿底板的摩擦阻力，即

(3)

式中:Q為抓斗抓滿污物時(shí)的污物自重,kg;α為耙齒底背角,°.

1.3 抓斗動(dòng)力學(xué)分析

抓斗機(jī)構(gòu)在Solidworks中進(jìn)行三維建模,盡可能將沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件建立為一個(gè)實(shí)體,為后續(xù)在ADAMS中的建模提供方便.

將Solidworks中建立的抓斗三維模型保存為Parasolid格式,并導(dǎo)入ADAMS中,零部件之間的連接零件,如螺栓、螺母、連接軸等不影響連接關(guān)系的零件可不用導(dǎo)入;在ADAMS環(huán)境中對(duì)模型添加相應(yīng)材料質(zhì)量參數(shù),即密度,施加運(yùn)動(dòng)副、約束,在動(dòng)耙與定耙、動(dòng)耙與液壓缸活塞桿、定耙與液壓缸缸筒之間用旋轉(zhuǎn)副連接,液壓缸缸筒與活塞桿用移動(dòng)副連接,為方便分析將定耙與大地固定;并根據(jù)單斗受力簡(jiǎn)圖依次添加載荷.將驅(qū)動(dòng)設(shè)置在液壓油缸移動(dòng)副上,設(shè)置角度測(cè)量與傳感器,在抓斗閉合,即抓斗張開角度為0時(shí)仿真停止.設(shè)置好參數(shù)后對(duì)抓斗閉合過(guò)程運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真,仿真時(shí)間為5 s,仿真步數(shù)設(shè)置為500,測(cè)得液壓缸受力變化曲線如圖3所示.

圖3 原抓斗液壓缸受力變化曲線Fig.3 Curve of primary grab’s hydraulic cylinder

從圖3可以看出:抓斗開始閉合時(shí)需要提供的推力變化趨勢(shì)較為平緩;隨著抓斗閉合,需要的液壓缸推力逐漸增大,到抓斗閉合時(shí)需要的推力最大可達(dá)130 kN;而現(xiàn)有的機(jī)構(gòu)不足以提供如此大的推力,僅能提供最大為40 kN的力,導(dǎo)致抓斗不能抓取太多污物或抓取污物過(guò)多時(shí)抓斗不能完全閉合,使得在運(yùn)送污物的過(guò)程中污物極易掉落,抓取污物效率低下.因此,改進(jìn)的方法為更換一個(gè)液壓系統(tǒng),或者是對(duì)施力結(jié)構(gòu)即液壓缸兩端連接處的安裝位置進(jìn)行優(yōu)化.本文對(duì)后者進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)分析,利用ADAMS參數(shù)化建模功能對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化.

2 抓斗樣機(jī)參數(shù)化建模分析

2.1 參數(shù)化建模

對(duì)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用的方法是樣機(jī)參數(shù)化分析,此方法便于了解各設(shè)計(jì)變量對(duì)樣機(jī)性能的影響,還可以根據(jù)設(shè)置的設(shè)計(jì)變量,采用不同的參數(shù)值進(jìn)行一系列的仿真.根據(jù)分析的要求,需要對(duì)抓斗模型簡(jiǎn)化,即直接在ADAMS軟件中完成參數(shù)化建模.不考慮機(jī)構(gòu)的外形,保留運(yùn)動(dòng)副,盡可能地將抓斗外形簡(jiǎn)化.采用參數(shù)化點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)抓斗機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模.抓斗結(jié)構(gòu)主要包括1個(gè)定耙、3個(gè)動(dòng)耙和3個(gè)液壓缸,由于在仿真中3個(gè)液壓缸同時(shí)動(dòng)作,其參數(shù)及測(cè)量結(jié)果都相同,因此，可以對(duì)1個(gè)液壓缸與動(dòng)耙連接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.根據(jù)抓斗幾何結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),定義重要點(diǎn)的位置來(lái)構(gòu)造幾何形狀.在抓斗結(jié)構(gòu)中,重要點(diǎn)即為各部件連接的鉸接點(diǎn).結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為定耙、動(dòng)耙由連桿、平板等代替,液壓缸及活塞桿由圓筒代替,并將這些零件與新創(chuàng)建的點(diǎn)關(guān)聯(lián).對(duì)建模完成的結(jié)構(gòu)賦予質(zhì)量特性,根據(jù)約束條件添加運(yùn)動(dòng)副,并在液壓缸移動(dòng)副處添加驅(qū)動(dòng),設(shè)置好角度測(cè)量與傳感器.在ADAMS中建立的模型如圖4所示.

圖4 抓斗參數(shù)建模模型Fig.4 Parametric model of the grab

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

建模完成后,將抓斗結(jié)構(gòu)中的重要約束點(diǎn),即建立的參數(shù)化點(diǎn)設(shè)置為設(shè)計(jì)變量,即可在仿真過(guò)程中隨時(shí)改變?cè)O(shè)計(jì)變量的值,抓斗樣機(jī)的性能也會(huì)隨之發(fā)生改變.將抓斗液壓缸兩端的鉸接點(diǎn)D,G的橫、縱坐標(biāo)分別設(shè)置為設(shè)計(jì)變量DV_Dx,DV_Dy,DV_Gx,DV_Gy,并將其值的范圍規(guī)定為絕對(duì)最小和最大值.最小和最大值的取值根據(jù)原抓斗結(jié)構(gòu)取得極值,如表1所示.選取的參數(shù)點(diǎn)如圖5所示.

參數(shù)化模型中所添加的載荷與原機(jī)構(gòu)單斗所受載荷相同,基本參數(shù)設(shè)置相同,仿真時(shí)間為5 s,仿真步數(shù)為500.利用ADAMS/View中的試驗(yàn)設(shè)計(jì),對(duì)4個(gè)設(shè)計(jì)變量同時(shí)進(jìn)行分析,研究測(cè)量所需要的液壓缸最大推力,試驗(yàn)定義為內(nèi)置試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Design of Experimet,DOE)技術(shù),因?yàn)槭褂玫搅艘蛩厮降乃锌赡芙M合,所以采用全因素分析,并在軟件中自動(dòng)生成研究報(bào)告.

表1 設(shè)計(jì)變量參數(shù)Tab.1 Parameters of design variables

圖5 設(shè)計(jì)變量設(shè)置點(diǎn)Fig.5 Points of design variables

2.3 優(yōu)化結(jié)果

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于除了能夠?qū)υO(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化,還能根據(jù)因素水平的所有可能組合來(lái)計(jì)算.除了最后的最佳優(yōu)化值,還能看到其他設(shè)計(jì)變量可能組合的結(jié)果.

根據(jù)更換的液壓系統(tǒng)中選擇的液壓缸型號(hào)、所需要推力的大小以及清污抓斗開閉耙的合理位置,從以上分析報(bào)告中,在最優(yōu)結(jié)果附近小范圍內(nèi)選擇合理的設(shè)計(jì)變量組合,為下一步新抓斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù).所選擇的最終優(yōu)化位置點(diǎn)參數(shù)如表2所示.

表2 設(shè)計(jì)變量參數(shù)Tab.2 Parameters of design variables

3 優(yōu)化結(jié)果分析

3.1 新抓斗結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)施力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果重新對(duì)抓斗進(jìn)行設(shè)計(jì)并建模仿真.在Solidworks中建立好新抓斗模型以后,同樣導(dǎo)入到ADAMS軟件中對(duì)抓斗的閉合過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真.按新機(jī)構(gòu)各結(jié)構(gòu)參數(shù)重新計(jì)算抓取阻力,并據(jù)其依次添加載荷,其余運(yùn)動(dòng)副、約束、測(cè)量、傳感器、仿真參數(shù)等與原機(jī)構(gòu)設(shè)置相同.仿真結(jié)束后得到液壓缸受力變化曲線如圖6所示.

圖6 新抓斗液壓缸受力變化曲線Fig.6 Curve of new grab’s hydraulic cylinder

3.2 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析

為評(píng)價(jià)新設(shè)計(jì)抓斗抓取污物過(guò)程的動(dòng)力學(xué)性能,將新抓斗與原抓斗的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)行比較.把新抓斗與原抓斗液壓缸受力變化曲線的數(shù)據(jù)導(dǎo)出,擬合在同一個(gè)圖表中,得到新舊抓斗液壓缸受力變化曲線,如圖7所示.

圖7 新舊抓斗液壓缸受力變化曲線Fig.7 Curves of primary and new grabs’ hydraulic cylinder

從圖7中可以看出：隨著活塞桿的推出,兩機(jī)構(gòu)液壓缸需要提供的推力隨著行程的增加而增大,而新機(jī)構(gòu)所需要推力的增大趨勢(shì)較為平緩,并且在抓斗即將閉合時(shí)所需要的最大推力較原來(lái)抓斗需要的130 kN降為了83 kN,降低了約36.2%.重新選擇的液壓系統(tǒng)所能提供的最大推力為100 kN,說(shuō)明新抓斗能夠提供所需要的液壓缸推力,且較原來(lái)施力更少,因此，新設(shè)計(jì)滿足要求.

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)抓斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模及優(yōu)化分析,得到優(yōu)化結(jié)果,即抓斗最佳施力點(diǎn)位置,并對(duì)前后兩種模型建模進(jìn)行仿真分析,得到動(dòng)力學(xué)參數(shù).通過(guò)對(duì)比兩組數(shù)據(jù),驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的合理性,說(shuō)明利用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立樣機(jī)模型，并對(duì)其優(yōu)化分析是一種有效的設(shè)計(jì)手段.相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì),利用ADAMS虛擬樣機(jī)軟件可以短時(shí)間內(nèi)完成從設(shè)計(jì)到試驗(yàn),再到修改,最后完成設(shè)計(jì)的過(guò)程.可以在計(jì)算機(jī)上完成物理樣機(jī)無(wú)法完成的多次仿真試驗(yàn),并根據(jù)不同方案,獲得理想的優(yōu)化結(jié)果.本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)以后液壓清污抓斗的設(shè)計(jì)和研究提供了一定的基礎(chǔ)與參考.