房秋怡,周偉,劉鵬,段克軍
(武警士官學(xué)校,杭州 311400)
汽車(chē)起重機(jī)廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸行業(yè)和建筑業(yè),尤其在建筑業(yè)工程建設(shè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。比如在大型建筑物構(gòu)建與設(shè)備安裝過(guò)程中,使用大量工程材料能夠垂直運(yùn)輸與裝卸貨物。液壓變幅機(jī)構(gòu)作為汽車(chē)起重機(jī)重要組成部分,不同部位鉸點(diǎn)的布置方法以及液壓變幅油缸位置對(duì)汽車(chē)起重機(jī)工作效率影響甚大[1]。在傳統(tǒng)汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中,通常采用類(lèi)比法,并加以手工繪圖方法確定鉸點(diǎn)位置,整個(gè)設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng),無(wú)法滿足當(dāng)代人們對(duì)于汽車(chē)起重機(jī)設(shè)計(jì)的高標(biāo)準(zhǔn)要求,嚴(yán)重制約了產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度[2]。液壓變幅機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性,對(duì)汽車(chē)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其整體性能帶來(lái)直接影響。
當(dāng)前,汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理念較為落后,其機(jī)構(gòu)中的角位置、角速度及角加速度與機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律存在較大的誤差。為了解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式存在的問(wèn)題,將汽車(chē)起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)作為優(yōu)化對(duì)象,把機(jī)構(gòu)視為封閉矢量多邊形,采用復(fù)數(shù)方式描述該機(jī)構(gòu)矢量方程式,并建立直角坐標(biāo),選取投影,實(shí)現(xiàn)基于復(fù)數(shù)矢量分析的汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)包括主臂、轉(zhuǎn)臺(tái)、變幅油缸,在中心噸位汽車(chē)起重機(jī)中各個(gè)部分結(jié)構(gòu)基本一致,為了對(duì)汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化,需對(duì)主臂、轉(zhuǎn)臺(tái)以及液壓變幅三鉸點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖如圖1所示。
在模型構(gòu)建中,需利用Pro/E軟件建立截面臂架、變幅液缸、回轉(zhuǎn)平臺(tái)的三維模型。將該文件保存后,直接導(dǎo)入虛擬樣機(jī)環(huán)境之中,并在該環(huán)境中設(shè)置組件材料和質(zhì)量,通過(guò)添加相對(duì)驅(qū)動(dòng)約束條件,對(duì)汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)主臂、轉(zhuǎn)臺(tái)以及液壓變幅三鉸點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化[4]。
在汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中,需先確定相關(guān)關(guān)鍵變量,并將這些變量設(shè)置為基本變量。在分析過(guò)程中,只需改變?cè)O(shè)計(jì)變量值大小,就能對(duì)主臂主要參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化。
針對(duì)主臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化需從主臂內(nèi)各個(gè)節(jié)臂長(zhǎng)度出發(fā),依據(jù)《汽車(chē)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》,結(jié)合汽車(chē)起重機(jī)起重性能確定主臂仰角參數(shù)[5]。在主臂長(zhǎng)度確定情況下,規(guī)范工作幅度,確定回轉(zhuǎn)中心到吊臂根部鉸點(diǎn)的水平距離,通過(guò)分析主臂仰角,計(jì)算出吊鉤中心離吊臂端部滑輪組中心連線與從根部鉸點(diǎn)作與吊臂縱平行線的交點(diǎn)的垂直距離。當(dāng)主臂變幅起升速度出現(xiàn)明顯變化后,測(cè)量的液壓變幅油缸驅(qū)動(dòng)力也將發(fā)生變化,這種變化隨著主臂長(zhǎng)度增加而逐漸增加;當(dāng)液壓變幅油缸以相對(duì)勻速變幅運(yùn)行時(shí),主臂起升角度保持較小角度,能夠保證主臂穩(wěn)定運(yùn)行;當(dāng)主臂起升角度過(guò)大時(shí),隨著液壓變幅油缸勻速運(yùn)動(dòng),主臂運(yùn)動(dòng)無(wú)法保持勻速[6]。這種不勻速將使主臂變幅起升更為明顯,再加上內(nèi)部構(gòu)建產(chǎn)生的沖擊載荷,使得主臂安全性受到一定影響,為此在對(duì)主臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中,保持液壓變幅油缸驅(qū)動(dòng)力[7]。
轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1 汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖
圖2 轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)體結(jié)構(gòu)
汽車(chē)起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)通常采用的是板式焊接結(jié)構(gòu),當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)受到分布載荷和節(jié)點(diǎn)載荷作用時(shí),需將其以等效載荷形式轉(zhuǎn)移到單元節(jié)點(diǎn)之中。根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)不同板厚進(jìn)行網(wǎng)格劃分,保證轉(zhuǎn)臺(tái)受力均勻,使其能夠承受平面內(nèi)和法線方向的荷載。將轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)支承使用SOLID45進(jìn)行網(wǎng)格劃分,通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)端點(diǎn)與立板間節(jié)點(diǎn)連接,能夠減小局部應(yīng)力,為液壓變幅三鉸點(diǎn)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)[8]。
1)確定轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系
由于在液壓變幅過(guò)程中,不同組建變形量相對(duì)較小,因此,以各個(gè)組件為剛體,確定坐標(biāo)系,如圖3所示。
圖3中a、b、c點(diǎn)表示吊臂與轉(zhuǎn)臺(tái)之間鉸點(diǎn)、液壓變幅油缸活塞桿與吊臂之間的鉸點(diǎn)以及油缸缸筒和轉(zhuǎn)臺(tái)之間的鉸點(diǎn)[9]。
圖3 鉸點(diǎn)位置坐標(biāo)
2)約束處理
在進(jìn)行液壓變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中,需將變幅動(dòng)作中相對(duì)靜止的零件固定,然后將上述確定的坐標(biāo)系中a、b、c三個(gè)鉸點(diǎn)連接,并在滑輪和吊臂之間創(chuàng)建鉸接副,以此添加沿變幅油缸方向的平移變量[10]。
3)變幅三鉸點(diǎn)優(yōu)化布局
液壓系統(tǒng)中負(fù)載決定了其壓力的大小,而活塞桿的負(fù)載力則決定了整個(gè)變幅過(guò)程中的油缸壓力。當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力減小時(shí),說(shuō)明活塞桿的最大與最小的承載力區(qū)間正在變小,此時(shí)汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)壓力變化將會(huì)變小,而在整個(gè)液壓過(guò)程中,變幅油缸活塞桿受力狀況是與變幅三鉸點(diǎn)布局方案有關(guān)的[11]。
利用ADAMS參數(shù)化功能將機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行參數(shù)化處理,生成6個(gè)設(shè)計(jì)變量,當(dāng)這6個(gè)變量確定時(shí),液壓缸長(zhǎng)度和安裝位置以及吊臂位置就被確定[12]。依據(jù)三鉸點(diǎn)幾何關(guān)系,綜合考慮汽車(chē)起重機(jī)不同組件給鉸點(diǎn)連接帶來(lái)的影響,需確定6個(gè)設(shè)計(jì)變量取值范圍,以變幅過(guò)程中最大值和最小值的差值為最優(yōu)目標(biāo)。三鉸點(diǎn)位置優(yōu)化后,說(shuō)明原設(shè)計(jì)中的液壓變幅油缸兩個(gè)鉸點(diǎn)位置會(huì)出現(xiàn)變化,隨著油缸活塞桿承受變幅力波動(dòng)變化,優(yōu)化后的最大波動(dòng)值減小,通過(guò)計(jì)算分析可知,優(yōu)化后的汽車(chē)起重機(jī)仰角變化范圍與原設(shè)計(jì)相比仰角變小了,起升高度和幅度變化也相對(duì)較小,工作性能得到提高。
由于吊臂鉸點(diǎn)越靠近后臺(tái),就越有利于改善油缸受力狀況,汽車(chē)起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)變量范圍較小,因此,最優(yōu)解只能在取值范圍邊界上,由此證實(shí)了單目標(biāo)優(yōu)化的局限性。為了提高汽車(chē)起重機(jī)工作效率,需采用復(fù)數(shù)矢量分析法進(jìn)行液壓變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化。
汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)按照工作性質(zhì)可分為工作性變幅和非工作性變幅,其中工作性變幅主要用于起重機(jī)工作循環(huán)且?guī)в胸?fù)載條件情況下的變幅,該變幅時(shí)間對(duì)起重機(jī)生產(chǎn)效率具有一定影響;而非工作性變幅機(jī)構(gòu)只能用于起重機(jī)空載狀態(tài)下的幅度變化,以此調(diào)整裝置作業(yè)位置,該工作方式對(duì)起重機(jī)生產(chǎn)效率影響較小。
復(fù)數(shù)矢量分析法是將機(jī)構(gòu)看成一個(gè)封閉的矢量多邊形,通過(guò)復(fù)數(shù)形式能夠表示液壓變幅機(jī)構(gòu)封閉的矢量方程式,以此獲取汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)模型直角坐標(biāo)投影。
任意多邊形能夠用于多個(gè)三角形組合,機(jī)構(gòu)方位圖由多個(gè)三角形構(gòu)成,三角形是運(yùn)動(dòng)分析的基礎(chǔ)條件。采用矢量圖解法分解三角形,如圖4所示。
其中任何一個(gè)三角形都可以用矢量方程式來(lái)表示:
將三角形矢量方程式形式改為復(fù)數(shù)型:
矢量方程式中分別包含1l、l2、l33個(gè)矢量模態(tài)及3個(gè)相應(yīng)幅角β1、β2、β3。只要給出其中1個(gè)參數(shù),就可以得出其它未知的參數(shù)。未知參數(shù)的組合形式存在以下4種情況:
1)2個(gè)矢量方向及大小均為已知項(xiàng),求解另1個(gè)矢量的大小與方向,由此獲取唯一解,并編制子程序C1;
2)1個(gè)矢量的方向、大小為已知項(xiàng),其余2個(gè)矢量?jī)H已知其方向,求解另2個(gè)矢量的方向,由此編制子程序C2;
3)1個(gè)矢量的方向、大小為均為已知項(xiàng),另一個(gè)矢量的大小及剩余矢量的方向?yàn)橐阎?xiàng),求取另外一個(gè)矢量方向和其余一個(gè)矢量大小,由此編制子程序C3;
4)1個(gè)矢量的方向、大小均為已知項(xiàng),另一個(gè)矢量的大小為已知項(xiàng),求解另一矢量的方向,由此編制子程序C4。根據(jù)矢量編制的子程序?qū)C(jī)構(gòu)受力情況展開(kāi)分析。
為了降低驅(qū)動(dòng)所耗費(fèi)的功率,需改變工作性變幅機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)臂架的自重平衡。起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)主要有三種布置方式,分別是前置式、后置式和后拉式,其主要特點(diǎn)如下所示:
1)前置式:采用小直徑液壓缸變幅推力較小,且臂下方有效空間較??;
2)后置式:將液壓缸后移,需要的變幅推力較大,此時(shí)臂架受力不均;
3)后拉式:臂架前方有效空間較大。
隨著主臂拉伸與回縮,液壓變幅幅度也隨之改變,但伸縮式臂架拉伸與回縮主要目的就是在起重機(jī)作業(yè)時(shí),所伸出的臂架得到了較大幅度的起升,且在汽車(chē)行駛過(guò)程中收縮臂所獲取的外形尺寸較小,通常不能作為機(jī)構(gòu)使用。針對(duì)液壓變幅機(jī)構(gòu)受力分析如圖5所示。
當(dāng)液壓變幅機(jī)構(gòu)升起時(shí),作用于轉(zhuǎn)臺(tái)上的作用力包括:吊臂根部鉸支座拉力F1、油缸壓力N、鋼絲繩拉力F2、各個(gè)結(jié)構(gòu)重力G1以及自身配重G2。依據(jù)各個(gè)結(jié)構(gòu)受力情況,采用復(fù)數(shù)矢量分析法對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
根據(jù)復(fù)數(shù)矢量分析原理以及各個(gè)結(jié)構(gòu)受力情況,對(duì)汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況展開(kāi)分析:在給定機(jī)構(gòu)示意圖下設(shè)計(jì)封閉矢量回路圖,然后按照封閉矢量寫(xiě)出位置矢量方程式,并將位置方程對(duì)時(shí)間的按階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)上述四種情況,調(diào)整相應(yīng)子程序,就可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化。
圖4 矢量法圖解三角形
圖5 液壓變幅機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖
如圖6所示,將其連接成五桿機(jī)構(gòu)形式。
1)位置分析
通過(guò)封閉矢量回路寫(xiě)出矢量方程為:
復(fù)數(shù)表達(dá)式為:
通過(guò)調(diào)用兩次編制子程序C1和C4,能夠計(jì)算出β2和β3大小。
2)速度分析
依據(jù)位置分析結(jié)果求取一階導(dǎo)數(shù),得出速度方程,通過(guò)調(diào)用編制子程序C1和C2,求解出β2和β3方向。
3)加速度分析
依據(jù)速度分析結(jié)果求取一階導(dǎo)數(shù),得出加速度方程,通過(guò)調(diào)用編制子程序C1和C2,求解出其余角度大小和方向。
通過(guò)調(diào)用編制子程序,調(diào)節(jié)不同角度,能夠保證液壓變幅機(jī)構(gòu)受力均勻,使汽車(chē)起重機(jī)各個(gè)組織結(jié)構(gòu)受力和自身慣性大小成正比,對(duì)于不同組織結(jié)構(gòu),在任意外力作用下,都有可能會(huì)出現(xiàn)相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài),通過(guò)對(duì)任意組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量和慣性結(jié)合的時(shí)候,能夠保證其在質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩方面保持一致性,由此優(yōu)化汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)。
參考某企業(yè)汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)系統(tǒng),對(duì)基于復(fù)數(shù)矢量分析的汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行聯(lián)合仿真及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。
實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。
圖6 五桿機(jī)構(gòu)形式
表1 仿真參數(shù)設(shè)置
圖7 臂架上仰運(yùn)動(dòng)過(guò)程中角位移曲線
1)角位移
分析臂架上仰運(yùn)動(dòng)過(guò)程中角位移曲線,如圖7所示。
黑線表示的是聯(lián)合仿真運(yùn)動(dòng)規(guī)律,藍(lán)色表示的是復(fù)數(shù)矢量分析下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,綠色表示的是傳統(tǒng)方法的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由圖7可知,當(dāng)時(shí)間為20 s時(shí),傳統(tǒng)方法下的角位移為30 °,而復(fù)數(shù)矢量分析下的角位移為12 °,聯(lián)合仿真下的角位移為10 °;當(dāng)時(shí)間為40 s時(shí),傳統(tǒng)方法下的角位移為38 °,而復(fù)數(shù)矢量分析下的角位移為25 °,聯(lián)合仿真下的角位移為21 °;當(dāng)時(shí)間為80 s時(shí),傳統(tǒng)方法下的角位移為55 °,而復(fù)數(shù)矢量分析下的角位移為47 °,聯(lián)合仿真下的角位移為46 °。
復(fù)數(shù)矢量分析下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與聯(lián)合仿真運(yùn)動(dòng)規(guī)律相一致,說(shuō)明復(fù)數(shù)矢量分析方法的有效性及仿真正確性。但與此同時(shí),兩條線并不重合,說(shuō)明存在一定差異,主要是因?yàn)閮煞N理論并非完全相同。聯(lián)合仿真運(yùn)動(dòng)規(guī)律是在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下得到的,而復(fù)數(shù)矢量分析下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是經(jīng)過(guò)理論分析獲取的,因此存在一定差異。而傳統(tǒng)方法缺少對(duì)汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)因素共同作用影響分析,導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)法更加逼真接近實(shí)際值。
2)角速度
仰運(yùn)動(dòng)過(guò)程中角速度曲線,如圖8所示。
圖8 仰運(yùn)動(dòng)過(guò)程中角速度曲線
汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)在80 s內(nèi)去除掉開(kāi)始和結(jié)束階段,其他階段角速度都是低于0.02 rad/s。由圖8可知,當(dāng)時(shí)間為20 s時(shí),傳統(tǒng)方法下的角速度為0.035,而復(fù)數(shù)矢量分析下的角速度為0.017,聯(lián)合仿真下的角速度為0.016;當(dāng)時(shí)間為40 s時(shí),傳統(tǒng)方法下的角速度為0.031,而復(fù)數(shù)矢量分析下的角速度為0.019,聯(lián)合仿真下的角速度為0.018;當(dāng)時(shí)間為80 s時(shí),傳統(tǒng)方法下的角速度為0.038,而復(fù)數(shù)矢量分析下的角速度為0.023,聯(lián)合仿真下的角速度為0.023。
綜上所述:采用傳統(tǒng)方法角速度較快,與聯(lián)合仿真運(yùn)動(dòng)規(guī)律相比明顯偏大,而復(fù)數(shù)矢量分析下的角速度與聯(lián)合仿真運(yùn)動(dòng)規(guī)律角速度基本一致,雖有偏差,但偏差較小,不影響優(yōu)化結(jié)果。
3)角加速度
仰運(yùn)動(dòng)過(guò)程中角加速度曲線,如圖9所示。
圖9 角加速度曲線
在時(shí)間為80 s時(shí),臂架上仰過(guò)程中的角加速度近似為水平線,視為勻速運(yùn)動(dòng),角加速度數(shù)值保持在零值附近。受到聯(lián)合仿真運(yùn)動(dòng)規(guī)律與理論仿真運(yùn)動(dòng)規(guī)律之間的差異影響,導(dǎo)致復(fù)數(shù)矢量分析與聯(lián)合仿真運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線不同,尤其在終端時(shí)刻,兩條線具有顯著差異。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是在聯(lián)合仿真中,俯仰角度閉環(huán)位置控制系統(tǒng)中的液壓缸在預(yù)定重點(diǎn)位置附近做小幅運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致臂架角加速度震蕩波動(dòng),屬于正常波動(dòng)數(shù)值,而傳統(tǒng)方法波動(dòng)數(shù)值并不在正常數(shù)值范圍內(nèi)。
汽車(chē)其中以液壓變幅機(jī)構(gòu)現(xiàn)有研究主要集中在主臂、轉(zhuǎn)臺(tái)和三鉸點(diǎn)位置優(yōu)化方面,各個(gè)方面是相對(duì)獨(dú)立的,無(wú)法形成一套有效聯(lián)動(dòng)機(jī)制。利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真研究,能夠得出以下結(jié)論:
1)對(duì)于臂架上仰運(yùn)動(dòng)過(guò)程中角位移,采用傳統(tǒng)方法缺少對(duì)汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)因素分析,導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與聯(lián)合仿真運(yùn)動(dòng)規(guī)律不一致。
2)對(duì)于臂架上仰運(yùn)動(dòng)過(guò)程中角速度,復(fù)數(shù)矢量分析下的角速度與聯(lián)合仿真運(yùn)動(dòng)規(guī)律角速度基本一致,傳統(tǒng)方法存在較大偏差。
3)對(duì)于臂架上仰運(yùn)動(dòng)過(guò)程中角加速度震蕩波動(dòng)數(shù)值并不在正常數(shù)值范圍內(nèi),而復(fù)數(shù)矢量分析下的角加速度與聯(lián)合仿真運(yùn)動(dòng)規(guī)律角加速度基本一致。
對(duì)汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行全方位的動(dòng)力學(xué)分析,能夠獲取基本數(shù)據(jù)信息,使得各部分?jǐn)?shù)據(jù)得以應(yīng)用,對(duì)于獨(dú)立研究具有較大作用。但受到專(zhuān)業(yè)知識(shí)限制,所提出的研究項(xiàng)目需進(jìn)一步深入完善,將具有類(lèi)似屬性的汽車(chē)起重機(jī)液壓變幅機(jī)構(gòu)整合,形成一套滿足所有機(jī)構(gòu)形式的有限元分析系統(tǒng),具有一定應(yīng)用價(jià)值。