拉臂車動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立及標(biāo)定

辛立剛 閆澤雙 張桂昌

關(guān)鍵詞：拉臂車 測(cè)試 動(dòng)力學(xué)仿真 標(biāo)定

1前言

拉臂車作為目前城市垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)的主力車型.在我國(guó)保有量巨大。得益于其使用成本低廉、液壓裝置穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點(diǎn).拉臂車深受市政環(huán)衛(wèi)部門的青睞。

在國(guó)外，拉臂車的研究及應(yīng)用已經(jīng)有幾十年的經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)形成較為先進(jìn)的理論和成熟的技術(shù).拉臂鉤不但在環(huán)衛(wèi)工作方面得到普遍的應(yīng)用.在許多涉及集裝箱裝卸的場(chǎng)合也得到廣泛的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)對(duì)于拉臂車的研究比較少，自上世紀(jì)80年代引入拉臂機(jī)構(gòu)后，1991年才有產(chǎn)品裝車銷售。隨著國(guó)家和社會(huì)對(duì)于環(huán)衛(wèi)工作的愈發(fā)重視。拉臂車生產(chǎn)企業(yè)以及研究機(jī)構(gòu)對(duì)于拉臂車的研究越來越多。

本文針對(duì)以往的研究.提出了一種較為完備的拉臂車動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立和標(biāo)定方法.該方法的特點(diǎn)是將測(cè)試與建模過程相耦合.建模后使用測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性。這種方法可以有效獲得更準(zhǔn)確的拉臂車工作過程的載荷曲線，為拉臂車的強(qiáng)度校核及輕量化提供準(zhǔn)確的載荷輸入，同時(shí)也提升了強(qiáng)度校核工作以及輕量化工作的可信度。

2拉臂車動(dòng)力學(xué)模型的建立

2.1試驗(yàn)測(cè)試

a.測(cè)試樣件。額定載質(zhì)量為14t的拉臂車?yán)蹤C(jī)構(gòu)，被測(cè)拉臂機(jī)構(gòu)完成裝配并達(dá)到出廠驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

b.測(cè)試載荷。采用14t質(zhì)量塊代替垃圾裝載在測(cè)試臺(tái)架。

c.測(cè)試工況。測(cè)試?yán)圮囥^臂鉤起載荷的全過程，即鉤首鉤住垃圾箱鉤環(huán)，液壓缸活塞桿收縮，拉臂機(jī)構(gòu)將垃圾箱從地面拖拽到車架上.裝箱過程完成。

d.測(cè)試設(shè)備。歐爾博DSS-M拉繩式位移傳感器、HDA4748-H-0400.000壓力傳感器、HMG 3010手持式數(shù)據(jù)采集儀、35MPa液壓泵站（為2個(gè)液壓缸提供動(dòng)力）及安裝平臺(tái)等。

e.測(cè)試方法。如圖1所示，拉臂機(jī)構(gòu)的車架固定在安裝平臺(tái)上，安裝在液壓缸上的歐爾博Dss-M拉繩式位移傳感器連接HMG 3010手持式數(shù)據(jù)采集儀，測(cè)取液壓缸活塞桿收縮的位移。安裝在液壓缸有桿腔與無桿腔的HDA4748.H-0400-000壓力傳感器.也連接HMG 3010手持式數(shù)據(jù)采集儀，測(cè)取液壓缸有桿腔與無桿腔的壓差，用于計(jì)算獲取活塞桿的拉力或壓力。

￡測(cè)試數(shù)據(jù)處理。HMG3010手持式數(shù)據(jù)采集儀可實(shí)時(shí)采集位移傳感器數(shù)據(jù)以及壓力傳感器數(shù)據(jù)，采集頻率設(shè)置為1Hz。將采集到的位移曲線求導(dǎo)獲得速度曲線。如圖2所示。壓力傳感器同時(shí)獲得有桿腔與無桿腔的壓力.分別計(jì)算有桿腔與無桿腔兩端受力.計(jì)算差值得到活塞桿的受力。受力曲線如圖3所示。

2.2建立模型

建立拉臂車上裝部分的模型，該模型主要由圖4所示的12個(gè)部件組成，為簡(jiǎn)化模型，將上裝的車架與安裝平臺(tái)建模時(shí)建成一體。其中油缸與安裝平臺(tái)、活塞桿與鉤臂、鉤臂與安裝平臺(tái)、車架滾輪與安裝平臺(tái)、載荷架滾輪與載荷架建轉(zhuǎn)動(dòng)副。油缸與活塞桿建滑動(dòng)副，載荷塊與載荷架、載荷架滑道與載荷架、載荷架掛鉤與載荷架、鉤首與鉤臂、安裝平臺(tái)與地面、地面滑道與地面建立固定副，鉤首與載荷架掛鉤、載荷架滾輪與地面滑道、載荷架滑道與車架滾輪建立實(shí)體接觸副，并激活摩擦力計(jì)算。該模型涉及到的接觸副均為鋼與鋼的接觸，接觸剛度設(shè)置為2000，阻尼系數(shù)為默認(rèn)值，鉤首與負(fù)荷架之間采用大的阻尼系數(shù)，過濾小振動(dòng)數(shù)據(jù)，防止仿真時(shí)鉤首與載荷架掛鉤脫離，此處接觸靜摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3，動(dòng)摩擦因數(shù)0.1，其余位置的接觸靜摩擦因數(shù)0.1'動(dòng)摩擦因數(shù)0.7，此模型共建立15對(duì)固定副、12對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)副、2對(duì)滑動(dòng)副、11對(duì)接觸副.最終模型如圖4所示。

模型建立后對(duì)兩個(gè)滑動(dòng)副施加速度驅(qū)動(dòng).活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度直接關(guān)系到載荷的加速度，影響各位置的受力，因此活塞桿速度的正確性.對(duì)仿真模型的計(jì)算結(jié)果影響較大。根據(jù)圖2所示的測(cè)試速度曲線簡(jiǎn)化得到施加到滑動(dòng)副上的速度曲線，測(cè)試速度波動(dòng)比較大。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將波動(dòng)

在adams使用step函數(shù)方式設(shè)置活塞桿運(yùn)動(dòng)速度。簡(jiǎn)化速度曲線的函數(shù)表達(dá)如下所示：

分別對(duì)載荷架以及載荷塊設(shè)置質(zhì)量屬性.載荷架主要為鋼鐵結(jié)構(gòu)，密度設(shè)置為7800kg/ms，載荷塊為鋼筋混凝土，平均密度設(shè)置為2000kg/ms，總質(zhì)量為13.2t，與試驗(yàn)測(cè)試時(shí)的載荷大小相同。

所有滾輪處設(shè)置滾動(dòng)摩擦，參數(shù)按照默認(rèn)系數(shù)設(shè)置，總共進(jìn)行43s的動(dòng)力學(xué)仿真.得到拉臂鉤拉起大箱整個(gè)過程動(dòng)力學(xué)特征曲線。

2.3模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)仿真模型的正確性，提取仿真得到的活塞桿受力曲線，對(duì)比仿真數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)?；钊麠U測(cè)試受力與仿真受力的對(duì)比如圖6所示。兩種受力曲線趨勢(shì)相同。在最初拉動(dòng)載荷的時(shí)候活塞桿上受力最大。之后隨著載荷塊的拉起，活塞桿受力減小，直至鉤首擺過最高點(diǎn)，開始往下運(yùn)動(dòng)時(shí)，載荷塊壓在鉤首上，活塞桿受力由拉力變?yōu)閴毫?。如圖6中A處所示.直至載荷架滑道與車架滾輪相接觸，初始接觸時(shí)，載荷塊重心在接觸點(diǎn)的外側(cè)，在該重力作用下，活塞桿受力由壓力變?yōu)槔?。如圖6中位置B所示，隨著載荷架被拉到安裝平臺(tái)上，載荷塊重心轉(zhuǎn)移到接觸點(diǎn)的內(nèi)測(cè)。在該重力作用下?；钊麠U受力再次由拉力變?yōu)閴毫?。如圖6中位置C所示.仿真數(shù)據(jù)曲線與測(cè)試曲線趨勢(shì)完全吻合。

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)及仿真數(shù)據(jù)取43個(gè)整秒的數(shù)據(jù)，計(jì)算測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的差值及誤差百分比。如圖7所示.第2秒時(shí)的差值比較大，接近10000N，但誤差為4.5%，符合工程計(jì)算的需要。43個(gè)對(duì)比點(diǎn)中，有4個(gè)點(diǎn)的誤差超過5%，第22s時(shí)，差值900 N，誤差-6.41%。28s與29s時(shí)正是載荷架滑道與車架滾輪相接觸時(shí)，油缸受力接近零，差值在100N以內(nèi)，誤差分別為7.43%與7.13%。第43 s時(shí)，差值2 19N'誤差6.08%。43個(gè)整數(shù)秒數(shù)點(diǎn)誤差在5%以內(nèi)的占90.69%。誤差在5%-8%以內(nèi)的占9.31%。仿真精度可以滿足工程計(jì)算的需求。

3結(jié)語

通過試驗(yàn)測(cè)試與仿真相結(jié)合的方式.可以更加準(zhǔn)確地建立拉臂車工作過程的動(dòng)力學(xué)仿真模型。本文通過試驗(yàn)測(cè)取到工作過程的油缸位移曲線，計(jì)算得出油缸運(yùn)行的速度，將速度轉(zhuǎn)化為adams中的step函數(shù)，精確定義拉臂車動(dòng)力學(xué)模型的驅(qū)動(dòng)速度，并使用測(cè)試獲得的活塞桿受力驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，對(duì)比仿真獲得的受力曲線以及測(cè)試獲得的受力曲線，曲線趨勢(shì)一致，且對(duì)比43個(gè)取樣點(diǎn)，90.69%的數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差在5%以內(nèi)，9.31%的數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差在5%～8%。且差值均在1000N以內(nèi)，滿足工程計(jì)算的需求。該方法得到的動(dòng)力學(xué)模型可為拉臂車的強(qiáng)度校核及輕量化提供準(zhǔn)確的載荷數(shù)據(jù)。