基于ADAMS的安全閥上料車升降機構(gòu)動力學研究

李天津， 朱海清， 孔寧寧

(江南大學 機械工程學院， 江蘇 無錫 214122)

安全閥的上料過程包括搬運、提升和對中3步，即把安全閥搬運至校驗臺附近，抬升到校驗臺上方，并將安全閥中心與校驗臺中心對齊。目前國內(nèi)安全閥上料多采用人工搬運或借助行車和叉車的人機輔助搬運。近幾年雖然有人提出了幾種安全閥上料裝備，但應(yīng)用效果并不理想：劉明亮等[1]提出了一種安全閥上料機械手可以實現(xiàn)安全閥的提升及對中，但設(shè)備無法完成安全閥的搬運工作，仍需人工將安全閥搬運至指定設(shè)備才可工作；楊成[2]提出的一種安全閥搬運小車可以實現(xiàn)安全閥的搬運工作，但不具備對中功能。

針對以上問題課題組提出了一種集搬運、提升以及對中功能于一體的安全閥上料車，它能夠?qū)N250以內(nèi)的安全閥從任意位置搬運至校驗臺附近，并由抓取機構(gòu)自動將安全閥放置在校驗臺中心，完成上料工作。由于安全閥質(zhì)量較大，在上料過程中出現(xiàn)的沖擊振動很可能會加劇運動機構(gòu)的磨損，縮短設(shè)備的使用壽命，影響設(shè)備的正常使用；也存在因安全閥掉落而引發(fā)重大安全事故的隱患。而上料車的動力學狀況直接影響上料車的穩(wěn)定性和可靠性，所以對上料車進行動力學分析具有重要意義。

1 上料車三維模型建立

由于安全閥上料時僅需要改變安全閥的空間位置，不需要改變位姿，所以安全閥上料車的抓取機構(gòu)采用3自由度直角坐標式結(jié)構(gòu)，由升降機構(gòu)和對中機構(gòu)組成。升降機構(gòu)由驅(qū)動電機、螺桿、導桿和升降平臺組成，伺服電機通過絲桿帶動工作平臺沿Z軸方向移動，實現(xiàn)安全閥的提升和下放；對中機構(gòu)由驅(qū)動電機、電動推桿、螺桿和導桿組成，驅(qū)動電機通過螺桿帶動末端執(zhí)行器在Y軸方向移動，實現(xiàn)安全閥的夾緊、松開和沿Y軸方向的微調(diào)；電動推桿帶動末端執(zhí)行器在X軸方向移動，實現(xiàn)安全閥沿X軸方向的微調(diào)。

將固連的復雜剛體零件簡化成一個簡單的剛體，運用SolidWorks軟件建立簡化后的上料車三維模型如圖1(a)所示。

從圖1可以看出，在上料過程中，升降機構(gòu)的驅(qū)動電機通過螺桿傳動為安全閥的升降動作提供驅(qū)動力，需要克服升降平臺和安全閥的重力以及滑動軸承與導軌間的摩擦力，受力情況較為復雜；而對中機構(gòu)在負載情況下只需要完成安全閥的微調(diào)，2個驅(qū)動電機和2個電動推桿僅需要為微調(diào)動作提供克服摩擦力的驅(qū)動力即可，受力情況較為簡單。故課題組只對升降機構(gòu)進行動力學分析，動力學分析又分為正向動力學和逆向動力學分析，正向動力學分析是根據(jù)關(guān)節(jié)驅(qū)動力求位移等運動特性，逆向運動學分析是根據(jù)運動特性求解關(guān)節(jié)力和驅(qū)動力矩[3]。課題組主要進行逆向動力學分析，研究最大負載時電機的驅(qū)動力矩、螺桿受力以及滑動軸承與導桿的摩擦力。

1—安全閥校驗臺；2—安全閥；3—對中機構(gòu)；4—升降平臺；5—滑動軸承3；6—滑動軸承4；7—滑動軸承1；8—滑動軸承2；9—螺桿；10—導桿；11—伺服電機。圖1 安全閥上料車模型Figure 1 Model of safety valve loading car

2 升降機構(gòu)動力學分析

2.1 拉格朗日方程

一般采用拉格朗日法或牛頓-歐拉法進行機構(gòu)動力學方程的推導與求解，而拉格朗日法只需要已知機構(gòu)各部件的速度便可求出驅(qū)動力或驅(qū)動力矩，因此使用得更多[4]。

一般將系統(tǒng)的動能K與勢能P的差值定義為拉格朗日函數(shù)L[5-7]，即L=K-P，則系統(tǒng)的動力學方程為

(1)

2.2 動力學分析

設(shè)升降平臺的質(zhì)量為m1，安全閥的質(zhì)量為m2，h表示驅(qū)動電機帶動升降平臺沿Z軸上下移動的高度，則系統(tǒng)的總動能為

(2)

系統(tǒng)的總勢能

P=(m1+m2)gh。

(3)

將式(2)和(3)代入式(1)得到升降平臺沿Z軸上下運動的驅(qū)動力微分方程：

(4)

式中F為升降平臺所需驅(qū)動力。

又因驅(qū)動電機通過螺桿傳動帶動升降平臺運動，故驅(qū)動電機的驅(qū)動扭矩為[8]

(5)

式中：M為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；d2為螺紋中徑；λ為螺旋線升角；ρ′為當量摩擦角。

3 升降機構(gòu)動力學仿真分析

3.1 ADAMS虛擬樣機建立

1) 模型簡化。為提高動力學仿真的簡便性與運行效率，在不影響機構(gòu)性能的前提下，將無相對運動關(guān)系的零件視為一體，并省略螺栓、螺釘及螺母等連接件。

2) 模型導入。將SolidWorks中簡化后的上料車三維模型以Parasolid格式的文件保存，并另存為*.xmt_txt的文件格式；然后啟動ADAMS軟件，新建一個模型，并將從SolidWorks中保存的文件導入ADAMS軟件。

3) 重力設(shè)置。設(shè)置重力方向沿Z軸負方向，即垂直于地面的方向，重力加速度的大小為9 806.65 mm/s2。

4) 材料設(shè)置。設(shè)置滑動軸承材料為銅合金，密度為[9]8.8×103kg/m3，螺桿材料為45#鋼，密度為7.89×103kg/m3。

5) 添加約束。在上料車底盤與地面之間添加固定副；在滑動軸承與導桿之間添加移動副；在螺桿兩端與安裝平臺之間添加轉(zhuǎn)動副；在螺桿與螺母之間添加螺旋副。

6) 添加力。為了使仿真更接近實際工況，提高仿真的可靠性，在相對運動的接觸零件之間添加接觸力和摩擦力。

3.2 仿真過程分析

在整個上料過程中升降機構(gòu)動作包括上升、保持和下降3個階段：0～20 s升降機構(gòu)上升；20～25 s升降機構(gòu)保持不動；25～30 s升降機構(gòu)下降。對上料車升降機構(gòu)進行動力學仿真，采用系統(tǒng)提供的step函數(shù)設(shè)定上料車升降機構(gòu)上升過程的驅(qū)動函數(shù)。具體如下：

STEP(time,0,0,20,14 400 d)+STEP(time,25,0,30,-3 600 d)。

3.3 仿真結(jié)果分析

設(shè)置仿真時間為30 s，仿真步數(shù)為500，得到電機驅(qū)動扭矩、螺桿受力以及滑動軸承與導桿摩擦力的變化曲線如圖2～4所示。

從圖2可以看出，當驅(qū)動電機啟動時，由于負載較大，產(chǎn)生的慣性力較大，因此驅(qū)動扭矩瞬間增大，最大值為17.975 N·m；當升降機構(gòu)從上升過程進入平穩(wěn)階段時，慣性力逐漸減小，驅(qū)動扭矩逐漸減?。划斏禉C構(gòu)停止不動時，驅(qū)動扭矩小幅波動然后保持在7.087 N·m ；當升降機構(gòu)開始下降時驅(qū)動扭矩先減小到3.545 N·m，再逐步增大到4.201 N·m。升降機構(gòu)在整個運動過程中，電機驅(qū)動扭矩在電機啟動瞬間最大，在后續(xù)運動過程中僅在換向時出現(xiàn)小幅波動，電機運行較為平穩(wěn)。

圖2 電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩變化曲線Figure 2 Variation curve of motor drive torque

從圖3可以看出，電機啟動瞬間產(chǎn)生的慣性力對螺桿造成了沖擊，螺桿受力瞬間增大到 5 565.75 N，沖高之后隨著慣性力的減小逐步減小，在后續(xù)運動過程中僅在換向時出現(xiàn)小幅波動，受力變化較為平穩(wěn)，無劇烈波動。

圖3 螺桿受力變化曲線Figure 3 Variation curve of screw force

從圖4可以看出，在整個運動過程中，軸承1、軸承2受摩擦力情況基本相同，軸承3、軸承4受摩擦力情況基本相同；當電機啟動時，4個軸承與導桿的摩擦力均最大，軸承1為1 615.37 N，軸承2為1 680.11 N，軸承3為2 560.46 N，軸承4為2 687.71 N。在升降機構(gòu)上升階段，軸承3、軸承4與導桿摩擦力較大，說明上升過程中主要是軸承3、軸承4受力；在升降機構(gòu)下降階段，軸承1、軸承2與導桿摩擦力較大，說明下降過程中主要是軸承1、軸承2受力。

圖4 軸承受摩擦力變化曲線Figure 4 Variation curve of bearing friction force

4 結(jié)語

課題組設(shè)計了一種自動化程度較高的安全閥自動上料車，利用SolidWorks軟件建立了上料車的三維模型，采用拉格朗日法建立了上料車升降機構(gòu)的動力學方程；利用ADAMS軟件對升降機構(gòu)進行動力學仿真分析，得到了升降機構(gòu)運動過程中電機驅(qū)動扭矩、螺桿受力和滑動軸承受摩擦力的曲線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)升降機構(gòu)在運動過程中各參數(shù)曲線均無明顯波動，表明升降機構(gòu)運行平穩(wěn)，無劇烈振動。同時也得到了電機驅(qū)動扭矩、螺桿受沖擊力以及滑動軸承受摩擦力的最大值，為電機、螺桿和滑動軸承的選型提供了參考。