基于剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)仿真分析的推拉器設(shè)計(jì)研究

文/陳春梅（安徽合力股份有限公司）

文/陳春梅（安徽合力股份有限公司）

一、引言

無(wú)論是在倉(cāng)庫(kù)、廠內(nèi)，還是在建筑工地上，到處可見(jiàn)叉車的身影。叉車是工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的機(jī)械設(shè)備之一，大量的貨物搬運(yùn)工作都需要應(yīng)用叉車。傳統(tǒng)的叉車進(jìn)行作業(yè)時(shí)，一般都是將貨物放在托盤上，如圖1 所示，然后通過(guò)貨叉對(duì)托盤進(jìn)行叉取完成搬運(yùn)堆垛作業(yè)，作業(yè)對(duì)象下面都要放置托盤，且托盤的厚度必須大于貨叉的厚度。這么厚的托盤會(huì)導(dǎo)致很大的空間浪費(fèi)，特別是對(duì)于某些空間受限的場(chǎng)所，例如使用集裝箱海運(yùn)貨物，集裝箱運(yùn)輸大多是按照所占用的集裝箱體積來(lái)收取運(yùn)費(fèi)的，于是客戶就得為這些托盤占用的空間資源買單。而無(wú)須托盤作業(yè)的叉車屬具——推拉器，如圖2 所示，則很好地解決了這一問(wèn)題。

圖1 叉車帶托盤作業(yè)

圖2 推拉器結(jié)構(gòu)

本文將對(duì)推拉器的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，并采用多體動(dòng)力學(xué)仿真分析方法驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性。

二、推拉器的結(jié)構(gòu)分析

推拉器是一個(gè)多連桿機(jī)構(gòu)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其推出和拉回的狀態(tài)分別如圖3、圖4 所示，俯視角度下的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。此推拉器結(jié)構(gòu)布置緊湊，主要由導(dǎo)軌槽、連接桿、支座總成、主動(dòng)臂、下滑塊、拔銷、左右推拉油缸、底板、叉板、導(dǎo)軌槽、前推板總成、左右升降油缸、鉤板總成、壓板總成、導(dǎo)向套、導(dǎo)向軸等零部件裝配而成。

圖3 推拉器推出后示意圖

圖4 推拉器拉回后示意圖

圖5 推拉器的俯視圖

具體布置為：該推拉器共有4 根油缸，包括左右2根推拉油缸7 和左右2 根升降油缸13。推拉油缸7 的作用是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)臂和連接桿的張開(kāi)合攏工作，從而帶動(dòng)前推板總成12 和貨物實(shí)現(xiàn)推拉動(dòng)作；左右升降油缸13 的作用是為了實(shí)現(xiàn)壓板總成16 的升降功能，滑紙板進(jìn)入壓板和鉤板之間，壓板就下壓，滑紙板就會(huì)被壓板和鉤板夾住，壓板提起，滑紙板仍在壓板和鉤板之間，只是壓板將滑紙板松開(kāi)，這樣滑紙板和貨物就可以被前后推拉操作。

中間部位的連接為：后主動(dòng)臂右4 與前主動(dòng)臂右14 以及后主動(dòng)臂左19 與前主動(dòng)臂左22 的上端共通過(guò)一根銷軸連接在一起；后連接桿右2 與后主動(dòng)臂右4 的中部通過(guò)銷軸連接；前連接桿右11 與前主動(dòng)臂右14 的中部通過(guò)銷軸連接；前連接桿右11 與后連接桿右2 的下端通過(guò)銷軸連接；左邊同樣的道理，前連接桿左21 與前主動(dòng)臂左22 的中部通過(guò)銷軸連接；前連接桿左21 與后連接桿左20 的下端通過(guò)銷軸連接在一起；然后后連接桿右2 與后連接桿左20 之間通過(guò)導(dǎo)向軸18 連接在一起，前連接桿右11 與前連接桿左21 之間通過(guò)導(dǎo)向軸24 連接在一起，導(dǎo)向軸18 和24兩端安裝有導(dǎo)向軸套23，導(dǎo)向軸套23 可在導(dǎo)軌槽1和10 中上下運(yùn)動(dòng)。后主動(dòng)臂右4、后主動(dòng)臂左19 的下端分別固定在支座總成3 上，上下可以轉(zhuǎn)動(dòng)，前主動(dòng)臂右14 和前主動(dòng)臂左22 的下端分別固定在前推板總成12 上，上下可以轉(zhuǎn)動(dòng)。

推拉油缸右安裝在后主動(dòng)臂右4 與前主動(dòng)臂右14 之間，推拉油缸左安裝在后主動(dòng)臂左19 與前主動(dòng)臂左22 之間，左右推拉油缸7 對(duì)稱布置；左右升降油缸13 對(duì)稱布置在前推板總成12 與壓板總成16 之間，隱蔽性好，可以很好地保護(hù)油缸管路，從而延長(zhǎng)其使用壽命。

叉板9 通過(guò)螺栓固定在支座總成3 上的底板8上；鉤板總成15 固定在前推板總成12 上。

下滑塊5 通過(guò)拔銷6 固定在支座總成3 的下部，拔銷6 可輕松拔下或插入，實(shí)現(xiàn)推拉器的快裝式功能。

整個(gè)推拉器使用時(shí)，上滑塊直接掛裝在叉車的貨叉架上，通過(guò)下滑塊5 的拔銷6 固定，拆裝非常方便。

三、采用剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)仿真分析

本次選擇LMS 仿真平臺(tái)。

推拉器的工作過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，校核計(jì)算時(shí)難以確定最危險(xiǎn)工況，用基于靜力學(xué)的有限元分析方法很難計(jì)算校核，因此采用了多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算推拉器在典型工況下的動(dòng)力響應(yīng)。

首先將solidworks 建立的三維模型導(dǎo)入到VL.motion 軟件界面中，如圖6 所示。然后將固定的零部件，如叉板、支座總成等與大地連接，可以運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)臂、連接桿、推板等轉(zhuǎn)換成構(gòu)件，進(jìn)而添加約束、驅(qū)動(dòng)、外力等，設(shè)置成自己想要的工況，約束方面是通過(guò)設(shè)置運(yùn)動(dòng)副來(lái)表現(xiàn)推拉器實(shí)際的約束關(guān)系；旋轉(zhuǎn)副（前后主動(dòng)臂鉸接的位置都設(shè)置有旋轉(zhuǎn)副），接觸力（導(dǎo)向套和導(dǎo)軌的連接設(shè)置成接觸力），圓柱副（推拉油缸缸筒和活塞桿之間設(shè)置成圓柱副），（運(yùn)動(dòng)副的創(chuàng)建是通過(guò)選擇構(gòu)件上的一些幾何點(diǎn)、線、面元素來(lái)完成的。驅(qū)動(dòng)是通過(guò)建立一條常用的正弦曲線，定義推拉油缸運(yùn)動(dòng)位移過(guò)程,通過(guò)推拉油缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)貨物的推出和拉回。添加外力是為了讓多剛體動(dòng)力學(xué)模型更完善，此推拉器添加的外力取決于負(fù)載，考慮前推板總成在推拉貨物過(guò)程中所受的推力。這樣，推拉器的多剛體動(dòng)力學(xué)模型就建立好了，如圖6 所示。

圖6 推拉器的多剛體動(dòng)力學(xué)模型

由于桿系零件存在變形，用多剛體動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，由于不計(jì)各構(gòu)件的彈性變形，造成的計(jì)算結(jié)果誤差較大，難以獲得滿意的仿真結(jié)果。因此，運(yùn)用了基于模態(tài)綜合法的剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)對(duì)推拉器進(jìn)行仿真計(jì)算。

進(jìn)行剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)仿真分析，首先建立剛?cè)狁詈夏Ｐ?，建立主?dòng)臂等的有限元模型，并替換掉它的剛性體模型，如圖7 所示。

圖7 主動(dòng)臂的有限元模型

形成推拉器的剛?cè)狁詈夏Ｐ停鐖D8 所示。

圖8推拉器的剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

然后將柔性化的零部件進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，這樣就形成了含有模態(tài)信息的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，如圖9 所示。

圖9 含有模態(tài)信息的剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真，設(shè)置仿真時(shí)間為8 秒，采樣步長(zhǎng)為0.0001 秒。假設(shè)工況為:0～1 秒為推拉器空載從叉板某一位置拉回到叉板根部的過(guò)程；1～6 秒為推拉器帶載整個(gè)推出過(guò)程；6～8 秒為推拉器空載從叉板末端拉回到叉板某一位置的過(guò)程。求解完成，可以查看推拉器在推拉過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，如圖10 所示為輸出了推拉器的前推板速度曲線圖和前后主動(dòng)臂鉸點(diǎn)力曲線圖。

圖10 推拉器前推板曲線圖

從所輸出的推拉器前推板速度和前后主動(dòng)臂鉸點(diǎn)力來(lái)判斷，此推拉器的運(yùn)行是否正常，參數(shù)是否滿足客戶需求，整個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并可以根據(jù)仿真結(jié)果不斷對(duì)模型進(jìn)行修正，從而在設(shè)計(jì)階段得到我們想要的產(chǎn)品。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將多體動(dòng)力學(xué)分析方法融入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，可以讓設(shè)計(jì)人員在樣機(jī)生產(chǎn)之前，利用計(jì)算機(jī)對(duì)處于概念階段的產(chǎn)品進(jìn)行仿真，有針對(duì)性或者全面地模擬機(jī)械系統(tǒng)的各種運(yùn)行工況，提前對(duì)模型進(jìn)行修正，能在很大程度上降低開(kāi)發(fā)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期。