基于CATIA的平地機工作裝置設計與仿真分析

苗國華,崔元福,王 永,馮克祥

(山東臨工工程機械有限公司,山東 臨沂,276023)

基于CATIA的平地機工作裝置設計與仿真分析

苗國華,崔元福,王 永,馮克祥

(山東臨工工程機械有限公司,山東 臨沂,276023)

簡要介紹了平地機工作裝置基本結構,應用CATIA完成工作裝置方案參數化建模.分析工作裝置各部件運動關系并抽取工作裝置運動副機構模型,基于CATIA的DMU模塊建立工作裝置仿真模塊.通過仿真分析獲取其空間運動包絡體、軌跡以及鏟刀各種工作狀態時鏟刀升降油缸、鏟刀側擺油缸支點變化軌跡,為工作裝置空間結構設計驗證優化和相關油缸參數設計提供參考和依據.

平地機工作裝置; 運動副抽取; DMU仿真分析; 運動軌跡

0 引言

平地機是一種以鏟刀為主、多種附具可選,主要用于大面積平整場地、修路、刮坡、挖溝、修邊渠、排水溝、除雪、松土、推土、開荒等工況的作業機械.為滿足上述各種工況需求,工作裝置在設計時需要滿足左、右側擺90゜、鏟刀側刮20゜等要求,在開發新型平地機時由于工作裝置控制結構多、機構復雜、空間結構復合運動等特點,其設計難度較大.國內外對工作裝置設計研究不多見,余波等[1]對平地機機構進行位置分析,建立參數化模型,并實現了運動仿真;潘勇軍等[2]提出一種平地機工作裝置混聯機構簡化位置正解分析方法.

本文先簡要介紹某型號平地機工作裝置結構并基于CATIA完成工作裝置初始方案的參數化三維建模.通過分析工作裝置各部件運動關系并抽取其運動副,在CATIA的DMU模塊中建立工作裝置運動仿真模型.通過仿真分析獲取工作裝置空間運動包絡體、關鍵點運動軌跡和鏟刀升降油缸、側擺油缸支點的運動軌跡,以此驗證優化工作裝置新方案空間結構設計和鏟刀升降、鏟刀側擺油缸等參數設計.

1 平地機工作裝置與結構分析

某型號平地機工作裝置如圖1所示,主要由左小臂、左提升油缸、右小臂、右提升油缸、擺架連桿、側擺油缸、牽引架、回轉架、回轉驅動裝置、鏟刀、傾角支架以及傾角油缸等組成.

圖1 某型號平地機工作裝置Fig.1 Diagram on structure of working equipment

左、右小臂分別通過銷軸與前車架鉸接連接,同時又分別與擺架連桿兩端通過銷軸鉸接連接.左、右提升油缸支架分別與左、右小臂鉸接連接.左、右提升油缸支架、左、右小臂及擺架連桿構成平地機工作裝置中的擺架連桿機構,擺架連桿有若干定位孔,通過前車架的鎖緊油缸鎖緊擺架連桿不同位置孔,從而實現擺架連桿的調整.

左、右升降油缸一端分別與左、右提升油缸支架鉸接連接,另外一端分別與牽引架的兩球頭球鉸接;側擺油缸一端與擺架連桿固定球頭球鉸接,另外一端與牽引架球頭球鉸接.牽引架與前車架球面連接.回轉架通過回轉驅動機構驅動繞牽引架可實現360゜回轉;鏟刀與傾角支架移動副連接,并通過傾角支架與回轉架鉸接連接,傾角油缸一端與傾角支架鉸接,另外一端與回轉架鉸接.

由上述分析可知,平地機工作裝置是多自由度、多維復合空間機構.工作裝置空間結構設計與驗證、關鍵支點的確定以及各油缸支點與參數確定十分困難.在某型平地機工作裝置方案設計時,先應用CATIA完成其參數化三維建模.

2 工作裝置結構抽取與仿真模型建立

根據上節分析的平地機工作裝置各部件運動關系,抽象出某型平地機工作裝置各部件運動副關系圖,如圖2所示:

圖2 工作裝置運動副圖Fig.2 Diagram on kinematic pairs of working equipment

將基于CATIA的工作裝置方案參數化三維模型轉到CATIA的DMU模塊,根據抽取的工作裝置運動副關系完成約束到運動副關系的轉變.仿真模型中將前車架作為仿真模型的固定件,考慮到仿真模型主要驗證優化新工作裝置空間結構設計、運動軌跡、各工作油缸支點軌跡和油缸參數確定等,雙油缸+回轉閥擺動回轉機構對整體仿真模型沒有影響,因此簡化回轉驅動機構,將其等效為回轉架與牽引架旋轉結合.同時結合實際情況分別添加擺架連桿機構旋轉角度命令、左升降油缸、右升降油缸、側擺油缸、側移油缸以及傾角油缸移動副命令和回轉架旋轉角度命令,完成工作裝置初始方案仿真模型的建立.但仿真模型完成后發現系統自由度不為0,DMU仿真系統不會提示可以模擬機械裝置.進一步分析認為側擺油缸的桿端與擺架連桿的固定球頭球鉸副、側擺油缸的活塞端與牽引架球頭的球鉸副、左升降油缸桿端與牽引架球頭的球鉸副以及右升降油缸桿端與牽引架球頭的球鉸副不能分別將側擺油缸活塞端、側擺油缸桿端、左升降油缸桿端及右升降油缸桿端繞其本身軸線的自由度約束住,與實際狀態不符,不能正常模擬.因此需要將上述四處的球鉸副按照實際狀況進行等效處理,限制其繞本身軸線的自由度.應用U形結合處理上述四處球鉸連接處,將U形結合的兩個軸線分別選取油缸活塞或活塞桿與牽引架球頭的軸線,兩軸線交點即為油缸與牽引架球頭連接的中心點.工作裝置仿真模型如圖3所示:

圖3 工作裝置仿真模型Fig.3 Simulation model of working equipment

3 仿真分析

利用CATIA“知識工程”的“知識顧問”模塊的“規則編輯器”,參考鏟刀左、右側立90゜等工況的實際操作過程中,編制仿真模型的工作裝置鏟刀左、右側立90゜的仿真程序如下(以右立90゜為例):

在DMU模塊中,分別激活結構樹中編制的“法線”,應用“模擬”命令,并在選項卡中選中“使用法則曲線”選項,生成左、右鏟刀側立90゜兩個“模擬”,再應用“編譯模擬”分別生成左、右側立“重放”.基于“重放”使用“掃瓊包絡體”,仿真形成工作裝置左、右鏟刀側立90゜包絡體,如下圖4所示:

分析工作裝置方案的空間運動包絡體,可得知在空間運動過程中工作裝置與前車架、前橋等關聯部件沒有出現干涉現象,驗證其方案設計是合理的.若方案包絡體出現干涉情況,可以切換到CATIA零件模塊,對工作裝置方案三維模型進行參數化修改,快速驗證方案可行性,提高設計效率.

圖4 工作裝置鏟刀左、右側立90゜包絡體Fig.4 Simulation program of working equipment

利用“軌跡”命令,分別基于工作裝置左、右側立90゜的“重放”生成工作裝置在空間結構運動過程中牽引球頭、左(右)升降油缸與提升支架的支點、左(右)升降油缸與牽引架球頭的支點、側擺油缸與擺架連桿球頭支點以及側擺油缸與牽引球頭支點共7個關鍵點軌跡變化情況,如圖5所示,結合工作裝置包絡體和7個關鍵點軌跡對工作裝置方案切換到參數化建模中進行優化更改,確定最終方案.

以鏟刀左下頂點建立鏟刀速度、加速度傳感器,并建立左提升油缸支架與左球頭距離、右提升油缸支架與右球頭距離與側擺油缸兩端球頭距離傳感器.激活工作裝置鏟刀右側立90゜仿真程序,分別記錄工作裝置空間運動情況下相關數據,整理數據關系如下圖6所示:

分析圖6可知,在左、右升降油缸以及鏟刀側擺油缸位移有突變情況時,鏟刀速度和加速度會產生瞬間突變使工作裝置產生慣性沖擊和抖動現象,這種現象在實際作業中不可避免的.在工作裝置鏟刀右側立90゜過程中,左提升油缸支架與左球頭距離(即左升降油缸桿端與活塞端支點距離)最大為1870.5 mm,最小值為968.5 mm;右提升油缸支架與右球頭距離(即右升降油缸桿端與活塞端支點距離)最大為922.8 mm,最小值為617.8 mm.

圖5 工作裝置關鍵7點空間軌跡Fig.5 Net body on blade left & right 90°

鏟刀側擺油缸兩端球頭距離最大為1 483 mm,最小值為1 163 mm.

激活工作裝置鏟刀左側立90゜仿真程序,分別記錄工作裝置空間運動情況下相關數據.整理數據關系如下圖7所示:

分析圖7可知,除在左、右升降油缸以及鏟刀側擺油缸位移有突變情況時,在其它時間時鏟刀速度和加速度會產生瞬間突變,這主要是鏟刀側移油缸和鏟刀回轉等動作引起.在工作裝置鏟刀左側立90゜過程中,左提升油缸支架與左球頭距離最大為968.5 mm,最小值為618.5 mm;右提升油缸支架與右球頭距離最大為1 772.8 mm,最小值為922.8 mm.鏟刀側擺油缸兩端球頭距離最大為1 163 mm,最小值為1 013 mm

圖6 鏟刀右側立90゜過程關系圖Fig.6 Seven key points trace of working equipment

圖7 鏟刀左側立90゜過程關系圖Fig.7 Cylinder relation and kinematic characteristics on blade right 90°

考慮到左、右升降油缸通用性以及左、右升降油缸和鏟刀側擺油缸性能參數要同時滿足工作裝置鏟刀左、右側立90゜工況需求,因此左、右升降油缸最小安裝距取上述仿真值的最小值617.8mm,左、右升降油缸最大行程時要滿足其最大距離1 870.5 mm需求;鏟刀側擺油缸最小安裝距取上述仿真值的最小值1 013 mm,側擺油缸最大行程時要滿足其最大距離1 483 mm.

工作裝置鏟刀最大離地間隙也是一關鍵指標.在平地機行駛工況,鏟刀離地間隙直接影響平地機通過性,因此在確保工作裝置牽引架與擺架連桿機構不干涉的前提下,激活“碰撞檢測(停止)”功能,使用“法則曲線進行模擬”命令仿真分析,由分析數據可知,在牽引架與擺架連桿發生碰撞時左、右提升油缸支架與球頭距離為545 mm.

綜合分析仿真數據和工作裝置鏟刀各種工況需求,考慮到油缸安裝距和行程預留5 mm安全余量,最終設計確定左、右升降油缸最小安裝距540 mm,最大距離1 875 mm,即行程為1 335 mm;側擺油缸最小安裝距1 008 mm,最大距離1 488 mm,即行程480 mm;各油缸的缸徑、桿徑由工作液壓系統壓力和工作裝置負載通過有限元分析確定.

在某型號平地機開發中應用CATIA參數化建模和DMU的仿真分析完成多自由度多維度工作裝置方案設計、空間結構的優化與驗證以及工裝裝置各工作油缸參數的確定.樣機實測表明新工作裝置設計滿足整機性能參數要求.

4 結 語

(1) 基于CATIA完成某新型工作裝置參數化

建模,分析工作裝置結構特點,抽取各部件運動副關系,基于CATIA的DMU模塊建立工作裝置仿真模型,并根據實際情況對部分球鉸副等效處理.

(2) 參考實際操作,編制工作裝置空間運動

仿真程序,通過仿真獲取工作裝置空間運動的包絡體、關鍵點軌跡和各油缸支點距離變化情況,為多自由度工作裝置與前車架、前橋等關聯部件的空間驗證優化和工作油缸的參數確定提供參考和依據.

(3) 將上述方法應用于某型號平地機工作裝

置設計,可以快速驗證優化多自由度多維度工作裝置結構,避免多次重復驗證和多自由度多維度空間驗證困難,大幅提高設計效率.

[1] 余波.PY165A型平地機的位置分析及運動仿真[D].成都,四川大學,2001.

YU Bo. Position analysis and motion simulation of PY165A blade grader[D].Chengdu: Sichuan University, 2001.

[2] 潘勇軍,侯亮,王其亮,等.平地機工作裝置混聯機構簡化位置正解分析[J].浙江大學學報 2011,45(8),1346-1351.

PAN Yongjun, HOU Liang, WANG Qiliang,et al.Forward displacement analysis on hybrid mechanism of working device of grader[J].Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2011,45(8):1346-1351.

[3] 劉宏新,宋微微.CATIA數字化樣機運動仿真詳解[M].北京:機械工業出版社,2013.

LIU Hongxin, SONG Weiwei.CATIA digital prototype kinematic simulation instruction[M].Beijing: Mechanical Industry Press,2013.

CATIA-based design and simulation analysis on grader working device

MIAO Guo-hua,CUI Yuan-fu,WANG Yong,FENG Ke-xiang

(Shandong Lingong Construction Machinery Co.,Ltd,Shandong,276023)

Firstly, a 3D parametric model for working device of grader is established using CATIATM according to structural and spatial kinematic pairs. By using the DMU module for simulation model, the spatial movement track is then obtained. Next, the pivot track of blade lifting cylinder and circle shifting cylinders are attained. Finally, the design optimization on spatial structure sets a reference to cylinder parametric design.

grader working device; extracted spatial kinematic pairs; DMU simulation analysis; movement track

項目名稱:G9190平地機開發;課題來源:2013年山東省技術創新項目計劃;項目編號:201330115015

苗國華(1982-),男,碩士,中級工程師.E-mail:guohua.miao@sdlg.com.cn

TP 391

A

1672-5581(2016)06-0499-05