基于ADAMS的1 t電動平衡吊失衡力分析及解決方法

張 彥, 張文強

(合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

基于ADAMS的1 t電動平衡吊失衡力分析及解決方法

張 彥, 張文強

(合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

由桿件自重引起的失衡力對平衡吊的隨遇平衡有著極大的不利影響。文章以1 t電動平衡的設計參數為基礎,建立了數字化模型,并利用ADAMS虛擬樣機軟件對失衡力的影響因素及變化趨勢進行了研究;提出了一種通過改變水平導軌形狀來降低失衡力的改進方案,并選取失衡力較為顯著的某一極限位置建立了一系列不同梯度的模型加以驗證。由分析結果可以得出,對水平導軌適宜變形可以有效地將失衡力降低至合理范圍內,以保障平衡吊的隨遇平衡。

平衡吊;隨遇平衡;失衡力;水平導軌;極限位置

電動平衡吊是一種應用廣泛的機械助力設備,具有結構簡單、操作靈活、價格低廉、維護方便等特點,因而多見于車間、碼頭等需要頻繁裝卸的工作場合。

理論上說,平衡吊在其工作區間內無論是否懸掛重物都可以在任意時刻、任意位置達到平衡靜止的狀態,即隨遇平衡狀態[1]。然而,在實際工作中平衡吊由于桿系的自重、變形以及尺寸誤差的影響,會使平衡吊在某些位置不能隨遇平衡而產生滑移。對平衡吊失衡問題的研究已有了許多進展,如通過精確裝配以減小徑向操作力[2];通過對桿件的優化設計及加強筋的合理布置以減少變形;通過在實際應用中將摩擦力限制在某一范圍內以獲得最優性能等。而對于吊重達1 t以上的平衡吊,由于失衡力造成的影響非常明顯,采用原有的彈簧平衡法[3]和重錘平衡法[4]所能起到的作用十分有限。針對這一問題,本文對某型號1 t平衡吊進行數字化建模及動力學仿真[5-9],分析自重引起的失衡力大小及其影響因素,并提出結構改進方案。

1 平衡吊工作原理及隨遇平衡特性

平衡吊工作機構可簡化為一平面四桿機構,如圖1所示。4根桿由鉸鏈連接,水平滑塊和豎直升降件可分別在C處水平槽和A處豎直槽內滑動,以實現重物的移動和升降。

圖1 平衡吊工作機構結構簡圖

為實現隨遇平衡桿系需滿足桿長條件[10]為:

AD/AB=DF/DE=m

(1)

其中，m為平行四邊形放大系數。在不計桿件自重及桿件負載變形的基礎上,滿足(1)式的平衡吊均可保證隨遇平衡。在此,可將桿系視為特殊的杠桿機構,并有以下特性:① 當平移重物時,若在F點水平移動距離X,則C點將同向移動x=X/m的距離;② 若作用在F點的水平力為f,則在C點受力大小為f/m;③ 當豎直起吊重物時,若F點需豎直移動距離Y,A點只需移動y=Y/(m-1)即可;④ 若提升的重物重力為G,A點受力大小為(m-1)G。

根據經驗,m值取在5～10之間。當取值較大時,對于提高工作效率、減輕工作強度有較大幫助,但對各桿件的強度要求較高,因此多用于輕載平衡吊。本文所研究的1 t平衡吊,由于載重量較大,選取m=5以獲得較好的受力條件,減小桿件變形量。

2 平衡吊動力學仿真及失衡力分析

2.1 模型動力學仿真

為細致分析桿件自重對失衡力的影響,并提出有效的減少失衡力的改進方案,現以某型號1 t平衡吊結構為基礎,進行數字化建模分析。平衡吊結構布局及極限位置如圖2所示。

由以往經驗可知,當平衡吊處于4個極限位置時,失衡情況最為嚴重,因此按以上步驟分別建立位于下內、下外、上內狀態的模型。將其導入ADAMS軟件中,對各零件賦值[11]并在起重臂末端F處施加一速度為0.1 m/s水平驅動motion1,以模擬正常工作時水平移動的狀態,并對模型進行仿真運行。

對于仿真結果來說,失衡力是無法直接體現的,但可以通過測試motion1的驅動力M間接求得。由于未設置摩擦系數,motion1為實現勻速運動所施加的力全部用于克服失衡力,需要注意的是motion1處測得的力F為失衡力作用在點F處的效果,兩者間有一個放大倍數m的關系,即5F與失衡力等大反向。為敘述方便,下文出現的數值均為F點測得的數值。

圖2 1 t平衡吊結構布局

為探究移動速度與失衡力的關系,將下外模型的驅動速度分別設置為0.1、0.2 m/s進行仿真。仿真結果如圖3所示,模型起始位置依次為下內、下外和上內狀態。3個模型4次仿真所測得的失衡力數據見表1所列。

比較仿真1與仿真2曲線可知,平衡吊進行水平運行時,失衡力的大小與運動方向無關;比較仿真2與仿真3曲線可知,失衡力大小與運行速度無關;比較仿真1與仿真4曲線可知,平衡吊處于較低工作位置時失衡力更大。因此,下文均以平衡吊處于下內位置時的狀態為基準模型。

圖3 平衡吊極限位置失衡力變化

編號起始位置驅動速度/(m·s-1)仿真時間/s失衡力/N最大值最小值1下內0．119．6500．4865-1351．89672下外0．119．6500．0365-1358．16323下外0．29．8499．3749-1339．01754上內0．119．620．4834-653．7580

2.2 平衡吊失衡力分析

由于桿件自重是失衡力產生的直接原因,而由桿件自重引起的失衡力,其大小可通過理論力學推導得出[12]。

任意位置失衡力F大小的數學表達式為:

F=

其中,l為D、E兩點間距離;h為A、B兩點間距離;Gi(i=1,2,3,4)分別為DF桿、AD桿、BC桿、CE桿的重力;S1為DF桿上F點到其重心的距離;S2為AD桿上A點到其重心的距離;S3為BC桿上C點到其重心的距離;S4為CE桿上C點到其重心的距離;α為DF桿與水平方向夾角;β為AB桿與豎直方向夾角。

(2)式闡明了桿件重心在豎直方向的變化情況與失衡力大小存在相關關系。分析桿件重心位移可知其變化規律為先升高后下降。為實現降低失衡力的目的,提出如下改進方案:在不影響平衡吊正常工作的情況下,對其水平導軌進行適當變形,使其呈現兩端高、中間低的外形。

在進行試驗前,先對原模型進行力學分析,以得到結構優化的目標。運行仿真前需要為原模型銷軸與水平導軌間的滑移副賦予一摩擦系數,考慮到各運動副運動狀態及實際潤滑情況,此處取0.001 5較為合適。對模型進行仿真,測定銷軸與水平導軌間的摩擦力變化曲線,將曲線按照放大倍數m折算到起重臂末端F點,并將上文求得的失衡力絕對值放于同一圖像內加以比較,結果如圖4所示。其中,實線為失衡力變化趨勢;虛線為等效摩擦力變化趨勢,其變化較為平緩,位于下內位置時為198.576 4 N,移至下外位置時變為298.713 4 N。當失衡力大于摩擦力時會發生側滑情況,破壞隨遇平衡。因此,為保證隨遇平衡,通過改進應使失衡力降至摩擦力曲線以下。

圖4 失衡力與摩擦力的比較

3 平衡吊結構改進方案及效果驗證

對總長392 mm的水平導軌進行改進,以原導軌內側端點為坐標原點,導軌方向為x軸正方向,分別以(0,w)、(100,0)、(292,0)、(392,z)為坐標擬合出樣條曲線并依此對導軌進行外形改進,使其呈現兩端略高的形狀,再以w-z形式命名各模型。在保持其他條件不變的情況下對各模型進行模擬仿真。各模型測得的失衡力示意圖如圖5所示，從上至下6組模型依次為5-5、10-10、15-15、20-20、20-30、20-35。

通過6組模型測得的失衡力數值及變化情況見表2所列。

通過表2可以得出如下結論:① 由前4組模型數據可知，水平導軌結構的改進對失衡力有著較大影響,且變形幅度越大,降低失衡力的效果也越明顯;② 由20-20模型的數據可知位于下內位置時的失衡力已小于此位置的摩擦力,足以保證隨遇平衡;而由于平衡吊的失衡力變化特性,桿件運行至下外位置時失衡力仍較大;③ 由20-35模型的數據可知,通過進一步提高導軌外端高度,失衡力變化的2個峰值均已降低至等效摩擦力以下,即實現了運行過程全程的隨遇平衡。

圖5 各模型失衡力變化示意圖

表2 改進后6組模型失衡力變化情況

4 結 論

本文以1 t電動平衡吊結構設計為基礎,運用數字化建模及虛擬樣機仿真的方法,得到了失衡力變化曲線;提出了在不增加自重的前提下通過改進水平導軌外形以降低失衡力的方法。對改進方法的仿真分析和效果驗證可以證明,在電動平衡吊的設計過程中,該方法能夠有效地降低失衡力對隨遇平衡的不利影響,進而提高電動平衡吊工作效率及定位準確度,同時也為今后的平衡吊設計及改進工作提供一定的參考。

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Researchandsolutionsonout-of-balanceforceof1telectricbalancecranebasedonADAMSsoftware

ZHANG Yan, ZHANG Wenqiang

(School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The out-of-balance force caused by self-weight of bars has an enormous adverse effect on neutral balance of balance crane. In this paper, digital models were built based on the design parameters of 1 t electric balance crane. And ADAMS software was used to research the influencing factors and trends of the out-of-balance force. An improvement scheme of changing the shape of horizontal guide rail was proposed to reduce the out-of-balance force. Remarkable extreme position was chosen to set up a series of models to test the proposed measure. The results show that the out-of-balance force can be reduced to a reasonable scope by changing the shape of horizontal guide rail properly, and then the neutral balance of balance crane can be guaranteed.

balance crane; neutral balance; out-of-balance force; horizontal guide rail; extreme position

2016-03-31；

2016-05-23

國家科技支撐計劃資助項目(2012KJZC0789)

張 彥(1973-),女,山東臨清人,博士,合肥工業大學副教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.12.001

TH213.1

A

1003-5060(2017)12-1585-04

(責任編輯胡亞敏)