基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷恼駝?dòng)分析

李佐偉，楊亞楠

(天津工業(yè)大學(xué) 天津市光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300000)

0 前言

打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)中大量應(yīng)用，可以提高工業(yè)生產(chǎn)的效率并保證生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的操作安全，大大加速了我國(guó)鋼管行業(yè)的發(fā)展。對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的研究是其設(shè)計(jì)以及優(yōu)化的重要內(nèi)容，若實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)備受到激振力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率較為接近時(shí)，設(shè)備就會(huì)產(chǎn)生共振，這會(huì)對(duì)打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器件的位置精度形成一定的誤差。本文在對(duì)打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛?cè)狁詈辖Ｒ约胺抡孢\(yùn)行的前提下，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)以及受迫振動(dòng)分析，測(cè)得其模態(tài)以及頻率響應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，為打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)[1]。

1 打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)主要由缸1、活塞桿2、支撐梁4、 鏈輪6 、支撐梁7等部件組成，如圖1所示。活塞桿2收縮帶動(dòng)連桿3向右擺動(dòng)，連桿3、5與支撐梁4共同組成平行四邊形機(jī)構(gòu)，隨著連桿3的擺動(dòng)，支撐梁向上升起，在鏈輪6的作用下帶動(dòng)支撐梁運(yùn)動(dòng)到指定位置[2]。

圖1 打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 振動(dòng)模型的建立

在Soildworks中完成打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的建模并導(dǎo)入到Adams中后，給各個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)添加運(yùn)動(dòng)副，模擬打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況，進(jìn)行打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的仿真運(yùn)行。而在Adams中所建立的模型各構(gòu)件均為剛性體，其在仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程中并不會(huì)產(chǎn)生彈性變形，但在打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行情況下，設(shè)備必然會(huì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生一定的變形，而且一些重要部件的變形會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)的整體精度產(chǎn)生不可忽略的影響，打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的支撐梁4是和傳動(dòng)連桿相連且與打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)末端位置直接相關(guān)的部件，支撐梁4在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)變形是需要著重分析的影響因素。所以在振動(dòng)分析前需要將支撐梁4建立為柔性體，Adams中柔性體的建立需要借助于有限元分析軟件Ansys來(lái)完成[3]。

2.1 剛?cè)峄旌夏Ｐ偷慕?/h3>

將Soildworks中的支撐梁4零部件導(dǎo)入到Ansys中，要分析支撐梁4的振動(dòng)變形，需要對(duì)其進(jìn)行柔性體建模。

(1)將Soidworks中的支撐梁4模型保存為.x_t格式的文件，打開(kāi)Ansys軟件，在工具欄中依次選擇file-import-para，成功導(dǎo)入支撐梁4模型，并將該模型改為實(shí)體模型。

(2)對(duì)導(dǎo)入的支撐梁4模型進(jìn)行單元類型定義、材料選擇以及網(wǎng)格劃分等操作。定義單元類型為Brick 8 node 185；按照45鋼的材料參數(shù)定義模型，彈性模量定義為202 GPa，泊松比為0.3，密度設(shè)置為7 860 kg/m3；劃分網(wǎng)格方式為自動(dòng)劃分，smart size設(shè)置為6。

(3)建立模型的剛性區(qū)域，在Preprocessor中選擇coupling ceqn-rigid region，再選擇interface node，選擇支撐梁4的底面上的點(diǎn)，使其作為與剛性部件的接觸面，并選擇附近的點(diǎn)進(jìn)行連接。輸出到Adams中生成MNF文件，在Adams中進(jìn)行以下操作：在支撐梁4處右擊選擇Make Mlexble-import-MNF File-Browse，選擇已生成的MNF文件，將原支撐梁4替換為柔性體文件，則得到了如圖2所示的打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)剛?cè)峄旌夏Ｐ蚚4]。

圖2 打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)剛?cè)峄旌夏?/p>

2.2 振動(dòng)模型的建立

利用Adams的Vibration模塊建立打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的振動(dòng)模型，Vibration模塊為Adams的嵌入式模塊，需要在Adams-tools-Plugin-manager中調(diào)用出該模塊進(jìn)行使用。需要為振動(dòng)模型建立輸入輸出通道。選擇vibration-build-input channel-new，選擇支撐梁4的質(zhì)心Marker點(diǎn)，在其y方向上添加幅值與相位角皆為0的頻域激振力，則輸入通道建立完畢。選擇vibration-build-output channel-new，分別在其x、y方向上建立支撐梁4位移的輸出通道[5]。

3 振動(dòng)分析

3.1 模態(tài)分析

在進(jìn)行受迫振動(dòng)分析之前，要先對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出機(jī)構(gòu)的各階固有頻率以及相應(yīng)主振型。在Adams的Vibration模塊中，分析其自由振動(dòng)，在建立好輸入輸出通道后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)分析，點(diǎn)擊vibration-Test-vibration analysis，選擇Assembly，分別選擇輸入通道為Input_Channel_1，輸出通道為Output_Channel_1、Output_Channel_2，再設(shè)置其振動(dòng)頻率為0.1-1000HZ，點(diǎn)擊OK。在Adams的后處理模塊Postprecessor中得到系統(tǒng)的模態(tài)分布，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的模態(tài)分布

在Admas后處理程序的追蹤功能得到機(jī)構(gòu)的固有頻率參數(shù)圖表，該系統(tǒng)共有18階振動(dòng)模態(tài)，由于振動(dòng)過(guò)程各個(gè)鉸鏈副存在一定的阻尼，所以振動(dòng)模態(tài)呈現(xiàn)的是復(fù)數(shù)狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的特征值與固有頻率

由圖中可以讀出各級(jí)固有頻率和相應(yīng)的阻尼比，以及各個(gè)特征根對(duì)應(yīng)的實(shí)部與虛部，1-2階模態(tài)為臨界阻尼狀態(tài)，3-16階為欠阻尼狀態(tài)。其中實(shí)部表示打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程的穩(wěn)定性，當(dāng)實(shí)部為正值時(shí)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)實(shí)部為負(fù)值時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)是不穩(wěn)定的，由以上分析以及圖4中信息可知，系統(tǒng)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)[6]。

3.2 受迫振動(dòng)分析

3.2.1 振動(dòng)微分方程及其解

自由振動(dòng)是一個(gè)理想狀態(tài)，實(shí)際中由于阻尼的存在，自由振動(dòng)會(huì)不斷地減弱到不再振動(dòng)，但打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中必然存在著不同的激勵(lì)信號(hào)，使得系統(tǒng)持續(xù)的振動(dòng)即受迫振動(dòng)。此時(shí)可以為機(jī)構(gòu)的振動(dòng)系統(tǒng)添加一個(gè)激勵(lì)信號(hào)Fs=F0sinωt，其中，F(xiàn)0為激振力的負(fù)值；ω為激振力的頻率，此信號(hào)用來(lái)模擬工況下系統(tǒng)的實(shí)際振動(dòng)情況，并計(jì)算系統(tǒng)頻率對(duì)于振幅和相位的響應(yīng)。由激振力信號(hào)可知物體的運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

式中，m為系統(tǒng)質(zhì)量，kg；c為阻尼系數(shù)，N·s/m；K為剛度系數(shù)，N/m。

將激勵(lì)函數(shù)用復(fù)指數(shù)法求解，將F0sinωt替換為復(fù)指數(shù)函數(shù)F0ejωt，則式(1)可以改寫為 (2)

則復(fù)頻率響應(yīng)函數(shù)H(ω)可寫為

(3)

由式(3)可知，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)的響應(yīng)函數(shù)僅與固有頻率、阻尼、質(zhì)量有關(guān)，初始條件不影響系統(tǒng)的振動(dòng)特性，為進(jìn)一步研究系統(tǒng)的振動(dòng)提供了理論依據(jù)，即按照系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況，為其添加具有一定大小和振動(dòng)頻率的激振力，觀察其幅值以及相位的動(dòng)態(tài)特性[7,8]。

3.2.2 模態(tài)參與因子分析

系統(tǒng)在x、y方向上都會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)，但其在y方向上的振動(dòng)對(duì)機(jī)構(gòu)的影響更大，而且不同的系統(tǒng)模態(tài)對(duì)于系統(tǒng)振動(dòng)的影響也不同，模態(tài)參與因子定量地反應(yīng)了不同的固有頻率對(duì)于系統(tǒng)振動(dòng)的影響程度。圖5為不同的模態(tài)在系統(tǒng)y方向輸出通道的參與因子圖，由圖中可以看出第4階模態(tài)的參與因子最大，其值為0.0026，即對(duì)系統(tǒng)y方向的振動(dòng)輸出影響最大。在圖4可知系統(tǒng)第4階模態(tài)的固有頻率為29.18 Hz，因此為減小系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的共振，在對(duì)打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮避開(kāi)系統(tǒng)29.18 Hz頻率。

3.2.3 頻率響應(yīng)分析

在支撐梁4上添加y方向上的激振力信號(hào)：Fs=1000 sinωt，選取ω為0.1～1000，圖6、圖7分別為支撐梁4在x、y方向上的頻率響應(yīng)幅值和頻率響應(yīng)相位。系統(tǒng)的頻率響應(yīng)幅值在x、y兩方向上有著不同的變化。y方向的響應(yīng)幅值在0～20 Hz之間幅值變化幅度較小，運(yùn)行比較平穩(wěn)，在28～30 Hz之間幅值趨于0，之后隨著幅值隨著頻率的增大而逐漸增大。x方向的幅值響應(yīng)與y方向的幅值響應(yīng)基本相同，但在1.5～2.5 Hz之間有一定地突變，產(chǎn)生了較大的幅值，隨后與y方向的幅值變化趨勢(shì)基本一致。由以上分析可得，根據(jù)x、y方向上的幅值變化，為使系統(tǒng)的運(yùn)行更為平穩(wěn)，打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)頻率應(yīng)保持在0～30 Hz之間，但應(yīng)避開(kāi)1.5～2.5 Hz這個(gè)范圍。

x、y方向上的頻率響應(yīng)相位變化基本保持一致，在0～30 Hz之間，兩方向的相位變化和0持平；在30～1000 Hz之間相位增加到-179，隨后波動(dòng)較小。但x方向頻率在1.7～2.2 Hz之間突變到179。由分析可知，為使系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)改進(jìn)打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)固有頻率在0～30 Hz之間，但應(yīng)避開(kāi)頻率出現(xiàn)在1.7～2.2 Hz這個(gè)范圍內(nèi)。

圖5 模態(tài)參與因子圖

圖6 支撐梁4在x和y方向頻率響應(yīng)幅值

圖7 支撐梁4在x和y方向頻率響應(yīng)相位

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在虛擬樣機(jī)分析軟件Adams的嵌入式模塊Vibration中進(jìn)行了打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的振動(dòng)分析，首先利用有限元分析軟件Ansys進(jìn)行了支撐梁柔性體的建立，并和Adams聯(lián)合建立了打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的剛?cè)峄旌夏Ｐ停瑢?duì)其進(jìn)行了自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)分析，得到系統(tǒng)固有頻率、系統(tǒng)模態(tài)參與因子以及頻率響應(yīng)相位和幅值等圖像。然后，由分析得出，在系統(tǒng)的18階模態(tài)中第4階模態(tài)對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)的影響最大，應(yīng)考慮避開(kāi)系統(tǒng)29.18 Hz這個(gè)頻率。最后在系統(tǒng)的頻率響應(yīng)相位和響應(yīng)幅值圖像中可以總結(jié)出，除了有個(gè)別突變現(xiàn)象外，系統(tǒng)的振動(dòng)頻率在0-30 Hz之間時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行較為平穩(wěn)。這些數(shù)據(jù)為打包機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論參考。

參考文獻(xiàn):

[1] 肖艷軍,于大海,張曉光,等. 基于ADAMS的排土機(jī)底盤振動(dòng)分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J]. 礦山機(jī)械,2013,41(08):42-45.

[2] 宋新環(huán),張玉華,任星,等.鋼管打包機(jī)移料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析[J].重型機(jī)械,2016,(03):71-74.

[3] 武利霞. 新型二沖程微型擺式內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)特性分析與仿真[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),2007.

[4] 劉繼忠,祝順風(fēng),葉艷輝. 基于ADAMS的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的振動(dòng)分析[J]. 電焊機(jī),2015,45(07):9-12.

[5] 鄭帥,柴曉艷,劉錫軍,等. 基于ADAMS/Vibration的鋼管自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)的振動(dòng)分析[J]. 重型機(jī)械,2016(01):65-69.

[6] 張玉寶,毛海東. 基于ADAMS/Vibration的立式輥磨機(jī)粉磨裝置的振動(dòng)分析[J]. 煤礦機(jī)械,2017,38(04):37-40.

[7] 賈啟芬,劉習(xí)軍. 機(jī)械結(jié)構(gòu)與振動(dòng)[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，2007：21-27.

[8] 趙武云，史增錄，戴飛，等.ADAMS2013基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2015.