基于運動仿真的堆取料機副尾車受力分析

李建瑩

摘 要：堆取料機可俯仰式副尾車受力狀態復雜，無法快速確定結構上各個位置受力最大時的俯仰角度，且每個俯仰角度下各個位置受力情況的理論計算都很繁瑣。應用運動仿真可方便準確的獲得各個部件的受力過程，為強度校核提供依據。本文將演示如何基于NXSimcenter運動仿真模塊對副尾車進行動力學運動仿真。

關鍵詞：堆取料機;副尾車;運動仿真

散料堆取設備中經常使用帶有可俯仰副尾車的雙尾車（如圖1所示），以實現物料在同一條地面膠帶機上堆取和直通的功能。主尾車上安裝一條中繼膠帶機，副尾車通過液壓缸驅動進行俯仰運動。副尾車的俯仰使地面膠帶機可繞過或不繞過主尾車尾部改向滾筒，從而實現物料落在或不落在中繼膠帶機上。副尾車在俯仰過程中，隨著鋼結構和膠帶角度的變化，各個鉸軸、液壓缸及鋼結構的受力都在不斷變化，無法快速確定各個位置受力最大的俯仰角度，且每個俯仰角度下各個位置受力情況的理論計算都很繁瑣，這對設計者校核副尾車強度造成了很大不便。借助運動仿真軟件對副尾車進行動力學仿真可方便準確的獲得整個俯仰過程中，各個鉸軸、液壓缸及鋼結構的受力情況，作為強度校核的依據。本文將演示如何基于NXSimcenter運動仿真模塊通過動力學仿真的方式得出副尾車俯仰鉸軸、液壓缸等處的受力情況。

1.建立模型并定義運動體：

按照某一極限工況（本文中為堆料工況，既副尾車梁與水平面角度最大時）下各部件的坐標方位建立副尾車梁、活動梁、液壓缸、車輪的三維模型并賦予材料屬性。其中，在副尾車梁模型中繪制出副尾車滾筒膠帶外廓的圓1、主尾車下部滾筒膠帶外廓的圓2及兩圓的外公切線線3;過圓1的圓心繪制一條與副尾車上膠帶平行的線線2和一條與線3平行的線線4，這兩條線將在仿真過程中用來為膠帶張力確定方向。繪制一條與圓1相切并且過地面膠帶機與托輥相接觸點的線1，此線模擬地面膠帶機揚起部分。繪制線5以表示地面膠帶在托輥上的位置。為表示地面膠帶張力的方向，同樣要繪制一條過圓1的圓心且平行于線1的線6。各圓、線如圖2所示。將各部分三維模型裝配好后進入仿真模塊。如圖3所示。

將副尾車梁模型中所繪制的線3、線4定義為運動體“主副尾車間皮帶”，以模擬處于主、副尾車滾筒間地面膠帶的運動和確定這部分膠帶的張力方向。將線1和線6定義為“副尾車與地面間皮帶”，以模擬與主尾車滾筒脫離接觸后的地面膠帶的運動和確定此時膠帶張力的方向。因為需要得出副尾車梁上液壓缸支座根部受彎矩情況（由于液壓缸與支座間角度不斷變化，無法通過液壓缸受力情況推斷出此處所受彎矩何時為最大值），將活動梁定義為兩個運動體。一個定義為運動體“副尾車梁液壓缸支座”包含活動梁上液壓缸支座;一個定義為運動體“副尾車梁主體”包含活動梁主體及圓1和線2。然后通過在這兩個運動體間建立固定運動副的方式進行連接，這個固定運動副的受力狀態既反應了副尾車梁上液壓缸支座與副尾車梁主體間力的傳遞。將活動梁部分定義為運動體“活動梁”;將液壓缸缸體部分定義為運動體“液壓缸缸體”;將液壓缸缸桿部分定義為運動體“液壓缸缸桿”;將車輪定義為運動體“車輪”。各個由實體模型建立的運動體的質量屬性均設置為由軟件自動生成，表示膠帶的公切線的質量屬性根據各段膠帶重量手動輸入。二、建立運動關系：

在運動體“活動梁”上建立固定旋轉副，原點選為兩側俯仰鉸點中點處，方向為回轉鉸軸軸向;在運動體“活動梁”與“副尾車梁主體”間建立相對旋轉副，原點為兩活動梁副尾車梁連接鉸點中點處，方向為鉸軸

軸向;在運動體“活動梁”與“液壓缸缸體”間建立相對旋轉副，原點為鉸軸中點處;在運動體“副尾車梁主體”與“液壓缸缸桿”間建立相對旋轉副，原點為鉸軸中點處，方向為鉸軸軸向;在運動體“液壓缸缸體”與“液壓缸缸桿”間建立相對滑動副，原點為缸體鉸軸中點處，方向為液壓缸軸向;在運動體“車輪”與“副尾車梁主體”間建立相對旋轉副，原點為兩車輪回轉中心中點處，方向為車輪軸向;在運動體“副尾車梁液壓缸支座”與“副尾車梁主體”間建立相對固定副，原點可根據強度校核需要確定，本文中原點選在副尾車梁主體蓋板上表面與液壓缸支座蓋板4條交線的對稱中心處。在線3與線2間建立線在線上約束;在“主副尾車間皮帶”與“副尾車梁主體”間建相對旋轉運動副，原點為圓1的圓心處，方向為滾筒軸向。在線1與線5間建立點在線上約束，使線1的左側端點始終在線5上。在運動體“副尾車與地面間皮帶”與“副尾車梁主體”間建立相對旋轉運動副，原點為圓1的圓心處，方向為滾筒軸向。

2.施加驅動及載荷并解算：

在液壓缸滑動運動副上設置一恒速驅動。

由于我們研究的是副尾車平穩、勻速狀態下各點的受力狀態，無需考慮加速度的影響，所以滾筒、膠帶、托輥等容易獲得重量、重心的載荷在仿真模塊中以矢量力模擬，這樣可大大簡化模型，提高效率。

將膠帶張力以標量力的方式加載到運動體“副尾車梁主體”上。將副尾車梁上所承載的地面膠帶的張力F1以常量表達式的方式加載在“副尾車梁主體”上，作用點選擇圓1的圓心（本文中地面膠帶張力按300000kN施加），方向沿線2。膠帶在副尾車俯仰過程中會與主尾車上的改向滾筒接觸或脫離，地面膠帶張力在副尾車滾筒上作用方向的改變規律將在膠帶與主尾車上的改向滾筒接觸、脫開時發生改變。在地面膠帶與主尾車上的改向滾筒接觸期間，膠帶張力方向始終隨線4改變，當地面膠帶與主尾車上的改向滾筒不接觸期間，膠帶張力方向始終隨線6改變。地面膠帶何時與主尾車上的改向滾筒接觸可通過接觸與分開臨界位置時液壓缸伸出量與在驅動中所設置的速度得出（本文中實例臨界時間為380s）。為實現地面張力方向變化規律的轉換，我們將主尾車側地面膠帶張力分成兩個標量力施加，力的幅值以“曲線2D”的方式定義），幅值曲線通過“手工輸入”的方式輸入。以標量力F2模擬地面膠帶與主尾車上的改向滾筒接觸期間的地面膠帶張力，幅值曲線中380s以前的幅值為300000N，380s以后的幅值為0，作用方向沿線4。以標量力F3模擬地面膠帶與主尾車上的改向滾筒接觸期間的地面膠帶張力，幅值曲線中380s以前的幅值為0，380s以后的幅值為300000N，作用方向沿線6。

建立動力學解算方案并解算。解算方案中設置重力加速度的值和方向，開啟反作用力輸出。解算開始時間設置為0;解算結束時間不小于副尾車運動到另一極限工況所需的時間（運動到另一極限工況所需時間可通過副尾車兩極限工況間液壓缸行程和液壓缸滑動副驅動中所設置驅動速度計算得出）。

3.從仿真結果中得出各關鍵點受力狀態：

解算完成后，選擇任一運動體、運動副、約束均可在“XY結果視圖”中輸出相應的位移、速度、力等仿真結果（如圖4所示）。圖5為活動梁副尾車梁連接鉸軸的力幅值仿真結果，從圖中可以看出，活動梁副尾車梁連接鉸軸在副尾車尾車俯仰至角度最大時受力最大，兩側鉸軸共受力1040KN。圖6為運動體“副尾車梁液壓缸支座”與“副尾車梁主體”間所建立的相對固定副的繞Z軸彎矩仿真結果（坐標系參加圖3），此結果既是副尾車梁上液壓缸支座根部所傳遞的彎矩，液壓缸在副尾車俯仰至角度最大時彎矩最大，彎矩值1400KN*m。

總結：

借助運動仿真軟件對副尾車進行動力學仿真可方便準確的獲得整個俯仰過程中，各個鉸軸、液壓缸及鋼結構的受力情況，作為強度校核的依據，保證了設計的準確性。而且，設計者從各個運動副的“XY結果視圖”中可看出各個部件受力的變化趨勢，能夠更加準確的掌握整個副尾車的工作狀態。

參考文獻：

[1]北京兆迪科技有限公司.《UG NX 12.0運動仿真與分析教程》.北京：機械工業出版社，2018.12