基于虛擬樣機的液壓重載快速等分轉筒設計

朱小明，徐攀，楊麗紅

(1.上海豪高機電科技有限公司，上海 201614；2.上海理工大學機械工程學院，上海 200093)

0 前言

為減少在產品研發過程消耗不必要的時間精力，可借助現代輔助設計技術——虛擬樣機技術。虛擬樣機技術能更好地適應開發設計流程，極大減小產品研發周期，降低產品生產周期，減少不必要的損失，可迅速地適應市場需求[1]。

現代機械工程設備中，特別是需要自動化和半自動化的設備中，由于工藝或生產的要求，往往需要機構來實現周期性的轉位、分度動作以及帶有瞬時停歇或停歇區的間歇性運動[2-3]。隨著負載的增大，同時為滿足功能要求，對重載的快速轉位、分度動作顯得更為重要。而液壓重載快速等分轉筒能實現轉位、分度動作的技術要求。

本文作者主要研究特種設備液壓重載快速等分轉筒的機械結構設計及液壓驅動系統設計，初步實現液壓重載快速等分轉筒的功能要求，并對其液壓系統進行研究和設計,為下一步物理樣機的探索研究提供參考。

1 液壓重載快速等分轉筒設計

1.1 基于系統化設計法的方案設計

系統化設計方法是基于系統工程的設計方法。工程設計的內容是復雜的，如果僅對問題的一個方面進行分析，那么結論通常是單方面且有限的。系統工程方法關注研究對象內部和外部環境之間的有機聯系，將研究對象及所受影響統一成整個系統，是一種更加全面的研究問題的方法[4]。將液壓重載快速等分轉筒看成一個系統，利用系統化設計法的整體性和可分解性特征進行研究，可以更加全面地分析液壓重載快速等分轉筒。

通過分析液壓重載快速等分轉筒的功能要求，進一步明確了系統功能，獲得了系統功能分解圖，如圖1所示。

圖1 系統功能分解

1.2 液壓重載快速等分轉筒技術指標

為滿足液壓重載快速等分轉筒總體功能要求，液壓重載快速等分轉筒由整體結構(主要針對零部件)及提供動力的液壓驅動系統構成。

其技術指標如下：

(1)液壓重載快速等分轉筒在推出負載物時，每轉過一個角度(60°)，需用時2～6 s，轉角精度為 ±0.1°；

(2)液壓重載快速等分轉筒的圓周方向均布掛載6個負載物，每個負載物質量約2 t；

(3)液壓重載快速等分轉筒圓周方向掛載的負載，要求在360°內連續轉動，在最下方位置推出；

(4)液壓重載快速等分轉筒的轉筒外輪廓尺寸，橫截面寬度不超過2 000 mm、長度不超過2 000 mm；

(5)液壓重載快速等分轉筒的材料性能要符合剛度、強度的要求。

鑒于以上技術指標，采用槽輪機構驅動等分轉筒實現等分要求，利用液壓系統驅動槽輪機構運動，采用液壓缸實現定位功能并用液壓盤剎實現配合制動。文中初步將液壓重載快速等分轉筒機械系統劃分為五大功能部分：本體機構、槽輪分度機構、減速機構、定位機構和制動機構，如圖2所示。

圖2 液壓重載快速等分轉筒機械系統組成

液壓重載快速等分轉筒的本體機構起支撐固定其他部件的作用，保證整體結構安全可靠，采用支座結構，既能滿足強度和剛度的要求，又能牢靠地固定于實驗平臺上。減速機構采用齒輪傳動的方式，實現液壓馬達與槽輪機構之間的減速傳動。槽輪機構作為六等分動作的執行機構，保證等分動作的準確性。文中采用槽輪分度機構，其結構比其他分度機構可靠，但存在誤差需要補償。定位機構的作用是補償槽輪分度機構存在的誤差，實現準確機械定位。制動機構的作用主要實現對等分轉筒的制動，控制其偏載。液壓重載快速等分轉筒整體結構如圖3所示。

圖3 液壓重載快速等分轉筒整體結構示意

液壓重載快速等分轉筒詳細動作如下：

(1)轉筒由相配合的槽輪機構驅動，實現轉動動作，等分轉筒依次等分運動至最下方位置，推出負載物，從而實現整個運動動作；

(2)液壓馬達轉動速度較快，無法與槽輪分度機構相連接，因此需要減速機構來實現動力傳遞，使傳動更加平穩可靠；

(3)實現等分動作的槽輪機構，其分度存在誤差，無法滿足工作要求，需要使用液壓缸推動定位裝置實現精確定位，以滿足要求；

(4)液壓重載快速等分轉筒質量及體積較大，因此轉動慣量較大，僅僅依靠槽輪分度機構難以實現定位，為了在接近位置進行定位，采用液壓盤剎裝置進行制動。

1.3 關鍵機構的設計計算

槽輪分度機構具有機械構造簡單、分度準確、運動平穩、機械效率優良等特點[5]，其最主要的兩個優點是：靜止時間與轉位時間之比為定值；槽輪轉過的角度為固定值。采用槽輪機構實現液壓重載快速等分轉筒的六等分要求。槽輪機構安裝在轉筒內部，槽輪及槽輪盤上有6個槽，對應著等分轉筒的6個工位，每個槽都是一個等分位置，撥盤上有一個圓銷，則槽輪機構的運動系數τ=1/3、靜止系數g=2/3，即槽輪的靜止時間大于運動時間。

槽輪軸上等效轉動慣量Jmax=2 384.3 kg·m2、6轉位工位、中心距最大為320 mm、工位靜止時間td=2 s，則槽輪機構各部分尺寸計算公式[6]如下：

R1=Csinβ

(1)

式中：R1為圓銷中心軌跡半徑，mm；C為中心距，mm；β為槽輪運動角，(°)。

RT為撥盤上圓銷半徑，單位為mm，公式為

RT=R1/3

(2)

R2為槽輪外徑，單位為mm，公式為

(3)

h=R1+R2-C+RT+δ

(4)

式中：h為槽輪深度，mm；δ為銷與槽底間隙，mm。

d1為撥盤回轉軸直徑，單位為mm，公式為

d1<2(C-R2)

(5)

γ=2π-2α

(6)

式中：γ為撥盤上鎖止弧所對中心角，(°)；α為撥盤運動角，(°)。

R0=R1-b-RT

(7)

式中:R0為鎖止弧半徑，mm；b為槽齒寬，mm。

(8)

式中:θmax為槽輪最大角速度所在位置，(°)；λ為圓銷中心軌跡半徑與中心距的比。

(9)

式中：M1max為撥盤軸上最大扭矩，kN·m；Jv為槽輪軸上等效轉動慣量，kg·m2。

將參數代入以上計算公式，可得到槽輪及撥盤結構分別如圖4、圖5所示。

圖4 槽輪

圖5 撥盤

槽輪安裝于等分轉筒上，撥盤經支撐板與槽輪相配合運動，傳遞的動力經齒輪減速機構傳遞至撥盤，撥盤帶動與之配合的槽輪盤轉動，從而帶動等分轉筒轉動。

1.4 ADAMS動力學仿真

液壓重載快速等分轉筒的三維模型建立后，為驗證所設計的結構是否滿足功能要求，利用ADAMS軟件，對液壓重載快速等分轉筒進行動力學仿真。將建立的SolidWorks模型另存為格式為parasolid(*.x_t)的文件，導入到ADAMS后[7-9]可創建液壓重載快速等分轉筒的機械結構虛擬樣機。

建立ADAMS虛擬樣機之前，首先要對ADAMS軟件環境進行設置。在設置完坐標系、單位、重力加速度后，即可進入對導入模型進行約束添加、驅動和作用力的環節。在模型上設置了以上約束后，為使系統運動，必須在相關的構件上添加驅動、載荷和外負載。

液壓重載快速等分轉筒虛擬模型上的驅動有兩種：一種是驅動槽輪機構的撥盤旋轉驅動；另一種是推出轉筒中負載的驅動。同時，為減少仿真運算時間，只保留關鍵部件進行仿真。仿真模型如圖6所示。

圖6 動力學仿真模型

通過仿真可以得到液壓重載快速等分轉筒6個行程(行程一為初始為6個負載時的第1個60°轉角，行程二為初始為5個負載時的第2個60°轉角，行程三為初始為4個負載時的第3個60°轉角，行程四為初始為3個負載時的第4個60°轉角，行程五為初始為2個負載時的第5個60°轉角，行程六為初始為1個負載時的第6個60°轉角；所有行程均先推出再轉動)下的負載驅動力矩曲線。通過分析，液壓重載快速等分轉筒在行程三時處在最大的不平衡狀態，此時的負載驅動扭矩最大，所以選取行程三的驅動扭矩作為液壓系統的設計參數,其負載驅動力矩曲線如圖7所示。

圖7 行程三的負載驅動扭矩

圖8所示為轉筒轉過角度的變化曲線，在第4.05 s轉筒開始轉動，第6.75 s轉過60.07°，之后4 s內轉筒位置保持不轉動，在4 s內轉筒內的負載運動出去，以此類推，直至推出最后一個負載，符合在2～6 s內快速轉動60°的要求。通過轉筒轉過角度的變化曲線，可得到各行程轉過角度、轉角時間及角度誤差。經過分析，各行程的角度誤差分別是0.07°、0.05°、0.18°、0.10°、0.09°及0.08°。行程三的角度誤差為0.18°，不符合±0.1°的精度要求，而轉角所用時間符合技術要求。

圖8 轉筒轉角

由于軟件運行環境的穩定性及導入的模型可能存在偏差，仿真結果結果會存在一定誤差，導致數據突變，但基本符合運動要求。

2 液壓重載快速等分轉筒的液壓系統

2.1 液壓系統的設計

基于對液壓系統基本回路的分析與研究，結合實際工況所需，采用適當的簡化，可構成該液壓重載快速等分轉筒液壓系統的基本回路，即泵控液壓馬達液壓系統原理圖,如圖9所示。

圖9 泵控馬達系統原理

泵控液壓馬達由變量泵和定量馬達組成，可通過改變變量泵的排量對馬達進行控制。根據馬達負載需要的流量調節變量泵，能減小功率損失，最大效率可達90%[10]。

在泵控馬達系統中，一般采用恒定轉速的變量泵[11]，而馬達采用定量馬達，通過伺服閥控制的液壓缸來控制變量泵的變量機構，實現對液壓馬達速度和旋轉方向的控制。為補償泵和馬達的泄漏，并保證低壓管道有一定的壓力，以防止出現氣穴和空氣滲入系統并幫助系統散熱，在泵控系統中設置了補油系統[12]。補油系統為小流量恒壓油源，也可為變量機構供油。系統正常運行時，一條管線的壓力等于補油壓力，另一條管線的壓力由負載決定。為保護液壓元件不受壓力沖擊的損壞，必須在兩條管道之間對稱地橋接兩個高響應安全閥，它們的規格應允許在系統過載時將多余的流量從高壓管道注入低壓管道，防止氣蝕和系統的反向沖擊。

2.2 液壓系統仿真模型的建立

1995年，IMAGINE公司推出了用于多學科領域復雜系統的建模仿真軟件AMESim[13]，它為工程系統的項目設計、應用工程及后期的仿真分析提供了強大的平臺。使用者可以從復雜的數學建模中解放出來，從而關注所設計的實際物理系統，提高了設計效率。

本文作者利用AMESim軟件對液壓重載快速等分轉筒的液壓系統進行仿真建模，仿真過程分為4個步驟：草圖、子模型、參數設置模型和仿真[14]。在AMESim的草圖模式下，按照所設計的液壓系統原理，從標準液壓庫(HYD)及液壓元件設計庫(HCD)選取需要的液壓元件，進而建立如圖10所示的仿真模型。按照原理要求，選取子模型進行編譯。

圖10 泵控液壓馬達AMESim仿真模型

3 仿真結果分析

利用AMESim軟件對液壓重載快速等分轉筒進行仿真分析，得到負載變化時的馬達轉速、馬達壓力、液壓泵排量的變化曲線分別如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 馬達轉速變化曲線

圖12 馬達壓力響應曲線

圖13 泵排量變化曲線

根據得到的負載扭矩變化曲線(見圖7)，在t=16.94 s時，負載扭矩增大至113 461.5 N·m，馬達壓力也隨之變化，增大至39.23 MPa(見圖12)，并隨著負載扭矩的波動，發生相應變化。由于存在負載扭矩的波動干擾，馬達轉速也出現波動，由16 r/min躍至31 r/min(見圖11)。未出現因負載扭矩的突然增大，導致馬達轉速降低的情況，證明了泵控馬達液壓系統可以補償因負載增大而導致的馬達轉速減小，與之相對應的泵排量也發生擾動。

4 結語

在明確設計任務的基礎上，提出液壓重載快速等分轉筒總體功能要求，明確了結構簡化、確保尺寸小、質量輕、滿足運輸等要求?；谏鲜鲆?，利用SolidWorks對液壓重載快速等分轉筒主要結構進行設計，完成了本體機構、分度機構、減速機構、定位機構、制動機構的設計。

分析了負載變化對液壓馬達轉速、壓力響應、泵排量的影響。仿真結果表明：負載變化時，馬達轉速及泵排量隨負載變化，該液壓系統會補償因負載增大而導致的馬達轉速減小、泵排量下降的問題，驗證了所設計的液壓系統能夠滿足功能要求。