煤炭平整機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)載荷分析

梁光明，張衍卿，王虎奇，溫 芳

（1.廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.廣西科技大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣西 柳州 545616；3.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

通過(guò)三維軟件和運(yùn)動(dòng)仿真軟件建立虛擬樣機(jī)模型，再對(duì)模型進(jìn)行研究和仿真，可有效避免生產(chǎn)實(shí)物樣機(jī)設(shè)計(jì)保守和成本較高等問(wèn)題，且能夠更加方便快捷地探究各機(jī)構(gòu)工作的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)而能夠減少生產(chǎn)時(shí)間和物料成本、改善生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。煤炭平整機(jī)作為一種新興機(jī)械設(shè)備，正被廣泛應(yīng)用于貨運(yùn)火車(chē)各類(lèi)松散物料的平整。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是煤炭平整機(jī)的最關(guān)鍵受力部分，其承載能力的大小對(duì)煤炭平整機(jī)的工作效率有著十分重大的影響，同時(shí)決定著煤炭平整機(jī)的可靠性[1]。筆者使用軟件建立虛擬樣機(jī)并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作業(yè)范圍包絡(luò)圖和執(zhí)行機(jī)構(gòu)與連接動(dòng)臂3 個(gè)關(guān)鍵鉸點(diǎn)的載荷情況，仿真的結(jié)果可對(duì)后期的有限元分析和實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 煤炭平整機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三維建模

煤炭平整機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由連接裝置、伸縮橫臂裝置、伸縮縱臂裝置、耙體裝置、三個(gè)液壓油缸等組成。建立的煤炭平整機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三維模型如圖1 和圖2 所示，液壓油缸的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 液壓缸參數(shù)表

圖1 煤炭平整機(jī)整體簡(jiǎn)化三維模型

圖2 煤炭平整機(jī)整體簡(jiǎn)化模型剖面圖

2 煤炭平整機(jī)ADAMS 模型的前處理

將建立好的三維模型導(dǎo)入ADAMS 動(dòng)力學(xué)仿真軟件后，首先將各部分的顏色與名稱(chēng)進(jìn)行修改。之后對(duì)模型進(jìn)行單位調(diào)整、重力方向的設(shè)定以及各個(gè)部分材料的選擇。仿真單位設(shè)置為MMKS（mm、kg、s），重力方向沿-Y軸（豎直向下），最后設(shè)置煤炭平整機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要材料為Q345 鋼。圖3 所示的執(zhí)行機(jī)構(gòu)初始狀態(tài)即為本煤炭平整機(jī)導(dǎo)入并完成前處理的虛擬樣機(jī)模型。

圖3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)初始狀態(tài)

煤炭平整機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)所涉及的運(yùn)動(dòng)為平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故在軟件中可選擇的約束副有：移動(dòng)副、旋轉(zhuǎn)副、固定副。本研究所作的約束副選擇見(jiàn)表2。

表2 模型約束表

執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整的動(dòng)力來(lái)源于三個(gè)液壓桿的平移運(yùn)動(dòng)，故在Adams 中選擇平移驅(qū)動(dòng)定義在三個(gè)平移副上，最后用Adams 自帶的模型檢驗(yàn)工具進(jìn)行檢驗(yàn)，得到此模型有3 個(gè)自由度且沒(méi)有冗余自由度，故運(yùn)動(dòng)副選取合適。

3 煤炭平整機(jī)ADAMS 模型的仿真

為確保仿真的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，在ADAMS 軟件中建立三個(gè)連接驅(qū)動(dòng)的step 函數(shù)作為運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的驅(qū)動(dòng)函數(shù)[2]，仿真此煤炭平整機(jī)由初始狀態(tài)調(diào)整為最大工作范圍后收回的全過(guò)程。所定義的函數(shù)為：

（1）橫臂液壓桿的step 函數(shù)及位移（圖4）：

圖4 基于step 函數(shù)的橫臂液壓桿的x 方向位移

（2）縱臂液壓桿的step 函數(shù)及位移（圖5）：

圖5 基于step 函數(shù)的縱臂液壓桿的y 方向位移

（3）耙體液壓桿的step 函數(shù)及位移（圖6）：

圖6 基于step 函數(shù)的耙體液壓桿的位移幅值

通過(guò)上述仿真過(guò)程，可以對(duì)應(yīng)出任意時(shí)間耙體伸縮位置與液壓油缸伸長(zhǎng)量和之間的關(guān)系，同時(shí)可以畫(huà)出本執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作范圍包絡(luò)圖。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)初始狀態(tài)下，將耙體液壓桿達(dá)到最大行程，耙體液壓缸推動(dòng)耙體旋轉(zhuǎn)，可以確定本裝置的最小工作范圍；在執(zhí)行機(jī)構(gòu)初始狀態(tài)下，先依次將橫臂液壓桿和縱臂液壓桿達(dá)到最大行程，再將耙體液壓桿達(dá)到最大行程，即可得到本裝置的最大工作范圍。在耙體的左右兩端分別設(shè)置—mark 點(diǎn)標(biāo)記，在ADAMS 2017 中完整模擬本過(guò)程，即可得到煤炭平整機(jī)工作范圍包絡(luò)圖（圖7）[3]。

圖7 煤炭平整機(jī)工作范圍包絡(luò)圖

圖7 的兩圓形區(qū)域即為本裝置的最小工作范圍和最大工作范圍，連接兩圓形區(qū)域組成的斜圓柱體，即為本裝置的全部工作范圍。當(dāng)橫臂液壓桿和縱臂液壓桿均達(dá)到最大行程時(shí)，伸縮橫臂裝置和伸縮縱臂裝置均到達(dá)最大伸長(zhǎng)量，此時(shí)連接裝置所受扭矩最大，為煤炭平整機(jī)裝置整體的最危險(xiǎn)狀態(tài)。選取最危險(xiǎn)物料進(jìn)行具體分析，即可得到關(guān)鍵點(diǎn)所受的最大載荷，可為后期的分析設(shè)計(jì)提供參考。

4 耙體對(duì)連接裝置載荷的計(jì)算

煤炭平整機(jī)的連接裝置通過(guò)如圖8 所示的A、B、C 三個(gè)鉸接點(diǎn)與裝載機(jī)動(dòng)臂鉸接，連接裝置通過(guò)伸縮橫臂裝置和伸縮縱臂裝置與耙體間接連接，連接裝置對(duì)耙體裝置產(chǎn)生的支撐力的反力即為耙體裝置受力后作用于連接裝置A、B、C 鉸點(diǎn)的載荷。A、B、C 鉸點(diǎn)的載荷大小主要取決于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作業(yè)姿態(tài)、物料所產(chǎn)生的作業(yè)載荷，在求解執(zhí)行機(jī)構(gòu)載荷的過(guò)程中，關(guān)鍵是要計(jì)算出A、B、C 鉸點(diǎn)的載荷值[4]。

圖8 A、B、C 鉸點(diǎn)示意圖

耙體平推阻力F 主要是由物料與耙體正面接觸、耙體與物料之間的摩擦力組成。其大小與物料的密度、產(chǎn)生阻力物料的有效體積、刮板插入物料的最大深度、產(chǎn)生阻力的物料長(zhǎng)度、物料摩擦因數(shù)等有關(guān)。整個(gè)煤炭平整機(jī)裝置的工作過(guò)程為預(yù)設(shè)好伸縮長(zhǎng)度后，進(jìn)行緩慢而勻速地平推前行運(yùn)動(dòng)，因此阻力F的求解可視為平衡狀態(tài)求解，可由如下的經(jīng)驗(yàn)算式[5]計(jì)算得阻力F為16800 N：

式中：ρ為平整物料的密度，此處取最危險(xiǎn)物料，ρ＝2500 kg/m3；V為產(chǎn)生阻力的物料的有效體積；g為重力加速度，取10 m/s2；H為刮板插入物料的最大深度，取H＝0.35m；L為產(chǎn)生阻力的物料長(zhǎng)度，取前進(jìn)方向1 m；W為刮板的寬度，W＝2.4 m；f為物料的摩擦因數(shù)，取f＝0.8。

4.1 調(diào)整各節(jié)臂長(zhǎng)度的IF 函數(shù)

step 函數(shù)所擬合出的運(yùn)動(dòng)存在加速度，會(huì)對(duì)平衡狀態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真產(chǎn)生干擾，而本煤炭平整機(jī)的作業(yè)方式是緩慢而勻速地平推前行運(yùn)動(dòng)，因此選用IF 函數(shù)模擬兩節(jié)臂分別勻速交錯(cuò)伸縮的過(guò)程，分別尋找三個(gè)鉸點(diǎn)的最大載荷，IF 函數(shù)預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及所定義的函數(shù)（表3）[6]：

表3 IF 函數(shù)預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

（1）橫臂液壓桿的IF 函數(shù)及運(yùn)動(dòng)圖像（圖9）。

圖9 基于if 函數(shù)的橫臂液壓桿的x 方向位移

（2）縱臂液壓桿的IF 函數(shù)及運(yùn)動(dòng)圖像如圖10：

圖10 基于if 函數(shù)的縱臂液壓桿的y 方向位移

4.2 各鉸點(diǎn)的載荷

在ADAMS 虛擬樣機(jī)模型中，為方便模擬各鉸點(diǎn)的最大載荷，先將耙體裝置調(diào)整至與整個(gè)煤炭平整機(jī)裝置平行，如圖11 所示。

圖11 調(diào)整后煤炭平整機(jī)虛擬樣機(jī)模型

對(duì)耙體質(zhì)心施加16800 N 的恒定力，得到靜態(tài)載荷仿真結(jié)果，如圖12 所示。圖中橫坐標(biāo)為仿真時(shí)間，縱坐標(biāo)為各鉸點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間所受到的靜態(tài)載荷的大小，力的大小變化隨各節(jié)臂的伸縮長(zhǎng)短不同表現(xiàn)為線型，3 個(gè)鉸點(diǎn)所受載荷分別采用3 種線型表示。

圖12 A、B、C 鉸點(diǎn)載荷曲線

圖12 的各鉸點(diǎn)載荷變化均為線性，這是IF 函數(shù)設(shè)置勻速運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，各鉸點(diǎn)載荷最大值及對(duì)應(yīng)狀態(tài)見(jiàn)表4。

表4 鉸點(diǎn)所受載荷最大值及對(duì)應(yīng)狀態(tài)

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ADAMS 軟件提供的運(yùn)動(dòng)仿真功能，利用step 函數(shù)和if 函數(shù)分別對(duì)煤炭平整機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作范圍、連接裝置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的載荷傳遞進(jìn)行了計(jì)算，為煤炭平整機(jī)連接裝置的后期有限元分析提供了必要的載荷數(shù)據(jù)，求解方便、快速。

利用有限元分析軟件如ANSYS WORKBENCH，也能計(jì)算執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個(gè)鉸點(diǎn)載荷，但需要進(jìn)行包含繪制網(wǎng)格在內(nèi)的更加復(fù)雜的前處理過(guò)程[7]；而利用ADAMS 軟件能夠求解連接裝置三個(gè)鉸點(diǎn)的載荷，但不能對(duì)連接裝置進(jìn)行有限元分析，兩者各有優(yōu)劣，相輔相成，工程師可根據(jù)各自實(shí)際需要選用。