石登仁 尹忠俊 董 然 盧臣智

(北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 北京100083)

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虛擬樣機(jī)技術(shù)在大型液壓泥炮研發(fā)過程中的應(yīng)用

石登仁①尹忠俊 董 然 盧臣智

(北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 北京100083)

借助虛擬樣機(jī)技術(shù)，運(yùn)用Solidworks建立了新型液壓泥炮的虛擬樣機(jī)模型，并將模型導(dǎo)入ADAMS軟件對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真分析，研究了關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡及其速度變化，分析了主要零部件鉸接點(diǎn)的受力大小和變化趨勢。通過樣機(jī)建模與仿真分析，為大型液壓泥炮的合理設(shè)計(jì)和使用提供了可靠的依據(jù)，同時(shí)也縮短了開發(fā)周期，降低成本。

液壓泥炮 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 動(dòng)態(tài)仿真 動(dòng)力學(xué)分析 虛擬樣機(jī)

1 引言

虛擬樣機(jī)技術(shù)是二十世紀(jì)八十年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)。設(shè)計(jì)者可以在計(jì)算機(jī)上利用輔助工具建立各種設(shè)備的三維樣機(jī)模型，根據(jù)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品工作環(huán)境和力能要求對模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析，改進(jìn)樣機(jī)設(shè)計(jì)方案，用完全數(shù)字化形式的樣機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析，可以簡化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期和提高產(chǎn)品的質(zhì)量與性能。

隨著國家節(jié)能減排的穩(wěn)步推進(jìn)，高爐向大型化發(fā)展，對高爐爐前設(shè)備提出了更高的要求。北京科技大學(xué)將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入到大型液壓泥炮和開口機(jī)的研發(fā)過程中，建立泥炮和開口機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，評(píng)估設(shè)備的性能指標(biāo)，不斷完善產(chǎn)品。

2 機(jī)構(gòu)組成及工作原理

研發(fā)的新型泥炮是由打泥機(jī)構(gòu)、吊掛機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、調(diào)整機(jī)構(gòu)、斜底座、潤滑及液壓和電氣控制系統(tǒng)組成。根據(jù)泥炮各零部件的實(shí)際尺寸以1∶1的比例運(yùn)用三維建模軟件SolidWorks建立主要零部件實(shí)體模型并進(jìn)行裝配，裝配體如圖1所示。工作時(shí)只需控制回轉(zhuǎn)和打泥兩個(gè)動(dòng)作，傾斜對口及鎖緊的功能由機(jī)構(gòu)自動(dòng)完成[1]。回轉(zhuǎn)油缸在轉(zhuǎn)臂之外，安裝和維修都十分方便；矮轉(zhuǎn)臂安裝在斜底座上，和開鐵口機(jī)同側(cè)布置時(shí)，開鐵口機(jī)可以在上方運(yùn)行，大大降低了開口機(jī)的高度?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)液壓泥炮動(dòng)作的主要部件，包括回轉(zhuǎn)油缸、連桿機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)臂，在回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)下，通過連桿機(jī)構(gòu)，使轉(zhuǎn)臂繞固定中心轉(zhuǎn)動(dòng)。在打泥及悶炮的過程中，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)還起到提供壓緊力和止退的作用。

圖1 新型泥炮裝配圖

3 ADAMS建模與分析

3.1 ADAMS建模

根據(jù)泥炮各零部件的實(shí)際尺寸以1∶1的比例建立主要零部件實(shí)體模型并進(jìn)行裝配，保存成“.X_T”格式，導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真分析。對導(dǎo)入的模型構(gòu)件和構(gòu)件的屬性(顏色、位置、名稱和材料等)進(jìn)行屬性編輯，然后對各個(gè)構(gòu)件按照實(shí)際工作需求添加約束和驅(qū)動(dòng)，最后對模型進(jìn)行驗(yàn)證[2]。建立的約束如表1所示。

表1 建模約束列表

為了真實(shí)的模擬泥炮的運(yùn)行過程，通過軟件本身提供的函數(shù)庫和函數(shù)構(gòu)建器(Functionbuilder)構(gòu)建油缸的加速啟動(dòng)——平穩(wěn)運(yùn)行——減速制動(dòng)的step速度函數(shù)：

step(time,0,0,2,-125)+step(time,2,0,12,0)+step(time,12,0,14,125)

3.2 動(dòng)力學(xué)仿真分析

ADAMS求解模塊ADAMS/Solver可以被ADAMS/ View自動(dòng)調(diào)用，對模型進(jìn)行仿真求解。經(jīng)過計(jì)算，如果模型自由度為0，對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真；如果模型自由度為大于或等于1，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

3.2.1 炮嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡

泥炮除了需要滿足在出鐵場中的工作能力要求外，還要在靠近出鐵口時(shí)有一段近似直線的運(yùn)動(dòng)軌跡，以便使炮嘴對準(zhǔn)出鐵口。為了獲得炮嘴的運(yùn)行軌跡，選擇炮嘴前端的中心點(diǎn)，或者在炮嘴上建立一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，然后追蹤該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡即可得到炮嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖2所示，可以看出，炮嘴在接近出鐵口時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡(黑色線條)近似為一段直線，滿足泥炮工作時(shí)靠近出鐵口的運(yùn)動(dòng)軌跡的要求。泥炮上控制連桿的長度是可以通過螺紋調(diào)節(jié)的，當(dāng)零部件因?yàn)槟p等原因使運(yùn)動(dòng)軌跡不能滿足工作要求時(shí)，可以通過調(diào)整控制連桿的長度來修正水平方向的位置；同樣也可以通過調(diào)整套桿來調(diào)節(jié)豎直方向的參數(shù)，使炮嘴對準(zhǔn)出鐵口。

圖2 炮嘴運(yùn)動(dòng)軌跡

高爐的出鐵場還有開鐵口機(jī)、風(fēng)口平臺(tái)、撇渣器、鐵水槽等其他設(shè)備，為了使各設(shè)備工作時(shí)不發(fā)生相互干涉，測知泥炮的工作范圍是十分必要的[3]。為此，必須精確繪出泥炮最低點(diǎn)(炮嘴)和最高點(diǎn)(吊掛頂點(diǎn))的三維曲線。從ADAMS導(dǎo)出最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以斜底座底面(安裝面)為水平面(x-z平面)，最靠近炮嘴的安裝螺栓孔為原點(diǎn)，用Matlab軟件繪出炮嘴運(yùn)動(dòng)三維曲線如圖3所示，可以知道炮嘴的最低點(diǎn)在工作位置，最高點(diǎn)在停止位置，其他點(diǎn)的位置也可以從圖3中依次讀出。圖3的坐標(biāo)也是作為泥炮地面基座尺寸的重要參考依據(jù)。

圖3 炮嘴運(yùn)動(dòng)三維軌跡

吊掛機(jī)構(gòu)的最高點(diǎn)也是整個(gè)泥炮在回轉(zhuǎn)過程中的最高點(diǎn)，為了防止泥炮在運(yùn)行過程中與風(fēng)口平臺(tái)、開鐵口機(jī)(同側(cè)布置)等設(shè)備相互干涉，用Matlab繪出的最高點(diǎn)三維曲線如圖4所示。圖4中最高點(diǎn)的為泥炮回轉(zhuǎn)時(shí)最大高度。曲線上其他各點(diǎn)的數(shù)據(jù)值也可以一一讀出，此曲線的數(shù)據(jù)可以作為風(fēng)口平臺(tái)和開鐵口機(jī)設(shè)計(jì)和安裝的一個(gè)重要參考。

圖4 吊掛最高點(diǎn)三維曲線

3.2.2 轉(zhuǎn)臂的角速度和角加速度

泥炮旋轉(zhuǎn)時(shí)是繞中心軸做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)榕谏砼c轉(zhuǎn)臂是泥炮的主要運(yùn)動(dòng)部件，它們的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都很大，所以它們運(yùn)行是否平穩(wěn)是整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)的關(guān)鍵。通過考察轉(zhuǎn)臂的角速度和角加速度，可以知道泥炮運(yùn)行的穩(wěn)定性[4]。轉(zhuǎn)臂的角速度和角加速度如圖5所示。

圖5中實(shí)線為轉(zhuǎn)臂的角速度，虛線為轉(zhuǎn)臂的角加速度，可以看出，轉(zhuǎn)臂的角速度大概在5秒時(shí)達(dá)到最大值，最大值約為15.2度/秒，并且轉(zhuǎn)臂在旋轉(zhuǎn)的加速啟動(dòng)和減速停止過程中存在輕微速度突變，轉(zhuǎn)臂可以平穩(wěn)運(yùn)行，滿足其工作要求。

圖5 轉(zhuǎn)臂質(zhì)心的角速度和角加速度

3.2.3 各個(gè)鉸鏈點(diǎn)的受力隨轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系

當(dāng)轉(zhuǎn)臂從工作位置旋轉(zhuǎn)到非工作位置時(shí)，應(yīng)該平穩(wěn)進(jìn)行，盡可能減小甚至消除速度突變引起的沖擊和振動(dòng)，存在沖擊和振動(dòng)時(shí)應(yīng)該使沖擊和振動(dòng)保持在設(shè)備可承受的力能范圍內(nèi)[5]。這在提高設(shè)備工作的穩(wěn)定性和延長設(shè)備壽命上有著舉足輕重的作用。為避免零部件在泥炮回轉(zhuǎn)過程中壓潰或失效、超負(fù)荷運(yùn)行，須分別考察各鉸鏈點(diǎn)受力隨轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角的變化。以轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)，各鉸鏈點(diǎn)的受力為縱坐標(biāo)，分別繪制出各點(diǎn)的曲線圖。

圖6 回轉(zhuǎn)液壓缸受力隨轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖6中虛線為油缸與肘板鉸接點(diǎn)的受力隨轉(zhuǎn)臂的變化曲線，實(shí)線為活塞固定鉸接點(diǎn)受力隨轉(zhuǎn)臂的變化曲線。由圖6可以知道在轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)液壓缸上兩鉸接點(diǎn)的受力變化趨勢相同，沒有出現(xiàn)異常的尖峰載荷，在啟動(dòng)和制動(dòng)過程中有輕微慣性沖擊和振動(dòng)，在制動(dòng)終了時(shí)受力達(dá)到極值，大小為2.1×105N。

圖7中實(shí)線為肘板固定鉸接點(diǎn)的受力曲線，虛線為肘板與連桿的鉸接點(diǎn)受力曲線，點(diǎn)劃線為肘板與回轉(zhuǎn)油缸鉸接點(diǎn)的受力曲線。由圖7可以知道在轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)過程中肘板上三個(gè)鉸接點(diǎn)的受力較為平穩(wěn)，在啟動(dòng)和制動(dòng)過程中同樣有輕微慣性沖擊和振動(dòng)，在制動(dòng)終了時(shí)三個(gè)點(diǎn)受力達(dá)到極值，其中固定鉸接點(diǎn)的最大，大小為4.7×105N。

圖7 肘板三個(gè)鉸接點(diǎn)受力隨轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖8 轉(zhuǎn)臂上三個(gè)鉸接點(diǎn)受力隨轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖8中虛線為轉(zhuǎn)臂與連桿鉸接點(diǎn)的受力隨轉(zhuǎn)臂的變化曲線，實(shí)線為轉(zhuǎn)臂固定鉸接點(diǎn)受力曲線，較平直點(diǎn)劃線為轉(zhuǎn)臂與吊掛機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)的受力曲線，可以看出在轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)臂與吊掛機(jī)構(gòu)的受力很小而且?guī)缀鯖]有變化，大小始終保持在5.7×104左右。轉(zhuǎn)臂上其他鉸接點(diǎn)在啟動(dòng)和制動(dòng)過程中存在較小的載荷變化，與連桿鉸接的點(diǎn)受力最大，最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)臂停止運(yùn)行時(shí)刻，大小為3.1×105N。

圖9 控制連桿受力隨轉(zhuǎn)角的變化曲線

因?yàn)榭刂七B桿可視為二力桿，所以兩端鉸接點(diǎn)的受力幾乎完全相同，所以得到的是兩條幾乎重合的曲線。由圖9可以知道在轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)時(shí)控制連桿受力很小，最大值不超過1.2×104N。

由圖6～圖9可以知道，給泥炮施加的驅(qū)動(dòng)是勻加速啟動(dòng)——平穩(wěn)運(yùn)行——?jiǎng)驕p速制動(dòng)時(shí)，在開始啟動(dòng)和制動(dòng)停止階段均有輕微的速度變化和沖擊，可能造成設(shè)備的振動(dòng)，影響設(shè)備工作的平穩(wěn)性和降低設(shè)備的工作壽命，為此，設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)油缸時(shí)，在啟動(dòng)和制動(dòng)階段均添加了液壓緩沖器，消除了啟動(dòng)和制動(dòng)的沖擊和振動(dòng)。

綜上可知，所設(shè)計(jì)的新型大高爐泥炮在回轉(zhuǎn)過程中運(yùn)行平穩(wěn)，具有較好的工作穩(wěn)定性，各個(gè)鉸接點(diǎn)的受力峰值都遠(yuǎn)小于設(shè)備的設(shè)計(jì)能力，而且泥炮回轉(zhuǎn)是空載運(yùn)行，受力情況對泥炮的穩(wěn)定運(yùn)行和工作能力、使用壽命并無較大影響。

3.3 傳力特性分析

油缸驅(qū)動(dòng)肘板轉(zhuǎn)動(dòng)，再由肘板帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，由鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，通過分析該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角可以有效的反映機(jī)構(gòu)的傳力特性。通常，對于高速大功率機(jī)械的傳動(dòng)角要≥50°，對于一般機(jī)械也需要≥40°。一個(gè)轉(zhuǎn)炮工作形成內(nèi)傳動(dòng)角的變化曲線如圖10所示。由圖10可以看出最小傳動(dòng)角大概為42.3°，達(dá)到傳動(dòng)角≥40°的設(shè)計(jì)要求，并且傳動(dòng)角逐漸增大，證明該機(jī)構(gòu)傳力特性良好。

圖10 傳動(dòng)角隨時(shí)間的變化曲線

4 結(jié)論

通過Solidworks 和ADAMS軟件，建立了大型液壓泥炮的虛擬樣機(jī)模型，并對其軌跡進(jìn)行了仿真，研究了泥炮在工作狀態(tài)和回轉(zhuǎn)過程中各個(gè)鉸接點(diǎn)的受力變化，可以得出以下結(jié)論：

1)新型全液壓泥炮結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，機(jī)構(gòu)高度較小，炮嘴軌跡調(diào)整簡單方便，工作性能可靠。

2)液壓泥炮滿足大型高爐的工作能力和工藝要求，而且便于安裝、拆卸和維護(hù)。

3)炮嘴在靠近出鐵口時(shí)走一段近似直線的行程，并且運(yùn)行平穩(wěn)。

4)泥炮在回轉(zhuǎn)過程中各個(gè)鉸鏈點(diǎn)在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，沖擊小，受力峰值均遠(yuǎn)小于泥炮的額定載荷。泥炮具有較好的工作穩(wěn)定性和較高的使用壽命。

[1]朱允言，高澤標(biāo).液壓泥炮旋轉(zhuǎn)桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)分析[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),1990(2):6-10.

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Application of Virtual Prototyping Technology in the Development of Large Hydraulic Clay Gun

Shi Dengren Yin Zhongjun Dong Ran Lu Chenzhi

(School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083)

Build virtual prototyping model of a new type of hydraulic clay gun by the virtual prototyping software solidworks and is imported into ADAMS to analyze its kinematics and dynamics. The trajectory and speed change of key point is researched and then analyzed the size of the force and variation trend of hinge points in main components. This paper provides a reliable theoretical basis on rational design and use of large hydraulic clay gun through the prototype modeling and simulation analysis. And thus can shorten the development cycles and reduce the cost.

Hydraulic clay gun Rotary mechanism Dynamic simulation Kinetic analysis Virtual prototyping

石登仁，男，1984年出生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

TF321.5 TP391.9

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.010

2013-09-15)