范乃吉++陳靜++張揚(yáng)++熊遷

摘 要：設(shè)計(jì)了一種新型多功能起重輸送車，兼具運(yùn)輸、起重、俯仰調(diào)整等功能。在設(shè)計(jì)過程中，首先使用Pro/E對其進(jìn)行三維建模，并對四桿擺臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后基于ADAMS仿真平臺進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到四桿擺臂機(jī)構(gòu)的位移、角度、速度、受力等相關(guān)特性曲線，最后利用ANSYS的APDL語言編制分析程序，分析了“水平運(yùn)輸”和“起升”兩種工況下的整體變形及各部位的應(yīng)力和應(yīng)變。該文的設(shè)計(jì)方法對同類設(shè)備的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析具有很好的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：起重輸送車 有限元法 四桿機(jī)構(gòu) ANSYS ADAMS

中圖分類號：U11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0001-04

在高功率固體激光裝置的建設(shè)過程中，由于待裝校光機(jī)組件的重量、形狀及安裝要求不同，需要設(shè)計(jì)不同的輔助工裝對其進(jìn)行潔凈、精密裝校。因此，為滿足透鏡模塊等靶場光機(jī)組件的裝校，該所聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)一同研制了一種新型多功能起重輸送車。

由于實(shí)驗(yàn)室的裝校環(huán)境較為復(fù)雜，且障礙較多，因此需要該設(shè)備的底盤盡可能低，同時(shí)，下車和上車間應(yīng)采用回轉(zhuǎn)支撐進(jìn)行連接，下車采用定向輪和萬向輪結(jié)合的方式進(jìn)行行走。為了防止運(yùn)輸過程中起重輸送車出現(xiàn)傾翻情況，在下車前方設(shè)置了兩個(gè)防傾翻輪。除此之外，被運(yùn)輸?shù)墓鈾C(jī)組件需要能夠自由調(diào)整俯仰角度，同時(shí)可以在擺臂上進(jìn)行滑動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)該功能，該設(shè)備采用電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)四桿擺臂機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)，結(jié)合電機(jī)卷揚(yáng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)被運(yùn)輸設(shè)備在擺臂上的滑動(dòng)。與此同時(shí)，當(dāng)擺臂仰起時(shí)，兼具起重設(shè)備功能，通過電機(jī)卷揚(yáng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)光機(jī)組件的起吊。

1 四桿擺臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

四桿擺臂機(jī)構(gòu)是起重輸送車（如圖1所示）的重要部分，是整個(gè)工作裝置的核心。光機(jī)組件需通過滑動(dòng)夾具放置在四桿擺臂機(jī)構(gòu)上，運(yùn)輸過程中，四桿擺臂機(jī)構(gòu)要承載光機(jī)組件和滑動(dòng)夾具的重量，要安全可靠，同時(shí)占用空間體積要小，滿足高度限制；工作時(shí)，四桿擺臂機(jī)構(gòu)又可以將光機(jī)組件擺動(dòng)到48°的位姿，同時(shí)還能使滑動(dòng)夾具在48°方向上進(jìn)行滑動(dòng)。光機(jī)組件及其配套設(shè)備的重量約為1.2 t，但是重心位置時(shí)常有變化。因體積限制，兩個(gè)電動(dòng)缸最大能提供的推力為4.4 t。鑒于上述要求，該設(shè)計(jì)采用四桿擺臂機(jī)構(gòu)的形式，伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)搖臂，從而驅(qū)動(dòng)滑桿擺動(dòng)到48°；在滑桿頂端安裝滑輪組，通過鋼絲繩來控制滑動(dòng)夾具的升降運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過多次優(yōu)化修正，最終得到的各桿尺寸為轉(zhuǎn)臺的兩個(gè)鉸接點(diǎn)之間長度為Za=874.15 mm，擺臂長度Zb=411.45 mm，擺桿兩鉸接點(diǎn)間長度Zc=495 mm，搖桿長度Zd=794.25 mm，如圖2所示。

2 起重輸送車擺臂機(jī)構(gòu)的ADAMS仿真分析

建立起重輸送車執(zhí)行機(jī)構(gòu)ADAMS模型的過程如下。

首先，將在Pro/E中建立的起重輸送車三維模型各組成部分即底盤、轉(zhuǎn)臺、三角臂、擺桿、搖臂、電動(dòng)缸、伸縮臂單獨(dú)保存成零件類型，然后重新進(jìn)行裝配，將裝配體保存成“.x_t”格式，然后導(dǎo)入到ADAMS中，在模型修正模塊里將所有組成分塊（Part）的材料類型設(shè)置為Steel，可自動(dòng)得到材料的密度和彈性模量以及泊松比等屬性，模型宏觀單位選擇MMKS，即毫米千克秒。

其次，在ADAMS中對執(zhí)行機(jī)構(gòu)各個(gè)部分之間建立約束關(guān)系。調(diào)整工作平面的方向，使其垂直于各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的軸線，然后在各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)之間于鉸接處建立起轉(zhuǎn)動(dòng)副；在伺服電動(dòng)缸與伸縮臂之間建立移動(dòng)副；同時(shí)將轉(zhuǎn)臺與地面進(jìn)行鎖定，即將轉(zhuǎn)臺進(jìn)行全約束。

再次，在伺服電動(dòng)缸缸套與伸縮臂的移動(dòng)副處添加兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)的直線運(yùn)動(dòng)用來模擬伺服電動(dòng)缸伸縮臂的伸縮，伸縮臂是勻速動(dòng)作的，其移動(dòng)速度設(shè)定為3 mm/s。

然后，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行加載，重力加速度設(shè)置為Y軸負(fù)方向，大小為9.8 N/kg，物理診斷設(shè)備和滑動(dòng)夾具在單個(gè)作用點(diǎn)的等效載荷為3528 N，施加在滑動(dòng)夾具車輪與擺桿接觸的位置上，載荷隨著擺桿的移動(dòng)同時(shí)移動(dòng)，即其相對擺桿的位置不變，方向垂直向下。

最后，進(jìn)入仿真求解模塊，根據(jù)伸縮臂伸縮長度和速度的比值，得到伸縮臂全程運(yùn)行時(shí)間約為145 s，仿真步數(shù)設(shè)定為2000步，運(yùn)行時(shí)間函數(shù)為STEP5（x，x0，h0，x1，h1），其中自變量x是時(shí)間time，x0是開始時(shí)間t=0 s，x1是結(jié)束時(shí)間t=145 s，h0是油缸起始伸縮量0 mm，h1是油缸最大伸縮量435 mm，仿真姿態(tài)如圖3和圖4所示

伺服電動(dòng)缸仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。由伺服電動(dòng)缸受力曲線可看出，最大受力接近18 000 N，在選用電動(dòng)缸量程以內(nèi)，而且接近最大量程，能充分發(fā)揮電動(dòng)缸的功用，而且伸縮臂受力大小變化比較平緩，沒有突變，另外油缸伸縮量約為430 mm，符合設(shè)計(jì)要求，所以由機(jī)構(gòu)分析和ADAMS仿真分析都能說明電動(dòng)缸伸縮量設(shè)置的正確性。

3 起重輸送車的ANSYS仿真分析

在設(shè)計(jì)建模的過程中，采用Top-Down和Down-Top相結(jié)合的建模方法，即部分結(jié)構(gòu)通過點(diǎn)、線、面、體的順序來建立，而有的部分結(jié)構(gòu)采用先建立出體、面或線，然后自動(dòng)生成其下級元素。起重輸送車的結(jié)構(gòu)模型比較復(fù)雜，所以在不影響計(jì)算精度的前提下，在建模過程中從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，這樣可以減少大量的冗余的工作，讓設(shè)計(jì)人員把更多的時(shí)間放在設(shè)計(jì)的改善上，不僅大大減少了工作量，而且縮短了設(shè)計(jì)周期。

在對起重輸送車進(jìn)行力學(xué)仿真的過程中，主要針對“水平運(yùn)輸”和“起升”這兩個(gè)工況進(jìn)行分析，如圖7和圖8所示為“水平運(yùn)輸”工況下的整車幾何模型和加載后的有限元模型。“起升”工況下，由于物理診斷設(shè)備長度規(guī)格不同，需要調(diào)整擺桿上滑架的位置來適應(yīng)物理診斷設(shè)備的長度，在此該文按照滑架完全伸出時(shí)的情況進(jìn)行建模，同時(shí)，由于滑架和擺桿的材料相同，直徑差別很小，所以建模時(shí)直接將擺桿的長度設(shè)置為擺桿和滑架的總長度，如圖9和圖10所示為“起升”工況下的整車幾何模型和加載后的有限元模型。

在“水平運(yùn)輸”和“起升”兩種工況下車架應(yīng)力云圖如圖11和圖12所示，起重輸送車整體都能滿足強(qiáng)度和剛度要求，擺桿變形在允許的范圍內(nèi)，能很好的滿足工作要求，出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位通過在加工中增加過渡圓角或者增大厚度就可以消除。

4 結(jié)語

在功能上，該文設(shè)計(jì)的新型功能起重輸送車滿足了設(shè)計(jì)要求，對同類設(shè)備的研發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。同時(shí)應(yīng)用ADMAS和ANSYS分別對該設(shè)備進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和結(jié)構(gòu)分析，從計(jì)算結(jié)果來看，設(shè)備安裝可靠，可以投入生產(chǎn)。

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