湯　躍,趙　進(jìn),陳　超

(江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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基于ADAMS的垂直搖臂式噴頭多體動力學(xué)建模與優(yōu)化

湯躍,趙進(jìn),陳超

(江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：以Nelson SR100型垂直搖臂式噴頭為對象，針對現(xiàn)有垂直搖臂式噴頭動力學(xué)性能的研究存在忽略摩擦因素、過于簡化模型等問題，基于虛擬樣機(jī)軟件ADAMS建立了垂直搖臂式噴頭的動力學(xué)仿真模型，綜合考慮搖臂與轉(zhuǎn)軸、噴管與水管密封等部位實(shí)際的摩擦情況，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定各部件之間的實(shí)際摩擦因數(shù)。針對垂直搖臂式噴頭的垂直上下擺動、水平左右步進(jìn)旋轉(zhuǎn)這兩個主要動作，運(yùn)用STEP函數(shù)構(gòu)建一個完整周期非自由與自由運(yùn)動時間段內(nèi)噴頭導(dǎo)流器所受水平與垂直力的模擬函數(shù)進(jìn)行動力學(xué)仿真。最后通過換向仿真，模擬實(shí)際搖臂在換向過程中，擺動桿對限位板的接觸碰撞力的大小。以接觸碰撞力最大值最小為目標(biāo)函數(shù)，對上述接觸碰撞力最大值進(jìn)行優(yōu)化，將影響換向順利程度的換向桿長度等因素作為約束條件，優(yōu)化后的最大碰撞力較優(yōu)化前減少了55.9%。其動力學(xué)仿真結(jié)果可以為垂直搖臂式噴頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與疲勞壽命優(yōu)化等相關(guān)動力特性的進(jìn)一步分析及噴頭動力學(xué)特性的設(shè)計提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：垂直搖臂式噴頭；摩擦因數(shù)；動力學(xué)仿真；參數(shù)化建模；碰撞力優(yōu)化

0引言

搖臂式噴頭是廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)防旱灌溉及工業(yè)降塵的重要技術(shù)裝備[1]。垂直搖臂式噴頭和水平搖臂式噴頭相比，其主要優(yōu)點(diǎn)在于搖臂不直接撞擊噴管，運(yùn)行穩(wěn)定可靠及噴水均勻度高等，因而在國內(nèi)外工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用[2]。B.M.列別捷夫[3]等分析研究了搖臂的運(yùn)動學(xué)特征。陳雷[4]等從動力學(xué)角度研究了搖臂式噴頭的力學(xué)性能，并用計算機(jī)進(jìn)行了數(shù)值求解。王祺銘[5]等利用ANSYS/LS-DYNA軟件對搖臂式噴頭搖臂碰撞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。李紅[6]等運(yùn)用ANSYS軟件對垂直搖臂式噴頭進(jìn)行了有限元分析，并對搖臂的疲勞壽命可靠性進(jìn)行了分析。湯攀[7-8]等運(yùn)用高速攝影的方法對搖臂式噴頭的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究，總結(jié)了噴頭關(guān)鍵部件對水量分布均勻性的影響權(quán)重。但是，有限元分析研究手段中存在忽略考慮相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動摩擦因素的缺陷[9-10]，以及實(shí)際碰撞受力的計算存在困難等問題。本文探討采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，基于多體動力學(xué)分析軟件MSC.ADAMS對Nelson SR100型垂直搖臂式噴頭進(jìn)行動力學(xué)分析，并在此基礎(chǔ)上對關(guān)鍵零部件特性進(jìn)行優(yōu)化仿真。

1工作原理與受力分析

1.1　工作原理

垂直搖臂式噴頭的工作原理：高壓水從噴嘴噴出沖擊到導(dǎo)流器的一側(cè)，導(dǎo)流器上彎曲葉片結(jié)構(gòu)將射流的沖擊力轉(zhuǎn)變成搖臂向下的豎直力和沿著噴頭根部軸承旋轉(zhuǎn)的水平力；此時搖臂克服配重和摩擦阻力向下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時整個噴頭向一側(cè)產(chǎn)生一定角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；搖臂向下運(yùn)動時，其平衡配重升高，重力勢能增加，然后在其與搖臂軸平衡配重重力矩的聯(lián)合作用下，搖臂返回，重力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)動動能，再次切入射流，重復(fù)以上過程。當(dāng)換向桿與限位器接觸時，換向機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)傳動桿，驅(qū)動搖臂轉(zhuǎn)換固定的角度，此時水流沖擊導(dǎo)流器對稱的另一側(cè)，水平力方向相反，噴頭開始朝另一側(cè)運(yùn)動；循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)自動換向噴灑的功能。

1.2　導(dǎo)流器受力

如圖1所示：從噴嘴噴出的高壓水流沖擊導(dǎo)流器斜面，產(chǎn)生的沖擊力可以分解成水平方向的力Fh和垂直導(dǎo)流器彎曲葉片部分的力Fd，F(xiàn)d可以分解成使搖臂上下擺動的力Fv和沿著直線段方向的推力Fr。Fv提供搖臂上下翻轉(zhuǎn)搖擺的驅(qū)動力，F(xiàn)h成為克服噴頭與水管密封摩擦促使噴頭旋轉(zhuǎn)一個小角度的驅(qū)動力。根據(jù)動量定理可以求出[2]

Fv=2p(d0-nb)h2sinα2

(1)

其中，p為噴嘴壓力(Pa)；d0為射流直徑(m);n為射流淹沒的葉片數(shù)，n=4;b為葉片厚度(m);h2為導(dǎo)流器彎曲段葉片寬度(m);α2為葉片出水角(°)。

圖1　導(dǎo)流器受力示意圖

1.3　步進(jìn)角度

整個噴頭在水平力Fh的作用下會繞旋轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個角度θ，其大小根據(jù)文獻(xiàn)[7]試驗(yàn)結(jié)果建立步進(jìn)角度的公式為

(2)

其中，p為噴頭的工作壓力(kPa)；p0為大氣壓力(kPa)；b1為導(dǎo)流器葉片彎曲段寬度(mm)；D為噴嘴直徑(mm)。

1.4　搖臂周期

搖臂的運(yùn)動時間分為在與水接觸的非自由運(yùn)動時間和與射流分離的自動搖擺運(yùn)動時間[7]，其計算公式為

T=t+T1=

(3)

李紅、劉振超[6]、湯攀[7]等針對垂直搖臂式噴頭的非自由、自由運(yùn)動時間、頻率、擺動角等規(guī)律采用高速攝影和應(yīng)力傳感器貼片的方式，測得了Nelson SR100型垂直搖臂式噴頭的運(yùn)動規(guī)律參數(shù)。仿真采用的噴頭的參數(shù)為：噴嘴口徑大小15.2mm，配重位置為8.5mm，工作壓力0.3MPa，噴頭仰角43°。實(shí)際噴頭受一次作用力的水平步進(jìn)角度為3.9°。在此種工況下噴灑試驗(yàn)驅(qū)動力和搖臂運(yùn)動時間情況測試結(jié)果如表1所示。

表1　驅(qū)動力和周期實(shí)驗(yàn)表

2多體動力學(xué)原理與建模

2.1　多體動力學(xué)分析原理

(4)

2.2　樣機(jī)建模

由于ADAMS軟件本身自帶的實(shí)體建模功能較弱，因而最常見的做法是在三維軟件中建好三維實(shí)體模型，再導(dǎo)入到ADAMS中去，但是導(dǎo)入的實(shí)體模型將不能夠進(jìn)行參數(shù)化分析。因而，本文的建模采用ADAMS參數(shù)化建模和三維軟件混合建模的方式[15]，利用參數(shù)點(diǎn)作為基礎(chǔ)構(gòu)建樣機(jī)的搖臂和彈簧等部件，不需要參數(shù)化的噴腔部分采用SolidWorks軟件建模。虛擬樣機(jī)建模完成之后的圖樣如圖2所示。運(yùn)動部件間的間接關(guān)系如表2所示。

2.3　載荷和摩擦的確定

在定義好相關(guān)運(yùn)動部件之間的連接關(guān)系之后，需要定義有相對運(yùn)動的部件之間的摩擦力，以及可能發(fā)生碰撞的部件之間的碰撞參數(shù)。其中，導(dǎo)流器受沖擊力的數(shù)據(jù)采用以上試驗(yàn)測得的水平和豎直方向力，進(jìn)行多次仿真，根據(jù)搖臂單次擺動周期來調(diào)節(jié)搖臂桿和圓柱之間摩擦因數(shù)的大小，直至符合實(shí)際的搖臂運(yùn)動周期?？紤]到求解函數(shù)的連續(xù)性，F(xiàn)v與Fh的添加采用STEP函數(shù)，在非自由運(yùn)動時間下持續(xù)對導(dǎo)流器的水平和垂直方向作用。在搖臂自由搖擺時間內(nèi)，力則失效。單個周期下，F(xiàn)v的構(gòu)造函數(shù)為

(5)

Fv的構(gòu)造函數(shù)為

(6)

垂直作用力的函數(shù)曲線如圖3所示。

1.限位擋板　2.轉(zhuǎn)向桿　3.支撐軸　4.與彈簧連接的轉(zhuǎn)動桿

連接部件連接運(yùn)動副擋板1和大地固定副桿2和桿3旋轉(zhuǎn)副桿4和桿6點(diǎn)線高副擋板5和噴管15固定副桿6和桿7旋轉(zhuǎn)副桿7和圓柱9旋轉(zhuǎn)副圓柱9和噴管15旋轉(zhuǎn)副搖臂桿13和圓柱12旋轉(zhuǎn)副橫桿16和導(dǎo)流器17固定副噴管15和大地旋轉(zhuǎn)副

圖3　垂直作用力函數(shù)圖

接觸采用IMPACT函數(shù)，對于一般的碰撞過程，相關(guān)參數(shù)采用默認(rèn)值。設(shè)置測量，測量的內(nèi)容有搖臂桿和圓柱之間的旋轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)動桿和擋板之間接觸碰撞力的大小。設(shè)置傳感器來測試一次搖擺過程的時間，具體的測試方法為檢測搖臂和圓柱之間的旋轉(zhuǎn)角；當(dāng)其旋轉(zhuǎn)角再次為0時，記錄整個運(yùn)動的時間，此時間長即為搖臂單個運(yùn)動周期。

3仿真計算

3.1　擺動仿真

設(shè)置仿真求解時間為5s，步長為500步，求解器選擇Gill積分求解器，通過反復(fù)修正搖臂和圓柱之間旋轉(zhuǎn)副的摩擦因數(shù)定義，使搖臂運(yùn)動周期接近實(shí)際試驗(yàn)測試得到的搖臂周期。此時可以認(rèn)為：摩擦因數(shù)的定義符合實(shí)際情況，靜摩擦因數(shù)為0.02，動摩擦因數(shù)為0.01，實(shí)際單個周期垂直方向上搖擺運(yùn)動的曲線圖如圖4所示；單個搖擺周期時間為0.753 3s，與實(shí)際測得的0.75s，誤差在1%以內(nèi)。

圖4　單周期垂直方向搖臂旋轉(zhuǎn)角度曲線圖

根據(jù)試驗(yàn)測試結(jié)果，來調(diào)節(jié)噴槍和大地之間旋轉(zhuǎn)副的摩擦因數(shù)，使其單次步進(jìn)角度接近試驗(yàn)測試結(jié)果，控制誤差在5%以內(nèi)，得到噴槍和大地之間旋轉(zhuǎn)副的靜摩擦因數(shù)為0.1，動摩擦因數(shù)為0.05。實(shí)際的單次水平步進(jìn)角度3.7°，與試驗(yàn)結(jié)果3.9°誤差為5.1%，仿真如圖5所示。

圖5　單次水平步進(jìn)角度圖

3.2　接觸碰撞仿真

當(dāng)搖臂旋轉(zhuǎn)了一定人為設(shè)定的噴灑角之后，桿和擋板接觸，此時在水平?jīng)_擊作用力Fh作用下，彈簧翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)流器所受水平力方向反轉(zhuǎn)，此時噴頭向相反方向運(yùn)動。測得彈簧的剛度為0.3N/mm，在偏向一邊時候的常態(tài)位置，其初始位移為3mm。通過反轉(zhuǎn)碰撞仿真，可以由ADAMS測得桿件和擋板之間的碰撞力的大小數(shù)值曲線，圖6所示最大碰撞力為76.54N。

圖6　碰撞力仿真數(shù)值曲線

4碰撞力的優(yōu)化

4.1　參數(shù)化建模

轉(zhuǎn)動桿和擋板之間碰撞力的大小可以用來衡量搖臂換向順利程度。在長期交替碰撞的作用力下，換向結(jié)構(gòu)疲勞壽命是影響整個搖臂式噴頭使用壽命的關(guān)鍵因素。影響碰撞力大小的因素主要有彈簧剛度、導(dǎo)流器17水平方向受力大小及桿4、6、7的長度等。因而，對碰撞力的大小進(jìn)行優(yōu)化，使其在一定工況下的碰撞力最小，同時又能夠順利換向。如表3所示，將彈簧剛度K、桿長l3、l4、l5作為設(shè)計變量，其初始值以及變量變化范圍根據(jù)實(shí)際情況初步制定于表中。

表3　設(shè)計變量表

4.2　優(yōu)化分析

設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為求轉(zhuǎn)動桿和擋板之間的換向碰撞力的最大值為最小，對各設(shè)計變量設(shè)置4個水平的分段點(diǎn)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究。5次主要的碰撞受力優(yōu)化迭代，如圖7所示。

圖7　碰撞力優(yōu)化仿真圖

優(yōu)化后的碰撞力最大值變?yōu)?3.75N，降低了55.9%；優(yōu)化后的彈簧剛度為0.36，l3=150.2mm，l4=53.6mm，l5=33.5mm；優(yōu)化取得了顯著的效果。

5結(jié)論

1)構(gòu)建了垂直搖臂式噴頭的原理簡化圖，利用虛擬樣機(jī)軟件對其進(jìn)行了參數(shù)化建模，得到了其動力學(xué)仿真模型。綜合考慮了搖臂與轉(zhuǎn)軸、噴管與水管密封等部位實(shí)際的摩擦，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了校驗(yàn)，得到了與真實(shí)受力運(yùn)動狀態(tài)下噴頭特性符合較好的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)。彌補(bǔ)了現(xiàn)有有限元分析等方法對實(shí)際的情況過于簡化的不足。搭建的虛擬樣機(jī)模型可以為今后靜力分析，動力學(xué)疲勞等分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2)采用ADAMS參數(shù)化與三維軟件混合建模的方式，基于構(gòu)建的參數(shù)點(diǎn)，設(shè)置了彈簧剛度、影響換向順利程度的桿長等參數(shù)為設(shè)計變量。對噴頭換向機(jī)構(gòu)的碰撞特性進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的換向桿碰撞力減小了近55.9%，對改善噴頭的動力學(xué)特性進(jìn)行了初步探索。優(yōu)化取得了顯著的效果。

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Dynamic Simulation and Optimization of Vertical Impact Drive Sprinkler by Considering Friction Coefficient

Tang Yue，Zhao Jin，Chen Chao

(Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology, Jiangsu University, Jiangsu 212013, China)

Abstract：As to the problems of over-simplification to the friction coefficient and impact between parts of vertical impact drive sprinkler. Taking Nelson SR100 vertical impact drive sprinkler as research object, the actual friction conditions between swing arm and spindle or effuse and pipe seal were comprehensively considered. A dynamics simulation model of vertical impact drive sprinkler was established based on virtual prototype software ADAMS. The coefficient of friction between different parts is defined by the test data acquired. The horizontal and vertical force simulation functions of deflector were constructed by STEP function in a complete cycle including free and non-free moving period. Two major actions: vertical hunting and horizontal stepping of the sprinkler were simulated. The last reversing simulation was conducted to test the magnitude of impact force. Taking the magnitude of impact force as target function and the reverse rod length or other factors as constraints, the magnitude of impact force was optimized based on the parametric modeling and optimization function of the software. The maximum of impact force optimized was reduced by 55.9%. The results of the optimization can be used to analyze the structural strength or the fatigue life of the sprinkler.

Key words：vertical impact drive sprinkler； friction coefficient； dynamics simulation； parametric modeling； impact force optimization

中圖分類號：S277.9+4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0028-05

作者簡介：湯躍(1955-)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，研究員，(E-mail)tomt@ujs.edu.cn。

基金項目：江蘇省基礎(chǔ)研究計劃青年基金項目(BK20140565)；江蘇省農(nóng)業(yè)科技支撐計劃項目(BE2012385)

收稿日期：2015-08-25