(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 安徽合肥 230009； 2.安徽省六安恒源機(jī)械有限公司， 安徽六安 237000)

引言

清污機(jī)是一種專(zhuān)門(mén)用于泵站攔污柵前，對(duì)水中污物進(jìn)行清理的水利機(jī)械設(shè)備。隨著水環(huán)境的變化，水體中的污物總量不斷加大，污物種類(lèi)不斷增多，傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)式清污機(jī)和抓斗式清污機(jī)已經(jīng)不能滿(mǎn)足實(shí)際清污要求[1]。在分析比較各種清污機(jī)性能優(yōu)劣并適當(dāng)吸收國(guó)外清污機(jī)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新型抓臂式清污機(jī)。

抓臂式清污機(jī)是一個(gè)集機(jī)械、液壓于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，多學(xué)科領(lǐng)域的相互作用導(dǎo)致很難在單一的軟件平臺(tái)仿真其工作過(guò)程[2-3]。本研究分別在 ADAMS軟件中建立清污機(jī)機(jī)械系統(tǒng)模型，在 AMESim中建立清污機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)模型，最終實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真[4]。通過(guò)聯(lián)合仿真，分析了機(jī)械、液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，為抓臂式清污機(jī)研發(fā)提供了依據(jù)。

1 抓臂式清污機(jī)工作原理

抓臂式清污機(jī)主要由行走裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)和工作裝置三大部分組成，其中工作裝置包括抓臂、斗桿、抓斗、抓臂油缸、斗桿油缸和抓斗油缸，如圖1所示。工作裝置采用液壓機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式，較長(zhǎng)的抓臂和斗桿設(shè)計(jì)適合對(duì)泵站底部污物進(jìn)行抓取，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度好、操作方便等特點(diǎn)。

圖1 抓臂式清污機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

抓臂式清污機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，行走裝置在預(yù)置導(dǎo)軌上移動(dòng)到清污地點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)將工作裝置旋轉(zhuǎn)至污物上空，在液壓油缸的驅(qū)動(dòng)作用下，抓斗下降到合適的清污位置，驅(qū)動(dòng)抓斗閉合，隨后移動(dòng)抓斗到卸污位置，抓斗打開(kāi)污物拋下，完成一個(gè)清污過(guò)程。

抓臂式清污機(jī)工作裝置主要部件之間彼此鉸接，在液壓缸的作用下各部件繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)工作裝置以抓臂鉸接處作為轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)，通過(guò)油缸的伸出與收回操作抓臂的提升與下降。抓臂式清污機(jī)采用雙抓臂油缸可以有效防止工作裝置的左右擺動(dòng)。斗桿裝置通過(guò)與抓臂上部的鉸接布置在抓臂的前端，斗桿油缸伸出時(shí)斗桿裝置做內(nèi)收動(dòng)作，斗桿油缸收縮時(shí)做外翻動(dòng)作。抓臂式清污機(jī)采用對(duì)稱(chēng)布置的兩瓣嚙合式抓斗，抓斗與斗桿的兩側(cè)進(jìn)行鉸接。清污機(jī)作業(yè)時(shí)，抓斗油缸伸出則抓斗合并，完成污物的抓取，抓斗油缸收縮則抓斗分離做卸料動(dòng)作。

2 動(dòng)力學(xué)模型建立

運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)抓臂式清污機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，需要建立仿真模型，但直接在ADAMS中建模比較困難。本研究首先在SolidWorks軟件建立抓臂式清污機(jī)的三維模型，然后通過(guò)parasolid格式進(jìn)行過(guò)渡，將其傳遞到ADAMS中，最后添加約束和力，完成模型建立。

2.1 三維模型建立

在SolidWorks軟件中建立抓臂式清污機(jī)各個(gè)部件的三維模型，并將所有部件按實(shí)際裝配關(guān)系組裝成裝配體，最后得到抓臂式清污機(jī)的整機(jī)模型，如圖2所示。

圖2 抓臂式清污機(jī)三維模型

2.2 ADAMS模型建立

將三維模型導(dǎo)入ADAMS的方法很多，本研究采用將SolidWorks模型轉(zhuǎn)化為 parasolid(.x-t)格式，再?gòu)腁DAMS中讀取該格式文件的方法，該方法優(yōu)點(diǎn)是操作便捷，并且模型失真情況較小。導(dǎo)入后的模型如圖3所示。

圖3 抓臂式清污機(jī)ADAMS模型

3 工作裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

清污機(jī)工作裝置主要由抓臂油缸、斗桿油缸和抓斗油缸驅(qū)動(dòng)，合理的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)整機(jī)性能起到至關(guān)重要的影響。本研究采用基于負(fù)載敏感閥前補(bǔ)償系統(tǒng)的液壓回路設(shè)計(jì)，工作裝置液壓原理如圖4所示。

負(fù)載敏感系統(tǒng)在工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，其顯著特點(diǎn)是可以滿(mǎn)足多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的同時(shí)動(dòng)作和實(shí)現(xiàn)與負(fù)載無(wú)關(guān)的無(wú)級(jí)控制。并且負(fù)載敏感系統(tǒng)可以按照負(fù)載壓力的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)泵的出口壓力和流量，確保泵的輸出壓力和流量根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行變化，減少系統(tǒng)能量的溢出，節(jié)能效果良好[5]。

1.電機(jī) 2.變量泵 3、8.單向閥 4、6.過(guò)濾器 5.溢流閥 7.壓力補(bǔ)償閥 9.比例換向閥 10.梭閥 11.雙向平衡閥 12.油缸 圖4 工作裝置液壓原理圖

工作裝置液壓動(dòng)力元件采用電機(jī)搭配變量泵的組合，實(shí)際工況多為單泵多負(fù)載復(fù)合動(dòng)作，為使泵的供油壓力足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載中壓力最大者，液壓系統(tǒng)通過(guò)反饋油路將回路中最高的負(fù)載壓力傳遞給變量泵。此時(shí)變量泵輸出壓力大于低負(fù)載壓力回路的壓力需求，導(dǎo)致系統(tǒng)不能保證執(zhí)行元件均具有流量匹配特性。為避免這種不利的影響，可在各回路比例換向閥之前設(shè)置壓力補(bǔ)償閥，工作時(shí)，壓力補(bǔ)償閥通過(guò)其內(nèi)部節(jié)流口開(kāi)度的變化來(lái)調(diào)整換向閥前的壓力，使比例換向閥前后的壓差為定值，這樣通過(guò)改變換向閥閥芯節(jié)流面積來(lái)控制并分配流量，流量大小就只與換向閥的開(kāi)度有關(guān)，而不受負(fù)載壓力的影響，為系統(tǒng)控制提供了方便[6-7]。

此外，選用雙向平衡閥以及雙向液控單向閥作為液壓系統(tǒng)的閉鎖元件，均為了保證工作裝置不會(huì)因?yàn)樽灾氐韧獠吭虺霈F(xiàn)下滑、超重或振動(dòng)，保障了系統(tǒng)的安全[8]。

4 聯(lián)合仿真模型建立和分析

ADAMS 和 AMESim 的聯(lián)合仿真采用以AMESim軟件為主控軟件，ADAMS為輔助軟件的共同聯(lián)合仿真模式。通過(guò)接口文件將機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型和液壓系統(tǒng)模型聯(lián)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)工作裝置的機(jī)械與液壓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，這種交互式的仿真方式，不僅能夠較準(zhǔn)確模擬清污機(jī)工作裝置的真實(shí)工作環(huán)境，而且有效提高仿真精度和效率[9]。

4.1 聯(lián)合仿真模型建立

首先定義ADAMS的輸入、輸出狀態(tài)變量，其中輸入狀態(tài)變量為液壓缸的速度，輸出狀態(tài)變量為液壓油缸的負(fù)載壓力。調(diào)用ADAMS/control模塊建立接口文件，然后在AMESim軟件中通過(guò)Modeling-Import Adams model加載接口模塊，最后將接口模塊與液壓系統(tǒng)AMESim模型結(jié)合構(gòu)成聯(lián)合仿真模型[10-11]，如圖5所示。

圖5 工作裝置聯(lián)合仿真模型

聯(lián)合仿真過(guò)程中，機(jī)械與液壓系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞，不同軟件中相同物理量的單位必須相同。ADAMS 模型提供液壓缸的負(fù)載壓力給AMESim 模型，作為液壓缸的負(fù)載；AMESim 模型輸入液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度給ADAMS模型，作為工作裝置的驅(qū)動(dòng)[12]。

4.2 清污機(jī)工作過(guò)程

為了解工作裝置機(jī)械-液壓系統(tǒng)運(yùn)行情況，對(duì)抓臂式清污機(jī)一個(gè)完整的清污循環(huán)過(guò)程進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，時(shí)間分配和液壓缸狀態(tài)見(jiàn)表1，運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系如圖6所示。

表1 清污循環(huán)過(guò)程中各液壓缸狀態(tài)

圖6 清污循環(huán)過(guò)程位置關(guān)系示意圖

4.3 聯(lián)合仿真主要參數(shù)設(shè)置

變量泵采用力士樂(lè)A10VSO系列DFR軸向柱塞泵，排量最大為71 mL·r-1，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 r·min-1，即泵的最大輸出流量為106.5 L·min-1；壓力補(bǔ)償閥的彈簧調(diào)定壓力為0.5 MPa，即工作時(shí)比例換向閥前后壓力差恒為0.5 MPa，液壓油缸主要參數(shù)如表2所示。

表2 液壓油缸主要參數(shù)

4.4 聯(lián)合仿真結(jié)果分析

圖7所示是各液壓支路流量變化情況。圖8所示是比例換向閥的控制信號(hào)輸入，縱坐標(biāo)數(shù)值表示當(dāng)前流通面積與最大流通面積的比值，數(shù)值為正時(shí)液壓油缸活塞桿伸出，數(shù)值為負(fù)時(shí)液壓油缸活塞桿收縮。

圖7 液壓支路流量-時(shí)間圖

對(duì)圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析，將各液壓支路流量與對(duì)應(yīng)比例換向閥控制信號(hào)進(jìn)行比較，得出其比值關(guān)系如表3所示。

在同一液壓支路中，流量與比例換向閥控制信號(hào)比值幾乎相等，可得出支路流量與比例換向閥控制信號(hào)大小成正比，并且運(yùn)動(dòng)時(shí)油缸承受負(fù)載壓力一直變化，以抓臂液壓支路為例，在0～20 s和25～45 s這段時(shí)間，抓臂液壓油缸工作，承受負(fù)載不斷變化，如圖9所示。以上兩點(diǎn)說(shuō)明液壓回路可實(shí)現(xiàn)與負(fù)載無(wú)關(guān)的無(wú)級(jí)控制。

表3 液壓支路流量與換向閥控制信號(hào)關(guān)系

圖8 比例換向閥控制信號(hào)-時(shí)間圖

圖9 抓臂液壓油缸承受負(fù)載-時(shí)間圖

5 結(jié)論

本研究提出一種新型抓臂式清污機(jī)的設(shè)計(jì)，根據(jù)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分發(fā)揮不同軟件平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用 AMESim 和 ADAMS 聯(lián)合仿真技術(shù)，在典型清污工況下對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，仿真和分析結(jié)果表明：

(1) 抓臂式清污機(jī)可實(shí)現(xiàn)多個(gè)液壓油缸的同時(shí)動(dòng)作，且液壓油缸流量大小與負(fù)載無(wú)關(guān)，只與比例方向閥流通面積成正比。因此對(duì)系統(tǒng)的控制只需要改變比例方向閥的信號(hào)，方便了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；

(2) 聯(lián)合仿真技術(shù)可以更加精確的對(duì)抓臂式清污機(jī)機(jī)械-液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，與實(shí)際工況基本相符。通過(guò)聯(lián)合仿真分析可以為抓臂式清污機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)。