梁光明，張衍卿，王虎奇，溫 芳

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

0 引言

通過三維軟件和運動仿真軟件建立虛擬樣機模型，再對模型進(jìn)行研究和仿真，可有效避免生產(chǎn)實物樣機設(shè)計保守和成本較高等問題，且能夠更加方便快捷地探究各機構(gòu)工作的動力學(xué)和運動學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)而能夠減少生產(chǎn)時間和物料成本、改善生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。煤炭平整機作為一種新興機械設(shè)備，正被廣泛應(yīng)用于貨運火車各類松散物料的平整。執(zhí)行機構(gòu)是煤炭平整機的最關(guān)鍵受力部分，其承載能力的大小對煤炭平整機的工作效率有著十分重大的影響，同時決定著煤炭平整機的可靠性[1]。筆者使用軟件建立虛擬樣機并進(jìn)行運動仿真，得到了執(zhí)行機構(gòu)的作業(yè)范圍包絡(luò)圖和執(zhí)行機構(gòu)與連接動臂3 個關(guān)鍵鉸點的載荷情況，仿真的結(jié)果可對后期的有限元分析和實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 煤炭平整機執(zhí)行機構(gòu)的三維建模

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

表1 液壓缸參數(shù)表

圖1 煤炭平整機整體簡化三維模型

圖2 煤炭平整機整體簡化模型剖面圖

2 煤炭平整機ADAMS 模型的前處理

將建立好的三維模型導(dǎo)入ADAMS 動力學(xué)仿真軟件后，首先將各部分的顏色與名稱進(jìn)行修改。之后對模型進(jìn)行單位調(diào)整、重力方向的設(shè)定以及各個部分材料的選擇。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)置煤炭平整機執(zhí)行機構(gòu)的主要材料為Q345 鋼。圖3 所示的執(zhí)行機構(gòu)初始狀態(tài)即為本煤炭平整機導(dǎo)入并完成前處理的虛擬樣機模型。

圖3 執(zhí)行機構(gòu)初始狀態(tài)

煤炭平整機的執(zhí)行機構(gòu)所涉及的運動為平移運動和旋轉(zhuǎn)運動，故在軟件中可選擇的約束副有：移動副、旋轉(zhuǎn)副、固定副。本研究所作的約束副選擇見表2。

表2 模型約束表

執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整的動力來源于三個液壓桿的平移運動，故在Adams 中選擇平移驅(qū)動定義在三個平移副上，最后用Adams 自帶的模型檢驗工具進(jìn)行檢驗，得到此模型有3 個自由度且沒有冗余自由度，故運動副選取合適。

3 煤炭平整機ADAMS 模型的仿真

為確保仿真的真實性和準(zhǔn)確性，在ADAMS 軟件中建立三個連接驅(qū)動的step 函數(shù)作為運動學(xué)仿真的驅(qū)動函數(shù)[2]，仿真此煤炭平整機由初始狀態(tài)調(diào)整為最大工作范圍后收回的全過程。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

通過上述仿真過程，可以對應(yīng)出任意時間耙體伸縮位置與液壓油缸伸長量和之間的關(guān)系，同時可以畫出本執(zhí)行機構(gòu)的工作范圍包絡(luò)圖。在執(zhí)行機構(gòu)初始狀態(tài)下，將耙體液壓桿達(dá)到最大行程，耙體液壓缸推動耙體旋轉(zhuǎn)，可以確定本裝置的最小工作范圍；在執(zhí)行機構(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 點標(biāo)記，在ADAMS 2017 中完整模擬本過程，即可得到煤炭平整機工作范圍包絡(luò)圖（圖7）[3]。

圖7 煤炭平整機工作范圍包絡(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，伸縮橫臂裝置和伸縮縱臂裝置均到達(dá)最大伸長量，此時連接裝置所受扭矩最大，為煤炭平整機裝置整體的最危險狀態(tài)。選取最危險物料進(jìn)行具體分析，即可得到關(guān)鍵點所受的最大載荷，可為后期的分析設(shè)計提供參考。

4 耙體對連接裝置載荷的計算

煤炭平整機的連接裝置通過如圖8 所示的A、B、C 三個鉸接點與裝載機動臂鉸接，連接裝置通過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 鉸點的載荷。A、B、C 鉸點的載荷大小主要取決于執(zhí)行機構(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)行機構(gòu)載荷的過程中，關(guān)鍵是要計算出A、B、C 鉸點的載荷值[4]。

圖8 A、B、C 鉸點示意圖

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)生阻力的物料長度、物料摩擦因數(shù)等有關(guān)。整個煤炭平整機裝置的工作過程為預(yù)設(shè)好伸縮長度后，進(jìn)行緩慢而勻速地平推前行運動，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)驗算式[5]計算得阻力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)臂長度的IF 函數(shù)

step 函數(shù)所擬合出的運動存在加速度，會對平衡狀態(tài)運動仿真產(chǎn)生干擾，而本煤炭平整機的作業(yè)方式是緩慢而勻速地平推前行運動，因此選用IF 函數(shù)模擬兩節(jié)臂分別勻速交錯伸縮的過程，分別尋找三個鉸點的最大載荷，IF 函數(shù)預(yù)設(shè)的運動狀態(tài)及所定義的函數(shù)（表3）[6]：

表3 IF 函數(shù)預(yù)設(shè)的運動狀態(tài)

（1）橫臂液壓桿的IF 函數(shù)及運動圖像（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)及運動圖像如圖10：

圖10 基于if 函數(shù)的縱臂液壓桿的y 方向位移

4.2 各鉸點的載荷

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

圖11 調(diào)整后煤炭平整機虛擬樣機模型

對耙體質(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)為仿真時間，縱坐標(biāo)為各鉸點對應(yīng)時間所受到的靜態(tài)載荷的大小，力的大小變化隨各節(jié)臂的伸縮長短不同表現(xiàn)為線型，3 個鉸點所受載荷分別采用3 種線型表示。

圖12 A、B、C 鉸點載荷曲線

圖12 的各鉸點載荷變化均為線性，這是IF 函數(shù)設(shè)置勻速運動的結(jié)果，各鉸點載荷最大值及對應(yīng)狀態(tài)見表4。

表4 鉸點所受載荷最大值及對應(yīng)狀態(tài)

5 結(jié)語

通過ADAMS 軟件提供的運動仿真功能，利用step 函數(shù)和if 函數(shù)分別對煤炭平整機執(zhí)行機構(gòu)的工作范圍、連接裝置與執(zhí)行機構(gòu)的載荷傳遞進(jìn)行了計算，為煤炭平整機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，也能計算執(zhí)行機構(gòu)三個鉸點載荷，但需要進(jìn)行包含繪制網(wǎng)格在內(nèi)的更加復(fù)雜的前處理過程[7]；而利用ADAMS 軟件能夠求解連接裝置三個鉸點的載荷，但不能對連接裝置進(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)各自實際需要選用。