成立平 王平花 李立斌

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)運(yùn)動(dòng)可靠性研究及灰色關(guān)聯(lián)分析

成立平 王平花 李立斌

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

本文通過ADAMS建立電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)虛擬樣機(jī)模型，運(yùn)用參數(shù)化建模的方法實(shí)現(xiàn)尺寸誤差、間隙誤差和驅(qū)動(dòng)誤差對(duì)運(yùn)動(dòng)可靠性的研究，然后運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論研究尺寸誤差、間隙誤差以及驅(qū)動(dòng)誤差對(duì)模型運(yùn)動(dòng)可靠度的影響度。結(jié)果表明：尺寸誤差、間隙誤差以及驅(qū)動(dòng)誤差均與電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)的運(yùn)動(dòng)可靠度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；尺寸誤差對(duì)電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)的運(yùn)動(dòng)可靠度影響最大，驅(qū)動(dòng)誤差的影響最小。

電動(dòng)清掃車；可靠度；灰色關(guān)聯(lián)理論

0 引言

由于機(jī)械零件在制造和裝配以及運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)尺寸誤差、間隙誤差以及磨損，這些都會(huì)對(duì)機(jī)械的正常運(yùn)行造成影響，因而對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可靠性研究是必要的和有意義的［1-3］。電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)作為一種清潔機(jī)器，其在日常生活中有廣泛的運(yùn)用，為人們節(jié)省了時(shí)間和體力，因此，有許多專家學(xué)者對(duì)該機(jī)構(gòu)做了一些研究。葉勤等人將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)清掃車的設(shè)計(jì)研發(fā)。簡潔等人設(shè)計(jì)出了一款應(yīng)用于電動(dòng)清掃車上的純掃式滑掃作業(yè)裝置，并通過建立模型，對(duì)其主要參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和分析。江新芳對(duì)JDB2000A電動(dòng)清掃車的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析和優(yōu)化研究。

從以上研究可知，專家學(xué)者沒有對(duì)電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)運(yùn)動(dòng)可靠性進(jìn)行研究，為此本文運(yùn)用軟件ADAMS建立電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)虛擬樣機(jī)模型，運(yùn)用參數(shù)化建模的方法實(shí)現(xiàn)尺寸誤差和間隙誤差對(duì)運(yùn)動(dòng)可靠性的研究，最后運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論研究尺寸誤差、間隙誤差以及驅(qū)動(dòng)誤差對(duì)模型運(yùn)動(dòng)可靠度的影響度，為電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和批量生產(chǎn)提供參考和技術(shù)支持。

1 電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)運(yùn)動(dòng)可靠性模型

1.1 電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)工作原理

電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。前掃盤機(jī)構(gòu)水平運(yùn)動(dòng)由齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，齒輪6由旋轉(zhuǎn)電機(jī)4帶動(dòng)，與安裝在底板1上的齒條7嚙合，并帶動(dòng)整個(gè)工作臺(tái)12沿導(dǎo)軌2實(shí)現(xiàn)水平方向運(yùn)動(dòng)；豎直方向運(yùn)動(dòng)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)3帶動(dòng)螺紋桿13運(yùn)動(dòng)，螺紋桿13與滑塊8通過螺紋連接，則當(dāng)螺紋桿13與滑塊8之間的螺紋轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滑塊8在工作臺(tái)滑槽內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，因此該機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)前掃盤在水平方向和豎直方向靈活運(yùn)動(dòng)控制。

圖1 前掃盤機(jī)構(gòu)示意圖

1.2 電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)運(yùn)動(dòng)可靠性建模

運(yùn)用ADAMS建立電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)運(yùn)動(dòng)可靠性模型，建模包括建立幾何模型、施加約束機(jī)構(gòu)以及添加驅(qū)動(dòng)。由于模型比較復(fù)雜，需要根據(jù)實(shí)際尺寸加以簡化，簡化過程中要遵循以下原則：

1） ADAMS建模時(shí)，可以刪掉對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不起作用的零部件；

2）選用運(yùn)動(dòng)副時(shí)，要正確使用運(yùn)動(dòng)副表示相連接零部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系；

3）多個(gè)零部件固結(jié)時(shí)，可以用一個(gè)零件代替表示以減少運(yùn)動(dòng)副數(shù)量。

最終建立的電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)虛擬樣機(jī)模型如圖2所示。

圖2 電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)虛擬樣機(jī)模型

1.3 可靠度計(jì)算

以計(jì)算位移可靠度為例，理想位移與實(shí)際位移之間的誤差如式（1）所示

因而，經(jīng)過i次仿真，誤差的均值μ和方差σ2如式（2）和式（3）所示

本文中考慮的三種誤差均服從正態(tài)分布，則可靠度計(jì)算公式為

2 結(jié)果與討論

2.1 尺寸誤差對(duì)可靠度影響

圖3為電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)運(yùn)動(dòng)可靠度隨尺寸誤差變化曲線圖。從圖中可以看出，當(dāng)尺寸誤差在0～0.3mm之間變化時(shí)，該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可靠度逐漸降低，這表明機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可靠度與尺寸誤差呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是由于尺寸誤差的加大，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)之間的連接出現(xiàn)松動(dòng)，使機(jī)構(gòu)不按照預(yù)定的軌跡和速度運(yùn)行。并且，從圖中還可以看到，在相同尺寸誤差下，加速度可靠度最小。這是由于尺寸誤差導(dǎo)致的誤差積累效應(yīng)造成的，因而放大了尺寸誤差對(duì)加速度可靠度的影響。

圖3 運(yùn)動(dòng)可靠度隨尺寸誤差變化

2.2 間隙誤差對(duì)可靠度影響

圖4為電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)運(yùn)動(dòng)可靠度隨間隙誤差變化曲線圖。從圖中可以看出，當(dāng)間隙誤差在0～0.03mm之間變化時(shí)，該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可靠度逐漸降低，這表明機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可靠度與間隙誤差呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是由于間隙誤差的加大，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦加劇，因而機(jī)構(gòu)零部件的受力不穩(wěn)定，則運(yùn)動(dòng)可靠度出現(xiàn)相應(yīng)的降低。

圖4 運(yùn)動(dòng)可靠度隨間隙誤差變化

2.3 驅(qū)動(dòng)誤差對(duì)可靠度影響

圖5為電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)運(yùn)動(dòng)可靠度隨驅(qū)動(dòng)誤差變化曲線圖。從圖中可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)誤差在0～0.3°之間變化時(shí)，該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可靠度逐漸降低，這表明機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可靠度與驅(qū)動(dòng)誤差呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。驅(qū)動(dòng)誤差是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠度直接降低的原因，驅(qū)動(dòng)誤差的加大，直接導(dǎo)致了機(jī)構(gòu)的位移、速度和加速度的變化。比較的“母序列”，記其特征向量矩陣為式中，y（k）為參考序列；［y（1） y（2） … y（n）］ 參考序列中的數(shù)據(jù)。

設(shè)系統(tǒng)影響因素向量有m個(gè)，在這些因素影響下被研究的工況有n種，記其相應(yīng)的特征向量矩陣為式中，x（k）為對(duì)應(yīng)于參考序列y（k）的比較序列。

Step2：原始數(shù)列無量綱化。為減小分析識(shí)別的錯(cuò)誤概率，在計(jì)算前，需要對(duì)各具有不同量綱的特征參數(shù)進(jìn)行無量綱化，本文采用數(shù)據(jù)區(qū)間化無量綱化，方法如下式中，k=1，2，3，…，n。

Step3：計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

Step4：計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度?；疑P(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式為

圖5 運(yùn)動(dòng)可靠度隨驅(qū)動(dòng)誤差變化

3 灰色關(guān)聯(lián)分析

3.1 灰色關(guān)聯(lián)理論

灰色關(guān)聯(lián)理論是一種將定量和定性相結(jié)合的方法，使原本復(fù)雜的問題變得更加清晰簡單，而且計(jì)算方便、結(jié)論客觀，此方法已經(jīng)成功用于很多方面。本文用此方法研究尺寸誤差和間隙誤差以及驅(qū)動(dòng)誤差對(duì)電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)運(yùn)動(dòng)可靠度的影響程度，具體步驟如下：

Step1：確定參考序列和比較序列。參考序列是進(jìn)行

式中，r為影響因素與目標(biāo)參數(shù)之間灰色關(guān)聯(lián)度。

Step5：評(píng)價(jià)分析。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的大小，對(duì)各影響因素進(jìn)行排序。

3.2 實(shí)例應(yīng)用

為研究影響電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)運(yùn)動(dòng)可靠度的因素，分別對(duì)不同尺寸誤差、間隙誤差和驅(qū)動(dòng)誤差等工況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到位移可靠度、速度可靠度和加速度可靠度的結(jié)果，如下表所示。

表 不同工況下運(yùn)動(dòng)可靠度結(jié)果

各工況下位移可靠度、速度可靠度和加速度可靠度分別為參考序列y1（k）、y2（k）和y3（k），尺寸誤差、間隙誤差和驅(qū)動(dòng)誤差分別為比較序列x1（k）、x2（k）和x3（k），以此研究這三個(gè)因素對(duì)電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)運(yùn)動(dòng)可靠度的影響程度。無量綱化后得到如下序列

不同工況下電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)運(yùn)動(dòng)可靠度的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣如下所示

將以上計(jì)算結(jié)果代入式（11），可得尺寸誤差、間隙誤差和驅(qū)動(dòng)誤差分別與位移可靠度、速度可靠度和加速度可靠度之間的關(guān)聯(lián)度，如圖6所示。從圖6中可以看出，尺寸誤差對(duì)位移可靠度、速度可靠度和加速度可靠度的影響最大，驅(qū)動(dòng)誤差的影響最小。

圖6 不同因素對(duì)運(yùn)動(dòng)可靠度的影響度

4 結(jié)束語

本文通過ADAMS建立電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)虛擬樣機(jī)模型，運(yùn)用參數(shù)化建模的方法實(shí)現(xiàn)尺寸誤差、間隙誤差和驅(qū)動(dòng)誤差對(duì)運(yùn)動(dòng)可靠性的研究，然后運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論研究尺寸誤差、間隙誤差以及驅(qū)動(dòng)誤差對(duì)模型運(yùn)動(dòng)可靠度的影響度得到如下結(jié)論：

1）尺寸誤差、間隙誤差以及驅(qū)動(dòng)誤差均與電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)的運(yùn)動(dòng)可靠度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；

2）尺寸誤差對(duì)電動(dòng)清掃車前掃盤機(jī)的運(yùn)動(dòng)可靠度影響最大，驅(qū)動(dòng)誤差的影響最小。

［1］紀(jì)玉杰， 孫志禮， 李良巧. 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠性的仿真［J］. 兵工學(xué)報(bào)， 2006， 27（1）： 116-120.

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2016-07-12）