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      多體動力學(xué)仿真分析在消防車變幅機(jī)構(gòu)計算中應(yīng)用

      2016-11-14 06:38:56張軍高志剛白冰
      專用車與零部件 2016年3期
      關(guān)鍵詞:臂架變幅消防車

      張軍 高志剛 白冰

      (徐工消防安全裝備有限公司,徐州 221004)

      多體動力學(xué)仿真分析在消防車變幅機(jī)構(gòu)計算中應(yīng)用

      張軍高志剛白冰

      (徐工消防安全裝備有限公司,徐州 221004)

      消防車臂架變幅機(jī)構(gòu)計算主要是鉸點力求解及變幅缸行程的確定,若采用經(jīng)典理論計算,是一個比較繁瑣的過程,需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,而且機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中,力臂也在不斷變化,需要選取多個典型工況進(jìn)行計算對比分析,尋求最大解,費時費力。而應(yīng)用ADAMS多體動力學(xué)仿真軟件很容易就解決了這些問題,只要把模型建立好,定義模型質(zhì)量,添加約束和載荷,通過仿真分析,就能提取想要的力、位移、角度、速度、加速度曲線。

      機(jī)構(gòu)計算;數(shù)學(xué)模型;力臂;ADAMS;多體動力學(xué);仿真

      引言

      消防車臂架變幅機(jī)構(gòu)是單自由度平面六連桿運(yùn)動機(jī)構(gòu),如圖1所示:其工作原理是通過變幅缸1的伸縮帶動連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動,從而實現(xiàn)驅(qū)動折疊臂2相對于伸縮臂5展收作業(yè)的。

      圖1 臂架變幅機(jī)構(gòu)示意圖

      1 模型建立

      將PRO-E變幅機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入到ADAMS平臺中,如上圖所示,根據(jù)模型的運(yùn)動關(guān)系定義約束和驅(qū)動。

      圖2 臂架變幅機(jī)構(gòu)分析模型圖

      2 定義質(zhì)量和載荷

      將各部件的質(zhì)量定義到機(jī)構(gòu)各桿件中,折疊臂600 kg,變幅缸180 kg水炮噴射反力2 000 N,噴射角度斜向上與水平成30°。

      圖3 油缸長度隨時間變化曲線

      3 分析過程

      (1)根據(jù)設(shè)定的變幅角度來求解油缸的全伸長度。假設(shè)臂架等角速度變幅20 s實現(xiàn)折疊臂相對伸縮臂0~175°變幅來進(jìn)行仿真分析,可求解變幅缸的長度隨時間變化曲線,如圖3所示,軟件同時提供圖表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化功能,從而得到油缸的行程為1 615 mm~2 732 mm。

      圖4 臂架變幅角度、角速度、角加速度隨時間變化曲線

      圖5 伸縮臂0°時油缸受力隨時間變化曲線

      圖6 伸縮臂30°時油缸受力隨時間變化曲線

      圖7 伸縮臂60°時油缸受力隨時間變化曲線

      圖8 伸縮臂83°時油缸受力隨時間變化曲線

      圖9  非噴水工況伸縮臂0°時油缸受力隨時間變化曲線

      (2)因變幅機(jī)構(gòu)是通過油缸伸縮來驅(qū)動的,油缸運(yùn)動近似勻速直線運(yùn)動。因此,仿真分析油缸受力則需通過給定油缸速度,從而求解臂架變幅角速度、角加速度以及各鉸點的受力,根據(jù)油缸行程求解出20 s折疊臂變幅油缸伸縮速度:(2 732-1 615)/20=55.85 mm/s,繪制臂架變幅角度、角速度及角加速度如下圖所示:其中紅線為角度曲線,藍(lán)色虛線為角速度曲線,粉色虛線為角加速度曲線,從圖中可看出初始加速度較大,5 s后趨平緩,而臂架消防作業(yè)伸縮臂和折疊臂夾角通常大于90°,此時臂架變幅加速度小,臂架微動性、穩(wěn)定性好。

      (3)連桿機(jī)構(gòu)確定后,給定油缸初始速度,那么臂架變幅的角速度和角加速度就定了,跟伸縮臂變幅角度無關(guān)。但油缸力的大小與伸縮臂與水平面的角度有很大關(guān)系,通過旋轉(zhuǎn)重力坐標(biāo)來模擬伸縮臂不同角度下的折疊臂變幅工況。得到0°、30°、45°、60°、83°的變幅缸受力曲線分別為:

      從圖5~圖8中可看出,當(dāng)伸縮臂初始角度為0°時,油缸受力較大,此時為拉力,大概15.5 t,隨著伸縮臂角度的增加,油缸初始力越來越小,因為折疊臂重力的力臂在不斷變小。第一個拐點出現(xiàn)是在折疊臂與水平面垂直的情況,此時油缸力接近為0,隨著折疊臂的舉升,油缸力逐漸變大,此時油缸為推力,得出最大推力為13 t,其他幾個角度下最大推力和拉力都小于0°工況。因此得出油缸的最大推力為13 t。

      因伸縮臂0°且伸縮臂與折疊臂夾角也為0°的工況是收臂工況,此時不噴水作業(yè),因此計算油缸最大拉力時,仿真分析需去掉水炮噴水載荷,得到的油缸力曲線如圖9所示:此時油缸最大拉力為12 t。

      4 結(jié)束語

      以上分析結(jié)果可以為消防車變幅機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件有限元分析提供載荷參考,為油缸設(shè)計提供計算依據(jù)。ADAMS多體動力學(xué)仿真分析軟件應(yīng)用,大大提高了消防車機(jī)構(gòu)計算的效率。

      [1] 陳立平.機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程.清華大學(xué)出版社,2005

      [2] 王國強(qiáng).虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實踐.西北工業(yè)大學(xué)出版社,2002

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