基于Adams翻轉(zhuǎn)式弧形水工閘門的連桿參數(shù)的優(yōu)化

畢節(jié)市工業(yè)學(xué)校 ，貴州畢節(jié) 551700

水利工程是一項(xiàng)民生工程，長(zhǎng)期以來，國(guó)外專家對(duì)水工閘門及其啟閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量且深入的研究，積累了豐富的理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，研制出了一批性能突出、可靠性高的閘門啟閉機(jī)構(gòu)。然而目前我國(guó)閘門啟閉機(jī)構(gòu)的技術(shù)發(fā)展比較緩慢。目前，尤其針對(duì)跨距水工閘門及啟閉機(jī)構(gòu)的研究文件甚少。隨著國(guó)內(nèi)外一些水工閘門在開啟閉合過程中出現(xiàn)啟閉超載、卡死，甚至閘門破壞等事故，閘門的運(yùn)行安全越來越被重視[1-3]。

水工閘門在水利水電工程建筑物中起著泄水或蓄水的作用，通過閘門的啟閉能夠?qū)嵳{(diào)節(jié)水位、控制流量、排澇、灌溉、發(fā)電及通航等功能。為了保證閘門在啟閉過程中平穩(wěn)安全運(yùn)行，針對(duì)跨距為60m的翻轉(zhuǎn)式閘門的啟閉機(jī)構(gòu)，為了提高啟閉機(jī)構(gòu)的在運(yùn)行過程中的平穩(wěn)性能，本文運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)六連桿啟閉機(jī)進(jìn)行仿真，分析了六連桿啟閉機(jī)參數(shù)對(duì)閘門在靜水環(huán)境下閉合過程中的影響，為改善翻轉(zhuǎn)閘門啟閉過程的平穩(wěn)性能提供了理論依據(jù)[2-5]。

1 翻轉(zhuǎn)式閘門啟閉機(jī)構(gòu)的工作原理

翻轉(zhuǎn)式閘門啟閉機(jī)構(gòu)主要由弧形閘門、連接桿AB、連桿臂 BC、吊臂 CD、吊臂 DE、活塞連桿EF及液壓缸F等組成，翻轉(zhuǎn)式閘門啟閉機(jī)構(gòu)的工作原理如圖1所示。啟閉機(jī)構(gòu)工作時(shí)，通過液壓缸F勻速驅(qū)活塞連桿EF，吊臂DE和吊臂CD固連在一起繞D點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，在吊臂CD翻轉(zhuǎn)的情況下帶動(dòng)連桿臂BC運(yùn)動(dòng)，同理連桿臂BC翻轉(zhuǎn)的情況下帶動(dòng)連接桿AB繞A點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，連接桿AB和弧形閘門以翻轉(zhuǎn)副連接，最終實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉過程[2]。

2 啟閉機(jī)構(gòu)的建模

Solidworks和ADAMS的系統(tǒng)默認(rèn)坐標(biāo)系都是笛卡爾坐標(biāo)系，因此建立的模型導(dǎo)入時(shí)視圖方向不發(fā)生變化。本文采用Solidworks軟件建立1:1實(shí)體啟閉機(jī)構(gòu)模型，該模型由連接桿AB、連桿臂BC、吊臂CD、吊臂DE、活塞連桿EF及液壓缸F，本模型以閘門翻轉(zhuǎn)中心A點(diǎn)為圓心建立坐標(biāo)系，優(yōu)化前建模的參數(shù)如圖2所示，優(yōu)化后建模的參數(shù)如圖3所示，將建好的模型以parasold(x_t)格式導(dǎo)入ADAMS中定義材料屬性，本模型的材料為Q620，施加約束和力，六連桿機(jī)構(gòu)中，連接桿AB與大地之間為翻轉(zhuǎn)副，連接桿AB和連桿臂BC之間為翻轉(zhuǎn)副，連桿臂BC和吊臂CD之間為翻轉(zhuǎn)副，吊臂CD和吊臂DE之間為固定副同時(shí)與大地之間為翻轉(zhuǎn)副，吊臂DE和活塞連桿EF之間為翻轉(zhuǎn)副，活塞連桿EF和液壓缸F之間為翻轉(zhuǎn)副，液壓缸F與大地之間為滑移副，液壓缸F為驅(qū)動(dòng)件，驅(qū)動(dòng)速度為0.0025 m/s，重力加速度方向沿Y軸負(fù)方向,單位為MKS制，仿真模型如圖4所示。

圖1 啟閉機(jī)工作原理圖

圖2 啟閉機(jī)參數(shù)優(yōu)化前

圖3 啟閉機(jī)優(yōu)化后參數(shù)

圖4 優(yōu)化后的仿真模型

3 結(jié)果分析

設(shè)置仿真時(shí)間為1 800 s，得到閘門在勻速驅(qū)動(dòng)下的閉合仿真過程，仿真過程可分為三個(gè)階段，第一階段：起始階段，第二階段：運(yùn)行階段，第三階段：結(jié)束階段。由于閘門與約束joint1和連接桿AB（part2）同步運(yùn)動(dòng)，在閉合角度相同的情況下，優(yōu)化前和優(yōu)化后翻轉(zhuǎn)式閘門質(zhì)心的角速度和角加速度如圖5和圖6所示，從圖5中可以看出，閘門質(zhì)心的初始角速度為0.082 d/s，優(yōu)化前閘門在起始階段和運(yùn)行階段沖擊和振動(dòng)較平穩(wěn)，但在結(jié)束階段閘門的沖擊和振動(dòng)非常顯著，優(yōu)化前的閘門質(zhì)心最大角速度和角加速度分別為0.77 d/s和0.013 d/s2。從圖6中可以看出，優(yōu)化后閘門質(zhì)心的初始角速度為0.066 d/s，閘門經(jīng)歷加速、減速、加速、減速的歷程，在起始階段和運(yùn)行階段，優(yōu)化后的沖擊和振動(dòng)比較平緩，但在結(jié)束階段，即接近閘門關(guān)閉工位時(shí)，優(yōu)化后閘門的速度和角速度同樣出現(xiàn)急劇變化，同樣會(huì)出現(xiàn)沖擊和振動(dòng)現(xiàn)象，優(yōu)化后的閘門質(zhì)心最大角速度和角加速度分別為0.083 d/s和0.0013 d/s2，優(yōu)化后閘門的沖擊和振動(dòng)明顯比優(yōu)化前小。

4 結(jié)論

大跨距閘門啟閉過程是人們所關(guān)心的熱點(diǎn)問題，運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)大跨距翻轉(zhuǎn)式弧形閘門的仿真報(bào)道甚少。本文運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)翻轉(zhuǎn)式弧形閘門閉合進(jìn)行仿真，直觀地觀察了翻轉(zhuǎn)式弧形閘門閉合的整個(gè)過程，分析了六連桿啟閉機(jī)參數(shù)對(duì)閘門在靜水環(huán)境下閉合過程中的影響。得到以下結(jié)論：

(1)優(yōu)化前，六連桿啟閉機(jī)構(gòu)在閘門停止運(yùn)行前的結(jié)束階段沖擊和振動(dòng)比較顯著。

圖5 優(yōu)化前的啟閉角速度和角加速度

圖6 優(yōu)化后的啟閉角速度和角加速度

(2)優(yōu)化后，六連桿啟閉機(jī)構(gòu)在閘門停止運(yùn)行前的結(jié)束階段的沖擊和振動(dòng)較小。

(3)合理的減小啟閉機(jī)構(gòu)在閘門運(yùn)行的起始階段和停止前的結(jié)束階段的驅(qū)動(dòng)速度，減小對(duì)閘門的沖擊和振動(dòng)。

(4)優(yōu)化啟閉機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)參數(shù)及合理的布局，減小對(duì)閘門的沖擊和振動(dòng),本仿真有助于深入了大跨距翻轉(zhuǎn)式弧形閘門啟閉機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)閘門啟閉過程的影響，通過優(yōu)化機(jī)構(gòu)參數(shù)及機(jī)構(gòu)布局，降低制造成本；有助于了解閘門沖擊和振動(dòng)產(chǎn)生和存在的規(guī)律；有利于提高閘門質(zhì)量和使用性能，減少因沖擊和振動(dòng)引起的破壞性事故；簡(jiǎn)化啟閉機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)過程，為探索大跨距翻轉(zhuǎn)式弧形閘門啟閉過程提供了一種新方法。有必要進(jìn)行深入研究合理地選擇機(jī)構(gòu)參數(shù)、合理布局、驅(qū)動(dòng)速度等，本仿真還有待進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。