基于ADAMS的導(dǎo)煙車運(yùn)行機(jī)構(gòu)改進(jìn)及分析

寇 毅

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

U型管導(dǎo)煙技術(shù)是一種主要應(yīng)用于搗固焦?fàn)t的新型的導(dǎo)煙除塵技術(shù)，它不需建造裝煤除塵站，就既可實現(xiàn)裝煤除塵，又可回收荒煤氣，達(dá)到節(jié)能的效果。導(dǎo)煙車是U型管導(dǎo)煙技術(shù)的核心設(shè)備，它在焦?fàn)t爐頂上運(yùn)行，但是由于受熱不均勻，焦?fàn)t頂經(jīng)常會發(fā)生下陷，使用常規(guī)的剛性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)往往會出現(xiàn)車輪不同時著地，這種情況就會引起車輪輪壓受力不均勻，導(dǎo)致車輪輪壓增大，影響車輪壽命；導(dǎo)致焦?fàn)t頂部局部受力過大；輪壓不均，車輪行走過程產(chǎn)生偏斜，影響定位精度和加速軌道磨損等問題。本文針對剛性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)存在的上述問題，提出改進(jìn)建議，并對改進(jìn)前后的運(yùn)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)行仿真對比分析。

1 運(yùn)行機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

基于剛性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)存在的上述問題，對剛性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在車輪平衡架與小車架之間增加彈簧和連接梁，設(shè)計了彈性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，固定支座與連接梁、連接梁與平衡架體、平衡架體與兩個車輪通過鉸軸連接；固定支座與小車架用螺栓固定，以實現(xiàn)牽引小車架的前進(jìn)；連接梁與小車架之間設(shè)置彈簧，這樣小車架與車輪平衡架之間在豎直方向上可以發(fā)生相對位移，在遇到軌道下陷或凸起時，通過彈簧的伸長與壓縮就可以自動調(diào)整小車架與車輪平衡架之間的距離，保證車輪一直與軌道接觸。

圖1 彈簧連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)

2 導(dǎo)煙車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行仿真分析

2.1 三維模型的建立

本文采用Solidworks建立剛性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)和彈簧連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)的導(dǎo)煙車實體模型，并增加小車架、直軌道、下沉軌道，導(dǎo)入Adams后如圖2所示，其中軌道的最大下沉深度為50 mm。

圖2 導(dǎo)煙車的實體模型

2.2 添加約束和驅(qū)動

根據(jù)導(dǎo)煙車實際運(yùn)行時各部件間的關(guān)系，對其動力學(xué)仿真模型施加約束，對2個驅(qū)動車輪的旋轉(zhuǎn)副添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。為了模擬車輪在啟動時的實際特點，保證施加轉(zhuǎn)速時不至于發(fā)生突變，采用階躍函數(shù)使轉(zhuǎn)速在1 s的時間內(nèi)從0增加到163.7（°）/s，得到導(dǎo)煙車車輪的速度驅(qū)動函數(shù)：STEP（time ，4 ，0 d，5，-163.7 d）。即在 0～4 s車輪靜止，4～5 s車輪的轉(zhuǎn)速由0 增加到 163.7（°）/s，5 s以后車輪保持 163.7（°）/s的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

2.3 接觸定義

車輪與軌道接觸是一種連續(xù)的接觸，在ADAMS中可以采用IMPACT函數(shù)來定義輪軌之間的接觸力，它由接觸剛度、接觸阻尼、嵌入深度等一系列參數(shù)通過動態(tài)判斷接觸點位置來計算兩個接觸體之間的接觸力。通過查閱資料，本文定義接觸剛度為106 N/mm，接觸阻尼為5 000 N·s/mm，嵌入深度為0.01 mm，剛度力指數(shù)為1.5。接觸求解器選擇Parasolid方式，可以獲得準(zhǔn)確的接觸邊界，避免默認(rèn)的多邊形邊界引起車輪滾動過程中的高頻振動。

2.4 仿真結(jié)果

為了更清楚地闡述仿真結(jié)果，對模型中的車輪和支承點進(jìn)行編號，車輪平衡架中的零件和彈簧也與支承點的編號相對應(yīng)，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)煙車模型編號

2.4.1 車輪輪壓分布分析（見圖4）

圖4 車輪輪壓分布圖

在通過下沉軌道時，剛性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)的車輪1、2、5、6這4個車輪基本處于懸空狀態(tài)，輪壓突變?yōu)榱?，這就容易導(dǎo)致車輪打滑，而其余4個車輪的輪壓翻倍的工況，對于焦?fàn)t頂和導(dǎo)煙車自身的受力均不利；而彈簧連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)的車輪1、2、5、6始終與軌道接觸，并沒有出現(xiàn)分離，車輪輪壓只減小了10%左右，并且車輪輪壓并沒有發(fā)生突變，其余4個車輪的輪壓也只增大了10%左右，這證明彈簧連接的運(yùn)行機(jī)構(gòu)能夠起到良好的緩沖作用，有效避免了采用剛性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)的導(dǎo)煙車在通過下沉軌道時出現(xiàn)的不利工況。

2.4.2 小車架運(yùn)動情況

剛性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)的支承點B和D幾乎沒有位移，支承點C向上運(yùn)動了10 mm左右，支承點A向下運(yùn)動了10mm左右；彈性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)的支承點B和D向下運(yùn)動了6 mm左右，相對于支承點B和D，支承點C向上運(yùn)動了12 mm左右，支承點A向下運(yùn)動了12 mm左右。剛性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)的小車架只是支承點A和C繞著BD軸發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，并未發(fā)生整體下移；而彈簧連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)小車架不僅發(fā)生了整體下移，同時支承點A和C繞著BD軸發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，兩者的旋轉(zhuǎn)方向一致，但是轉(zhuǎn)動角度有所差別，彈簧連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)支承點A和C的轉(zhuǎn)動角度大于剛性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)。實際上剛性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)的小車架處于一個不平衡的狀態(tài)，如果小車架的重心發(fā)生動態(tài)變化，就會支承點A和C出現(xiàn)繞著BD軸不停轉(zhuǎn)動的“蹺蹺板”現(xiàn)象，這時剛性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)支承點A和C的旋轉(zhuǎn)角度會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈簧連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)。

圖5 小車架各支承點的y向坐標(biāo)變化曲線

圖6 小車架各支承點的y向加速度變化曲線

剛性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)中各支承點的y向速度和加速度均為瞬時的，對結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的沖擊；而彈簧連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)由于增加了彈簧，各支承點的y向速度和加速度是連續(xù)變化和波動的，這就減輕了對結(jié)構(gòu)的沖擊，但是帶來了新的問題，小車架一直處于動態(tài)平衡中，一旦受到外界因素的影響，就會打破原有的平衡，進(jìn)而出現(xiàn)上下振動，這種振動無法消除。

3 結(jié)語

針對導(dǎo)煙車剛性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)通過下沉軌道時出現(xiàn)的問題，設(shè)計了彈簧連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)。通過ADAMS軟件建立了導(dǎo)煙車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的仿真模型，分別對剛性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)和彈簧連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動力學(xué)仿真，對兩種連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)的結(jié)果進(jìn)行對比，得到在通過下沉軌道時，彈簧連接的運(yùn)行機(jī)構(gòu)能夠有效避免采用剛性連接運(yùn)行機(jī)構(gòu)的導(dǎo)煙車出現(xiàn)的不利工況，起到良好的緩沖作用；但是彈簧連接的運(yùn)行機(jī)構(gòu)相對剛性連接車輪平衡架增加了鉸軸、連接梁和彈簧等部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，同時由于彈簧的存在導(dǎo)致小車架存在一定的振動，且無法消除。因此在設(shè)計中我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)軌道下沉深度的實際工況，選擇合理的彈簧剛度，既能滿足通過下沉軌道的要求，又能保證小車架的振動在合理的范圍內(nèi)。