基于ADAMS的打包箱體四連桿機(jī)構(gòu)仿真系統(tǒng)分析與研究

文世昌 孫 奎 夏旭光 廖碧波

（中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司,湖南 長沙 410000）

目前，隨著科技的進(jìn)步，采棉機(jī)的更新?lián)Q代十分迅速，采棉打包機(jī)為最新產(chǎn)品，采棉打包機(jī)的關(guān)鍵部件是打包箱體，打包箱體結(jié)構(gòu)采用四連桿機(jī)構(gòu)，其中常見的平面連桿機(jī)構(gòu)分為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)。打包箱體四連桿機(jī)構(gòu)屬于雙搖桿機(jī)構(gòu)，具有能夠承受較大的載荷，各桿件之間的連接處容易潤滑；加工制造簡便，其運(yùn)動(dòng)精度較高；相鄰兩構(gòu)件之間的接觸相對封閉；四連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)造能夠?qū)崿F(xiàn)許多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律和軌跡需求等諸多優(yōu)點(diǎn)。通常機(jī)械四連桿機(jī)構(gòu)主要有急回、壓力與傳動(dòng)角、死角三個(gè)特性[1-5]。本文首先通過理論計(jì)算打包箱體四連桿受力最大位置，然后運(yùn)用ADAMS軟件對打包箱體四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，為油缸選型提供依據(jù)，最后進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性。

1 打包箱體四連桿結(jié)構(gòu)與工作原理

打包箱體在正常工作狀態(tài)下，箱體是閉合的，當(dāng)需要放包時(shí)，如圖1所示，由打包門油缸5作為原動(dòng)件的活塞桿一端伸出，前箱體作為機(jī)架4，通過將連架桿1支撐起后箱體（連桿2）帶動(dòng)中間連桿（連架桿3）一起轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到指定位置后，即可進(jìn)行關(guān)閉箱體動(dòng)作，通過液壓油缸原動(dòng)件1伸縮實(shí)現(xiàn)后箱體開合動(dòng)作。

圖1 打包箱體四連桿機(jī)構(gòu)平面圖

2 四連桿機(jī)構(gòu)理論分析

將打包箱體簡化表示，如圖2所示，此連桿機(jī)構(gòu)中總構(gòu)件數(shù)n=6，轉(zhuǎn)動(dòng)副個(gè)數(shù)為7以及1個(gè)移動(dòng)副，外加1個(gè)高副（點(diǎn)C處的連接方式為銷連接在腰型孔上，構(gòu)件在腰型孔上兩端接觸的公法線重合）。

即該機(jī)構(gòu)自由度個(gè)數(shù)為1，與原動(dòng)件數(shù)一樣，具有確定的運(yùn)動(dòng)。

圖2 四連桿機(jī)構(gòu)簡圖

構(gòu)件5受力分析：當(dāng)不計(jì)構(gòu)件6的重力影響，此時(shí)構(gòu)件6為二力桿結(jié)構(gòu)，受力方為兩力作用點(diǎn)的連線，且等值、反向，如圖3所示。

圖3 構(gòu)件6受力分析簡圖

以構(gòu)件5為研究對象，如圖4所示。點(diǎn)E處為來自構(gòu)件6作用力F1，方向與水平方向夾角為θ，點(diǎn)A處為鉸接點(diǎn)，受力方向用正交分力F2x和F2y表示，點(diǎn)Q為后箱體與前箱體結(jié)合點(diǎn)，設(shè)該點(diǎn)所受力沿斜面用正交分力F3a和F3b表示，其中β為角度尺寸，a、b、c、d、e、f、g、h、k、n、t、z為距離尺寸，G表示所受重力值。

圖4 構(gòu)件5受力分析簡圖

列平衡方程組有：

代入數(shù)據(jù)：F1=-15489N

F2x=15 934.5N

F3a=-5 33.6N

F2y=40 273N

F3b=20.3N

取構(gòu)件3進(jìn)行研究分析，分析受力簡圖，如圖5所示，其中k1、k2、k3為距離尺寸。

列平衡方程組有：

Fx2·k2-F推·k1-Fy2·k3=0

代入數(shù)據(jù)：F推=154 167 N

圖5 構(gòu)件3受力分析簡圖

即所求油缸的總推力值為15 4167N、單個(gè)油缸推力值約為77 084 N。

3 打包箱體四連桿ADAMS仿真與分析

3.1 打包箱體模型建立

ADAMS 作為一種機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件，三維建模功能較差，可從其他三維軟件導(dǎo)入。為減少仿真時(shí)間以及運(yùn)算量，在不影響仿真效果的前提下，將前箱體多余的部件省去，應(yīng)用三維軟件CREO對打包箱體進(jìn)行實(shí)體建模，并以X_T格式導(dǎo)入ADAMS軟件中，如圖6所示。

圖6 打包箱體簡化版幾何模型

將打包箱體四連桿三維模型導(dǎo)入ADAMS后，并給所有零件定義材料屬性，系統(tǒng)根據(jù)定義的材料種類自動(dòng)計(jì)算部件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，或者通過 User Input直接定義Mass的屬性。運(yùn)用User Input方法直接對Bodies進(jìn)行質(zhì)量的添加[6-8]。

3.2 仿真參數(shù)前處理設(shè)定

后箱體整體總質(zhì)量設(shè)定為 3 000kg，并且在后箱體位置模擬棉包施加給后箱體上的力，在箱體轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，添加STEP函數(shù)（圖6c所示），對初始位置施加 131 70 N 的負(fù)載（棉包分力），作用位置在后箱體重心位置。將全部的部件質(zhì)量設(shè)置完畢后，在全局坐標(biāo)系中設(shè)置重力加速度 g=9 806.65 mm/s2，液壓油缸伸縮速度設(shè)定為120 mm/s，方向?yàn)?Y 的負(fù)方向，將打包箱體上的鉸接點(diǎn)位置設(shè)置銷連接，液壓油缸設(shè)置一個(gè)移動(dòng)副，同時(shí)在仿真界面設(shè)置步進(jìn)數(shù)值為100[9-12]，打包箱體總體的配置示意圖，如圖 7所示。

圖7 前處理面板及參數(shù)設(shè)置

3.3 箱體四連桿機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果與分析

如圖8所示，JOINT7和JOINT 8為二力桿上的兩旋轉(zhuǎn)副（即圖2中的C點(diǎn)位置），在0～8 s內(nèi)，由仿真曲線所示，推力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且最大推力值為Fmax=1.5×105N。

圖8 后處理仿真結(jié)果

可得出兩個(gè)液壓油缸的總推力應(yīng)不小于Fmax=1.5×105N，即單個(gè)液壓油缸的最大推力不小于7.5×104N（約7.5 t）。

4 田間試驗(yàn)

通過理論分析計(jì)算以及ADAMS仿真分析，可知打包箱體四連桿機(jī)構(gòu)原動(dòng)件所需最大推力值，依據(jù)最大推力值確定液壓油缸規(guī)格，并進(jìn)行田間試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，其中打包箱體有三種狀態(tài)，分別為正常工作狀態(tài)、運(yùn)輸狀態(tài)、放包狀態(tài)，如圖9所示。

選取合適的液壓油缸后，經(jīng)過田間試驗(yàn)測試，打包箱體四連桿機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)放包、采收狀態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)輸狀態(tài)等動(dòng)作，如圖9所示，同時(shí)為驗(yàn)證仿真的受力變化趨勢，對油缸進(jìn)行壓力檢測分析，油缸壓力值曲線變化如圖10所示。

圖9 打包箱體四連桿試驗(yàn)三種模式

圖10 打包門油缸受力情況

如圖7所示，通過Adams仿真軟件進(jìn)行分析，得到液壓油缸在箱體開啟過程中受力變化趨勢呈先急劇增大后減小最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)；而通過壓力檢測儀器實(shí)測液壓油缸在箱體開啟過程中，液壓油缸所受壓力值變化，如圖10藍(lán)色線條所示，在液壓油缸受力整體趨勢是先增大后減小趨勢，再增大后趨于平穩(wěn)狀態(tài)（由于田間作業(yè)過程中，地面不平，會導(dǎo)致壓力值波動(dòng)較大），液壓油缸最大受力點(diǎn)在箱體剛剛開啟階段，與ADAMS仿真結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

本文利用理論分析計(jì)算得出液壓油缸即四連桿結(jié)構(gòu)原動(dòng)件所需最大推力值，運(yùn)用 CREO軟件建立打包箱體三維模型，而后簡化模型后導(dǎo)入 ADAMS 軟件中進(jìn)行仿真分析，得到仿真最大值與理論計(jì)算值基本一致。通過計(jì)算以及仿真分析值，確定了油缸型號尺寸，進(jìn)行田間試驗(yàn)，并在開啟后箱體同時(shí)通過壓力監(jiān)測儀得到油缸受力變化趨勢。試驗(yàn)結(jié)果表明選取的液壓油缸可滿足開箱放包以及轉(zhuǎn)運(yùn)輸狀態(tài)的動(dòng)作，同時(shí)油缸壓力值變化曲線與ADAMS仿真結(jié)果基本一致，表明ADAMS仿真模擬打包箱體四連桿開箱過程，具有一定意義的參考價(jià)值，可為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化提供可靠依據(jù)。