拉臂车工作系统液压-机械联合仿真研究.pdf

第2 9 卷第5 期 V o L2 9N o 52 0 0 8 青岛理工大学学报 J o u r n a lo fQ i n g d a oT e c h n o l o g i c a lU n i v e r s i t y 拉臂车工作系统液压一机械联合仿真研究 刁兵1 刘大维1 陈焕明1 赵清俊2 1 青岛大学车辆T 程系 青岛2 6 6 0 7 1 2 重汽集团专用汽车公司 青岛2 6 6 0 3 1 摘要 利用三维实体建模软件P r o E 与机械系统动力学仿真分析软件A D A M S 建立了拉臂车工作系统机 械子系统 液压子系统模型 在A D A M S 环境中利用参数关联技术 将两个子系统模型集成 建立拉臂车工作 系统液压与机械一体化的虚拟样机模型 对工作系统作业过程进行仿真分析 研究结果为预见设计方案的可 行性及物理样机的试制提供参考 可提高产品开发速度和精度 降低开发成本 关键词 拉臂车 工作系统 液压一机械复合系统 虚拟样机 中图分类号 U 4 6 9 6 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 3 4 6 0 2 2 0 0 8 0 5 0 1 1 1 一0 4 AS t u d yo fH y d r o s t a t i ca n dM e c h a n i c a lC o S i m u l a t i o n f o rt h eH o o k lif tO p e r a t i o nS y s t e m D I A OB i n 9 1 L I UD a w e i l C H E NH u a n m i n 9 1 Z H A OQ i n g ja n 2 1 A u t o m o b i l eE n g i n e e r i n gD e p a r t m e n t Q i n g d a oU n i v e r s i t y Q i n g d a o2 6 6 0 7 1 C h i n a 2 S p e c i a lT r u c kC o m p a n y H e a v yM o t o rV e h i c l eG r o u p Q i n g d a o2 6 6 0 3 1 C h i n a A b s t r a c t T h em e c h a n i c a ls y s t e ma n dt h eh y d r o s t a t i cs y s t e mo fah o o k l i f ta r eb u i l tu s i n gt h e s o f t w a r eo fP r o Ea n dA D A M S A u t o m a t i cD y n a m i cA n a l y s i so fM e c h a n i c a lS y s t e m s T h e h y d r o s t a t i ca n dm e c h a n i c a lv i r t u a lh o o k l i f tm o d e li se s t a b l i s h e db yt h ei n t e g r a t i o no ft h et W O s y s t e m st h r o u g hp a r a m e t e rc o r r e l a t i o nt e c h n o l o g yu n d e rA D A M Se n v i r o n m e n ta n da1 a r g ea m o u n to fk i n e m a t i ca n dd y n a m i cs i m u l a t i o n sa n da n a l y s e sa r ec a r r i e do u t I ti se x p e c t e dt o u s et h er e s u l t st op r e d i c tt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g np l a na n dt r i a l p r o d u c t i o no ft h ep h y s i c a l p r o t o t y p eS Oa st or a i s et h es p e e da n dp r e c i s i o no fp r o d u c td e v e l o p m e n ta n dr e d u c et h ed e v e l o p m e n tc o s t K e yw o r d s h o o k l i f t o p e r a t i o ns y s t e m h y d r o s t a t i ca n dm e c h a n i cc o m p o s i t es y s t e m v i r t u a l p r o t o t y p e 拉臂车是一种箱体可卸式垃圾转运车辆 其车载工作系统通过连杆机构实现箱体自动装卸和垃圾的 倾卸 我国拉臂车的研究起步较晚 自主研发能力较差 大规格的拉臂车还主要依靠进口 近年来 虚拟样机技术作为一种新兴的设计手段 被越来越多地应用于工程设计和机械系统性能研 究n 5 应用数字化虚拟样机技术能有效地克服传统物理样机开发模式的缺陷 加快产品开发速度 节约开 发成本 为机一液复合系统设计 产品复合性能评价提供了一种有效的手段 借此技术 工程设计人员可在 收稿日期 2 0 0 8 一0 4 2 9 基金项目 青岛市科技局工业攻关项目 0 5 1 G X 2 3 作者简介 刁兵 1 9 8 3 一 男 山东青岛人 硕士 主要从事虚拟样机技术应用研究 E m a i l d i a o b i n 9 2 0 0 3 y a h o o c o m 饥 万方数据 1 1 2 青岛理工大学学报第2 9 卷 建造物理样机之前 在计算机上建立虚拟样机模型 模拟现实环境下系统的运动和动力特性 并根据仿 真结果对各种设计方案进行快速优化对比 在设计 早期就能确定关键的设计参数 预测产品系统性能 以减少产品开发阶段物理样机的试制 试验次数 节 省设计经费 缩短设计周期 提高产品质量及产品系 统性能 笔者以某公司研制中的拉臂车工作系统机 一益 a 箱体装卸 b 垃圾倾卸 图1 拉臂式垃圾车作业工况 一液复合系统建模为例 利用特征造型软件P r o E 和机械系统动力学仿真分析软件A D A M S 建立拉臂 车工作系统液压一机械复合系统的虚拟样机模型 对工作系统作业过程进行联合仿真分析 1 拉臂车工作系统虚拟样机模型的建立 1 1 拉臂车工作系统工作原理 图1 为拉臂车作业工况图 其作业过程可分为箱体装卸作业和垃圾倾卸作业 拉臂车工作系统 见图2 主要由举升油缸 拉臂 伸缩油缸 翻转架 锁紧架和副车架等部件组成 整箱装卸工况中 举升油缸与伸缩油缸相互配合完成作业 装 箱时 举升油缸回缩将箱体提升至副车架水平位置 然后伸缩油缸 伸出 箱体平移后完全落在副车架上 箱体卸下时 伸缩油缸缩回 使箱体后移 然后举升油缸伸出 将箱体卸下 垃圾倾卸时 拉臂与翻转架耦合为一体 举升油缸伸出倾卸箱 内垃圾 1 2 模型假设 在建立拉臂车工作系统虚拟样机模型时 做如下假设 1 在装卸过程中 只考虑运动构件和垃圾箱内物料对其性能 的影响 不考虑风力的影响 1 升油缸 2 托臂 3 4 申缩油缸 4 翻转架 5 锁紧架 6 副车架 图2 拉臂车工作系统 2 将工作系统副车架认为是刚体固定在拉臂车底盘车架上 不考虑车架 悬架 轮胎和地面变形等对 工作系统性能的影响 1 3 机械系统建模 A D A M S 软件中提供了三维几何建模的工具 但其功能较弱 对于复杂的三维模型需要花大量的 时间来完成建模工作 且不能保证模型的尺寸精度 和装配位置精度 笔者采用P r o E 实体设计软件完 成工作系统机械系统三维实体建模工作 把建好的 三维实体模型导入A D A M S V i e w 环境中 在A 阻 a 箱体装卸 b J 倾卸垃圾 图3 机械系统虚拟样机模型 A M S V i e w 环境下对样机几何模型添加约束 载荷等 图3 所示为箱体装卸作业和垃圾倾卸作业两种工 况的机械系统虚拟样机模型 1 4 液压系统建模 液压系统模块A D A M S H y d r a u l i c s 是A D A M S 软件的扩充模块之一 可利用A D A M S H y d r a u l i c s 模块建立工作系统液压系统模型 将液压系统和机械系统通过液压缸相连接 利用参数关联起来就将液压 系统与机械系统模型虚拟结合到一块 对工作系统进行动态特性联合仿真分析 虽然拉臂车工作系统的液压系统很复杂 但是具体分到每个工作回路 其工作原理除了执行元件的不 同 液压缸 外其他都是相同的 根据需要对液压油路进行了简化 并按功能划分为结构相似的起吊箱体 箱体平移 举升卸载 卸下箱体4 个工作回路 图4 所示为简化的起吊装箱液压工作回路模型 其他几个回路与此类似 起吊箱体时 换向阀由中位 万方数据 第5 期 刁兵 等 拉臂车工作系统液压一机械联合仿真研究 1 1 3 移至左位 下 时 液压油直接进入液压缸上腔 使活塞向下运动 从液压缸下腔流出的油通过背压阀回到 油箱 如达到一定压力 则向液压缸上腔补油 当换向阀由中位移至右位 上 时 压力油经单向阀进入液压 缸底部 液压缸上腔里的液压油回到油箱 活塞向上运动 举升箱体倾卸垃圾 2 仿真分析 仿真分析时 假定垃圾集装箱满载质量1 60 0 0 k g 液压系统最大压力夕一3 5M P a 液压缸活塞直径 D 1 4 0m m 活塞杆直径d 7 5m m 箱体滚轮与地面 和箱体与车架上滚轮接触处的静摩擦系数为0 1 5 动 摩擦系数为0 0 5 2 1 油缸作用力分析 图5 为举升油缸作用力变化曲线 起吊阶段 图5 a 举升油缸活塞杆收缩 油缸作用力在起吊箱体瞬 间迅速增大 随着箱体逐渐脱离地面被吊起 油缸作用 力开始下降 当箱体被吊至与车架上滚轮相接触时 油 卜油箱 2 液压泵 3 嵌向阀 4 背压阀 5 单向阀 6 蛐缸 图4 起吊装箱液压回路模型 缸作用力突然增加 拉臂转角为1 0 6 之后又开始下降 当拉臂转角为1 4 1 o 时 在箱体重力作用下油缸 作用力方向开始变化 增大到另一个峰值 举升倾卸垃圾阶段 图5 b 在换向阀芯打开的瞬间 油缸作 用力迅速增加 随着箱体被举起 油缸作用力开始下降 芝 2 油缸油腔压力分析 图6 为举升油缸无杆腔和有杆腔压力曲线 起吊阶段 图6 a 油缸活塞杆收缩 无杆腔油液受压 随着吊箱阻力的不断增大而增大 举升倾卸垃圾阶段 图6 b 油缸活塞杆伸出 无杆腔压力刚开始突然 增大 随后逐渐减弱 无杆腔压力始终大于有杆腔压力 差值逐渐减小 油缸力也逐渐减小 图5 b 藿 穴 垂 曩 一 瞿 邕 是 拉臂转角a a 起吊箱体 藿 荟 誊 爱 图5 油缸作用力变化曲线 二 二 三 三 主 二 二二 二二二 p 拉臂转角a a 起吊箱体 举升角a o b 倾卸垃圾 图6 油缸压力变化曲线 万方数据 1 1 4 青岛理工大学学报第2 9 卷 2 3 拉臂钩作用力分析 图7 所示为起吊过程中拉臂钩头的作用力 曲线 从图7 可看出 起吊开始瞬间 由于需克 服箱体与地面的摩擦阻力 拉臂钩头的作用力 迅速增大 当箱体的前部脱离地面后 拉臂转角 为3 3 6 拉臂钩头的作用力减小 但下降幅 度较小 当箱体与车架上的导向滚轮相接触时 拉臂转角为1 0 6 由于箱体与滚轮之间产生 接触冲击 而使拉臂钩头的作用力产生波动 最 大作用力出现在箱体后部脱离地面时 拉臂转 l 1 藿 荟 萎 篓 拉臂转角a 图7 起吊时拉臂钩头作用力与拉臂转角的关系 角为1 0 6 9 随着箱体逐渐被放置到水平位置 拉臂钩头作用力不断减小 3 结束语 通过对拉臂车工作系统液压一机械系统分别建立虚拟样机模型 利用参数关联技术使机械系统和液 压系统成为有机的整体 实现了工作系统机一液复合系统的联合动态仿真分析 打破了单纯机械设计的局 限性 仿真结果为物理样机的试制及其他型式机一液复合系统的设计和研究提供参考 可以用于研究液压 系统 机械系统参数改变对整机系统性能的影响及拉臂车工作系统设计 系统优化和方案论证 加快拉臂 车产品的开发速度 降低开发成本 提高市场竞争力 参考文献 R e f e r e n c e s 1 3 耿凯辉 钱志博 李斌茂 采用虚拟样机技术的凸轮活塞发动机关键部件的设计 J 工程图学学报 2 0 0 7 6 2 6 2 9 G E N GK a i h u i Q l A NZ h i b o L IB i n m a o K e yc o m p o n e n t sd e s i g no fc a m p i s t o ne n g i n eb yu s i n gv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y J J o u r n a lo fE n g i n e e r i n gG r a p h i e s 2 0 0 7 6 2 6 2 9 2 孟祥德 詹隽青 李立顺 自装卸系统虚拟样机设计与仿真分析口 现代制造工程 2 0 0 7 1 4 7 4 9 M E N GX i a n g d e Z H A NJ u n q i n g L I L i s h u n D e s i g na n ds i m u l a t i o n a n a l y s i s f o r v i r t u a lp r o t o t y p e o fs e l f l o a d i n g a n du n l o a d i n gs y s t e m J M o d e r nM a n u f a c t u r i n gE n g i n e e r i n g 2 0 0 7 1 4 7 4 9 I s 李同焕 王智明 高秀华 虚拟样机技术在轮式装载机设计中的应用研究 J 建筑机械 2 0 0 6 1 2 7 4 7 6 L IT o n g h u a n W A N GZ h i m i n g G A OX i u h u mS t u d yo na p p l i c a t i o no fv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yt od e v e l o p m e n to fw h e e ll o a d e r J C o n s t r u c t i o nM a c h i n e r y 2 0 0 6 1 2 7 4 7 6 4 时培成 王幼民 王立涛 等 挖掘机液压一机械复合系统建模与仿真研究 J 机械传动 2 0 0 7 3 1 3 2 6 2 9 S H IP e i c h e n g W A N GY o u r a i n W A N GL b t a o e ta LS t u d yo nm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fh y d r o s t a t i c m e c h a n i cs y s t e mf o rt h ee x c a v a t o r J J o u r n a lo fM e c h a n i c a lT r a n s m i s s i o n 2 0 0 7 3 1 3 2 6 2 9 5 高正国 刘大维 严天一 等 基于虚拟样机的自卸汽车卸载作业侧翻分析 J 安全与环境学报 2 0 0 8 8 1 1 3 8 1 4 1 G A OZ h e n g g u o L I UD a w e i Y A NT i a n y i e ta LR o l l o v e ra n a l y s i so fd u