基于ADAMS抓斗机构运动和受力分析.pdf

2 0 1 1 年第4 期 总第2 3 7 期 农业装备与车辆工程 A G R I C U L T U R A LE Q U I P M E N T V E H I C L EE N G I N E E R I N G N O 42 0 1 l T o t a l l y2 3 7 d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 1 0 4 0 0 4 基于A D A M S 抓斗机构运动和受力分析 张春山 潍坊学院机电工程学院 山东潍坊2 6 1 0 6 1 摘要 研究多体系统的运动学和动力学问题 以挖泥船抓斗为例 运用A D A M S 软件分析了抓斗机构的运动和受 力情况 首先建立了抓斗机构的三维模型 并定义运动副 添加驱动以及施加作用力 最后通过后处理模块进行 了运动和受力分析 所得结论为日后抓斗的设计提供参考依据 关键词 多体系统 A D A M S 抓斗机构 中图分类号 T H l l 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 11 0 4 0 0 1 0 0 3 M o r io na n dF o r ceA n a l y s iso ft h eG r a bM e ch a n is mB a s e do nt h eA D A M S Z h a n gC h u n s h a n M e ch a n ica la n dE l e ct r ica lE n g in e e r in gD e p a m n e n t W e if a n gU n iv e r s it y W e if a n g2 6 1 0 4 1 C h in a A b s t r a ct I nt h isp a p e r k in e m a t icsa n dd y n a m icso fm u l t i b o d ys y s t e miss t u d ie d T a k in gt h ed r e d g e rg r a bb u ck e tf o re x a m p l e t h em o t io na n df o r ces it u a t io no ft h eg r a bm e ch a n is misa n a l y z e dw it ht h es o f t w a r eA D A M S F ir s t3 Dm o d e lo ft h eg r a b m e ch a n is mw a sb u il t k in e m a t ic p a ir s a d d it io nd r iv e sa n dim p l e m e n t in ga ct io nf o r cew e r ed e f in e d f in a l l ym o t io na n df o r ce a n a l y s isw a sca r r ie do u tw it hp o s t p r o ce s s in gm o d u l e n er e s u l t sw il lp r o v id er e f e r e n cef o rd e s ig no fg r a bb u ck e tinf u t u r e K e y w o r d s m u l t i b o d ys y s t e m A D A M S g r a bm e ch a n is m 1 引言 抓斗机构是挖泥船中最至关重要的部分 抓 斗机构属于多体运动系统 运动复杂 受力情况变 化多样 为了满足实际的要求 仅靠传统的设计方 法来完成设计不仅需要投入大量的人力物力财 力 而且设计周期漫长 随着计算机技术的飞速发 展 出现了一大批计算机辅助设计软件 其中尤以 美国机械动力公司开发的A D A M S 仿真软件 是 世界上最具权威性的 使用范围最广的多体系统 动力学分析软件 用户使用该软件 可以自动生成 包括机一电一液一体化在内的 任意复杂的多体 动力学数字化虚拟样机模型 能为用户提供从产 品概念设计 方案论证 详细设计到产品方案修 改 优化 试验规划甚至故障诊断各阶段 全方位 高精度的仿真计算分析结果 从而达到缩短产品 开发周期 降低开发成本 提高产品质量及竞争力 的目的 A D A M S 软件 3 棚能够帮助工程师更好地理解 系统的运动 解释其子系统或整个系统即产品的 收稿日期 2 0 1 l 0 1 2 0 作者简介 张春d J 0 9 6 5 一 男 山东潍坊人 高级工程师 研究方向 机械设计 一1 0 一 设计特性 比较多个设计方案之间的工作性能 预 测精确的载荷变化过程 计算其运动路径 以及速 度和加速度分布图等 因此 本文运用A D A M S 软 件分析了抓斗机构的运动和受力情况 首先建立 了抓斗机构的三维模型 并定义运动副 添加驱动 以及施加作用力 最后通过后处理模块进行了运 动和受力分析 2 几何模型的建立和装配 2 1 建立挖掘装置零部件模型 斗容量Q 平均斗宽B 抓斗挖掘半径R 和装 斗挖掘装满角a 是抓斗装置的4 个主要参数 R B Q 三者与a 之有以下几何关系 目标函数 Q 1 2 尺2 B 2 a l s in K j 1 式中 土壤松散系数 近似值取1 2 5 约束 条件 0 o r 9 0 0 0 8 m R 1 2 m 采用外点惩罚函数 法对目标函数的参数进行优化 具体优化过程为 以斗容量Q 最大为目标 利用进退法进行初始区 间的确定 然后利用黄金分割法进行一维收索 利 用变量轮换法进行维收索 最后通过外点惩罚函 数法来确定平均斗宽B 抓斗挖掘半径R 和装斗 挖掘装满角a 张春山 基于A D A M S 抓斗机构运动和受力分析2 0 1 1 年4 月 现假设抓斗的斗容量为Q o6 m 3 利用上述优 化方法得到的平均斗宽B 抓斗挖掘半径R 和装 斗挖掘装满角a 分别为B 06 5 m R Il m ct 纠 0 0 如图l 所示 图3 斗座图4 抓斗机构装配凰 按照优化后的抓斗结构尺寸 在A D A M S v ie w 中建立抓斗的三维模型 再根据抓斗的模型 结构尺寸确立挖掘装置中其它零件的三维模型 包括主液压缸 侧液压缸 十字接头 斗座 销轴 等 其中十字接头 斗座的三维模型分别如图2 图3 所示 2 2 模型的虚拟装配 利用A D A M S V ie w 菜单栏中的 M o v e 命令 将各个部件移动到指定的位置后 逐个连接 分别 在销轴处添加旋转副 在液压杆和液压缸之间添 加滑移副 在主液压缸上添加固定副 最后抓斗机 构的装配图如图4 所示 23 抓斗机构受力分析 抓斗是一个对称机构 研究时通常取单个抓 斗进行讨论 液压挖掘装置单斗受力分析如图5 圈5 单斗受力分析简固 所示 其中 水平刃1 3 切人阻力 厅 一两侧 切人阻力 斤 一底板两侧摩擦力和粘聚力 厅 一两侧摩擦力和粘聚力 矗 棚4 液压缸压 力 厅 一主液压缸压力 c 斗重 日 b p o 3 1 r m b a B y 1 2 0 5 N B 3 1 仉 6 d 卢1 0 0 4 N F 3 丁1 B r I g a K c C Y B k N 1 0 2 3 N F 4 4 亩 K 小苦 y b K o t g a 2 K c C f 8 4 1 N 3 仿真结果分析 点击开始仿真按钮 注意运动时间一定要比 实际结束时间稍长一些 且小于步长 否则传感器 将不起作用 抓斗的挖掘张开角a 的变化反映了 抓斗的运动过程 抓斗从张开角 X 8 0 0 开始运动 直到张开角a 0 时停止 虚拟样机仿真运行时间 2 6 5 s 抓斗张开角n 的变化曲线如图6 所示 通过 测量侧液压缸的驱动在移动方向上的驱动力 获 得侧液压缸受力变化曲线 如图7 所示 侧液压杆 商 圈6 抓斗张开角口随时闻的变化曲线 l J 1 瞥 j 一 二上一t 工二 幸 L 7 一十一 r 描擀 L 一 田8 矗液压杆行程曲线 一图 一入 订一仑 l M E E M q 矧攫 2 0 1 1 年第4 期农业装备与车辆工程 4 一 啪 J 蛩 时间 s 图9 底座与十字接头连接处销轴受力曲线 t t I I l 0 01 0 02 0 D3 0 0 时间 s 图1 0 主液压杆受力曲线 l 一 口uT m 9 n H 厂 l l 矿 l J 图1 1 主液压杆的行程曲线图 行程曲线比较平缓 基本呈直线 即以匀速运行 在抓斗闭合后 侧液压杆行程达到最大2 6 5 m m 如 图8 所示 测量侧液压油缸与十字接头连接处的 转动副的受力 获得侧油压缸与十字接头联接处 销轴受力曲线 如图9 所示 通过测量抓斗主液压 缸在运动方向上的驱动力 得到主液压缸向上反 力曲线变化图1 0 所示 主液压杆行程曲线比较平 缓 基本呈直线 即以匀速运行 当主液压杆完全 收缩时 主液压杆行程达到最大4 7 0 m m 如图1 1 所示 一1 2 一 从图9 可以看出底座与十字接头连接处销 轴受力最大为1 8 3 0 0 N 在实际设计过程中 销轴 的直径是一个非常值得考虑的设计尺寸 因为太 细 销轴的强度不够 所以必须根据底座与十字 接头连接处销轴的实际受力大小情况计算所需 销轴直径 销轴直径计算 D m 腑 T 2 其中卜卜 许用剪应力 销轴的材料为4 5 号 钢 许用切应力取为 r 8 0 M P a n 安全系数 取n 5 将 r 8 0 M P a n 5 代入式 2 得 D 4 几肋r 下 们 4 5 x 1 8 3 0 0 1 3 1 4 x 8 0 x 1 0 6 叫 3 8 1 7 m m 从计算所得结果可知 所选销轴直径R 4 0 m m 在理论上是安全的 4 结论 运用先进的三维C A D 软件A D A M S 完成了 抓斗式挖掘装置几何建模 虚拟装配的研究 并利 用A D A M S 强大的运动学和动力学仿真分析功能 通过添加约束 驱动 载荷和传感器后 绘制并分 析了抓斗机构张开角等变化曲线图 为1 3 后液压 系统的设计提供了理论依据 通过测量约束副的 作用力 可以得