基于SolidWorks对垃圾压缩机举升油缸动力学仿真分析.pdf

机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 7 年第 7 期网址 电邮 hrbengineer 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 7 年第 7 期网址 电邮 hrbengineer 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 7 年第 7 期网址 电邮 hrbengineer 基于SolidWorks对垃圾压缩机举升油缸动力学仿真分析 崔希海1 杨磊 张云鹏 赵倩 1 山东科技大学 山东 泰安 271000 2 山东科技大学 机械电子工程学院 山东 青岛 266590 摘要 以移动式垃圾压缩机为例 介绍了关于以SolidWorks为平台快速进行零部件的三维建模及其虚拟装配的新方法 并 利用SolidWorks运动仿真插件Motion对举升油缸进行动力学仿真 着重阐述了对模型进行运动仿真的思路和技巧 仿真前 的准备 驱动加载 载荷施加等 绘制了举升油缸受载荷变化曲线 对举升油缸工作性能的评估具有重要的指导意义 关键词 垃圾压缩机 运动仿真 举升油缸 载荷 性能 中图分类号 TP 391 7 TH 122文献标志码 A文章编号 7 07 012 3 Dynamics Simulation Analysis of Garbage Compressor Lifting Oil Cylinder Based on SolidWorks CUI Xihai1 YANG Lei ZHANG Yunpeng2 ZHAO Qian2 1 Shandong university of Science and Technology Taian271000 China 2 Machinery and Electronics Engineering Institute Shandong University of Science and Technology Qingdao 266590 China Abstract Taking mobile garbage compressor as an example this paper introduces a new method of 3D modeling and virtual assembly of components quickly with SolidWorks as a platform and simulates the dynamic simulation of lifting cylinder with SolidWorks motion simulation plug This paper focuses on the ideas and techniques of simulating the model the preparation of the simulation the loading of the load the load application etc and draws the load curve of the lifting cylinder to provide a reference for the evaluation of the working performance of the lifting cylinder Key words garbage compressor motion simulation lifting cylinder load performance 0引言 随着我国城市化进程的加快和人们生活水平的提高 城市生活垃圾的处理已成为城市环卫部门正面临的严峻 问题 1 在城市人口密集区合适的位置建设垃圾中转站 是一种有效的垃圾处理模式 2 而垃圾压缩机则是垃圾中 转站中最为关键设备 本文主要对移动式垃圾压缩机的举 升翻转机构进行了研究 利用SolidWorks对举升翻转机构 的零部件三维建模 再对各零部件进行虚拟装配 结合 SolidWorks运动仿真插件Motion 模拟垃圾压缩机举升翻 转机构的实际工况 输出其整个工作周期内举升油缸受载 荷的变化点域 根据点域利用Excel绘制举升油缸载荷变 化曲线 3 以此为参考来指导后续的举升机构优化设计 1举升翻转机构的组成及其工作原理 举升翻转机构为左右对称机构 4 取其结构的1 2进 行研究 主要由上料斗总成 举升臂总成 拉杆总成以及 举升油缸总成组成 举升底座焊接在压缩箱体上且铰接 举升臂总成 举升液压缸 当上料斗总成盛满垃圾 举升 油缸总成伸长驱动举升臂总成发生旋转 举升臂总成通 过连杆总成带动上料斗总成 使上料斗总成绕与箱体总 成的铰接点举升翻转 将上料斗总成内的垃圾倒入箱体 总成内的压缩腔 当举升油缸总成伸长驱动的举升臂总 成旋转至最大角度 上料斗也就到达最终位置 举升油缸 总成收缩驱动举升臂总成 同时上料斗总成在自身重力 作用下复位 在整个过程中 对举升油缸载荷变化的分析 是本文分析的重点 举升翻转机构的结构如图1所示 2运动仿真模型的建立 2 1受力分析 举升油缸的受载荷分析是举升翻转机构的主要研究 内容 由于举升油缸两端铰链处受到一对大小相等 方向 相反的力 5 分别对铰链A和D取力矩平衡 求得油缸推力 公式为 6 Fd G XGl1 l2l3 式中 G为料斗及垃圾的总重量 kg XG为料斗及垃圾的质 心横坐标 l1 l2 l3分别为铰链A到BC的距离 铰链A到EF 的距离 铰链D到BC的距离 举升翻转机构的运动简图如 图2所示 2 2三维模型建立 垃圾压缩机的举升翻转机构结构复杂 零部件较多 在满足正常工作的前提下 按照垃圾压缩机实际工作的 基本原理与总体结构尺寸 简化模型外形 使用 SolidWorks创建举升翻转机构的各个零部件三维模型 并 图1举升翻转机构结构图 1 上料斗总成2 拉杆总成3 举升臂总成4 举升油缸总成 5 举升油缸底座总成6 箱体总成 3 6 12 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 网址 电邮 hrbengineer 7 年第 7 期 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 网址 电邮 hrbengineer 7 年第 7 期 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 网址 电邮 hrbengineer 7 年第 7 期 分别设置质量特性 根据各零部件的工作运动关系 添加 配合进行几何样机的装配 建立装配体模型 在此基础 上 进行动力学仿真模型的建立 7 举升翻转机构的三维 模型如图3所示 3运动仿真分析 3 1仿真分析前的准备 1 对装配体进行干涉检查 8 验证固定和浮动的零部 件是否正确 2 加载Motion插件 新建运动算例 添加引 力 方向为Y轴负半轴 大小为默认值 3 运动算例类型选 择 Motion分析 设置运动属性为每秒帧数为50 3 2添加驱动马达 单击 马达 在举升油缸的活塞杆的表面添加线性 马达 9 相对运动零部件选择举升油缸的缸筒 设置运动 类型为 表达式 根据设计要求选择举升液压油缸的驱 动函数为STEP函数 10 阶跃函数的形式为 STEP x x0 h0 x1 h1 式中 x为自变量 该式中x为时间变量 x1为油缸运动时间 的开始值 h0为油缸运动时间的结束值 h1为油缸运动位 移的初始值 为油缸运动位移的最终值 根据移动式垃圾压缩机的设计参数及要求 11 当上 料斗完成垃圾收集后举升上翻 在上翻至一定位置时开 始将垃圾倒入压缩腔 并最终上翻到位 时间为22 s 然后 举升油缸保压3 s 随后完成垃圾投放的上料斗下翻复位 至地面 时间为20 s 所需液压油缸行程为486 5 mm 由 此可得举升翻转机构的驱动函数 STER time 0 0 22 486 5 STEP time 22 0 25 0 STEP time 25 0 45 486 5 举升翻转油缸一个工作周期的驱动函数曲线如图4所示 3 3施加外部载荷 根据移动式垃圾压缩机举升翻转机构的实际情况 将其外部载荷均简化单向力形式 并分别作用于上料斗 的质心处 11 举升翻转机构实际工作时 上料斗中垃圾的 最大装载量为 700 kg 垃圾从上料斗投放至箱体内的起 止时间为0 25 s 上料斗垃圾载荷函数同样采用STEP函 数 所以举升翻转机构的外部载荷函数及曲线分别为 1 载荷函数 STEP time 0 6860 15 6860 STEP time 15 0 25 6860 2 载荷曲线 如图5所示 3 4输出举升油缸的受力分析结果 通过Motion Manager 工具栏 12 中的 结果和图解 举 升油缸受载荷随时间的变化图像如图6所示 由图6可知 举升油缸在举升初始阶段初始 油缸受 载荷出现小幅度波动 之后载荷平滑增长达到最大载荷 随后经过2次平顺起伏受载荷区域平缓稳定 整个举升过 程油缸在13 75 s和30 75 s时刻受载荷为零 在时刻为6 s 处受到最大载荷为Fmax 75 771 N 无骤增骤减冲击现象 受力平缓 未受到明显冲击载荷的作用 若油缸举升力大 于最大载荷 即可顺利完成整个举升行程 本举升翻转机构所使用的举升油缸的主要参数 13 如表1所示 根据液压系统设计要求 预设的工作压力P 18 MPa 计算举升油缸可提供的额定举升推力 14 y D X A E F B C 图2举升翻转机构运动简图 图3举升翻转机构的三维模型 图4举升油缸驱动曲线 400 00 位移 mm 10203040 8000 6000 4000 2000 力 N 1020 时间 s 图 5上料斗载荷曲线 75771 56828 37885 18943 00 9 0018 0027 0036 0045 00 时间 s 马达力2 N 图 6举升油缸受载荷曲线 表1举升油缸的主要参数mm 油缸型号缸径 D活塞杆径 d行程 HSG 110 70 49011070490 13 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 7 年第 7 期网址 电邮 hrbengineer 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 7 年第 7 期网址 电邮 hrbengineer 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 7 年第 7 期网址 电邮 hrbengineer 18 245 158 604 97 28 242 918 273 31 326 0011 0027 1011 00 426 000 5227 100 88 53 798 934 341 21 63 3121 104 4521 50 8045 60 9025 90 解析计算ADAMS 提取 表 1 铰点解析力与 ADAMS 中计算所得到力比较 铰点 Fx 105NFy 105NFx 105NFy 105N 软件 根据装船机的整体设备类型 将装船机模型分为以 下几类建立模型 大车行走 转台 L 架 主臂架 平衡臂 配重 前后拉板 将建立的三维实体模型 导入到 ADAMS 中 组装后的刚体几何模型如图 3 所示 对应个构件建立相关的约束副及运动副 进行动力 学仿真计算 可得出各个铰点的力 通过解析计算得到装船机单个X轴铰点的力以及从 ADAMS 中提取得到的力如表 1 所示 5结论 本文通过对装船机各结构铰点的分析 应用 ADAMS 建立装船机机械系统模型 并对各机构的运行进行分析 得出各铰点的受力 由表 1 明显可见 当忽略由于模型简 化带来的误差影响后 通过 ADAMS 中计算所得到的铰点 解析力值与解析计算所得到的力值非常接近 这表明 通 过 ADAMS 软件进行计算方针所得到结果能够较为真实 地反映结构受力情况 由此引入 ADAMS 软件 对各大型 机构计算将提供一种验证的方法 参考文献 1 张维健 煤炭码头装卸设备的现状及发展趋势 J 港口装卸 2005 5 48 50 2 李斌 王悦民 大型港口装船机结构载荷组合及计算 J 起重运输 机械 2009 3 9 12 3 李晓军 装船机的布置与特点 J 重工与起重技术 2015 4 18 19 4 石博强 申焱华 宁晓斌 等 ADAMS 基础与工程范例教程 M 北 京 中国铁道出版社 2007 15 16 编辑 明涛 作者简介 刘永生 1982 男 硕士 高级工程师 研究方向为大型 港口设备结构设计 收稿日期 2016 12 12 图 3 装船机刚体几何模型图 F额 D2 4 P 141 300 N Fmax F额 53 62 由计算可知 举升油缸的额定举升推力F额远大于油 缸所受的最大载荷Fmax 说明举升油缸完全可以达到举升 翻转机构的举升要求 15 且油缸举升推力余量充足 4结语 本文利用SolidWorks对举升翻转机构进行了三维建 模 虚拟装配 配合仿真插件Motion完成了对举升油缸动 力学仿真分析 输出举升油缸的受载荷随时间变化曲线 图 以此为参考能够较为准确地对举升油缸的工作性能 做出评估 也利于后续举升翻转机构的优化改进 参考文献 1 胡彩云 新型水平垃圾压缩机的设计与研究 D 长沙 中南大学 2013 2 钟沅羱 城市生活垃圾中转站评价及车辆收运路线优化研究 D 南京 南京航空航天大学 2010 3 李大磊 机构运动解析与仿真分析 M 北京 化学工业出版社 2013 37 38 4 蒋铮 垃圾转运设备翻转机构仿真及优化 D 扬州 扬州大学 2015 21 22 5 哈尔滨工业大学理论力学教研室 理论力学 M 北京 高等教育 出版社 2009 7 8 6 蒋铮 秦永法 垃圾转运设备翻转机构动力优化 J 机械工程与 自动化 2015 1