牛 勇，張營杰，房志遠，衛(wèi)凌云，范玉林，王宏亮，馮東曉，韓炳濤

(金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710032)

1 前言

鍛造操作機具有重載、精密、高速、智能、柔性等特點，與自由鍛造液壓機協(xié)調(diào)作業(yè)，可以大大提高生產(chǎn)能力、產(chǎn)品精度、生產(chǎn)效率和材料利用率，降低能耗。操作機本體部分包括鉗桿裝置、吊掛裝置、預(yù)應(yīng)力機架、行走裝置等。其中，吊掛裝置直接決定鍛造操作機的工作空間、負(fù)載特性及動態(tài)響應(yīng)特性［1－3］。

ADAMS軟件是目前世界上應(yīng)用廣泛、具有權(quán)威性的機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件之一，已被廣泛應(yīng)用到航空、航天、兵器、汽車和機械制造等各個行業(yè)［1，4－5］。

本文基于動力學(xué)系統(tǒng)分析軟件ADAMS，建立了1 000 kN/2 500 kNm鍛造操作機吊掛裝置的虛擬樣機模型，分析了上升和傾斜運動時各部件的運動及受力情況，仿真結(jié)果可以為鍛造操作機的設(shè)計制造提供指導(dǎo)。

2 1 000 kN/2 500 kNm鍛造操作機吊掛裝置介紹

1 000 kN/2 500 kNm鍛造操作機采用平行四邊形吊掛裝置，三維模型如圖1所示。該機構(gòu)的特點是:吊掛裝置中鉗桿平行升降油缸斜置在墻板內(nèi)側(cè)，對稱布置，可降低安裝高度，節(jié)約空間，并增加鉗桿提升高度;驅(qū)動轉(zhuǎn)臂繞安裝在兩側(cè)墻板上的鉸軸轉(zhuǎn)動，通過與轉(zhuǎn)臂相聯(lián)接的吊桿來帶動鉗桿裝置上升或下降;由于采用的是平行四邊形吊掛結(jié)構(gòu)，鉗桿中心線在升降運動過程中一直平行于水平面;傾斜缸位于轉(zhuǎn)臂機構(gòu)的上位，當(dāng)傾斜缸進排液時，通過與轉(zhuǎn)臂相聯(lián)接的吊桿來帶動鉗桿后部上升或下降，從而使鉗桿向下或向上傾斜。

本文計算夾持重量為1 000 kN、夾持力矩為2 500 kNm時，上升和傾斜運動中操作機各部件的運動及受力。根據(jù)實際生產(chǎn)需要，1 000 kN/2 500 kNm鍛造操作機設(shè)計要求最大上升距離為2 000 mm，最大上傾角度為6°，最大下傾角度為10°，平升缸最大驅(qū)動力為4 500 kN，傾斜缸最大驅(qū)動力為4 000 kN。

圖1 1000kN/2500kNm鍛造操作機三維模型(a)本體(b)吊掛系統(tǒng)

3 模型的建立

采用ADAMS軟件進行系統(tǒng)分析一般包括幾何建模、機構(gòu)約束、施加載荷、仿真分析及調(diào)試和結(jié)果處理等步驟［5］。本文建立幾何模型時，只考慮保證影響分析結(jié)果的主要尺寸，對細(xì)節(jié)尺寸不考慮。模型中的零部件及相互間約束見表1。

表1 模型中的約束副

4 仿真結(jié)果與討論

4．1 平行升降運動

圖2a為鉗桿高度隨平升缸伸長量的變化。分析表明，鉗桿高度與平升缸伸長量存在近線性關(guān)系，這種近線性可以為工程應(yīng)用提供便利。同時，鉗桿最高可升高2 074 mm，滿足設(shè)計要求。圖2b為平升缸靜平衡驅(qū)動力隨平升缸伸長量的變化。分析表明，平升缸最大靜平衡驅(qū)動力為2 191 kN，最小靜平衡驅(qū)動力為2 045 kN，變化幅度為6．9%。平升缸靜平衡驅(qū)動力隨平升缸伸長量增大呈先增大后減小的趨勢，這主要是由于隨平升缸伸長量增加，平升缸與水平面夾角呈先減小后增大的趨勢，如圖2c所示。

4．2 傾斜運動

由于傾斜缸和鉗桿夾角對鉗桿傾斜角度以及傾斜缸靜平衡驅(qū)動力的大小都有影響，因此首先分析鉗桿處于水平位置時，平升缸伸長量對傾斜缸和鉗桿夾角的影響，如圖3所示。結(jié)果表明，鉗桿和傾斜缸夾角隨平升缸伸長量增加呈先減小后增大的趨勢，變化幅度不大，并且在90°附近。本文研究鉗桿處于最低位置、中間位置和最高位置時，傾斜角度和傾斜缸靜平衡驅(qū)動力隨傾斜缸伸長量的變化。

圖4a所示為鉗桿傾斜角度隨傾斜缸伸長量的變化(伸長量正值表示傾斜缸伸長，伸長量負(fù)值表示傾斜缸縮短;傾斜角度正值表示上傾，傾斜角度負(fù)值表示下傾)。分析表明，鉗桿位置對傾斜角度隨傾斜缸伸長量的變化影響不顯著;鉗桿傾斜角度與傾斜缸伸長量存在近似線性關(guān)系，這種近線性可以為工程應(yīng)用提供便利。同時，鉗桿上傾角度最大值略大于6°，下傾角度略大于10°，滿足設(shè)計要求。圖4b所示為傾斜缸靜平衡驅(qū)動力隨傾斜缸伸長量的變化。分析表明，傾斜缸靜平衡驅(qū)動力隨傾斜缸伸長量增加呈減小的趨勢，最大值小于1 950 kN，變化幅度小于200 kN。傾斜缸靜平衡驅(qū)動力主要受鉗桿重心位置和鉗桿與傾斜缸夾角的影響，隨傾斜缸伸長量增加，鉗桿重心向傾斜缸一側(cè)移動，所以傾斜缸靜平衡驅(qū)動力減小。而傾斜缸靜平衡驅(qū)動力還受到鉗桿位置的影響。鉗桿處于最低位置時，隨傾斜缸伸長量增加，鉗桿與傾斜缸夾角從113°減小89．5°，如圖4c所示。傾斜缸靜平衡驅(qū)動力下降了193 kN，變化幅度為10．4%。鉗桿處于中間位置時，隨傾斜缸伸長量增加，鉗桿與傾斜缸夾角從94．2°減小到79．4°，傾斜缸靜平衡驅(qū)動力下降了 19．4 kN，變化幅度為1．1%。鉗桿處于最高位置時，隨傾斜缸行程增加，鉗桿與傾斜缸夾角從98．2°減小到81．7°，傾斜缸靜平衡驅(qū)動力下降了45 kN，變化幅度為2．8%。

圖4 傾斜運動

5 結(jié)論

本文研究了上升和傾斜運動時，1 000 kN/2 500 kNm鍛造操作機吊掛裝置主要部件的運動及受力情況。結(jié)果表明，鉗桿最大平升高度、最大上傾和下傾角度、平升缸和傾斜缸靜平衡驅(qū)動力均滿足設(shè)計要求。平升缸靜平衡驅(qū)動力隨平升缸伸長量增大呈先增大后減小的趨勢;傾斜缸靜平衡驅(qū)動力隨傾斜缸伸長量增大而減小。兩組油缸驅(qū)動力變化幅度不大，系統(tǒng)運行平穩(wěn)。

［1］ 陳博翁，關(guān)立文，李鐵民．基于ADAMS的鍛造操作機動力學(xué)仿真及優(yōu)化設(shè)計［J］．機械設(shè)計與制造，2009，(3):6－8．

［2］ 趙凱，王皓，陳關(guān)龍等．自由鍛造操作機順應(yīng)過程分析［J］．機械工程學(xué)報，2010，46(4):27－34．

［3］ 余發(fā)國，高峰，郭為忠等．鍛造操作機的回顧與展望［J］．機械設(shè)計與研究，2007，(?？?:12－15．

［4］ 李團結(jié)，朱超．基于虛擬樣機技術(shù)的球形機器人運動仿真研究［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18(4):1026－1029．

［5］ 鄭健榮．ADAMS虛擬樣機技術(shù)入門與提高［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2002．