陳貫祥,李 捷,宋志強(qiáng),郭潤(rùn)坤
(太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,山西 太原 030024)
虛擬樣機(jī)技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)新的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬樣機(jī)技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的運(yùn)用比例也在不斷提高。
混凝土泵車(chē)也稱(chēng)臂架式混凝土泵車(chē),是將混凝土泵和液壓折疊式臂架都安裝在汽車(chē)或拖掛車(chē)底盤(pán)上,并沿臂架鋪設(shè)輸送管道,最終通過(guò)末端軟管輸出混凝土的工程機(jī)械。它是集機(jī)械、液壓傳動(dòng)以及電子技術(shù)為一體的高科技產(chǎn)品,其設(shè)計(jì)和研究涉及多學(xué)科交叉領(lǐng)域。泵車(chē)的臂架系統(tǒng)是在一定范圍內(nèi)輸送混凝土料的可回轉(zhuǎn)、伸縮、折疊的臂架和輸送管道,它由多節(jié)金屬結(jié)構(gòu)單元、混凝土輸送管及液壓油缸等組成,通過(guò)伸縮油缸動(dòng)作改變混凝土出口的高度和幅度來(lái)達(dá)到布料澆注的目的。本文通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù),利用Pro/E三維軟件建立混凝土泵車(chē)的仿真模型,為研究不同工作狀態(tài)下混凝土泵車(chē)的振動(dòng)特征創(chuàng)造條件。
混凝土泵車(chē)的種類(lèi)很多,但是其基本組成是相同的,主要由底盤(pán)、臂架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)塔、泵送機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等幾部分組成?;炷帘密?chē)模型的建立主要包括基本零部件的建模和最后的裝配,根據(jù)混凝土泵車(chē)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能要求,采用自頂向下和自底向上相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。
首先對(duì)零部件進(jìn)行分析建模,然后裝配,根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況確定各個(gè)零部件之間的裝配關(guān)系,使其按照實(shí)際情況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。裝配時(shí),系統(tǒng)會(huì)彈出“元件放置”對(duì)話框,此對(duì)話框會(huì)有“放置”“移動(dòng)”“連接”等命令。傳統(tǒng)的裝配元件方法是給元件加入各種固定約束,將元件的自由度減少到0,因而使元件的位置被完全固定,不能運(yùn)動(dòng),這樣的裝配方法不能使我們得到所需要的運(yùn)動(dòng)分析;先進(jìn)的虛擬樣機(jī)技術(shù)是在“連接”命令中給元件加入各種組合約束,如銷(xiāo)釘、圓柱、剛體等連接方式,因?yàn)樽杂啥葲](méi)有完全消除(剛體、焊接、常規(guī)除外),因此這些元件彼此之間可以自由移動(dòng)或旋轉(zhuǎn),這樣裝配的元件可最大化地仿真實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況,有利于運(yùn)動(dòng)分析的實(shí)現(xiàn)[1]。
本文以目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品48混凝土泵車(chē)作為研究對(duì)象,使用Pro/E三維軟件,建立了一個(gè)混凝土泵車(chē)的三維實(shí)體模型,如圖1所示。并在該模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)參數(shù)化處理,從而生成參數(shù)可變的、適用于同種類(lèi)型其他規(guī)格的參數(shù)化模型。
圖1 混凝土泵車(chē)的三維實(shí)體模型
混凝土泵車(chē)布料桿的工作位置不同其所受的載荷也是不同的,這些載荷可分為基本載荷和附加載荷,如圖2所示。
圖2 泵車(chē)臂架系統(tǒng)承受的載荷
(1)自重。自重是指臂架、油缸、閥以及混凝土輸送管等全部部件的總重力。分析計(jì)算時(shí)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或參考同類(lèi)型臂架的重力估算。
(2)工作載荷。工作載荷是指沿臂架兩側(cè)布置的輸送管中混凝土的重力,可以認(rèn)為是沿臂架長(zhǎng)度均勻分布的載荷q均以及臂架端部橡膠軟管內(nèi)的混凝土重力Q(可以認(rèn)為其是集中載荷),如圖3所示。
圖3 工作載荷
(3)慣性力。當(dāng)臂架的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí),旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的慣性力Fj(N)為:
其中:mn為旋轉(zhuǎn)部件的總質(zhì)量,kg;Rn為旋轉(zhuǎn)部件的質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)中心的距離,m;n為旋轉(zhuǎn)速度,r/min;t為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)時(shí)間,s。
(4)動(dòng)載荷。泵車(chē)作業(yè)時(shí)混凝土在輸送管中的流動(dòng)呈脈動(dòng)狀態(tài),另外,汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、混凝土分配閥、臂架油缸等機(jī)構(gòu)的工作也會(huì)使臂架產(chǎn)生動(dòng)載荷。由輸送管中混凝土的不連續(xù)流動(dòng)引起的振動(dòng)載荷等于輸送管中混凝土的質(zhì)量與沖擊系數(shù)K的乘積,K取為1.3。由于其他原因引起的動(dòng)載荷為其自身質(zhì)量與動(dòng)載荷系數(shù)Kd的乘積,Kd取為1.2。
2.2.1 側(cè)向載荷
臂架端部橡膠軟管在布料作業(yè)時(shí)經(jīng)常受到側(cè)向拉力,所以,設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮臂架端部作用有一個(gè)側(cè)向力Fs,F(xiàn)s一般取為300 N。
2.2.2 風(fēng)載荷
臂架工作時(shí),還要考慮風(fēng)載荷。取風(fēng)載荷的風(fēng)滯壓力q=2.45 MPa(標(biāo)準(zhǔn)氣壓),于是風(fēng)載荷FF為:
其中:C為風(fēng)載體型系數(shù),它表示風(fēng)壓在結(jié)構(gòu)上的分布情況,取值見(jiàn)表1;A為臂架上各部分輪廓在垂直于風(fēng)向的平面上的投影面積。當(dāng)2個(gè)或2個(gè)以上部件并列時(shí),其迎風(fēng)面按最大的計(jì)算,其余可不考慮。表1中,q為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓,等于2.45 MPa,d為臂架上各部分輪廓在垂直于風(fēng)向的平面上的迎風(fēng)面積的最大直徑。
基于上述分析,混凝土泵車(chē)工作在不同條件下時(shí)臂架實(shí)際受載可有多種載荷組合,表2列出了各類(lèi)載荷組合。
表1 風(fēng)載體型系數(shù)表
表2 載荷組合
表2中,第一類(lèi)計(jì)算載荷是指混凝土泵車(chē)在正常工作條件下臂架承受的自重力、工作載荷、動(dòng)載荷、慣性力,是用來(lái)計(jì)算傳動(dòng)零件和金屬結(jié)構(gòu)件的疲勞(耐久性)、磨損和發(fā)熱,所以,又稱(chēng)壽命計(jì)算載荷;第二類(lèi)計(jì)算載荷指泵車(chē)在工作中可能出現(xiàn)的最大載荷,它由第一類(lèi)載荷(不考慮慣性力)和附加載荷組成,主要用于對(duì)傳動(dòng)零部件、金屬結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,故又稱(chēng)為強(qiáng)度計(jì)算載荷[2,3]。
(1)利用Pro/E的模塊和參數(shù)化設(shè)計(jì),完成了混凝土泵車(chē)的建模與裝配,得到了泵車(chē)的三維實(shí)體模型。
(2)利用Pro/E仿真方法,建立混凝土泵車(chē)整機(jī)的虛擬樣機(jī)模型,增加了模型的仿真精度,比較直觀地再現(xiàn)了混凝土泵車(chē)的工作原理,為研究不同工況下臂架振動(dòng)特征創(chuàng)造了條件。
(3)分析并確定各工況下布料桿所受的載荷組合情況,并確定了其計(jì)算方法。
[1] 秦成.基于Pro/E/Adams/Matlab挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)研究[J].機(jī)床與液壓,2008,36(9):133-134.
[2] 李曉豁,何洋,林其岳,等.基于Pro/E/Adams的縱軸式掘進(jìn)機(jī)虛擬樣機(jī)建模[J].現(xiàn)代礦業(yè),2009(12):38-39.
[3] 馬文星.特種車(chē)輛[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.