王 偉，陳再玉，儲樂平，李 偉

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 前言

目前，大型立式容器在制造過程中多處于臥式狀態(tài)，制造完成后或制造過程中，需要將大型立式容器豎起。大型立式容器翻轉(zhuǎn)機是一種可以將立式容器從臥式狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱⑹綘顟B(tài)的專用設(shè)備。該設(shè)備包括:固定支架、旋轉(zhuǎn)支架、液壓站、液壓缸等部件。翻轉(zhuǎn)支架與固定支架通過軸連接，安裝在固定支架兩側(cè)的兩根液壓缸同步運動，可以使翻轉(zhuǎn)支架旋轉(zhuǎn)90°。

大型立式容器翻轉(zhuǎn)機如圖1、圖2 所示，其液壓缸的運動速度對整個系統(tǒng)的運動狀態(tài)和液壓缸的推力、拉力值會產(chǎn)生很大影響。SolidWorks是目前應用較為廣泛的三維設(shè)計軟件，Solid-Works Motion 是以美國MDI 公司的動力學仿真分析軟件ADAMS為內(nèi)核開發(fā)的機械系統(tǒng)運動學和動力學仿真軟件［1］。本文使用Solidworks motion對大型立式容器翻轉(zhuǎn)機進行運動學和動力學仿真，定量地分析液壓缸運動速度對系統(tǒng)的運動狀態(tài)和液壓缸的推力、拉力值的影響。

1 運動學和動力學仿真

1.1 建立模型

本文使用Solidworks 軟件建立了大型立式容器翻轉(zhuǎn)機的三維模型，并為每個零件設(shè)置了相應的材料屬性，如圖3 所示。

圖1 臥式狀態(tài)示意圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal state

圖2 立式狀態(tài)示意圖Fig.2 Schematic diagram of vertical state

圖3 三維模型Fig.3 Three dimensional model

1.2 仿真設(shè)置

由于此大型立式容器翻轉(zhuǎn)機可以翻轉(zhuǎn)多種尺寸規(guī)格的容器，且不同容器的重心不一致，為了設(shè)計安全考慮，應該選擇最危險工況進行仿真。

根據(jù)設(shè)計要求，該設(shè)備最大起重量為10 t，容器的重心應在圖4 所示的虛線空間范圍之內(nèi)。經(jīng)分析，當容器質(zhì)量為10 t，容器重心在A 點時是理論上的最危險工況。

圖4 重心范圍示意圖Fig.4 Schematic diagram of gravity center

本文將容器視為一個質(zhì)點，使用solidworks繪制一個直徑很小的球作為該質(zhì)點，調(diào)整該球的密度屬性，使其質(zhì)量等于10 t。將該質(zhì)點設(shè)置在圖4 所示的A 點位置。施加重力載荷，方向為垂直向下，重力加速度為9.8 m/s2。

由于仿真過程中只允許設(shè)置一個原動機，所以任意選擇兩個液壓缸中的一個作為原動機，在其缸筒和杠桿之間設(shè)置線性馬達，使其延軸向移動。首先忽略液壓缸在啟動和停止時由于緩沖所產(chǎn)生的加速度，假設(shè)液壓缸的杠桿延軸向做勻速運動，設(shè)置線性馬達速度為19.9 mm/s，設(shè)置仿真過程為120 s。

1.3 仿真結(jié)果

運行仿真后得出仿真結(jié)果，運動學仿真結(jié)果如圖5、圖8 所示，動力學仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖5 液壓缸的速度－時間曲線Fig.5 Velocity-time curve of hydraulic cylinder

圖6 液壓缸的力－時間曲線Fig.6 Force-time curve of hydraulic cylinder

圖7 液壓缸的力(幅值)－時間曲線Fig.7 Force(absolute value)-time curve of hydraulic cylinder

圖8 質(zhì)點速度－時間曲線Fig.8 Velocity-time curve of particle

1.4 仿真結(jié)果分析

當液壓缸為圖5 所示的勻速直線運動時，液壓缸開始推力最大，其推力隨時間移動而慢慢減小，時間移動到約第110 s 時，其力的狀態(tài)出現(xiàn)拐點，由推力變?yōu)槔?，且拉力值隨時間的移動而變大，如圖6、圖7 所示。

如圖8 所示，質(zhì)點的速度隨時間移動而增加，在第120 s 出現(xiàn)最大值，這說明在液壓缸沒有緩沖的條件下，第120 s 時旋轉(zhuǎn)支架和固定支架會受到較大的沖擊，極大的影響了設(shè)備的安全性。

2 優(yōu)化

2.1 液壓缸速度優(yōu)化

為了避免產(chǎn)生較大的沖擊，將液壓缸的運動狀態(tài)優(yōu)化為如圖9 所示的變加速直線運動。根據(jù)設(shè)計要求已知:液壓缸總行程s=2384.757 mm、完成整個行程用時120 s、液壓缸的初始速度v0=0 mm/s、a30=－a90、液壓缸的初始加速度a0=0 mm/s2，下文是a30和a90的計算方法。

圖9 液壓缸加速度－時間曲線Fig.9 Acceleration-time curve of hydraulic cylinder

加速度、速度、行程隨時間變化的表達式如

根據(jù)式(1)～(3)推導得出

將整個行程s 分為s1、s2、s3、s4共四段，分別對每一段的行程求解，因為v0=0 mm/s，a0=0 mm/s2，r0－30=r90－120=－ r30－60=－ r60－90，由式(1)、式(4)、式(5)推導得出

由式(6)、式(7)可得

由式(8)可得

因為s=2384.757 mm，t=30 s，可得:

因為a0=0 mm/s2，由式(1)、式(10)可得

因為a30=－a90，根據(jù)式11 可得

式中，s為液壓缸總行程;s1為液壓缸0～30 s 的行程;s2為液壓缸30～60 s 的行程;s3為液壓缸60～90 s 的行程;s4為液壓缸90～120 s 的行程;r為加速度變化率;r0－30為 液壓缸0～30 s 的加速度變化率;r30－60為液壓缸30～60 s 的加速度變化率;r60－90為液壓缸60～90 s 的加速度變化率;r90－120為液壓缸90～120 s 的加速度變化率;v0為初始速度;a0為初始加速度;a30為第30 s時加速度值;a90為第90 s 時加速度值。

2.2 仿真設(shè)置優(yōu)化

在Solidworks Motion 界面，將加載在液壓缸上的線性馬達的運動屬性分別設(shè)置為插值、加速度、線性，插值內(nèi)容如圖10 所示。

圖10 設(shè)置優(yōu)化Fig.10 Set optimization

2.3 仿真結(jié)果

運行仿真后得出仿真結(jié)果，運動學仿真結(jié)果如圖11、圖14 所示，動力學仿真結(jié)果如圖12、圖13 所示。

圖11 優(yōu)化后液壓缸的速度－時間曲線Fig.11 Optimized velocity-time curve of hydraulic cylinder

圖12 優(yōu)化后液壓缸的力－時間曲線Fig.12 Optimized force time-curve of hydraulic cylinder

圖13 優(yōu)化后液壓缸的力(幅值)－時間曲線Fig.13 Optimized force (absolute value)-time curve of hydraulic cylinder

圖14 優(yōu)化后質(zhì)點的速度－時間曲線Fig.14 Optimized velocity-time curve of particle

2.4 仿真結(jié)果分析

優(yōu)化后液壓缸的速度－時間曲線為圖11 所示的一條非常理想的光滑曲線，用電液比例閥結(jié)合計算機控制可以形成這樣理想的光滑運動曲線［2］［3］，實現(xiàn)了液壓缸運動的平穩(wěn)、無沖擊。如圖14 所示，優(yōu)化后質(zhì)點速度－時間曲線為一條光滑曲線，證明系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)過程中速度平穩(wěn)變化，起始階段和終止階段的速度均為0，運行過程中無沖擊產(chǎn)生。液壓缸的力與優(yōu)化前基本相似，但是優(yōu)化后起始階段和終止階段受力曲線變化更為平緩，有利于設(shè)備運行平穩(wěn)。如圖12、圖13 所示，兩液壓缸共同的最大壓力為683038N，最大拉力為322362 N。因此在不考慮不均衡載荷系數(shù)的條件下，單液壓缸理論上需產(chǎn)生的最大推力和最大拉力分別為341519 N、161181 N，此數(shù)據(jù)可以作為液壓缸選型的依據(jù)。

3 結(jié)論

本文使用Solidworks motion 對大型立式容器翻轉(zhuǎn)機進行運動學和動力學仿真，定量地分析了液壓缸運動速度對系統(tǒng)的運動狀態(tài)和液壓缸的推力或拉力值的影響。根據(jù)運動學仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)如果液壓缸做勻速運動，該系統(tǒng)運動過程中會產(chǎn)生沖擊，將液壓缸的運動速度優(yōu)化為變加速直線運動，解決了運動過程中存在的沖擊問題。根據(jù)動力學仿真結(jié)果，確定了液壓缸在整個運動過程中的推力、拉力值，其中單液壓缸理論上需產(chǎn)生的最大推力和最大拉力分別為341519 N、161181 N，為液壓缸的選型提供了依據(jù)。

［1］鄧晶，鐘蔚，魯川，等.基于SolidWorks Motion 的活塞壓縮機運動學和動力學仿真［J］.壓縮機技術(shù)，2013，(1):40－42.

［2］成汝振，姚平喜.液壓缸無沖擊起動與停止的研究［J］.流體傳動與控制，2011，(2):28－30.

［3］劉延俊，張建新，駱艷潔.用理想曲線實現(xiàn)液壓缸的緩沖與定位［J］.機床與液壓，2001，(5):67－68.