陳益義,李郝林，查德根

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海寶菱冶金設(shè)備工程技術(shù)有限公司，上海 201900)

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ADAMS在鋼卷小車穩(wěn)定性分析和優(yōu)化中的應(yīng)用

陳益義1,李郝林1，查德根2

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海寶菱冶金設(shè)備工程技術(shù)有限公司，上海 201900)

針對(duì)鋼卷小車穩(wěn)定性是否滿足其在升降過(guò)程中要求的問(wèn)題，以剪叉式鋼卷小車為研究對(duì)象，利用仿真軟件ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，得出剪叉式鋼卷小車在升降的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生沖擊。以機(jī)構(gòu)分析為理論基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化，采用SolidWorks對(duì)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)建模，通過(guò)仿真軟件ADAMS對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，鋼卷小車升降過(guò)程中產(chǎn)生的這種沖擊大幅度降低，其穩(wěn)定性顯著提高，為同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

剪叉式鋼卷小車；動(dòng)力學(xué)分析；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

鋼卷運(yùn)輸小車是廣泛運(yùn)用于各個(gè)軋鋼生產(chǎn)線的一種重要輔助設(shè)備。其通過(guò)自動(dòng)或者人工控制的方式，完成鋼卷的運(yùn)輸、上卷、卸卷等工作，大幅提高了板帶材的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)連續(xù)化、機(jī)械化和自動(dòng)化水平。鋼卷小車種類多種多樣，其中剪叉式的鋼卷小車由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起升高度小而主要運(yùn)用于淺基坑的各個(gè)產(chǎn)線[1]。鋼卷小車在升降過(guò)程中其升降臺(tái)會(huì)產(chǎn)生沖擊影響其穩(wěn)定性，為提高鋼卷小車的運(yùn)輸質(zhì)量，必須提高其升降過(guò)程中的穩(wěn)定性。小車升降臺(tái)上載重量變化較大，且機(jī)械傳動(dòng)零件加工、安裝的誤差以及臺(tái)面的偏載，均將導(dǎo)致液壓馬達(dá)負(fù)載變化較大，液壓系統(tǒng)必須要克服負(fù)載變化對(duì)速度產(chǎn)生的影響,確保機(jī)構(gòu)無(wú)沖擊地平穩(wěn)運(yùn)行[2]。在剪叉式液壓升降臺(tái)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了受力分析，并構(gòu)建了力學(xué)模型，以液壓缸最大推力為目標(biāo)，尋求到影響其大小的關(guān)鍵參數(shù)，利用ADAMS的仿真分析，以關(guān)鍵參數(shù)為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究結(jié)果不僅為涉及的升降機(jī)構(gòu)提供了理論設(shè)計(jì)依據(jù)，還具有較大的實(shí)際研究意義和工程使用價(jià)值[3]。文中以剪叉式鋼卷小車為研究對(duì)象，以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用仿真軟件ADAMS建立模型并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到其在升降過(guò)程中的液壓缸推力變化曲線，升降臺(tái)速度變化曲線，得出鋼卷小車起身過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生沖擊。在此基礎(chǔ)上對(duì)鋼卷小車進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析并對(duì)其機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并用ADAMS對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，優(yōu)化后鋼卷小車在升降過(guò)程中產(chǎn)生的這種沖擊大幅度降低，其平穩(wěn)性得到顯著提高。

1　鋼卷小車的組成

該剪叉式運(yùn)輸小車的組成如圖1所示，主要由車架本體、行走裝置、起升裝置、托卷裝置組成。(1)電機(jī)。行動(dòng)裝置的動(dòng)力源；(2)車體。主要是用承載小車的各個(gè)裝置；(3)液壓缸。起升裝置的動(dòng)力源；(4)連桿結(jié)構(gòu)。用于起升裝置傳遞力矩；(5)V型鞍座。主要用于鋼卷運(yùn)輸工程中固定鋼卷的作用。

圖1　連桿式鋼卷小車結(jié)構(gòu)圖

2　鋼卷小車的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1建模

為方便分析，對(duì)鋼卷小車部分細(xì)節(jié)進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，采用SolidWorks建模，SolidWorks和ADAMS二者采用無(wú)縫接口，可在SolidWorks環(huán)境下，直接將鋼卷小車的模型導(dǎo)入ADAMS中。

2.2添加約束

在ADAMS軟件中完成材料的定義，并在鋼卷小車升降系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，滑塊與滑塊槽間添加移動(dòng)副，液壓缸體與活塞間同樣添加移動(dòng)副，最后將底座與大地設(shè)置為相連。其添加約束后的機(jī)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2　在ADAMS/View下添加約束的鋼卷小車模型

2.3動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真分析

在活塞處添加驅(qū)動(dòng)，設(shè)置其運(yùn)動(dòng)速度為20 mm/s(在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中并非勻速，這里為分析問(wèn)題，取其在勻速的過(guò)程中的速度作為其整個(gè)過(guò)程中的速度)，并在升降臺(tái)上施加250 kN的載荷。設(shè)定仿真時(shí)間為21.5 s，步長(zhǎng)0.01 s，仿真結(jié)束后進(jìn)入后處理模塊對(duì)所需的物理量進(jìn)行調(diào)用。得到鋼卷小車液壓缸推力曲線如圖3和升降速度曲線如圖4所示。

2.4仿真結(jié)果和分析

(1)由圖3可知鋼卷小車的液壓缸啟動(dòng)推力為620 ，約為負(fù)載的2.5倍，其啟動(dòng)時(shí)的沖擊很大；在其升降過(guò)程中，負(fù)載不變，其驅(qū)動(dòng)力矩與負(fù)載之比由228%～80.4%不斷變小。因此，液壓缸在升降過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生沖擊，從而影響鋼卷小車的穩(wěn)定性；

(2)由圖4可知鋼卷小車在整個(gè)起升的過(guò)程中，其速度是不斷的變化的，且這種變化是非線性變化。因此，升降臺(tái)在升降的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生柔性沖擊，從而影響鋼卷小車的穩(wěn)定性；

(3)由鋼卷小車的三維模型可知，其剪叉副之間存在間隙，這在升降過(guò)程中也會(huì)影響鋼卷小車的穩(wěn)定性。

綜合(1)、(2)和(3)鋼卷小車在升降過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生沖擊，從而影響鋼卷的運(yùn)輸過(guò)程。

圖3　液壓缸推力曲線圖

圖4　升降臺(tái)速度曲線圖

3鋼卷小車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1優(yōu)化的理論基礎(chǔ)

鋼卷小車的起升裝置的機(jī)構(gòu)分析如圖5所示，升降臺(tái)的高度為h，剪叉桿的長(zhǎng)度為b，其與水平面的夾角為β，液壓缸和水平面間的夾角為α，其安裝點(diǎn)與鉸鏈B的距離為a，活塞桿推動(dòng)橫梁的安裝點(diǎn)與剪叉中心孔的距離為f，DE和DF之間的夾角為γ，速度v和速度vC的夾角為ε。

圖5　升降臺(tái)機(jī)構(gòu)分析圖

根據(jù)機(jī)構(gòu)分析可得到載荷G和推力之間的P關(guān)系表達(dá)式為

(1)

速度v和速度vC的關(guān)系表達(dá)式為

(2)

由以上兩式可知，液壓缸推力的不穩(wěn)定以及升降臺(tái)速度的變化均是只與剪叉副的尺寸有直接關(guān)系，具體而言主要原因是液壓缸的力和運(yùn)動(dòng)不是直接傳遞給升降臺(tái)，而是通過(guò)剪叉副傳遞給升降臺(tái)的，這樣會(huì)使液壓缸的力與運(yùn)動(dòng)在傳遞的過(guò)程中經(jīng)過(guò)剪叉副的作用變得不穩(wěn)定，另一方面，剪叉副本身也存在一定的間隙。所以，鋼卷小車的穩(wěn)定性較低,但剪叉副在鋼卷小車?yán)锲鸬搅颂岣咝≤嚻鹕叨鹊淖饔?，鋼卷的起升高度為h=950mm，而整個(gè)液壓缸的推力行程為s=475.6mm。最終起升高度h是油缸推力行程s的η=h/s=2倍。

3.2鋼卷小車的優(yōu)化及建模

根據(jù)上面的分析，優(yōu)化鋼卷小車的目的是在保證其起升高度的前提下提高鋼卷小車的穩(wěn)定性。

(1)要提高小車的穩(wěn)定性，就必須要是運(yùn)動(dòng)與載荷的傳遞不要通過(guò)剪叉副，所以文中將原來(lái)作用于剪叉的液壓缸直接移動(dòng)兩側(cè)直接作用于升降臺(tái)，這樣液壓缸可以直接承受重物的重力，而剪叉只是起導(dǎo)向作用，其中升降臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)如圖6所示；

圖6　優(yōu)化后的升降臺(tái)

(2)做上述改進(jìn)后，鋼卷小車的起升高度明顯不夠，因此將原來(lái)使用的單節(jié)液壓缸改成雙向作用的雙節(jié)液壓缸(上面的活塞桿行程行程為450 mm，下面的活塞桿的行程為500 mm)。改成雙節(jié)缸后h=2.1 s，其起升高度也能滿足原要求，液壓缸結(jié)構(gòu)如圖7所示；

圖7　優(yōu)化后的液壓缸

(3)其他還有一些相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和尺寸的調(diào)整，做以上改進(jìn)后，文中用SolidWorks對(duì)其具體的結(jié)構(gòu)建模如圖8所示。

圖8　優(yōu)化后的鋼卷小車

4　優(yōu)化后鋼卷小車穩(wěn)定性的驗(yàn)證

4.1優(yōu)化后鋼卷小車的仿真分析

將SolidWorks中的模型直接導(dǎo)入ADAMS中。在ADAMS軟件中完成材料的定義，并在升降系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，滑塊與滑塊槽間添加移動(dòng)副，液壓缸與活塞體間同樣添加移動(dòng)副，最后將底座與大地設(shè)置為相連，其添加約束后的機(jī)構(gòu)模型如圖9所示。在活塞處添加驅(qū)動(dòng)，設(shè)置上面的活塞桿速度為20 mm/s,方向向上，下面活塞桿速度為v=20×500/450=22.2 mm/s ，并在升降臺(tái)上施加250 kN的載荷。設(shè)定仿真時(shí)間為25 s，步長(zhǎng)為0.01 s，運(yùn)行仿真，仿真結(jié)束后進(jìn)入后處理模塊對(duì)所需的物理量進(jìn)行調(diào)用。得到的鋼卷小車液壓缸推力曲線和升降臺(tái)速度曲線如圖10和圖11所示。

圖9　在ADAMS/View下添加約束的改進(jìn)后鋼卷小車模型

4.2仿真結(jié)果與分析

(1)由圖8可知，液壓缸推力為125 kN，為負(fù)載的0.5倍，其啟動(dòng)時(shí)的沖擊相比改進(jìn)前大幅度降低，小車穩(wěn)定性提高；在其起升過(guò)程中，負(fù)載是不變的，其驅(qū)動(dòng)力也是不變的。因此，液壓缸在升降過(guò)程中不會(huì)因推力變化產(chǎn)生沖擊，不會(huì)影響鋼卷小車的穩(wěn)定性；

(2)由圖9可知，鋼卷小車在整個(gè)起升的過(guò)程中其速度是不變的。因此，起升過(guò)程中由升降臺(tái)起升速度變化產(chǎn)生的柔性沖擊消失，不會(huì)影響鋼卷小車的穩(wěn)定性；

(3)剪叉副不在直接傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，因此，剪叉副之間的間隙也不會(huì)影響鋼卷小車的穩(wěn)定性。

綜合(1)、(2)和(3)，優(yōu)化后鋼卷小車的穩(wěn)定性大幅提高。

圖10　優(yōu)化后液壓缸推力曲線圖

圖11　優(yōu)化后升降臺(tái)速度曲線圖

5　結(jié)束語(yǔ)

(1)通過(guò)仿真軟件ADAMS對(duì)鋼卷小車進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的仿真分析，從分析的結(jié)果得出鋼卷小車在升降過(guò)程中穩(wěn)定性較低；

(2)運(yùn)用結(jié)構(gòu)分析的方法得出鋼卷小車穩(wěn)定性不高的原因，且對(duì)其機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以提高其穩(wěn)定性；

(3)再次運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)優(yōu)化后的鋼卷小車穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，其穩(wěn)定性大幅提高。

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Applications of ADAMS in the Analysis and Optimization of the Stability of the Steel Coil Car

CHEN Yiyi1, LI Haolin1, ZHA Degen2

(1.School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Baoling Metallurgical Equipment Engineering Co., Ltd., Shanghai 201900, China)

Stability of steel coil car is an important factor during transporting steel coil. A dynamic and kinematic analysis of the scissors steel coil car is made using ADAMS, finding that the steel coil car has an impact on lifting up and down. The structure is optimized based on structural analysis by SolidWorks modeling, and the stability of the structure is verified by ADMAS. The results show a significant reduction of the shock generated during steel coil car lifting with its stability significantly increased.

scissors steel coil car; dynamics analysis; kinematics analysis

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.025

2015-11-16

李郝林(1961-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：數(shù)控技術(shù)精密檢測(cè)與智能控制。陳益義(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：冶金機(jī)械設(shè)計(jì)。

TP202+.7；TG 333

A

1007-7820(2016)08-085-04