錢(qián)茹，蔣安鵬，戴陽(yáng)，駱澤陽(yáng)，鄭航

基于ADAMS的機(jī)械壓力機(jī)虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真研究

錢(qián)茹，蔣安鵬，戴陽(yáng)，駱澤陽(yáng)，鄭航

（東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇南京210088）

曲軸連桿滑塊機(jī)構(gòu)作為壓力機(jī)的重要傳動(dòng)部件，決定著整機(jī)工作效率。設(shè)計(jì)了無(wú)偏置、正偏置、反偏置三種方案.在UG中建立三維模型，并通過(guò)ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得出滑塊位移、速度、加速度的曲線，并通過(guò)數(shù)據(jù)比較，得出負(fù)偏置曲軸滑塊效率最高，為后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)。

虛擬樣機(jī)；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；ADAMS；曲軸

壓力機(jī)是一種用途廣泛，生產(chǎn)效率高的沖壓設(shè)備，多應(yīng)用于切斷、沖孔、落料、彎曲、鉚合和成形等工藝當(dāng)中[1]。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在壓力機(jī)中應(yīng)用廣泛，但在使用過(guò)程中效率低，其運(yùn)動(dòng)性能的研究非常關(guān)鍵。ADAMS軟件作為一種多功能的仿真分析軟件[2]，工程人員能夠有效便捷的針對(duì)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行仿真研究來(lái)評(píng)估其實(shí)際工作情況。本文以曲軸連桿滑塊機(jī)構(gòu)作為對(duì)象，設(shè)計(jì)三種不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)UG建立三維模型，并在ADAMS下建立簡(jiǎn)化仿真模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析比較，最終得出一種最優(yōu)方案。

1 曲軸連桿滑塊方案設(shè)計(jì)

根據(jù)曲軸連桿滑塊工作時(shí)，曲軸的偏心距帶動(dòng)連桿滑塊運(yùn)動(dòng)的原理，設(shè)計(jì)出如下三種方案。

如圖1所示為三種曲軸方案簡(jiǎn)化模型，分別為結(jié)點(diǎn)無(wú)偏置、負(fù)偏置、正偏置型[3]，其中滑塊上下移動(dòng)軸線與曲軸回轉(zhuǎn)軸線的水平距離表示偏距e.OA表示曲軸回轉(zhuǎn)中心距曲柄頸中心距離，AB表示連桿有效長(zhǎng)度?；谏鲜鰠?shù)，以正偏置結(jié)構(gòu)方案為參考可得：

由上述理論分析無(wú)法直接看出偏心距e與滑塊之間的關(guān)系，故需進(jìn)一步了解滑塊運(yùn)動(dòng)特性。

圖1 三種設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)圖

2 曲軸系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型建立

2.1 零部件建模

由于ADAMS對(duì)于建模自身?xiàng)l件的限制，本文首先在根據(jù)設(shè)計(jì)出的尺寸UG環(huán)境中建立起曲軸運(yùn)動(dòng)模型。壓力機(jī)曲軸系統(tǒng)關(guān)鍵零件由以下幾個(gè)部分組成：

（1）曲軸（驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）；（2）連桿、連桿蓋，兩者組成一個(gè)連接機(jī)鉤分別與曲軸和滑塊連接；（3）滑塊（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）。工作時(shí)壓力機(jī)曲軸在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)連桿機(jī)構(gòu)，最終轉(zhuǎn)化成滑塊的滑動(dòng)。

2.2 三維模型的建立

三維零件模型建立完成之后，需要對(duì)曲軸系統(tǒng)樣機(jī)模型進(jìn)行裝配[4]，通過(guò)改變滑塊與曲軸回轉(zhuǎn)軸線的偏距，得到不同方案，建立的虛擬樣機(jī)裝配模型如下圖2所示。

圖2 三種設(shè)計(jì)方案的三維模型

3 曲軸系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

3.1 ADAMS中建立仿真模型

本文研究的是曲軸連桿滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，故在ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)忽略對(duì)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的小零部件。將曲軸回轉(zhuǎn)軸中心與連桿的連接簡(jiǎn)化成曲柄，建立三種簡(jiǎn)化實(shí)體模型如圖3所示。

圖3 三種偏置簡(jiǎn)化實(shí)體模型

3.2 邊界條件

建立好上述圖3的簡(jiǎn)化實(shí)體模型，需要建立各零件之間的約束關(guān)系。在曲柄和大地、曲柄和連桿、連桿和滑塊之間創(chuàng)建轉(zhuǎn)動(dòng)副約束。在滑塊和大地之間建立移動(dòng)副約束。最后給予曲柄一個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，并定義曲柄角速度，為50 r/min.在上述操作完成之后，設(shè)置仿真時(shí)間為5 s，步長(zhǎng)為0.01.為了得出所需的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，選擇滑塊質(zhì)心為輸出點(diǎn)。

3.3 仿真結(jié)果分析

在上述操作完成之后，點(diǎn)擊繪圖操作，得到各結(jié)構(gòu)類(lèi)型的滑塊運(yùn)動(dòng)關(guān)系圖，如圖4各類(lèi)型的滑塊運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線所示。

圖4 滑塊運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線圖

從圖4中可知，位移上升為工作行程，下降為回程，周期為1.2 s.若速度和加速度曲線為光滑曲線，表明無(wú)剛性和柔性沖擊。無(wú)偏置結(jié)構(gòu)，位移、速度、加速度曲線均為對(duì)稱(chēng)分布；正偏置結(jié)構(gòu)，在周期2.86 s～4.06 s中，在速度上升和下降時(shí)雖無(wú)明顯差異，但在加速度在2.86 s～3.46 s中與時(shí)間軸圍成的面積明顯大于在3.46 s～4.06 s圍成的面積；負(fù)偏置結(jié)構(gòu)，在周期2.8 s～4.0 s中，速度上升和下降時(shí)無(wú)明顯差異，但加速度在2.8 s～3.4 s中與時(shí)間軸圍成的面積明顯小于在3.4 s～4 s圍成的面積。故負(fù)偏置機(jī)構(gòu)工作行程平均速度小于滑塊回程平均速度，體現(xiàn)著偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的急回特性，提高了工作效率。

4 結(jié)論

本文利用ADAMS軟件分別對(duì)三種軸連桿滑塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，獲得滑塊的位移、速度、加速度曲線。從運(yùn)動(dòng)學(xué)看，負(fù)偏置機(jī)構(gòu)憑借其急回特性相比無(wú)偏置及正偏置連桿機(jī)構(gòu)效果較優(yōu)，能夠提高工作效率。該結(jié)論為此類(lèi)構(gòu)型的壓力機(jī)設(shè)計(jì)提供了重要參考依據(jù)[5]。

[1]宋曉華.機(jī)械壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真分析和虛擬樣機(jī)研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2005.

[2]靳嵐.基于Mtlab的偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性仿真研究[J].中國(guó)制造業(yè)信息化，2008，37（23）：3337.

[3]王粟，賈嶺，阮衛(wèi)平，等.機(jī)械式壓力機(jī)曲柄六桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析[J].機(jī)械傳動(dòng)，2011，35（1）：61.

[4]林翠青.基于曲柄壓力機(jī)中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析及其研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2010（7）：67-68.

[5]MOURELATOS Z P.An efficient crankshaft dynamic analysis using substructuring with Ritz vectors[J].J.of Sound and Vbi ration，2000，238（3）：495-527.

Kinematics Simulation of Virtual Prototype of Mechanical Press Based on ADAMS

QIAN Ru，JIANG An-peng，DAI Yang，LUO Ze-yang，ZHENG Hang
（Cheng Xian College，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210088，China）

The crankshaft connecting rod slider mechanism，as an important drive part of the press，determines the working efficiency of the whole machine.Design without bias，positive bias,reverse bias of three.The establishment of three-dimensional model in UG，and kinematics simulation analysis was carried out by ADAMS，the slider displacement，velocity and acceleration curve，and through the data comparison，the maximum negative bias crank slider efficiency，provides the basis for follow-up study.

virtual prototyping；cinematics analysis；ADAMS；crankshaft

TG305

A

1672-545X（2017）07-0015-03

2017-04-07

東南大學(xué)成賢學(xué)院大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（ycx1648）

錢(qián)茹（1980-）女，江蘇常州人，講師，碩士，研究方向：機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化模擬與仿真。