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        輥磨翻輥機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

        2020-08-07 08:17:44郭磊孫文東
        水泥技術(shù) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:磨輥搖桿搖臂

        郭磊,孫文東

        傳統(tǒng)平面四桿機(jī)構(gòu)及其變異結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律及運(yùn)動(dòng)軌跡,且結(jié)構(gòu)簡單,穩(wěn)定可靠,易于加工制造,被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)四桿機(jī)構(gòu)的分析通常采用作圖法和解析法,作圖法分析計(jì)算的精度受作圖精度的影響,而解析法雖然分析計(jì)算精度高但計(jì)算工作量較大。近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,通過計(jì)算機(jī)仿真可得到任意構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)參數(shù),借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析變得簡單易行且形象直觀。

        Solid Works軟件是目前應(yīng)用最多的一款三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件,作為一個(gè)虛擬樣機(jī)的仿真分析工具,其Motion運(yùn)動(dòng)仿真插件可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析,得到機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度、作用力等,并可通過數(shù)據(jù)、圖表、動(dòng)畫等形式表現(xiàn)出來,反映機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性,為機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。我公司基于Solid Works Motion仿真插件對(duì)輥磨翻輥機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析,具體情況如下:

        1 輥磨翻輥機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)軌跡描述

        我公司TRM型輥磨的粉磨施力單元由支架、搖臂、磨輥、加壓油缸組成,每個(gè)單元彼此獨(dú)立。為了便于檢修維護(hù),可將單獨(dú)的磨輥翻出磨外,該翻出機(jī)構(gòu)稱為翻輥機(jī)構(gòu),如圖1所示。該機(jī)構(gòu)可簡化為一種平面四桿機(jī)構(gòu),如圖2所示,圖中AB段、BC段分別為翻輥底座、磨機(jī)基礎(chǔ)與磨機(jī)支架組合而成的固定桿,CD段為上搖臂與磨輥組成的繞C點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的搖桿。CD′段為上搖臂和磨輥的正常工作位置,CD段為其翻出磨外時(shí)的檢修位置,兩個(gè)位置間的理論夾角為105°;AD段為翻輥油缸繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的搖桿,同時(shí)缸桿和缸筒組成直線運(yùn)動(dòng)副。機(jī)構(gòu)的翻輥動(dòng)作過程為,翻輥油缸施加拉(推)力給搖臂、磨輥組成的搖桿,使搖桿由CD′位置轉(zhuǎn)到CD位置,該過程要求連續(xù)平穩(wěn)、無沖擊。

        2 利用Solid Works軟件進(jìn)行三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真

        2.1 機(jī)構(gòu)三維建模

        根據(jù)某規(guī)格TRM輥磨的磨機(jī)二維圖紙,利用Solid Works軟件建立翻輥機(jī)構(gòu)所需三維零部件模型進(jìn)行裝配。建模時(shí)對(duì)于不影響仿真分析結(jié)果的模型做相應(yīng)簡化處理,如可完全省略磨機(jī)基礎(chǔ),簡化翻輥底座模型,磨機(jī)支架在保證定位安裝尺寸準(zhǔn)確的前提下,可只體現(xiàn)外觀結(jié)構(gòu),省略內(nèi)部結(jié)構(gòu)。然而需要注意的是,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,對(duì)于上搖臂(連同密封架)與磨輥來說,其重量與重心位置對(duì)仿真結(jié)果有直接影響,建模時(shí)需盡量具體到每個(gè)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),以保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)以上分析,建立運(yùn)動(dòng)仿真用翻輥機(jī)構(gòu)三維裝配體模型,如圖3所示。

        圖2 平面四桿機(jī)構(gòu)

        圖3 翻輥機(jī)構(gòu)三維裝配體模型

        圖1 輥磨翻輥機(jī)構(gòu)

        2.2 運(yùn)動(dòng)仿真

        首先,根據(jù)翻輥動(dòng)作的特點(diǎn),已知從動(dòng)件CD搖桿的始末位置及位移,采用逆向求解法,在Motion分析中,新建一個(gè)運(yùn)動(dòng)算例,設(shè)定好搖桿的初始位置,給上搖臂軸孔施加旋轉(zhuǎn)馬達(dá),輸入位移和模擬時(shí)間。雖然并不能準(zhǔn)確得知翻輥運(yùn)動(dòng)過程中上搖臂角位移規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式,但已知其運(yùn)動(dòng)緩慢、平穩(wěn)、連續(xù)且無沖擊,整個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間大概為15~20s,始末位置速度為0。Solid Works軟件自帶的立方樣條曲線平滑、連續(xù),三階可導(dǎo),完全滿足翻輥運(yùn)動(dòng)的要求,故可采用立方樣條曲線規(guī)律作為上搖臂角位移規(guī)律,進(jìn)行模擬仿真,如圖4所示。

        翻輥油缸活塞桿的絕對(duì)線性位移曲線如圖5所示,將位移曲線輸出,得到表格數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并做整理,計(jì)算得到缸桿的相對(duì)位移值,作為第二次仿真的驅(qū)動(dòng)輸入。

        新建第二個(gè)運(yùn)動(dòng)算例,設(shè)置CD搖桿的初始位置(與第一次相同),在活塞桿上添加線性馬達(dá),采用位移控制,輸入第一次仿真中得到的相對(duì)位移數(shù)據(jù),進(jìn)行仿真計(jì)算,輸出仿真結(jié)果,得到油缸力和活塞桿速度隨時(shí)間變化的曲線(見圖6、圖7),以及上搖臂(CD搖桿)、缸筒的俯仰角變化規(guī)律(見圖8、圖9)。

        其中,上搖臂的俯仰角定義為CD桿與初始位置CD′所夾銳角,缸筒的俯仰角定義為AD桿與x軸方向所夾的銳角。

        而常規(guī)的翻輥油缸拉(推)力是根據(jù)靜力學(xué)力矩平衡原理,在上搖臂與磨輥的重力對(duì)搖臂軸中心的力矩和油缸力對(duì)搖臂軸中心的力矩相等的基礎(chǔ)上,計(jì)算得到的力。當(dāng)上搖臂與磨輥的重力力臂最大時(shí),油缸力距最大。通過二維作圖法,可知翻輥起始位置處的油缸力最大,此時(shí)的油缸力計(jì)算值為541 891N,與運(yùn)動(dòng)仿真得出的“油缸力最大為536 257N”結(jié)果相比(見圖6),誤差僅為1%,完全滿足計(jì)算要求,證明了該運(yùn)動(dòng)仿真的正確性。

        圖4 上搖臂角位移曲線

        圖5 活塞桿絕對(duì)線性位移曲線

        圖6 油缸力曲線

        圖7 活塞桿線速度曲線

        圖8 上搖臂俯仰角變化規(guī)律曲線

        圖9 缸筒俯仰角變化規(guī)律曲線

        圖10 傳動(dòng)角變化規(guī)律曲線

        對(duì)于四桿機(jī)構(gòu)而言,傳動(dòng)角是衡量機(jī)構(gòu)傳力性能優(yōu)劣的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),傳動(dòng)角越小,傳力性能越差,當(dāng)傳動(dòng)角為0°時(shí),機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置。因此,較好的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),務(wù)必保證最小傳動(dòng)角不能小于某個(gè)值,該值越大越好,且機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角在一個(gè)較小范圍內(nèi)波動(dòng)。而對(duì)于本文所研究的翻輥機(jī)構(gòu)來說,其傳動(dòng)角應(yīng)為AD桿與CD桿所夾銳角,如圖2所示。根據(jù)運(yùn)動(dòng)仿真得到的數(shù)據(jù)(見圖8、圖9),可間接得到翻輥過程中機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角隨時(shí)間變化的規(guī)律(見圖10)。根據(jù)圖10中傳動(dòng)角的變化規(guī)律,可以看出傳動(dòng)角最小約36°,且變化范圍相對(duì)較?。?6°~90°),機(jī)構(gòu)傳力性能較優(yōu)。

        3 結(jié)語

        通過對(duì)輥磨翻輥機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析,得到該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,為該機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。借助于Solid Works軟件的Motion仿真插件功能,使得機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)每一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)求解過程變得簡便,大大提高了設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確率。

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