基于Adams的多連桿機(jī)械式壓力機(jī)動力學(xué)分析

夏 鏈，肖傳清，韓 江，王玉山，何 亮

(1．合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院CIMS研究所，安徽 合肥 230009;2．合肥鍛壓集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230009)

0 前言

鍛壓機(jī)床作為工業(yè)基礎(chǔ)裝備的重要組成部分之一，在航空航天、汽車制造、交通運(yùn)輸、冶金化工等重要部門得到廣泛應(yīng)用。近年來，以汽車為龍頭的制造業(yè)飛速發(fā)展，大大推動了我國沖壓生產(chǎn)的進(jìn)步。本文對多連桿機(jī)械式壓力機(jī)的傳動系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，然后建立其三維模型并使用動力學(xué)分析軟件Adams對其進(jìn)行動力學(xué)分析，驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的可行性，為企業(yè)制造加工該型號多連桿機(jī)械式壓力機(jī)提供理論依據(jù)。

1 多連桿機(jī)械式壓力機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為多連桿機(jī)械式壓力機(jī)傳動部分，其工作原理為電動機(jī)通過皮帶連接帶動偏心輪1轉(zhuǎn)動，然后通過上拉桿2、上搖桿3、下?lián)u桿5(上搖桿3與下?lián)u桿5在搖桿軸4處焊接聯(lián)接)、下拉桿6、三角架7、導(dǎo)柱8帶動滑塊運(yùn)動，滑塊下端安裝沖壓模具，從而完成整個(gè)沖壓過程。

2 多連桿壓力機(jī)數(shù)學(xué)建模與仿真分析

2.1 傳動機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)建模

圖2為傳動部分結(jié)構(gòu)簡圖，由該簡圖可知其為八連桿桿組機(jī)構(gòu)，在此采用模塊化方法將該機(jī)構(gòu)分為三個(gè)模塊(二級機(jī)構(gòu))分別進(jìn)行運(yùn)動分析，得出運(yùn)動方程。

第一模塊如圖3所示，該機(jī)構(gòu)以oo1為機(jī)架，l1為原動件，l3為從動件，機(jī)構(gòu)自由度為1。已知條件:各桿l1、l2、l3的桿長，l1桿的初始角度，o1點(diǎn)的x、y坐標(biāo);所求量:桿l2、l3與x軸正向的夾角。

圖3 第一模塊Fig.3 First module

由解析法列出運(yùn)動方程

由方程得

第二模塊如圖4所示，該機(jī)構(gòu)以oo1為機(jī)架，l1、l4為原動件，l6為從動件，機(jī)構(gòu)自由度為2。已知條件:各桿l1、l4、l5、l6的桿長，l1、l4桿的初始角度φ1、φ4=φ3+α，α為桿l3與桿l4的夾角，o1點(diǎn)的x、y坐標(biāo);所求量:桿l5、l6與x軸正向的夾角。

圖4 第二模塊Fig.4 Second module

由解析法列出運(yùn)動方程

由方程求得:

第三模塊如圖5所示，該機(jī)構(gòu)以y軸為機(jī)架，l1、l7為原動件，l8為從動件，機(jī)構(gòu)自由度為2。已知條件:各桿l1、l7、l8的桿長，l1、l7桿的初始角度φ1、φ7=φ6－β，β為桿l6和桿l7夾角;所求量:桿l8與X軸正向的夾角，滑塊的位移量S。

由解析法列出運(yùn)動方程

由方程求得

滑塊位移

圖5 第三模塊Fig.5 Third module

滑塊速度

滑塊加速度

2.2 仿真與分析

使用Matlab仿真軟件對運(yùn)動方程進(jìn)行仿真，可求解滑塊位移、速度、加速度與偏心輪轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系。圖6、圖7、圖8分別為滑塊位移、速度、加速度曲線。

通過仿真結(jié)果分析可看出滑塊的行程為800 mm，符合企業(yè)對多連桿機(jī)械式壓力機(jī)行程的要求;滑塊在工作階段，加速度近似為零，速度趨近于勻速運(yùn)動，符合沖壓工藝對速度的要求;壓力機(jī)空運(yùn)動速度較快，滑塊運(yùn)行時(shí)間縮短，提高了壓力機(jī)的工作效率。

3 傳動機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析

3.1 傳動機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型的建立

根據(jù)壓力機(jī)傳動部分實(shí)際尺寸與結(jié)構(gòu)，建立其三維模型，如圖9所示。在建立模型時(shí)，為了建模與后續(xù)動力學(xué)分析的簡便，此處將傳動部分的復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡化為八連桿桿組機(jī)構(gòu)。

3.2 傳動機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析

動力學(xué)分析軟件Adams可以提供CAD模型數(shù)據(jù)接口來導(dǎo)入CAD軟件的模型，即用Solidworks將建立的三維模型保存為Parasolid格式，然后導(dǎo)入到Adams中進(jìn)行動力學(xué)分析。由于導(dǎo)入后構(gòu)件原先的裝配關(guān)系不能保存，所以在Adams中重新添加構(gòu)件之間的裝配關(guān)系和驅(qū)動力矩，如圖10所示。

根據(jù)建立的動力學(xué)模型，對各構(gòu)件施加約束并對原動件施加有效載荷，然后選擇Interactive Simulation菜單下的Dynamic進(jìn)行動力學(xué)分析，分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 Adams動力學(xué)分析結(jié)果圖Fig.11 Dynamics analysis result by using Adams

使用動力學(xué)分析軟件Adams對多連桿機(jī)械式壓力機(jī)主傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析，得到滑塊的運(yùn)動規(guī)律很直觀，比之前使用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行動力學(xué)分析簡單快捷。由分析所得到的滑塊運(yùn)動規(guī)律可知滑塊在工作過程中速度較低且近似為勻速運(yùn)動，低速運(yùn)動能有效地降低材料的變形，符合了板料沖壓過程對速度的要求，可以有效地提高成型件的質(zhì)量;與此同時(shí)，由于減少了系統(tǒng)的動態(tài)載荷，從而提高了模具的使用壽命，降低了沖擊產(chǎn)生的噪聲，優(yōu)化了工作環(huán)境。此外，通過滑塊的速度曲線圖可以看出滑塊空行程時(shí)運(yùn)動速度較高，具有急回的特性，滑塊的運(yùn)行的循環(huán)時(shí)間大大縮短，壓力機(jī)的行程次數(shù)被大大提高。因此八連桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)在薄板沖壓工藝工作中比曲柄連桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)具有更多優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

采用模塊化方法構(gòu)建多連桿機(jī)械式壓力機(jī)傳動部分的數(shù)學(xué)模型，使用仿真軟件Matlab對運(yùn)動過程進(jìn)行仿真，得到滑塊的位移、速度、加速度曲線，然后用動力學(xué)分析軟件Adams對傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，并且將分析結(jié)果與Matlab的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證該八連桿結(jié)構(gòu)的可行性，通過對比分析可知該結(jié)構(gòu)適用于深拉伸工藝工作，模具在拉伸工作區(qū)的沖擊力很小，滿負(fù)荷工作區(qū)域長。該結(jié)論可以為企業(yè)制造加工該結(jié)構(gòu)的多連桿機(jī)械式壓力機(jī)提供理論依據(jù)。

［1］ 何德譽(yù)．曲柄壓力機(jī)(修訂版)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987．

［2］ 鄭文緯主編．機(jī)械原理［M］．北京:高等教育出版社，1997．

［3］ 王家文．matlab7.0編程基礎(chǔ)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［4］ 張策．機(jī)械動力學(xué)［M］．北京:高等教育出版社，2000．

［5］ 李永堂．鍛壓設(shè)備理論與控制［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2005．

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