基于ADAMS的垃圾壓縮機(jī)裝載機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

廖林清，霍 飛，張 君

(重慶理工大學(xué) a.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.車輛工程學(xué)院;c.機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054)

垃圾壓縮機(jī)是一種集垃圾收集、壓縮與集裝運(yùn)輸于一體的環(huán)衛(wèi)設(shè)備，因其具有液壓裝置簡(jiǎn)單、裝卸垃圾快捷、操作簡(jiǎn)單方便、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，近幾年在國(guó)內(nèi)生活垃圾收運(yùn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的垃圾壓縮機(jī)在使用過程中普遍存在自身質(zhì)量較大、壓縮性能偏低、執(zhí)行機(jī)構(gòu)中重要部件應(yīng)力集中等亟待解決的問題［1］。因此，對(duì)垃圾壓縮機(jī)及其裝載機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究分析具有非常重要的理論設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義及實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

1 裝載機(jī)構(gòu)的組成及工作原理

1.1 裝載機(jī)構(gòu)的組成

垃圾壓縮機(jī)裝載機(jī)構(gòu)由料斗、廂體以及對(duì)稱布置在廂體兩側(cè)的拉桿、起重臂、液壓油缸5部分組成。料斗、起重臂以及液壓油缸缸筒鉸接在廂體安裝座上，液壓油缸缸桿與起重臂中部鉸接，連桿兩端分別與料斗和起重臂鉸接。裝載機(jī)構(gòu)的組成如圖1所示。

圖1 裝載機(jī)構(gòu)的組成

1.2 裝載機(jī)構(gòu)的工作原理

垃圾壓縮機(jī)的裝載機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)平面機(jī)構(gòu)，在該機(jī)構(gòu)中，液壓油缸為裝載機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)力，通過驅(qū)動(dòng)起重臂和拉桿動(dòng)作，最終帶動(dòng)料斗翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)料斗的下放和垃圾裝載功能。以廂體作為機(jī)架，裝載機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 裝載機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2 ADAMS仿真模型的建立

2.1 裝載機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型

鑒于裝載機(jī)構(gòu)由多個(gè)部件組成，且料斗及廂體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接使用ADAMS軟件自有的三維建模功能很難完成裝載機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體建模，為提高三維實(shí)體建模的效率和精度，采用Solidworks進(jìn)行建模［2-3］。建模過程遵循裝載機(jī)構(gòu)自身的原理結(jié)構(gòu)。同時(shí)，為方便對(duì)裝載機(jī)構(gòu)優(yōu)化時(shí)的設(shè)置，對(duì)對(duì)稱布置在廂體兩側(cè)的拉桿、起重臂和液壓油缸進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，只保留一側(cè)，采用自下至頂?shù)姆椒?，建立各部件的三維實(shí)體模型，并裝配完成該機(jī)構(gòu)的整體建模［4］。裝載機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型如圖3所示。

圖3 裝載機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型

2.2 裝載機(jī)構(gòu)ADAMS仿真模型

將Solidworks中建立的裝載機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS中，設(shè)置好單位和重力加速度以及各構(gòu)件的材料和顏色，并添加運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)和料斗垃圾載荷。完成上述前處理后，得到裝載機(jī)構(gòu)的ADAMS仿真模型，如圖4所示。

圖4 裝載機(jī)構(gòu)ADAMS仿真模型

液壓油缸驅(qū)動(dòng)采用Step位移函數(shù)，并添加在液壓油缸缸筒與缸桿之間的滑移副上［1-2］，用以控制油缸行程和往復(fù)動(dòng)作時(shí)間，驅(qū)動(dòng)函數(shù)為:

STEP(time，0，0，15，370)+STEP(time，15，0，17，0)+STEP(time，17，0，37，-370)。

根據(jù)裝載機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，料斗中垃圾的最大裝載量和垃圾從料斗傾卸至廂體的起止時(shí)間，確定料斗垃圾載荷亦采用Step函數(shù):

STEP(time，16，0，17，6860)+STEP(time，17，0，31，-360)+STEP(time，31，0，37，-6 500)。

3 裝載機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)變量及優(yōu)化目標(biāo)

液壓油缸所能提供的最大驅(qū)動(dòng)力和各鉸接點(diǎn)的空間位置將直接決定裝載機(jī)構(gòu)的裝載能力。因此，將圖2中所示的鉸點(diǎn)D、E、F在ADAMS仿真模型坐標(biāo)系中沿X和Y方向的變化量DV_DX、DV_DY、DV_EX、DV_EY、DV_FX、DV_FY 及拉桿長(zhǎng)度DV_LBC作為設(shè)計(jì)變量，并在滿足液壓油缸制作距、安裝距、行程及各部件間不產(chǎn)生干涉的前提下，合理約束設(shè)計(jì)變量變化范圍，將油缸載荷的最大值作為研究目標(biāo)，通過ADAMS優(yōu)化計(jì)算確定一組使得油缸載荷的最大值為最小的設(shè)計(jì)變量參數(shù)［5］。

3.2 裝載機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真

為滿足優(yōu)化計(jì)算的要求，須預(yù)先對(duì)已完成前處理的裝載機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析［6-7］，通過測(cè)量得到的油缸載荷曲線如圖5所示。從圖5中可知料斗上翻裝載垃圾過程中液壓油缸載荷的最大值為1.491×105N。

圖5 油缸載荷曲線

3.3 優(yōu)化計(jì)算及結(jié)果分析

設(shè)置好優(yōu)化計(jì)算的設(shè)計(jì)變量、研究對(duì)象及優(yōu)化目標(biāo)等內(nèi)容后，對(duì)裝載機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算［8］，其輸出結(jié)果如圖6所示。從圖6可知:優(yōu)化計(jì)算得到的液壓油缸載荷最大值中的最小值為第8次計(jì)算結(jié)果1.331×105N，使得液壓油缸載荷最大值較之優(yōu)化前的1.491×105N降低了10.7%。

圖6 裝載機(jī)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

由ADAMS優(yōu)化計(jì)算結(jié)果的輸出信息可知優(yōu)化后各設(shè)計(jì)變量的變化狀況。優(yōu)化前后設(shè)計(jì)變量的值如表1所示。

表1 優(yōu)化前后設(shè)計(jì)變量值對(duì)比

按照優(yōu)化計(jì)算所得的各設(shè)計(jì)變量值，調(diào)整與之對(duì)應(yīng)的裝載機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)位置參數(shù)，重新進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，將優(yōu)化前、后的液壓油缸載荷曲線進(jìn)行對(duì)比。如圖7可知:在油缸運(yùn)行過程中，其最大載荷得到較大程度的降低。

3.4 驗(yàn)證液壓油缸的選型

垃圾壓縮機(jī)裝載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)階段初步選用的液壓油缸型號(hào)及主要參數(shù)如表2所示。

圖7 優(yōu)化前、后油缸載荷曲線對(duì)比

表2 液壓油缸主參數(shù)

由液壓油缸主參數(shù)結(jié)合液壓系統(tǒng)工作壓力P=25 MPa，計(jì)算裝載機(jī)構(gòu)裝載垃圾階段液壓油缸處于工作狀態(tài)的無桿腔所提供的推力為

由式(2)可知優(yōu)化設(shè)計(jì)后，所選液壓油缸推力完全滿足設(shè)計(jì)要求，液壓油缸選型正確。

4 裝載機(jī)構(gòu)優(yōu)化后仿真分析

4.1 各鉸接點(diǎn)的載荷曲線

在ADAMS/View中，對(duì)優(yōu)化后的裝載機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，通過測(cè)量及后處理得到部分鉸接點(diǎn)在各組件位姿變化過程中的載荷曲線［9-11］，為后續(xù)的有限元分析提供參數(shù)依據(jù)。如圖8～11所示，各組件位姿均以組件與水平線夾角表示。從圖8～11中可知:各鉸接點(diǎn)載荷均在料斗上翻裝載垃圾過程中取得最大值。

4.2 料斗角速度與角加速度曲線

料斗運(yùn)行的平穩(wěn)性是衡量裝載機(jī)構(gòu)性能的重要依據(jù)。通過測(cè)量得到料斗質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的角速度與角加速度曲線如圖12、13所示，從圖12、13可以看出:料斗運(yùn)動(dòng)最大角速度為20 deg/s，最大角加速度6.1 deg/s2;料斗運(yùn)行較為平穩(wěn)，但存在驟然啟、停特性。因此應(yīng)該在料斗下放和上翻到位位置增設(shè)減震裝置，以減少裝載機(jī)構(gòu)各組件間的沖擊。

圖8 A點(diǎn)載荷曲線

圖9 B點(diǎn)載荷曲線

圖10 E點(diǎn)載荷曲線

圖11 F點(diǎn)載荷曲線

圖12 料斗運(yùn)動(dòng)角速度曲線

圖13 料斗運(yùn)動(dòng)角加速度曲線

5 結(jié)束語

本文應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立垃圾壓縮機(jī)裝載機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，得到移動(dòng)垃圾壓縮站裝載機(jī)構(gòu)主要運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和各鉸接點(diǎn)的載荷曲線，驗(yàn)證了油缸選型的正確性。通過優(yōu)化計(jì)算，使得驅(qū)動(dòng)油缸的載荷顯著降低，得到了裝載機(jī)構(gòu)優(yōu)化后主要運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和各鉸接點(diǎn)的載荷曲線，為裝載機(jī)構(gòu)的有限元分析提供了重要參數(shù)，對(duì)相關(guān)研究具有借鑒意義。

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