粗纖維打捆機(jī)喂入壓縮機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷膭討B(tài)仿真分析

張 翔，張立新，魏麗青，成 斌

（石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832000）

0 引言

在復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)中常存在一些柔性構(gòu)件，這些柔性件對系統(tǒng)的動態(tài)特性會產(chǎn)生一定的影響[1,2]。粗纖維打捆機(jī)中喂入壓縮機(jī)構(gòu)是一種偏置式雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其傳動系統(tǒng)模型主要構(gòu)件有偏置式曲柄、連桿和壓縮推進(jìn)器。傳統(tǒng)的建模方法是將整個(gè)模型視為剛性體，即不考慮各個(gè)構(gòu)件的變形，建立多剛體模型。而粗纖維打捆機(jī)在進(jìn)行高密度打捆作業(yè)時(shí)，其壓縮機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件承受著壓巨大的載荷。在這種情況下，彈性變形是存在的，且該變形會影響整個(gè)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，故不可以忽略[3]。因此，建立喂入壓縮機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ筒⑦M(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析具有重要的意義。本文基于柔性體理論，利用ADAMS中的FLEX模塊將喂入壓縮機(jī)構(gòu)中的雙連桿處理成柔性體，使仿真結(jié)果更能真實(shí)的反映喂入打捆的運(yùn)動狀態(tài)和規(guī)律。

1 AMDAMS柔性化理論[4～6]

ADAMS中采用的柔性化思想是將物體的N個(gè)自由度用離散化的若干個(gè)單元的有限個(gè)結(jié)點(diǎn)自由度來表示，再將這些離散單元若干個(gè)結(jié)點(diǎn)的彈性變形用少量模態(tài)特征向量和模態(tài)坐標(biāo)的線性組合來表示。

式中，A表示物體坐標(biāo)系到慣性參考系的轉(zhuǎn)換矩陣；sn是結(jié)點(diǎn)n在物體坐標(biāo)系中為變形時(shí)的位置；n?是對應(yīng)于結(jié)點(diǎn)n的移動自由度的模態(tài)矩陣子塊。

2 喂入壓縮機(jī)構(gòu)模型的建立

2.1 喂入壓縮機(jī)構(gòu)的工作原理

粗纖維打捆機(jī)的核心部件為喂入壓縮機(jī)構(gòu)。其工作原理是：粉碎后的粗纖維通過撥叉撿拾并喂入至打捆室內(nèi)，旋轉(zhuǎn)的帶輪通過減速器將動力傳至雙曲柄，旋轉(zhuǎn)的曲柄通過連桿帶動壓縮活塞完成壓縮的往復(fù)直線運(yùn)動[7]。喂入壓縮機(jī)構(gòu)的三維模型如圖1所示。

圖1 喂入壓縮機(jī)構(gòu)三維模型

其中，偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中曲柄長度為290mm，連桿長度為1026mm，偏心距為為130mm。

2.2 多剛體虛擬樣機(jī)模型的建立

將喂入壓縮機(jī)構(gòu)的三維模型中的帶輪、減速器、螺栓、擋板等對仿真結(jié)果不產(chǎn)生影響的部件刪去，簡化為虛擬樣機(jī)仿真模型，并根據(jù)已知參數(shù)和實(shí)際工況對各元件添加約束關(guān)系如表1所示。

表1 運(yùn)動副添加表

2.3 剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型的建立

在ADAMS中所建立的模型默認(rèn)為剛性體，常采用下述三種方法完成柔性體建模：

1）利用ADAMS中的FLEX模塊，即可直接生成柔性體模態(tài)中性文件MNF，從而用柔性體直接代替剛性體，該方法只適合處理結(jié)構(gòu)簡單的模型[8,9]；

2）采用柔性梁連接，將構(gòu)件看成若干段離散的剛性體組成，相鄰剛性體之間采用柔性梁連接[10,11]。該方法通常用于柔性化不嚴(yán)格的簡單構(gòu)件；

3）有限元分析軟件與ADAMS聯(lián)合仿真，先進(jìn)行模態(tài)求解，再導(dǎo)出模態(tài)中性文件MNF至ADAMS中完成柔性體的建模，該方法可適用于較為復(fù)雜的裝配體模型的柔性化[12]。

本文采用方法3）并按如下步驟進(jìn)行連桿的柔性體建模：

1）從CAD軟件中將連桿模型以Para solid標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)入至ADAMS；

2）定義Solid 45單元，再定義BEAM 4號單元對beam（梁單元）4定義實(shí)常數(shù)，盡量??；

3）定義材料1特性，彈性模量2×1011，泊松比0.3，密度7800，在新建材料2并定義彈性模量2×1014，泊松比0.3，密度7.8×106[13]。

4）對連桿進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置smart為3；

5）完成mesh之后，建立剛性區(qū)域，如圖2所示；

圖2 剛性區(qū)域的建立

6）利用ANSYS生成模態(tài)中性文件，并將其導(dǎo)入ADAMS中，替換多剛體模型中的剛性連桿，完成剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?，如圖3所示。

圖3 機(jī)喂入壓縮機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

實(shí)際生產(chǎn)過程中要求壓縮頻率達(dá)到100次/min以上，得到驅(qū)動曲柄的轉(zhuǎn)速n=1.5rad/s，由角速度計(jì)算公式為：

式中ω表示角速度；n表示曲柄轉(zhuǎn)速；

將轉(zhuǎn)速n帶入公式，可求的ω=600rad/s，故添加驅(qū)動參數(shù)為600rad/s。

3 喂入壓縮機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷姆抡媾c分析

3.1 仿真參數(shù)的設(shè)定

設(shè)置轉(zhuǎn)動參數(shù)為600d*time°，仿真時(shí)間為1秒，為使計(jì)算結(jié)果精確，設(shè)置步長為1000。

3.2 仿真結(jié)果及對比

在連桿與曲柄的鉸接處分別創(chuàng)建標(biāo)記點(diǎn)，即在剛性體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ椭械腁端分別建立Marker點(diǎn)123和Marker點(diǎn)166，B端建立Marker點(diǎn)115和Marker點(diǎn)167，如圖5所示。以這些標(biāo)記點(diǎn)為研究對象，對比和分析相同位置處剛?cè)狁詈夏Ｐ团c剛性體模型仿真結(jié)果的差別，探究柔性體對構(gòu)件運(yùn)動規(guī)律的影響。

圖4 Marker點(diǎn)的創(chuàng)建

1）位移仿真結(jié)果分析

經(jīng)求解，獲取Marker123點(diǎn)和Marker166點(diǎn)的位移曲線，如圖5所示。

圖5 Marker123和166點(diǎn)位移曲線

由圖5可知，在A端多剛體模型的位移與剛?cè)狁詈夏Ｐ偷奈灰谱兓厔荽笾孪嗤?，但存在一定的偏移量，這是因?yàn)槿嵝泽w在運(yùn)動過程中存在一定的變形，使位移值大于多剛體的位移值。例如：在仿真開始的瞬間，柔性體受力產(chǎn)生一定的變形，故在T=0s時(shí)，Marker123點(diǎn)位移比Marker166點(diǎn)大。

獲取Marker115點(diǎn)和Marker167點(diǎn)的位移曲線，如圖6所示。

圖6 Marker115和167點(diǎn)位移曲線

由圖6可知，在B端多剛體模型的位移與剛?cè)狁詈夏Ｐ偷奈灰谱兓€基本重合，僅存在細(xì)微的差別。這表明壓縮打捆機(jī)構(gòu)中的連桿與壓縮推進(jìn)器鉸接處，即B端的剛度較大，其位移變化受柔性件的影響很小。該處位移的變化呈現(xiàn)周期性，周期為1.3s，最小位移約為0.22m。

2）鉸接處受力情況分析

圖7 Marker123和166點(diǎn)受力情況

由圖7可知，連桿與曲柄的鉸接處，即A端力的變化呈現(xiàn)周期性，其周期約為0.65s。在同一個(gè)周期內(nèi)，曲線存在兩個(gè)波峰和兩個(gè)波谷。當(dāng)T=0s時(shí)，在剛?cè)狁詈夏Ｐ椭?，A端鉸接處的力從0瞬間升至175N，并存在輕微的震蕩，持續(xù)時(shí)間約為0.022s，之后力的變化與多剛體模型中力的變化基本一致。這表明曲柄從0時(shí)刻開始運(yùn)動時(shí)，由于力在剛性體中傳遞時(shí)損耗較小，使得剛性體系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快；而對于剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)來說，柔性體在運(yùn)動開始時(shí)會先變形再響應(yīng)，故存在一定的遲滯。

獲取Marker115點(diǎn)和Marker167點(diǎn)力的變化曲線，如圖8所示。

圖8 Marker115和167點(diǎn)受力情況

由圖8可知，A端力的變化規(guī)律與B端力的變化規(guī)律相似，即呈現(xiàn)周期性，周期約為0.56s，在仿真開始的初始時(shí)刻，剛?cè)狁詈夏Ｐ椭辛Φ闹诞a(chǎn)生了突變并有一定的震蕩。

3）速度變化情況分析

進(jìn)一步研究A端的速度變化情況，其仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 Marker123和166點(diǎn)的速度

由圖9可知，A端速度的變化呈周期性，其周期約為0.45s，且最大速度約為2.6018m/s，最低速度約為2.6003m/s。觀察發(fā)現(xiàn)，多剛體模型中A端的速度比剛?cè)狁詈夏Ｐ豌q接處速度略快，但變化規(guī)律基本一致。其原因是柔性體在一定速度下運(yùn)動時(shí)，受其變形的影響，使模型上速度采集處的關(guān)鍵點(diǎn)運(yùn)動相對滯后。

獲取B端速度變化曲線，其結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，B端速度變化同樣呈周期性，其周期約為0.66s，且在同一個(gè)周期內(nèi)存在三個(gè)極值：0m/s、-2.6m/s、2.6m/s，分別代表了壓縮活塞在X方向的兩個(gè)極限位置及壓縮活塞越過中心點(diǎn)處的速度大小。兩種模型中B端的速度變化曲線基本貼合，表明柔性體的變形對該鉸接處速度變化的影響較為輕微，基本可以忽略。

圖10 Marker115和167點(diǎn)的速度

4 結(jié)論

本文通過對粗纖維打捆機(jī)喂入壓縮機(jī)構(gòu)的多剛體模型和剛?cè)峄旌夏Ｐ瓦M(jìn)行動態(tài)仿真分析，得出以下結(jié)論：1）兩種模型中的位移曲線變化規(guī)律相似，但由于柔性體在運(yùn)動過程中會產(chǎn)生一定的變形，從而使剛?cè)狁詈夏Ｐ椭械奈灰浦荡笥诙鄤傮w模型中的位移值；2）曲柄與連桿鉸接處力的變化周期約為0.65s。在剛?cè)狁詈夏Ｐ椭?，鉸接處的力瞬間從0升至175N，并存在振蕩，持續(xù)時(shí)間約為0.022s，連桿與壓縮活塞鉸接處力的變化與上述情況相似；3）曲柄連桿間速度的變化周期約為0.45s，且速度變化區(qū)間約為2.6003m/s至2.6018m/s。而連桿與壓縮活塞鉸接處速度變化的周期約為0.66s，且在同一個(gè)周期內(nèi)存在三個(gè)極值：0m/s、-2.6m/s、2.6m/s。

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