基于ADAMS液壓升降平臺(tái)仿真分析

鄭 圓 鄭亞飛 孫陶明

(1:馬鞍山鋼鐵股份公司 安徽馬鞍山 243000；2:江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013；3:鎮(zhèn)江四聯(lián)機(jī)電科技有限公司 江蘇鎮(zhèn)江 212200)

1 前言

移動(dòng)升降平臺(tái)是一種將地面維修人員送到一定的高度進(jìn)行飛機(jī)維護(hù)維修工作的機(jī)場(chǎng)地面服務(wù)特種機(jī)械。這種升降平臺(tái)可以改變平臺(tái)的高度和與飛機(jī)機(jī)體的距離，在維修時(shí)，平臺(tái)上的維修人員可以通過平臺(tái)上的操作箱來控制整個(gè)平臺(tái)的提升高度，大大方便了維修與維護(hù)工作[1]。

原有的飛機(jī)維護(hù)升降平臺(tái)只適用于單一型號(hào)的飛機(jī)且價(jià)格昂貴、維修困難，無法自動(dòng)行走，在進(jìn)場(chǎng)與離場(chǎng)時(shí)必須要拖至指定位置，嚴(yán)重浪費(fèi)了時(shí)間，降低了工作效率[2]。本研究主要是對(duì)優(yōu)化后的自動(dòng)化程度較高的移動(dòng)升降平臺(tái)的液壓舉升連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)、液壓結(jié)構(gòu)的工作情況、支撐力臂以及連接軸的強(qiáng)度進(jìn)行研究，以保證設(shè)備能夠安全可靠平穩(wěn)的運(yùn)行。

利用SolidWorks強(qiáng)大的建模功能結(jié)合ADAMS先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，對(duì)液壓移動(dòng)平臺(tái)的液壓舉升過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，對(duì)設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)品數(shù)據(jù)的校核、優(yōu)化以及提高實(shí)用性和安全性具有重要意義。

2 移動(dòng)升降平臺(tái)三維實(shí)體建模

SolidWorks軟件是達(dá)索系統(tǒng)(Dassault Systemes S.A)旗下公司的主要產(chǎn)品，是世界上第一個(gè)基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)。依靠著功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，使得SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。

該平臺(tái)整機(jī)主要由行走機(jī)構(gòu)、液壓升降平行四邊形結(jié)構(gòu)與工作平臺(tái)組成。采用自下而上設(shè)計(jì)方法完成對(duì)相關(guān)零件的建模，經(jīng)裝配后得到整個(gè)液壓移動(dòng)升降平臺(tái)的模型。液壓升降機(jī)構(gòu)由兩根上臂和兩根下臂構(gòu)成平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，上臂連接一根推力橫桿與液壓缸的推力桿連接，通過液壓缸提供的動(dòng)力實(shí)現(xiàn)升降功能。行走機(jī)構(gòu)通過兩個(gè)液壓馬達(dá)來提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)和轉(zhuǎn)向功能。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓移動(dòng)升降平臺(tái)模型

3 移動(dòng)升降平臺(tái)仿真模型建立

3.1 虛擬樣機(jī)模型

本研究主要是對(duì)平臺(tái)總機(jī)的舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，樣機(jī)主要由液壓缸體、平行四邊形桿件以及載人平臺(tái)組成?？紤]到仿真分析的目的是在于研究整體質(zhì)心的變化以及油缸、鉸鏈的受力情況，因此在ADAMS中建立模型的時(shí)候不需要完全按照實(shí)際設(shè)備的外形進(jìn)行設(shè)置的，可以對(duì)其簡化，這樣也可以使ADAMS計(jì)算仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確和快速。由于ADAMS對(duì)于復(fù)雜模型的建立比較困難，這里采用SolidWorks軟件進(jìn)行建模和裝配，導(dǎo)出Parasolid文件，借助ADAMS/View的Exchange模塊進(jìn)行三維模型的導(dǎo)入，并根據(jù)需要對(duì)各組件以及構(gòu)建組件元素的屬性進(jìn)行編輯，包括組件的名稱、材料、顏色、質(zhì)量等信息。簡化后的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其工作原理為：采用液壓缸體5與液壓推桿3作為驅(qū)動(dòng)元件，驅(qū)動(dòng)力作用于舉升缸體軸2，并傳遞給后支撐臂4，后支撐臂4與前支撐臂6以及底盤支撐板7、載物平臺(tái)1共同組成平行四邊形結(jié)構(gòu)，保證平臺(tái)與地面平行，并且能夠具備升降功能。

圖2 虛擬樣機(jī)模型

3.2 確定升降平臺(tái)基本工況

3.2.1 定義約束

一個(gè)完整系統(tǒng)大多是由若干個(gè)構(gòu)件組成，在ADAMS中通過給各個(gè)構(gòu)件添加相對(duì)的約束關(guān)系，來確定構(gòu)件之間相互運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，達(dá)到模擬機(jī)械系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)動(dòng)的目的。ADAMS的約束庫提供的約束副類型有許多種，本次研究的模型主要用到移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副等低副以及點(diǎn)面副、點(diǎn)線副等基本副。由于兩個(gè)前支撐臂6(圖2)具有相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為避免出現(xiàn)虛約束，采用布爾運(yùn)算將左右前支撐臂合并。左右兩個(gè)后支撐臂4與舉升缸體軸2(圖2)由于舉升缸體軸與后支撐臂之間是用插銷固定且不可旋轉(zhuǎn)，采用布爾運(yùn)算將他們合并起來可以降低分析運(yùn)算難度，簡化掉與分析無關(guān)的部件。合并后的后支撐臂組與底盤支撐板有兩個(gè)鉸鏈連接點(diǎn)，而如果在兩處的鉸鏈處都采用轉(zhuǎn)動(dòng)副進(jìn)行約束的話就會(huì)產(chǎn)生冗余約束，使仿真出錯(cuò)，影響仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，這里采用基本副代替低副，用在兩個(gè)鉸鏈處放置點(diǎn)線副，在中間放置點(diǎn)面副，代替一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(兩個(gè)點(diǎn)線副與一個(gè)點(diǎn)面副共同限制5個(gè)自由度)，這樣既可以獲得鉸鏈處的受力情況，又可以克服冗余約束的產(chǎn)生。各部件之間所添加的約束類型如表1所示。

表1 仿真模型的約束分配

3.2.2 自由度的驗(yàn)證計(jì)算

機(jī)械系統(tǒng)的自由度是指系統(tǒng)中各構(gòu)件相對(duì)于地面機(jī)架所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)量。自由度與構(gòu)成系統(tǒng)的活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)量、運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)量、原動(dòng)件的類型和數(shù)量、其他約束條件有關(guān)。為使機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)，原動(dòng)件的數(shù)目必須等于該系統(tǒng)的自由度數(shù)[3]。ADAMS中自由度(DOF)的計(jì)算公式為:

(1)

式中：n一系統(tǒng)中活動(dòng)構(gòu)件的總數(shù)(不含機(jī)架)；

Pi一第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副所限制的自由度個(gè)數(shù)；

i一系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)副的個(gè)數(shù)；

qj一第j個(gè)原動(dòng)件的驅(qū)動(dòng)限制的自由度個(gè)數(shù)；

j一系統(tǒng)中原動(dòng)件的個(gè)數(shù)；

Rz—其他約束條件所限制的自由度數(shù)。

在樣機(jī)系統(tǒng)中，活動(dòng)構(gòu)件5個(gè)，低副2個(gè)，基本副11個(gè)。自由度為

DOF=6×5-2×5-8×2-1×3=1

(2)

3.2.3 施加配重和參數(shù)設(shè)定

將平臺(tái)總機(jī)的舉升機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入ADAMS后，給所有零件定義材料屬性，系統(tǒng)根據(jù)定義的材料種類自動(dòng)計(jì)算部件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，或者通過User Input直接定義Mass的屬性。這里采用User Input的方法直接對(duì)Bodies進(jìn)行質(zhì)量的添加。移動(dòng)升降平臺(tái)設(shè)計(jì)的額定載重為300Kg，這里采用安全系數(shù)1.5作為設(shè)備安全設(shè)計(jì)的模擬標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)載物平臺(tái)施加450 Kg的負(fù)載，作用位置在重心位置。將全部的部件質(zhì)量設(shè)置完畢后，在全局坐標(biāo)系中設(shè)置重力加速度g=9806.65 mm/s2，方向?yàn)閅的負(fù)方向，總體的配置示意圖如圖3所示。

圖3 ADAMS虛擬樣機(jī)總體配置示意圖

3.3 定義原動(dòng)件的驅(qū)動(dòng)方程

舉行機(jī)構(gòu)所用的原動(dòng)件為液壓缸，液壓傳動(dòng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力大、容易實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于各類機(jī)械設(shè)備中。由于液壓缸在啟動(dòng)過程中存在沖擊，在此過程中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響很大，需要對(duì)液壓缸的特性進(jìn)行進(jìn)一步的分析計(jì)算，保證在存在液壓沖擊的情況下整個(gè)系統(tǒng)也可保持安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)液壓缸進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，液壓缸的動(dòng)態(tài)分析簡圖如圖4所示[4]。

圖4 液壓缸動(dòng)態(tài)分析簡圖

3.3.1 液壓缸輸入油液連續(xù)性方程

(3)

式中：A1—液壓缸進(jìn)油腔的活塞面積，m2

v一活塞桿運(yùn)動(dòng)的速度，m/s；

λc一液壓缸的泄漏系數(shù)，m3/s°Pa；

p1一液壓缸輸入液體的壓力，Pa；

Ve一液壓缸等效體積，m3；

βe一液壓油液的體積彈性模量，Pa

3.3.2 液壓缸活塞的動(dòng)力平衡方程

(4)

式中：m一活塞及運(yùn)動(dòng)部件的等效質(zhì)量，Kg；

B一粘度阻尼系數(shù)，N*s/m；

FL一作用在活塞上的外負(fù)載力，N；

Kp一負(fù)載的彈簧剛度，N/m。

將式(3)、式(4)寫成增量方程式，并對(duì)其進(jìn)行拉氏變換，在忽略彈性負(fù)載的情況下可得：

(5)

A1P1(s)=(ms+B)V(s)+FL(s)

(6)

根據(jù)式(5)、式(6)可繪制如圖5所示的液壓缸動(dòng)態(tài)特性方塊圖。

圖5 液壓缸動(dòng)態(tài)特性方塊圖

舉升機(jī)構(gòu)的液壓缸在啟動(dòng)的瞬間可以視外負(fù)載力為一常數(shù)，當(dāng)負(fù)載力FL為常數(shù)時(shí)，即FL(s)=0時(shí)，液壓缸的傳遞函數(shù)G(s)為：

(7)

系統(tǒng)選用DSGOSC7F9H9-R250C型液壓泵，排量為7m1/r，輸出額定壓力為20.7Mpa，油泵容積效率為0.75最高轉(zhuǎn)速3000r/min，由此可得輸入液壓缸的流量為Q=(7x3000x0.75)/60=0.01575m3/s，液壓缸的內(nèi)徑為80mm，液壓推桿的直徑為40mm，將m=750kg，Ve=5.27*10-4m3，A1=5.03x10-3m2，βe=69x108Pa，λc=1.9 x 10-11m3/s°Pa，B=1.78x 10-3N*s/m代入G(s)可得本系統(tǒng)液壓缸的傳遞函數(shù)為：

(8)

將輸入函數(shù)Q = 0.01575 m3/s代入并借助MATLAB強(qiáng)大的繪圖與分析能力，繪制如圖6所示的V-t曲線圖，保持在終值士5%誤差內(nèi)的調(diào)節(jié)時(shí)間ts=0.59 s，終值Vf=0.0522 m/s。 0～ts期間可以簡化為簡單的勻加速運(yùn)動(dòng)?？傻茫?/p>

(9)

由此可得液壓缸的驅(qū)動(dòng)方程為：

Velocity:step(time,0,0,0.59,0.0522)

(10)

圖6 V-t關(guān)系曲線圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

4.1 仿真環(huán)境的設(shè)置

將模型的世界坐標(biāo)系定義在底盤支撐板最右端的兩個(gè)鉸鏈支撐座的中點(diǎn)位置，方便對(duì)仿真數(shù)據(jù)的處理。在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)之前，通過Tools菜單的Model Verify工具對(duì)系統(tǒng)做最后的驗(yàn)證，對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成、自由度、未定義質(zhì)量的構(gòu)件和過約束等情況進(jìn)行自檢，以保證模型的準(zhǔn)確性，使后續(xù)的仿真分析順利進(jìn)行[5]。在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析之前，先進(jìn)行系統(tǒng)的靜態(tài)分析，以排除系統(tǒng)在啟動(dòng)狀態(tài)下的一些瞬態(tài)響應(yīng)。

根據(jù)液壓移動(dòng)升降平臺(tái)的實(shí)際情況經(jīng)過計(jì)算設(shè)置仿真時(shí)間(End Time)為15s，仿真步數(shù)(Steps)為200在Solover方面選擇剛性穩(wěn)定算法的Wstiff求解器，積分格式為I3。通過ADAMS軟件的后處理模塊ADAMS/PostProcessor可以獲得需求的各個(gè)參數(shù)的曲線。

4.2 整體質(zhì)心的運(yùn)行狀態(tài)分析

由于ADAMS沒有提供直接的功能進(jìn)行系統(tǒng)整體質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)仿真，這里需要借助自定義函數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特征輸出，根據(jù)質(zhì)心公式②可得：

X：

(dx(hg.cm)*80+dx(zqg.cm)*70+dx(yougang.cm)*60+dx(tuigan.cm)*40+dx(PT.cm)*5SO+dx(DZ.cm)*1800)/2600

Y：

(dy(hg.cm)*80+dy(zqg.cm)*70+dy(yougang.cm)*60+dy(tuigan.cm)*40+dy(PT.cm)*550+dy(DZ.cm)*1800)/ 2600

Z：

(dz(hg.cm)*80+dz(zqg.cm)*70+dz(yougang.cm)*60+dz (tui}an.cm)*40+dz(PT.cm)*550+dz(DZ.cm)*1800)

/2600

整機(jī)屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在X方向的位移為0，整體質(zhì)心始終處于X=0的位置，在Y-Z的平面內(nèi)整體質(zhì)心運(yùn)行情況如圖7所示，S1為優(yōu)化前的重心位置變化曲線，S2為優(yōu)化后的曲線(增加底盤配重)。

分析圖7可得:未優(yōu)化前的整體重心在未舉升狀態(tài)下偏左，增加了前輪的負(fù)載，在理想狀態(tài)下，前后輪的負(fù)載應(yīng)平衡，避免出現(xiàn)翻車情況，優(yōu)化后重心后移，且重心的高度有所降低，有利于運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定。

圖7 整體質(zhì)心運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

4.3 液壓缸受力分析

載物平臺(tái)在舉升過程中的主要?jiǎng)恿碜杂谝簤焊椎耐屏?，液壓推桿所承受的負(fù)載主要有質(zhì)量負(fù)載、慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載，在忽略摩擦負(fù)債的情況下，通過ADAMS可分析出液壓缸在載物平臺(tái)提升過程中的受力情況。圖8所示為液壓缸的受力情況，圖9為液壓推桿的運(yùn)行速度。

在液壓推桿的初始加速狀態(tài)時(shí)，在慣性力的作用下，液壓缸的受力最大達(dá)78630N，而后的勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，隨著舉升缸體與底盤的角度小斷變大，負(fù)載對(duì)于舉升缸體的分力在不斷減小，15s后趨于平衡，對(duì)于本系統(tǒng)采用的液壓泵的額定壓力來說，液壓缸可達(dá)到的額定推力可達(dá)104121 N，選用的液壓泵滿足設(shè)計(jì)需求。

圖8 液壓缸的受力情況

圖9 液壓推桿的運(yùn)動(dòng)情況

4.4 支撐鉸鏈?zhǔn)芰Ψ治?/h3>

針對(duì)舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)中的幾個(gè)關(guān)鍵的關(guān)節(jié)進(jìn)行了受力分析，繪制了圖10所示的支撐鉸鏈?zhǔn)芰η闆r圖(三條曲線從上至下分別為液壓缸支撐鉸鏈、后鉸鏈以及前鉸鏈?zhǔn)芰η闆r)。從圖9可以看出，后鉸鏈(后支撐臂與底盤支撐板的連接關(guān)節(jié))的受力較小，所受最大的力為18023N，前鉸鏈(前支撐臂與底盤支撐板的連接關(guān)節(jié))受力較大，所受的最大的力為56705N，液壓缸支撐鉸鏈(液壓缸體與底盤支撐板的連接關(guān)節(jié))受力最大，所受的最大的力為78764N，三個(gè)位置的支撐鉸鏈的受力趨勢(shì)相似，在運(yùn)行1.5s時(shí)達(dá)到峰值，隨后緩慢下降，趨于平穩(wěn)值。

圖10 幾個(gè)支撐鉸鏈的受力情況

5 結(jié)論

(1)應(yīng)用Solidworks軟件建立并裝配完成了液壓移動(dòng)升降平臺(tái)三維模型的建立，彌補(bǔ)了ADAMS在建模方面相對(duì)較弱的缺點(diǎn)，并結(jié)合MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，使仿真分析結(jié)果更加清晰。

(2)對(duì)于整體質(zhì)心位置在運(yùn)行過程中的變化的狀態(tài)分析和優(yōu)化，保證設(shè)備在正?；蛘叱?fù)荷的工況下能夠穩(wěn)定的運(yùn)行，避免發(fā)生翻車事故；對(duì)于液壓缸的動(dòng)態(tài)受力分析，對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行校核，對(duì)設(shè)備的負(fù)載能力進(jìn)行測(cè)試，仿真結(jié)果表明當(dāng)前的液壓系統(tǒng)滿足設(shè)備的應(yīng)用要求；對(duì)幾個(gè)重要的支撐鉸鏈的受力變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，對(duì)于評(píng)估系統(tǒng)和選擇銷軸的材料提供理論指導(dǎo)作。