輥磨翻輥機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

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(chǎng)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。