伸縮臂叉車(chē)臂架計(jì)算協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

梁 爽，洪海生，付大明

(三一海洋重工有限公司國(guó)際產(chǎn)品所，廣東 珠海 519090)

伸縮臂叉車(chē)是一款具有越野功能且?guī)炜s動(dòng)臂的多功能叉車(chē)。伸縮臂叉車(chē)臂架系統(tǒng)是整機(jī)機(jī)械部分中最重要、最復(fù)雜的系統(tǒng)，由多節(jié)伸縮臂通過(guò)鏈條滑塊系統(tǒng)組合而成。其眾多關(guān)鍵部件的選型校核工作和龐大且重復(fù)的代入計(jì)算工作消耗了設(shè)計(jì)人員大量的工作量。同時(shí)，其具備伸得遠(yuǎn)、伸得高、載得重的功能特性，對(duì)伸縮臂架機(jī)械系統(tǒng)提出了高強(qiáng)度、低質(zhì)量、低振動(dòng)的設(shè)計(jì)要求。不同伸縮臂叉車(chē)機(jī)型對(duì)應(yīng)支腿放下和支腿收上的載荷譜編制，眾多工況的橫向穩(wěn)定性和縱向穩(wěn)定性校核，都對(duì)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)能力提出了較高的要求。而搭建協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)可以很好地解決上述設(shè)計(jì)問(wèn)題。

在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)上，劉武等[1-2]基于VC++對(duì)ANSYS進(jìn)行封裝，針對(duì)桁架結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建人性化的參數(shù)化建模與數(shù)值分析軟件系統(tǒng)。周凌[3]基于VC++開(kāi)發(fā)多相異步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)軟件,并通過(guò)一個(gè)算例驗(yàn)證了程序的有效性。王昕瑜等[4]基于VC++開(kāi)發(fā)挖掘機(jī)斗桿的有限元分析程序，可有限地提高工作效率。尹飛鴻等[5]基于VB和VC環(huán)境，對(duì)氮?dú)鈴椈上到y(tǒng)進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，編制了系統(tǒng)仿真程序。何祺偉等[6]基于VC++對(duì)UG和ANSYS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，封裝了相關(guān)計(jì)算子系統(tǒng)。

本文借助編程技術(shù)將設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)公式封裝成計(jì)算組件，結(jié)合Creo二次開(kāi)發(fā)技術(shù)提取三維模型屬性，結(jié)合Word和Excel二次開(kāi)發(fā)技術(shù)自動(dòng)生成計(jì)算報(bào)告。設(shè)計(jì)人員在同一個(gè)界面中完成臂架系統(tǒng)計(jì)算工作，可以有效地提升設(shè)計(jì)人員的工作效率和設(shè)計(jì)參數(shù)的迭代準(zhǔn)確性。

1 平臺(tái)架構(gòu)

本文在搭建平臺(tái)架構(gòu)過(guò)程中，對(duì)各模塊組件的相互關(guān)系進(jìn)行了梳理，比如設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的先后順序、設(shè)計(jì)參數(shù)的傳遞，即設(shè)計(jì)參數(shù)的獨(dú)立性和相關(guān)性、功能開(kāi)發(fā)模塊嵌套等。在開(kāi)發(fā)技術(shù)上，借助VS2015平臺(tái)，用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)主程序和二次開(kāi)發(fā)Word和Excel。對(duì)于Creo 2.0的開(kāi)發(fā)，則用兼容性最好的開(kāi)發(fā)平臺(tái)VS2010的C++語(yǔ)言。

1.1 協(xié)同平臺(tái)工作原理

協(xié)同開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要由4個(gè)功能組件構(gòu)成，分別是基本參數(shù)模塊、整機(jī)穩(wěn)定性模塊、臂架受力模塊和調(diào)平特性模塊。這4個(gè)模塊的設(shè)計(jì)參數(shù)中，自頂而下的設(shè)計(jì)參數(shù)都定義為全局參數(shù)，每個(gè)模塊獨(dú)立的設(shè)計(jì)參數(shù)都定義為局部參數(shù)。對(duì)于整機(jī)穩(wěn)定性、臂架受力和調(diào)平特性模塊，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)界面都顯示設(shè)計(jì)過(guò)程涉及的設(shè)計(jì)參數(shù)，其中自頂而下的設(shè)計(jì)參數(shù)從基本參數(shù)模塊傳遞即可。

協(xié)同開(kāi)發(fā)平臺(tái)具有良好的數(shù)據(jù)交互性，通過(guò)平臺(tái)的一鍵參數(shù)導(dǎo)入導(dǎo)出，可將相關(guān)參數(shù)直接傳遞給其他設(shè)計(jì)工程師。同時(shí)，設(shè)計(jì)點(diǎn)的批處理功能，能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)工程師在一系列設(shè)計(jì)點(diǎn)中找出工況條件最?lèi)毫拥脑O(shè)計(jì)點(diǎn)，從而有針對(duì)性地做優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了便于工程師在載荷圖中直接查看設(shè)計(jì)點(diǎn)的相關(guān)屬性情況，可開(kāi)發(fā)載荷云圖幫助工程師直觀地判斷設(shè)計(jì)點(diǎn)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1.2 用戶(hù)操作界面設(shè)計(jì)

從臂架系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的角度出發(fā)，考慮上游整機(jī)工程師對(duì)穩(wěn)定性的計(jì)算校核、下游臂架設(shè)計(jì)工程師的臂架設(shè)計(jì)和叉具設(shè)計(jì)工程師的接口鉸點(diǎn)位置設(shè)計(jì)以及后續(xù)報(bào)告輸出工作，在平臺(tái)主界面編寫(xiě)了常規(guī)設(shè)計(jì)流程圖。其他各個(gè)功能組件分別以工具欄的形式來(lái)展現(xiàn)。用戶(hù)通過(guò)單擊對(duì)應(yīng)的工具欄，即可進(jìn)入對(duì)應(yīng)模塊組件界面。同時(shí)，每個(gè)功能組件，按照左邊設(shè)計(jì)輸入、右邊設(shè)計(jì)輸出的布局去做對(duì)話(huà)框的布置。各模塊的設(shè)計(jì)參數(shù)的導(dǎo)入導(dǎo)出功能設(shè)置在最左側(cè)的工具條中。

1.3 C++與Creo 2.0的二次開(kāi)發(fā)

為了提高從模型獲取質(zhì)量質(zhì)心的效率，本文采用C++對(duì)Creo 2.0進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。Creo 2.0的二次開(kāi)發(fā)可參考其自帶的Protoolkit文件夾中的開(kāi)發(fā)文件。

在進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)Creo 2.0時(shí)，需要先配置相應(yīng)的編程環(huán)境，再定義相關(guān)系統(tǒng)變量。開(kāi)發(fā)過(guò)程中，若使用Creo 2.0的宏錄制功能，可以在一定程度上簡(jiǎn)化二次開(kāi)發(fā)難度。在接口配置上，將二次開(kāi)發(fā)程序編譯成exe文件，然后在主程序定義一個(gè)進(jìn)程process和一個(gè)局部變量p，最后將變量p的啟動(dòng)路徑指向該exe文件路徑。

對(duì)應(yīng)的操作步驟如下：按照設(shè)置Creo的安裝路徑文件，打開(kāi)對(duì)應(yīng)的模型，點(diǎn)擊加載模型樹(shù)，將對(duì)應(yīng)的需要提取的部件添加到圖表框中；再選取對(duì)應(yīng)的參考坐標(biāo)系，判斷是否需要調(diào)整坐標(biāo)系方向；最終一鍵提取對(duì)應(yīng)部件的質(zhì)量質(zhì)心參數(shù)，并將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入主平臺(tái)的臂架和滑塊參數(shù)組件中。

1.4 C#與Word和Excel的二次開(kāi)發(fā)

基于設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)入導(dǎo)出功能和一鍵生成報(bào)告的功能需要，本文對(duì)Word和Excel進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)。首先，在編程項(xiàng)目中添加引用最新版本Microsoft.Office.Interop對(duì)應(yīng)的Word和Excel，然后再添加到對(duì)應(yīng)程序的頭文件中，具體如下：

Using Excel= Microsoft.Office.Interop.Excel；

Using Word= Microsoft.Office.Interop.Word。

最后針對(duì)功能要求，將所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)填寫(xiě)到預(yù)先定義的模板中，從而形成對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算報(bào)告書(shū)。

2 平臺(tái)模塊設(shè)計(jì)計(jì)算

該協(xié)同平臺(tái)涉及3個(gè)模塊功能計(jì)算。一個(gè)合格的臂架系統(tǒng)，不僅需要滿(mǎn)足自身臂架系統(tǒng)的強(qiáng)度校核和零部件的選型校核，而且需要滿(mǎn)足整機(jī)穩(wěn)定性計(jì)算校核標(biāo)準(zhǔn)和叉具調(diào)平特性計(jì)算校核標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 整機(jī)穩(wěn)定性分析計(jì)算

伸縮臂叉車(chē)的整機(jī)穩(wěn)定性需要滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)銷(xiāo)售市場(chǎng)對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性的要求。如針對(duì)北美市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的伸縮臂叉車(chē)，整機(jī)穩(wěn)定性需要滿(mǎn)足ANSI/ITSDF B56.1[7]的要求。

同時(shí)，對(duì)于整機(jī)性能評(píng)價(jià)的載荷圖，相關(guān)的臨界點(diǎn)也需要滿(mǎn)足平臺(tái)穩(wěn)定性計(jì)算校核標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)遇到臨界點(diǎn)不滿(mǎn)足平臺(tái)穩(wěn)定性要求時(shí)，需要調(diào)整載荷圖。對(duì)于部分伸縮臂機(jī)型，存在支腿放下和支腿收上的工況，需要分別建立計(jì)算模型，分別校核并滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 臂架受力分析計(jì)算

對(duì)于每節(jié)臂伸縮動(dòng)作，都有對(duì)應(yīng)的力學(xué)平衡分析模型。對(duì)于臂架伸出工況，以圖1所示的四節(jié)臂臂架系統(tǒng)為例，對(duì)應(yīng)的受力分析模型如圖2所示。

圖1 臂架伸出動(dòng)作

圖2 臂架四節(jié)臂-伸出工況受力分析模型

根據(jù)靜力學(xué)分析模型可得到方程組(1)：

(1)

式中：FN41,FN42分別為上滑塊和下滑塊處的正壓力；FS41,FS42分別為上、下滑塊與臂架內(nèi)壁的摩擦力；Lo4為上、下滑塊在傳動(dòng)切向方向的距離；L4為上下滑塊布置點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)方向上的距離；G4為叉具、載荷和臂架系統(tǒng)的重力之和；M4為總重力矩；θ為臂架俯仰角度；μ為滑塊與臂架內(nèi)側(cè)的摩擦系數(shù)；FC4為伸四鏈拉力。

臂架縮回工況以圖3中的四節(jié)臂臂架系統(tǒng)為例，對(duì)應(yīng)的受力分析模型如圖4所示。

圖3 臂架縮回動(dòng)作

圖4 臂架四節(jié)臂-縮回工況受力分析模型

根據(jù)靜力學(xué)分析模型可得到方程組(2)：

(2)

式中：FD4為縮四鏈拉力。

2.3 叉具調(diào)平特性分析計(jì)算

對(duì)于叉具調(diào)平系統(tǒng)，可通過(guò)原先的設(shè)計(jì)鉸點(diǎn)進(jìn)行校核，即通過(guò)調(diào)整鉸點(diǎn)位置來(lái)調(diào)整叉具調(diào)平特性，最終滿(mǎn)足調(diào)平特性要求。具體分析如圖5所示。

根據(jù)靜力學(xué)分析模型可得到方程組(3)：

(3)

圖5 叉具調(diào)平系統(tǒng)

式中：d為調(diào)平油缸力臂；b為叉架鉸點(diǎn)與油缸下鉸點(diǎn)的距離；c為叉架鉸點(diǎn)與油缸上鉸點(diǎn)的距離；α為叉架臂架三角形的鉸點(diǎn)處角度；P為調(diào)平油缸壓力；M載荷叉具為叉具對(duì)叉架鉸點(diǎn)的彎矩；A調(diào)平油缸為調(diào)平油缸的有效面積。

3 案例測(cè)試驗(yàn)證

3.1 設(shè)計(jì)需求

本文基于所開(kāi)發(fā)的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，以新設(shè)計(jì)需求來(lái)驗(yàn)證該平臺(tái)的實(shí)際效果，驗(yàn)證內(nèi)容為整機(jī)穩(wěn)定性測(cè)試。

新的設(shè)計(jì)需求：臂架節(jié)數(shù)為3；最大可加載質(zhì)量為3 628.8 kg；載荷圖對(duì)標(biāo)國(guó)外競(jìng)品機(jī)型；整機(jī)穩(wěn)定性滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 測(cè)試驗(yàn)證

在調(diào)研國(guó)外競(jìng)品機(jī)型參數(shù)信息的前提下，本文在原有機(jī)型上重新設(shè)計(jì)了三維模型以及相關(guān)鉸點(diǎn)位置。主機(jī)工程師在搭建完整機(jī)模型參數(shù)后梳理出相關(guān)的參數(shù)，輸入到協(xié)同平臺(tái)中校核整機(jī)穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。圖中的著色表明整機(jī)穩(wěn)定性滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 平臺(tái)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

隨后整機(jī)工程師將設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)出為Excel文件。下游的臂架設(shè)計(jì)工程師接收上述設(shè)計(jì)需求和該Excel文件，在基于協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)將參數(shù)導(dǎo)入到本地協(xié)同平臺(tái)軟件中。對(duì)標(biāo)載荷圖后，建立本機(jī)的載荷圖，相關(guān)的臨界載荷工況如圖7所示。相關(guān)工況點(diǎn)的批量計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖7 臨界載荷工況點(diǎn)

圖8 伸三鏈拉力-伸出批量計(jì)算結(jié)果

接著臂架設(shè)計(jì)工程師將設(shè)計(jì)參數(shù)同樣導(dǎo)出為Excel文件；叉具設(shè)計(jì)工程師將該Excel文件導(dǎo)入本地平臺(tái)軟件中校核調(diào)平特性曲線(xiàn)。

最終新整機(jī)臂架系統(tǒng)的所有參數(shù)基本確定，可一鍵生成計(jì)算報(bào)告說(shuō)明書(shū)。

4 結(jié)論

1)針對(duì)產(chǎn)品自頂而下的設(shè)計(jì)流程，可借助編程開(kāi)發(fā)的手段，固化流程和設(shè)計(jì)公式以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2)對(duì)于成熟固化模式的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程，通過(guò)組件模塊的思維可有效地實(shí)現(xiàn)上下游工程師無(wú)縫對(duì)接設(shè)計(jì)參數(shù)。

3)通過(guò)實(shí)際案例的操作，證明協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的有效性以及高效性。