虛擬樣機技術在大型液壓泥炮研發過程中的應用

石登仁 尹忠俊 董 然 盧臣智

(北京科技大學機械工程學院 北京100083)

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虛擬樣機技術在大型液壓泥炮研發過程中的應用

石登仁①尹忠俊 董 然 盧臣智

(北京科技大學機械工程學院 北京100083)

借助虛擬樣機技術，運用Solidworks建立了新型液壓泥炮的虛擬樣機模型，并將模型導入ADAMS軟件對其進行運動學、動力學仿真分析，研究了關鍵點的運動軌跡及其速度變化，分析了主要零部件鉸接點的受力大小和變化趨勢。通過樣機建模與仿真分析，為大型液壓泥炮的合理設計和使用提供了可靠的依據，同時也縮短了開發周期，降低成本。

液壓泥炮 回轉機構 動態仿真 動力學分析 虛擬樣機

1 引言

虛擬樣機技術是二十世紀八十年代，隨著計算機技術的發展而迅速發展起來的計算機輔助工程(CAE)技術。設計者可以在計算機上利用輔助工具建立各種設備的三維樣機模型，根據所設計的產品工作環境和力能要求對模型進行動態性能分析，改進樣機設計方案，用完全數字化形式的樣機代替傳統的實物樣機進行實驗與分析，可以簡化機械產品的設計開發過程，縮短新產品的研發周期和提高產品的質量與性能。

隨著國家節能減排的穩步推進，高爐向大型化發展，對高爐爐前設備提出了更高的要求。北京科技大學將虛擬樣機技術引入到大型液壓泥炮和開口機的研發過程中，建立泥炮和開口機的虛擬樣機模型，進行運動學、動力學分析，評估設備的性能指標，不斷完善產品。

2 機構組成及工作原理

研發的新型泥炮是由打泥機構、吊掛機構、回轉機構、調整機構、斜底座、潤滑及液壓和電氣控制系統組成。根據泥炮各零部件的實際尺寸以1∶1的比例運用三維建模軟件SolidWorks建立主要零部件實體模型并進行裝配，裝配體如圖1所示。工作時只需控制回轉和打泥兩個動作，傾斜對口及鎖緊的功能由機構自動完成[1]?；剞D油缸在轉臂之外，安裝和維修都十分方便；矮轉臂安裝在斜底座上，和開鐵口機同側布置時，開鐵口機可以在上方運行，大大降低了開口機的高度。回轉機構是驅動液壓泥炮動作的主要部件，包括回轉油缸、連桿機構和轉臂，在回轉油缸的驅動下，通過連桿機構，使轉臂繞固定中心轉動。在打泥及悶炮的過程中，回轉機構還起到提供壓緊力和止退的作用。

圖1 新型泥炮裝配圖

3 ADAMS建模與分析

3.1 ADAMS建模

根據泥炮各零部件的實際尺寸以1∶1的比例建立主要零部件實體模型并進行裝配，保存成“.X_T”格式，導入ADAMS中進行機構仿真分析。對導入的模型構件和構件的屬性(顏色、位置、名稱和材料等)進行屬性編輯，然后對各個構件按照實際工作需求添加約束和驅動，最后對模型進行驗證[2]。建立的約束如表1所示。

表1 建模約束列表

為了真實的模擬泥炮的運行過程，通過軟件本身提供的函數庫和函數構建器(Functionbuilder)構建油缸的加速啟動——平穩運行——減速制動的step速度函數：

step(time,0,0,2,-125)+step(time,2,0,12,0)+step(time,12,0,14,125)

3.2 動力學仿真分析

ADAMS求解模塊ADAMS/Solver可以被ADAMS/ View自動調用，對模型進行仿真求解。經過計算，如果模型自由度為0，對其進行運動學仿真；如果模型自由度為大于或等于1，進行動力學仿真。

3.2.1 炮嘴的運動軌跡

泥炮除了需要滿足在出鐵場中的工作能力要求外，還要在靠近出鐵口時有一段近似直線的運動軌跡，以便使炮嘴對準出鐵口。為了獲得炮嘴的運行軌跡，選擇炮嘴前端的中心點，或者在炮嘴上建立一個標記點，然后追蹤該點的運動軌跡即可得到炮嘴的運動軌跡，如圖2所示，可以看出，炮嘴在接近出鐵口時的運動軌跡(黑色線條)近似為一段直線，滿足泥炮工作時靠近出鐵口的運動軌跡的要求。泥炮上控制連桿的長度是可以通過螺紋調節的，當零部件因為磨損等原因使運動軌跡不能滿足工作要求時，可以通過調整控制連桿的長度來修正水平方向的位置；同樣也可以通過調整套桿來調節豎直方向的參數，使炮嘴對準出鐵口。

圖2 炮嘴運動軌跡

高爐的出鐵場還有開鐵口機、風口平臺、撇渣器、鐵水槽等其他設備，為了使各設備工作時不發生相互干涉，測知泥炮的工作范圍是十分必要的[3]。為此，必須精確繪出泥炮最低點(炮嘴)和最高點(吊掛頂點)的三維曲線。從ADAMS導出最高點和最低點的三維坐標數據，以斜底座底面(安裝面)為水平面(x-z平面)，最靠近炮嘴的安裝螺栓孔為原點，用Matlab軟件繪出炮嘴運動三維曲線如圖3所示，可以知道炮嘴的最低點在工作位置，最高點在停止位置，其他點的位置也可以從圖3中依次讀出。圖3的坐標也是作為泥炮地面基座尺寸的重要參考依據。

圖3 炮嘴運動三維軌跡

吊掛機構的最高點也是整個泥炮在回轉過程中的最高點，為了防止泥炮在運行過程中與風口平臺、開鐵口機(同側布置)等設備相互干涉，用Matlab繪出的最高點三維曲線如圖4所示。圖4中最高點的為泥炮回轉時最大高度。曲線上其他各點的數據值也可以一一讀出，此曲線的數據可以作為風口平臺和開鐵口機設計和安裝的一個重要參考。

圖4 吊掛最高點三維曲線

3.2.2 轉臂的角速度和角加速度

泥炮旋轉時是繞中心軸做定軸轉動，因為炮身與轉臂是泥炮的主要運動部件，它們的質量、轉動慣量都很大，所以它們運行是否平穩是整個機構運行平穩的關鍵。通過考察轉臂的角速度和角加速度，可以知道泥炮運行的穩定性[4]。轉臂的角速度和角加速度如圖5所示。

圖5中實線為轉臂的角速度，虛線為轉臂的角加速度，可以看出，轉臂的角速度大概在5秒時達到最大值，最大值約為15.2度/秒，并且轉臂在旋轉的加速啟動和減速停止過程中存在輕微速度突變，轉臂可以平穩運行，滿足其工作要求。

圖5 轉臂質心的角速度和角加速度

3.2.3 各個鉸鏈點的受力隨轉臂轉角的變化關系

當轉臂從工作位置旋轉到非工作位置時，應該平穩進行，盡可能減小甚至消除速度突變引起的沖擊和振動，存在沖擊和振動時應該使沖擊和振動保持在設備可承受的力能范圍內[5]。這在提高設備工作的穩定性和延長設備壽命上有著舉足輕重的作用。為避免零部件在泥炮回轉過程中壓潰或失效、超負荷運行，須分別考察各鉸鏈點受力隨轉臂轉角的變化。以轉臂轉角為橫坐標，各鉸鏈點的受力為縱坐標，分別繪制出各點的曲線圖。

圖6 回轉液壓缸受力隨轉臂轉角的變化曲線

圖6中虛線為油缸與肘板鉸接點的受力隨轉臂的變化曲線，實線為活塞固定鉸接點受力隨轉臂的變化曲線。由圖6可以知道在轉臂回轉過程中回轉液壓缸上兩鉸接點的受力變化趨勢相同，沒有出現異常的尖峰載荷，在啟動和制動過程中有輕微慣性沖擊和振動，在制動終了時受力達到極值，大小為2.1×105N。

圖7中實線為肘板固定鉸接點的受力曲線，虛線為肘板與連桿的鉸接點受力曲線，點劃線為肘板與回轉油缸鉸接點的受力曲線。由圖7可以知道在轉臂回轉過程中肘板上三個鉸接點的受力較為平穩，在啟動和制動過程中同樣有輕微慣性沖擊和振動，在制動終了時三個點受力達到極值，其中固定鉸接點的最大，大小為4.7×105N。

圖7 肘板三個鉸接點受力隨轉角的變化曲線

圖8 轉臂上三個鉸接點受力隨轉角的變化曲線

圖8中虛線為轉臂與連桿鉸接點的受力隨轉臂的變化曲線，實線為轉臂固定鉸接點受力曲線，較平直點劃線為轉臂與吊掛機構鉸接點的受力曲線，可以看出在轉臂回轉過程中轉臂與吊掛機構的受力很小而且幾乎沒有變化，大小始終保持在5.7×104左右。轉臂上其他鉸接點在啟動和制動過程中存在較小的載荷變化，與連桿鉸接的點受力最大，最大值出現在轉臂停止運行時刻，大小為3.1×105N。

圖9 控制連桿受力隨轉角的變化曲線

因為控制連桿可視為二力桿，所以兩端鉸接點的受力幾乎完全相同，所以得到的是兩條幾乎重合的曲線。由圖9可以知道在轉臂回轉時控制連桿受力很小，最大值不超過1.2×104N。

由圖6～圖9可以知道，給泥炮施加的驅動是勻加速啟動——平穩運行——勻減速制動時，在開始啟動和制動停止階段均有輕微的速度變化和沖擊，可能造成設備的振動，影響設備工作的平穩性和降低設備的工作壽命，為此，設計回轉油缸時，在啟動和制動階段均添加了液壓緩沖器，消除了啟動和制動的沖擊和振動。

綜上可知，所設計的新型大高爐泥炮在回轉過程中運行平穩，具有較好的工作穩定性，各個鉸接點的受力峰值都遠小于設備的設計能力，而且泥炮回轉是空載運行，受力情況對泥炮的穩定運行和工作能力、使用壽命并無較大影響。

3.3 傳力特性分析

油缸驅動肘板轉動，再由肘板帶動轉臂旋轉，由鉸鏈四桿機構實現，通過分析該機構的傳動角可以有效的反映機構的傳力特性。通常，對于高速大功率機械的傳動角要≥50°，對于一般機械也需要≥40°。一個轉炮工作形成內傳動角的變化曲線如圖10所示。由圖10可以看出最小傳動角大概為42.3°，達到傳動角≥40°的設計要求，并且傳動角逐漸增大，證明該機構傳力特性良好。

圖10 傳動角隨時間的變化曲線

4 結論

通過Solidworks 和ADAMS軟件，建立了大型液壓泥炮的虛擬樣機模型，并對其軌跡進行了仿真，研究了泥炮在工作狀態和回轉過程中各個鉸接點的受力變化，可以得出以下結論：

1)新型全液壓泥炮結構簡單、緊湊，機構高度較小，炮嘴軌跡調整簡單方便，工作性能可靠。

2)液壓泥炮滿足大型高爐的工作能力和工藝要求，而且便于安裝、拆卸和維護。

3)炮嘴在靠近出鐵口時走一段近似直線的行程，并且運行平穩。

4)泥炮在回轉過程中各個鉸鏈點在啟動和制動時運行平穩，沖擊小，受力峰值均遠小于泥炮的額定載荷。泥炮具有較好的工作穩定性和較高的使用壽命。

[1]朱允言，高澤標.液壓泥炮旋轉桿機構的參數分析[J].北京科技大學學報,1990(2):6-10.

[2]陳德民.精通ADAMS2005/2007虛擬樣機技術[M].北京：化學工業出版社,2009:40-52.

[3]尹忠俊，徐明，張永鋒等.開鐵口機旋轉機構的參數化研究[J].冶金設備,2005(1)：40-42.

[4]李朔東,殷寶鐸.液壓泥炮旋轉機構的運動特性分析[J].冶金設備，2010(5)：32-34.

[5]張峰，尹忠俊，金玲等.基于虛擬樣機技術的橢圓振動篩仿真分析[J].冶金設備，2009(2)：38-41.

Application of Virtual Prototyping Technology in the Development of Large Hydraulic Clay Gun

Shi Dengren Yin Zhongjun Dong Ran Lu Chenzhi

(School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083)

Build virtual prototyping model of a new type of hydraulic clay gun by the virtual prototyping software solidworks and is imported into ADAMS to analyze its kinematics and dynamics. The trajectory and speed change of key point is researched and then analyzed the size of the force and variation trend of hinge points in main components. This paper provides a reliable theoretical basis on rational design and use of large hydraulic clay gun through the prototype modeling and simulation analysis. And thus can shorten the development cycles and reduce the cost.

Hydraulic clay gun Rotary mechanism Dynamic simulation Kinetic analysis Virtual prototyping

石登仁，男，1984年出生，畢業于北京科技大學，碩士研究生，主要研究方向為機械系統動力學分析

TF321.5 TP391.9

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.010

2013-09-15)