一種新型多功能起重輸送車設計與分析

范乃吉++陳靜++張揚++熊遷

摘 要：設計了一種新型多功能起重輸送車，兼具運輸、起重、俯仰調整等功能。在設計過程中，首先使用Pro/E對其進行三維建模，并對四桿擺臂機構進行了優化設計，然后基于ADAMS仿真平臺進行動力學分析，得到四桿擺臂機構的位移、角度、速度、受力等相關特性曲線，最后利用ANSYS的APDL語言編制分析程序，分析了“水平運輸”和“起升”兩種工況下的整體變形及各部位的應力和應變。該文的設計方法對同類設備的運動學和動力學分析具有很好的參考價值。

關鍵詞：起重輸送車 有限元法 四桿機構 ANSYS ADAMS

中圖分類號：U11 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0001-04

在高功率固體激光裝置的建設過程中，由于待裝校光機組件的重量、形狀及安裝要求不同，需要設計不同的輔助工裝對其進行潔凈、精密裝校。因此，為滿足透鏡模塊等靶場光機組件的裝校，該所聯合哈爾濱工業大學一同研制了一種新型多功能起重輸送車。

由于實驗室的裝校環境較為復雜，且障礙較多，因此需要該設備的底盤盡可能低，同時，下車和上車間應采用回轉支撐進行連接，下車采用定向輪和萬向輪結合的方式進行行走。為了防止運輸過程中起重輸送車出現傾翻情況，在下車前方設置了兩個防傾翻輪。除此之外，被運輸的光機組件需要能夠自由調整俯仰角度，同時可以在擺臂上進行滑動，為了實現該功能，該設備采用電動缸驅動四桿擺臂機構實現擺動，結合電機卷揚系統來實現被運輸設備在擺臂上的滑動。與此同時，當擺臂仰起時，兼具起重設備功能，通過電機卷揚系統來實現光機組件的起吊。

1 四桿擺臂機構設計與優化

四桿擺臂機構是起重輸送車（如圖1所示）的重要部分，是整個工作裝置的核心。光機組件需通過滑動夾具放置在四桿擺臂機構上，運輸過程中，四桿擺臂機構要承載光機組件和滑動夾具的重量，要安全可靠，同時占用空間體積要小，滿足高度限制；工作時，四桿擺臂機構又可以將光機組件擺動到48°的位姿，同時還能使滑動夾具在48°方向上進行滑動。光機組件及其配套設備的重量約為1.2 t，但是重心位置時常有變化。因體積限制，兩個電動缸最大能提供的推力為4.4 t。鑒于上述要求，該設計采用四桿擺臂機構的形式，伺服電動缸驅動搖臂，從而驅動滑桿擺動到48°；在滑桿頂端安裝滑輪組，通過鋼絲繩來控制滑動夾具的升降運動。經過多次優化修正，最終得到的各桿尺寸為轉臺的兩個鉸接點之間長度為Za=874.15 mm，擺臂長度Zb=411.45 mm，擺桿兩鉸接點間長度Zc=495 mm，搖桿長度Zd=794.25 mm，如圖2所示。

2 起重輸送車擺臂機構的ADAMS仿真分析

建立起重輸送車執行機構ADAMS模型的過程如下。

首先，將在Pro/E中建立的起重輸送車三維模型各組成部分即底盤、轉臺、三角臂、擺桿、搖臂、電動缸、伸縮臂單獨保存成零件類型，然后重新進行裝配，將裝配體保存成“.x_t”格式，然后導入到ADAMS中，在模型修正模塊里將所有組成分塊（Part）的材料類型設置為Steel，可自動得到材料的密度和彈性模量以及泊松比等屬性，模型宏觀單位選擇MMKS，即毫米千克秒。

其次，在ADAMS中對執行機構各個部分之間建立約束關系。調整工作平面的方向，使其垂直于各轉動關節的軸線，然后在各轉動關節之間于鉸接處建立起轉動副；在伺服電動缸與伸縮臂之間建立移動副；同時將轉臺與地面進行鎖定，即將轉臺進行全約束。

再次，在伺服電動缸缸套與伸縮臂的移動副處添加兩個移動關節的直線運動用來模擬伺服電動缸伸縮臂的伸縮，伸縮臂是勻速動作的，其移動速度設定為3 mm/s。

然后，對執行機構進行加載，重力加速度設置為Y軸負方向，大小為9.8 N/kg，物理診斷設備和滑動夾具在單個作用點的等效載荷為3528 N，施加在滑動夾具車輪與擺桿接觸的位置上，載荷隨著擺桿的移動同時移動，即其相對擺桿的位置不變，方向垂直向下。

最后，進入仿真求解模塊，根據伸縮臂伸縮長度和速度的比值，得到伸縮臂全程運行時間約為145 s，仿真步數設定為2000步，運行時間函數為STEP5（x，x0，h0，x1，h1），其中自變量x是時間time，x0是開始時間t=0 s，x1是結束時間t=145 s，h0是油缸起始伸縮量0 mm，h1是油缸最大伸縮量435 mm，仿真姿態如圖3和圖4所示

伺服電動缸仿真結果如圖5和圖6所示。由伺服電動缸受力曲線可看出，最大受力接近18 000 N，在選用電動缸量程以內，而且接近最大量程，能充分發揮電動缸的功用，而且伸縮臂受力大小變化比較平緩，沒有突變，另外油缸伸縮量約為430 mm，符合設計要求，所以由機構分析和ADAMS仿真分析都能說明電動缸伸縮量設置的正確性。

3 起重輸送車的ANSYS仿真分析

在設計建模的過程中，采用Top-Down和Down-Top相結合的建模方法，即部分結構通過點、線、面、體的順序來建立，而有的部分結構采用先建立出體、面或線，然后自動生成其下級元素。起重輸送車的結構模型比較復雜，所以在不影響計算精度的前提下，在建模過程中從結構上進行適當的簡化，這樣可以減少大量的冗余的工作，讓設計人員把更多的時間放在設計的改善上，不僅大大減少了工作量，而且縮短了設計周期。

在對起重輸送車進行力學仿真的過程中，主要針對“水平運輸”和“起升”這兩個工況進行分析，如圖7和圖8所示為“水平運輸”工況下的整車幾何模型和加載后的有限元模型。“起升”工況下，由于物理診斷設備長度規格不同，需要調整擺桿上滑架的位置來適應物理診斷設備的長度，在此該文按照滑架完全伸出時的情況進行建模，同時，由于滑架和擺桿的材料相同，直徑差別很小，所以建模時直接將擺桿的長度設置為擺桿和滑架的總長度，如圖9和圖10所示為“起升”工況下的整車幾何模型和加載后的有限元模型。

在“水平運輸”和“起升”兩種工況下車架應力云圖如圖11和圖12所示，起重輸送車整體都能滿足強度和剛度要求，擺桿變形在允許的范圍內，能很好的滿足工作要求，出現應力集中的部位通過在加工中增加過渡圓角或者增大厚度就可以消除。

4 結語

在功能上，該文設計的新型功能起重輸送車滿足了設計要求，對同類設備的研發具有一定的指導意義。同時應用ADMAS和ANSYS分別對該設備進行了運動學和結構分析，從計算結果來看，設備安裝可靠，可以投入生產。

參考文獻

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