基于ADAMS的閥門凸輪機構的動力學仿真

鄔霞，羅大兵，周磊

(西南交通大學 機械設計實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

電動閥門作為管道系統介質流量的調節執行機構,主要用于液體、氣體和風系統管道介質流量的模擬量調節，其結構可分為上、下兩部分，即上部分電動執行機構和下部分閥門，工作時由電機帶動閥桿運動實現閥門的開、關和調節動作。閥門凸輪機構在電動閥門中運用廣泛，閥門在關閉時的運動速度應變化緩慢以減小沖擊。閥門凸輪機構中的凸輪和搖桿接觸問題對閥桿往復運動的穩定性至關重要。為了提高閥門凸輪機構的設計水平，保證機構運動的穩定性，通過ADAMS對其進行運動仿真，該方法可以直觀地看到閥門凸輪機構的運動特性，縮短研發周期，降低試驗成本。

Solidworks是計算機三維機械設計的主流造型軟件，能夠方便、快捷地構建復雜精確的三維實體機械系統。ADAMS即機械系統動力學自動分析軟件是美國機械動力公司開發的虛擬樣機分析軟件。ADAMS軟件使工程師能夠建立機械系統“虛擬樣機”，分析性能，更好理解機械系統的運動，比較多種設計方案，預測載荷變化，計算其運動軌跡、速度、加速度等[1]。

本文利用三維設計軟件Solidworks建立閥門凸輪機構的三維實體模型，并將其導入到ADAMS 中，建立閥門凸輪機構的動力學仿真模型。通過動力學仿真，研究閥門凸輪機構工作過程中凸輪與搖桿的接觸力，可為優化閥門凸輪機構的設計和工程分析提供參考。

1 閥門凸輪機構三維實體模型的建立

閥門凸輪機構主要由凸輪軸、搖桿、搖桿軸、閥門、閥門導筒等零件組成(圖1)。在工作過程中，凸輪軸的轉動帶動凸輪轉動，經過搖桿后帶動閥沿導筒做直線運動，實現閥門的開啟、調節作用。

圖1 閥門凸輪機構示意圖

2 閥門凸輪機構動力學仿真模型的建立

盡管 ADAMS 軟件在機械系統靜力學、運動學以及動力學仿真方面的強大的功能，但其內部建模功能相對較弱，利用ADAMS 提供的眾多與其他CAD軟件之間的接口，以 parasolid格式把零件導入ADAMS/VIEW 中，然后根據零件的實際工作情況，在ADAMS/VIEW中添加約束、驅動及載荷等。

由于各剛體零件之間是相互獨立的，要模擬閥門凸輪機構的真實運動，則需要根據實際情況抽象出相應的運動副，并在構件間定義約束，以限制和定義機械系統中各零件的連接方式和相對運動方式，保證機構的虛擬運動狀況以達到設計要求，組成完整的機械系統為后續分析作準備。在給各零件添加相應的約束時，首先要根據閥門凸輪機構的運動特性來確定。安裝臺與地面、導筒和地面之間、搖桿與安裝臺之間添加固定副；凸輪軸與安裝臺、搖桿與搖桿軸之間添加旋轉副；閥與導筒之間需要添加移動副；凸輪軸與搖桿、搖桿與閥之間添加接觸力約束。在導筒和閥之間添加彈簧，設置彈簧剛度系數為0.01(N/mm)，初始長度為60 mm；在凸輪軸與安裝臺之間的旋轉副上添加驅動,轉速設置為200 r/min, 由于ADAMS時間使用的單位是 s，而角度單位是度，則對轉速進行換算公式為[2]:

(1)

3 仿真過程及結果分析

正確建立了閥門凸輪的裝配模型之后，便可以進入機構的仿真模塊，閥門凸輪的運動主要靠凸輪來驅動，而搖桿是主要的傳力零件，在運動時帶動閥沿導筒作直線往復運動。

對于小口徑管道的流量控制全開、全閉時間在幾十秒左右，在實際應用過程中會涉及對于口徑大小的控制，在此設置仿真時間為10s，步數為30，分別測量凸輪軸與搖桿之間的接觸力和導桿的速度，測量結果如圖2、圖3。

圖2 轉速為200 r/min時凸輪與搖桿間的接觸力

圖3 轉速為200 r/min時閥的速度曲線

從圖2、圖3中看出，凸輪與搖桿之間的接觸力不穩定，閥的速度也不穩定。凸輪與搖桿運動過程中的跳動會產生噪聲，同時閥在運動過程中需要平穩，速度應該緩慢變化以減小沖擊和磨損。

通過改變驅動速度來改變凸輪與搖桿之間的接觸力，設置驅動速度為700r/min，則：

(2)

分別測量凸輪軸與搖桿之間的接觸力和閥的速度，測量結果如圖4、圖5。

圖4 轉速為700 r/min時凸輪與搖桿間的接觸力

圖5 轉速為700 r/min時閥的速度曲線

從圖4、圖5可以看出，凸輪與搖桿之間的接觸力更加穩定，但是在一段時間上力的大小為零，說明兩零件在運動過程中發生了脫離，凸輪與搖桿的接觸情況如圖6所示。

圖6 凸輪與搖桿的接觸情況

這是由于隨著速度的增大，彈簧的剛度不足，通過改變彈簧的參數避免凸輪和搖桿脫離，將剛度系數由0.01N/mm改為1N/mm，仿真結果如圖7所示。

圖7 修改彈簧剛度系數后凸輪與搖桿間的接觸力

通過改變彈簧的剛度系數，可以避免在高轉速下凸輪與搖桿發生分離的情況，從而使閥的運動情況更加穩定[3]。

4 結語

基于ADAMS對閥門凸輪機構進行運動仿真，可以得到閥門凸輪機構在運動過程中凸輪與搖桿之間的接觸力曲線和不同轉速下閥門的運動速度曲線。在高速運動的情況下，可以看到由于彈簧剛度不足而引起了凸輪和搖桿脫離的情況。通過仿真的方法，在設計階段就可以直觀地看到機構的整體性能及潛在的設計缺陷，根據仿真結果對彈簧剛度參數和速度參數進行修改，重復進行仿真直到符合預期的結果為止[4]，利用此方法可以縮短產品的研發周期。

參考文獻:

[1] 葛正浩. ADAMS2007[M]. 北京：化學工業出版社，2009.

[2] 張翔翔，孫孟園. 基于ADAMS的插齒機動力學仿真分析[J]. 南方農機，2016(1)：74-75.

[3] 李海林，張政武. 基于ADAMS的螺桿轉子系統的動力學仿真分析[J]. 機械研究與應用，2016，29(1)：77-79.

[4] 于濤，劉秀杰. 基于Pro/E的的液壓支架三維建模與運動仿真[J]. 工礦自動化，2016，42(4)：81-82.