基于ADAMS的導煙車運行機構改進及分析

寇 毅

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

U型管導煙技術是一種主要應用于搗固焦爐的新型的導煙除塵技術，它不需建造裝煤除塵站，就既可實現裝煤除塵，又可回收荒煤氣，達到節能的效果。導煙車是U型管導煙技術的核心設備，它在焦爐爐頂上運行，但是由于受熱不均勻，焦爐頂經常會發生下陷，使用常規的剛性連接運行機構往往會出現車輪不同時著地，這種情況就會引起車輪輪壓受力不均勻，導致車輪輪壓增大，影響車輪壽命；導致焦爐頂部局部受力過大；輪壓不均，車輪行走過程產生偏斜，影響定位精度和加速軌道磨損等問題。本文針對剛性連接運行機構存在的上述問題，提出改進建議，并對改進前后的運行機構進行運行仿真對比分析。

1 運行機構的改進

基于剛性連接運行機構存在的上述問題，對剛性連接運行機構進行改進，在車輪平衡架與小車架之間增加彈簧和連接梁，設計了彈性連接運行機構，具體結構如圖1所示，固定支座與連接梁、連接梁與平衡架體、平衡架體與兩個車輪通過鉸軸連接；固定支座與小車架用螺栓固定，以實現牽引小車架的前進；連接梁與小車架之間設置彈簧，這樣小車架與車輪平衡架之間在豎直方向上可以發生相對位移，在遇到軌道下陷或凸起時，通過彈簧的伸長與壓縮就可以自動調整小車架與車輪平衡架之間的距離，保證車輪一直與軌道接觸。

圖1 彈簧連接運行機構

2 導煙車運行機構的運行仿真分析

2.1 三維模型的建立

本文采用Solidworks建立剛性連接運行機構和彈簧連接運行機構的導煙車實體模型，并增加小車架、直軌道、下沉軌道，導入Adams后如圖2所示，其中軌道的最大下沉深度為50 mm。

圖2 導煙車的實體模型

2.2 添加約束和驅動

根據導煙車實際運行時各部件間的關系，對其動力學仿真模型施加約束，對2個驅動車輪的旋轉副添加旋轉驅動。為了模擬車輪在啟動時的實際特點，保證施加轉速時不至于發生突變，采用階躍函數使轉速在1 s的時間內從0增加到163.7（°）/s，得到導煙車車輪的速度驅動函數：STEP（time ，4 ，0 d，5，-163.7 d）。即在 0～4 s車輪靜止，4～5 s車輪的轉速由0 增加到 163.7（°）/s，5 s以后車輪保持 163.7（°）/s的轉速運行。

2.3 接觸定義

車輪與軌道接觸是一種連續的接觸，在ADAMS中可以采用IMPACT函數來定義輪軌之間的接觸力，它由接觸剛度、接觸阻尼、嵌入深度等一系列參數通過動態判斷接觸點位置來計算兩個接觸體之間的接觸力。通過查閱資料，本文定義接觸剛度為106 N/mm，接觸阻尼為5 000 N·s/mm，嵌入深度為0.01 mm，剛度力指數為1.5。接觸求解器選擇Parasolid方式，可以獲得準確的接觸邊界，避免默認的多邊形邊界引起車輪滾動過程中的高頻振動。

2.4 仿真結果

為了更清楚地闡述仿真結果，對模型中的車輪和支承點進行編號，車輪平衡架中的零件和彈簧也與支承點的編號相對應，如圖3所示。

圖3 導煙車模型編號

2.4.1 車輪輪壓分布分析（見圖4）

圖4 車輪輪壓分布圖

在通過下沉軌道時，剛性連接運行機構的車輪1、2、5、6這4個車輪基本處于懸空狀態，輪壓突變為零，這就容易導致車輪打滑，而其余4個車輪的輪壓翻倍的工況，對于焦爐頂和導煙車自身的受力均不利；而彈簧連接運行機構的車輪1、2、5、6始終與軌道接觸，并沒有出現分離，車輪輪壓只減小了10%左右，并且車輪輪壓并沒有發生突變，其余4個車輪的輪壓也只增大了10%左右，這證明彈簧連接的運行機構能夠起到良好的緩沖作用，有效避免了采用剛性連接運行機構的導煙車在通過下沉軌道時出現的不利工況。

2.4.2 小車架運動情況

剛性連接運行機構的支承點B和D幾乎沒有位移，支承點C向上運動了10 mm左右，支承點A向下運動了10mm左右；彈性連接運行機構的支承點B和D向下運動了6 mm左右，相對于支承點B和D，支承點C向上運動了12 mm左右，支承點A向下運動了12 mm左右。剛性連接運行機構的小車架只是支承點A和C繞著BD軸發生了旋轉，并未發生整體下移；而彈簧連接運行機構小車架不僅發生了整體下移，同時支承點A和C繞著BD軸發生了旋轉，兩者的旋轉方向一致，但是轉動角度有所差別，彈簧連接運行機構支承點A和C的轉動角度大于剛性連接運行機構。實際上剛性連接運行機構的小車架處于一個不平衡的狀態，如果小車架的重心發生動態變化，就會支承點A和C出現繞著BD軸不停轉動的“蹺蹺板”現象，這時剛性連接運行機構支承點A和C的旋轉角度會遠遠大于彈簧連接運行機構。

圖5 小車架各支承點的y向坐標變化曲線

圖6 小車架各支承點的y向加速度變化曲線

剛性連接運行機構中各支承點的y向速度和加速度均為瞬時的，對結構會產生較大的沖擊；而彈簧連接運行機構由于增加了彈簧，各支承點的y向速度和加速度是連續變化和波動的，這就減輕了對結構的沖擊，但是帶來了新的問題，小車架一直處于動態平衡中，一旦受到外界因素的影響，就會打破原有的平衡，進而出現上下振動，這種振動無法消除。

3 結語

針對導煙車剛性連接運行機構通過下沉軌道時出現的問題，設計了彈簧連接運行機構。通過ADAMS軟件建立了導煙車運行機構的仿真模型，分別對剛性連接運行機構和彈簧連接運行機構進行了動力學仿真，對兩種連接運行機構的結果進行對比，得到在通過下沉軌道時，彈簧連接的運行機構能夠有效避免采用剛性連接運行機構的導煙車出現的不利工況，起到良好的緩沖作用；但是彈簧連接的運行機構相對剛性連接車輪平衡架增加了鉸軸、連接梁和彈簧等部件，結構復雜，成本較高，同時由于彈簧的存在導致小車架存在一定的振動，且無法消除。因此在設計中我們應當根據軌道下沉深度的實際工況，選擇合理的彈簧剛度，既能滿足通過下沉軌道的要求，又能保證小車架的振動在合理的范圍內。