低水頭水電站液壓清污抓斗的優化設計

毛漢領,武羽馨,符家和,易 蘩,李欣欣,黃振峰

(1.廣西大學 機械工程學院,南寧 530003; 2.南寧市航電投資有限責任公司 老口電廠,南寧 530008)

攔污柵作為水電站的一個重要組成部件,在進水口攔截水流中可能進入引水道的污物,擔負起保護發電機組的重擔[1].若攔污柵前污物堆積,形成的水位差不僅會減小電站的發電量,其堵塞還很有可能會壓壞攔污柵,危及發電機組,造成水資源的浪費.對于多數高水頭水電站,污物的影響相對較輕;而對于目前多地建設的低水頭水電站來說,水頭損失會嚴重影響機組發電.

為解決清污問題,國內外開展了對不同清污機構的研制,設計了不同的結構形式應用于不同的攔污柵及水電站[2].本文研究針對低水頭水電站，從上游流下的各種污物極易集結,大多為樹枝等大型污物,因此，一般選用抓斗式清污機.為增大抓斗閉合力,大多設計為液壓式清污抓斗.對各地區正在使用的液壓清污抓斗進行研究分析后,發現液壓缸兩端安裝位置并不是其最佳施力點,即在抓取污物過程中抓斗并不能將液壓缸推力完全轉化為它的抓取力.這一方面導致了抓斗系統能量的浪費,另一方面使得抓斗抓取效率極低.

虛擬樣機技術是利用計算機對機械產品進行仿真實驗,有針對性地分析機械系統動力學與運動學特征.ADAMS的應用已較為廣泛,提供的參數化建模及分析功能可以對設置的不同參數進行一系列的仿真,并進一步對各參數進行優化分析,得到最優樣機.張春山等[3-5]對機械結構進行動力學與運動學分析,得到機構動靜態特性參數,以確定結構的合理性及安全性,提高了產品的性能.潘玉安等[6-7]對機構中含有油缸的力臂及支架結構進行優化,建立對應機構參數化模型,以相關構造點坐標為設計變量,有效減小了油缸作用力.郭曉寧[8]提出有限元技術也可優化機構,但對單個零件的優化,不能對整機性能進行評估,而虛擬樣機技術將各并行工作部分集成到了同一個虛擬樣機上,可以對整機性能進行評估并優化.李樹森[9]采用三維建模和虛擬樣機的方法,對液壓木材抓具展開動靜態特性研究,判斷結構參數對機械性能的影響,并以此為依據為同類型結構的研究提供參考.以上可以看出,利用ADAMS軟件對機械結構進行優化設計具有十分重要的意義.

本文研究對象為液壓清污抓斗,通過對抓斗抓取施力過程進行分析,對施力點結構進行優化.利用ADAMS虛擬樣機,分析軟件的參數化建模以及ADAMS/View提供的參數化分析方法,對抓斗結構進行設計與優化,得到液壓清污機的最優結構.

1 液壓清污抓斗結構分析

1.1 液壓清污抓斗的工作原理

液壓清污抓斗主要由定耙、動耙和液壓系統構成,其結構如圖1所示.

圖1 液壓清污抓斗結構示意圖Fig.1 Structure of the hydraulic trash-cleaning grab

工作時,抓斗整機由鋼絲繩起吊進入孔口,緩慢下降后到達污物堆積處,定耙與動耙耙齒插入污物準備抓取污物.由上鉸點固定在定耙支架上的液壓缸施加推力,帶動動耙繞其與定耙的連接點旋轉,抓斗逐漸閉合,并完成抓取工作.

1.2 抓取阻力分析

清污抓斗的抓取力主要由液壓缸提供,3個液壓缸串聯分別提供推力給3個動耙抓取污物.經分析,抓斗單斗受力分別由切入阻力、推壓阻力和摩擦阻力構成.其單斗受力如圖2所示.

圖2 抓斗單斗受力簡圖Fig.2 Force distributing diagrammatic sketch of one single bucket

在圖2中:F1為切入阻力,N;F2為推壓阻力,N;F3為摩擦阻力,N;F4為液壓缸推力,N;G為單斗動耙重力,N;Q為滿斗污物自重,kg;y為刃尖挖掘深度,m.

切入阻力F1的計算公式為

(1)

式中:B為刃口寬度,m;δ為刃口厚度,m;P0為齒作用于物料的垂直壓力，MPa；r為物料容重,t/m3;y為刃口插入污物內的垂直距離,m;f0為物料對鋼的摩擦系數.

推壓阻力對抓斗影響較大,在抓取污物的過程中,污物沿耙齒上移,其一方面沿底板滑動,另一方面相對靜止的污物滑動,由此形成的滑動摩擦力即為推壓阻力,計算公式為

(2)

式中:p為物料單位受壓，MPa；φ0為物料內摩擦角,°.

在污物進入抓斗內部時,推壓阻力和進入抓斗內部物料的自重會產生污物沿底板的摩擦阻力，即

(3)

式中:Q為抓斗抓滿污物時的污物自重,kg;α為耙齒底背角,°.

1.3 抓斗動力學分析

抓斗機構在Solidworks中進行三維建模,盡可能將沒有相對運動的零部件建立為一個實體,為后續在ADAMS中的建模提供方便.

將Solidworks中建立的抓斗三維模型保存為Parasolid格式,并導入ADAMS中,零部件之間的連接零件,如螺栓、螺母、連接軸等不影響連接關系的零件可不用導入;在ADAMS環境中對模型添加相應材料質量參數,即密度,施加運動副、約束,在動耙與定耙、動耙與液壓缸活塞桿、定耙與液壓缸缸筒之間用旋轉副連接,液壓缸缸筒與活塞桿用移動副連接,為方便分析將定耙與大地固定;并根據單斗受力簡圖依次添加載荷.將驅動設置在液壓油缸移動副上,設置角度測量與傳感器,在抓斗閉合,即抓斗張開角度為0時仿真停止.設置好參數后對抓斗閉合過程運動進行仿真,仿真時間為5 s,仿真步數設置為500,測得液壓缸受力變化曲線如圖3所示.

圖3 原抓斗液壓缸受力變化曲線Fig.3 Curve of primary grab’s hydraulic cylinder

從圖3可以看出:抓斗開始閉合時需要提供的推力變化趨勢較為平緩;隨著抓斗閉合,需要的液壓缸推力逐漸增大,到抓斗閉合時需要的推力最大可達130 kN;而現有的機構不足以提供如此大的推力,僅能提供最大為40 kN的力,導致抓斗不能抓取太多污物或抓取污物過多時抓斗不能完全閉合,使得在運送污物的過程中污物極易掉落,抓取污物效率低下.因此,改進的方法為更換一個液壓系統,或者是對施力結構即液壓缸兩端連接處的安裝位置進行優化.本文對后者進行優化改進分析,利用ADAMS參數化建模功能對其進行優化.

2 抓斗樣機參數化建模分析

2.1 參數化建模

對于結構優化采用的方法是樣機參數化分析,此方法便于了解各設計變量對樣機性能的影響,還可以根據設置的設計變量,采用不同的參數值進行一系列的仿真.根據分析的要求,需要對抓斗模型簡化,即直接在ADAMS軟件中完成參數化建模.不考慮機構的外形,保留運動副,盡可能地將抓斗外形簡化.采用參數化點坐標對抓斗機構進行建模.抓斗結構主要包括1個定耙、3個動耙和3個液壓缸,由于在仿真中3個液壓缸同時動作,其參數及測量結果都相同,因此，可以對1個液壓缸與動耙連接的結構進行優化.根據抓斗幾何結構的特點,定義重要點的位置來構造幾何形狀.在抓斗結構中,重要點即為各部件連接的鉸接點.結構簡化為定耙、動耙由連桿、平板等代替,液壓缸及活塞桿由圓筒代替,并將這些零件與新創建的點關聯.對建模完成的結構賦予質量特性,根據約束條件添加運動副,并在液壓缸移動副處添加驅動,設置好角度測量與傳感器.在ADAMS中建立的模型如圖4所示.

圖4 抓斗參數建模模型Fig.4 Parametric model of the grab

2.2 試驗設計

建模完成后,將抓斗結構中的重要約束點,即建立的參數化點設置為設計變量,即可在仿真過程中隨時改變設計變量的值,抓斗樣機的性能也會隨之發生改變.將抓斗液壓缸兩端的鉸接點D,G的橫、縱坐標分別設置為設計變量DV_Dx,DV_Dy,DV_Gx,DV_Gy,并將其值的范圍規定為絕對最小和最大值.最小和最大值的取值根據原抓斗結構取得極值,如表1所示.選取的參數點如圖5所示.

參數化模型中所添加的載荷與原機構單斗所受載荷相同,基本參數設置相同,仿真時間為5 s,仿真步數為500.利用ADAMS/View中的試驗設計,對4個設計變量同時進行分析,研究測量所需要的液壓缸最大推力,試驗定義為內置試驗設計(Design of Experimet,DOE)技術,因為使用到了因素水平的所有可能組合,所以采用全因素分析,并在軟件中自動生成研究報告.

表1 設計變量參數Tab.1 Parameters of design variables

圖5 設計變量設置點Fig.5 Points of design variables

2.3 優化結果

試驗設計的優點在于除了能夠對設計變量進行優化,還能根據因素水平的所有可能組合來計算.除了最后的最佳優化值,還能看到其他設計變量可能組合的結果.

根據更換的液壓系統中選擇的液壓缸型號、所需要推力的大小以及清污抓斗開閉耙的合理位置,從以上分析報告中,在最優結果附近小范圍內選擇合理的設計變量組合,為下一步新抓斗的結構設計提供依據.所選擇的最終優化位置點參數如表2所示.

表2 設計變量參數Tab.2 Parameters of design variables

3 優化結果分析

3.1 新抓斗結構動力學分析

根據施力結構的優化結果重新對抓斗進行設計并建模仿真.在Solidworks中建立好新抓斗模型以后,同樣導入到ADAMS軟件中對抓斗的閉合過程進行動力學仿真.按新機構各結構參數重新計算抓取阻力,并據其依次添加載荷,其余運動副、約束、測量、傳感器、仿真參數等與原機構設置相同.仿真結束后得到液壓缸受力變化曲線如圖6所示.

圖6 新抓斗液壓缸受力變化曲線Fig.6 Curve of new grab’s hydraulic cylinder

3.2 優化結果對比分析

為評價新設計抓斗抓取污物過程的動力學性能,將新抓斗與原抓斗的動力學仿真結果進行比較.把新抓斗與原抓斗液壓缸受力變化曲線的數據導出,擬合在同一個圖表中,得到新舊抓斗液壓缸受力變化曲線,如圖7所示.

圖7 新舊抓斗液壓缸受力變化曲線Fig.7 Curves of primary and new grabs’ hydraulic cylinder

從圖7中可以看出：隨著活塞桿的推出,兩機構液壓缸需要提供的推力隨著行程的增加而增大,而新機構所需要推力的增大趨勢較為平緩,并且在抓斗即將閉合時所需要的最大推力較原來抓斗需要的130 kN降為了83 kN,降低了約36.2%.重新選擇的液壓系統所能提供的最大推力為100 kN,說明新抓斗能夠提供所需要的液壓缸推力,且較原來施力更少,因此，新設計滿足要求.

4 結語

本文對抓斗結構進行參數化建模及優化分析,得到優化結果,即抓斗最佳施力點位置,并對前后兩種模型建模進行仿真分析,得到動力學參數.通過對比兩組數據,驗證了優化結果的合理性,說明利用虛擬樣機技術建立樣機模型，并對其優化分析是一種有效的設計手段.相對于傳統設計,利用ADAMS虛擬樣機軟件可以短時間內完成從設計到試驗,再到修改,最后完成設計的過程.可以在計算機上完成物理樣機無法完成的多次仿真試驗,并根據不同方案,獲得理想的優化結果.本文的優化設計方法對以后液壓清污抓斗的設計和研究提供了一定的基礎與參考.