張 彥, 張文強(qiáng)

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

基于ADAMS的1 t電動(dòng)平衡吊失衡力分析及解決方法

張 彥, 張文強(qiáng)

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

由桿件自重引起的失衡力對(duì)平衡吊的隨遇平衡有著極大的不利影響。文章以1 t電動(dòng)平衡的設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ),建立了數(shù)字化模型,并利用ADAMS虛擬樣機(jī)軟件對(duì)失衡力的影響因素及變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究;提出了一種通過(guò)改變水平導(dǎo)軌形狀來(lái)降低失衡力的改進(jìn)方案,并選取失衡力較為顯著的某一極限位置建立了一系列不同梯度的模型加以驗(yàn)證。由分析結(jié)果可以得出,對(duì)水平導(dǎo)軌適宜變形可以有效地將失衡力降低至合理范圍內(nèi),以保障平衡吊的隨遇平衡。

平衡吊;隨遇平衡;失衡力;水平導(dǎo)軌;極限位置

電動(dòng)平衡吊是一種應(yīng)用廣泛的機(jī)械助力設(shè)備,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活、價(jià)格低廉、維護(hù)方便等特點(diǎn),因而多見于車間、碼頭等需要頻繁裝卸的工作場(chǎng)合。

理論上說(shuō),平衡吊在其工作區(qū)間內(nèi)無(wú)論是否懸掛重物都可以在任意時(shí)刻、任意位置達(dá)到平衡靜止的狀態(tài),即隨遇平衡狀態(tài)[1]。然而,在實(shí)際工作中平衡吊由于桿系的自重、變形以及尺寸誤差的影響,會(huì)使平衡吊在某些位置不能隨遇平衡而產(chǎn)生滑移。對(duì)平衡吊失衡問(wèn)題的研究已有了許多進(jìn)展,如通過(guò)精確裝配以減小徑向操作力[2];通過(guò)對(duì)桿件的優(yōu)化設(shè)計(jì)及加強(qiáng)筋的合理布置以減少變形;通過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中將摩擦力限制在某一范圍內(nèi)以獲得最優(yōu)性能等。而對(duì)于吊重達(dá)1 t以上的平衡吊,由于失衡力造成的影響非常明顯,采用原有的彈簧平衡法[3]和重錘平衡法[4]所能起到的作用十分有限。針對(duì)這一問(wèn)題,本文對(duì)某型號(hào)1 t平衡吊進(jìn)行數(shù)字化建模及動(dòng)力學(xué)仿真[5-9],分析自重引起的失衡力大小及其影響因素,并提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。

1 平衡吊工作原理及隨遇平衡特性

平衡吊工作機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為一平面四桿機(jī)構(gòu),如圖1所示。4根桿由鉸鏈連接,水平滑塊和豎直升降件可分別在C處水平槽和A處豎直槽內(nèi)滑動(dòng),以實(shí)現(xiàn)重物的移動(dòng)和升降。

圖1 平衡吊工作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

為實(shí)現(xiàn)隨遇平衡桿系需滿足桿長(zhǎng)條件[10]為:

AD/AB=DF/DE=m

(1)

其中，m為平行四邊形放大系數(shù)。在不計(jì)桿件自重及桿件負(fù)載變形的基礎(chǔ)上,滿足(1)式的平衡吊均可保證隨遇平衡。在此,可將桿系視為特殊的杠桿機(jī)構(gòu),并有以下特性:① 當(dāng)平移重物時(shí),若在F點(diǎn)水平移動(dòng)距離X,則C點(diǎn)將同向移動(dòng)x=X/m的距離;② 若作用在F點(diǎn)的水平力為f,則在C點(diǎn)受力大小為f/m;③ 當(dāng)豎直起吊重物時(shí),若F點(diǎn)需豎直移動(dòng)距離Y,A點(diǎn)只需移動(dòng)y=Y/(m-1)即可;④ 若提升的重物重力為G,A點(diǎn)受力大小為(m-1)G。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),m值取在5～10之間。當(dāng)取值較大時(shí),對(duì)于提高工作效率、減輕工作強(qiáng)度有較大幫助,但對(duì)各桿件的強(qiáng)度要求較高,因此多用于輕載平衡吊。本文所研究的1 t平衡吊,由于載重量較大,選取m=5以獲得較好的受力條件,減小桿件變形量。

2 平衡吊動(dòng)力學(xué)仿真及失衡力分析

2.1 模型動(dòng)力學(xué)仿真

為細(xì)致分析桿件自重對(duì)失衡力的影響,并提出有效的減少失衡力的改進(jìn)方案,現(xiàn)以某型號(hào)1 t平衡吊結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),進(jìn)行數(shù)字化建模分析。平衡吊結(jié)構(gòu)布局及極限位置如圖2所示。

由以往經(jīng)驗(yàn)可知,當(dāng)平衡吊處于4個(gè)極限位置時(shí),失衡情況最為嚴(yán)重,因此按以上步驟分別建立位于下內(nèi)、下外、上內(nèi)狀態(tài)的模型。將其導(dǎo)入ADAMS軟件中,對(duì)各零件賦值[11]并在起重臂末端F處施加一速度為0.1 m/s水平驅(qū)動(dòng)motion1,以模擬正常工作時(shí)水平移動(dòng)的狀態(tài),并對(duì)模型進(jìn)行仿真運(yùn)行。

對(duì)于仿真結(jié)果來(lái)說(shuō),失衡力是無(wú)法直接體現(xiàn)的,但可以通過(guò)測(cè)試motion1的驅(qū)動(dòng)力M間接求得。由于未設(shè)置摩擦系數(shù),motion1為實(shí)現(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)所施加的力全部用于克服失衡力,需要注意的是motion1處測(cè)得的力F為失衡力作用在點(diǎn)F處的效果,兩者間有一個(gè)放大倍數(shù)m的關(guān)系,即5F與失衡力等大反向。為敘述方便,下文出現(xiàn)的數(shù)值均為F點(diǎn)測(cè)得的數(shù)值。

圖2 1 t平衡吊結(jié)構(gòu)布局

為探究移動(dòng)速度與失衡力的關(guān)系,將下外模型的驅(qū)動(dòng)速度分別設(shè)置為0.1、0.2 m/s進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖3所示,模型起始位置依次為下內(nèi)、下外和上內(nèi)狀態(tài)。3個(gè)模型4次仿真所測(cè)得的失衡力數(shù)據(jù)見表1所列。

比較仿真1與仿真2曲線可知,平衡吊進(jìn)行水平運(yùn)行時(shí),失衡力的大小與運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān);比較仿真2與仿真3曲線可知,失衡力大小與運(yùn)行速度無(wú)關(guān);比較仿真1與仿真4曲線可知,平衡吊處于較低工作位置時(shí)失衡力更大。因此,下文均以平衡吊處于下內(nèi)位置時(shí)的狀態(tài)為基準(zhǔn)模型。

圖3 平衡吊極限位置失衡力變化

編號(hào)起始位置驅(qū)動(dòng)速度/(m·s-1)仿真時(shí)間/s失衡力/N最大值最小值1下內(nèi)0．119．6500．4865-1351．89672下外0．119．6500．0365-1358．16323下外0．29．8499．3749-1339．01754上內(nèi)0．119．620．4834-653．7580

2.2 平衡吊失衡力分析

由于桿件自重是失衡力產(chǎn)生的直接原因,而由桿件自重引起的失衡力,其大小可通過(guò)理論力學(xué)推導(dǎo)得出[12]。

任意位置失衡力F大小的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

F=

其中,l為D、E兩點(diǎn)間距離;h為A、B兩點(diǎn)間距離;Gi(i=1,2,3,4)分別為DF桿、AD桿、BC桿、CE桿的重力;S1為DF桿上F點(diǎn)到其重心的距離;S2為AD桿上A點(diǎn)到其重心的距離;S3為BC桿上C點(diǎn)到其重心的距離;S4為CE桿上C點(diǎn)到其重心的距離;α為DF桿與水平方向夾角;β為AB桿與豎直方向夾角。

(2)式闡明了桿件重心在豎直方向的變化情況與失衡力大小存在相關(guān)關(guān)系。分析桿件重心位移可知其變化規(guī)律為先升高后下降。為實(shí)現(xiàn)降低失衡力的目的,提出如下改進(jìn)方案:在不影響平衡吊正常工作的情況下,對(duì)其水平導(dǎo)軌進(jìn)行適當(dāng)變形,使其呈現(xiàn)兩端高、中間低的外形。

在進(jìn)行試驗(yàn)前,先對(duì)原模型進(jìn)行力學(xué)分析,以得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)。運(yùn)行仿真前需要為原模型銷軸與水平導(dǎo)軌間的滑移副賦予一摩擦系數(shù),考慮到各運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及實(shí)際潤(rùn)滑情況,此處取0.001 5較為合適。對(duì)模型進(jìn)行仿真,測(cè)定銷軸與水平導(dǎo)軌間的摩擦力變化曲線,將曲線按照放大倍數(shù)m折算到起重臂末端F點(diǎn),并將上文求得的失衡力絕對(duì)值放于同一圖像內(nèi)加以比較,結(jié)果如圖4所示。其中,實(shí)線為失衡力變化趨勢(shì);虛線為等效摩擦力變化趨勢(shì),其變化較為平緩,位于下內(nèi)位置時(shí)為198.576 4 N,移至下外位置時(shí)變?yōu)?98.713 4 N。當(dāng)失衡力大于摩擦力時(shí)會(huì)發(fā)生側(cè)滑情況,破壞隨遇平衡。因此,為保證隨遇平衡,通過(guò)改進(jìn)應(yīng)使失衡力降至摩擦力曲線以下。

圖4 失衡力與摩擦力的比較

3 平衡吊結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案及效果驗(yàn)證

對(duì)總長(zhǎng)392 mm的水平導(dǎo)軌進(jìn)行改進(jìn),以原導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)端點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),導(dǎo)軌方向?yàn)閤軸正方向,分別以(0,w)、(100,0)、(292,0)、(392,z)為坐標(biāo)擬合出樣條曲線并依此對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行外形改進(jìn),使其呈現(xiàn)兩端略高的形狀,再以w-z形式命名各模型。在保持其他條件不變的情況下對(duì)各模型進(jìn)行模擬仿真。各模型測(cè)得的失衡力示意圖如圖5所示，從上至下6組模型依次為5-5、10-10、15-15、20-20、20-30、20-35。

通過(guò)6組模型測(cè)得的失衡力數(shù)值及變化情況見表2所列。

通過(guò)表2可以得出如下結(jié)論:① 由前4組模型數(shù)據(jù)可知，水平導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對(duì)失衡力有著較大影響,且變形幅度越大,降低失衡力的效果也越明顯;② 由20-20模型的數(shù)據(jù)可知位于下內(nèi)位置時(shí)的失衡力已小于此位置的摩擦力,足以保證隨遇平衡;而由于平衡吊的失衡力變化特性,桿件運(yùn)行至下外位置時(shí)失衡力仍較大;③ 由20-35模型的數(shù)據(jù)可知,通過(guò)進(jìn)一步提高導(dǎo)軌外端高度,失衡力變化的2個(gè)峰值均已降低至等效摩擦力以下,即實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行過(guò)程全程的隨遇平衡。

圖5 各模型失衡力變化示意圖

表2 改進(jìn)后6組模型失衡力變化情況

4 結(jié) 論

本文以1 t電動(dòng)平衡吊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),運(yùn)用數(shù)字化建模及虛擬樣機(jī)仿真的方法,得到了失衡力變化曲線;提出了在不增加自重的前提下通過(guò)改進(jìn)水平導(dǎo)軌外形以降低失衡力的方法。對(duì)改進(jìn)方法的仿真分析和效果驗(yàn)證可以證明,在電動(dòng)平衡吊的設(shè)計(jì)過(guò)程中,該方法能夠有效地降低失衡力對(duì)隨遇平衡的不利影響,進(jìn)而提高電動(dòng)平衡吊工作效率及定位準(zhǔn)確度,同時(shí)也為今后的平衡吊設(shè)計(jì)及改進(jìn)工作提供一定的參考。

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Researchandsolutionsonout-of-balanceforceof1telectricbalancecranebasedonADAMSsoftware

ZHANG Yan, ZHANG Wenqiang

(School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The out-of-balance force caused by self-weight of bars has an enormous adverse effect on neutral balance of balance crane. In this paper, digital models were built based on the design parameters of 1 t electric balance crane. And ADAMS software was used to research the influencing factors and trends of the out-of-balance force. An improvement scheme of changing the shape of horizontal guide rail was proposed to reduce the out-of-balance force. Remarkable extreme position was chosen to set up a series of models to test the proposed measure. The results show that the out-of-balance force can be reduced to a reasonable scope by changing the shape of horizontal guide rail properly, and then the neutral balance of balance crane can be guaranteed.

balance crane; neutral balance; out-of-balance force; horizontal guide rail; extreme position

2016-03-31；

2016-05-23

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012KJZC0789)

張 彥(1973-),女,山東臨清人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.12.001

TH213.1

A

1003-5060(2017)12-1585-04

(責(zé)任編輯胡亞敏)