1、第 卷 第 期 年 月天 津理工大学学报 .收稿日期:修订日期:基金项目:机械传动国家重点实验室开放基金():/形汽车吊具的运动性能及力学性能分析张磊董磊徐进友芮成杰许帅康于世杰(天津理工大学 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室 天津 天津理工大学 机电工程国家级实验教学示范中心 天津 北京理工大学 国际设计中心 北京)摘要:为满足 形汽车吊具多体运动系统的工作性能和安全性能 对其进行数字化设计 建立了三维装配模型并导入 软件中构建动力学模型 模拟了常规运行工况和单侧电机故障工况下的运动过程 得到位移、速度和加速度曲线 以及铰孔接触力曲线 确定了铰孔受力最大时 形机构的运动位置 采用有
2、限元分析法对该位置在常规运行工况、单侧电机故障工况和一侧外力干扰工况下的力学性能进行分析 结果表明:形汽车吊具在各工况下均满足强度和变形要求 进而验证了结构的力学性能 为设计方案的进一步迭代与优化提供参考关键词:汽车吊具 运动性能 力学性能 仿真分析 形机构 结构设计中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:天津理工大学学报第 卷 第 期 形汽车吊具也称剪叉式汽车吊具 是一种结构简单、运行可靠的整车下线升降装备 可用简单的机械结构实现升降功能 单元是诸多机构中的基本组成单元 应用较为广泛 如飞机维修升降架、飞机起落架及汽车生产运输装备等诸多研究人员从机械结构和机构运动学的角度对剪叉式机构
3、进行设计和分析 例如:朴永灿等基于 软件对剪式稳定架刚柔模型升降过程进行了动力学分析 根据分析结果对设计方案进行改进 王茵等基于有限元、多体刚柔耦合动力学及疲劳的联合分析法对剪叉机构的动态强度及疲劳强度进行研究 为剪叉式升降机的安全性设计提供数据支持 刘吉超等进行了剪叉式高空作业平台举升机构参数匹配研究 在满足举升机构性能要求的条件下 解决了油缸中液压油泄漏等问题 安华成等对比分析了挂轨巡检机器人绳索式剪叉升降机构不同驱动方式的优缺点 给出了剪叉升降机构的详细设计方案 杨玉龙等基于向量式有限元法()推导了剪式铰接结构柔性杆模型内力计算式 并对展开位置误差、展开时间和展开速度进行了分析 李尚平等
4、对一种剪叉式甘蔗转运车进行了调平控制系统的设计与试验 解决了转运车在田间作业操作难 转运过程易发生侧翻事故等问题 徐恒才等设计了一种用于 搬运车的剪叉式升降机构 并对其进行了动力学与静力学分析 为剪叉机构的设计和优化提供了参考 西庆坤等分析了 级剪叉液压升降机的 种布置方式以及液压缸倾斜布置时的 种液压缸安装方案 提高了 级剪叉液压升降机的设计效率和传动质量 高祥林对剪叉式升降平台的疲劳寿命进行了仿真研究利用刚柔耦合模型计算出更为准确的叉臂构件疲劳寿命分布 证明联合仿真方法可较准确的预测升降平台焊接构件的疲劳开裂起始位置及疲劳寿命由上述文献分析可知 对于 形机构的研究主要集中在驱动方案的设计和
5、疲劳强度的研究 很少对极端工况下机构的变形、强度及稳定性进行分析 文中以 形汽车吊具为研究对象 对其进行三维数字化设计和装配 对机构在不同工况下的载荷及其最大受力位置进行分析 进而研究吊具的运动性能和力学性能 为设计方案的进一步优化迭代提供参考 形吊具的结构组成及其运动原理 结构组成 形汽车吊具是一个典型的多体运动系统多体系统是由若干个物体相互联接所组成的系统多体机构设计的合理性和系统运动可行性是保证吊具安全运行的重要前提目前 形吊具主要有两种:()由电机驱动的 形吊具()由液压油缸推动的 形吊具 文中设计的 形吊具通过电机驱动 形升降架实现升降运动 吊具主要由执行模块和驱动模块组成 其中 驱
6、动模块包括伺服电机、带轮、扁平带、动力传动机构和运动控制器等 执行模块包括上下框架、剪叉臂、滚轮、轴承、水平直线导轨等 剪叉臂与上下框架及剪叉臂各部分间使用角接触球轴承联接 可承受轴径向载荷 确保运行稳定性 剪叉臂和滚轮采用普通轴承联接 剪叉臂滑动端滚轮与上下水平直线导轨采用滑动联接 采用水平直线导轨可增加与滚轮的接触面积 使滚轮受载更均匀 从而保证吊具的稳定运行 形汽车吊具装配模型如图 所示 驱动电机 上框架 扁平皮带 剪叉臂 剪叉臂 剪叉臂 剪叉臂 下框架 水平直线导轨图 形汽车吊具装配模型 年 月张磊 等:形汽车吊具的运动性能及力学性能分析 形机构是吊具升降过程中维持稳定的主要机构 通常
7、 将 个 单元构成的机构称为 级 形机构 两个 单元构成的机构称为 级 形机构 个 单元构成的机构称为 级 形机构 如图 所示图 级 形机构和 级 型机构 运动原理 形机构由 个剪叉臂组成 剪叉臂 和剪叉臂 通过轴承联接 固定在上下框架 剪叉臂 和剪叉臂 可沿水平直线导轨自由滑动 个剪叉臂长度相等 两端通过铰孔铰接 可绕中心铰点旋转 伺服电机通过皮带联接下框架带轮 使整个吊具实现升降运动 吊具在工作过程中 形机构以固定铰接座为支点 剪叉臂 和剪叉臂 下端滚轮沿水平直线导轨向内或向外滑动 在吊具上升或下降过程中完成机构的折叠或伸展运动 实现吊具的稳定工作 动力学分析 模型预处理模型结构的简化既要
8、准确表达出结构的实际力学性能 又要尽可能节省在 软件中的计算时间 因此 需在 软件中删除无需分析的驱动模块、螺栓、螺母等联接件与工艺装配件 以及零部件的倒角与圆角等 保留需实质性分析的构件 并将构件上的小螺栓孔进行填充 然后将吊具三维模型导入 软件中进行分析 吊具简化模型如图 所示将吊具的简化模型导入 软件中 重新进行零件装配并赋予材料属性 如表 所示图 吊具简化模型 表 材料属性 材料名称弹性模量/泊松比密度/(/)屈服强度/许用应力/约束添加和载荷施加在 软件中 将无相对运动的下框架和上框架作为刚体 分别进行布尔合并计算 并依据表 中定义的运动约束添加至各部件中 设置滚轮的动摩擦因数为 验
9、证运动约束是否正确构件载荷参数如表 所示 吊具动力学模型如图 所示表 构件间的运动约束 运动副构件 构件 数量 固定副上框架地面转动副滚轮(铰固定)剪叉臂铰孔转动副滚轮(滚动)剪叉臂铰孔球铰副剪叉臂铰孔剪叉臂铰孔移动副滚轮上框架轨道移动副滚轮下框架轨道表 构件载荷参数 参数数值重力加速度/(/)剪叉臂 质量/剪叉臂 质量/剪叉臂 质量/剪叉臂 质量/下框架质量/吊具与汽车质量/天津理工大学学报第 卷 第 期图 吊具动力学模型 仿真运动函数定义 形汽车吊具运行的初始位置为全伸展状态 整个工作过程可划分为启动、匀速上升、制动、匀速下降和停止 个阶段 在 内 下框架速度为 /匀速运动 后 在 内速度
10、由 /降到 下降和上升过程中的速度与时间相同在吊具下框架的两侧添加驱动力 模拟双电机驱动 采用速度驱动函数模拟吊架运动 和 函数表达式为:(:()()()()()()运动分析与结果处理 行程、速度和加速度分析利用 软件求解器进行交互仿真 设置仿真持续时间为 步数为 并检查验证仿真模型干涉情况 仿真结束后 通过后处理器绘制吊具运动仿真曲线 图、图 和图 分别为吊具运动时下框架的行程、速度和加速度曲线图 吊具运动时下框架行程曲线 图 吊具运动时下框架速度曲线 图 吊具运动时下框架加速度曲线 由行程曲线可知 下框架运动行程为 由速度曲线可知 上升的最大速度为 /由加速度曲线可知 在吊具启动和停止时(
11、即速度突变处)的最大加速度为 /在其他时间段为 分析结果满足实际运动过程轨迹 运动性能满足要求 不同工况下铰孔受力及吊具最大受力时的运动位置分析在吊具的工作过程中 可能遇到一侧电机故障导致单侧没有驱动力的极端工况发生 故选择常规运行和单侧电机故障两种工况分别进行运动分析()常规工况 在动力学模型中 在下框架两侧添加驱动力 模拟吊具常规工况 其剪叉臂下端铰孔接触力曲线如图 所示 年 月张磊 等:形汽车吊具的运动性能及力学性能分析图 常规工况下剪叉臂下端铰孔接触力曲线 由图 可知 常规工况下 形机构在吊具运行的第 和最后 时铰孔接触力最大 如表 所示且吊具整个运动过程中 在该位置受力最大表 常规工
12、况下铰孔最大接触力 位置接触力/铰孔 铰孔 铰孔 铰孔 ()单侧电机故障工况 在动力学模型中 只在下框架单侧添加驱动力 模拟吊具单侧电机故障工况 其剪叉臂下端铰孔接触力曲线如图 所示图 单侧电机故障工况下剪叉臂下端铰孔接触力曲线 由图 可知 单侧电机故障工况下 形机构在吊具运行的第 和最后 时铰孔接触力最大 如表 所示 且吊具整个运动过程中 在此位置受力最大表 单侧电机故障工况下铰孔最大接触力 位置接触力/铰孔 铰孔 铰孔 铰孔 不同工况下 形机构力学性能分析 有限元模型离散化对吊具三维模型进行简化 可保证有限元分析结果的正确性并减少计算时间 将简化好的模型通过.文件导入 软件中 进行几何清理
13、 并赋予材料属性 完成模型的前置处理 采用 自动划分网格工具 在接触受力部位对网格进行细化 节点数为 单元数为 网格局部划分如图 所示图 局部网格划分 运动约束条件和接触设置将表 中定义的运动约束关系添加至各部件中表 运动约束关系 运动约束接触构件 接触构件 数量 固定剪叉臂上端铰孔地面回转剪叉臂 铰孔剪叉臂 铰孔回转剪叉臂 铰孔剪叉臂 铰孔回转剪叉臂 铰孔剪叉臂 铰孔回转剪叉臂 铰孔剪叉臂 铰孔回转剪叉臂 铰孔下框架铰孔滑动剪叉臂 铰孔下框架轨道 不同工况下的静力学分析静力学分析是根据各工况下施加的不同约束和载荷对分析对象进行计算 得出最大变形量和最大等效应力 通过对比允许的最大变形和材料的
14、屈服强度确定分析对象是否符合安全标准吊具模型整体载荷矩阵为:()式中:为模型整体刚度矩阵 为模型整体位移矩阵采用第四强度理论判断结构是否失效 形机构的等效应力为:天津理工大学学报第 卷 第 期()()()()式中:为第 主应力、第 主应力和第 主应力 为许用应力 常规工况下静力学分析选取吊具在常规运行过程中铰孔接触力最大时 形机构的运行位置进行静力学分析 将从 中得到常规工况下各铰孔的最大接触力添加至对应时刻的有限元模型中 在对应位置进行载荷约束 通过 分析工具对 形机构进行有限元分析 得到常规工况下的等效应力云图和变形云图 分析结果如图 和图 所示图 常规工况应力云图 由图 可知 最大应力点
15、出现在上层 形单元中心铰孔处 等效应力值为 根据已知构件材料参数 等效应力小于许用应力 表明该机构在常规工况下满足强度要求 由图 可知最大变形量为 位于下层 形单元下端铰孔处 小于设计要求中的允许变形量 有一定的安全性能 单侧驱动电机故障工况下静力学分析选取吊具在单侧驱动电机故障工况下铰孔接触力最大时机构的运行位置进行静力学分析 并在剪叉臂有限元模型的下端铰孔处添加该工况下的最大接触力载荷 得到单侧驱动电机故障工况的分析结果 如图 和图 所示图 常规工况变形云图 图 单侧驱动电机故障工况应力云图 图 单侧驱动电机故障工况变形云图 年 月张磊 等:形汽车吊具的运动性能及力学性能分析 由图 可知
16、最大应力点出现在上层 形机构中心铰孔处 应力值为 略大于许用应力 小于屈服强度 表明吊具在单侧驱动电机故障的工况下短时间内满足强度要求 但不宜长时间处于单侧驱动电机故障的工况 由图 可知 形机构最大变形量为 位于下层 形单元的下端铰孔处 略超出设计要求中的允许变形量 造成机构的刚度不足 出现该工况时应尽快采取停机和维修措施 也可在后续设计中对其结构进一步改进或优化 一侧外力干扰工况下静力学分析在实际吊架工作时 一侧的干扰力可能影响吊具的工作稳定性 例如:工人在装配作业时 从面向吊具的一侧施加一个意外推力(干扰力)个成年人的推力按 计算 常规工况载荷下 在吊具下框架的 一 侧 分 别 施 加 和 的干扰力 通过 分析工具对吊具进行有限元分析 可得到吊具在不同干扰力下的等效应力和变形图 和图 给出了一侧施加 干扰力的应力云图和变形云图 可知 最大应力出现在上层 形机构一侧框架中心铰孔处 最大变形在下层 形单元下端铰孔处 不同干扰力下的应力值和变形值如图 所示 由图 可知 当一侧干扰力为 时 形机构的最大应力小于许用应力 最大变形量也小于设计要求中的允许变形量 表明吊具在受外力干预工况下满足
