基于mscsimdeiger的救護(hù)絞車虛擬樣機(jī)建模與仿真分析

基于mscsimdeiger的救護(hù)絞車虛擬樣機(jī)建模與仿真分析

0拯救絞車的使用在石油制造部，為了定期清潔油罐，人們需要用絞車將員工送往或提出油罐。因?yàn)閱T工在油罐中的位置非常敏感，因此他們有時需要呆在某個位置，也需要快速離開。為了確保員工的安全，有效控制他們的工作。救援絞車是相對合理的改進(jìn)工具。實(shí)用的救生絞車,應(yīng)該具有體積小、重量輕和便于操作控制的特點(diǎn)。吉林恒安電子公司研發(fā)的救生絞車主要是結(jié)合其產(chǎn)品JSH-150/35型救生緩降器而設(shè)計(jì)的。該救生絞車能以恒定的速度上升或下降,也可以在任意位置?？俊?shí)踐證明,救生絞車既可以用來對石油化工廠油罐進(jìn)行清理作業(yè),也可以用于消防人員的救生搶險等其他作業(yè)。1生成及傳動方案設(shè)計(jì)的救生絞車可以提放150kg的重物或人,下落速度小于1.5m/s,在滿足此功能的基礎(chǔ)上,盡量使結(jié)構(gòu)緊湊、受力合理,并能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)下降,快速提升。為實(shí)現(xiàn)救生絞車所需的功能,確定選用蝸輪蝸桿傳動。在救生絞車的手柄處,選擇蝸桿傳動,以實(shí)現(xiàn)大傳動比減速并且大幅度地減少所需輸入的動力。選擇蝸桿傳動可以使救生絞車的結(jié)構(gòu)尺寸緊湊,滿足設(shè)計(jì)和使用要求。結(jié)合緩降器與其外部傳動部分,即蝸輪蝸桿傳動部分的相對位置,確定傳動方案如圖1所示。重物是靠救生緩降器升降,故整個救生絞車的主要受力點(diǎn)在緩降器鋼繩的安放處。從圖1可以看出,蝸輪與緩降器同軸,通過懸掛裝置使救生絞車力的作用線通過緩降器上重物的力作用線。救生緩降器采用NGW型行星齒輪傳動,即固定內(nèi)齒圈,如圖2所示。鋼絲繩通過三個導(dǎo)向輪跨繞在繩輪的輪槽內(nèi),并將繩輪與行星架制成一體,內(nèi)齒圈與外殼制成一體,摩擦面設(shè)在內(nèi)齒圈上,兩個摩擦塊沿著太陽輪周向分布裝在太陽輪上,使其同太陽輪一起旋轉(zhuǎn),并能在太陽輪上沿徑向移動、沿徑向甩出,與制動盤中的摩擦塊發(fā)生旋轉(zhuǎn)摩擦形成制動力,從而自動調(diào)節(jié)下降速度,實(shí)現(xiàn)勻速下降,保證人落地時無沖擊感且工作過程無空程。該緩降器使用了純裸鋼絲繩。救生絞車中的蝸輪蝸桿傳動傳遞的是空間交錯軸之間的運(yùn)動,蝸桿為主動件,實(shí)現(xiàn)減速運(yùn)動。為使救生緩降器的運(yùn)動和動力可以傳遞給蝸輪蝸桿,即將繩輪的運(yùn)動傳遞給蝸輪,需要二者在一定時刻可以同時運(yùn)動,且在一定時刻二者的運(yùn)動不發(fā)生關(guān)聯(lián),這就要求在救生緩降器和蝸輪蝸桿之間有一套脫開裝置,從而控制繩輪和蝸輪的相對運(yùn)動。2動力學(xué)仿真研究MSC.SimDesignerforCATIAV5是MSC的核心仿真技術(shù)嵌入到CATIAV5的結(jié)果,是對CATIAV5仿真功能的擴(kuò)展和增強(qiáng)。SimDesignerMotion允許與CATIAV5一起進(jìn)行動力學(xué)仿真。SimDesignerMotion模塊在CATIAV5Assembly裝配模塊中創(chuàng)造運(yùn)動模型,模仿動態(tài)運(yùn)動,并且允許觀察運(yùn)動和輸出X、Y坐標(biāo)曲線。在救生絞車的仿真分析中運(yùn)用CATIAV5進(jìn)行模型建立,裝配約束,使用SimDesignerMotion模塊對救生絞車進(jìn)行運(yùn)動約束施加,建立比較逼真的虛擬樣機(jī)。然后再調(diào)用MSC.ADAMS進(jìn)行動力學(xué)仿真研究。通過建立救生絞車的虛擬樣機(jī),對虛擬樣機(jī)進(jìn)行各種動力學(xué)分析,可以根據(jù)分析結(jié)果提出對救生絞車的改進(jìn)方法,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的,不僅節(jié)省物理樣機(jī)的成本,還降低了研發(fā)周期。2.1拯救絞車模型建立由于MSC.SimDesignerforCATIAV5已經(jīng)較好地嵌入了CATIAV5,設(shè)計(jì)中可直接使用CATIAV5建立救生絞車的三維模型。救生絞車中的零/部件建模完成后,在AssemblyDesign中進(jìn)行裝配約束。由于后面的運(yùn)動約束可能要用到這些裝配約束,在裝配中裝配關(guān)系要合理有序。2.2運(yùn)動約束的施加和機(jī)構(gòu)創(chuàng)建SimDesignerMotion的約束和運(yùn)動副在SimDesigner中是理想化的,認(rèn)為它們是完全剛性的,不具有質(zhì)量。雖然MSC.SimDesigner已經(jīng)嵌入到CATIAV5中,但是SimDesignerMotion和CATIAV5之間的聯(lián)系是單向的,SimDesigner中任何約束和應(yīng)用載荷的變化都不會轉(zhuǎn)化到CATIAV5的幾何模型中。SimDesignerMotion運(yùn)動約束的施加和機(jī)構(gòu)創(chuàng)建有兩種方法:一是裝配約束自動轉(zhuǎn)換為運(yùn)動約束,二是手動方式施加實(shí)際所需要的運(yùn)動副。為了保證模型能轉(zhuǎn)化為虛擬樣機(jī),對于較復(fù)雜的模型建議采用手動方式施加運(yùn)動約束。定義的過程為:啟動SimDesignerMotion、創(chuàng)建新機(jī)構(gòu)、定義機(jī)架、運(yùn)動副的定義、驅(qū)動的施加和向模型中添加阻力,得到仿真樣機(jī)。在SimDesignerMotion中,輸出虛擬樣機(jī)進(jìn)入后處理有兩種方法:一是將創(chuàng)建好的運(yùn)動模型使用命令Exportthecurrentmotionmodel,則可進(jìn)入ADAMS/View,得到.cmd文件,MSC.ADAMS可以直接調(diào)用該文件,進(jìn)而分析復(fù)雜動力學(xué)仿真,包括柔性體部件、疲勞特性和控制系統(tǒng)等。將模型輸出到ADAMS/View后,還可繼續(xù)進(jìn)行約束、驅(qū)動和阻力的添加,而后再進(jìn)入ADAMS/PostProcessor中進(jìn)行后處理;二是將創(chuàng)建好的運(yùn)動模型,包括機(jī)構(gòu)運(yùn)動的全部力和約束,直接用命令Plotsimulationresults,調(diào)用ADAMS/PostProcessor。目前SimDesignerMotion利用ADAMS/PostProcessor作為創(chuàng)建、回顧和查詢XY曲線輸出,以便進(jìn)行后處理。2.3機(jī)模型仿真研究利用在MSC.SimDesignerforCATIAV5完成的虛擬樣機(jī)模型如圖3所示,在MSC.ADAMS/View中進(jìn)行仿真研究。在主工具箱中選擇仿真工具,設(shè)置仿真分析停止的絕對時間為3.5s,設(shè)置在整個分析過程中總共輸出的步數(shù)為70步,開始仿真,因在樣機(jī)中設(shè)置了接觸力,故仿真過程用時較長。3仿真分析結(jié)果完成樣機(jī)的仿真分析后,進(jìn)入后處理程序ADAMS/PostProcessor,顯示與樣機(jī)中各種對象有關(guān)的仿真分析數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)回放與處理,得到相關(guān)曲線。3.1生成蝸輪質(zhì)心角速度圖4為繩輪質(zhì)心角速度曲線,可以看出繩輪質(zhì)心角速度最大值為1500°/s,即250r/min,則重物下降時的線速度為:v=πnr30=3.14×250×0.01430=0.366(＜1.5m/s)v=πnr30=3.14×250×0.01430=0.366(＜1.5m/s)故重物下降速度在要求范圍之內(nèi)。因?yàn)樵跇訖C(jī)中存在接觸力約束,故在運(yùn)動過程中可以看到實(shí)際嚙合過程中的沖擊現(xiàn)象,如圖4中所示的曲線峰值,即是由嚙合過程中的沖擊引起。圖5為以蝸桿角速度為橫軸的蝸輪質(zhì)心角速度曲線,可以看到當(dāng)蝸桿以270°/s運(yùn)動時,蝸輪隨之以恒定的角速度13.8462°/s運(yùn)動,則蝸輪蝸桿傳動的傳動比i為:i=ω1ω2=27013.8462=19.5i=ω1ω2=27013.8462=19.5式中:ω1為蝸桿角速度;ω2為蝸輪角速度。則在救生絞車中,設(shè)計(jì)傳動比與樣機(jī)分析所得傳動比一致。圖6為中心齒輪與兩介輪的質(zhì)心角速度曲線,可以看到,兩介輪質(zhì)心具有相同的角速度,即依照相同的規(guī)律運(yùn)動,中心齒輪與兩介輪具有相同的運(yùn)動狀態(tài),但角速度的幅值與兩介輪不同,即中心齒輪與兩介輪之間具有固定的傳動比。3.2蝸桿平衡穩(wěn)定性分析驅(qū)動的功率和扭矩之間存在的關(guān)系,即P=Tω,由于輸入驅(qū)動為恒速運(yùn)動,故在理論數(shù)值上驅(qū)動功率P和扭矩T成線性比例關(guān)系。從圖7和圖8中可以看出,驅(qū)動功率和扭矩的振幅成ω倍的關(guān)系,而它們的運(yùn)動規(guī)律是相同的,都是在一個周期內(nèi)呈余弦函數(shù)變化。可見,用MSC.ADAMS分析的結(jié)果與理論結(jié)果相符合。圖9為蝸桿平衡力矩曲線,利用Plottracking命令得到蝸桿平衡力矩的平均值為26598.99N·mm,則蝸桿處需要輸入的力F=M/r=144.6N。其中M為蝸桿平衡力矩的平均值,N·mm;r為蝸桿處搖臂的長度,mm。當(dāng)F<196N時,可以滿足設(shè)計(jì)要求。從圖9蝸桿平衡力矩曲線中還可以看到,在運(yùn)動仿真過程中,總是有一段時間運(yùn)動是相對平穩(wěn)的,而之后便出現(xiàn)了相對大的沖擊,說明蝸輪和蝸桿在嚙合過程中存在沖擊現(xiàn)象。如果適當(dāng)調(diào)整蝸輪輪齒和蝸桿輪齒的相對初始位置,則蝸桿的平衡力矩會有所減小。3.3蝸輪蝸桿齒廓模型的缺陷從圖10蝸輪蝸桿之間的接觸力曲線可以看出,在運(yùn)動開始的時候,相互接觸的蝸輪與蝸桿之間存在強(qiáng)烈的沖擊,故在開始時力和力矩都比較大,之后便趨于穩(wěn)定。但是,在運(yùn)動過程中,可以看出,總是有一段時間運(yùn)動是相對平穩(wěn)的,而之后便出現(xiàn)了相對大的沖擊,如果MSC.SimDesigner中的運(yùn)動模型在導(dǎo)入ADAMS/View之前,在CATIAV5的裝配模塊Assemblydesign中適當(dāng)調(diào)整蝸輪和蝸桿輪齒的相對初始位置,則會減小接觸力的沖擊。對蝸輪蝸桿之間的接觸力與介輪與內(nèi)齒輪之間的接觸力比較可以看出,同一時刻蝸輪與蝸桿之間的接觸力比介輪與內(nèi)齒輪之間的接觸力要大。理論上,蝸輪蝸桿傳動相對于圓柱齒輪傳動的優(yōu)點(diǎn)之一就是蝸桿齒是連續(xù)的螺旋齒,與蝸輪齒的嚙合是逐漸進(jìn)入和退出的,故比圓柱齒輪傳動平穩(wěn)。存在誤差的原因是在ADAMS/View中,接觸力分析是針對齒廓形狀的,而在CATIAV5的蝸輪建模中,蝸輪齒廓采用漸開線齒廓,模型存在誤差。筆者建議采用CATIAV5中的參數(shù)化精確建模,可以減小誤差,使得接觸力的分析更加準(zhǔn)確。4付款時通過對救生絞車的仿真研究,可以得到以下結(jié)論。1傳動比的確定蝸輪蝸桿式救生絞車的主要優(yōu)點(diǎn)即是在保證小體積的情況下達(dá)到預(yù)定的傳動比。經(jīng)樣機(jī)曲線分析,從蝸桿運(yùn)動輸入到繩輪件運(yùn)動輸出,傳動比為19.5,滿足設(shè)計(jì)要求。2人手搖臂長度計(jì)算從對蝸桿平衡力矩曲線的分析中可以看出,根據(jù)設(shè)計(jì)的手柄搖臂的長度,分析計(jì)算得出人手搖力需144.6N,小于設(shè)計(jì)最大為196N的實(shí)際要求,故蝸輪蝸桿式救生絞車在受力方面滿足設(shè)計(jì)要求。3輪件運(yùn)動約束和力的施加對于單個部件,需有一定的角速度范圍的要求,尤其是對于繩輪件,整個蝸輪蝸桿式救生絞