基于CATIA的平地机工作装置设计与仿真分析

苗国华,崔元福,王 永,冯克祥

(山东临工工程机械有限公司,山东 临沂,276023)

基于CATIA的平地机工作装置设计与仿真分析

苗国华,崔元福,王 永,冯克祥

(山东临工工程机械有限公司,山东 临沂,276023)

简要介绍了平地机工作装置基本结构,应用CATIA完成工作装置方案参数化建模.分析工作装置各部件运动关系并抽取工作装置运动副机构模型,基于CATIA的DMU模块建立工作装置仿真模块.通过仿真分析获取其空间运动包络体、轨迹以及铲刀各种工作状态时铲刀升降油缸、铲刀侧摆油缸支点变化轨迹,为工作装置空间结构设计验证优化和相关油缸参数设计提供参考和依据.

平地机工作装置; 运动副抽取; DMU仿真分析; 运动轨迹

0 引言

平地机是一种以铲刀为主、多种附具可选,主要用于大面积平整场地、修路、刮坡、挖沟、修边渠、排水沟、除雪、松土、推土、开荒等工况的作业机械.为满足上述各种工况需求,工作装置在设计时需要满足左、右侧摆90゜、铲刀侧刮20゜等要求,在开发新型平地机时由于工作装置控制结构多、机构复杂、空间结构复合运动等特点,其设计难度较大.国内外对工作装置设计研究不多见,余波等[1]对平地机机构进行位置分析,建立参数化模型,并实现了运动仿真;潘勇军等[2]提出一种平地机工作装置混联机构简化位置正解分析方法.

本文先简要介绍某型号平地机工作装置结构并基于CATIA完成工作装置初始方案的参数化三维建模.通过分析工作装置各部件运动关系并抽取其运动副,在CATIA的DMU模块中建立工作装置运动仿真模型.通过仿真分析获取工作装置空间运动包络体、关键点运动轨迹和铲刀升降油缸、侧摆油缸支点的运动轨迹,以此验证优化工作装置新方案空间结构设计和铲刀升降、铲刀侧摆油缸等参数设计.

1 平地机工作装置与结构分析

某型号平地机工作装置如图1所示,主要由左小臂、左提升油缸、右小臂、右提升油缸、摆架连杆、侧摆油缸、牵引架、回转架、回转驱动装置、铲刀、倾角支架以及倾角油缸等组成.

图1 某型号平地机工作装置Fig.1 Diagram on structure of working equipment

左、右小臂分别通过销轴与前车架铰接连接,同时又分别与摆架连杆两端通过销轴铰接连接.左、右提升油缸支架分别与左、右小臂铰接连接.左、右提升油缸支架、左、右小臂及摆架连杆构成平地机工作装置中的摆架连杆机构,摆架连杆有若干定位孔,通过前车架的锁紧油缸锁紧摆架连杆不同位置孔,从而实现摆架连杆的调整.

左、右升降油缸一端分别与左、右提升油缸支架铰接连接,另外一端分别与牵引架的两球头球铰接;侧摆油缸一端与摆架连杆固定球头球铰接,另外一端与牵引架球头球铰接.牵引架与前车架球面连接.回转架通过回转驱动机构驱动绕牵引架可实现360゜回转;铲刀与倾角支架移动副连接,并通过倾角支架与回转架铰接连接,倾角油缸一端与倾角支架铰接,另外一端与回转架铰接.

由上述分析可知,平地机工作装置是多自由度、多维复合空间机构.工作装置空间结构设计与验证、关键支点的确定以及各油缸支点与参数确定十分困难.在某型平地机工作装置方案设计时,先应用CATIA完成其参数化三维建模.

2 工作装置结构抽取与仿真模型建立

根据上节分析的平地机工作装置各部件运动关系,抽象出某型平地机工作装置各部件运动副关系图,如图2所示:

图2 工作装置运动副图Fig.2 Diagram on kinematic pairs of working equipment

将基于CATIA的工作装置方案参数化三维模型转到CATIA的DMU模块,根据抽取的工作装置运动副关系完成约束到运动副关系的转变.仿真模型中将前车架作为仿真模型的固定件,考虑到仿真模型主要验证优化新工作装置空间结构设计、运动轨迹、各工作油缸支点轨迹和油缸参数确定等,双油缸+回转阀摆动回转机构对整体仿真模型没有影响,因此简化回转驱动机构,将其等效为回转架与牵引架旋转结合.同时结合实际情况分别添加摆架连杆机构旋转角度命令、左升降油缸、右升降油缸、侧摆油缸、侧移油缸以及倾角油缸移动副命令和回转架旋转角度命令,完成工作装置初始方案仿真模型的建立.但仿真模型完成后发现系统自由度不为0,DMU仿真系统不会提示可以模拟机械装置.进一步分析认为侧摆油缸的杆端与摆架连杆的固定球头球铰副、侧摆油缸的活塞端与牵引架球头的球铰副、左升降油缸杆端与牵引架球头的球铰副以及右升降油缸杆端与牵引架球头的球铰副不能分别将侧摆油缸活塞端、侧摆油缸杆端、左升降油缸杆端及右升降油缸杆端绕其本身轴线的自由度约束住,与实际状态不符,不能正常模拟.因此需要将上述四处的球铰副按照实际状况进行等效处理,限制其绕本身轴线的自由度.应用U形结合处理上述四处球铰连接处,将U形结合的两个轴线分别选取油缸活塞或活塞杆与牵引架球头的轴线,两轴线交点即为油缸与牵引架球头连接的中心点.工作装置仿真模型如图3所示:

图3 工作装置仿真模型Fig.3 Simulation model of working equipment

3 仿真分析

利用CATIA“知识工程”的“知识顾问”模块的“规则编辑器”,参考铲刀左、右侧立90゜等工况的实际操作过程中,编制仿真模型的工作装置铲刀左、右侧立90゜的仿真程序如下(以右立90゜为例):

在DMU模块中,分别激活结构树中编制的“法线”,应用“模拟”命令,并在选项卡中选中“使用法则曲线”选项,生成左、右铲刀侧立90゜两个“模拟”,再应用“编译模拟”分别生成左、右侧立“重放”.基于“重放”使用“扫琼包络体”,仿真形成工作装置左、右铲刀侧立90゜包络体,如下图4所示:

分析工作装置方案的空间运动包络体,可得知在空间运动过程中工作装置与前车架、前桥等关联部件没有出现干涉现象,验证其方案设计是合理的.若方案包络体出现干涉情况,可以切换到CATIA零件模块,对工作装置方案三维模型进行参数化修改,快速验证方案可行性,提高设计效率.

图4 工作装置铲刀左、右侧立90゜包络体Fig.4 Simulation program of working equipment

利用“轨迹”命令,分别基于工作装置左、右侧立90゜的“重放”生成工作装置在空间结构运动过程中牵引球头、左(右)升降油缸与提升支架的支点、左(右)升降油缸与牵引架球头的支点、侧摆油缸与摆架连杆球头支点以及侧摆油缸与牵引球头支点共7个关键点轨迹变化情况,如图5所示,结合工作装置包络体和7个关键点轨迹对工作装置方案切换到参数化建模中进行优化更改,确定最终方案.

以铲刀左下顶点建立铲刀速度、加速度传感器,并建立左提升油缸支架与左球头距离、右提升油缸支架与右球头距离与侧摆油缸两端球头距离传感器.激活工作装置铲刀右侧立90゜仿真程序,分别记录工作装置空间运动情况下相关数据,整理数据关系如下图6所示:

分析图6可知,在左、右升降油缸以及铲刀侧摆油缸位移有突变情况时,铲刀速度和加速度会产生瞬间突变使工作装置产生惯性冲击和抖动现象,这种现象在实际作业中不可避免的.在工作装置铲刀右侧立90゜过程中,左提升油缸支架与左球头距离(即左升降油缸杆端与活塞端支点距离)最大为1870.5 mm,最小值为968.5 mm;右提升油缸支架与右球头距离(即右升降油缸杆端与活塞端支点距离)最大为922.8 mm,最小值为617.8 mm.

图5 工作装置关键7点空间轨迹Fig.5 Net body on blade left & right 90°

铲刀侧摆油缸两端球头距离最大为1 483 mm,最小值为1 163 mm.

激活工作装置铲刀左侧立90゜仿真程序,分别记录工作装置空间运动情况下相关数据.整理数据关系如下图7所示:

分析图7可知,除在左、右升降油缸以及铲刀侧摆油缸位移有突变情况时,在其它时间时铲刀速度和加速度会产生瞬间突变,这主要是铲刀侧移油缸和铲刀回转等动作引起.在工作装置铲刀左侧立90゜过程中,左提升油缸支架与左球头距离最大为968.5 mm,最小值为618.5 mm;右提升油缸支架与右球头距离最大为1 772.8 mm,最小值为922.8 mm.铲刀侧摆油缸两端球头距离最大为1 163 mm,最小值为1 013 mm

图6 铲刀右侧立90゜过程关系图Fig.6 Seven key points trace of working equipment

图7 铲刀左侧立90゜过程关系图Fig.7 Cylinder relation and kinematic characteristics on blade right 90°

考虑到左、右升降油缸通用性以及左、右升降油缸和铲刀侧摆油缸性能参数要同时满足工作装置铲刀左、右侧立90゜工况需求,因此左、右升降油缸最小安装距取上述仿真值的最小值617.8mm,左、右升降油缸最大行程时要满足其最大距离1 870.5 mm需求;铲刀侧摆油缸最小安装距取上述仿真值的最小值1 013 mm,侧摆油缸最大行程时要满足其最大距离1 483 mm.

工作装置铲刀最大离地间隙也是一关键指标.在平地机行驶工况,铲刀离地间隙直接影响平地机通过性,因此在确保工作装置牵引架与摆架连杆机构不干涉的前提下,激活“碰撞检测(停止)”功能,使用“法则曲线进行模拟”命令仿真分析,由分析数据可知,在牵引架与摆架连杆发生碰撞时左、右提升油缸支架与球头距离为545 mm.

综合分析仿真数据和工作装置铲刀各种工况需求,考虑到油缸安装距和行程预留5 mm安全余量,最终设计确定左、右升降油缸最小安装距540 mm,最大距离1 875 mm,即行程为1 335 mm;侧摆油缸最小安装距1 008 mm,最大距离1 488 mm,即行程480 mm;各油缸的缸径、杆径由工作液压系统压力和工作装置负载通过有限元分析确定.

在某型号平地机开发中应用CATIA参数化建模和DMU的仿真分析完成多自由度多维度工作装置方案设计、空间结构的优化与验证以及工装装置各工作油缸参数的确定.样机实测表明新工作装置设计满足整机性能参数要求.

4 结 语

(1) 基于CATIA完成某新型工作装置参数化

建模,分析工作装置结构特点,抽取各部件运动副关系,基于CATIA的DMU模块建立工作装置仿真模型,并根据实际情况对部分球铰副等效处理.

(2) 参考实际操作,编制工作装置空间运动

仿真程序,通过仿真获取工作装置空间运动的包络体、关键点轨迹和各油缸支点距离变化情况,为多自由度工作装置与前车架、前桥等关联部件的空间验证优化和工作油缸的参数确定提供参考和依据.

(3) 将上述方法应用于某型号平地机工作装

置设计,可以快速验证优化多自由度多维度工作装置结构,避免多次重复验证和多自由度多维度空间验证困难,大幅提高设计效率.

[1] 余波.PY165A型平地机的位置分析及运动仿真[D].成都,四川大学,2001.

YU Bo. Position analysis and motion simulation of PY165A blade grader[D].Chengdu: Sichuan University, 2001.

[2] 潘勇军,侯亮,王其亮,等.平地机工作装置混联机构简化位置正解分析[J].浙江大学学报 2011,45(8),1346-1351.

PAN Yongjun, HOU Liang, WANG Qiliang,et al.Forward displacement analysis on hybrid mechanism of working device of grader[J].Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2011,45(8):1346-1351.

[3] 刘宏新,宋微微.CATIA数字化样机运动仿真详解[M].北京:机械工业出版社,2013.

LIU Hongxin, SONG Weiwei.CATIA digital prototype kinematic simulation instruction[M].Beijing: Mechanical Industry Press,2013.

CATIA-based design and simulation analysis on grader working device

MIAO Guo-hua,CUI Yuan-fu,WANG Yong,FENG Ke-xiang

(Shandong Lingong Construction Machinery Co.,Ltd,Shandong,276023)

Firstly, a 3D parametric model for working device of grader is established using CATIATM according to structural and spatial kinematic pairs. By using the DMU module for simulation model, the spatial movement track is then obtained. Next, the pivot track of blade lifting cylinder and circle shifting cylinders are attained. Finally, the design optimization on spatial structure sets a reference to cylinder parametric design.

grader working device; extracted spatial kinematic pairs; DMU simulation analysis; movement track

项目名称:G9190平地机开发;课题来源:2013年山东省技术创新项目计划;项目编号:201330115015

苗国华(1982-),男,硕士,中级工程师.E-mail:guohua.miao@sdlg.com.cn

TP 391

A

1672-5581(2016)06-0499-05