城市护栏清洗车工作装置动力学分析

第19卷第1期2011年3月山东交通学院学报JOURNALOFSHANDONGJIAOTONGUNIVERSITYVol．19No．1Mar．2011收稿日期:2011－02－16作者简介:杨钊(1987—)，男，陕西咸阳人，长安大学硕士研究生，主要研究方向为公路养护技术．DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2011．01．017城市护栏清洗车工作装置动力学分析杨钊，冯忠绪，赵悟，薛云(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安710064)摘要:应用Pro/E软件对城市护栏清洗车工作装置进行了结构设计并建立了虚拟样机模型，利用多刚体运动学仿真软件ADMAS以及动力学仿真软件ANSYS对工作装置进行了动力学仿真，得到了工作装置作业三维轨迹等运动学参数、主要铰接点的载荷特征以及主要结构的力学特性，为合理开发城市护栏清洗设备提供了依据。关键词:护栏清洗车;工作装置;ADAMS;ANSYS;动力学中图分类号:U469．603文献标志码:A文章编号:1672－0032(2011)01－072－05城市护栏清洗车广泛应用于城市道路、园林及桥梁护栏的清洗养护作业中，具有作业效率高、作业安全可靠、经济成本低等特点［1］。本文利用虚拟样机分析技术建立了护栏清洗工作装置的虚拟样机模型，分析了其运动学规律及动力学特性，为开发实用、可靠的护栏清洗养护设备及其结构的改进与优化提供了重要的理论依据和技术参考。1工作装置结构城市护栏的主要结构形式有2种:一种是由圆形截面的钢筋或钢管焊接成段每段，通过螺栓相互连接而成;另一种是由方形截面的钢管焊接成段，每段通过螺栓相互连接，根据道路的长度确定连接的护栏数量。城市护栏清洗车主要包括工作装置2、臂架3、二节臂液压缸4、一节臂液压缸5、承载车6、V型臂架7、动力箱总成8等，如图1所示。工作装置是护栏清洗机械的主要组成部分之一，清洗机构又是护栏清洗车工作装置的核心部件，工作装置采用滚刷式清洗装置，臂架通过液压缸的驱动实现自动折叠或伸缩，清洗作业时展开伸出，转场运输时折叠收回，其中，一节臂液压缸与二节臂液压缸分别驱动V型臂架与二节臂的运动，实现臂架的折叠与姿态调整，图2为节臂连接示意图。2个滚刷分别安装在支架上，滚刷的旋转由液压马达驱动，由安装在滚刷前后的喷水杆对护栏进行喷水。底盘总成上安装贮水罐、低压水泵和液压控制系统等。图1护栏清洗车结构示意图图2节臂连接示意图2基于Pro/E的护栏清洗车的三维模型建立采用三维建模软件Pro/E建立整机的实体模型。其基本建模方法为:图形截面通过拉伸、旋转、扫描、打孔、挖槽、混合等形成基本特征实体。采用由底向上的设计方法，这种方法可以有效的控制工作装置各零部件之间的约束关系，从整体上对各个零部件进行观察，且可根据需要对装配件中的零件进行修改，满足设计要求。护栏清洗车及其工作装置的三维实体模型如图3，4所示。图3护栏清洗车三维实体模型图4工作装置实体模型3工作装置的运动学仿真护栏清洗车的主要技术参数是衡量其工作性能的重要指标，同时也是评估护栏清洗车参数优化结果的组成部分。采用ADAMS仿真软件，进行运动学、静力学和准静力学，以及线性和非线性动力学分析［2］。利用Pro/E与ADAMS的双向数据交换，在ADMAS环境中建立工作装置动力学仿真模型如图5所示。根据设计要求，将不同的运动部件定义为不同的刚体。由于本文主要对护栏清洗车的工作装置进行研究，对搭载它的底盘车不作研究，因此定义地基作为其它刚体运动的参考基准(以装配模型中的地面代表地基)。根据部件间的运动关系，定义刚体间的约束副。护栏清洗车的工作装置中有2种运动:活塞杆与缸筒间的移动及其它各刚体间的转动。由于工作装置的运动是由液压缸驱动的，故在液压缸缸筒和液压缸活塞杆间添加驱动。仿真时采用ADAMS系统提供的阶跃函数STEP函数来完成液压缸运动的驱动设定。仿真过程中，在工作装置刷辊轴处设置标记点，采用顺序动作方式设定驱动函数，整个动作仿真时间设定50s，步数设为500，利用kinematics求解器进行求解，后处理模块PostProcessor中输出工作装置的作业轨迹图，如图6所示。图5工作装置动力学模型图6工作装置工况作业轨迹图在ADAMS/View中，对工作装置的清洗工况循环进行模拟仿真，截取各工况姿态图如图7所示，并在后处理模块中输出主要驱动液压缸及V型臂架铰点的载荷曲线，如图8～11所示，可为后续液压系统的37第1期杨钊等:城市护栏清洗车工作装置动力学分析设计及结构可靠性分析提供载荷数据。图7工作装置工况姿态图图8一节臂液压缸受力曲线图9二节臂液压缸受力曲线图10V型臂架铰点1受力曲线图11V型臂架铰点2受力曲线4主要结构有限元分析护栏清洗车工作装置属于悬臂支撑结构，整机在进行清洗作业时会对整个工作装置的结构产生冲击47山东交通学院学报2011年3月第19卷载荷与惯性载荷作用，对结构的刚度、强度产生影响，故应对工作装置的主要结构臂架与V型臂架在作业过程中的变形及强度进行分析［3］。4．1臂架结构图12臂架有限元模型工作装置在处于最大展开位置时为结构的最危险工况，利用有限元软件ANSYS建立工作装置在最大展开位置的臂架有限元模型，采用Solid45单元划分网格。Solid45单元是1个高阶三维8节点固体结构单元，具有二次位移模式，可以较好地模拟不规则的模型［4］。根据结构材料性质，弹性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3，网格划分如图12所示，模型共划分为93607个单元，320713个节点。对臂架的有限元模型施加边界约束，即在臂架与承载车连接板处施加固定约束，在ANSYS中通过施加重力加速度的方式对结构添加重力载荷，求解完成后，其变形总位移及等效应力分布如图13所示，最大变形位移为0.442mm，最小应力为8.3×10－5MPa，最大应力为43.7MPa。实际作业过程中，动力箱总成的重力载荷会对臂架强度、刚度产生较大影响，故将动力箱总成重力等效面载荷施加于连接耳板处，其值为0.14MPa，对模型重新求解，臂架结构的变形总位移及等效应力分布如图14所示，最大变形位移为0.482mm，最小应力为1.20×10－4MPa，最大应力为45.80MPa。图13臂架变形总位移及等效应力分布图14臂架变形总位移及等效应力分布(包括动力箱总成载荷)4．2V型臂架结构表1V型臂架各铰点载荷参数铰点最大载荷/N等效载荷/MPa铰点12203．067．02×105铰点22904．206．60×105铰点33612．201．25×105因V型臂架通过一节臂驱动液压缸的伸缩实现一节臂、二节臂的折叠动作，因此在工作装置进行清洗作业过程中，承受交变载荷作用，利用ANSYS建立V型臂架的有限元模型，如图15所示，因各连接点均为铰接联结方式，因此采用具有x、y、z位移方向及x、y、z旋转方向6个自由度的三维实体单元Solid72进行网格划57第1期杨钊等:城市护栏清洗车工作装置动力学分析分［4］，共划分为7231个单元，23105个节点。对建立的有限元模型施加边界约束条件，约束铰接处的UX、UY、UZ、ROTX、ROTY，释放其绕z方向的转动约束(ROTZ)模拟各铰接约束，并将ADAMS输出的载荷及其等效载荷(如表1所示)对模型进行加载求解，有限元加载模型如图16所示(图中单位MPa)，V型臂架变形总位移及等效应力分布如图17所示，最大变形位移为1.21×10－4mm，最小应力为1.75×10－4MPa，最大应力为1.88MPa。仿真结果表明，V型臂架在承受最大载荷作用时，最大变形总位移及最大等效应力均远远小于材料Q235的屈服强度，因此满足结构强度、刚度及疲劳强度设计要求。图15V型臂架有限元模型图16V型臂架有限元模型加载图图17V型臂架变形总位移及等效应力分布5结论基于虚拟样机技术，利用三维设计软件Pro/E，实现了护栏清洗车工作装置的三维实体模型设计。利用仿真软件ADAMS对护栏清洗车的工作装置进行运动学仿真分析。通过运动学分析，得到工作装置臂架等主要结构作业过程中的载荷数据，并导入ANSYS进行了结构刚度和强度分析，为护栏清洗车工作装置的结构尺寸、运动分析、可靠性分析提供依据，为城市护栏清洗车及同类产品开发设计提供了参考。参考文献:［1］陈朝钧．环境卫生机械设备［M］．上海:上海科学技术出版社，1999．［2］黄海兵．新型城市护栏清洗车的开发研究［J］．工程机械，2009(2):11－13．［3］郑建荣．MSC．Adams-虚拟样机技术入门与提高［M］．北京:机械工业出版社，2002．［4］东方人华．ANSYS7．0入门与提高［M］．北京:清华大学出版社，2004．(下转第81页)67山东交通学院学报2011年3月第19卷［2］伊德钰，刘闪维，钱若君．网壳结构设计［M］．北京:中国工业建筑出版社，1996．［3］沈祖炎，陈扬骥．网架与网壳［M］．同济大学出版社，1997．［4］中国建筑科学研究院．JGJ61—2003网壳结构技术规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2003．［5］北京钢铁设计研究总院．GB50017—2003钢结构设计规范［S］．北京:中国计划出版社，2003．［6］王胜春，王建明．短程线型球面网壳的CAD建模［J］．山东工业大学学报，2001，31(5):587－590．［7］尚凌云，鹿晓阳，周学军．基于离散变量的网壳结构优化设计［J］．山东建筑工程学院学报，2002，17(2):1－8．OptimumDesignofSingle-LayerShellofGodesicZHIRong-quan1，YUYong-biao2，LUXiao-yang1(1．InstituteofEngineeringMechanics，ShandongArchitectureUniversity，Jinan250101，China;2．ShandongVocationalCollegeofJudicialPolice，Jinan250101，China)Abstract:Thetotalweightofshort-lineshellhasbeentakenasobjectivefunction，thenumberofgridshell，vectorhigh，bar-sectionalareaandvolumehavebeentakenasthedesignvariablesnodeandusescross-sectionleveloptimizationwhichcombinesone-dimensionalsearchmethodandtherelativedifferencequotientsequencetooptimizecross-section．Differentspansanddifferentspanratioandthenumberofdifferentmeshdensitysingleshortlineofsphericalshellstructurearecalculatedandregressionanalysisisusedtogettheoptimalmeshshellnumber，spanratio，rod-sectionalareaandnodesize．Keywords:single-layershellofgeodesic;optimizationdesign;one-dimensionalsearch;relativedifferencequotient(责任编辑:郎伟锋檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪)(上接第76页)DynamicAnalysisofCityCleaningVehicle'sWorkingDeviceYANGZhao，FENGZhong-xu，ZHAOWu，XUEYun(KeyLaboratoryforHighwayConstructionTechniqueandEquipment