艇及貨箱用運載車裝卸機構動力學特性分析

鄭天樂,張立勇,方 群,李 旺,張翰林

(1.安徽科技學院 機械工程學院,安徽 滁州 239000;2.蚌埠神舟機械有限公司,安徽 蚌埠 233000)

伴隨著經濟、貿易的全球化,大型貨物運輸需求也在劇烈增長,運載車運輸已然成為一種高效的物流運輸方式。其裝卸機構不僅運用于貨箱運載車,也適用于游艇、浮橋、沖鋒舟等軍用設備運送車輛,為救援救災等做出不可缺少的貢獻。其中程磊等人通過對拉臂裝置的動力學進行分析,得出了舉升臂在不同角度下作業時換向閥所對應的最佳工作狀態[1];張文佳等通過研究汽車底盤與拉臂式裝卸裝置的匹配程度,得出底盤對集裝箱裝卸過程的角度影響較大,分析底盤能夠順利作業所需要滿足的條件[2];楊健侃等人針對裝卸車拉臂式機構的動態仿真來對機構進行了性能分析與部件強化[3-4];安愛琴等人研究出了機械機構在運動過程中角速度和角加速度與桿長變化規律所對應的關系[5];張立堯采用MATLAB軟件,在理論推導出拉臂機構數學模型的基礎之上,對機構進行了多目標優化分析,優化鉤臂固定式拉臂機構,致使實用性大大提升[6],Jie Guo提出了自卸車過程中平順性問題,為自卸車的設計和優化提供了參考[7]。雖然有多人進行了裝卸車機構分析與優化,但在對其動力學仿真結果分析上缺少對應的分析結果,本文為獲得裝卸車在裝卸過程中的拉臂式機構所受到的力學性能數據,對其進行SolidWorks三維模型建立并使用Adams動力學軟件進行動力學仿真,根據數據結果分析其運動過程中所受的狀態,進而優化其運轉速度,以此來為調整裝卸過程的平穩性做鋪墊。

1 運載車裝卸機構模型的建立

1.1 運載車的組成

本文主要研究對象為起吊裝、卸1.5噸內的集裝箱貨箱的運載車,運載車裝卸機械機構主要由拉臂鉤、拉伸液壓缸、舉升液壓缸、舉升臂、副車架、滾輪組成,其結構如圖2所示。

圖1 運載車機構

1.拉臂鉤 2.拉伸液壓缸 3.舉升液壓缸 4.舉升臂 5.副車架 6.滾輪圖2 拉臂機構三維模型

其中運載車的裝卸機構采用近似L型的可滑動機構,主要由對應圖2中的各部位構件組成。

1.2 裝卸機構運動學分析

貨箱的裝卸是裝卸載運車作業最主要的作業過程,也是最復雜的作業過程,裝載過程與卸載過程近乎相似,區別在于操作順序上相反,因此這里主要對其中卸載作業過程進行分析,通過觀察分析可將車箱自卸的運動過程分為以下兩個階段:第一階段主要由伸縮液壓缸緩慢收縮,移動箱體向車架尾部運動,同時舉升油缸伸出,舉升臂的傾角逐步增大,貨箱前部沿副車架后部的滾輪緩慢傾斜下滑,直到貨箱前部的滾輪接觸地面為止;第二階段:舉升油缸繼續伸出,伸縮液壓缸停止運動,并控制拉臂鉤實現貨箱在地面上滾動,直到貨箱后部完全停滯在地面上[8]。

通過對裝卸車裝卸機構的卸載作業過程的分階段的數學和運動學分析,來避免作業過程中貨箱前部與車架尾部之間的碰撞,從而對裝卸車裝卸機構作業進行合理的布局和設計,具體分析如下。

以地面作為坐標系的x軸,y軸為垂直于地面并經過拉臂鉤鉤點D的線,坐標系如下圖3所示。其中A、B、C分別為固定在副車架上的連接點,D點為拉臂鉤鉤住貨箱的位置,E點是舉升液壓缸的鉸接點,C點為副車架尾部的滑輪,F、M、H、G分別為貨箱的四個邊角,具體如圖3所示。

圖3 貨箱平放在運載車

圖4 貨箱運動過程

設其中長度MH=FG=l;MF=HG=h0;BE=b;AB=a;AE=d+s;BD=e;FD=m;DE=g;其中固定點的坐標分別為A(XA,YA)、B(XB,YB)、C(XC,YC)、D(XD,YD)、E(XE,YE)、F(XF,YF)、H(XH,YH)。

其中,l—貨箱的長度(mm);h0—貨箱的高度(mm);d—舉升液壓缸的初始長度(mm);s—舉升液壓缸伸出的長度;α—舉升臂的水平傾角(rad)即線段FB與線段AB的夾角;β—貨箱的水平傾角(rad)即線段FC與線段AC的夾角;θ—舉升液壓缸傾斜的角度(rad)即線段EA與線AB的夾角;h—副車架距離地面的高度(mm)。

由圖4中機構簡圖,能夠計算出自卸過程中鉸接點D的坐標為:

(1)

式(1)中:α1為BD較BE所在直線的傾角,表達如下:

α1=arccos[(e2+b2-g2)/2be]

(2)

通過△CDF可得角β1的大小為即線段DC與線段FC的夾角為:

(3)

通過β1的大小,推算出貨箱對應時刻與水平面的夾角為:

(4)

以D點位置來判斷貨箱四個頂點在卸載過程中的位置,則貨箱理想重心位置對應為:

(5)

在舉升油缸的作用下,為使得貨箱后部G點能夠與地面平穩接觸,需要保證貨箱在下滑過程中始終沿著副車架尾部滑輪C點滑動,當yG=0時,FC要大于0,用公式表達為:

(6)

通過計算結果,來滿足以上條件,能夠避免貨箱在卸載作業過程中避免貨箱前部邊緣與車架尾部發生碰撞,如圖5所示效果,通過避免貨箱尾部與裝卸機構的碰撞,進而提高自卸車裝卸機構的使用壽命,提高自裝卸運載車經濟效益。

圖5 貨箱卸載作業

2 動力學仿真

2.1 方法

通過相關模型的建立,導入Adams仿真軟件中,進行實物條件的設置,觀察裝卸機構的受力狀態變化曲線,以及貨物重心變化的情況,裝卸機構作業過程中的受力狀態變化曲線的分布[9]。運載車箱體卸載作業如圖6所示。

圖6 導入Adams模型

2.2 過程

ADAMS軟件是一個能夠解決絕大部分動力學問題的軟件,能夠提供豐富的約束庫、力庫,可以方便的添加約束、施加力。根據前面建立運載車數學模型,在各剛體之間施加約束和力[10]。在添加完約束及力后,根據需要,設置想要的測量,本次仿真主要關注的是運載車卸載作業過程中舉升液壓缸與伸縮液壓缸的受力情況。因此,在液壓缸中心與拉臂鉤接觸貨箱處設置測力點[11],具體步驟如圖7所示。

(a)過程一仿真運動前

(b)過程二貨箱底部接觸地面

(c)過程三貨箱完全接地圖7 設置相關仿真條件與仿真過程

2.3 仿真結果分析

運載車能夠運載的貨物額定為1.5噸,因此設置貨箱的重力大小為15kN,并對液壓桿設定一個勻變速的驅動,讓舉升液壓缸與伸縮液壓缸的速度能夠從零達到一定速度,并再次將速度減速到零,仿真的時間設定為30s,其步長設置為0.01,以此來達到更加精細的數據結果分析。針對舉升液壓缸與伸縮液壓缸對其在時間上與的變化,其受力曲線圖如圖8、圖9所示。

圖8 舉升液壓缸受力曲線圖

圖9 伸縮液壓缸受力曲線圖

由圖8可得,在仿真過程中,提供舉升液壓缸一個初始的速度,此時舉升液壓缸的初始數值大小為29.6kN;并且舉升液壓缸需要將裝卸的貨箱舉升旋轉,貨箱在車架尾部繞滾輪旋轉,因此受到自身重力的因素,其需要受力大小得到衰減,期間,貨箱與滾輪發生滾動摩擦,發生細微震動,因此其舉升液壓缸受力大小出現頻繁波動現象,直至時間17s左右,舉升液壓缸翻轉貨箱致使其運動與地面接觸發生碰撞沖擊,其受力數值瞬間變大,達到54.9kN。在20.3s處的時間,舉升液壓缸伸出長度超過其水平伸縮時長度,拉臂鉤與車架之間角度超過直角,受力方向發生變化,并緩慢增大,直至卸載結束。

由圖9可以分析得出,伸縮液壓缸在整個卸載作業過程中,需對貨箱的控制距離,從時間受力曲線能夠發現伸縮液壓缸起始受力并不大,而是在舉升液壓缸對貨箱有一定舉升后,其受力瞬間增大并再次減小,數值最大達到了60.7kN,是因為讓其在水平移動過程中發生移動,同樣在貨箱與滾輪之間的剛性滾動中,有著一定的振動,使其受力曲線波動,并伴隨貨箱傾斜,伸縮液壓缸伸縮受力逐漸減小;在17s左右碰撞后,此時貨箱重心位置移動了1038mm,受力瞬間增大至51.8kN,實際情況與舉升液壓缸類似。在24s時,伸縮液壓缸為使貨箱后部能夠緩慢放平,其受力方向發生偏轉,受力大小緩慢增大。

通過對兩處液壓缸在整個卸載作業過程中所受力大小分布情況分析,能夠發現中間有著明顯高峰點,對比分析可知,是箱體在卸載過程中,本身帶有一定速度與地面接觸,發生碰撞產生的一定沖擊,致使兩處液壓缸受力劇烈增加。在此結合前文運動學數據分析,優化卸載作業過程速度變化,,在貨箱與地面接觸前,伸縮液壓缸能夠降低貨箱運轉速度,減小碰撞,完成整個卸載作業過程,得出兩處液壓缸受力狀況如圖10、圖11所示。

圖10 優化后舉升液壓缸受力曲線圖

圖11 優化后伸縮液壓缸受力曲線圖

由此能夠發現,液壓缸對應受力波峰明顯降低,峰值從55kN左右,降低至13.4kN左右,大小不足前次受力的30%,對此,合理控制箱體與地面接觸前后的速度,能夠明顯優化運載車機械桿件的受力大小。

3 裝卸車機構強度分析

裝卸車在卸車作業過程中,貨箱裝卸貨物總共達到1500kg貨物,為保持貨箱在舉升液壓缸與伸縮液壓缸的旋轉伸縮的情況下,需要拉臂鉤鉤住貨箱而不發生相對滑動,因此,研究其在卸載過程中拉臂受力大小變化,并對其結構進行靜應力分析,來評估拉臂鉤的強度能否支撐裝卸車完成對貨箱的裝卸過程。通過對貨箱卸載工況的受力分析,如圖12所示。

圖12 拉臂鉤受力最大圖

圖13 拉臂鉤受力分析

拉臂鉤拉力F主要體現在其分力Fy上,在箱體接觸地面瞬間,箱體受到地面對箱體的支撐力,F瞬間變小,而在未接觸地面前,分力Fy大小取決于∠1的大小,角度越大,受力越大;所以,箱體在接觸地面前一刻,拉臂鉤受力數值最大。

對此進行有限元分析,觀察拉臂鉤對應的變形程度與其應力大小是否符合材料的選擇。通過對模型簡化,對拉臂鉤位置進行固定,貨箱在車架底部受到滾輪的支撐,因此固定滾輪位置,貨箱此時受到自身與貨物的重力,具體分析情況如圖14所示。

(a)靜應力分析

(b)靜態位移圖14拉臂鉤有限元分析

由圖14分析可得,主要應力分布于拉臂鉤上的接觸位置,拉臂鉤上最大應力為3.241×106N·m,而拉臂鉤的部位的形變值主要大小為2.054×10-3mm,形變量幾乎忽略不計,而形變量最大處在貨箱前部的尖角部位,形變量達到了5.136×10-3mm,這是因為貨箱前部受到貨物與貨箱整體的重力影響,而拉臂鉤處形變量較小,能夠符合拉臂鉤等材料的性能要求范圍之內。

結語

通過對裝卸車裝卸機構數學模型分析,對此計算出卸載作業過程能夠避免貨箱前部與車架尾部碰撞,并運用ADAMS建立了運載車卸載作業過程動力學模型,通過動力學仿真,得出了舉升液壓缸與伸縮液壓缸在整個卸載過程中需要承受的負載曲線;針對其過程中受力峰值分析其受力原因,更改箱體與地面接觸前后的速度,能夠降低其受力大小不足其前次的30%,同時降低裝卸車機構在作業過程中振動受力大小,提升裝卸過程的平穩性,保障貨物運轉的安全性,提高裝卸機構的使用壽命,增強自裝卸運載車的經濟性能;并分析拉臂鉤在卸載作業過程中受力最大時刻進行有限元分析,為貨箱運載車裝卸系統機械結構優化提供弄了支撐。