基于mscsimdeiger的救护绞车虚拟样机建模与仿真分析

基于mscsimdeiger的救护绞车虚拟样机建模与仿真分析

0拯救绞车的使用在石油制造部，为了定期清洁油罐，人们需要用绞车将员工送往或提出油罐。因为员工在油罐中的位置非常敏感，因此他们有时需要呆在某个位置，也需要快速离开。为了确保员工的安全，有效控制他们的工作。救援绞车是相对合理的改进工具。实用的救生绞车,应该具有体积小、重量轻和便于操作控制的特点。吉林恒安电子公司研发的救生绞车主要是结合其产品JSH-150/35型救生缓降器而设计的。该救生绞车能以恒定的速度上升或下降,也可以在任意位置停靠。实践证明,救生绞车既可以用来对石油化工厂油罐进行清理作业,也可以用于消防人员的救生抢险等其他作业。1生成及传动方案设计的救生绞车可以提放150kg的重物或人,下落速度小于1.5m/s,在满足此功能的基础上,尽量使结构紧凑、受力合理,并能实现平稳下降,快速提升。为实现救生绞车所需的功能,确定选用蜗轮蜗杆传动。在救生绞车的手柄处,选择蜗杆传动,以实现大传动比减速并且大幅度地减少所需输入的动力。选择蜗杆传动可以使救生绞车的结构尺寸紧凑,满足设计和使用要求。结合缓降器与其外部传动部分,即蜗轮蜗杆传动部分的相对位置,确定传动方案如图1所示。重物是靠救生缓降器升降,故整个救生绞车的主要受力点在缓降器钢绳的安放处。从图1可以看出,蜗轮与缓降器同轴,通过悬挂装置使救生绞车力的作用线通过缓降器上重物的力作用线。救生缓降器采用NGW型行星齿轮传动,即固定内齿圈,如图2所示。钢丝绳通过三个导向轮跨绕在绳轮的轮槽内,并将绳轮与行星架制成一体,内齿圈与外壳制成一体,摩擦面设在内齿圈上,两个摩擦块沿着太阳轮周向分布装在太阳轮上,使其同太阳轮一起旋转,并能在太阳轮上沿径向移动、沿径向甩出,与制动盘中的摩擦块发生旋转摩擦形成制动力,从而自动调节下降速度,实现匀速下降,保证人落地时无冲击感且工作过程无空程。该缓降器使用了纯裸钢丝绳。救生绞车中的蜗轮蜗杆传动传递的是空间交错轴之间的运动,蜗杆为主动件,实现减速运动。为使救生缓降器的运动和动力可以传递给蜗轮蜗杆,即将绳轮的运动传递给蜗轮,需要二者在一定时刻可以同时运动,且在一定时刻二者的运动不发生关联,这就要求在救生缓降器和蜗轮蜗杆之间有一套脱开装置,从而控制绳轮和蜗轮的相对运动。2动力学仿真研究MSC.SimDesignerforCATIAV5是MSC的核心仿真技术嵌入到CATIAV5的结果,是对CATIAV5仿真功能的扩展和增强。SimDesignerMotion允许与CATIAV5一起进行动力学仿真。SimDesignerMotion模块在CATIAV5Assembly装配模块中创造运动模型,模仿动态运动,并且允许观察运动和输出X、Y坐标曲线。在救生绞车的仿真分析中运用CATIAV5进行模型建立,装配约束,使用SimDesignerMotion模块对救生绞车进行运动约束施加,建立比较逼真的虚拟样机。然后再调用MSC.ADAMS进行动力学仿真研究。通过建立救生绞车的虚拟样机,对虚拟样机进行各种动力学分析,可以根据分析结果提出对救生绞车的改进方法,实现优化设计的目的,不仅节省物理样机的成本,还降低了研发周期。2.1拯救绞车模型建立由于MSC.SimDesignerforCATIAV5已经较好地嵌入了CATIAV5,设计中可直接使用CATIAV5建立救生绞车的三维模型。救生绞车中的零/部件建模完成后,在AssemblyDesign中进行装配约束。由于后面的运动约束可能要用到这些装配约束,在装配中装配关系要合理有序。2.2运动约束的施加和机构创建SimDesignerMotion的约束和运动副在SimDesigner中是理想化的,认为它们是完全刚性的,不具有质量。虽然MSC.SimDesigner已经嵌入到CATIAV5中,但是SimDesignerMotion和CATIAV5之间的联系是单向的,SimDesigner中任何约束和应用载荷的变化都不会转化到CATIAV5的几何模型中。SimDesignerMotion运动约束的施加和机构创建有两种方法:一是装配约束自动转换为运动约束,二是手动方式施加实际所需要的运动副。为了保证模型能转化为虚拟样机,对于较复杂的模型建议采用手动方式施加运动约束。定义的过程为:启动SimDesignerMotion、创建新机构、定义机架、运动副的定义、驱动的施加和向模型中添加阻力,得到仿真样机。在SimDesignerMotion中,输出虚拟样机进入后处理有两种方法:一是将创建好的运动模型使用命令Exportthecurrentmotionmodel,则可进入ADAMS/View,得到.cmd文件,MSC.ADAMS可以直接调用该文件,进而分析复杂动力学仿真,包括柔性体部件、疲劳特性和控制系统等。将模型输出到ADAMS/View后,还可继续进行约束、驱动和阻力的添加,而后再进入ADAMS/PostProcessor中进行后处理;二是将创建好的运动模型,包括机构运动的全部力和约束,直接用命令Plotsimulationresults,调用ADAMS/PostProcessor。目前SimDesignerMotion利用ADAMS/PostProcessor作为创建、回顾和查询XY曲线输出,以便进行后处理。2.3机模型仿真研究利用在MSC.SimDesignerforCATIAV5完成的虚拟样机模型如图3所示,在MSC.ADAMS/View中进行仿真研究。在主工具箱中选择仿真工具,设置仿真分析停止的绝对时间为3.5s,设置在整个分析过程中总共输出的步数为70步,开始仿真,因在样机中设置了接触力,故仿真过程用时较长。3仿真分析结果完成样机的仿真分析后,进入后处理程序ADAMS/PostProcessor,显示与样机中各种对象有关的仿真分析数据,进行数据回放与处理,得到相关曲线。3.1生成蜗轮质心角速度图4为绳轮质心角速度曲线,可以看出绳轮质心角速度最大值为1500°/s,即250r/min,则重物下降时的线速度为: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围之内。因为在样机中存在接触力约束,故在运动过程中可以看到实际啮合过程中的冲击现象,如图4中所示的曲线峰值,即是由啮合过程中的冲击引起。图5为以蜗杆角速度为横轴的蜗轮质心角速度曲线,可以看到当蜗杆以270°/s运动时,蜗轮随之以恒定的角速度13.8462°/s运动,则蜗轮蜗杆传动的传动比i为:i=ω1ω2=27013.8462=19.5i=ω1ω2=27013.8462=19.5式中:ω1为蜗杆角速度;ω2为蜗轮角速度。则在救生绞车中,设计传动比与样机分析所得传动比一致。图6为中心齿轮与两介轮的质心角速度曲线,可以看到,两介轮质心具有相同的角速度,即依照相同的规律运动,中心齿轮与两介轮具有相同的运动状态,但角速度的幅值与两介轮不同,即中心齿轮与两介轮之间具有固定的传动比。3.2蜗杆平衡稳定性分析驱动的功率和扭矩之间存在的关系,即P=Tω,由于输入驱动为恒速运动,故在理论数值上驱动功率P和扭矩T成线性比例关系。从图7和图8中可以看出,驱动功率和扭矩的振幅成ω倍的关系,而它们的运动规律是相同的,都是在一个周期内呈余弦函数变化。可见,用MSC.ADAMS分析的结果与理论结果相符合。图9为蜗杆平衡力矩曲线,利用Plottracking命令得到蜗杆平衡力矩的平均值为26598.99N·mm,则蜗杆处需要输入的力F=M/r=144.6N。其中M为蜗杆平衡力矩的平均值,N·mm;r为蜗杆处摇臂的长度,mm。当F<196N时,可以满足设计要求。从图9蜗杆平衡力矩曲线中还可以看到,在运动仿真过程中,总是有一段时间运动是相对平稳的,而之后便出现了相对大的冲击,说明蜗轮和蜗杆在啮合过程中存在冲击现象。如果适当调整蜗轮轮齿和蜗杆轮齿的相对初始位置,则蜗杆的平衡力矩会有所减小。3.3蜗轮蜗杆齿廓模型的缺陷从图10蜗轮蜗杆之间的接触力曲线可以看出,在运动开始的时候,相互接触的蜗轮与蜗杆之间存在强烈的冲击,故在开始时力和力矩都比较大,之后便趋于稳定。但是,在运动过程中,可以看出,总是有一段时间运动是相对平稳的,而之后便出现了相对大的冲击,如果MSC.SimDesigner中的运动模型在导入ADAMS/View之前,在CATIAV5的装配模块Assemblydesign中适当调整蜗轮和蜗杆轮齿的相对初始位置,则会减小接触力的冲击。对蜗轮蜗杆之间的接触力与介轮与内齿轮之间的接触力比较可以看出,同一时刻蜗轮与蜗杆之间的接触力比介轮与内齿轮之间的接触力要大。理论上,蜗轮蜗杆传动相对于圆柱齿轮传动的优点之一就是蜗杆齿是连续的螺旋齿,与蜗轮齿的啮合是逐渐进入和退出的,故比圆柱齿轮传动平稳。存在误差的原因是在ADAMS/View中,接触力分析是针对齿廓形状的,而在CATIAV5的蜗轮建模中,蜗轮齿廓采用渐开线齿廓,模型存在误差。笔者建议采用CATIAV5中的参数化精确建模,可以减小误差,使得接触力的分析更加准确。4付款时通过对救生绞车的仿真研究,可以得到以下结论。1传动比的确定蜗轮蜗杆式救生绞车的主要优点即是在保证小体积的情况下达到预定的传动比。经样机曲线分析,从蜗杆运动输入到绳轮件运动输出,传动比为19.5,满足设计要求。2人手摇臂长度计算从对蜗杆平衡力矩曲线的分析中可以看出,根据设计的手柄摇臂的长度,分析计算得出人手摇力需144.6N,小于设计最大为196N的实际要求,故蜗轮蜗杆式救生绞车在受力方面满足设计要求。3轮件运动约束和力的施加对于单个部件,需有一定的角速度范围的要求,尤其是对于绳轮件,整个蜗轮蜗杆式救生绞