基于ADAMS的高空作业车臂架动力学仿真分析 赵伟 高旭宏

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基于ADAMS的高空作业车臂架动力学仿真分析

赵伟  高旭宏

摘要：为了研究分析某型号高空作业车臂架系统动态受力特性和液压油缸承载状态，本文利用MSC.ADAMS软件建立高空作业车臂架系统仿真模型，通过动态仿真，对比分析二种工况下的动态受力情况。确定各液压油缸准确的变化行程，并通过试验进行验证，为臂架强度和刚度分析、进行优化设计提供了理论设计依据。

关键词：高空作业车臂架 动态仿真 油缸行程

Dynamics simulation analysis for the boom of aerial work platform basedon ADAMS

Abstract:In order toresearch and analyse some type of aerial work platformabove the dynamic force characteristic of boom system and the hydraulic pressure cylinder bears the weightof the state, in this article, build boom simulation model which makes use ofADAMS dynamics simulation software, get across dynamic simulation, compare withthe dynamic force of two situations. Confirm the accurate change journey ofevery hydraulic pressure cylinder, and prove through the test, have offered thedesign considerations of the theory, which for intensity and rigidity analysis ofboom, and optimization design.

Keywords: aerial workplatform, boom, dynamic simulation, cylinder journey

1引言

高空作业车是用来运送工作人员和工作装备到指定高度进行作业的特种车辆，近几年来得到快速发展[1] [2]。按工作臂的型式不同，可分为垂直升降式、折叠臂式、伸缩臂式和混合臂式四种型式。其中伸缩臂式高空作业车具有工作高度大、效率高、操作简单、动作平稳等特点。本文研究某型号伸缩臂式自行走高空作业车臂架总成。

2数学模型的建立

采用分析力学的方法，将系统作为一整体来考察，利用动能和位能这类标量函数来描述，避免了对各约束力的具体分析[3]。

拉格朗日方程为：

根据以上动力学的拉格朗日方程就可以计算出任意动态时刻的动态受力情况和大小。

3动力学仿真模型的建立

臂架系统的主要功能是将工作平台举升到预定高度，主要动作包括臂架变幅、臂架伸缩、折臂变幅、工作平台调平等，臂架结构如图1所示。

1.立柱  2.连杆Ⅰ  3.连杆Ⅱ  4.连杆Ⅲ  5.变幅油缸  6.伸缩油缸  7.基本臂

8.一级伸缩臂  9.二级伸缩臂  10.调平油缸  11.翻转臂  12.翻转油缸

图1  臂架系统结构图

根据高空作业车臂架总成和各主要铰接点的初始位置，在ADAMS/View中建立高空作业车臂架简化模型，为了分析方便，基本臂、一级伸缩臂和二级伸缩臂都简化成长方体，油缸简化为两个圆柱中间用移动副连接。通过ADAMS/View函数功能来实现主油缸的举升及伸缩油缸的伸缩控制，调平油缸的调平控制，则通过与主油缸的三角形关系进行计算得出的函数来实现 [4][5]。

   
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图2  高空车臂架动力学仿真模型

建立模型和各铰接点位置关系如图2所示。此时状态是臂架完全收回停车时状态，此状态下臂架水平夹角为-6°。按Pro/E计算得到各构件准确的质心位置和质量，在ADAMS/View中输入各构件的质心位置、质量和惯性积。

3.1伸缩臂动力学仿真分析

根据高空作业车实际的使用情况，可以分为以下两种工况，如表1所示。

表1  臂架各工况输入参数汇总

工况	内容		备注
最大幅度举升	工作平台	200kg	举升角度在-6°~75°    之间自由举升
	承载	230kg
控制幅度举升	工作平台	200kg	≥50°以上时自由举升
	承载	345kg

3.1.1工况一仿真分析

工况一为最大幅度举升，载荷230Kg。

通过仿真分析可以得出各油缸和主要铰接点的动态受力情况，通过后处理界面ADAMS/PostProcessor[4][5][6]中对曲线进行处理，得到各油缸及主要铰接点受力随举升角度变化曲线如图3～图6所示。各油缸及主要铰接点受力如表2所示。

表2  工况一下的各铰接点及油缸受力最大值

名称	最大值	X方向力	Y方向力	变幅角度	受力状况
变幅油缸(I点)	416340N	-416290N	-3247N	-6°	受压
调平油缸(J点)	87681N	-28850N	-82799N	75°	受压
连杆II(A点)	623530N	-620350N	62900N	-6°	受压
连杆III(B点)	620710N	620350N	-21182N	-6°	受拉

图3  变幅油缸受力曲线

图4  调平油缸受力曲线

图5  连杆II受力曲线

图6  连杆III受力曲线

通过仿真动态受力曲线可以看出，变幅油缸受力随举升角度的增加而减小，在初始举升状态-6°时为最大值416340N，在举升角度达到最大75°时变幅油缸受力最小，且通过曲线图3可以看出力的下降趋势很明显；调平油缸随着举升角度的增加，受力先减小后增大，在33°左右达到最小值61571N，在举升到最大角度75°时达到最大值，为87681N；连杆II受力主要是来分析与高空作业车转台的受力情况，受力趋势在刚举升时有最大值623530N，随后的仿真过程中，随着举升角度的增加受力急剧的下降，整条曲线受力下降趋势呈直线，在75°达到最小值237660N，可见受力变化很大；连杆III受力主要也是来分析与高空作业车转台的受力情况，受力趋势在刚举升时有最大值620710N，然后随着举升角度的增加受力急剧的下降，整条曲线受力下降趋势呈直线，在75°达到最小值196400N。通过分析可知在臂架初始状态-6°，且各级臂伸缩到最长时，为最危险工况。

分析过程中，臂架在-6°的状态下先将臂伸到最长，在各级伸缩臂伸长的过程中将是一个受力变化很快的过程，从上面的曲线及分析中也可以看出这个变化过程。工况二受力分析可参照此工况进行，不再叙述。

3.1.2工况二仿真分析

工况二为控制幅度举升，举升角度≥50°时才能自由举升，加载为受限载荷345Kg。通过仿真得到各油缸及主要铰接点受力随举升角度变化曲线如图7～图10所示。各油缸及主要铰接点受力如表3所示。

表3  工况二下的各铰接点及油缸受力最大值

名称	最大值	X方向力	Y方向力	变幅角度	受力状况
变幅油缸(I点)	381210N	-381170N	-5615N	-6°	受压
调平油缸(J点)	110570N	-36365N	-104420N	75°	受压
连杆II(A点)	536430N	-532950N	61015N	-6°	受压
连杆III(B点)	533260N	532950N	-18132N	-6°	受拉

图7  变幅油缸受力曲线

图8  调平油缸受力曲线

图9  连杆II受力曲线

图10  连杆III受力曲线

3.1.3不同工况对比分析

通过上面仿真计算得到了三种不同工况下的动态受力情况，这里对各种不同工况下的最大受力状态进行对比分析，结果如表4所示。

表4  不同工况下最大受力对比分析（臂架整体分析）

	工况一	工况二
变幅油缸(I点)	416340N	381210  N
调平油缸(J点)	87681N	110570  N
连杆II(A点)	623530  N	536430  N
连杆III(B点)	620710  N	533260  N

由上表可见，变幅油缸(I点)最大受力为工况一；调平油缸(J点)最大受力为工况二；连杆II铰接点A最大受力为工况一；连杆III铰接点B最大受力为工况一。可以得到，工况二对调平压缸的影响最大，此工况需对调平油缸刚度和强度进行校核；而变幅油缸、连杆II和连杆III则是在工况一情况下受力最大，因此对臂架整体的挠度和强度分析很重要，并且连杆II和连杆III与转台连接，受力的大小对整车强度影响很大。

3.1.4仿真结果对比分析

通过数学模型中的拉格朗日方程[3]可以计算得到仿真工况下各铰接点的最大受力，将计算结果和ADAMS动态仿真结果进行对比分析(二种工况)，对比结果如表5、表6所示。

表5  工况一各铰接点最大受力对比

计算方法	I点(最大值)	J点(最大值)	A点(最大值)	B点(最大值)
理论计算	442968N	80963N	672596 N	672366 N
ADAMS计算	416340N	87681N	623530 N	620710 N
误差	6%	8.3%	7.3%	7.7%

表6  工况二各铰接点最大受力对比

计算方法	I点(最大值)	J点(最大值)	A点(最大值)	B点(最大值)
理论计算	415996N	102869N	569689N	578967 N
ADAMS计算	381210 N	110570 N	536430 N	533260 N
误差	8.4%	7.5%	5.8%	7.9%

   从表中对比分析得到，理论计算和ADAMS仿真计算得到的结果误差都在10%以内，可见ADAMS计算精度可以满足理论设计要求。

3.2臂架液压系统与动力学仿真接口

考虑液压系统油缸自身油压变化的复杂性，在这里通过前面建立的仿真模型可以得出各液压油缸的支反力来得出油缸应能提供的动力。臂架系统上的油缸包括举升作用的变幅油缸，臂架伸缩的伸缩油缸，调平系统的调平油缸以及翻转架独立动作的翻转油缸。

各油缸动态受力曲线变化情况，可以由上面各工况的仿真分析得到，通过动力学仿真可以准确的得到在满足臂架举升、伸缩、调平和翻转技术要求下，各液压油缸的准确行程，如表7所示。

表7  各液压油缸行程

	行程(mm)	油缸行程(mm)
变幅油缸	0~1315	1920~3235
调平油缸	0~293	1003~710
翻转油缸	0~623	1036~1659
伸缩油缸	0~6876	6876~12876

4臂架应力试验

试验根据《高空作业车试验大纲》、GB/T9465-2008《高空作业车》、AHM910《飞机地面支持设备基本要求》、BSEN280-2001《移动提升工作平台》及国家工程机械质检中心定型试验要求进行。应力测试点如图11所示。

图11  臂架结构应力试验测点布置图

试验工况为动力学仿真工况(如表1所示)。应力测试结果如表8所示。

表8  结构应力试验结果表(部分测点)                单位：MPa

工况    测点	工况1	工况2	测点材料
2	9.5	6.1	Domex  -700 MCD
5	107.2	80.6	Domex  -700 MCD
6	-3.0	-1.6	Domex  -700 MCD
7	-105	-78.1	Domex  -700 MCD

工况一下，工作平台处于最大幅度进行旋转急停试验，臂架上一些点的测量曲线如图12所示，为设计提供参考和实际数据。

图12  测点5、2、6、7应力变化曲线（对应颜色蓝色、红色、绿色、黑色）

通过应力测试，表明各结构件的应力均在选用材料允许的使用应力范围内，验证高空作业车结构设计安全可靠，通过应力测试试验得到液压油缸和臂架主要铰接点应力最大值，与ADAMS计算得到的最大应力进行对比分析(通过受力最大值计算得到)，，误差在15%以内，且计算应力大于实际测得应力，可见计算得到的结果更偏于保守，符合安全设计要求。

工况一下的应力试验(最大幅度，工作斗加载230kg)

5结论

经过动力学仿真分析，明确臂架总成在各种工况下的运动和动态受力情况，得到如下结论：

(1)   通过两种工况分析，得到臂架液压油缸和主要铰接点最大受力，分析臂架动态性能和工作危险工况。

(2)   液压油缸动态受力和行程为液压油缸的选取和设计提供重要的参考。

(3)   理论及试验验证臂架设计的安全可靠，提供重要的理论设计方法。

(4)   为整车稳定性、立柱强度和刚度、臂架强度和刚度及进行优化提供了重要的数据，可进一步进行深入分析，优化高工作业车的工作性能。

参考文献

[1] 钟安庆等. 消防车多节直臂举升同步伸缩系统的设计. 工程机械，2002(2)

[2] 起重机箱形伸缩臂稳定性分析的精确理论解. 哈尔滨建筑大学学报，2000(2)

[3] 屈福政，腾儒民. 直臂式高空作业车动力学分析[J]. 机械设计与制造，2002(8)：75~77

[4] 郑建荣. ADAMS－虚拟样机技术入门与提高. 北京：机械工业出版，2002

[5] 李军，邢俊文，贾文浩等编著. ADAMS实例教程[M]. 北京：北京理工大学出版社，2002

[6] Using ADAMS/View Function Builder Version 12.0. MDI,2002

----本文选自2010年msc公司论文集