30T夹钳式钢坯吊具动力学分析

30T夹钳式钢坯吊具动力学分析赵怀璧 张鹏 王璋奇(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定071003)摘要: 目前夹钳式钢坯吊具设计中主要考虑其静力平衡状态，对于大型吊具设计，吊具在夹持钢坯过程中的动力特性已经严重影响夹具的安全可靠性。本文采用ADAMS软件对30T夹钳式钢坯吊具的动力学特性进行仿真分析。首先，在Solid Edge中建立吊具的几何模型，并通过通用数据格式导入到ADAMS中，建立虚拟样机模型，对吊具的同步性进行仿真，并给出相对误差。然后，模拟吊具工作状况，对其进行静力学仿真，分析了吊具夹取钢坯时的夹紧力、摩擦力以及各个关节处受力。最后，对夹具在不同的起吊速度、加速度时进行动力学仿真分析，给出吊具合适的起吊速度和加速度，并分析夹取不同尺寸规格钢坯时的夹紧力、摩擦力以及各个关节处的最大受力。通过以上分析，全面掌握吊具系统的力学特性，为重量轻、尺寸小的吊具设计提供条件。关键词: 夹钳式吊具；ADAMS；静力学分析；运动仿真；动力学分析； Dynamic simulation of 30T clamp type sling for billetZhao huai-bi, Zhang peng, Wang zhang-qiSchool of Energy Power and mechanical Engineering，North China Electricity Power University，Baoding 071003，ChinaAbstract: The static equilibrium characteristics are concerned in the design of clamp type billet. But for a lager sling, the dynamic characteristics are more important and it affects the reliability of the sling. In this paper, the dynamic simulation of the 30T clamp type sling for billet is conducted using the ADAMS. Firstly, the geometric model of the sling was established in the Solid Edge, and then through the general data format the model was imported into the ADAMS to set up a virtual prototyping model for the dynamic simulation of the sling. As a result of the synchronicity simulation, the relative error was given. Then the statics simulation was made by simulating the working conditions of the sling. The clamping force, the friction force and the force in various joints were analyzed. Finally, through the comparative analysis of the clamping force, the friction force and the maximum force in various joints of the sling in different hoisting speed and acceleration to gain the appropriate hoisting speed and acceleration. To analyze the clamping force, the friction force and the maximum force in various joints of the sling when clamping different size of billet. Through the analysis, the dynamic properties of the sling were demonstrated. The results will provide the reference for the design of the light weight and small size sling.Keywords: clamp type sling; ADAMS; static analysis; motion analysis; dynamic analysis1.引言夹钳式吊具是一种常用的夹取工具，它的工作原理是靠钳口与工件之间的摩擦力克服工件的重力来起吊工件，广泛用于钢坯等物体的起吊。夹钳式吊具的设计要求主要是在保证起吊载荷的情况下，要求吊具自身重量轻，并且空间高度低。目前设计过程中很多参数是通过经验确定的，而且只考虑吊具处于平衡状态时的静力学状态。对于大吨位的钢坯起吊吊具，其动态特性会直接影响吊具工作的安全可靠性，因此吊具系统不仅要进行平衡状态下的静力学分析，还必须进行吊具系统的运动学和动力学分析，以全面掌握吊具系统的力学特性，为重量轻、高度低的吊具设计提供条件。ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）是一个动力学仿真的分析软件，能模拟真实系统动力学特性，因此在工程中有大量应用。文献1应用ADAMS对风力机发电机系统动特性进行仿真。文献2采用ADAMS软件对重载机械的悬浮座椅的振动特性进行了动力学分析，并把分析结果与实验结果对比，仿真分析结果与实验结果一致。文献3利用ADAMS解决了产品设计制作中运动和动力学仿真的难题。文献4运用ADAMS软件建立自动立式夹钳虚拟样机并进行动力学分析，研究了自动立式钢卷夹钳的运动规律和机构受力情况。文献5利用ADAMS软件建立了自动闭合式夹钳的动力学模型，并对其动力学特性进行了仿真。文献6利用 Pro/E 和ADAMS对液压式夹钳进行了机构的动力学仿真、设计与优化，并改善了夹钳机构的运动特性。本文采用ADAMS软件对夹钳式吊具进行了全面详细的运动学、静力学、动力学仿真分析，并给出了参数设置。验证了夹钳式钢坯吊具的稳定性和可靠性，全面了解动力学响应特性，为优化设计提供一些依据。2. 吊具系统的ADAMS动力学模型图1 吊具系统的三维实体模型ADAMS中可以建立样机的几何模型，但当零件的形体比较复杂的时候在ADAMS中建立模型非常不方便，因此本文采用在三维设计软件Solid Edge中建立几何模型，然后通过通用数据格式导入到ADAMS中。此种方法的优点是，可以充分利用CAD软件强大的绘图功能，建立模型更加方便，效率大大提高。本文建立的钢坯吊具Solid Edge模型如图1所示。由于整个吊具系统是对称的，为了提高计算效率，选择一半进行仿真分析。ADAMS与Solid Edge有IGES、STEP、PARASOLID三种类型的图形交换格式，利用PARASOLID格式进行转换时，转换速度较快，几乎不损失任何信息，另外两种格式则在一定程度上损失部分信息，包括颜色和几何结构信息7。 导入几何模型后，在ADAMS中对各构件添加物理属性，关节处添加运动副，然后检验模型。建立吊具系统的ADAMS虚拟样机模型，如图2所示。图中A、B1、B2、O1、O2、T1、T2是各构件相互连接的关节；AB1为内连杆，AB2为外连杆，B2O1C1为内钳臂，B1O2C2为外钳臂，C1、C2处为钳牙。图2 吊具系统的动力学模型3. 吊具系统的动力学仿真3.1同步机构运行学仿真吊具系统的同步性决定了夹取时左右两钳牙是否与钢坯同时接触以及夹紧时钳牙夹持的位置，这将影响夹取的稳定性和可靠性。本吊具系统采用的是反铰接平行四杆机构作为同步机构，其运动简图如图3所示。图3 同步机构运动简图检验吊具系统的同步性，可以通过观察T1、T2点运动的同步性判断。如果T1、T2点处的位置、角速度和角加速度都相同，则一定同步。T1、T2点在横向和纵向的位移如图4（a）（b）所示，同步机构在横向同步性较好，而纵向只在小范围内好。T1、T2点角速度和角加速度如图4（c）（d）所示，速度加速度也只能在小范围内同步。图4 同步杆的位移、速度、加速度图对于位移、速度和加速度的具体误差如表1所示。从表中可以看出，误差随着远离相切位置（如图3中T1、T2位置）逐渐增大，y方向的误差远大于x方向误差。根据设计要求钳牙最大转角为20，即同步机构转角在相切位置左右10，因此位移相对误差不大于5%，满足工作要求。表1 同步机构误差表偏角（）151050-5-10-15T1点角加速度0.780.780.780.780.770.760.75T2点角加速度0.820.790.790.810.880.981.15加速度相对误差4.8%0.7%0.2%3.4%10.5%22.2%39.6%T1点角速度15.415.114.914.614.314.113.8T2点角速度14.5614.815.015.315.615.916.3角速度相对误差5.8%2.2%1.2%4.8%8.4%12.2%16.2%T1点x方向位移35.4226.5917.558.35-0.90-10.09-19.16T2点x方向位移-5.92-15.11-24.19-33.11-41.78-50.11-58.05x向位移相对误差0.8%1.7%1.8%1.1%0.2%2.4%5.1%T1点y方向位移99.9102.6104.5105.6105.9105.5104.2T2点y方向位移-105.8-104.9-103.2-100.6-97.4-93.4-88.6y向位移相对误差5.7%2.2%1.2%4.7%8.2%11.6%15%3.2 吊具系统的静力分析利用ADAMS在不同钳牙开口宽度时自动静平衡，以模拟吊具夹取不同尺寸的钢坯。首先，在吊具钳牙处施加一个竖直向下的起吊力大小为G/4，然后施加水平的夹持力F（如图2所示），让模型在不同钳牙开口宽度时静平衡，此时钳牙处的夹持力及各关节处的受力为就是吊具系统夹持钢坯平衡时的夹持力和各关节受力。对所求得的夹持力乘以一个摩擦系数即为吊具可以起吊的重量，不同钢坯尺寸下，夹持力和起吊重量结果如表2所示。表2 不同钢坯尺寸下，夹持力和起吊重量钳口宽度B(mm)钳臂偏离中心位置的转角(度)内外连杆之间夹角(度）支持力105(N)起吊重量=0.35105(N)1275133.9810.233.08521.079821250131.678.943.08931.081251225129.277.653.08541.079891200126.776.363.07461.076111175124.205.073.05811.070331150121.573.793.03651.062771125118.882.53.01071.053741100116.131.232.98121.043421075113.340.052.94841.031941050110.50-1.332.91271.019441025107.62-2.622.87441.006041000104.70-3.892.83370.99179975101.75-5.182.79070.9767495098.76-6.472.74570.9609992595.73-7.762.69850.9444790092.67-9.062.64930.9272587589.57-10.352.59820.90937从表2可以看出，夹紧力F先增大后减小，以最大值为中心，两侧逐渐下降，所以设计中要充分利用这一规律，使得钳牙在常用开口尺寸时，夹紧力应取最大值。当角在10的范围内，吊具可以夹持30T重的钢坯，满足设计要求。各关节的受力如表3所示。各个关节处的受力随着开口的减小逐渐减小，为了减轻吊具的重量，设计时，应尽量减小开口大小。表3 不同尺寸的钢坯，各关节的受力 B(mm)B1105（N)B2105（N)O1105（N)O2105（N)T1105（N)T2105（N)12752.00322.00344.95264.95264.74124.741212501.91271.9174.85764.85764.63984.639812251.82751.82774.75934.75934.53404.534012001.74761.74794.65924.65924.42524.425211751.67311.67344.55844.55844.31454.314511501.60391.60414.45764.45764.20264.202611251.53961.53984.35714.35714.08974.089711001.47991.48024.25734.25733.97623.976210751.42461.42494.15824.15823.86213.862110501.37331.37364.06004.06003.74733.747210251.32571.3263.96253.96253.63153.631510001.28151.28193.86563.86563.51473.51469751.24041.24093.76923.76923.39633.39639501.20221.20283.67623.67623.27613.27619251.16671.16743.57733.57733.15363.15369001.13351.13453.48073.48073.02833.02838751.10271.10383.38393.38392.89962.89963.3 吊具夹紧过程动力学仿真动力学分析中的难点在于模拟夹钳夹取钢坯的实际过程，模拟的关键在于设置的参数与实际一致。首先对模型进行修改，在钳牙处放一个长方体模拟钢坯，然后设置钳牙与钢坯之间的接触。接触力采用冲击函数法，主要是通过刚度k，碰撞指数e，系数阻尼C，侵入深度d定义。钳牙处与钢坯的接触参照钢与钢的接触设置，计算K取1105N/mm。C等于刚度的0.1%1%，取50Ns/mm，侵入深度d取0.01。积分求解器类型选择WSTIFF，积分格式选择SI2，此设置精度较高8。再在关节处添加阻尼，得到钳牙处的夹紧力随时间的变化，如图5所示。开始夹取时，钳牙未接触钢坯，受力很小，然后钳牙接触钢坯夹取，受力会有冲击，产生振荡。随着钳牙逐渐夹紧夹紧力增大，直到提升力大于重力开始提升钢坯，最后趋于稳定。图5 夹紧力、摩擦力随时间的变化图6为各关节受力随时间变化，从图中可以看出钳臂与支撑板连接处受力最大，然后是连杆与钳臂连接处的受力最大，同步杆的受力最小。各关节处的受力变化情况与夹紧力的变化一致。图6 各关节受力随时间的变化如图7所示。施加恒定的速度驱动，随着驱动的增大，夹紧力振荡加剧，稳定性变差。从表4中可以看出，随着速度驱动的增大，即钢坯和吊具的初始速度差变大，夹紧力和摩擦力都减小很大。这是由于在钳牙与钢坯接触夹紧的过程中，一直存在向上的提升，而钢坯此时是静止的，两者之间会有相对滑动，而滑动是要避免的，所以会有剧烈振荡。滑动随着钢坯与钳牙相对静止而消失，滑动的时间由两者的速度差和各自的加速度决定，所以要控制钢坯和吊具之间的速度差和加速度。为了保证夹取的稳定性和可靠性，在吊具与钢坯接触过程中不施加提升，当接触夹紧后逐渐提升钢坯，让提升速度从零开始增大。加速度的选取，除了保证工作效率，让夹取提升钢坯尽量的快，亦要保证吊具的重量，因为加速度选取过大，各个关节处的受力增加，各个构件尺寸增大，增加吊具质量。所以，综合考虑要选择一个合适的加速度，大小为0.1倍的重力加速度。图7 不同的起吊速度夹紧力表4 起吊速度、加速度不同时，最小的夹紧力和摩擦力速度（mm/s）5075100125150175200300400最小夹紧力105（N)2.471.902.312.652.361.861.480.470.22最小摩擦力105（N）0.620.480.580.680.590.460.360.110.05加速度g（mm/s2）1.00.50.10.070.050.30.030.010.007最小夹紧力105（N）0.3660.1012.3401.9091.8121.0182.5092.7552.776最小摩擦力105（N）0.0910.0250.5870.4740.4520.2490.6500.6940.770表5为吊具夹持不同尺寸的钢坯各关节处的最大受力。钢坯吊具的设计要求主要是在保证起吊载荷的情况下，要求吊具自身重量轻。钢坯吊具的自身重量与吊具各个构件的最大受力直接相关。分析各个关节处的受力情况对减轻吊具的重量有重要意义。从表5中可以看出，各个关节处的最大受力都是有个先增大后减小的过程，在开口1175mm和1275mm时，同步杆上的冲击较大。表5 不同钢坯尺寸时，各关节最大受力钳牙开口（mm）B1105（N）B2105（N）O1105（N）O2105（N）T1105（N）T2105（N）A105（N）12752.0842.0815.1445.1441.2621.2721.65412252.1992.1965.7075.7070.4290.4321.89411751.7661.7714.7494.7491.0881.0821.76711251.5881.5894.4434.4430.4410.4491.59110751.4811.4844.2814.2810.1310.1291.48610251.3751.3754.0324.0320.6710.6591.3789751.3891.3334.0334.0180.3750.3761.2659251.1881.1893.5393.5390.1520.1431.1918751.1571.1583.4593.4590.1450.1351.1604 结论（1）同步机构采用反铰接平行四杆机构，最大相对误差不大于5%，可以满足同步性要求。将同步杆在同步机构中的相切位置作为设计的中心位置。（2）吊具夹取时，在与钢坯接触的瞬间存在冲击，冲击对同步杆的影响较大，所以为了保证寿命要保证同步杆的强度。（3）针对不同的工况，对吊具系统进行运动学、静力学和动力学分析，验证了吊具系统的稳定性和可靠性。（4）提升的驱动要保证夹取时钢坯和吊具的相对速度差不要过大，最好保持零速度差起吊，这样既可以减小冲击，也利于提高工作效率。同时加速度不要过大，加速度过大会使得各个构件上的受力过大，增大吊具本身的尺寸重量，加速度控制在0.1倍的重力加速度较合适。参考文献1 Buhl Jr M L, Wright A D , Elliott A S. 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