基于ADAMS的伸缩臂叉装车工作装置运动学与动力学仿真
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《起重运输机械》 2013 （ 9 ）
图5
变幅液压缸伸缩位移变化曲线
伸缩臂变幅过程中， 货叉属具水平方向移动 速度和位移变化曲线如图 6 和图 7 ，伸缩臂与水平 面夹角为 1. 1° 时， 货叉属具沿 X 轴正向最大速度 为 54. 46 mm / s； 与水平面夹角为 10. 48° 时， 货叉 属具沿 X 轴正向最大速度为 0 ； 与水平面夹角为 52. 42° 时， 货 叉 属 具 沿 X 轴 负 方 向 最 大 速 度 为 386. 68 mm / s。货叉属具垂直方向移动速度和位移 变化曲线如图 8 和图 9 ， 伸缩臂与水平面夹角为 22. 7° 时， 货 叉 属 具 沿 X 轴 正 向 最 大 速 度 为 609 mm / s。 — 59 —
2013 （ 9 ）
— 57 —
于多刚体系统动力学分析。 为了研究在作业过程 中叉装车 工 作 装 置 的 运 动 与 作 用 力 之 间 的 关 系 ， 进而展开工作装置作业性能方面的研究， 需要建 立合理的叉装车工作装置动力学模型 。
表1 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
二级臂与货叉属具 伸缩液压缸筒与基本臂 伸缩液压缸杆与二级臂 伸缩液压缸筒与液压缸杆 变幅液压缸筒与车架 变幅液压缸杆与基本臂 变幅液压缸筒与液压缸杆 货叉倾翻液压缸筒与二级臂 倾翻液压缸杆与货叉属具 货叉倾翻液压缸筒与液压缸杆 货叉与地面
图1
伸缩臂叉装车工作装置 CAD 模型
14
1. 1
环境设置 首先设置坐标系统为 Cartesian，设定全局坐标
1. 4
模型校验
利用模型检验工具对所建模型 （ 如图 2 ） 是否 存在错误进行检验， 如模型运动副对齐不准或零 件约束不当等。 在 Tools 菜单中选择 Model Verify， 通过命令显示信息窗口可以得到模型的重要信息， 包括移动的零件和运动副的数量及模型的自由度 数，并说明模型是否合理。 此外， 还可以用对象 测量和交互式仿真对模型进行检验， 同时， 仿真
系的原点位于伸缩臂与车架铰接点 ，X 轴为沿伸缩 臂向前的方向，Y 轴为垂直于伸缩臂叉装车车架向 上，Z 轴为垂直于 X 、 Y 轴方向向外； 单位设置为 mm、kg、N、s； 设置重力加速度方向沿 Y 轴负方
2 向，加速度大小为 9 806. 65 mm / s 。
零部件名称 一级臂 二级臂 货叉属具 变幅液压缸 伸缩液压缸 属具调平液压缸
图4
变幅液压缸伸缩速度变化曲线
2
2. 1
伸缩臂变幅运动学与动力学特性仿真
伸缩臂全缩、空载状态 在伸缩臂全缩、 空载状态， 设定伸缩液压缸 step（ time， 0， 0， 15 ， 905 ）
驱动函数： 仿真时间 15 s，运行 200 步，伸缩臂在驱动函 数作 用 下 变 幅 至 最 大 位 置， 得 出 该 状 态 下 仿 真 结果。 伸缩臂全缩、 空载状态， 变幅液压缸由初始 位置变幅至最高位置过程中， 伸缩臂与车架铰接 点受力和变幅液压缸受力变化曲线如图 3 所 示。 伸缩臂从 最 低 位 置 变 幅 至 角 度 最 大 位 置 过 程 中 ， 铰接点受力和变幅液压缸受力逐渐减小， 最大受 力点为伸缩 臂 在 最 低 位 置 （ 水 平 面 以 下 3. 14° ） ， 铰接点受力最大值为 83. 35 kN， 变幅液压缸受力 最大值为 105 kN； 最小受力点为伸缩臂在最高位 置 （ 与水平面夹角为 66. 5° ） ， 铰接点受力最小值 为 49. 37 kN，变幅液压缸受力最小值为 68. 48 kN。
伸缩臂由最低位置变幅至角度最大位置过程 中，变幅液压缸的伸缩速度变化曲线如图 4 所示， 最高速度为伸缩臂与水平面夹角为 35. 33° ， 伸缩 速度为 94. 35 mm / s。 变幅液压缸的伸缩位移变化 曲线如图 5 所示， 变幅范围为 1 340 ～ 2 245 mm， 液压缸行程 905 mm。
辆，它将轮式起重机的伸缩臂式结构与传统叉装 车的装卸功能有机地结合， 充分利用了伸缩臂式 结构伸得高、 伸得远的特点， 在底盘不动的情况
［ 3］ 张质 文，虞 和 谦，王 金 诺，等 . 起 重 机 设 计 手 册 面尺寸既合理也满足要求， 与用强度条件计算出 来的主梁截面尺寸相比要小， 同时主梁整体自重 减小 5% 左右，节约了大量成本。另外，对于主梁 受载差别很大时， 为设计者提供了一种新的设计 思路。
1. 2
添加约束 约束是指两构件之间的联接关系， 它限制两
构件在某个方向上的相对运动， 相对运动的方向 由约束的类型决定。 ADAMS 具有十分丰富的约束 库，包括 低 副 （ Joints ） 、 高 副 （ Higher Pair Constraints） 、基本副 （ Joint Primitives ） 3 类。 约束施 加的正确与否将直接影响动力学分析的准确性和 样机虚拟试验结果的有效性。 本文主要采用低副 和基本副。 表 1 列出了伸缩臂叉装车工作装置仿 真模型的约束副类型。 1. 3 施加载荷 作用于伸缩臂上的载荷分为动态载荷和附加 载荷，其中动态载荷包括伸缩臂总成质量、 工作 载荷及 惯 性 力； 附 加 载 荷 包 括 侧 向 力 和 风 载 荷。 — —伸缩臂系统的仿真，主要考虑伸 对于工作装置— — 58 —
参考文献 ［ 1］ 王金诺，于兰峰 . 起重运输机械金属结构［ M］ ． 北京： 中国铁道出版社，2002. ［ 2］ GB / T 3811 —2008 《起重运输机械》 S］ ． 起重机设计规范［ ［ M］ ． 北京： 中国铁道出版社，1998. ［ 4］ 浦 广 益 . Ansys Workbench 12 基 础 教 程 与 实 例 详 解 ［ M］ ． 北京： 中国水利水电出版社，2010. 作 地 邮 者： 路光远 址： 山西省太原市万柏林区窊流路 66 号太原科技大 学研究生学院 47 号信箱 编： 030024 收稿日期： 2013 － 04 － 05
置变幅至最高位置的过程中， 伸缩臂与车架铰接 点受力和变幅液压缸受力变化曲线如图 10 所示。 伸缩臂从最低位置变幅至角度最大位置的过程中， 铰接点受力和变幅液压缸受力逐渐减小， 最大受 力点为伸缩 臂 在 最 低 位 置 （ 水 平 面 以 下 3. 14° ） ， 铰接点受力最大值为 348. 5 kN， 变幅液压有多种作业功能的车
下，对离前轮较远的物资进行装卸作业， 如对集 装箱内物资的装箱、 掏箱作业， 使作业效率大为 提高。叉装车底盘具备四轮驱动、 四轮转向、 蟹 行以及整车调平等功能，特别适合野外作业。 伸缩臂叉装车是一个多变量、 本质非线性的 复杂动力学系统， 因此工作装置的动力学分析属
《起重运输机械》 2013 （ 9 ）
分析前进行装配也有助于纠正错误的约束 。
图2
伸缩臂叉装车工作装置动力学仿真模型 1. 变幅液压缸受力 2. 铰接点受力 图3 伸缩臂全缩、空载状态变幅液压缸 和车架铰接点受力变化曲线
1. 5
施加驱动
伸缩臂的变幅运动、 伸缩运动以及货叉的俯 仰运动分别是由变幅液压缸、 伸缩液压缸和属具 调平液压缸的伸缩运动实现的。 对模型进行仿真， 首先需要在各驱动液压缸上施加驱动， 本文采用 step 函 数 来 实 现。 step 函 数 是 阶 跃 函 数， 形 式 如下： step（ A， x0 ， h0 ， x1 ， h1 ） 其中，A 为 X 轴的变量名或一系列的 z 值， x0 为开始出现阶跃情况时的 x 值， h0 为当 x 小于或 等于 x0 时所对应的 y 值， x1 为阶跃情况结束时的 x 值，h1 为当 x 大于或等于 x1 时所对应的 y 值。 伸缩臂实际工作时， 具体的工况是多种多样 的，因此在仿真过程中， 无法对各种实际工况进 行一一模拟。 本文分别对伸缩臂变幅、 伸缩、 货 叉俯仰动作依次进行仿真分析。
缩臂总成质量和工作载荷， 伸缩臂在运动过程中 受到的惯性力、 侧向力及风载荷暂不考虑。 伸缩 臂质量是指伸缩臂总成所有的固定部分和活动部 分构件的质量，工作装置零部件材料及质量如表 2 所示。
表2 序号 1 2 3 4 5 6 工作装置零部件材料及质量 材料 质量 / kg 920 700 钢 550 90 260 80
工作装置模型约束副类型 配合零件 车架与大地 基本臂与车架 基本臂与二级臂 约束副类型 固定副 旋转副 滑移副 旋转副 旋转副 圆柱副 圆柱副 旋转副 圆柱副 圆柱副 旋转福 圆柱副 圆柱副 平行副
1
工作装置 ADAMS 仿真模型的建立
在 SolidWorks 中建立工作装置的几何模型，由 — —伸缩臂总成， 车架只 于研究对象为工作装置— 是作为 固 定 基 座， 故 对 车 架 模 型 结 构 进 行 简 化， 所建立的工作装置 CAD 模型如图 1 所示。 将其保 存为 . x _ t 格式的模型文件， 然后导入 ADAMS / View ，建立其动力学仿真模型。
基于 ADAMS 的伸缩臂叉装车工作装置 运动学与动力学仿真
闫洪峰 王伟平 王 志 中国农业机械化科学研究院 齐向阳 北京 100083
摘
— —伸缩臂为研究对象，建立了其 ADAMS 仿真模型。 在不同伸缩长 要： 以伸缩臂叉装车的工作装置 —
度、不同承载条件下，对变幅机构进行了运动学与动力学特性仿真 。 在最大负载、 吊臂处于不同变幅角度条件 下，对属具调平机构进行了动力学特性仿真 。在吊臂处于水平、 承载 1 500 kg 负载状态下进行了伸缩机构动力 学仿真。得出了伸缩臂叉装车工作装置各部件的运动规律以及关键部件和关键受力位置的受力变化规律，对伸 缩臂叉车的设计和优化具有重要的参考价值 。 关键词： 伸缩臂叉装车； 工作装置； 运动学； 动力学； 仿真 中图分类号： TP242 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 0785 （ 2013 ） 09 － 0057 － 06 Abstract： With the working device of telescopic boom fork truck - telescopic boom as a study object，ADAMS simulation model is built. Under the condition of different expansions and different loads，the kinematics and dynamics simulation is performed for the luffing mechanism. In case of maximum load， when the suspended arm is in different luffing angles，the dynamic characteristic simulation is performed for the luffing mechanism； under the condition of the suspended arm in horizontal condition，the dynamic simulation is performed for expansion mechanism under 1500 kgloading state. The movement rules of each part of working device of telescopic boom fork truck， and force change rules of critical parts and forced positions are worked out， which can provide significant value for design and optimization of telescopic boom fork truck. Keywords： telescopic boom fork loading device； working device； kinematics； dynamics； simulation
图5
变幅液压缸伸缩位移变化曲线
伸缩臂变幅过程中， 货叉属具水平方向移动 速度和位移变化曲线如图 6 和图 7 ，伸缩臂与水平 面夹角为 1. 1° 时， 货叉属具沿 X 轴正向最大速度 为 54. 46 mm / s； 与水平面夹角为 10. 48° 时， 货叉 属具沿 X 轴正向最大速度为 0 ； 与水平面夹角为 52. 42° 时， 货 叉 属 具 沿 X 轴 负 方 向 最 大 速 度 为 386. 68 mm / s。货叉属具垂直方向移动速度和位移 变化曲线如图 8 和图 9 ， 伸缩臂与水平面夹角为 22. 7° 时， 货 叉 属 具 沿 X 轴 正 向 最 大 速 度 为 609 mm / s。 — 59 —
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于多刚体系统动力学分析。 为了研究在作业过程 中叉装车 工 作 装 置 的 运 动 与 作 用 力 之 间 的 关 系 ， 进而展开工作装置作业性能方面的研究， 需要建 立合理的叉装车工作装置动力学模型 。
表1 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
二级臂与货叉属具 伸缩液压缸筒与基本臂 伸缩液压缸杆与二级臂 伸缩液压缸筒与液压缸杆 变幅液压缸筒与车架 变幅液压缸杆与基本臂 变幅液压缸筒与液压缸杆 货叉倾翻液压缸筒与二级臂 倾翻液压缸杆与货叉属具 货叉倾翻液压缸筒与液压缸杆 货叉与地面
图1
伸缩臂叉装车工作装置 CAD 模型
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1. 1
环境设置 首先设置坐标系统为 Cartesian，设定全局坐标
1. 4
模型校验
利用模型检验工具对所建模型 （ 如图 2 ） 是否 存在错误进行检验， 如模型运动副对齐不准或零 件约束不当等。 在 Tools 菜单中选择 Model Verify， 通过命令显示信息窗口可以得到模型的重要信息， 包括移动的零件和运动副的数量及模型的自由度 数，并说明模型是否合理。 此外， 还可以用对象 测量和交互式仿真对模型进行检验， 同时， 仿真
系的原点位于伸缩臂与车架铰接点 ，X 轴为沿伸缩 臂向前的方向，Y 轴为垂直于伸缩臂叉装车车架向 上，Z 轴为垂直于 X 、 Y 轴方向向外； 单位设置为 mm、kg、N、s； 设置重力加速度方向沿 Y 轴负方
2 向，加速度大小为 9 806. 65 mm / s 。
零部件名称 一级臂 二级臂 货叉属具 变幅液压缸 伸缩液压缸 属具调平液压缸
图4
变幅液压缸伸缩速度变化曲线
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伸缩臂变幅运动学与动力学特性仿真
伸缩臂全缩、空载状态 在伸缩臂全缩、 空载状态， 设定伸缩液压缸 step（ time， 0， 0， 15 ， 905 ）
驱动函数： 仿真时间 15 s，运行 200 步，伸缩臂在驱动函 数作 用 下 变 幅 至 最 大 位 置， 得 出 该 状 态 下 仿 真 结果。 伸缩臂全缩、 空载状态， 变幅液压缸由初始 位置变幅至最高位置过程中， 伸缩臂与车架铰接 点受力和变幅液压缸受力变化曲线如图 3 所 示。 伸缩臂从 最 低 位 置 变 幅 至 角 度 最 大 位 置 过 程 中 ， 铰接点受力和变幅液压缸受力逐渐减小， 最大受 力点为伸缩 臂 在 最 低 位 置 （ 水 平 面 以 下 3. 14° ） ， 铰接点受力最大值为 83. 35 kN， 变幅液压缸受力 最大值为 105 kN； 最小受力点为伸缩臂在最高位 置 （ 与水平面夹角为 66. 5° ） ， 铰接点受力最小值 为 49. 37 kN，变幅液压缸受力最小值为 68. 48 kN。
伸缩臂由最低位置变幅至角度最大位置过程 中，变幅液压缸的伸缩速度变化曲线如图 4 所示， 最高速度为伸缩臂与水平面夹角为 35. 33° ， 伸缩 速度为 94. 35 mm / s。 变幅液压缸的伸缩位移变化 曲线如图 5 所示， 变幅范围为 1 340 ～ 2 245 mm， 液压缸行程 905 mm。
辆，它将轮式起重机的伸缩臂式结构与传统叉装 车的装卸功能有机地结合， 充分利用了伸缩臂式 结构伸得高、 伸得远的特点， 在底盘不动的情况
［ 3］ 张质 文，虞 和 谦，王 金 诺，等 . 起 重 机 设 计 手 册 面尺寸既合理也满足要求， 与用强度条件计算出 来的主梁截面尺寸相比要小， 同时主梁整体自重 减小 5% 左右，节约了大量成本。另外，对于主梁 受载差别很大时， 为设计者提供了一种新的设计 思路。
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添加约束 约束是指两构件之间的联接关系， 它限制两
构件在某个方向上的相对运动， 相对运动的方向 由约束的类型决定。 ADAMS 具有十分丰富的约束 库，包括 低 副 （ Joints ） 、 高 副 （ Higher Pair Constraints） 、基本副 （ Joint Primitives ） 3 类。 约束施 加的正确与否将直接影响动力学分析的准确性和 样机虚拟试验结果的有效性。 本文主要采用低副 和基本副。 表 1 列出了伸缩臂叉装车工作装置仿 真模型的约束副类型。 1. 3 施加载荷 作用于伸缩臂上的载荷分为动态载荷和附加 载荷，其中动态载荷包括伸缩臂总成质量、 工作 载荷及 惯 性 力； 附 加 载 荷 包 括 侧 向 力 和 风 载 荷。 — —伸缩臂系统的仿真，主要考虑伸 对于工作装置— — 58 —
参考文献 ［ 1］ 王金诺，于兰峰 . 起重运输机械金属结构［ M］ ． 北京： 中国铁道出版社，2002. ［ 2］ GB / T 3811 —2008 《起重运输机械》 S］ ． 起重机设计规范［ ［ M］ ． 北京： 中国铁道出版社，1998. ［ 4］ 浦 广 益 . Ansys Workbench 12 基 础 教 程 与 实 例 详 解 ［ M］ ． 北京： 中国水利水电出版社，2010. 作 地 邮 者： 路光远 址： 山西省太原市万柏林区窊流路 66 号太原科技大 学研究生学院 47 号信箱 编： 030024 收稿日期： 2013 － 04 － 05
置变幅至最高位置的过程中， 伸缩臂与车架铰接 点受力和变幅液压缸受力变化曲线如图 10 所示。 伸缩臂从最低位置变幅至角度最大位置的过程中， 铰接点受力和变幅液压缸受力逐渐减小， 最大受 力点为伸缩 臂 在 最 低 位 置 （ 水 平 面 以 下 3. 14° ） ， 铰接点受力最大值为 348. 5 kN， 变幅液压有多种作业功能的车
下，对离前轮较远的物资进行装卸作业， 如对集 装箱内物资的装箱、 掏箱作业， 使作业效率大为 提高。叉装车底盘具备四轮驱动、 四轮转向、 蟹 行以及整车调平等功能，特别适合野外作业。 伸缩臂叉装车是一个多变量、 本质非线性的 复杂动力学系统， 因此工作装置的动力学分析属
《起重运输机械》 2013 （ 9 ）
分析前进行装配也有助于纠正错误的约束 。
图2
伸缩臂叉装车工作装置动力学仿真模型 1. 变幅液压缸受力 2. 铰接点受力 图3 伸缩臂全缩、空载状态变幅液压缸 和车架铰接点受力变化曲线
1. 5
施加驱动
伸缩臂的变幅运动、 伸缩运动以及货叉的俯 仰运动分别是由变幅液压缸、 伸缩液压缸和属具 调平液压缸的伸缩运动实现的。 对模型进行仿真， 首先需要在各驱动液压缸上施加驱动， 本文采用 step 函 数 来 实 现。 step 函 数 是 阶 跃 函 数， 形 式 如下： step（ A， x0 ， h0 ， x1 ， h1 ） 其中，A 为 X 轴的变量名或一系列的 z 值， x0 为开始出现阶跃情况时的 x 值， h0 为当 x 小于或 等于 x0 时所对应的 y 值， x1 为阶跃情况结束时的 x 值，h1 为当 x 大于或等于 x1 时所对应的 y 值。 伸缩臂实际工作时， 具体的工况是多种多样 的，因此在仿真过程中， 无法对各种实际工况进 行一一模拟。 本文分别对伸缩臂变幅、 伸缩、 货 叉俯仰动作依次进行仿真分析。
缩臂总成质量和工作载荷， 伸缩臂在运动过程中 受到的惯性力、 侧向力及风载荷暂不考虑。 伸缩 臂质量是指伸缩臂总成所有的固定部分和活动部 分构件的质量，工作装置零部件材料及质量如表 2 所示。
表2 序号 1 2 3 4 5 6 工作装置零部件材料及质量 材料 质量 / kg 920 700 钢 550 90 260 80
工作装置模型约束副类型 配合零件 车架与大地 基本臂与车架 基本臂与二级臂 约束副类型 固定副 旋转副 滑移副 旋转副 旋转副 圆柱副 圆柱副 旋转副 圆柱副 圆柱副 旋转福 圆柱副 圆柱副 平行副
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工作装置 ADAMS 仿真模型的建立
在 SolidWorks 中建立工作装置的几何模型，由 — —伸缩臂总成， 车架只 于研究对象为工作装置— 是作为 固 定 基 座， 故 对 车 架 模 型 结 构 进 行 简 化， 所建立的工作装置 CAD 模型如图 1 所示。 将其保 存为 . x _ t 格式的模型文件， 然后导入 ADAMS / View ，建立其动力学仿真模型。
基于 ADAMS 的伸缩臂叉装车工作装置 运动学与动力学仿真
闫洪峰 王伟平 王 志 中国农业机械化科学研究院 齐向阳 北京 100083
摘
— —伸缩臂为研究对象，建立了其 ADAMS 仿真模型。 在不同伸缩长 要： 以伸缩臂叉装车的工作装置 —
度、不同承载条件下，对变幅机构进行了运动学与动力学特性仿真 。 在最大负载、 吊臂处于不同变幅角度条件 下，对属具调平机构进行了动力学特性仿真 。在吊臂处于水平、 承载 1 500 kg 负载状态下进行了伸缩机构动力 学仿真。得出了伸缩臂叉装车工作装置各部件的运动规律以及关键部件和关键受力位置的受力变化规律，对伸 缩臂叉车的设计和优化具有重要的参考价值 。 关键词： 伸缩臂叉装车； 工作装置； 运动学； 动力学； 仿真 中图分类号： TP242 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 0785 （ 2013 ） 09 － 0057 － 06 Abstract： With the working device of telescopic boom fork truck - telescopic boom as a study object，ADAMS simulation model is built. Under the condition of different expansions and different loads，the kinematics and dynamics simulation is performed for the luffing mechanism. In case of maximum load， when the suspended arm is in different luffing angles，the dynamic characteristic simulation is performed for the luffing mechanism； under the condition of the suspended arm in horizontal condition，the dynamic simulation is performed for expansion mechanism under 1500 kgloading state. The movement rules of each part of working device of telescopic boom fork truck， and force change rules of critical parts and forced positions are worked out， which can provide significant value for design and optimization of telescopic boom fork truck. Keywords： telescopic boom fork loading device； working device； kinematics； dynamics； simulation
