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1、六自由度水泥泵车柔性臂动力学建模与仿真施建军西南科技大学萧山教学点机电一体化技术专业 12秋级高升专【摘要】以水泥布料机械、隧道喷浆机器人、喷漆机器人等为代表的一类施工装卸机械臂系统，在现代化施工当中应用广泛。这类机械臂系统具有大型、重载、轻质的特点，其运动既是空间大范围的刚体运动与弹性变形的耦合，也是柔性多体动力学与管道流变动力学的耦合，是典型的多输入、多输出、高度非线性、多种物理规律耦合的复杂系统。 本文以混凝土泵车的液压柔性臂架为研究对象，针对以上特点，对于如下几点进行了研究与尝试。 (1)泵车液压柔性臂架的柔性多体动力学分析 在对臂架结构进行动力学分析与控制方法的研究时，过去大多将其作
2、为多刚体系统来处理，而实际上，泵车的各节布料臂较长，工作过程中，臂架在油缸的冲击载荷作用下会发生振动，臂架的弹性变形较大，臂架机构振动位移对作业质量影响很大。因此，采用刚性模型来处理，会带来一定的偏差，影响控制精度。本文通过考虑臂架的弹性变形，将其作为柔性臂来处理，采用柔性多体系统动力学，建立了布料机构的动力学模型。 (2)臂架系统的控制方案设计 目前泵车的布料机构基本为由回转机构、多节臂杆、输送料管、液压缸和支撑连杆等部分组成的串联开链机构。尽管其具有机动、灵活、高效等特点，然而由于臂架系统属于轻质、大型、重载的柔性臂系统，大范围作业常需人工辅助操作，部件在驱动系统的激励下，运行时伴随管道内
3、的流体输送，产生巨大的惯性力，使系统产生强烈的振动，影响布料臂系统姿态的稳定性及定向精度，并伴随着结构过早疲劳破坏。因此，臂架布料轨迹的控制显得十分必要。本文由此采用了PD控制的方法，设计了控制方案。 (3)臂架系统完备动力学建模 考虑到系统结构、驱动、控制各部分相互耦合的特性，采用了完备的动力学建模方法，获得系统的完备闭环方程，并采用MEBDFDAE求解器对四节臂臂架系统进行了数值仿真。【关键词】柔性多体 系统驱动控制 系统动力学分析目录引言4一、 水泥泵车的发展概况及特点4二、 水泥柔性臂系统及其控制4-5三、 水泥柔性臂架机构动力学建模5-6四、 水泥混凝土泵车振动性能与结构优化设计研究
4、6-8五、 水泥混凝土泵车结构力学性能研究8-9六、 水泥混凝土泵车动态特性与振动试验研究9七、 仿真结果分析9-10八、 结束语.10参考文献11 引言水泥泵车的臂架系统是一个典型的柔性多体系统，如何对臂架实现自动控制，以期提高安全性,可靠性,引起了国内外许多学者的重视.研究方法通常为有限元法.轨迹规划法和智能优等.但是这些研究大都局限于臂杆的刚性范围内,没有考虑到柔性变形对整个系统动态特性的影响.而在实际的浇注过程中，臂杆的变形十分明显，为了准确控制末端轨迹 ，这方面的研究是不容忽视的。一、水泥泵车的发展概况及特点水泥泵车的发展历史和现状混凝土泵的发展已有多年历史，为了满足施工的需要，提高
5、混凝土泵的机动性，年代中期才研制出车载式混凝土泵，使混凝土泵由固定式发展成车载式，更加灵活机动。同时，考虑到混凝土浇注布料的方便，在车载式混凝土泵上设计了可以回转变幅二、水泥柔性臂系统及其控制 近年来我国公路建设发展迅速,桥梁的数量也急剧增大,由于桥梁建设中对桥面排水和防水的研究没有引起足够的重视,由此引起许多铺装层出现早期损坏现象影响了桥梁行车使用性能和混凝土的耐久性。本文在调查桥面铺装和防水层出现的主要病害现象的基础上,对防水层损坏原因进行了深入分析,对设防水层的桥面铺装结构进行了力学计算分析,通过室内外试验进行了桥面防水的技术研究,解决该功能层的材料选择、试验途径及施工质量控制问题,为宁
6、连高等级公路大修工程等的桥面改造专项提供技术指导和技术服务。 本文的主要研究内容如下: 1、调查桥面防水层的现状,分析桥面铺装层破坏原因及防水层设计要求。桥面铺装早期损坏己引起广大技术工作人员关注,通过病害调查、损坏原因分析,阐述设置桥面防水(粘结)层的重要性。 2、设防水层的混凝土桥桥面铺装结构力学计算与分析。选取了简支空心板梁、简支T梁和连续箱粱三种结构形式的铺装层,运用大型有限元分析软件来研究铺装层的受力特点,并对连续梁支座负弯矩区和T梁横隔板处等特定部位的铺装层受力进行了分析,为铺装层设计提供理论依据。 3、通过分析研究,提出混凝土桥桥面铺装设防水层的技术指标和相应试验方法; 4、采用
7、室内及野外试验的方法,针对涂膜类防水材料进行研究,提出公路桥梁桥面防水层的施工工艺控制措施和施工质量检测内容与方法,以指导工程实践。 三、水泥柔性臂架机构动力学建模 用柔性多体动力学的理论分析四节臂混凝土泵车臂架系统的动态特性。把泵车的臂架模拟成柔性机器臂,采用拉格朗日方程和虚功原理建立混凝土泵车臂架系统的柔性多体动力学方程,通过对泵车臂架运动微分方程的推导和数值求解,对泵车各臂杆的运动情况进行分析。结合动力学仿真分析软件,分别建立四节臂混凝土泵车臂架的刚性模型和柔性模型,给定相同的驱动力矩对两种不同情况下的运动模型进行分析。仿真得出两种模型的变形曲线和第四节臂杆的角速度曲线,对比仿真结果表明
8、,在研究轻质长臂杆混凝土泵车的臂架系统时,考虑各个臂杆柔性变形的影响是非常必要的,同时,研究成果也为混凝土泵车浇注自动化的研究提供了数学模型。四、水泥混凝土泵车振动性能与结构优化设计研究以水泥混凝土输送泵车为研究对象，对某泵车工程实际中出现的振动和裂纹现象，采用理论、试验、仿真相结合的方法，进行了深入系统的综合研究，建立了液压系统仿真模型、有限元分析模型、动力学仿真模型和结构动态优化设计四种模型，利用相关软件进行了计算及仿真，并进行了四项大型试验研究，找出了问题产生的原因，并对现有结构进行结构动力学优化设计，提出了修改方案。主要研究内容有： 1对泵车进行了液压冲击仿真与试验研究，得到臂架系统振
9、动过大的原因，即分配回路的响应时间和泵送缸活塞运动时间不相匹配引起的液压冲击。首次提出了S管阀与泵送缸工作配合相位图，用以描述与分析泵送缸与摆缸的合理换向时间，同时提出了液压冲击烈度的概念用于描述液压冲击，得到了冲击烈度与泵送频率、流量及压力的关系规律，得出了泵车较理想的工作频率范围，为减小液压系统冲击提供了充分的理论依据与试验数据。提出增加分级控制电路的新思路，以改变触发信号的发生时间来配合摆缸的换向时间，从而彻底解决冲击问题。 2对泵车臂架系统进行了模态分析及自振频率试验，结果表明：泵车臂架系统一阶固有频率与泵送工作频率部分重合，为解决工程实际问题找到了切入点。可以通过两种途径减小振动，一
10、是通过改变结构尺寸和重量提高或降低泵车臂架的一阶固有频率以避开工作频率；二是通过提高或降低泵车的泵送工作频率，避开臂架的一阶固有频率。 3对泵车臂架系统振动特性进行了质量、刚度结构参数及液压冲击载荷的动态响应仿真，仿真结果发现，臂架机构的振动位移响应与液压冲击载荷的形状大小一致，峰值减小，振动位移减小。因此，减小泵车液压系统冲击峰值是减小臂架振动的有效途径。 4利用有限元分析理论，采用MSCNASTRAN软件对泵车臂架系统进行了动、静态应力分析及试验研究，找出了大应力点，为结构的疲劳设计提供了依据。 5对水泥砼输送泵车臂架材料不同型式的焊接接头进行了疲劳性能对比试验，得到两种型式焊接接头的疲劳
11、强度、SN、PSN曲线和Goodman疲劳极限图，为疲劳设计及计算提供了依据。试验证明：焊接接头的屈服强度及抗拉强度远低于母材的屈服强度和抗拉强度，且疲劳断口的电镜扫描发现，疲劳源产生于焊趾部位及焊缝底部未焊透区。因此，应改进焊接工艺，提高焊缝处的疲劳强度。 6利用液压系统试验载荷及焊接接头PSN曲线，对泵车臂架系统的疲劳寿命 进行了95%和50%可靠度下的疲劳寿命预估研究，给出了结构的疲劳寿命分布。 7.选择了泵车臂架结构上35个参数作为设计变量，创建了以臂架系统一阶固有频 率为性能约束，以质量最小为优化目标函数的优化模型，进行了基于灵敏度比方法的结 构动态优化设计，得到了切合实际的优化方案
12、。其中，用灵敏度比来优选设计变量的方 法为优化理论的研究及其它机构的优化设计提供了新思路。 8.本文的研究与试验方法等为同类产品的设计及工程实际问题的解决提供了理论 依据与实践指导 五、水泥混凝土泵车结构力学性能研究 在建筑施工中,混凝土泵车以突出的机动灵活、适宜各种浇注条件等优点,已经成为其不可缺少的车种,并且混凝土泵车经常工作在各种复杂的工况下,因此要求它具有较高的强度、刚度,具有良好的工作适应性和可靠性,并且具有较小的振动特性,这对混凝土泵车的整体性能的优劣起着至关重要的作用。 本文以某5节臂的45米混凝土泵车为研究对象,以ANSYS软件为工具,采用实体单元与接触单元相结合的方法模拟各个
13、臂架之间的连接,板壳单元和梁单元用于模拟泵车其余结构,建立了整车有限元计算模型。通过力学分析得出了臂架水平且垂直于支撑点对角线时为泵车危险工况。在典型工况下,采用非线性有限元分析方法对该泵车整体结构进行了强度、刚度及稳定性等静力性能分析,并且根据计算结果进行了现场试验,试验结果表明计算分析与测量值相当吻合,分析结果为泵车整体结构的设计和优化提供了理论依据;通过对泵车结构进行模态分析,得到了此泵车振动的各阶频率及其振型,对设计方案进行动力学评价,为以后在新产品的设计中能够进行结构动态特性的预估及优化设计提供方法;最后考虑输送混凝土时混凝土泵的周期冲击和混凝土对输料管的冲击(混凝土对输料管的摩擦力
14、及本身质量的影响),分析了臂架系统在典型工况时的瞬态动力响应,包括动应力、动位移响应仿真云图和典型节点的动应力时间历程曲线,分析了动载冲击对于结构产生的影响,获得分析此类问题的方法和步骤。六、水泥混凝土泵车动态特性与振动试验研究水泥混凝土泵车作为混凝土输送的主要设备之一，其振动性能和可靠性直接影响施工的进度。本文在前期研究工作的基础上，以某公司生产的改进后的水泥混凝土泵车为研究对象，利用DEWE-3010数据采集系统对其应力及一阶固有频率进行测试。利用虚拟仪器开发平台LabWindowsCVI下开发的数据处理软件，对采集到的动应力信号进行相关的分析处理。在进行动应力分析过程中，分别求得不同工况
15、的动应力主频，并与该泵车液压系统测试实验分析结果进行比较，二者结果比较吻合，表明系统振动主要是由液压系统冲击振动所引起的；对泵车进行一阶固有频率测试，得到泵车的一阶固有频率范围，将工作频率与其进行比较，得出泵车振动减小的主要原因在于泵车作业时工作频率远离其固有频率；将改进后的结果与改进前结果比较，得出系统振动明显减小，从而验证了前期研究成果的正确性，完满完成了企业委托的研究任务。 七、仿真结果分析针对混凝土泵车臂架机构在工作时剧烈振动的问题,利用ADAMS软件建立了动力学仿真虚拟样机,进行了动力学分析仿真计算。验证了混凝土泵车臂架机构在油缸冲击载荷作用下,确实发生较大振动,并提出了相应的改进方案臂架式混凝土输送泵车在正常工作时,臂架机构振动较大,引起浇注定位困难,影响作业质量。因此研究如何有效地减小臂架机构振动,具有重要的工程意义。ADAMS是世界范围内最广泛应用的机械系统动力学仿真分析软件,广泛应用于航空、航天、汽车等很多领域。八、结束语水泥泵车是集输送成品混凝土和摊铺浇注工序于一体的建筑机械,是将混凝土泵站配制好的混凝土运输并摊铺到施工现场,可使混凝土不离析
