基于ADAMS软件的三维运动混合机动力学仿真分析

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1 三维运动混合机结构及工作原理E1-2]三维运动混合机结构如图 l所示，由 6部分(空间六杆机构)组成：机架、主动轴、主动拨叉、料筒、从动拨叉、从动轴，属于单 自由度多刚体运动机构。主动轴与从动轴互相平行，与相邻转动副的轴线相互正交，当主动轴以等速回转时，从动轴则变速反方向旋转，从而使筒体同时具有平移、自旋和翻转运动，以迫使简体内的物料受到连续的交替脉动作用而产生沿筒体环向、径向和轴向的三向流转，使被混物料交替地处于凝聚和扩散运动中，达到 良好的混合效果 。

图 l 三维运动 混合 机结构简 图1支架；2主动轴；3从动轴；4主动拨叉；5料筒 ；6从动拨叉；7铰接点 I；8铰接点lI；9铰接点Ⅲ；l0铰接点IV；11进料 口盖；12出料口盖收稿日期：2O13-05-09基金项 目；吉林势技发展计划项 目(20090547)吉林侍育厅十-五”科学技术研究项目(2009250)作者简介：胡静波(1965-)，男(汉)，黑龙江齐齐哈尔，教授，博士主要研究机械设计及理论。

图 l中，主动轴 2及从动轴 3分别与支架 1连接，所述主动轴 2与主动拨叉 4在铰接点 I 7处铰接，所述主动拨叉 4与料筒 5在铰接点 Ⅱ8处铰接，从动拨叉 6与料筒 5在铰接点HI 9处铰接，从动轴 3与所述从动拨叉 6在铰接点Ⅳ10处铰接；铰接点 I7至铰接点 Ⅱ8的距离 a等于铰接点Ⅱ8至铰接点Il 9的距离 b等于铰接点Ⅲ9至铰接点Ⅳl0的距离 c。

2 三维运动混合机动力学仿真分析2.1 三维运动混合机仿真模型的建立[3 ]在此使用 CATIA三维绘图软件建立三维运动混合机模型，导人 ADAMS中。在 ADAMS/View平台上对导人模型的各零部件命名、填充颜色、设置材料密度、零部件间创建约束，三维运动混合机仿真模型(料筒容积为 1 000 L)如图 2所示。

图 2 三维运动混合机仿真模型图 2是将图 1进行实体化，各零件结构相同，在38 长春工程学院学报(自然科学版)ADAMS软件环境下：主动轴与机架、主动轴与主动拨叉、主动拨叉与料筒、从动拨叉与料筒、从动轴与从动拨叉之间都建立转动副V，机架与地面之间建立 固定副Ⅵ。已知空间六杆机构共有 36个 自由度，- 个固定副限制 6个 自由度，-个转动副限制 5个自由度，共限制 31个自由度，因三维运动混合机是只有 1个自由度的机构，所以在从动轴与机架之间建立两虚约束--ParaIeI AxisⅦ和In LineⅧ，各限制 2个 自由度 。此时机构只有 1个 自由度。

2.2 动力学仿真分析[6- ]因为料筒的运动是三维空间的复杂混合运动，进行动载荷分析的条件不足，且难度较大，因此本文均是在物料质量均匀分布的静载荷情况下进行的分析。填充物料质量 150 kg，主轴转速 12 r/min。

2.2.1 主、从动轴水平布置时 ，主、从动轴所受到的轴 向力与转矩实线代表主动轴所受轴向力，虚线代表从动轴所受轴向力，横坐标为时间 (s)，纵坐标为力F(N/m)。

从图 3可知，主动轴所受轴向力相对于从动轴所受轴向力稍大；两轴所受轴向力方向始终相反，大小接近。

Z .叵暴ooooooooo0ooooooooo图 3 水平布置时 。主、从动轴轴 向力比较实线代表主动轴所受转矩，虚线代表从动轴所受转矩，横坐标 为时问 t(S)，纵坐标 为转矩 丁(N/ram)。从图4中可看出，主动轴所受转矩变化范围比从动轴所受转矩变化范围小；从动轴在波谷处所受转矩出现-小段波峰；两轴转矩曲线变化趋势相反。

2.2.2 主、从动轴垂直布置时，主、从动轴所受到的轴向力与转矩实线代表主动轴所受轴向力，虚线代表从动轴所受轴向力，横坐标为时间(s)，纵坐标为力F(N/m)。

比较图 3与图5可得出：主从动轴所受轴向力曲线都近似于相对-条直线对称；相对于水平布置，垂直布置时轴向力增大，且力的方向不变，主要原因是承受机构的重力；水平布置时，轴向力曲线周期性变化，垂直布置时，轴向力曲线不仅周期性变化，并且曲线在主轴旋转-周时间内出现 4次轴对称，规律性更强 。

Z 匠E006E006E006E006E006E006E0060b0000000000000000000000图 4 水平布置时。主、从动轴转矩比较图5 垂直布置时。主、从动轴所受轴向力比较实线代表主动轴所受转矩，虚线代表从动轴所受转矩，横坐标 为时间 t(s)，纵 坐标 为转 矩 T(N/mm)。比较图4与图 6可得出：相对于水平布置，垂直布置时转矩曲线变化范围小，变化曲线更加有规律性；水平布置时，转矩曲线周期性变化，垂直布置时，转矩曲线不仅周期性变化，并且在主轴旋转- 周时间内，曲线有 4条对称轴线，规律性更强。

E006E006E006E006E006E0050.O0图 6 垂直布置时。主、从动轴转矩比较就主、从动轴所受轴向力考虑，垂直布置时所受轴向力较大，力的大小变化规律性较强。轴承的选择需增大；就主、从动轴承受转矩考虑，垂直布置时，所受转矩较小，最大值约为水平布置时的 1/3～1/2，且转矩变化规律性更强；垂直布置时，机器的占地面积相应会减少，但机器的高度会增加，上料、下料时会有-定困难，需考虑设计-种上下料机构。

2.2.3 主、从动轴水平布置时，主、从动拨叉与主、从动轴铰接处合力矩实线代表主动拨叉与主动轴铰接处所受合力矩，虚线代表从动拨叉与从动轴铰接处所受合力矩，横坐标为时间 t(s)，纵坐标为合力矩 T(N/mm)。

从图7中可看出两处合力矩变化趋势相反，主动拨又与主动轴铰接处合力矩最大值比从动拨叉与从动轴铰接处所受合力矩最大值大 25 。因此设计时胡静波，等：基于 ADAMS软件的三维运动混合机动力学仿真分析 39应着重考虑主动拨叉与主动轴铰接处的设计参数。

- 6.0E0065.0E006· 4.0E0063.0E0062.0E0061.0E0060 O.O 0n . J/ o d·0 5·o图 7 主、从动拨叉与主、从动轴铰接处合力矩3 结语应用 ADAMS软件对三维运动混合机进行动力学仿真分析，通过对主从动轴在水平与垂直两种布置情况下的轴向力与转矩图特性的分析，为三维运动混合机的整体布置和结构设计提供了-定的理论分析基矗