冷镦机滑台机构的刚体动力学分析

冷镦机滑台机构的刚体动力学分析
朱红萍
【摘要】滑台机构是冷镦机的关键部件,在建立曲柄滑台机构的多刚体动力学模型基础上,采用多体动力学仿真软件ADAMS对其曲柄滑台机构进行动力学仿真分析,为后续的冷镦机整机设计提供重要的依据.
【期刊名称】《沙洲职业工学院学报》
【年(卷),期】2011(014)004
【总页数】5页(P7-11)
【关键词】多工位冷镦机;滑台机构;动力学分析
【作者】朱红萍
【作者单位】沙洲职业工学院机械动力工程系,江苏张家港215600
【正文语种】中文
【中图分类】TH113
0 引言
多工位全自动冷镦机是国家重点推广的少、无切削、高效全自动冷成形设备，用于进行紧固件、标准件、异形件的冷镦加工，广泛应用于航空航天汽车等各工业部门中。

其中的曲柄滑台机构作为实现冷镦动作的关键机构，某种程度上它的运动性能将关系到整台机器的动作实现，也直接影响到冷镦产品的性能和质量。

因此设计时对曲柄滑台机构进行运动学和动力学的分析非常必要。

本文在建立曲柄滑台机构的
多刚体动力学模型基础上，采用多体动力学仿真软件ADAMS对曲柄滑台机构进
行动力学仿真分析。

1 ADAMS动力学仿真算法
通常多刚体动力学模型由以下几部分组成：刚体、刚体之间的连接、载荷、驱动源、分析和研究、输出[1]。

刚体是组成多刚体动力学模型最基本的构件，一个多刚体动力学模型至少由两个刚体构成，每个刚体由其几何特性参数（刚体的几何形状、铰接点、力的作用点、模拟结果的输出点等）、材料特性参数（材料密度、摩擦系数、弹性模量等）和质量特性参数（质心、质量和转动惯量矩阵）等来描述。

刚体之间的连接用来描述各刚体之间的相互连接关系，主要有铰链、弹簧、阻尼等形式。

载荷用来描述机构在运动过程中受到的外力，它既可以是时间的函数，也可以是机构中其它变量的函数。

驱动源用来描述驱动机械系统运动的原动力，它既可以是力和扭矩，也可以是位移、速度、加速度等。

分析和研究用来建立评价指标与设计变量之间的函数关系，输出用来定义仿真结果的输出方式和格式。

1.1 动力学方程的建立
ADAMS多刚体动力学仿真软件采用世界上广泛流行的多刚体系统动力学理论中的拉格朗日乘子法，建立系统的动力学方程[2]：
完整的约束方程：0),(=tqφ 非完整约束方程：
式中：T-系统动能；q-系统广义坐标列阵；Q-广义力列阵；p-对应于完整约束的
拉氏乘子列阵；μ-对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。

1.2 ADAMS动力学分析步骤
ADAMS软件进行动力学分析时，可以采用多种求解器，本文主要利用微分—代
数方程的求解算法，该种方法采用了BDF刚性积分法[3]。

① 预估阶段
用Gear预估—校正算法可以有效地求解微分—代数方程。

首先，根据当前时刻的系统状态矢量值，用泰勒级数预估下一时刻系统的状态矢量值：
其中，时间不长h=tn+1-tn ，这种预估计算法得到的新时刻的系统状态矢量值通常不准，可以由Gear k+1阶积分求解程序来校正：
其中，yn+1为y(t)在t=tn+1-tn时的近似值；β0和αi为Gear积分程序的系数值。

② 校正阶段
系统的动力学方程在t=tn+1-tn展开，得：
ADAMS使用修正的Newton-Raphson程序求解，其迭代校正公式为：
式中：—系统刚度矩阵；—系统阻尼矩阵；—系统质量矩阵。

2 曲柄滑台机构多刚体动力学分析
2.1 曲柄滑台机构模型的建立
曲柄滑台机构的主要组成零件有：曲轴，连杆，滑台，连杆轴，铜套。

本文设计的曲柄滑台部件采用Siemens NX6专业设计软件进行建模，其三维装配模型如图1所示。

建立模型后利用NX6转化成Parasolid格式文件导入到多体动力学软件Adams中。

2.2 曲柄滑台机构多刚体动力学模型的建立
（1）设置零件属性
在将实体模型导入 ADAMS软件之后，需设置各个零件的材料、密度等属性，各
部件的材料及重量见表1。

（2）创建约束和运动副
建立曲柄滑台机构各个零件之间约束副，首先固定床身，曲轴两端与床身、曲轴与连杆、连杆与滑台这三对为滚动摩擦副，滑台与床身直接为滑动摩擦副。

（3）施加外载荷及驱动
曲柄滑台机构在冷镦工作中主要受到以下几个外力作用：冷镦力反作用力；电机通过带轮传递到曲轴的力矩；运动副之间的摩擦力。

相比于冷镦力的反作用力，后两者在数量级上微乎其微，在此为简化力学模型而作忽略不计。

图1 曲柄滑台机构装配模型
表1 曲柄滑台各零件属性零件材料重量（kg）曲轴 42CrMo 146连杆 QT-500 68滑台 QT-500 143铜套磷青铜 8
冷镦力的加载函数可以根据式求得。

驱动根据冷镦机的生产速率 120个/min来计算，可得曲轴转速为120 r/min。

（4）测试和验证模型
创建完模型后，可以对模型进行运动仿真，通过测试整个模型或模型的一部分以验证其运动的正确性。

在对模型进行仿真的过程中，ADAMS/View自动计算模型的运动特性和力学特性，如距离、速度、加速度、力、力矩等信息。

图2为添加了零件属性、约束、外载荷的曲柄滑台机构的动力学模型。

图2 曲柄滑台机构的动力学模型
2.3 曲柄滑台机构多刚体动力学仿真分析
按照仿真要求设定各个环节的初始参数，即可对机构进行动力学仿真分析，曲柄驱动转速为 n=120 r/min，仿真时间为两个运动周期1 s，得到的受力分析结果如图3至图7所示。

图3 滑台速度
图4 滑台加速度
图5 曲轴连杆轴颈孔X方向作用力
图6 曲轴连杆轴颈孔Y方向作用力
图7 曲轴连杆轴颈孔作用总力
分析以上受力与时间的关系图可知，曲轴连杆轴颈孔主要受到X方向在冷镦过程中最大受力为410 kN，Y方向最大受力为105 kN，由于Z方向不受力，故曲轴连杆轴颈孔所受总力为431.8 kN。

由图7可知，当受到410 kN的最大冷镦成形抗力作用的时候，由于运动部件惯性力的作用，滑台通过连杆作用于曲轴的最大载荷为431.8 kN，此作用力亦为曲轴通过轴承作用于床身的最大载荷。

3 结论
冷镦机作为一个复杂的机械设备，通过软件仿真的结果具有一定的局限性，但其为今后的同类机床设计提供了一定的参考价值。

通过建立曲柄滑块机构多刚体力学模型，应用ADAMS多体动力学仿真软件，对曲柄滑台机构进行多刚体动力学仿真分析，得到了以下结论：
（1）通过分析计算得出曲柄滑块机构在镦压过程中受到最大为431.8 kN的镦压力，即可知镦压时反作用于床身的最大载荷，为后续进行的床身有限元分析及优化提供了力学支持。

（2）通过分析得到在正常工况下工作时曲轴在镦压过程中受到的随时间循环变化的应力数值，为后续的曲轴疲劳分析提供了载荷谱。

参考文献：
[1] 边宇虹. 分析力学与多刚体动力学基础[M]. 北京: 机械工业出版社, 1985.
[2] Wittenburg W. Dynamics of System of Rigid Bodies. Teubner, Stuttgart, 1977.
[3] 宋宇. 基于多刚体系统动力学的汽车悬架性能分析及控制研究[D]. 安徽: 合肥工业大学, 2002.
[4] 杨煌. 国内外冷挤压技术发展综述[J]. 锻压机械, 2001, (01).。