30T夹钳式钢坯吊具动力学分析
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表 2 不同钢坯尺寸下，夹持力和起吊重量
钳口宽度
B (mm) 1275 1250 1225 1200 1175 1150 1125 1100 1075 1050
钳臂偏离中 心位置的 转角 α(度)
133.98 131.67 129.27 126.77 124.20 121.57 118.88 116.13 113.34 110.50
y x
B
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
内外连杆 之间夹角 β(度）
10.23 8.94 7.65 6.36 5.07 3.79 2.5 Fra Baidu bibliotek.23 0.05 -1.33
1.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。
（a） x 方 向 位 移 时间
（b） y 方 向 位 移 时间
（c） 角 速 度
（ d） 角 加 速 度
时间
时间
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。
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；
表 1 同步机构误差表
偏角 β（）
T1 点角加速度 T2 点角加速度 加速度相对误差 T1 点角速度 T2 点角速度 角速度相对误差 T1 点 x 方向位移 T2 点 x 方向位移 x 向位移相对误差 T1 点 y 方向位移 T2 点 y 方向位移 y 向位移相对误差 15 0.78 0.82 4.8% 15.4 14.56 5.8% 35.42 -5.92 0.8% 99.9 5.7% 10 0.78 0.79 0.7% 15.1 14.8 2.2% 26.59 1.7% 102.6 2.2% 5 0.78 0.79 0.2% 14.9 15.0 1.2% 17.55 1.8% 104.5 1.2% 0 0.78 0.81 3.4% 14.6 15.3 4.8% 8.35 1.1% 105.6 4.7% -5 0.77 0.88 10.5% 14.3 15.6 8.4% -0.90 -41.78 0.2% 105.9 -97.4 8.2% -10 0.76 0.98 22.2% 14.1 15.9 12.2% -10.09 -50.11 2.4% 105.5 -93.4 11.6% -15 0.75 1.15 39.6% 13.8 16.3 16.2% -19.16 -58.05 5.1% 104.2 -88.6 15%
Dynamic simulation of 30T clamp type sling for billet
Zhao huai-bi, Zhang peng, Wang zhang-qi School of Energy Power and mechanical Engineering， North China Electricity Power University， Baoding 071003，China Abstract: 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 analysis
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。
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]。
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。
-15.11 -24.19 -33.11
-105.8 -104.9 -103.2 -100.6
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 μ 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。
钳口宽度
B (mm) 1275 1250 1225 1200 1175 1150 1125 1100 1075 1050
钳臂偏离中 心位置的 转角 α(度)
133.98 131.67 129.27 126.77 124.20 121.57 118.88 116.13 113.34 110.50
y x
B
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
内外连杆 之间夹角 β(度）
10.23 8.94 7.65 6.36 5.07 3.79 2.5 Fra Baidu bibliotek.23 0.05 -1.33
1.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。
（a） x 方 向 位 移 时间
（b） y 方 向 位 移 时间
（c） 角 速 度
（ d） 角 加 速 度
时间
时间
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。
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；
表 1 同步机构误差表
偏角 β（）
T1 点角加速度 T2 点角加速度 加速度相对误差 T1 点角速度 T2 点角速度 角速度相对误差 T1 点 x 方向位移 T2 点 x 方向位移 x 向位移相对误差 T1 点 y 方向位移 T2 点 y 方向位移 y 向位移相对误差 15 0.78 0.82 4.8% 15.4 14.56 5.8% 35.42 -5.92 0.8% 99.9 5.7% 10 0.78 0.79 0.7% 15.1 14.8 2.2% 26.59 1.7% 102.6 2.2% 5 0.78 0.79 0.2% 14.9 15.0 1.2% 17.55 1.8% 104.5 1.2% 0 0.78 0.81 3.4% 14.6 15.3 4.8% 8.35 1.1% 105.6 4.7% -5 0.77 0.88 10.5% 14.3 15.6 8.4% -0.90 -41.78 0.2% 105.9 -97.4 8.2% -10 0.76 0.98 22.2% 14.1 15.9 12.2% -10.09 -50.11 2.4% 105.5 -93.4 11.6% -15 0.75 1.15 39.6% 13.8 16.3 16.2% -19.16 -58.05 5.1% 104.2 -88.6 15%
Dynamic simulation of 30T clamp type sling for billet
Zhao huai-bi, Zhang peng, Wang zhang-qi School of Energy Power and mechanical Engineering， North China Electricity Power University， Baoding 071003，China Abstract: 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 analysis
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。
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]。
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。
-15.11 -24.19 -33.11
-105.8 -104.9 -103.2 -100.6
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 μ 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。