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某装备卡锁机构运动仿真分析

刘昕 ，高金龙

（1.海装沈阳局，黑龙江省齐齐哈尔市 16100；2.中国一重集团有限公司专项装备研究所 ，辽宁省大连市116113）  

摘  要：本文以某装备卡锁机构为研究对象，使用ADAMS软件建立动力学参数化模型，对机构进行了运动仿真，得到了机构的运动规律与动力学响应，提取了关键零部件受力曲线，为卡锁结构的分析、优化和改进设计提供理论依据。

关键词： 参数化建模 ADAMS 动力学仿真 卡锁机构

0 引 言

卡锁机构结构复杂、紧凑，受力作用大，机构动作迅速，机械系统参数多等特点，其在装备中起到至关重要的作用，因此需要对卡锁机构动作和运动特性进行深入研究，保证卡锁机构操纵稳定性和动作可靠性。其机构动作复杂，机械系统参数多，难以进行理论解析计算，本文使用多体动力学软件ADAMS/View建立卡锁仿真模型，计算在实际工况下机械系统的运动规律和动力学响应，为卡锁机械系统的设计、分析与优化提供参考和依据。  

1 ADAMS仿真模型的建立

1.1  卡锁机构模型

某装备的卡锁机构简化模型如图1所示，当输料机运动到指定位置时，熟料机挂接凸块与卡锁接触，熟料机挂接在卡锁上，卡锁使熟料机保持在待发状态，当得到指令时，卡锁动作解锁熟料机，熟料机被释放并推动物料运动。

图 1 卡锁机构

卡锁机构主要由箱体、卡锁、连杆杠杆机构、导向杆和缓冲装置组成，当熟料机挂接在卡锁上时，杠杆与连杆形成弓形支撑，当推杆在液压作用下伸出，推动弓形支撑转动，最后弓形支撑破坏，卡锁逆时针转动，熟料机被释放推动物料运动。

1.2  卡锁机构仿真模型建立

将上述卡锁机构模型导入ADAMS中，设置仿真模型参数，包括初始位置，力和位移等边界条件，根据模型运动关系，添加约束和运动副，对动作过程中相互接触的部件添加接触关系。建立卡锁机构的仿真模型如图2所示。

按照弹簧性能参数，设置卡锁机构中的弹簧刚度系数和预压值等参数，其中弹簧1的刚度系数为3.48N/mm，预压值为254.8N，弹簧2的刚度系数为22.95N/mm，预压值为130.83N，由于环形弹簧和蝶形弹簧均作用于缓冲器活塞上，仿真中将两者合并为一个弹簧进行参数设置，其刚度系数为5833N/mm，预压值为0N。设置输料机作用力沿Y轴方向水平向右，大小为14000N，模型中设推杆匀速伸出，伸出速度为166.67mm/s。

图 2 卡锁ADAMS模型

2 仿真结果分析

2.1  机构动作分析

仿真运动开始时，输料机在力的作用下向右运动并挂接在卡锁上，趋向于使卡锁绕销轴旋转，卡锁的杠杆与连杆组成的弓形支撑靠在推杆上，机构挂接的状态如图3所示。其中卡锁和限动块通过两个活动的衬板和销轴接合在一起，由缓冲装置在输料机挂接时起到缓冲作用并制动卡锁。

图 3 输料机挂接初始位置

随后推杆伸出，杠杆围绕销轴转动，杠杆与连杆的角度逐渐变大，弹簧被压缩，当推杆推出到达一定位移量时，弓形支撑到达临界状态后，推杆继续伸出，弓形支撑被破坏，输料机挂接凸块被释放，同时机构在力的作用下迅速反向转动并压缩弹簧，当导向滑块和导向杆接触时到达极限位置，随后在弹簧力的作用下机构复位，弓形支撑破坏时状态如图4所示。

图4弓形支撑位于极限位置

2.2  机构运动参数分析

对仿真结果分析得到输料机动作时机如图5所示，仿真开始时，输料机动作并挂接在卡锁上，弓形支撑靠在推杆上，初始角度169.11°，随后推杆伸出，弹簧2被压缩，卡锁转动。当推杆伸出量为5.106mm时，弓形支撑角度为180°，杠杆与连杆呈一条直线，但由于弹簧2力的支撑作用，此时卡锁机构仍未达到解锁状态。当推杆伸出5.592mm时，弓形支撑为临界状态，此时角度为181.49°时。随着推杆继续伸出，弓形支撑被破坏，弓形支撑迅速动作，输料机释放，当弓形支撑角度为277.48°时，导向杆和导向滑块接触作用，弓形机构到达极限位置，随后在弹簧力的作用下复位，由弓形支撑角度变化图可知，由于输料机的对卡锁机构的作用力较大，当弓形支撑破坏解锁的瞬间，机构迅速解锁并回位。

图 5弓形支撑角度与推杆伸出量关系

推杆受力与推杆位移之间的关系如图6所示，排除冲击力作用下，在推杆未伸出，输料机挂接时推杆受力达到最大为1754.08N，此时在推杆轴向（Y轴）方向分力为1735.94N，推杆径向（X轴）分力-251.58N，当到临界位置时，推杆受力为0N。

图 6推杆受力与推杆位移之间关系

卡锁机构解锁时，测量卡锁转动的角度为0.328度，解锁后由于力的作用和惯性，卡锁继续转动，当导向滑块与导向杆接触时，卡锁角度达到最大

35.38度，卡锁转动角度如图7所示。由图可知，在未解锁前，机构的解锁主要依靠弓形支撑转动，卡锁转动角度仅有0.3°，卡锁角加速度变化小，减少了卡锁机构解锁运动对输料机挂接状态的影响，挂接凸块与卡锁的接触面积基本未发生变化，输料机位置与状态波动小，表明弓形支撑解锁机构具有较好的稳定性。

图 7卡锁转动角度

对销轴受力情况进行分析，得到销轴的受力如图8所示。卡锁解锁时，销轴会向上运动，磕碰到衬板孔的上部，此时碰撞受力最大为16304.41N，之后下落时碰撞受力最大为-11332.59N。

图 8 销轴受力与时间关系

由于卡锁机构结构紧凑复杂，运功部件多，实际加工后，运动面之间的加工误差，润滑不到位，存在飞边毛刺等均可能存在影响机构运动。提取卡锁-连杆支撑的反作用力如图9所示

图 9 卡锁受到的反作用力

经过仿真模拟，熟料机的受力为14000N，作用力臂为30mm，转化对卡锁的力矩为420N•m，在连杆的支撑反力为6813N，作用力臂为64.77mm，转化对卡锁的力矩为441.27N•m，因为在机构运动中，力臂会有所变化，因此选取两者中较大者作为机构解锁中所需力矩，最大力矩为441.27N•m，因此，如果当连杆、卡锁等机构受到阻力距达到441.27N•m时，卡锁将会卡滞而不能正常动作解锁或及时解锁，从而发生故障。因此对于卡锁机构，应保持连杆，卡锁等运动部件转动灵活，与其接触的衬板等表面平滑，加工面平整，无毛刺飞边等异物，定期进行润滑与保养，保证机构动作正常。

3 结  论

本文对装备使用的卡锁机构进行分析，得到以下结论

1）通过ADAMS软件建立了卡锁机构的仿真模型，模拟了卡锁挂接和解锁动作工作状态，验证了机构动作的正确性。

2）对卡锁机构运动分析，提取了机构运动规律和动力学响应，得到机构力学性能参数，并结合运动特性给出分析结果。

3）分析机构零件受力情况，为零部件的强度设计与校核提供依据。

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