基于ADAMS的阀门凸轮机构的动力学仿真

邬霞，罗大兵，周磊

(西南交通大学 机械设计实验室，四川 成都 610031)

0 引言

电动阀门作为管道系统介质流量的调节执行机构,主要用于液体、气体和风系统管道介质流量的模拟量调节，其结构可分为上、下两部分，即上部分电动执行机构和下部分阀门，工作时由电机带动阀杆运动实现阀门的开、关和调节动作。阀门凸轮机构在电动阀门中运用广泛，阀门在关闭时的运动速度应变化缓慢以减小冲击。阀门凸轮机构中的凸轮和摇杆接触问题对阀杆往复运动的稳定性至关重要。为了提高阀门凸轮机构的设计水平，保证机构运动的稳定性，通过ADAMS对其进行运动仿真，该方法可以直观地看到阀门凸轮机构的运动特性，缩短研发周期，降低试验成本。

Solidworks是计算机三维机械设计的主流造型软件，能够方便、快捷地构建复杂精确的三维实体机械系统。ADAMS即机械系统动力学自动分析软件是美国机械动力公司开发的虚拟样机分析软件。ADAMS软件使工程师能够建立机械系统“虚拟样机”，分析性能，更好理解机械系统的运动，比较多种设计方案，预测载荷变化，计算其运动轨迹、速度、加速度等[1]。

本文利用三维设计软件Solidworks建立阀门凸轮机构的三维实体模型，并将其导入到ADAMS 中，建立阀门凸轮机构的动力学仿真模型。通过动力学仿真，研究阀门凸轮机构工作过程中凸轮与摇杆的接触力，可为优化阀门凸轮机构的设计和工程分析提供参考。

1 阀门凸轮机构三维实体模型的建立

阀门凸轮机构主要由凸轮轴、摇杆、摇杆轴、阀门、阀门导筒等零件组成(图1)。在工作过程中，凸轮轴的转动带动凸轮转动，经过摇杆后带动阀沿导筒做直线运动，实现阀门的开启、调节作用。

图1 阀门凸轮机构示意图

2 阀门凸轮机构动力学仿真模型的建立

尽管 ADAMS 软件在机械系统静力学、运动学以及动力学仿真方面的强大的功能，但其内部建模功能相对较弱，利用ADAMS 提供的众多与其他CAD软件之间的接口，以 parasolid格式把零件导入ADAMS/VIEW 中，然后根据零件的实际工作情况，在ADAMS/VIEW中添加约束、驱动及载荷等。

由于各刚体零件之间是相互独立的，要模拟阀门凸轮机构的真实运动，则需要根据实际情况抽象出相应的运动副，并在构件间定义约束，以限制和定义机械系统中各零件的连接方式和相对运动方式，保证机构的虚拟运动状况以达到设计要求，组成完整的机械系统为后续分析作准备。在给各零件添加相应的约束时，首先要根据阀门凸轮机构的运动特性来确定。安装台与地面、导筒和地面之间、摇杆与安装台之间添加固定副；凸轮轴与安装台、摇杆与摇杆轴之间添加旋转副；阀与导筒之间需要添加移动副；凸轮轴与摇杆、摇杆与阀之间添加接触力约束。在导筒和阀之间添加弹簧，设置弹簧刚度系数为0.01(N/mm)，初始长度为60 mm；在凸轮轴与安装台之间的旋转副上添加驱动,转速设置为200 r/min, 由于ADAMS时间使用的单位是 s，而角度单位是度，则对转速进行换算公式为[2]:

(1)

3 仿真过程及结果分析

正确建立了阀门凸轮的装配模型之后，便可以进入机构的仿真模块，阀门凸轮的运动主要靠凸轮来驱动，而摇杆是主要的传力零件，在运动时带动阀沿导筒作直线往复运动。

对于小口径管道的流量控制全开、全闭时间在几十秒左右，在实际应用过程中会涉及对于口径大小的控制，在此设置仿真时间为10s，步数为30，分别测量凸轮轴与摇杆之间的接触力和导杆的速度，测量结果如图2、图3。

图2 转速为200 r/min时凸轮与摇杆间的接触力

图3 转速为200 r/min时阀的速度曲线

从图2、图3中看出，凸轮与摇杆之间的接触力不稳定，阀的速度也不稳定。凸轮与摇杆运动过程中的跳动会产生噪声，同时阀在运动过程中需要平稳，速度应该缓慢变化以减小冲击和磨损。

通过改变驱动速度来改变凸轮与摇杆之间的接触力，设置驱动速度为700r/min，则：

(2)

分别测量凸轮轴与摇杆之间的接触力和阀的速度，测量结果如图4、图5。

图4 转速为700 r/min时凸轮与摇杆间的接触力

图5 转速为700 r/min时阀的速度曲线

从图4、图5可以看出，凸轮与摇杆之间的接触力更加稳定，但是在一段时间上力的大小为零，说明两零件在运动过程中发生了脱离，凸轮与摇杆的接触情况如图6所示。

图6 凸轮与摇杆的接触情况

这是由于随着速度的增大，弹簧的刚度不足，通过改变弹簧的参数避免凸轮和摇杆脱离，将刚度系数由0.01N/mm改为1N/mm，仿真结果如图7所示。

图7 修改弹簧刚度系数后凸轮与摇杆间的接触力

通过改变弹簧的刚度系数，可以避免在高转速下凸轮与摇杆发生分离的情况，从而使阀的运动情况更加稳定[3]。

4 结语

基于ADAMS对阀门凸轮机构进行运动仿真，可以得到阀门凸轮机构在运动过程中凸轮与摇杆之间的接触力曲线和不同转速下阀门的运动速度曲线。在高速运动的情况下，可以看到由于弹簧刚度不足而引起了凸轮和摇杆脱离的情况。通过仿真的方法，在设计阶段就可以直观地看到机构的整体性能及潜在的设计缺陷，根据仿真结果对弹簧刚度参数和速度参数进行修改，重复进行仿真直到符合预期的结果为止[4]，利用此方法可以缩短产品的研发周期。

参考文献:

[1] 葛正浩. ADAMS2007[M]. 北京：化学工业出版社，2009.

[2] 张翔翔，孙孟园. 基于ADAMS的插齿机动力学仿真分析[J]. 南方农机，2016(1)：74-75.

[3] 李海林，张政武. 基于ADAMS的螺杆转子系统的动力学仿真分析[J]. 机械研究与应用，2016，29(1)：77-79.

[4] 于涛，刘秀杰. 基于Pro/E的的液压支架三维建模与运动仿真[J]. 工矿自动化，2016，42(4)：81-82.