基于ADAMS的导烟车运行机构改进及分析

寇 毅

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

U型管导烟技术是一种主要应用于捣固焦炉的新型的导烟除尘技术，它不需建造装煤除尘站，就既可实现装煤除尘，又可回收荒煤气，达到节能的效果。导烟车是U型管导烟技术的核心设备，它在焦炉炉顶上运行，但是由于受热不均匀，焦炉顶经常会发生下陷，使用常规的刚性连接运行机构往往会出现车轮不同时着地，这种情况就会引起车轮轮压受力不均匀，导致车轮轮压增大，影响车轮寿命；导致焦炉顶部局部受力过大；轮压不均，车轮行走过程产生偏斜，影响定位精度和加速轨道磨损等问题。本文针对刚性连接运行机构存在的上述问题，提出改进建议，并对改进前后的运行机构进行运行仿真对比分析。

1 运行机构的改进

基于刚性连接运行机构存在的上述问题，对刚性连接运行机构进行改进，在车轮平衡架与小车架之间增加弹簧和连接梁，设计了弹性连接运行机构，具体结构如图1所示，固定支座与连接梁、连接梁与平衡架体、平衡架体与两个车轮通过铰轴连接；固定支座与小车架用螺栓固定，以实现牵引小车架的前进；连接梁与小车架之间设置弹簧，这样小车架与车轮平衡架之间在竖直方向上可以发生相对位移，在遇到轨道下陷或凸起时，通过弹簧的伸长与压缩就可以自动调整小车架与车轮平衡架之间的距离，保证车轮一直与轨道接触。

图1 弹簧连接运行机构

2 导烟车运行机构的运行仿真分析

2.1 三维模型的建立

本文采用Solidworks建立刚性连接运行机构和弹簧连接运行机构的导烟车实体模型，并增加小车架、直轨道、下沉轨道，导入Adams后如图2所示，其中轨道的最大下沉深度为50 mm。

图2 导烟车的实体模型

2.2 添加约束和驱动

根据导烟车实际运行时各部件间的关系，对其动力学仿真模型施加约束，对2个驱动车轮的旋转副添加旋转驱动。为了模拟车轮在启动时的实际特点，保证施加转速时不至于发生突变，采用阶跃函数使转速在1 s的时间内从0增加到163.7（°）/s，得到导烟车车轮的速度驱动函数：STEP（time ，4 ，0 d，5，-163.7 d）。即在 0～4 s车轮静止，4～5 s车轮的转速由0 增加到 163.7（°）/s，5 s以后车轮保持 163.7（°）/s的转速运行。

2.3 接触定义

车轮与轨道接触是一种连续的接触，在ADAMS中可以采用IMPACT函数来定义轮轨之间的接触力，它由接触刚度、接触阻尼、嵌入深度等一系列参数通过动态判断接触点位置来计算两个接触体之间的接触力。通过查阅资料，本文定义接触刚度为106 N/mm，接触阻尼为5 000 N·s/mm，嵌入深度为0.01 mm，刚度力指数为1.5。接触求解器选择Parasolid方式，可以获得准确的接触边界，避免默认的多边形边界引起车轮滚动过程中的高频振动。

2.4 仿真结果

为了更清楚地阐述仿真结果，对模型中的车轮和支承点进行编号，车轮平衡架中的零件和弹簧也与支承点的编号相对应，如图3所示。

图3 导烟车模型编号

2.4.1 车轮轮压分布分析（见图4）

图4 车轮轮压分布图

在通过下沉轨道时，刚性连接运行机构的车轮1、2、5、6这4个车轮基本处于悬空状态，轮压突变为零，这就容易导致车轮打滑，而其余4个车轮的轮压翻倍的工况，对于焦炉顶和导烟车自身的受力均不利；而弹簧连接运行机构的车轮1、2、5、6始终与轨道接触，并没有出现分离，车轮轮压只减小了10%左右，并且车轮轮压并没有发生突变，其余4个车轮的轮压也只增大了10%左右，这证明弹簧连接的运行机构能够起到良好的缓冲作用，有效避免了采用刚性连接运行机构的导烟车在通过下沉轨道时出现的不利工况。

2.4.2 小车架运动情况

刚性连接运行机构的支承点B和D几乎没有位移，支承点C向上运动了10 mm左右，支承点A向下运动了10mm左右；弹性连接运行机构的支承点B和D向下运动了6 mm左右，相对于支承点B和D，支承点C向上运动了12 mm左右，支承点A向下运动了12 mm左右。刚性连接运行机构的小车架只是支承点A和C绕着BD轴发生了旋转，并未发生整体下移；而弹簧连接运行机构小车架不仅发生了整体下移，同时支承点A和C绕着BD轴发生了旋转，两者的旋转方向一致，但是转动角度有所差别，弹簧连接运行机构支承点A和C的转动角度大于刚性连接运行机构。实际上刚性连接运行机构的小车架处于一个不平衡的状态，如果小车架的重心发生动态变化，就会支承点A和C出现绕着BD轴不停转动的“跷跷板”现象，这时刚性连接运行机构支承点A和C的旋转角度会远远大于弹簧连接运行机构。

图5 小车架各支承点的y向坐标变化曲线

图6 小车架各支承点的y向加速度变化曲线

刚性连接运行机构中各支承点的y向速度和加速度均为瞬时的，对结构会产生较大的冲击；而弹簧连接运行机构由于增加了弹簧，各支承点的y向速度和加速度是连续变化和波动的，这就减轻了对结构的冲击，但是带来了新的问题，小车架一直处于动态平衡中，一旦受到外界因素的影响，就会打破原有的平衡，进而出现上下振动，这种振动无法消除。

3 结语

针对导烟车刚性连接运行机构通过下沉轨道时出现的问题，设计了弹簧连接运行机构。通过ADAMS软件建立了导烟车运行机构的仿真模型，分别对刚性连接运行机构和弹簧连接运行机构进行了动力学仿真，对两种连接运行机构的结果进行对比，得到在通过下沉轨道时，弹簧连接的运行机构能够有效避免采用刚性连接运行机构的导烟车出现的不利工况，起到良好的缓冲作用；但是弹簧连接的运行机构相对刚性连接车轮平衡架增加了铰轴、连接梁和弹簧等部件，结构复杂，成本较高，同时由于弹簧的存在导致小车架存在一定的振动，且无法消除。因此在设计中我们应当根据轨道下沉深度的实际工况，选择合理的弹簧刚度，既能满足通过下沉轨道的要求，又能保证小车架的振动在合理的范围内。