礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

李棟梁，李棟斌

（蘭州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730300）

人類勞動過程中的生產(chǎn)工具是一種獨(dú)特的文明特征，它推動社會的發(fā)展和進(jìn)步，是人類文明進(jìn)步的反映，也是社會控制自然的尺度[1]。礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂作為典型的先進(jìn)生產(chǎn)工具，在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)力進(jìn)步中發(fā)揮著重要作用。礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂代表著先進(jìn)的生產(chǎn)力，在世界各國礦山工業(yè)中占有舉足輕重的地位。由于我國對這一領(lǐng)域的研究較晚，目前國內(nèi)礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂的研制相對滯后[2]。所以對礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂的研究已成為我國礦業(yè)發(fā)展的基石，也是提升我國礦產(chǎn)行業(yè)實(shí)力的有效手段。本文結(jié)合機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)和有限元分析模型，針對礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂的優(yōu)化設(shè)計，對礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 優(yōu)化礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂

1.1 礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂

礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要組成包括轉(zhuǎn)臺支座、轉(zhuǎn)臺驅(qū)動、機(jī)械臂底座、轉(zhuǎn)臺內(nèi)壁等如下圖所示，把主要支座焊接在礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺上，利用水平擺動馬達(dá)對礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂施加力量，在所受荷載復(fù)雜的環(huán)境下使礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械懸臂伸長轉(zhuǎn)動過程中荷載能力達(dá)到最大。礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂有七個擺度廣角，其最大荷載能力為2t，轉(zhuǎn)臺運(yùn)動速度為0.5m/s，在轉(zhuǎn)臺支座正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂的整體設(shè)備總重量為5.4t。

圖1 礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖

1.2 建立礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂的有限元分析模型

為了對礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，首先要建立礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂的有限元分析模型。其具體操作如下，首先考慮計算精度的影響，對現(xiàn)有礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂的有限元分析模型進(jìn)行分析處理[3]。礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂的有限元分析模型如圖2所示，對水平擺動馬達(dá)、循環(huán)滾動馬達(dá)、進(jìn)退擺動馬達(dá)、轉(zhuǎn)動驅(qū)臺進(jìn)行分析處理得到梁單元，各個部件經(jīng)過機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)重新組成新的梁單元。

圖2 礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂的有限元分析模型

機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺材料彈性量為410GPa，彈性強(qiáng)度區(qū)間為200MPa～345MPa，相似比系數(shù)為0.3。

礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂的初始有限元分析模型中，仿真設(shè)備轉(zhuǎn)臺支座采用十面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)單元數(shù)為440 158。

在對礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂的初始有限元分析過程中，模型的基礎(chǔ)條件與承載能力如下：

1.2.1 基礎(chǔ)條件

（1）轉(zhuǎn)臺底座與轉(zhuǎn)臺支座需進(jìn)行固定操作；

（2）各結(jié)構(gòu)需與轉(zhuǎn)臺支座連接。

1.2.2 承載能力

（1）整體承重5.4t；

（2）浮動承載能力2t。

1.3 結(jié)果與分析

根據(jù)礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂的有限元計算可得到以下結(jié)果：礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座的最大受力值為306MPa，受力點(diǎn)在轉(zhuǎn)臺支座的底部中心位置。該最大受力點(diǎn)對應(yīng)的安全系數(shù)為1.14。根據(jù)礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，其最大受力值不超過248MPa，安全系數(shù)要控制在1.4以內(nèi)。因此，需要對該中心受力點(diǎn)位置進(jìn)行尺寸優(yōu)化。

為了對轉(zhuǎn)臺支座結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，首先要建立轉(zhuǎn)臺的多方向主要支撐力點(diǎn)，在對轉(zhuǎn)臺支座結(jié)構(gòu)有限元進(jìn)行尺寸優(yōu)化后，可以提供載荷。礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座在鉸接處的作用力如表1所示。

表1 礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座在鉸接處的作用力

2 優(yōu)化礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座尺寸

2.1 建立礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座結(jié)構(gòu)的有限元分析模型

對礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計，可有效的提高有限元模型的計算速度。對支撐力點(diǎn)1、支撐力點(diǎn)2、支撐力點(diǎn)3進(jìn)行尺寸優(yōu)化，其優(yōu)化前對應(yīng)尺寸正圓角為R=25mm、h1=24mm、h2=30mm。

（1）轉(zhuǎn)臺支座尺寸優(yōu)化浮動范圍20mm≤R≤25mm；20mm≤h1≤24mm；25mm≤h2≤35mm；

（2）轉(zhuǎn)臺支座尺寸優(yōu)化基礎(chǔ)條件轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座的最大受力值為306MPa；

（3）轉(zhuǎn)臺支座尺寸優(yōu)化目標(biāo)系數(shù)轉(zhuǎn)臺支座各方向支撐力最小化。

仿真設(shè)備轉(zhuǎn)臺支座結(jié)構(gòu)采用十面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)單元數(shù)為99615。為了有效的提高有限元分析模型的計算速度，在計算轉(zhuǎn)臺的多個方向主要支撐力點(diǎn)時將幾何特征進(jìn)行網(wǎng)格化處理。

在對礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座有限元模型尺寸優(yōu)化過程中，模型的基礎(chǔ)條件與承載能力如下：

（1）基礎(chǔ)條件

對礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺底座與支座底面進(jìn)行固定操作，有利于對支撐力點(diǎn)增加載荷，提高轉(zhuǎn)臺支座的受力能力。

（2）承載能力

轉(zhuǎn)臺支座自重。對應(yīng)表1中轉(zhuǎn)臺的多方向主要支撐力點(diǎn)的承載力。

2.2 優(yōu)化結(jié)果分析

礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座尺寸優(yōu)化計算如表2所示。

表2 礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座尺寸優(yōu)化結(jié)果

從上表2中1、3、4、5、6可以看出，當(dāng)h1與h2變大時，對應(yīng)的最大支撐力隨之減小，安全系數(shù)隨之增大，但是減小量與增大量都不明顯，小于1.4，說明當(dāng)h1與h2發(fā)生變化時，對支撐力的影響力不大。由上表2中2、5、6、7、8可看出，當(dāng)R變大時，最大支撐力隨之變小，安全系數(shù)隨之變大，且變化量十分顯著，以序號7為例，當(dāng)最大支撐力值為239.4MPa時，安全系數(shù)為1.44，該組的數(shù)值可以滿足對轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座尺寸優(yōu)化的設(shè)計。綜上所述，變量R對最大支撐力的影響效果較為明顯。

為了該有限元分析模型更適用于實(shí)際礦產(chǎn)行業(yè)中，現(xiàn)將序號7的變量值進(jìn)行調(diào)整，修改后結(jié)果為R=25.0、h1=23.0、h2=36.0mm。當(dāng)完成尺寸優(yōu)化后，對該礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座有限元模型進(jìn)行分析。得到轉(zhuǎn)臺支座的最大支撐力為239.6MPa，位于轉(zhuǎn)臺的底部中心位置，對應(yīng)的安全系數(shù)為1.44，滿足對礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

本文提出了礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，采用有限元分析的方法，優(yōu)化設(shè)計了礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座結(jié)構(gòu)的尺寸，仿真分析的結(jié)果顯示，礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座的最大應(yīng)力為239.6MPa，主要體現(xiàn)在礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座的根部，得到的最小安全系數(shù)為1.44，滿足礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計要求，從而提高了礦用轉(zhuǎn)移機(jī)械臂轉(zhuǎn)臺支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計計算效率。