輪胎機(jī)械手的動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真研究

摘要：本論文根據(jù)輪胎機(jī)械手的工作原理及破壞的主要原因，對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真，找出連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：輪胎機(jī)械手 ADMAS 工作原理 動(dòng)態(tài)仿真

隨著礦山設(shè)備的發(fā)展，礦用車輛輪胎機(jī)械手也不斷更新發(fā)展，逐漸向大型化，自動(dòng)化方向發(fā)展，這給輪胎機(jī)械手的設(shè)計(jì)帶來了諸多的挑戰(zhàn)和難題。設(shè)計(jì)一種能夠代替人力，操作簡(jiǎn)單，安全實(shí)用，適用于大型輪胎拆裝、搬運(yùn)需求的設(shè)備成為當(dāng)務(wù)之急。這有利于提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，保證作用安全。研究表明85%的輪胎機(jī)械手的破壞發(fā)生在連桿機(jī)構(gòu)，這種破壞主要是連桿機(jī)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下發(fā)生的疲勞失效或者應(yīng)力屈服破壞。為了解決輪胎機(jī)械手連桿機(jī)構(gòu)的破壞難題，本文將對(duì)該連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真，考場(chǎng)連桿機(jī)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷的作用下連桿所發(fā)生的變化，并提出連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1、輪胎機(jī)械手發(fā)展?fàn)顩r

國外的輪胎機(jī)械手的發(fā)展已經(jīng)十分成熟。第一臺(tái)輪胎機(jī)械手由美國佩蒂伯恩公司生產(chǎn)的Super 20型輪胎夾裝機(jī)，該機(jī)械手具備更換運(yùn)輸卡車和重型設(shè)備輪胎的作用，還可以當(dāng)做叉車使用；該設(shè)備顯著的特點(diǎn)是高效，大量減少勞動(dòng)量。改型輪胎機(jī)械手主要由以下幾個(gè)部分組成：前伸式夾持裝置，四輪驅(qū)動(dòng)裝置，四輪空氣制動(dòng)裝置和一臺(tái)GM型柴油機(jī)組成。該裝置的最大夾持承載能力在伸出時(shí)為4309kg，縮回時(shí)為6804kg，夾持裝置能夠向兩側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)45°，叉架能夠左右移動(dòng)127mm，以準(zhǔn)確完成輪胎的定位。此裝置能夠平穩(wěn)的夾起輪胎，并將輪胎準(zhǔn)確的定位在輪轂螺栓上。

同國外相比，國內(nèi)輪胎機(jī)械手發(fā)展起步比較晚，還處于生產(chǎn)小型輪胎拆裝機(jī)階段，對(duì)于大型輪胎拆裝設(shè)備的研發(fā)還很少。廣西柳工集團(tuán)生產(chǎn)的ZL40B型裝載機(jī)，使用規(guī)格為20.5-25的輪胎，充氣后質(zhì)量為0.4t，最大直徑為1.55m。該型裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)可以完成動(dòng)臂的提升和鏟斗的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。拆下鏟斗，在動(dòng)臂斗銷的位置上安裝水平放置的兩只夾持臂。兩只夾持臂由液壓缸提供動(dòng)力，可以實(shí)現(xiàn)張開和閉合動(dòng)作。這樣，裝載機(jī)自身動(dòng)臂的提升、鏟斗的旋轉(zhuǎn)外加夾持臂的開合動(dòng)作就可以滿足輪胎拆裝的需求，具有操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2、ADMAS軟件的介紹

ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。目前，ADAMS己經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。

3、輪胎機(jī)械手結(jié)構(gòu)組成

輪胎機(jī)械手的主要功能是實(shí)現(xiàn)礦山大型車輛輪胎的拆裝和搬運(yùn)。動(dòng)力源為液壓缸，并要求液壓動(dòng)力在適當(dāng)?shù)暮奢d下運(yùn)作，才能使液壓工作件高效、平穩(wěn)、準(zhǔn)確的完成液壓元件的各項(xiàng)操作動(dòng)作；而且液壓動(dòng)力源的各項(xiàng)操作可以通過電液伺服控制技術(shù)使提高該系統(tǒng)的自動(dòng)化控制水平。輪胎機(jī)械手可以安裝在裝載機(jī)或叉車上，利用裝載機(jī)和叉車可以將物體舉高的現(xiàn)有動(dòng)作實(shí)現(xiàn)垂直地面方向的移動(dòng)，輪胎機(jī)械手自身可以完成對(duì)輪胎的夾持、水平移動(dòng)和兩個(gè)方向的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作以滿足大型輪胎的拆裝和搬運(yùn)過程中所需的各種動(dòng)作。輪胎機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)大致由手盤、手臂、轉(zhuǎn)動(dòng)架、平動(dòng)架和固定板組成。

4、輪胎機(jī)械手工作原理

輪胎機(jī)械手的執(zhí)行是通過手臂上的兩支液壓缸的伸縮，產(chǎn)生一定的夾緊力同時(shí)對(duì)兩支手臂同步完成手臂的張開和閉合動(dòng)作，其中最大的夾緊重量為5900kg，夾持距離為1092mm~4060mm；另外手臂上的手盤能夠在360°的范圍內(nèi)帶動(dòng)負(fù)載以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)力矩和要求轉(zhuǎn)速由安裝在手臂的液壓馬達(dá)經(jīng)過減速器產(chǎn)生，要求旋轉(zhuǎn)過程不能發(fā)生打滑現(xiàn)象；同樣轉(zhuǎn)動(dòng)架以2r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)360°，且旋轉(zhuǎn)所需的力矩是由安裝在平動(dòng)架上的液壓馬達(dá)提供；而平動(dòng)架在水平左右移動(dòng)所需的動(dòng)力又安裝在平動(dòng)架和固定板之間的平動(dòng)液壓缸提供，并且可以在300mm的范圍里移動(dòng)；最后，整個(gè)裝置由固定板安裝在裝載機(jī)或叉車上。

5、動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真

由研究表明，85%的輪胎機(jī)械手主要在連桿機(jī)構(gòu)處發(fā)生破壞，而破壞的原因主要是因?yàn)閯?dòng)載荷受力不均勻，導(dǎo)致連桿機(jī)構(gòu)疲勞失效和破壞。針對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的在動(dòng)載荷下的破壞，探究桿件在受到動(dòng)載荷時(shí)桿件的應(yīng)力情況。動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真的步驟是：首先建立輪胎機(jī)械手的虛擬樣機(jī)模型；然后導(dǎo)入到動(dòng)態(tài)分析軟件ADAMS中，對(duì)樣機(jī)模型進(jìn)行約束、驅(qū)動(dòng)使模型模擬整個(gè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)；最后在ADAMS中記錄模型在受到動(dòng)載荷下，模型的運(yùn)動(dòng)狀況以及桿件所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力。

通過動(dòng)態(tài)軟件ADAMS仿真可以直觀的輪胎機(jī)械手的動(dòng)作過程，通過修改參數(shù)可以看出該機(jī)械手的連桿機(jī)構(gòu)在不同載荷下所受到的動(dòng)應(yīng)力，根據(jù)該動(dòng)應(yīng)力的情況設(shè)計(jì)合理的連桿機(jī)構(gòu)，同時(shí)對(duì)改進(jìn)輪胎機(jī)械手提供了依據(jù)。同時(shí)仿真模型和運(yùn)動(dòng)過程參數(shù)可以為整個(gè)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)，繼而為快速、準(zhǔn)確方便的設(shè)計(jì)和制造物理樣機(jī)奠定基礎(chǔ)。

同國外相比，國內(nèi)輪胎機(jī)械手發(fā)展起步比較晚，還處于生產(chǎn)小型輪胎拆裝機(jī)階段，對(duì)于大型輪胎機(jī)械手的研發(fā)還很少。主要原因是國內(nèi)輪胎機(jī)械手的設(shè)計(jì)中，很少考慮連桿機(jī)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下的應(yīng)力變化情況，在對(duì)輪胎機(jī)械手的改進(jìn)和研究過程中我們要充分考慮動(dòng)態(tài)載荷情況，根據(jù)動(dòng)態(tài)載荷運(yùn)用動(dòng)態(tài)仿真軟件來模擬其實(shí)際情況，這樣能節(jié)約成本，縮短開發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮亮，孔德文，孫建軍.輪胎機(jī)械手動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真研究[J].煤礦機(jī)械， 2011 ，07 .

[2]林建龍，王小北.抓箱機(jī)械手選型設(shè)計(jì)[J].新設(shè)備.新材料.新方法，2003(3):70-71.

[3]鄭建榮. ADAMS-虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.