基于ANSYS的撬毛機器人臂架運動及剛柔耦合強度分析

王鋒　王凱　顏武剛

摘 要：目前，人工撬毛存在一定的安全風險。本文通過前期對中小型礦山采場爆破后頂板的情況進行分析，研究出一款專門針對中小型礦山的小型撬毛機器人。撬毛臂架作為小型撬毛機器人的核心結構件，整體強度直接影響撬毛機器人能否正常使用。通過ANSYS對撬毛臂架進行整體力學分析，了解結構設計上的薄弱位置，從而更好地優化撬毛機器人。

關鍵詞：撬毛;機器人;ANSYS

中圖分類號：TD401;TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）25-0024-03

Analysis of the Movement and Rigid-Flexible Coupling Strength of the Arm of a Crow Robot Based on ANSYS

WANG Feng WANG Kai YAN Wugang

（Hunan Chuangyuan High-tech Machinery Co.， Ltd.， Changsha Hunan 410205）

Abstract： At present， there is a certain safety risk in manual crushing. Through analyzing the situation of the roof after blasting in the mine stope in the early stage， this paper has developed a kind of miniaturized crushing robot which is specially used in small and medium-sized mines， as the core structural component， the strength of the whole structure directly affects whether the crushing robot can be used normally or not. Through the whole mechanics analysis of ANSYS， the weak position of the structure design can be known， to better optimize the crushing robot.

Keywords： crushing;robot;ANSYS

隨著礦山行業配套軟硬件的發展，機械化采礦技術得到廣泛應用。當前大中型礦山采用機械化的撬毛臺車進行撬毛作業，在提高生產效率的同時，大大降低了人工作業的勞動強度和安全風險。然而，機械化應用在國內中小型礦山的推進速度依然很慢，目前大多數中小型礦山仍然依靠人工進行撬毛作業，冒頂事故時有發生，存在極大的安全隱患。本文主要針對中小型礦山撬毛機器人開展相關研究[1-2]。

1 整機介紹

撬毛機器人主要由行走底盤、臂架總成、工作裝置總成、上車平臺總成（包含電機泵組總成、覆蓋件總成、液壓油箱、電纜卷筒及電控柜回轉減速機等）、液壓系統以及電氣系統等組成。

撬毛機器人的主要技術特點：①模塊化設計，拆裝、運輸及維修方便;②作業范圍廣，超長靈活的臂架系統，可以對爆破后的頂板及側幫浮石進行撬毛;③采用履帶底盤行走系統，地面適應性好，通過性強，維護成本低，操作簡單;④整體外形結構設計緊湊，適合在采場內的狹小空間作業;⑤遠程可視化遙控作業，可自行至采場任何位置，作業效率高，施工成本低，安全風險小。

2 臂架介紹

2.1 臂架構成

撬毛機器人的工作臂架通過平臺與下車履帶底盤連接在一起，具備撬毛破碎及鏟斗平場功能。該工作臂架結構主要由大臂、中臂、小臂、左右搖桿、連桿、破碎錘、鏟斗、鉸點連接銷軸及工作油缸組成，通過工作油缸的伸縮實現不同作業區域的調節。撬毛作業通過液壓破碎錘前段釬桿的打擊完成破碎工作，依靠鏟斗完成爆破后采場內場地的平場工作。工作臂架的結構組成如圖1所示。

2.2 臂架性能參數

撬毛機器人臂架作業范圍如表1所示。

3 臂架剛體運動分析

撬毛機器人設計性能參數中著重考慮的一點是撬毛作業區域的大小，通過工作臂架的伸展與收縮來捕捉不同作業點。通過ANSYS分析軟件中的剛體動力學分析模塊，可以近似得到撬毛工作臂架在展開運動過程中各零部件的運動參數變化情況，包括運動位移軌跡、速度、加速度以及鉸點接觸處的支反力大小。通過分析這些運動參數的變化特點提取需求目標值，可以為后續臂架結構、工作油缸以及整機操控設計的優化提供一定的參考[3]。

選取臂架正常作業時展開與收縮的工況進行分析（見表2），并提取了破碎錘端部的運動位移和軌跡，以及上平臺上前、后鉸點處的支反力變化曲線。

分析時間步設置為75步，除鏟斗油缸保持不動外，其他工作油缸均完成一次伸縮。

通過分析破碎錘端部位移坐標及運動軌跡圖，可以直觀地判斷撬毛工作臂架的作業范圍是否達到預期設計值要求，也可以依據運動軌跡圖判定調節油缸鉸點的布置位置，從而優化設計獲得最佳的設計方案。

分析發現平臺上前、后鉸點支反力的峰值均出現在時間步長53.65 s左右，運動過程中支反力的方向和變化曲線[4-5]，分別如圖3和圖4所示，從分析結果中導出支反力的峰值，如表3所示。

4 臂架剛柔耦合分析

假設工作油缸為剛體，結構上不發生任何變形，分析目的在于找到臂架焊接結構上的薄弱點，故臂架焊接結構件應被視為可變性的柔性體。選取臂架全伸、破碎錘與地面保持垂直的工況進行分析。

通過SolidWorks完成撬毛機器人臂架的三維建模設計工作，通過SolidWorks與ANSYS之間的無縫連接接口將平臺的三維建模導入ANSYS中，并對結構上受力影響不大的孔、倒角及螺栓等實體特征進行簡化。

4.1 邊界條件設置

臂架上各零部件之間的連接關系依據實際運動情況進行設置，工作液壓油缸安裝鉸點設置為轉動連接副，如圖5所示。銷軸與臂架之間采用摩擦接觸，摩擦系數為0.2。工作臂架安裝在平臺上，平臺與底盤的安裝螺紋孔處設定為固定約束。

4.2 網格的劃分

由于臂架結構復雜且不規則，網格劃分時采用四面體實體網格對其進行劃分，網格節點個數為1 683 028，單元個數為932 935。

4.3 載荷的加載

由于結構件自身具有一定的質量，分析時需要考慮結構件自身的重力載荷。由于破碎屬于高頻脈沖載荷，主要對結構疲勞壽命產生影響，因此此處靜強度分析不考慮該載荷。

4.4 結果讀取分析

通過分析主要結構件應力云圖的分布情況，可以預判臂架的整體結構變形及主要零部件的應力分布情況，并對危險點處的結構進行優化設計。通過云圖可以判定臂架整體結構強度滿足使用要求，局部出現應力值較大的點，是由于前處理時對分析模型結構倒角處進行簡化處理導致應力集中，后期可以對這些部位進行倒角過渡處理以避免應力集中現象的產生。

5 結論

①運用ANSYS分析軟件對撬毛臂架進行剛體動力學分析，獲得臂架的運動位移軌跡、速度、加速度及鉸點接觸處的支反力大小等各項參數，為后續臂架結構、工作油缸及整機操控設計的優化提供一定的參考。

②運用ANSYS分析軟件對撬毛臂架進行剛柔耦合分析，獲得臂架的整體剛度變化及主要結構件的應力分布情況，可為后續的結構設計優化及減重降本提供參考。

③由于撬毛作業時臂架的受力工況復雜多變，且沒有特定規律可循，僅選取了其中某一個危險工況進行分析討論，因此在設計上仍需結合其他分析計算工具來建立臂架的數學模型，以獲取臂架在任意姿態下的受力情況，從而對臂架做更加系統的受力分析計算。

參考文獻：

[1]郭榮，周志鴻.地下液壓碎石車國內外發展概況[J].鑿巖機械氣動工具，2014（1）：1-6.

[2]李云云，王明，康杰.液壓破碎錘在采礦中的應用[J].現代礦業，2013（4）：116-117.

[3]郭娜.輕型鑿巖機器人運動學及力學分析與仿真[D].沈陽：東北大學，2006：53.

[4]楊朋軍，靳長權，王佳民.慣性平臺臺體組件的有限元模態分析[J].機械與電子，2004（4）：15-18.

[5]周宏兵.基于ADAMS仿真技術的挖掘機鉸點受力分析[J].鄭州大學學報，2009（2）：71-74.

3194501908262