移動噴涂機械臂基座有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王新昌，董輝輝，婁安東，尹國輝，李向陽

1中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

2南京科工煤炭科學(xué)技術(shù)研究有限公司 江蘇南京 210000

近年來隨著以聚合物材料為基礎(chǔ)的薄噴支護技術(shù)不斷成熟，在某些巷道中薄噴材料可以取代噴射混凝土完成巷道壁面的封閉，避免巷道壁面的風(fēng)化、有效解決了噴射混凝土無法實現(xiàn)隔絕有害氣體的問題?，F(xiàn)有薄噴施工工藝及裝備機械化、自動化程度較低，難以滿足高速掘進巷道的要求[1]。

基于煤礦業(yè)主對薄噴自動化裝備的迫切需求，針對性研發(fā)了煤礦井下巷道可移動自動化噴涂機械臂。該機械臂采用極坐標(biāo)形式，基座固定連接于履帶式底盤上，可實現(xiàn)擺動伸縮及移動，旨在提高巷道薄噴支護作業(yè)效率，降低工人作業(yè)強度，提高安全性?？紤]到由于噴涂作業(yè)機械臂不停的伸縮擺動，受周期性運動載荷作用的基座與底盤連接處易被破壞，基座頂部受運動載荷影響也可能會發(fā)生一定的局部位移，從而存在安全隱患。筆者利用 Inventor 運動仿真結(jié)合應(yīng)力分析對受運動載荷的基座進行有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提高設(shè)備的安全性能。

1 機械臂結(jié)構(gòu)

依據(jù) 5 m×5 m 巷道橫截面及噴涂工藝要求進行機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定了移動噴涂機械臂的機械結(jié)構(gòu)、尺寸和基本運動形式[2]，實現(xiàn)了機械臂的俯仰、擺動、臂的伸縮和噴槍姿態(tài)調(diào)整等功能。機械臂結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。為了便于機械臂的維護保養(yǎng)，機械臂基座采用可拆連接方式，通過螺栓連接于履帶底盤滿足其可移動性要求。機械臂的工作范圍示意如圖 2 所示。

圖1 機械臂結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of manipulator

圖2 機械臂的工作范圍示意Fig.2 Sketch of working scope of manipulator

機械臂基座主要承受伸縮臂運動時的軸向載荷傾覆力矩。機械臂自重按照設(shè)計上限取質(zhì)量m=220 kg，經(jīng)過綜合計算重心位置取最大臂展L=4.746 m的 2/3 位置處。軸向載荷Fa=2 200 N，最大傾覆力矩Mmax=2FaL/3=6 960.8 N·m。

選取 Q235 作為基座及相關(guān)承載連接件的材料。Q235 密度為 7.85 g/cm3，泊松比為 0.29，彈性模量為206 GPa，抗拉強度≥370～ 500 MPa，許用安全系數(shù)取 1.80～ 3.75。

2 基座有限元分析

利用 Inventor 運動仿真進行虛擬樣機在各種載荷條件下的運動，并導(dǎo)出各零部件的運動載荷，然后選定所需要進行分析的零部件，通過應(yīng)力分析模塊加載運動載荷進行有限元分析[3]。

設(shè)備進入巷道內(nèi)居中放置，機械臂收縮至最短縱向平置，如圖 3(a) 所示。開始噴涂時機械臂由最初的縱向位置擺動 90°與巷道橫截面在同一個平面。噴涂作業(yè)時分 2 種極端工況，第 1 種臂為最短水平狀態(tài)擺動，如圖 3(b) 所示；第 2 種臂為最長水平狀態(tài)擺動，如圖 3(c) 所示。在機械臂質(zhì)量一定的情況下，顯然第2 種狀態(tài)機械臂基座所受傾覆力矩最大，因此按照第2 種極端工況下擺動狀態(tài)進行運動仿真。

圖3 機械臂基座的運動狀態(tài)Fig.3 Motion state of manipulator base

2.1 模型導(dǎo)入

提高仿真效果首先進行模型簡化，去掉影響不大的幾何特征，基座初步設(shè)計底板厚度為 10 mm，頂部法蘭厚度為 10 mm，筒壁厚度為 5 mm。定義各零部件材料屬性。

2.2 運動仿真配置

進行仿真運動配置，導(dǎo)入后可自動將零部件之間的約束轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)連接，也可根據(jù)實際工況進行手動修改編輯添加運動類型。對標(biāo)準(zhǔn)運動類型添加驅(qū)動條件包括回轉(zhuǎn)驅(qū)動 (0～90°) 和約束條件 (臂展最長時擺動液壓缸 0～240°)，添加重力等。時間設(shè)置 120 s，步進數(shù) 2 000。初始運動基座和回轉(zhuǎn)裝置之間為鉸鏈旋轉(zhuǎn)運動 1 從 0～ 90°，隨后回轉(zhuǎn)裝置和擺動液壓缸之間為鉸鏈運動 2 從 0～ 240°。選擇特征編輯自由度初始位置條件、驅(qū)動條件，啟動驅(qū)動條件位置、速度進行配置[4]。

2.3 運行結(jié)果

運行仿真，零部件結(jié)構(gòu)按照預(yù)設(shè)的驅(qū)動和位置設(shè)置進行運動，可方便準(zhǔn)確的獲得各機構(gòu)之間的相互作用結(jié)果，包括各鉸鏈連接的位置、速度、加速度等運動特征和重力，體載荷，遠(yuǎn)程力，力矩等載荷特征。運行仿真如圖 4 所示。

圖4 運動仿真Fig.4 Motion simulation

2.4 應(yīng)力分析對象設(shè)定及求解

完成運動仿真后選擇基座運動 120 s 時間點運動特征 (此時臂展最長，所受傾覆力矩最大) 導(dǎo)出到有限元模塊，仿真運動載荷加載到基座上可進行后續(xù)應(yīng)力分析。設(shè)置劃分網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為 24 335，單元數(shù)為12 463。

2.5 有限元分析結(jié)果

運行求解，基座有限元分析如圖 5 所示。

圖5 基座有限元分析Fig.5 FEA on base

由圖 5 可以看出，基座的最大等效應(yīng)力為 339.6 MPa，局部最大位移為 3.161 mm，最小安全系數(shù)為0.696，可以看出基座初步設(shè)計不能滿足設(shè)備使用安全性要求。綜合考慮安全性和經(jīng)濟性需要對基座進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 基座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了滿足結(jié)構(gòu)強度同時考慮經(jīng)濟性，調(diào)整基座局部板材厚度和在圓筒壁周均勻布置肋板。優(yōu)化設(shè)計過程相關(guān)要素如下：

(1) 目標(biāo)函數(shù) 滿足強度要求和經(jīng)濟性。

(2) 設(shè)計變量 基座底板厚度d23，筒壁內(nèi)筒直d3，頂部法蘭厚度d7。通過改變設(shè)計變量的數(shù)值和結(jié)構(gòu)以達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。

(3) 狀態(tài)變量 (約束條件) 基座受力時等效應(yīng)力、位移、最小安全系數(shù)。在改變設(shè)計變量時，安全系數(shù)：1.8＜n＜3.75，位移δ≤δmax＝0.5 mm，質(zhì)量＜60 kg。通過進行應(yīng)力分析驅(qū)動尺寸項目方案，設(shè)置約束條件，參數(shù)化基座板材厚度，如圖 6 所示，圓圈表示滿足約束條件，方塊表示不滿足。

圖6 約束設(shè)置及參數(shù)化模型尺寸賦值Fig.6 Constraint setting and dimension assignment of parametric model

計算生成所有參數(shù)化賦值的分析結(jié)果，觀察狀態(tài)變量的變化。獲得基座底板厚度d23=16 mm，筒壁內(nèi)筒直徑d3=190 mm (即筒壁厚度為 5 mm，頂部法蘭厚度d7=15 mm)。優(yōu)化后基座有限元分析如圖 7 所示。

由圖 7 可知，基座最大等效應(yīng)力為 167.4 MPa，最大位移為 1.028 mm，最小安全系數(shù)為 1.4。已經(jīng)接近優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)且標(biāo)示出的等效應(yīng)力最大值、位移最大值和安全系數(shù)最小值不能滿足約束條件位置發(fā)生在基座底板邊緣和圓筒壁連接處。

圖7 優(yōu)化后基座有限元分析Fig.7 FEA on optimized base

為滿足約束條件，在底板和圓筒壁周均布 4 塊三角肋板，參考上述方法參數(shù)化肋板厚度 5-10∶6 設(shè)置，即尺寸從 5～ 10 mm 范圍按照 1 mm 變化步長進一步分析觀察狀態(tài)變量變化。獲得肋板沿筒壁直角邊長L＝350 mm，厚度D＝8 mm 時有限元分析結(jié)果如圖 8 所示。

由圖 8 可知，增加肋板優(yōu)化后基座最大等效應(yīng)力值為 104.5 MPa，最大位移為 0.473 3 mm，最小安全系數(shù)為 2.25，基座總質(zhì)量為 52.643 kg。綜上可知，增加肋板優(yōu)化后的方案滿足各約束條件，達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。

圖8 增加肋板后基座有限元分析Fig.8 Finite element analysis of base after adding rib plate

通過上述優(yōu)化設(shè)計后的機械臂樣機如圖 9 所示，通過長達(dá) 4 個月的噴涂試驗，如圖 10 所示。試驗過程中機械臂運行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)設(shè)計安全可靠，完全滿足極限工況的使用要求。

圖9 優(yōu)化后的機械臂樣機Fig.9 Optimized manipulator prototype

圖10 噴涂試驗Fig.10 Spraying test

4 結(jié)論

通過對移動機械臂的結(jié)構(gòu)及工況進行分析，基于Inventor 運動仿真對虛擬樣機進行運動仿真，通過對機械臂基座加載運動載荷進行有限元分析，獲得基座的應(yīng)力、應(yīng)變、安全系數(shù)。根據(jù)有限元分析結(jié)果對基座結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化?；?Inventor 進行有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，也為后續(xù)其他零部件的設(shè)計提供了參考。