礦用轉移機械臂轉臺支座結構優化研究

李棟梁，李棟斌

（蘭州現代職業學院，甘肅 蘭州 730300）

人類勞動過程中的生產工具是一種獨特的文明特征，它推動社會的發展和進步，是人類文明進步的反映，也是社會控制自然的尺度[1]。礦用轉移機械臂作為典型的先進生產工具，在社會經濟發展和工業生產力進步中發揮著重要作用。礦用轉移機械臂代表著先進的生產力，在世界各國礦山工業中占有舉足輕重的地位。由于我國對這一領域的研究較晚，目前國內礦用轉移機械臂的研制相對滯后[2]。所以對礦用轉移機械臂的研究已成為我國礦業發展的基石，也是提升我國礦產行業實力的有效手段。本文結合機器人關鍵技術和有限元分析模型，針對礦用轉移機械臂的優化設計，對礦用轉移機械臂轉臺支座結構進行優化研究。

1 優化礦用轉移機械臂

1.1 礦用轉移機械臂

礦用轉移機械臂轉臺支座結構如圖1所示，其主要組成包括轉臺支座、轉臺驅動、機械臂底座、轉臺內壁等如下圖所示，把主要支座焊接在礦用轉移機械臂轉臺上，利用水平擺動馬達對礦用轉移機械臂施加力量，在所受荷載復雜的環境下使礦用轉移機械懸臂伸長轉動過程中荷載能力達到最大。礦用轉移機械臂有七個擺度廣角，其最大荷載能力為2t，轉臺運動速度為0.5m/s，在轉臺支座正常運轉過程中，礦用轉移機械臂的整體設備總重量為5.4t。

圖1 礦用轉移機械臂結構圖

1.2 建立礦用轉移機械臂的有限元分析模型

為了對礦用轉移機械臂轉臺支座結構進行優化研究，首先要建立礦用轉移機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，對現有礦用轉移機械臂的有限元分析模型進行分析處理[3]。礦用轉移機械臂的有限元分析模型如圖2所示，對水平擺動馬達、循環滾動馬達、進退擺動馬達、轉動驅臺進行分析處理得到梁單元，各個部件經過機器人關鍵技術重新組成新的梁單元。

圖2 礦用轉移機械臂的有限元分析模型

機械臂轉臺材料彈性量為410GPa，彈性強度區間為200MPa～345MPa，相似比系數為0.3。

礦用轉移機械臂的初始有限元分析模型中，仿真設備轉臺支座采用十面體網格結構，節點單元數為440 158。

在對礦用轉移機械臂的初始有限元分析過程中，模型的基礎條件與承載能力如下：

1.2.1 基礎條件

（1）轉臺底座與轉臺支座需進行固定操作；

（2）各結構需與轉臺支座連接。

1.2.2 承載能力

（1）整體承重5.4t；

（2）浮動承載能力2t。

1.3 結果與分析

根據礦用轉移機械臂的有限元計算可得到以下結果：礦用轉移機械臂轉臺支座的最大受力值為306MPa，受力點在轉臺支座的底部中心位置。該最大受力點對應的安全系數為1.14。根據礦用轉移機械臂轉臺支座結構的設計要求，其最大受力值不超過248MPa，安全系數要控制在1.4以內。因此，需要對該中心受力點位置進行尺寸優化。

為了對轉臺支座結構尺寸進行優化，首先要建立轉臺的多方向主要支撐力點，在對轉臺支座結構有限元進行尺寸優化后，可以提供載荷。礦用轉移機械臂轉臺支座在鉸接處的作用力如表1所示。

表1 礦用轉移機械臂轉臺支座在鉸接處的作用力

2 優化礦用轉移機械臂轉臺支座尺寸

2.1 建立礦用轉移機械臂轉臺支座結構的有限元分析模型

對礦用轉移機械臂轉臺支座進行尺寸優化設計，可有效的提高有限元模型的計算速度。對支撐力點1、支撐力點2、支撐力點3進行尺寸優化，其優化前對應尺寸正圓角為R=25mm、h1=24mm、h2=30mm。

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

（2）轉臺支座尺寸優化基礎條件轉移機械臂轉臺支座的最大受力值為306MPa；

（3）轉臺支座尺寸優化目標系數轉臺支座各方向支撐力最小化。

仿真設備轉臺支座結構采用十面體網格結構，節點單元數為99615。為了有效的提高有限元分析模型的計算速度，在計算轉臺的多個方向主要支撐力點時將幾何特征進行網格化處理。

在對礦用轉移機械臂轉臺支座有限元模型尺寸優化過程中，模型的基礎條件與承載能力如下：

（1）基礎條件

對礦用轉移機械臂轉臺底座與支座底面進行固定操作，有利于對支撐力點增加載荷，提高轉臺支座的受力能力。

（2）承載能力

轉臺支座自重。對應表1中轉臺的多方向主要支撐力點的承載力。

2.2 優化結果分析

礦用轉移機械臂轉臺支座尺寸優化計算如表2所示。

表2 礦用轉移機械臂轉臺支座尺寸優化結果

從上表2中1、3、4、5、6可以看出，當h1與h2變大時，對應的最大支撐力隨之減小，安全系數隨之增大，但是減小量與增大量都不明顯，小于1.4，說明當h1與h2發生變化時，對支撐力的影響力不大。由上表2中2、5、6、7、8可看出，當R變大時，最大支撐力隨之變小，安全系數隨之變大，且變化量十分顯著，以序號7為例，當最大支撐力值為239.4MPa時，安全系數為1.44，該組的數值可以滿足對轉移機械臂轉臺支座尺寸優化的設計。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際礦產行業中，現將序號7的變量值進行調整，修改后結果為R=25.0、h1=23.0、h2=36.0mm。當完成尺寸優化后，對該礦用轉移機械臂轉臺支座有限元模型進行分析。得到轉臺支座的最大支撐力為239.6MPa，位于轉臺的底部中心位置，對應的安全系數為1.44，滿足對礦用轉移機械臂轉臺支座結構優化的設計要求。

3 結束語

本文提出了礦用轉移機械臂轉臺支座結構優化研究，采用有限元分析的方法，優化設計了礦用轉移機械臂轉臺支座結構的尺寸，仿真分析的結果顯示，礦用轉移機械臂轉臺支座的最大應力為239.6MPa，主要體現在礦用轉移機械臂轉臺支座的根部，得到的最小安全系數為1.44，滿足礦用轉移機械臂轉臺支座結構的優化設計要求，從而提高了礦用轉移機械臂轉臺支座結構優化設計計算效率。