煤矸分揀機(jī)械爪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及有限元分析

張寶鋒，王鴻飛，董雅文，宋栓軍

（1.西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西西安 710048；2.西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710048）

0 前言

近年來，我國(guó)的煤炭行業(yè)一直處于高產(chǎn)量狀態(tài)，而在實(shí)際生產(chǎn)中，原煤中夾雜著大量的煤矸石，由于煤矸石熱值較低，需要將其分揀出去，同時(shí)挑選其中的劣質(zhì)煤和黃鐵礦［1］。但是煤矸石自動(dòng)分揀過程中普遍存在矸石分揀機(jī)械爪抓取不牢固等問題，這在一定程度上制約了優(yōu)質(zhì)原煤的生產(chǎn)效率。針對(duì)手爪結(jié)構(gòu)、受力和磨損等問題，有關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。

段念、范平清［2］設(shè)計(jì)一種煤矸分揀撥爪，主要依靠一根撥爪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)將矸石從傳送帶撥出，這種方法需要煤和矸石整齊排列在傳送帶上才能實(shí)現(xiàn)分揀。郭大林等［3］設(shè)計(jì)一種煤矸連續(xù)分離裝置，該裝置提前將煤和矸石整齊排列在傳送帶上，利用兩根撥爪進(jìn)行分選，每根撥爪側(cè)面安裝耐磨橡膠板，在一定程度上減少了矸石對(duì)爪體的磨損，但不適用于大塊煤矸石的分揀。王海艦等［4］設(shè)計(jì)一種煤矸分揀機(jī)械爪，該機(jī)械爪為三指抓取，雖然可以穩(wěn)固抓取，但由于矸石大小不一，三指不便于抓取矸石。朱文博、陳建文［5］提出一種機(jī)械爪和撥爪配合使用實(shí)現(xiàn)煤矸分揀的裝置，該裝置整合了二者的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械爪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但整體尺寸較大，運(yùn)動(dòng)不靈活。張軍等人［6］設(shè)計(jì)一種夾持式機(jī)械爪，由兩側(cè)對(duì)稱的4 根手指進(jìn)行夾取，該機(jī)械爪抓取穩(wěn)定，但未考慮機(jī)械爪耐磨問題。張勇等人［7］設(shè)計(jì)一種煤矸分揀機(jī)械爪，該機(jī)械爪體積適中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可穩(wěn)定抓取，但未考慮爪頭耐磨性的問題。曹現(xiàn)剛等［8］設(shè)計(jì)一種煤矸機(jī)械爪，結(jié)構(gòu)緊湊，可穩(wěn)定抓取，同時(shí)在手指內(nèi)側(cè)安裝橡膠襯墊，但耐磨性能較差，不能持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間使用。

現(xiàn)有煤矸分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要采用撥爪和夾爪兩種方式。采用撥爪方式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高且動(dòng)作少，但無法分離大塊煤矸石；采用夾爪可以實(shí)現(xiàn)傳送帶上任意位置煤矸石的準(zhǔn)確抓取，但存在抓取不牢固的問題，這會(huì)導(dǎo)致煤矸石中途掉落，影響抓取效率。另一方面煤矸分揀工作量較大，需要對(duì)煤矸分揀機(jī)械爪進(jìn)行力學(xué)性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證機(jī)械爪抓取煤矸石時(shí)牢固、可靠，且具備一定的使用壽命。針對(duì)以上問題，本文作者以目前煤矸分揀生產(chǎn)線廣泛采用的一種機(jī)械爪為研究對(duì)象，在建立三維模型的基礎(chǔ)上，擬使用Adams 對(duì)機(jī)械爪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和受力分析，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合優(yōu)化后機(jī)械爪的受力分析結(jié)果，對(duì)主要構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，以期改善煤矸分揀機(jī)械爪主要構(gòu)件的力學(xué)性能，延長(zhǎng)其使用壽命。

1 煤矸分揀機(jī)械爪受力和運(yùn)動(dòng)分析

1.1 煤矸分揀機(jī)械爪三維模型

煤矸分揀機(jī)械爪作為煤矸分揀系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到最終的抓取效率。目前煤矸分揀生產(chǎn)線廣泛采用的機(jī)械爪模型如圖1 所示，該機(jī)械爪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2（a）所示。機(jī)械爪采取兩側(cè)對(duì)稱布置，每側(cè)5 根手指，手指末端向抓取的一側(cè)有少許彎折，便于抓牢煤矸石；固定塊與手指相連，使手指一點(diǎn)固定；手指另一點(diǎn)之間穿插有連桿并通過一根兩端有螺紋連接的細(xì)長(zhǎng)軸連接；連桿另一端連接傳動(dòng)板，傳動(dòng)板與氣缸的伸縮桿相連，通過伸縮桿上下移動(dòng)帶動(dòng)傳動(dòng)板上下運(yùn)動(dòng)，從而使連桿和手爪產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

圖1 煤矸分揀機(jī)械爪三維模型Fig.1 3D model of coal gangue sorting machine claw

圖2 煤矸分揀機(jī)械爪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic of coal gangue sorting mechanical claw：（a）kinematic sketch；（b）force state of rod 3；（c）force state of rod 1

1.2 機(jī)械爪的機(jī)構(gòu)受力分析

煤矸石的比重約為1.8 t／m3［9］，若抓取的煤矸石體積為200 mm×200 mm×100 mm，則一塊煤矸石的質(zhì)量m大致為7.2 kg。考慮到煤矸石中含有各類砂石巖，取摩擦因數(shù)μ＝0.48。在抓取煤矸石過程中，煤矸石對(duì)機(jī)械爪表面產(chǎn)生的反力為FN，夾持狀態(tài)的保持完全靠煤矸石與機(jī)械爪之間的壓力產(chǎn)生的摩擦力Ff，由Ff＝mg＝2μFN可得一側(cè)機(jī)械爪所需的夾持力FN＝73.5 N。

如圖2（a）所示，桿3 為輸入端，驅(qū)動(dòng)力為F，兩側(cè)連桿2 對(duì)桿3 的反作用力為F1和F2，其方向沿連桿2 指向桿3，并于水平方向夾角為α。

桿3 的力平衡條件如圖2（b）所示，由∑Fx＝0，可得F1＝F2。由∑Fy＝0，得：

如圖2（c）所示，設(shè)桿2 對(duì)桿1 的作用力為F′1，因?yàn)闂U2 為二力桿，所以F′1＝-F1，由桿1 的力矩平衡條件：

當(dāng)夾緊矸石時(shí)，α＝17.7°，β＝25.4°，c＝18 mm，b＝182 mm，代入公式（4）計(jì)算，可得驅(qū)動(dòng)力F＝283 N。

使用SolidWorks 建立機(jī)械爪裝配體模型并導(dǎo)入到Adams 中；修改相關(guān)系統(tǒng)設(shè)置，零件材料、單位制和重力等；添加運(yùn)動(dòng)副和約束，共設(shè)置15 個(gè)運(yùn)動(dòng)副和約束，其中包括2 個(gè)固定約束、12 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和1 個(gè)移動(dòng)副，添加10 根手指與物體之間的接觸，物體與地面之間的接觸。最終結(jié)果如圖3 所示。

圖3 Adams 仿真示意Fig.3 Diagram of Adams simulation

添加輸入驅(qū)動(dòng)力F＝283 N，假定夾緊時(shí)間為0.4 s，設(shè)定STEP 函數(shù)如下：

STEP（time，0，0，0.4，283）

在進(jìn)行煤矸分揀時(shí)，還需將煤矸石從傳送帶抓起。為模擬實(shí)際效果，添加機(jī)械爪整體向上移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)，設(shè)定STEP 函數(shù)如下：

STEP（time，0.4，0，1，100）

機(jī)械爪首先受到豎直向下的驅(qū)動(dòng)力，在0.4 s 時(shí)完全夾緊物體，0.4～1 s 保持夾緊姿態(tài)且豎直向上運(yùn)動(dòng)。圖4 為其中一根手指與煤矸石接觸力的變化情況，可知：在0.4 s 之后，機(jī)械爪處于夾緊狀態(tài)，單根手指夾持力穩(wěn)定在15 N，所以一側(cè)機(jī)械爪的夾持力為75 N，與理論計(jì)算結(jié)果相差不大。出現(xiàn)誤差的原因是在理論計(jì)算時(shí)，為計(jì)算方便，個(gè)別角度取整數(shù)，所以存在少許誤差。

圖4 單根手指接觸力變化情況Fig.4 The contact force change of single finger

結(jié)果表明：仿真的夾持力與理論計(jì)算的夾持力基本吻合，所以，該機(jī)械爪能滿足煤矸石的抓取要求。

1.3 機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)要求分析

對(duì)煤矸分揀機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)分析主要是分析機(jī)械爪末端的開合距離和活塞桿的行程，機(jī)械爪末端的開合距離決定機(jī)械爪可以抓取煤矸石大小的范圍，活塞桿的行程可以確定氣缸的大小。

Adams 仿真結(jié)果如圖5 所示：機(jī)械爪在0～0.5 s從任意位置向中間靠攏，此時(shí)兩手指之間可達(dá)的最小距離為12 mm；在0.5～1 s 時(shí)機(jī)械爪張開，到1 s 時(shí)最大開合距離為335 mm，即機(jī)械爪最大張開寬度為335 mm，該開合范圍滿足實(shí)際需求；0.5 s 時(shí)活塞桿位于氣缸底端，此時(shí)活塞桿在參考坐標(biāo)系中y方向的位置為38 mm；1 s 時(shí)活塞桿位于氣缸頂端，此時(shí)活塞桿在參考坐標(biāo)系中y方向的位置為98 mm，活塞桿的運(yùn)動(dòng)行程為60 mm。

圖5 機(jī)械爪末端的開合距離和活塞桿的行程Fig.5 Opening and closing distance of mechanical jaw end and stroke of piston rod

2 煤矸分揀機(jī)械爪優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)化模型建立

文中優(yōu)化目標(biāo)是在不改變輸入驅(qū)動(dòng)力的情況下，通過改變構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)，使機(jī)械爪的夾持力越大越好。優(yōu)化前首先建立煤矸分揀參數(shù)化模型，通過已經(jīng)建立好的模型確定各個(gè)鉸鏈點(diǎn)在平面中的位置。獲得各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)如表1 所示。

表1 參數(shù)化機(jī)械爪關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)值Tab.1 Coordinates of key points of parametric mechanical jaw

由于機(jī)械爪為對(duì)稱式，為了簡(jiǎn)化模型，在不影響優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上僅取一對(duì)手指進(jìn)行參數(shù)化建模。建立模型后，在連接處添加運(yùn)動(dòng)副，在傳動(dòng)桿處添加驅(qū)動(dòng)力，添加兩根手指與物體的接觸力和物體與臺(tái)面的接觸力。參數(shù)化模型如圖6 所示。

圖6 煤矸分揀機(jī)械爪參數(shù)化模型Fig.6 Parametric model of gangue sorting mechanical jaw

2.2 設(shè)計(jì)變量分析

因?yàn)闄C(jī)械爪為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以選擇機(jī)械爪一側(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)作為設(shè)計(jì)變量即可，兩側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)之間建立關(guān)系，使對(duì)稱的兩個(gè)點(diǎn)變化相同。由公式（4）可知：

所有的參數(shù)中對(duì)夾持力FN有影響的為b、c、α、β、F，F(xiàn)為機(jī)械爪的驅(qū)動(dòng)力，在夾緊煤矸石時(shí)，認(rèn)為是一個(gè)固定值。b為機(jī)械爪末端夾持力到固定鉸鏈點(diǎn)的距離，由于煤矸石大小不一，距離b依據(jù)煤矸石大小的不同而發(fā)生變化，關(guān)鍵點(diǎn)E、G、I、K的變化均會(huì)引起b的變化。參數(shù)c、α、β均與鉸鏈點(diǎn)A和C有關(guān)，鉸鏈點(diǎn)A和C位置變化將引起c、α、β的變化。所以機(jī)械爪一側(cè)的6 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)根據(jù)需要作為設(shè)計(jì)變量，由于該機(jī)械爪為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，此次優(yōu)化以左側(cè)為主要設(shè)計(jì)變量，右側(cè)變量與左側(cè)變量建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，以A、B兩點(diǎn)為例，如表2 所示。

表2 A、B 兩點(diǎn)設(shè)計(jì)變量關(guān)系Tab.2 Design variable relations between points A and B

接著確定各個(gè)變量的優(yōu)化范圍。以DVA_X 為例，該設(shè)計(jì)變量表示的是關(guān)鍵點(diǎn)A的橫坐標(biāo)，選擇變量的類型為Real（實(shí)數(shù)）。當(dāng)DVA_X 在指定范圍內(nèi)變化時(shí)，取目標(biāo)結(jié)果最優(yōu)條件下DVA_X 的值作為最優(yōu)值。

該優(yōu)化主要以左側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)為設(shè)計(jì)變量，各個(gè)設(shè)計(jì)變量均在原來的基礎(chǔ)上變動(dòng)。由于關(guān)鍵點(diǎn)A和C的影響參數(shù)較多，所以A和C兩點(diǎn)的變化范圍取得較大，便于觀察其對(duì)目標(biāo)結(jié)果的影響；關(guān)鍵點(diǎn)E、G、I、K影響b，同時(shí)也決定了手指的結(jié)構(gòu)，對(duì)這4 個(gè)點(diǎn)的變化范圍取得較小，避免優(yōu)化后手指結(jié)構(gòu)變化較大，不利于實(shí)際抓取。

進(jìn)行Design Study 確定各個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果的敏感度，讓敏感度較高的設(shè)計(jì)變量參與優(yōu)化，忽略敏感度低的設(shè)計(jì)變量，加快計(jì)算速度。敏感度Si的公式如式（5）所示：

式中：O為目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果；V為設(shè)計(jì)變量；i為迭代次數(shù)。

圖7 為對(duì)設(shè)計(jì)變量DVA_X 進(jìn)行Design Study 的仿真結(jié)果，Sensitivity 一欄為設(shè)計(jì)變量DVA_X 對(duì)目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果的敏感度。DVA_X 一欄表示的是連桿的長(zhǎng)度，所以其絕對(duì)值為桿的長(zhǎng)度。DVA_X 的大小對(duì)夾持力的影響如圖8 所示，可知：末端夾持力隨著DVA_X（連桿）的增大而減小。

圖7 變量DVA_X Design Study 仿真結(jié)果Fig.7 Variable DVA_X Design Study simulation results

圖8 接觸力隨設(shè)計(jì)變量DVA_X 的變化曲線Fig.8 The variation curve of contact force with design variable DVA_X

相似地，判斷所有主要設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果的敏感度，最終選定的設(shè)計(jì)變量為DVA_X、DVC_X、DVE_X、DVG_X、DVI_X、DVK_X。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化分析與Design Study 不同之處在于設(shè)計(jì)變量需要選擇多個(gè)，考慮多個(gè)變量變化時(shí)，使目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果最優(yōu)。這里輸入Design Study 中分析出的幾個(gè)對(duì)結(jié)果敏感度較大的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化分析。

選擇算法OPTDES-GRG（Generalized Reduced Gradient，廣義簡(jiǎn)約梯度法）進(jìn)行優(yōu)化，其通用性、有效性和可靠性在處理非線性優(yōu)化問題具有優(yōu)勢(shì)。該算法的主要特點(diǎn)是尋優(yōu)時(shí)沿邊界進(jìn)行計(jì)算，而結(jié)構(gòu)優(yōu)化的解往往在邊界上。該算法求解的實(shí)質(zhì)是通過變量的隱式消元，轉(zhuǎn)化為無約束極值問題處理，是目前求解一般非線性優(yōu)化問題的最有效算法之一。

廣義簡(jiǎn)約梯度法［10］求解的非線性問題如式（6）所示：

式中：H（X）＝［h1（X），h2（X），…，hm（X）］T，L＝［l1，l2，…，ln］T，U＝［u1，u2，…，un］T。

在求解時(shí)，先將X的全部分量分解為2 部分，如式（7）所示：

式中：XB為基向量，m維；XN為非基向量，n維。

相應(yīng)地，將L和U的全部分量分解為兩部分。

由隱函數(shù)存在定理知，存在連續(xù)映射如式（8）所示。

目標(biāo)函數(shù)F（X）轉(zhuǎn)化為

于是，原來n個(gè)變量的目標(biāo)函數(shù)F（X）變?yōu)閚 -m個(gè)變量的函數(shù)f（XN），則f（XN）在Xk關(guān)于XN的梯度即為簡(jiǎn)約梯度。

則F（X）關(guān)于XN的簡(jiǎn)約梯度為

簡(jiǎn)記簡(jiǎn)約梯度

運(yùn)用Adams 中的Optimization 功能完成優(yōu)化，優(yōu)化前后各個(gè)設(shè)計(jì)變量取整后如表3 所示。結(jié)合表3 和圖6 可知，傳動(dòng)桿和固定塊的參數(shù)沒有發(fā)生變化，連桿的長(zhǎng)度變長(zhǎng)，手指外觀有微小變動(dòng)。

表3 設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化前后對(duì)比 單位：mmTab.3 Comparison of design variables before and after optimization Unit：mm

優(yōu)化后末端夾持力如圖9 所示：在穩(wěn)定抓取時(shí)，優(yōu)化前機(jī)械爪的夾持力為15.1 N，優(yōu)化后機(jī)械爪的夾持力為24.5 N，約增加了62%，使機(jī)械爪末端的抓取更加牢固可靠。

圖9 末端夾持力優(yōu)化前后對(duì)比Fig.9 Comparison of end clamping force before and after optimization

3 煤矸分揀機(jī)械爪有限元分析

在進(jìn)行Adams 動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，分析結(jié)果顯示連桿兩端受到的力較大，并且手指是與物體直接接觸的構(gòu)件，所以，有必要對(duì)連桿和手指進(jìn)行靜力學(xué)分析，判斷在夾緊狀態(tài)下，構(gòu)件的強(qiáng)度是否滿足使用要求。通過Ansys Workbench 對(duì)構(gòu)件進(jìn)行靜力學(xué)分析，可以看出構(gòu)件的應(yīng)力和變形情況，進(jìn)而對(duì)零件的強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，為后續(xù)優(yōu)化提供參考。

3.1 連桿有限元分析

連桿使用的材料為結(jié)構(gòu)鋼，首先將在SolidWorks中建好的連桿模型導(dǎo)入Ansys Workbench 中，在導(dǎo)入之前對(duì)構(gòu)件做簡(jiǎn)化處理，壓縮掉不必要的倒角、圓角和孔等特征。選擇靜力學(xué)分析模塊，定義材料為Q345，主要參數(shù)如表4 所示。

表4 Q345 材料屬性Tab.4 Q345 material properties

定義網(wǎng)格大小為2 mm，在圓孔處細(xì)化處理。定義兩圓孔處施加兩個(gè)壓力。網(wǎng)格劃分結(jié)果和邊界條件約束如圖10（a）所示。

圖10 連桿有限元分析Fig.10 Finite element analysis of connecting rod：（a）mesh division results and boundary condition constraints；（b）stress and deformation

對(duì)連桿的應(yīng)力分布和變形分布進(jìn)行分析，如圖10（b）所示。在機(jī)械爪夾緊煤矸石時(shí)，從應(yīng)力分布云圖可以看出，連桿應(yīng)力最大處為圓柱面與桿身過渡處，此時(shí)最大應(yīng)力為2.051 6 MPa；從應(yīng)變分布云圖可以看出，連桿變形最大處為兩端圓柱面的端面，此時(shí)最大變形為5.761 5×10-5mm。所以，在夾取煤矸石的過程中，連桿的應(yīng)力和變形均在合理范圍內(nèi)，滿足實(shí)際使用要求。

3.2 手指有限元分析

手指使用的材料為結(jié)構(gòu)鋼，定義網(wǎng)格大小為2 mm，在圓孔處細(xì)化處理。外側(cè)圓孔施加固定約束，內(nèi)側(cè)圓孔添加力約束，由于煤矸石大小不一，手指與煤矸石接觸的部位取接觸概率較大的表面。網(wǎng)格劃分結(jié)果和邊界條件約束結(jié)果如圖11（a）所示。

圖11 手指有限元分析Fig.11 Finite element analysis of finger：（a）mesh division results and boundary condition constraints；（b）stress and deformation

對(duì)手指的應(yīng)力和變形進(jìn)行分析，如圖11（b）所示。在機(jī)械爪夾緊煤矸石時(shí)，從應(yīng)力分布云圖可以看出，手指應(yīng)力最大處為圓孔固定約束處，此時(shí)最大應(yīng)力為4.057 4 MPa；從應(yīng)變分布云圖中可以看出，手指變形最大處為手指頭部，此時(shí)最大變形為2.089 4×10-3mm。所以，在夾取煤矸石的過程中，機(jī)械爪的應(yīng)力和變形均在合理范圍內(nèi)，滿足實(shí)際使用要求。

3.3 機(jī)械爪整體結(jié)構(gòu)有限元分析

在對(duì)機(jī)械爪的主要構(gòu)件進(jìn)行分析之后，本文作者對(duì)機(jī)械爪整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。首先，添加材料Q345，為連桿添加材料屬性，再導(dǎo)入模型，壓縮掉螺母、螺釘?shù)炔挥绊懛治鼋Y(jié)果的零部件，保留結(jié)構(gòu)的主要部分；定義各個(gè)構(gòu)件之間的約束，進(jìn)行調(diào)試確保正常運(yùn)動(dòng)；主要受力構(gòu)件的網(wǎng)格大小為5 mm，單元類型為四面體單元；添加機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力和煤矸石對(duì)手指的壓力，整體分析時(shí)將手指與煤矸石的接觸設(shè)置為手指表面整體接觸，定義支撐板為固定支撐，網(wǎng)格劃分結(jié)果和邊界條件約束如圖12 所示。

圖12 機(jī)械爪的網(wǎng)格劃分結(jié)果（a）和邊界條件約束（b）Fig.12 Mesh division results（a）and boundary condition constraints（b）of mechanical claw

對(duì)機(jī)械爪整體應(yīng)力和變形進(jìn)行分析，如圖13 所示。機(jī)械爪抓取煤矸石時(shí)，從應(yīng)力分布云圖中可看出：機(jī)械爪應(yīng)力最大處為連桿與手指接觸的部位，最大應(yīng)力所處部位與連桿和手指單獨(dú)分析時(shí)一致，最大應(yīng)力為3.158 1 MPa；從應(yīng)變分布云圖中可看出：機(jī)械爪變形最大的地方在手指頭部，與手指分析結(jié)果接近，最大變形為4.060 9×10-3mm。

圖13 機(jī)械爪的應(yīng)力（a）和變形（b）Fig.13 Stress（a）and deformation（b）of mechanical claw

因此，在夾取煤矸石的過程中，機(jī)械爪的應(yīng)力和變形均在合理范圍內(nèi)，滿足實(shí)際使用要求。

4 結(jié)論

分析煤矸分揀機(jī)械爪存在的問題，建立目前煤矸分揀生產(chǎn)線廣泛采用的一種機(jī)械爪三維模型，進(jìn)行機(jī)械爪末端理論受力計(jì)算，并與Adams 仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致；進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析得出機(jī)械爪末端最大張開寬度為335 mm，滿足抓取要求，得出活塞行程為60 mm，便于氣缸選型；進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在不改變驅(qū)動(dòng)力的情況下，通過改變各個(gè)設(shè)計(jì)變量使得機(jī)械爪末端的夾持力最大，使機(jī)械爪抓取更牢固；使用單側(cè)機(jī)械爪關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)建立參數(shù)化模型，創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量，分析各個(gè)設(shè)計(jì)變量的敏感度，提取敏感度大的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化分析，優(yōu)化之后夾持力提升了約62%。最后，結(jié)合Adams 動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果和ANSYS Workbench 對(duì)連桿、手指以及機(jī)械爪整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果表明，優(yōu)化之后機(jī)械爪滿足使用要求，且力學(xué)性能有了顯著提高。