煤礦管道抓管裝置的設計及其模態與諧響應分析

0 引言

在煤礦生產過程中，管道系統承擔著輸送煤漿、氣體、水等重要流體的任務，是煤礦生產不可或缺的基礎設施。傳統的煤礦管道安裝主要依賴人工完成，存在勞動強度大、效率低、安全隱患多等問題。在井下復雜多變的環境中，人工安裝不僅耗時耗力，還容易受到空間限制和惡劣環境的影響，導致安裝質量難以保證，甚至引發安全事故。馮輝等人[采用ANSYS有限元法，對折臂式高空作業車作業臂在不同風載作用下進行結構模態分析以及諧響應分析。陳瑞云等人[2]設計了一種新型巷道機器人機械手抓，實現了管道夾持，通過有限元完成了結構優化設計。楊豐宇[3設計了再熱器管道檢測機器人結構方案，通過對夾持機構進行仿真分析和實驗提出了控制系統改進方法。閆俏[4]等人采用ANSYS有限元進行了振動盤模態分析和諧響應分析，通過仿真分析為結構優化設計提供了理論依據。費燁[5]等人設計了煤礦管道安裝機器人，利用AMESim建模與仿真平臺和Simcenter3D軟件建立了結構聯合仿真。

本文根據煤礦管道安裝需求，研究了抓管裝置的整體設計方案，并采用Solidworks仿真軟件對抓管裝置進行了模態分析和諧響應分析，以期為煤礦管道安裝施工提供一種更加高效、安全、穩定可靠的解決方案，推動煤礦生產技術的進步和發展。

1抓管裝置整體設計方案

1.1 結構組成

抓管裝置位于運輸機器人頂部，主要由多關節液壓機械臂和夾爪組成。多關節液壓機械臂可實現6個自由度運動，滿足管道安裝過程中不同位置姿態的運動。夾爪開合角度可調整，以適應抓取不同管徑的管道。運輸機器人底盤具有靈活高效的運動能力，適用于井下狹窄受限空間內的物料運輸，與抓管裝置結合使用，可有效提高管道安裝效率。抓管裝置如圖1所示。

1.2工作原理

1.2.1 管道安裝工藝流程

管道安裝工藝流程如下：定位抓取→移動 $$ 姿態調整 $$ 釋放安裝。運輸機器人將抓管裝置移動到取料點，液壓機械臂根據預設的程序或操作人員的指令，調整姿態和位置，使夾爪能夠準確地對準管道，夾爪閉合并夾緊管道。夾爪夾緊管道后，通過液壓機械臂將管道從取料位置移動到目標安裝位置。移動過程中多關節液壓機械臂需要不斷調整姿態和位置，以保持管道的平衡和穩定。當機械臂將管道移動到目標位置后，機械臂繼續調整姿態和位置，使夾爪能夠準確地對準安裝位置。夾爪張開并釋放管道，即可完成管道的抓取、運輸和就位。

1.2.2多關節液壓機械臂工作原理

多關節液壓機械臂是抓管裝置的關鍵部件，利用液壓驅動實現高精度、高速度和高靈活性的運動控制。機械臂底部安裝回轉機構，可實現 360^° 旋轉。液壓泵站的壓力油通過換向閥泵送給液壓缸，推動液壓缸的活塞桿伸縮，實現機械臂動作。液壓缸的推力推動機械臂的每個關節進行旋轉或伸縮，實現6個自由度的運動。這6個自由度包括1個底部回轉運動和5個圍繞各個鉸接點的旋轉運動，使得機械臂能夠靈活調整姿態和位置，以適應管道安裝過程中的各種復雜動作需要。

1.2.3夾爪工作原理

夾爪的作用是抓取和釋放管道，其開合動作由液壓缸驅動。當需要抓取管道時，液壓缸驅動夾爪的爪部閉合，將管道夾緊；當需要釋放管道時，液壓缸反向驅動，使夾爪的爪部張開，將管道釋放。通過調整夾爪驅動液壓缸的伸縮量，調整夾爪的開合角度，以適應抓取不同管徑的管道。在管道抓取之前，根據管道的直徑大小，進行夾爪開合角度的調整，控制合適的夾爪開合角度，確保夾爪能夠穩定地抓取和釋放管道。

2抓管裝置的主要技術參數

抓管裝置采用高強度材料制造，具有較大的承載能力，能夠穩定抓取管道并進行安裝作業。根據井下管道安裝、檢修實際需求，設置該抓管裝置的主要技術參數如表1所示。

3模型的建立與模態分析

3.1 模型的建立

依據抓管裝置的主要技術參數、利用SolidWorks軟件，構建抓管裝置的三維實體模型。由于抓管裝置實體模型比較復雜，為便于仿真分析，在確保不影響計算精度的前提下，將模型設計中對整體裝置結構強度和剛度影響不大的零件，進行合理簡化處理。對模型設計中的倒角、孔位以及凸緣等特征進行刪除處理，以便節約計算資源，提高仿真效率。

抓管裝置各支撐臂采用板材焊接而成，主要材質為Q235A，預設各零件材質質量密度為 7800kg/m³ ，泊松比為0.28。將底部回轉機構作為底座，固定約束；機械臂各關節以銷軸進行鉸接連接，設置為接觸約束。采用Free網格方法對簡化模型進行網格劃分，模型完成網格劃分節點數為82340，單元總數為41959。

3.2 模態分析

抓管裝置最大載荷為 500kg ，對抓管裝置的十二階模態進行分析計算，最終得到各模態的頻率響應如圖2所示。

由模態振型得出，該抓管裝置的振動是垂直上下振動和扭轉變形。在六階模態時，中臂的變形量最大，發生在小臂與中臂鉸接處，振幅最大偏移量為 0.1489mm 。從第七階模態開始，液壓缸的變形逐漸變大。在十二階模態時，液壓缸變形量最大，振幅最大偏移量為0.3836mm 。各階模態振型如圖3至圖6所示。

4諧響應計算與分析

4.1 諧響應計算

分析抓管裝置結構在已知頻率和幅值的正弦變化載荷作用下穩態響應。利用SolidWorks軟件動力學諧響應分析計算結構的穩態受迫振動，發生在激勵開始時的振動不在諧響應分析考慮中。諧響應分析運動方程如下：

式中： [M] 為質量矩陣；［C］為阻尼矩陣； [K] 為剛度矩陣； F 為節點載荷； θ 為激振力頻率。其位移響應公式如下：

|x|=|A|sin（θt+φ）

式中： x 為位移響應， A 為位移幅值向量， 4 為位移響應滯后激勵載荷的相位角。

約束條件與模態分析相同，抓管裝置在作業過程中所受負載主要是管道載荷，該載荷根據不同作業任務而變化，主要負載為2kN、3kN、5kN，所施加的載荷以規定的頻率范圍變化，載荷施加包括作用力、相位角和頻率加載。

4.2諧響應分析

通過模態分析，確定了抓管裝置的振型特性，得到了結構的固有頻率和振型。在模態分析中發現，低階模態對振型的影響最大，而高階模態對振型的影響很小，且隨著階次的增加，對振型的影響也越來越小。

在頻率諧響應分析時，將模態分析中得到的12個頻率作為諧振響應的頻域，即振動頻率 0～70Hz 之間。在此基礎上，利用模式疊加方法，得到抓管裝置負載分別為2kN、3kN、5kN時，頻率振幅響應曲線如圖7至圖9所示。

由圖7至圖9可知，不同負載作用時，頻率與振幅響應規律一致，在頻率范圍內有兩個頻率點振幅最大，為該裝置的共振點。振幅峰值的大小與負載成線性關系，即負載作用力越大，振幅峰值越大。為此，在工作時，應避免外部激勵頻率處于共振頻率附近。

5結束語

本文對煤礦管道抓管裝置進行了整體設計，并對其進行了模態分析和諧響應分析，為抓管裝置的設計與優化提出了理論支持。采用SolidWorks模態分析仿真軟件，對不同載荷作用下的抓管裝置進行結構分析，建立結構模型、設置其材質、選取網格單元類型并劃分網格、施加約束與載荷，對抓管裝置的模態進行仿真分析。通過模態分析獲得抓管裝置結構的共振特性，避免設計的抓管裝置結構發生共振，確保抓管裝置結構能夠經受不同頻率的各種載荷。

由模態分析結果得出，抓管裝置的固有頻率與模態階數呈正相關，液壓機械臂的關節臂最大振幅出現在六階模態，液壓缸最大變形出現在第十二階模態，相應模態下需要注意結構的穩定性。由諧響應分析結果得出，載荷作用力與最大振幅呈正相關，頻率范圍內共振頻率有兩個峰值點，工作時要避免外部激勵頻率處于共振頻率附近。

參考文獻

[1]馮輝，孟杰，張小龍.基于ANSYS的折臂式高空作業車作業臂模態分析[J].工程機械與維修，2023，（5）：40-42.

[2]陳瑞云，宋和義.煤礦巷道架管機器人機械手爪設計[J].機電工程技術，2021，50（9）：183-186+247.

[3]楊豐宇.再熱器管道檢測機器人夾持機構設計與控制系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2023.

[4]閆俏，王德利，段士偉.基于ANSYS振動盤模態分析和諧響應分析[J].機械管理開發，2023，38（3）：23-26.

[5]費燁，趙旭一.煤礦管道安裝機器人機械臂機液聯合仿真研究[J].機電產品開發與創新，2023，36（4）：1-4.