液压重载机械手的结构设计与分析

郝 兵，张 将，杨柳松，符惜炜，王富勇，胡同海

1中信重工机械股份有限公司 河南洛阳 471039

2洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

3矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039

4洛阳中重自动化工程有限责任公司 河南洛阳 471039

随 着现代工业经济的快速发展，重型装备越来越趋于大型化，大型设备的维护保养及辅助生产对工作环境、安全及效率提出了更高的要求[1-2]。针对矿山领域的重载机器人，国内学者已经进行了多方面的技术研究。根据不同的磨机衬板安装需求、工作状态、结构特征及其衬板形式，胡同海等人研究确定了换衬板机械臂的工作空间位置、范围及需要的自由度，提供了匹配机械臂自由度和构型的思路[3]；楚旭等人针对机械臂多关节联动过程中定位精度差及平稳性低的问题，提出机械臂多关节联动控制策略，提高了执行元件的运动路径与设计规划路径的一致性[4]；杨柳松等人对机械臂转台支座结构尺寸进行了优化设计与分析，可为相似复杂机械臂关键部件的结构尺寸优化计算提供参考[5]；高海勇等人针对多工况下的液压重载机械臂进行了模态试验测试，提出了可信度高的建模和操作方法[6]。

近年来，越来越多的企业更加关注磨机作业系统在全生产周期的综合效能。为解决作业效率、生产安全等问题，中信重工机械股份有限公司开发了一批磨机更换衬板机械手，工程应用需要其具有重载、高可靠性，因此，对机械手结构进行设计与优化研究显得十分必要。笔者针对液压重载机械手伸缩臂设计了 2种结构，通过多体动力学方法将机械手整机刚体和刚-柔耦合体分别进行了分析研究，并对伸缩臂 2 种结构分别进行了有限元分析研究，提高了机械手结构的可靠性，可为类似复杂机械手结构设计与优化提供参考。

1 机械手结构

磨机更换衬板机械手结构如图 1 所示，主要由衬板夹具、俯仰摆动电动机、小伸缩臂、伸缩外臂、转台、伸缩内臂、平摆动电动机、滚摆动电动机组成。磨机更换衬板机械手具有 7 个自由度，最大有效工作半径为 2.5 m，最大夹持衬板负载为 2.5 t，最大运动速度为 0.2 m/s，设备总质量为 4.8 t。

图1 磨机更换衬板机械手结构Fig.1 Structure of manipulator of replacing mill liner

2 伸缩臂结构设计

针对伸缩外臂与伸缩内臂间的连接方式提出了 2种设计方案：支撑辊式和滑轨式。伸缩臂简化模型如图 2 所示。支撑辊式的辊轮安装于伸缩外臂上，伸缩内臂通过辊轮支撑进行滚动伸缩，而滑轨式则通过滑块支撑进行滑动伸缩。

图2 伸缩臂简化模型Fig.2 Simplified model of telescopic arm

3 机械手多体动力学分析

为了能够较为精确地获取伸缩臂与平摆动电动机连接法兰面的作用力及弯矩，需对机械手整机进行多体动力学分析。在机械手运行过程中，伸缩外臂的弹性位移对提取作用力、弯矩大小的影响未知，同时，伸缩外臂的弹性位移对关键位置液压缸铰接处作用力、电动机转矩大小的影响也未知，从而对设计液压缸和电动机的性能造成了偏差。因此，笔者利用ADAMS 软件，将机械手整机刚体和刚-柔耦合体分别进行了多体动力学分析。

刚体条件下多体动力学分析曲线如图 3 所示。提取与伸缩内臂连接缸的铰接点 1 和连接小伸缩臂液压缸的铰接点 2，其在连续运行过程中的受力曲线如图3(a) 所示，铰接点 1 的最大作用力为 34 859 N，铰接点 2 的最大作用力为 27 676 N；俯仰摆动电动机 1、滚摆动电动机 2、平摆动电动机 3 在连续运行过程中的转矩曲线如图 3(b) 所示，电动机 1 的最大输出转矩为 27 638 N·m，电动机 2 的最大输出转矩为 28 675 N·m，电动机 3 的最大输出转矩为 39 527 N·m；伸缩内臂端部竖直方向作用力曲线如图 3(c) 所示，此处的最大作用力为 48 912 N；伸缩内臂端部弯矩曲线如图 3(d) 所示，最大弯矩为 58 176 N·m。

图3 刚体条件下多体动力学分析曲线Fig.3 Multi-body dynamic analysis curve inrigid body condition

刚-柔耦合多体动力学求解过程示意如图 4 所示。求解前，需在 ADAMS 中将伸缩外臂进行柔性化处理。此时，与伸缩内臂连接缸的铰接点 1 和连接小伸缩臂液压缸的铰接点 2 在连续运行过程中的受力曲线如图 4(b) 所示，铰接点 1 的最大作用力为 48 876 N，绞接点 2 的最大作用力为 30 487 N；俯仰摆动电动机1、滚摆动电动机 2、平摆动电动机 3 在连续运行过程中的转矩曲线如图 4(c) 所示，电动机 1 的最大输出转矩为 29 645 N·m，电动机 2 的最大输出转矩为 28 917 N·m，电动机 3 的最大输出转矩为 45 287 N·m；伸缩内臂端部竖直方向作用力曲线如图 4(d) 所示，此处的最大作用力为 73 189 N；伸缩内臂端部弯矩曲线如图4(e) 所示，最大弯矩为 99 319 N·m。

图4 刚-柔耦合条件下多体动力学求解及分析曲线Fig.4 Multi-body dynamic solution and analysis curve in rigid-flexible coupling condition

刚体模型与刚-柔耦合模型仿真计算过程中，铰接点力及各电动机转矩的变化趋势基本一致，但后者数值变化具有波动，更符合实际设备运行情况。刚体模型与刚-柔耦合模型仿真计算结果对比如表 1 所列。由表 1 可知，刚-柔耦合模型均较刚性体模型的计算结果大，其中，只有滚摆动电动机 2 的转矩值较为接近。由此可以说明伸缩外臂的弹性变形对机械手各关键液压缸、电动机的受载影响不可忽视。

表1 刚体模型与刚-柔耦合模型仿真计算结果对比Tab.1 Comparison of rigid body model and rigid-flexible coupling model in simulation and calc ulation results

4 伸缩内臂有限元分析

在支撑辊式和滑轨式 2 种伸缩内臂模型中，各部件的材料属性：弹性模量为 210 GPa，泊松比为 0.3，屈服强度为 690 MPa。为了提高计算效率，忽略了由于伸缩内臂与伸缩外臂连接方式不同造成刚-柔耦合计算时作用力 F 和弯矩 T 的误差。

支撑辊式伸缩内臂部件的网格均采用四面体单元划分，网格分布如图 5 所示。

图5 支撑辊式伸缩臂网格分布Fig.5 Grid distribution of supporting-roller typed telescopic arm

支撑辊式伸缩内臂载荷及约束如图 6 所示。在伸缩内臂左侧端面上分别施加力 F 和弯矩 T，根据多体动力学刚-柔耦合计算分析可得 F＝73 189 N，T＝99 319 N·m。对支撑辊内圆施加固定约束，伸缩内臂右侧孔约束除孔轴旋转以外的自由度。支撑辊和臂之间设置接触关系，摩擦因数取 0.15。

图6 支撑辊式伸缩内臂载荷及约束Fig.6 Loads and restraints of supporting-roller typed telescopic inner arm

支撑辊式伸缩臂等效应力分布云图如图 7 所示。由图 7 可知，伸缩内臂与支撑辊接触位置的应力为 1 200 MPa，应力值远大于材料屈服强度 690 MPa。因此，该结构不能满足正常使用要求。

图7 支撑辊式伸缩臂等效应力分布云图Fig.7 Equivalent stress distribution contours of supporting-roller typed telescopic arm

滑轨式伸缩内臂部件的网格采用四面体单元划分，网格分布如图 8 所示。

图8 滑轨式伸缩内臂网格分布Fig.8 Grid distribution of sliding-rail typed telescopic inner arm

滑轨式伸缩臂载荷及约束如图 9 所示。在伸缩内臂左侧端面上分别施加力 F 和弯矩 T，根据多体动力学刚-柔耦合计算 F=73 189 N，T＝99 319 N·m。将大臂与转台铰接的孔及大臂与俯仰直线缸铰接孔施加固定约束，伸缩内臂和滑块之间设置接触关系，摩擦因数取 0.15。

图9 滑轨式伸缩臂载荷及约束Fig.9 Loads and restraints of sliding-rail typed telescopic arm

滑轨式伸缩臂等效应力分布云图如图 10 所示。由图 10 可知，内臂支撑滑块处最大等效应力为 410 MPa，小于材料屈服强度 690 MPa；最小安全系数为1.68，大于设计最小安全系数标准值 1.5，满足设计要求。

图10 滑轨式伸缩臂等效应力分布云图Fig.10 Equivalent stress distribution contours of sliding-rail typed telescopic arm

通过对支撑辊式和滑轨式伸缩内臂进行有限元分析可知，滑轨式结构较支撑辊式能大幅降低集中应力值，是一种较为合理的设计方案。

5 结语

针对液压重载机械手伸缩臂的 2 种结构，通过多体动力学方法对机械手整机刚体和刚-柔耦合体分别进行有限元分析，得到如下结论。

(1) 刚体模型与刚-柔耦合模型仿真计算过程中，铰接点力及各电动机转矩的变化趋势基本一致，但后者数值变化具有波动，更符合实际设备运行情况。

(2) 刚-柔耦合模型均较刚性体模型的计算结果大，其中，只有滚摆动电动机 2 的转矩值较为接近。说明伸缩外臂的弹性位移对机械手各关键液压缸、电动机的受载影响不可忽视，刚-柔耦合模型仿真分析可为进一步设计液压缸、电动机提供参考。

(3) 滑轨式结构较支撑辊式结构能大幅降低集中应力值，是一种较为合理的设计方案。