矿用转移机械臂转台支座结构优化研究

李栋梁，李栋斌

（兰州现代职业学院，甘肃 兰州 730300）

人类劳动过程中的生产工具是一种独特的文明特征，它推动社会的发展和进步，是人类文明进步的反映，也是社会控制自然的尺度[1]。矿用转移机械臂作为典型的先进生产工具，在社会经济发展和工业生产力进步中发挥着重要作用。矿用转移机械臂代表着先进的生产力，在世界各国矿山工业中占有举足轻重的地位。由于我国对这一领域的研究较晚，目前国内矿用转移机械臂的研制相对滞后[2]。所以对矿用转移机械臂的研究已成为我国矿业发展的基石，也是提升我国矿产行业实力的有效手段。本文结合机器人关键技术和有限元分析模型，针对矿用转移机械臂的优化设计，对矿用转移机械臂转台支座结构进行优化研究。

1 优化矿用转移机械臂

1.1 矿用转移机械臂

矿用转移机械臂转台支座结构如图1所示，其主要组成包括转台支座、转台驱动、机械臂底座、转台内壁等如下图所示，把主要支座焊接在矿用转移机械臂转台上，利用水平摆动马达对矿用转移机械臂施加力量，在所受荷载复杂的环境下使矿用转移机械悬臂伸长转动过程中荷载能力达到最大。矿用转移机械臂有七个摆度广角，其最大荷载能力为2t，转台运动速度为0.5m/s，在转台支座正常运转过程中，矿用转移机械臂的整体设备总重量为5.4t。

图1 矿用转移机械臂结构图

1.2 建立矿用转移机械臂的有限元分析模型

为了对矿用转移机械臂转台支座结构进行优化研究，首先要建立矿用转移机械臂的有限元分析模型。其具体操作如下，首先考虑计算精度的影响，对现有矿用转移机械臂的有限元分析模型进行分析处理[3]。矿用转移机械臂的有限元分析模型如图2所示，对水平摆动马达、循环滚动马达、进退摆动马达、转动驱台进行分析处理得到梁单元，各个部件经过机器人关键技术重新组成新的梁单元。

图2 矿用转移机械臂的有限元分析模型

机械臂转台材料弹性量为410GPa，弹性强度区间为200MPa～345MPa，相似比系数为0.3。

矿用转移机械臂的初始有限元分析模型中，仿真设备转台支座采用十面体网格结构，节点单元数为440 158。

在对矿用转移机械臂的初始有限元分析过程中，模型的基础条件与承载能力如下：

1.2.1 基础条件

（1）转台底座与转台支座需进行固定操作；

（2）各结构需与转台支座连接。

1.2.2 承载能力

（1）整体承重5.4t；

（2）浮动承载能力2t。

1.3 结果与分析

根据矿用转移机械臂的有限元计算可得到以下结果：矿用转移机械臂转台支座的最大受力值为306MPa，受力点在转台支座的底部中心位置。该最大受力点对应的安全系数为1.14。根据矿用转移机械臂转台支座结构的设计要求，其最大受力值不超过248MPa，安全系数要控制在1.4以内。因此，需要对该中心受力点位置进行尺寸优化。

为了对转台支座结构尺寸进行优化，首先要建立转台的多方向主要支撑力点，在对转台支座结构有限元进行尺寸优化后，可以提供载荷。矿用转移机械臂转台支座在铰接处的作用力如表1所示。

表1 矿用转移机械臂转台支座在铰接处的作用力

2 优化矿用转移机械臂转台支座尺寸

2.1 建立矿用转移机械臂转台支座结构的有限元分析模型

对矿用转移机械臂转台支座进行尺寸优化设计，可有效的提高有限元模型的计算速度。对支撑力点1、支撑力点2、支撑力点3进行尺寸优化，其优化前对应尺寸正圆角为R=25mm、h1=24mm、h2=30mm。

（1）转台支座尺寸优化浮动范围20mm≤R≤25mm；20mm≤h1≤24mm；25mm≤h2≤35mm；

（2）转台支座尺寸优化基础条件转移机械臂转台支座的最大受力值为306MPa；

（3）转台支座尺寸优化目标系数转台支座各方向支撑力最小化。

仿真设备转台支座结构采用十面体网格结构，节点单元数为99615。为了有效的提高有限元分析模型的计算速度，在计算转台的多个方向主要支撑力点时将几何特征进行网格化处理。

在对矿用转移机械臂转台支座有限元模型尺寸优化过程中，模型的基础条件与承载能力如下：

（1）基础条件

对矿用转移机械臂转台底座与支座底面进行固定操作，有利于对支撑力点增加载荷，提高转台支座的受力能力。

（2）承载能力

转台支座自重。对应表1中转台的多方向主要支撑力点的承载力。

2.2 优化结果分析

矿用转移机械臂转台支座尺寸优化计算如表2所示。

表2 矿用转移机械臂转台支座尺寸优化结果

从上表2中1、3、4、5、6可以看出，当h1与h2变大时，对应的最大支撑力随之减小，安全系数随之增大，但是减小量与增大量都不明显，小于1.4，说明当h1与h2发生变化时，对支撑力的影响力不大。由上表2中2、5、6、7、8可看出，当R变大时，最大支撑力随之变小，安全系数随之变大，且变化量十分显著，以序号7为例，当最大支撑力值为239.4MPa时，安全系数为1.44，该组的数值可以满足对转移机械臂转台支座尺寸优化的设计。综上所述，变量R对最大支撑力的影响效果较为明显。

为了该有限元分析模型更适用于实际矿产行业中，现将序号7的变量值进行调整，修改后结果为R=25.0、h1=23.0、h2=36.0mm。当完成尺寸优化后，对该矿用转移机械臂转台支座有限元模型进行分析。得到转台支座的最大支撑力为239.6MPa，位于转台的底部中心位置，对应的安全系数为1.44，满足对矿用转移机械臂转台支座结构优化的设计要求。

3 结束语

本文提出了矿用转移机械臂转台支座结构优化研究，采用有限元分析的方法，优化设计了矿用转移机械臂转台支座结构的尺寸，仿真分析的结果显示，矿用转移机械臂转台支座的最大应力为239.6MPa，主要体现在矿用转移机械臂转台支座的根部，得到的最小安全系数为1.44，满足矿用转移机械臂转台支座结构的优化设计要求，从而提高了矿用转移机械臂转台支座结构优化设计计算效率。