蔡承宇，徐臨超，鄭道友

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州325003）

纜索清障類機(jī)器人橡膠履帶的優(yōu)化設(shè)計(jì)及模擬*

蔡承宇，徐臨超，鄭道友

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州325003）

設(shè)計(jì)了一種耐低溫可拆卸橡膠履帶結(jié)構(gòu)，針對(duì)纜索清障類機(jī)器人橡膠履帶與鋼纜的接觸面進(jìn)行了有限元分析，并根據(jù)結(jié)果對(duì)橡膠履帶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，分析結(jié)果可為今后生產(chǎn)實(shí)踐中清障機(jī)器人的橡膠履帶設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

清障機(jī)器人；橡膠履帶；優(yōu)化設(shè)計(jì)；有限元

0 引言

橡膠履帶最早由日本普利司通公司于60年代末研制成功，主要用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械和部分車輛的行走機(jī)構(gòu)，具有輕便，牽引力能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)向靈活，復(fù)雜地形通過(guò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在許多特種作業(yè)場(chǎng)合廣泛應(yīng)用。但由于橡膠履帶的耐久性、耐低溫性不好等原因，在使用過(guò)程中容易發(fā)生龜裂和碎裂，存在著易損壞、壽命短等問(wèn)題。

作為保證清障類機(jī)器人在纜索或軌道上進(jìn)行安全可靠作業(yè)的重要部件[1]，由于長(zhǎng)期處在高空、低溫的工作環(huán)境，其橡膠履帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求相對(duì)常規(guī)橡膠履帶較高，必須在保證機(jī)器人在爬行過(guò)程中有足夠的牽引力的前提下，具備較好的抗振性，耐用性，耐低溫性[2]。因此在選取具有較好的耐寒、耐老化性的由天然橡膠與合成橡膠制成的耐低溫橡膠作為纜索機(jī)器人的履帶材料的基礎(chǔ)上，本研究針對(duì)傳統(tǒng)纜索機(jī)器人履帶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)其中與纜索接觸部分進(jìn)行了有限元模擬分析，還根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改良。

1 橡膠履帶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

常規(guī)的橡膠履帶通常由一履帶底板和均布于履帶底板上的若干橡膠條構(gòu)成，為一體注塑成型，由于在實(shí)際應(yīng)用中，橡膠條直接與纜索接觸，在清障機(jī)器人自重及夾緊機(jī)構(gòu)的作用下，與纜索鍵的摩擦力較大，通常磨損較快，而履帶底板由于受到傳動(dòng)輪的作用，長(zhǎng)期處于張緊狀態(tài)，在低溫環(huán)境和拉應(yīng)力的作用下，容易出現(xiàn)老化、龜裂現(xiàn)象。為增加橡膠履帶的耐用性，降低損耗成本，我們對(duì)常規(guī)一體成型的橡膠履帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。詳見(jiàn)圖1，圖中1為履帶底板，2為可拆卸式橡膠條，3為橡膠條夾套，4為定位夾緊螺栓。

采用上述結(jié)構(gòu)安裝時(shí)，可先將橡膠夾套底板通過(guò)鉚釘固定到履帶底板上，再將橡膠條一一對(duì)應(yīng)插入橡膠夾套內(nèi)，最后再使插入的橡膠條與左、右側(cè)板之間通過(guò)螺栓進(jìn)行定位夾緊。在本設(shè)計(jì)中，每一條橡膠條均是通過(guò)對(duì)應(yīng)的一個(gè)橡膠夾套可拆卸安裝固定于履帶底板上，因此當(dāng)某一條橡膠條損壞時(shí)，可對(duì)該橡膠條進(jìn)行拆卸式更換，無(wú)須將整個(gè)橡膠履帶舍棄，從而有效地降低了橡膠履帶的使用成本，并避免造成資源浪費(fèi)。由于直接與纜索接觸并長(zhǎng)期暴露在低溫環(huán)境下，可拆卸橡膠條的材料可考慮選用耐寒性、耐磨性和彈性較好，動(dòng)負(fù)荷下發(fā)熱少，并具有一定的耐老化的順丁橡膠[3]。而履帶底板由于長(zhǎng)期受到傳動(dòng)輪引起的應(yīng)力作用，為了增強(qiáng)其抗拉性能，可采用類似于同步帶的結(jié)構(gòu)，以編織鋼絲或玻璃纖維為內(nèi)層，外層覆以聚氨酯或氯丁橡膠，底板的內(nèi)周制成齒狀，使其能與傳動(dòng)輪嚙合，提高其傳動(dòng)的可靠性。

圖1 一種耐低溫可拆卸橡膠履帶結(jié)構(gòu)

2 橡膠履帶的有限元分析

基于以上對(duì)橡膠履帶結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，可以發(fā)現(xiàn)在這種履帶結(jié)構(gòu)中，由于可拆卸橡膠條在機(jī)器人自重及夾緊力的作用下與纜索直接作用，所受應(yīng)力較大，在長(zhǎng)期工作的情況下最易發(fā)生斷裂與磨損，為了進(jìn)一步改善其性能，我們對(duì)其進(jìn)行了有限元模擬[4]，并對(duì)其應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行了分析。

2.1 模型建立

2.1.1 幾何模型

橡膠履帶結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，斷裂失效也較為常見(jiàn)，這主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成的。目前對(duì)橡膠履帶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化基本上依賴于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和定性分析，而橡膠履帶與纜索的接觸形變及接觸應(yīng)力分布狀態(tài)是影響橡膠履帶壽命的重要參數(shù)。為了對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，提高其耐用性，根據(jù)鄭道友、歐長(zhǎng)勁[1]提出的履帶結(jié)構(gòu)，對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)和合理簡(jiǎn)化，在有限元軟件ansys中建立了可拆卸橡膠條與纜索接觸的幾何模型如圖2所示，針對(duì)可拆卸橡膠條與鋼纜間進(jìn)行接觸分析。

圖2 可拆卸橡膠條與纜索接觸的幾何模型示意圖

2.1.2 物理模型

橡膠是一種超彈性材料，并具有很好的伸縮性及復(fù)原性，因此在假設(shè)材料各向同性及體積近似不可以壓縮的前提下，可用Mooney-Rivlin模型對(duì)其進(jìn)行描述，其函數(shù)可表示為：

其中W為應(yīng)變能密度，C1、C2為材料系數(shù)；I1、I2為第一、第二應(yīng)變張量不變量。其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以表示為：

根據(jù)GB/T528-1998規(guī)定的橡膠標(biāo)準(zhǔn)試樣的拉伸試驗(yàn)確定C1取1.87，C2取0.47，橡膠條的彈性模量及泊松比如表1。

表1 橡膠條的彈性模量及泊松比

2.2 有限元計(jì)算及結(jié)果分析

對(duì)于可拆卸橡膠條，我們選用超彈性單元HY?PER56，橡膠條與纜索間的接觸單元選用CON?TA172及TARGE169，纜索單元類型選用PLANE42，纜索彈性模量及泊松比分別取E=2× 105MPa，ν=0.3，并對(duì)圖2的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分情況如圖3所示。

從鄭道友、歐長(zhǎng)勁在《履帶式纜索機(jī)器人系統(tǒng)的研制》[1]中提及的履帶式纜索機(jī)器人爬升機(jī)構(gòu)可知，機(jī)器人在執(zhí)行爬行任務(wù)的過(guò)程中，除了與纜索間的必要的摩擦力外，履帶分別受到驅(qū)動(dòng)輪張緊力作用和由機(jī)器人自重及夾緊機(jī)構(gòu)共同引起的壓力作用，這兩者是引起履帶斷裂的主因。由于在對(duì)橡膠履帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程中，我們采用了可拆卸橡膠條，因此，在不考慮摩擦力的前提下，對(duì)于橡膠條而言，只受到由機(jī)器人自重及夾緊機(jī)構(gòu)引起的壓力的作用。故根據(jù)可拆卸橡膠條與履帶接觸的特點(diǎn)及受力分析，我們?cè)诮⒌挠邢拊Ｐ椭?，?duì)可拆卸膠條的上表面施加了大小為40 MPa的均布載荷，并在鋼纜下半部邊緣處施加了位移約束，工作環(huán)境溫度假設(shè)為零下10℃。圖4中應(yīng)力分布曲線1為通過(guò)有限元計(jì)算得到的可拆卸橡膠條與鋼纜接觸面上沿X方向的等效應(yīng)力曲線，從圖中可知，在不考慮爬行期間橡膠條與鋼纜之間的摩擦力引起的應(yīng)力的情況下，由于機(jī)器人自重及夾緊力的共同作用，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在可拆卸橡膠條與鋼纜接觸部位，這種情況是由橡膠條與鋼纜接觸面部位橡膠產(chǎn)生的形變較大引起的，為了改善橡膠條上的應(yīng)力分布情況，進(jìn)而延長(zhǎng)橡膠條的使用壽命，我們對(duì)橡膠條的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下改造，具體見(jiàn)圖5。這種結(jié)構(gòu)增加了橡膠條與鋼纜的接觸面積，經(jīng)有限元分析計(jì)算，橡膠條與鋼纜接觸部分的最大等效應(yīng)力相對(duì)改造前大幅減小，具體見(jiàn)圖4中應(yīng)力分布曲線2。由于本設(shè)計(jì)中的橡膠條與履帶底板之間是可拆卸的，因此這種帶有弧度的橡膠條可以根據(jù)機(jī)器人工作的鋼纜的不同進(jìn)行定制，具有成本低，更換方便，可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

3 總結(jié)

圖3 模型的網(wǎng)格劃分

圖4 可拆卸橡膠條與鋼纜接觸面上沿X方向的等效應(yīng)力圖

圖5 改進(jìn)后的拆卸橡膠條與纜索接觸的示意圖

設(shè)計(jì)了一種耐低溫可拆卸式橡膠履帶，選取耐低溫性能較好的順丁橡膠作為可拆卸橡膠條的材料，并為履帶底板的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和選材提出了初步方案，這種復(fù)合型的橡膠履帶結(jié)構(gòu)不僅降低了清障機(jī)器人履帶的損耗與維修成本，而且降低了其在低溫環(huán)境高空作業(yè)時(shí)發(fā)生斷裂，脫落的可能性。此外還利用有限元的方法對(duì)其上可拆卸橡膠條進(jìn)行了應(yīng)力分布分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)可拆卸橡膠條的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，增加了橡膠條與鋼纜間的接觸面積，進(jìn)而改善了接觸面上的應(yīng)力分布狀況，增強(qiáng)了橡膠條的耐用性。

[1]鄭道友,歐長(zhǎng)勁.履帶式纜索機(jī)器人系統(tǒng)的研制[J].浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2011(3):72-75.

[2]劉玉田.嚴(yán)寒地帶使用的環(huán)形橡膠履帶[J].世界橡膠工業(yè),2007(5):22-26.

[3]余惠琴,劉曉紅.低溫改性天然橡膠剪切性能研究[J].固體火箭技術(shù),2006(29):222-224.

[4]翟峰,張英.鄭慕僑實(shí)心橡膠輪胎溫度場(chǎng)有限元分析[J].輪胎工業(yè),2003(4):200-203.

（責(zé)任編輯：張海南）

Optimization Design and Simulation of a Cable Robot's Rubber Track

CAI Cheng-yu，XU Lin-chao，ZHENG Dao-you
（Zhejiang Industry&Trade Vocational College,Wenzhou,325003,China）

A low temperature resistant removable rubber track structure was designed,the contact surface between cable robot's rubber track and cable was analyzed by finite element method,and the structure of rubber track are improved according to the study results.The analysis results can provide the basis for the manufacture of cable robot's rubber track in the future production and practice.

cable robot;rubber track;optimization design;finite element

TH145:O242.21

A

1672-0105（2014）04-0061-03

10.3969/j.issn.1672-0105.2014.04.016

2014-05-25；

2014-09-28

2012年浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目資助（G120103）

蔡承宇（1981—），男，浙江瑞安人，講師，碩士，主要研究方向：復(fù)合材料，機(jī)電一體化。