李榮麗

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 戶縣 710300）

0 引言

采樣臂是采樣機(jī)的核心部件，其結(jié)構(gòu)合理與否及動(dòng)態(tài)特性直接影響整機(jī)的工作性能［1］。采樣機(jī)械臂在作業(yè)的過(guò)程中，臂架系統(tǒng)中的各個(gè)部件都會(huì)發(fā)生一定的變形，這個(gè)變形對(duì)動(dòng)態(tài)特性有較大的影響，有可能導(dǎo)致作業(yè)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)軌跡偏差，從而使得采樣機(jī)械臂有可能發(fā)生危險(xiǎn)狀況，更為嚴(yán)重的甚至?xí)斐杀奂芟到y(tǒng)的部件損壞，不能正常工作。動(dòng)載荷多用靜力學(xué)等效的方法計(jì)算，但這種計(jì)算方法所得到的結(jié)果有可能和實(shí)際工作過(guò)程中的危險(xiǎn)工況不同，有一定的局限性［2］。利用ADAMS展開(kāi)剛?cè)狁詈戏治?，是在各個(gè)部件單獨(dú)或者復(fù)合動(dòng)作過(guò)程中，而不是單獨(dú)某個(gè)靜態(tài)點(diǎn)，對(duì)采樣機(jī)械臂結(jié)構(gòu)部件應(yīng)力分布進(jìn)行仿真，這樣就能有效解決 ANSYS 中遇到的問(wèn)題［3－5］。因此，對(duì)采樣臂各種工況下的動(dòng)應(yīng)力仿真，采樣精度以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化疲勞壽命等方面引起許多學(xué)者重視。

本文以采樣臂作為研究對(duì)象，建立剛?cè)狁詈夏Ｐ停荚讷@得臂架在特殊工況下的動(dòng)態(tài)特性，為進(jìn)一步優(yōu)化模型及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>

精確模擬采樣臂在危險(xiǎn)工況下動(dòng)應(yīng)力情況，建立剛?cè)狁詈夏Ｐ唾N近煤炭采樣臂的實(shí)際工況，在進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力仿真分析過(guò)程中提高精度以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過(guò)ANSYS和ADAMS兩種軟件結(jié)合，即可得到剛?cè)狁詈系奶摂M樣機(jī)模型，其模型如圖1所示。

圖1 剛?cè)狁詈系奶摂M樣機(jī)模型

2 煤炭采樣臂在危險(xiǎn)工況動(dòng)應(yīng)力仿真分析

為了能在剛?cè)狁詈系哪Ｐ蜕希瑢?shí)現(xiàn)動(dòng)強(qiáng)度的仿真分析，在ADAMS環(huán)境中，利用測(cè)量工具對(duì)所需要的角度進(jìn)行測(cè)量，定義系統(tǒng)的狀態(tài)變量，將狀態(tài)變量函數(shù)化，并通過(guò)變量函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，目的是為了在ADAMS中實(shí)現(xiàn)采樣機(jī)械臂在采樣過(guò)程中承受力的計(jì)算。煤炭采樣機(jī)械臂在工作過(guò)程中工況眾多，為了節(jié)省計(jì)算的工作量，參考實(shí)際樣機(jī)調(diào)制結(jié)果，選擇最危險(xiǎn)工況進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力仿真分析，即伸縮臂處于完全伸出的狀態(tài)，并且采樣臂處于水平狀態(tài)。

2.1 危險(xiǎn)工況動(dòng)應(yīng)力仿真外載荷的計(jì)算

一般情況下，工作裝置的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度在其設(shè)計(jì)階段可以通過(guò)計(jì)算得到保證，而各部件在工作過(guò)程中的動(dòng)應(yīng)力作用下的疲勞強(qiáng)度則只有通過(guò)對(duì)實(shí)體進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行測(cè)定，大大增加了產(chǎn)品的研發(fā)周期及成本。為了準(zhǔn)確地計(jì)算（預(yù)測(cè)）各個(gè)部件的疲勞程度，動(dòng)態(tài)應(yīng)力時(shí)間歷程準(zhǔn)確無(wú)誤的預(yù)測(cè)變得尤為重要［6-7］。

在這種危險(xiǎn)工況下，大臂的姿態(tài)角θ1為59°，小臂的姿態(tài)角θ2為0°，采樣頭的姿態(tài)角θ3為17°，在整個(gè)過(guò)程中，煤炭采樣機(jī)械臂擺角油缸姿態(tài)角17°～39°，分別將大臂液壓缸、小臂液壓缸和伸縮臂上的移動(dòng)副驅(qū)動(dòng)函數(shù)修改為0*time，擺角油缸上的移動(dòng)副驅(qū)動(dòng)函數(shù)為step（time，0，0，5，150），模擬最危險(xiǎn)工況下的工作過(guò)程，得到整個(gè)采樣臂的理論采樣力，如圖2所示；將仿真得到的理論采樣力作為外載荷加載在采樣頭上，得到載荷時(shí)間歷程曲線，如圖3所示。

2.2 危險(xiǎn)工況下動(dòng)應(yīng)力仿真與分析

ADAMS/Durability（耐久性模塊）是ADAMS/PostProcessor功能的擴(kuò)展，在這個(gè)模塊中增加了模型動(dòng)強(qiáng)度仿真功能，即熱點(diǎn)（應(yīng)力值比較大的點(diǎn)）數(shù)據(jù)計(jì)算功能，柔性體動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的動(dòng)畫(huà)功能和節(jié)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變的時(shí)間歷程曲線圖，通過(guò)這個(gè)模塊可以了解在實(shí)際的采樣過(guò)程中，各個(gè)柔性體的等效應(yīng)力值以及節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力，為后續(xù)的仿真分析提供參考，而其中熱點(diǎn)數(shù)據(jù)獲得主要是通過(guò)耐久性模塊下的Hot Spots Table，仿真輸出應(yīng)力值比較大的數(shù)據(jù)信息，圖4～圖5顯示的是等效應(yīng)力最大的10個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，圖4為大臂熱點(diǎn)數(shù)據(jù)圖，圖5為小臂熱點(diǎn)數(shù)據(jù)圖。

此工況仿真結(jié)束，數(shù)據(jù)圖可以得到：大臂0.498 s時(shí)出現(xiàn)最大等效應(yīng)力值為324.29 MPa，小臂0.507 s時(shí)出現(xiàn)最大等效應(yīng)力值334.55 MPa，利用ADAMS/Durability中的Nodal Plots選項(xiàng)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的輸出，大臂選擇節(jié)點(diǎn)號(hào)1611節(jié)點(diǎn)，小臂選擇節(jié)點(diǎn)號(hào)19665和1800節(jié)點(diǎn)，如圖6和7所示。

圖2 危險(xiǎn)工況下工作裝置采樣力圖

圖3 載荷時(shí)間歷程曲線圖

圖4 大臂熱點(diǎn)數(shù)據(jù)圖

從圖6和圖7可以得到：此危險(xiǎn)工況下，在采樣阻力突變時(shí)煤炭采樣機(jī)械臂會(huì)出現(xiàn)明顯振動(dòng)，導(dǎo)致應(yīng)力值出現(xiàn)變化甚至是突變，結(jié)合圖3，采樣阻力的趨勢(shì)與大臂、小臂的等效應(yīng)力值的趨勢(shì)是一致的，即采樣阻力比較大的時(shí)刻柔性體構(gòu)件的等效應(yīng)力值也是比較大的。

圖5 小臂熱點(diǎn)數(shù)據(jù)圖

圖6 動(dòng)應(yīng)力時(shí)間歷程曲線圖

圖7 動(dòng)應(yīng)力時(shí)間歷程曲線圖

圖8 等效應(yīng)力分布圖

為了獲得柔性體的等效應(yīng)力（Von Mises Stress） 分布情況和應(yīng)力值的大小，從而得知哪些區(qū)域需要加強(qiáng)或者減重，主要是通過(guò)此工況下的仿真，柔性體動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的動(dòng)畫(huà)功能，在后處理模塊進(jìn)行加載模型，輸出柔性體的動(dòng)態(tài)等效應(yīng)力值。

圖8為仿真0.51 s時(shí)的應(yīng)力分布圖，從中可以看出大臂和小臂鉸接點(diǎn)、大臂和大臂油缸鉸接點(diǎn)以及大臂與小臂鉸接點(diǎn)的應(yīng)力都比較大。故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮這些鉸接的位置。

大臂、小臂結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)動(dòng)應(yīng)力與靜應(yīng)力響應(yīng)的差異，也是研究剛?cè)狁詈辖５闹饕?，為了?duì)比分析兩者的差別，選擇在危險(xiǎn)工況下最大等效應(yīng)力對(duì)應(yīng)的煤炭采樣機(jī)械臂的姿態(tài)進(jìn)行仿真分析，將姿態(tài)調(diào)整到0.51 s時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的姿態(tài)，在采樣頭加載對(duì)應(yīng)的外載荷值，并且將液壓缸上的驅(qū)動(dòng)函數(shù)全部修改為0*time，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度分析。仿真結(jié)束后，得到各節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力值，選取部分應(yīng)力值較大的節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力值與動(dòng)應(yīng)力仿真時(shí)0.51 s時(shí)刻的值進(jìn)行對(duì)比，大臂、小臂結(jié)構(gòu)的對(duì)比結(jié)果分別如表1和表2所示。

表1 大臂動(dòng)應(yīng)力仿真與靜強(qiáng)度仿真節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力值對(duì)比

表2 小臂動(dòng)應(yīng)力仿真與靜強(qiáng)度仿真節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力值對(duì)比

從表1和表2中我們可以看出：在相同情況下，動(dòng)應(yīng)力的值比靜應(yīng)力的值要大，但是在這種工況下，靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力的值都接近屈服極限，造成這種現(xiàn)象的原因是，外載荷的值較大，煤炭采樣機(jī)械臂工作狀態(tài)較危險(xiǎn)，實(shí)際工作過(guò)程中一定要避免煤炭采樣機(jī)械臂在這種工況下長(zhǎng)期工作，另外在后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)采取相關(guān)的補(bǔ)強(qiáng)措施。

3 結(jié)論

1）剛?cè)狁詈夏Ｐ唾N近實(shí)際，更能準(zhǔn)確反映在各種工況下采樣臂的動(dòng)態(tài)特性。

2）大臂、小臂的結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小主要取決于采樣臂姿態(tài)、外載荷大小以及制動(dòng)時(shí)間，結(jié)構(gòu)動(dòng)載荷對(duì)大臂、小臂的應(yīng)力影響不大。

3）在危險(xiǎn)工況下，采樣臂的應(yīng)力值都比較大，實(shí)際工作過(guò)程中盡量避免，在后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和臂架質(zhì)量減輕提供理論依據(jù)。

［1］ 李榮麗，賀利樂(lè).煤炭采樣機(jī)械臂的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模與仿真分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2013（8）：45-47.

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