周蕓夢(mèng)　羅扉　曹貝貝

摘? 要：文章分析的水泥插袋機(jī)械手臂是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。結(jié)合插袋機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作情況，為了保證機(jī)械手臂的可靠性和耐久性，使用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行分析，得到基于最大載荷狀態(tài)下，機(jī)械手各位姿的機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及基于最大負(fù)載情況下的機(jī)械手結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的疲勞壽命。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;靜力學(xué)分析;壽命評(píng)估

中圖分類號(hào)：TP241? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）29-0082-04

Abstract： The cement pocket manipulator analyzed in this paper is a relatively complex mechanical structure system. According to the structural characteristics and working conditions of the cement pocket manipulator， in order to ensure the reliability and durability of the mechanical arm， it is analyzed by using ANSYS software， and the results are based on the maximum load. The mechanical structure strength of each posture of the manipulator and the fatigue life of the manipulator structure system based on the maximum load.

Keywords： manipulator; static analysis; life assessment

前言

水泥包裝生產(chǎn)過程中需要將水泥袋插入灌裝機(jī)噴嘴處，目前國內(nèi)這一環(huán)節(jié)的工作仍由人工完成。長期高粉塵條件下的工作，使得許多插袋操作工人患上呼吸系統(tǒng)疾病;由于水泥生產(chǎn)效率不斷提高，人工方式插袋已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段自動(dòng)化生產(chǎn)的需求。水泥插袋機(jī)械手具有可靠性好、穩(wěn)定性好、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，可解決水泥包裝過程中插袋環(huán)節(jié)仍依賴人工的窘境。

本文以一種水泥插袋機(jī)械手為研究對(duì)象，通過有限元仿真軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析并對(duì)其壽命進(jìn)行評(píng)估。

1 插袋機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

根據(jù)插袋機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用保守性數(shù)值分析思路進(jìn)行機(jī)械手靜力學(xué)分析。筆者假設(shè)水泥灌裝過程中水泥包裝機(jī)壓板壓緊水泥袋，機(jī)械手為輔助夾持狀態(tài)運(yùn)行的情況來建立模型。根據(jù)SHHYW-C 系列水泥包裝機(jī)的參數(shù)，包裝機(jī)出料嘴數(shù)為8，裝袋能力為80-120T/H。計(jì)算可知最大工況下，每個(gè)出料嘴每秒鐘灌裝水泥約為5kg。在模型建立時(shí)，采用的是實(shí)體建模，關(guān)鍵部位網(wǎng)格細(xì)化，實(shí)體網(wǎng)格，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，這樣做不會(huì)影響分析結(jié)果，也可以保證計(jì)算準(zhǔn)確。由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，擬對(duì)運(yùn)行過程中兩個(gè)受力最大位姿進(jìn)行分析。

根據(jù)水泥灌裝的勻速動(dòng)態(tài)載荷的特點(diǎn)，機(jī)械手承受的外載荷是F=ma的穩(wěn)態(tài)動(dòng)載荷，針對(duì)載荷特點(diǎn)機(jī)械手系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析采用最大穩(wěn)態(tài)動(dòng)載荷fmax=ma=M/Tmin的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析方法。

1.1 插袋機(jī)械手第一位姿的載荷分析

下面對(duì)插袋機(jī)械手的第一位姿進(jìn)行載荷分析，即大臂與地面垂直，小臂和手部水平姿態(tài)，建立插袋機(jī)械手的三維模型，如圖1所示。

考慮單位時(shí)間（1s）最大載荷約束為50N如圖2，對(duì)建立好的有限元模型添加約束后進(jìn)行分析，約束為緊固約束。機(jī)械手材料采用性能較好的Q235材料，材料參數(shù)如表1所示。

表1 插袋機(jī)械手材料參數(shù)

根據(jù)材料參數(shù)和三維模型，可利用ANSYS 建立有限元模型，通過軟件進(jìn)行分析可得如下結(jié)果，如圖3所示。我們可以看出工況下最大應(yīng)力位置在連接軸附近，最大應(yīng)力約為3.49MPa，遠(yuǎn)低于所用材料的屈服應(yīng)力值。機(jī)械手綜合彈性形變最大值為0.174mm。將機(jī)械手所有彈性形變進(jìn)行矢量疊加，求合得到插袋機(jī)械手的總體位移最大值為0.9mm，這一數(shù)值在設(shè)計(jì)的可控范圍之內(nèi)。經(jīng)以上分析顯示，插袋機(jī)械手第一位姿情況完全符合強(qiáng)度和精度的要求。

1.2 插袋機(jī)械手第二位姿的載荷分析

下面對(duì)插袋機(jī)械手的第二位姿進(jìn)行載荷分析，機(jī)械手的第二位姿進(jìn)行載荷分析，即大臂、小臂和手部成一水平直線的姿態(tài)，建立插袋機(jī)械手的三維模型，如圖4所示?？紤]最大載荷約束仍為50N如圖5，對(duì)第二位姿的有限元模型添加約束后進(jìn)行分析，約束為緊固約束。

根據(jù)材料參數(shù)和三維模型，利用ANSYS建立有限元模型，通過軟件進(jìn)行分析可得如下結(jié)果，如圖6所示。我們可以看出第二位姿工況下最大應(yīng)力點(diǎn)，位置在連接軸附近，最大應(yīng)力約為3.45MPa，遠(yuǎn)低于所用材料的屈服應(yīng)力值。機(jī)械手綜合彈性形變最大值為0.172mm，這一數(shù)值在設(shè)計(jì)的可控范圍之內(nèi)。經(jīng)以上分析顯示，插袋機(jī)械手第二位姿情況完全符合強(qiáng)度和精度的要求。

2 插袋機(jī)械手的壽命評(píng)估

在工作過程中，零部件會(huì)受到交變載荷的影響，進(jìn)而出現(xiàn)交變應(yīng)力，并作用于零部件上。只要力的大小仍小于許用應(yīng)力，便可繼續(xù)使用。而達(dá)到隨著工作時(shí)長增加，部分位置會(huì)產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，可能會(huì)出現(xiàn)其部分位置已經(jīng)損壞，而其力還小于許用應(yīng)力的情況。根據(jù)插袋機(jī)械手各關(guān)節(jié)部位的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)疲勞可靠性要求較高，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)的對(duì)象還不能達(dá)到要求。對(duì)于機(jī)械手的使用年限分析以及其疲勞強(qiáng)度的分析，采用的方式為進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。而試驗(yàn)中存在很多缺陷，不僅維護(hù)成本較高，對(duì)年限分析存在局限性，并且其對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)損傷較大。本文采用最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行保守型壽命評(píng)價(jià)。

2.1 插袋機(jī)械手第一位姿的壽命評(píng)估

將之前建立好的機(jī)械手第一位姿有限元模型滿載荷情況下的壽命進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯Y(jié)構(gòu)在最大應(yīng)力下可運(yùn)行時(shí)間為106小時(shí)，屬于高周疲勞結(jié)構(gòu)，結(jié)果較好。第一位姿狀態(tài)下安全系數(shù)最小2.47，說明屬于合格，并且優(yōu)化了結(jié)構(gòu)。

2.2 插袋機(jī)械手第二位姿的壽命評(píng)估

將之前建立好的機(jī)械手第二位姿有限元模型滿載荷情況下的壽命進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，結(jié)構(gòu)在最大應(yīng)力下可運(yùn)行時(shí)間為106小時(shí)，屬于高周疲勞結(jié)構(gòu)，結(jié)果較好。第二位姿狀態(tài)下安全系數(shù)最小2.50，說明屬于合格，并且優(yōu)化了結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)束語

本文利用有限元軟件ANSYS對(duì)插袋機(jī)械手三維模型的兩個(gè)位置姿態(tài)分別進(jìn)行靜力學(xué)分析和疲勞分析（壽命評(píng)估）。得到結(jié)論如下：（1）插袋機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足工況最大載荷情況;（2）經(jīng)過機(jī)械手壽命評(píng)估，壽命屬于高周疲勞，能夠滿足工程使用壽命年限。

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