聶勇軍

廣州航海學(xué)院 機(jī)械工程系,廣東 廣州 510725

煤塊搬運(yùn)機(jī)器人作為煤炭裝載、運(yùn)輸過程中的重要機(jī)械設(shè)備，為煤炭裝載、運(yùn)輸提供了巨大的便利。諧波減速器作為煤塊搬運(yùn)機(jī)器人關(guān)節(jié)處重要傳動(dòng)部件,為了獲得結(jié)構(gòu)合理、傳動(dòng)性能優(yōu)良、溫升小、振動(dòng)噪聲小、效率高的諧波減速器，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)諧波減速器相關(guān)特性進(jìn)行了研究和分析；其中黨選舉等[1]運(yùn)用SDH 模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)建立諧波減速器混合遲滯研究模型，對(duì)諧波減速器混合遲滯特性進(jìn)行研究分析；孫韓磊等[2]對(duì)短筒柔輪諧波減速器的齒廓參數(shù)與加工工藝進(jìn)行研究和分析；崔俊寬等[3]運(yùn)用試驗(yàn)的方法研究了諧波減速器用柔性薄壁軸承加速壽命；王凱利等[4]對(duì)工業(yè)機(jī)器人諧波減速器的非線性遲滯特性進(jìn)行建模與分析；王力等[5]基于Pro/E 對(duì)諧波齒輪傳動(dòng)剛輪進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)；牟如強(qiáng)等[6]基于ANSYS 對(duì)諧波齒輪短圓柱形柔輪的應(yīng)力進(jìn)行仿真分析；毛彬彬等[7]對(duì)諧波齒輪的齒形結(jié)構(gòu)和發(fā)展進(jìn)行研究分析；唐萍等[8]對(duì)諧波鏈傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析和研究?；诒姸鄬W(xué)者對(duì)諧波減速器的研究基礎(chǔ)，以某型煤塊搬運(yùn)機(jī)器人諧波減速器為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元分析的方法對(duì)諧波減速器關(guān)鍵零部件進(jìn)行仿真分析，為諧波減速實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 諧波減速器組成及有限元建模

諧波減速器作為精密高性能齒輪減速器在航空、航天、航海、能源、常用軍械、造船、仿生機(jī)械、電子設(shè)備、機(jī)床、儀表、交通運(yùn)輸、礦山冶金、石油化工機(jī)械、起重機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、紡織機(jī)械以及醫(yī)療器械等方面得到廣泛的應(yīng)用。煤塊搬運(yùn)機(jī)器人為煤炭開采和運(yùn)輸提供了巨大便利，同時(shí)也將工作人員從繁重的體力活中解放出來。諧波減速器作為煤塊搬運(yùn)機(jī)器人關(guān)節(jié)處重要傳動(dòng)系統(tǒng)，其由諧波發(fā)生器、柔性軸承、柔性齒輪、剛性軸承等主要零部件組成。諧波發(fā)生器作用于柔性軸承，柔性軸承發(fā)生彈性變形而成為目標(biāo)橢圓；變形后橢圓柔性軸承作用于柔性齒輪，柔性齒輪發(fā)生變形也為橢圓。變形后橢圓柔性齒輪長(zhǎng)軸與剛性齒輪完全嚙合，橢圓柔性齒輪短軸與剛性齒輪完全脫開，運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力通過嚙合柔性齒輪與剛性齒輪進(jìn)行相互傳遞。建立煤塊搬運(yùn)機(jī)器人諧波減速器三維模型保存為中間格式導(dǎo)入有限元仿真軟件中得到諧波減速器有限元網(wǎng)格模型如圖1 所示。

由圖1 可知，在諧波減速器有限元網(wǎng)格模型中，有624196 個(gè)單元，921469 個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中諧波發(fā)生器和剛性齒輪材料為45#鋼，密度為7850 kg/m3、彈性模量為198 GPa、泊松比為0.26、屈服強(qiáng)度≥355 MPa；柔性齒輪和柔性軸承材料為40CrNiMoA 鋼，密度為7830 kg/m3、彈性模量為209 GPa、泊松比為0.28、屈服強(qiáng)度≥835 MPa。對(duì)圖1 建立的諧波減速器有限元模型中的諧波發(fā)生器加載500 N.m 扭矩實(shí)際工況，仿真計(jì)算得到諧波減速器整體及各部件等效應(yīng)力和變形如下文所示。

2 有限元仿真結(jié)果與分析

仿真計(jì)算得到煤塊搬運(yùn)機(jī)器人諧波減速器等效應(yīng)力及總變形如圖2 所示。

圖2 煤塊搬運(yùn)機(jī)器人諧波減速器等效應(yīng)力及總變形Fig.2 Equivalent stress and total deformation of coal handling robot harmonic reducer

由圖4 可知，在實(shí)際工況下，諧波減速器最大等效應(yīng)力主要分布在諧波發(fā)生器與柔性軸承接觸部位、柔性軸承滾珠與軸承內(nèi)外圈及柔性齒輪與剛性齒輪嚙合部位，最大等效應(yīng)力為132.58 MPa，相對(duì)于諧波發(fā)生器和剛性齒輪材料為45#鋼，靜態(tài)安全系數(shù)為355/132.58=2.68，相對(duì)于柔性齒輪和柔性軸承材料為40CrNiMoA 鋼，靜態(tài)安全系數(shù)為835/132.58=6.30 均滿足實(shí)際運(yùn)行條件。在實(shí)際工況下，諧波減速器最大總變形在不同部件上分布位置不同，最大總變形為0.015031 mm，整體總變形較小滿足實(shí)際煤塊搬運(yùn)機(jī)器人諧波減速器剛性要求。

為了對(duì)煤塊搬運(yùn)機(jī)器人諧波減速器重要零部件在實(shí)際工況下等效應(yīng)力和總變形情況。仿真計(jì)算得到諧波減速器諧波發(fā)生器等效應(yīng)力及總變形如圖3 所示。

圖3 諧波減速器諧波發(fā)生器等效應(yīng)力及總變形Fig.3 Equivalent stress and total deformation of harmonic reducer harmonic generator

由圖3 可知，在實(shí)際工況下，諧波減速器諧波發(fā)生器最大等效應(yīng)力主要分布在諧波發(fā)生器與柔性軸承接觸部位；最大總變形主要發(fā)生在諧波發(fā)生器靠近輸入側(cè)變形后橢圓的長(zhǎng)軸面。

仿真計(jì)算得到諧波減速器柔性軸承等效應(yīng)力及總變形如圖4 所示。由圖4 可知，在實(shí)際工況下，諧波減速器柔性軸承最大等效應(yīng)力主要分布在柔性軸承內(nèi)圈與變形后橢圓諧波發(fā)生器接觸面，滾珠與軸承內(nèi)外圈接觸面；最大總變形主要發(fā)生在變形后橢圓柔性軸承內(nèi)圈長(zhǎng)軸處。

圖4 諧波減速器柔性軸承等效應(yīng)力及總變形Fig.4 Equivalent stress and total deformation of harmonic reducer flexible bearing

仿真計(jì)算得到諧波減速器柔性齒輪等效應(yīng)力及總變形如圖5 所示。

圖5 諧波減速器柔性齒輪等效應(yīng)力及總變形Fig.5 Equivalent stress and total deformation of harmonic reducer flexible gear

由圖5 可知，在實(shí)際工況下，諧波減速器柔性齒輪最大等效應(yīng)力主要分布在剛性齒輪與變形后橢圓長(zhǎng)軸柔性齒輪嚙合齒面處；最大總變形主要發(fā)生在變形后橢圓柔性齒輪長(zhǎng)軸處。

3 結(jié)輪

針對(duì)煤塊搬運(yùn)工作條件極其惡劣、體力需求大等難題，煤塊搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。諧波減速器作為煤塊搬運(yùn)機(jī)器人關(guān)節(jié)重要傳動(dòng)系統(tǒng)，直接影響煤塊搬運(yùn)機(jī)器人使用壽命、整機(jī)性能及重復(fù)精度。為了獲得綜合性能優(yōu)良的煤塊搬運(yùn)機(jī)器人，以某型煤塊搬運(yùn)機(jī)器人諧波減速器為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元分析的方法對(duì)諧波減速器實(shí)際工況下的等效應(yīng)力和總變形進(jìn)行仿真分析，為煤塊搬運(yùn)機(jī)器人諧波減速器傳動(dòng)性能的提高、疲勞壽命的增加提供有意的參考。