基于SolidWorks的電梯檢驗(yàn)運(yùn)載機(jī)器人承重板有限元分析

伍 磊，騰 凱，徐黃鎮(zhèn)

(湖州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院，浙江 湖州 313000)

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，大量高樓建筑拔地而起，電梯作為人們穿梭于樓宇之間的交通工具，近期電梯沖頂或蹲底事故頻發(fā)，其安全性越來越受到大家的關(guān)注，造成大家強(qiáng)烈的恐懼心理，不利于電梯行業(yè)的快速穩(wěn)定發(fā)展。為了保障了電梯安全穩(wěn)定的運(yùn)行，對(duì)電梯進(jìn)行承載性能檢驗(yàn)檢測(cè)是非常必要的。但目前電梯檢驗(yàn)面臨任務(wù)重、危險(xiǎn)性高、人工效率低等問題。

長期以來人們一直致力于如何將更多的物品更安全、快速地運(yùn)送到目的地的研究，并創(chuàng)造了種類繁多的運(yùn)載機(jī)器人。運(yùn)載機(jī)器人的移動(dòng)方式有輪式、履帶式、多足式、輪履復(fù)合式等[1]。由于此次實(shí)驗(yàn)路面情況復(fù)雜，受載強(qiáng)度大，因此在文中的砝碼運(yùn)載機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)選用具有負(fù)荷行走能力大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的履帶式行走機(jī)構(gòu)。

SolidWorks是具有友好的用戶界面和較高的市場(chǎng)占有率、廣泛應(yīng)用于各大機(jī)械非標(biāo)設(shè)計(jì)公司和高校的基于Windows開發(fā)的軟件。Simulation是SolidWorks開發(fā)的一款有限元分析工具軟件，它的功能非常強(qiáng)大，提供了多種計(jì)算與分析工具，具有應(yīng)力計(jì)算與分析、應(yīng)變計(jì)算與分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及優(yōu)化、線性與非線性分析等功能，從而能對(duì)比較復(fù)雜的零配件計(jì)算、測(cè)試與分析[2]。作為一款嵌入式分析軟件，它還可以與SolidWorks無縫集成，非常方便。在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用Simulation對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，可迅速獲得相應(yīng)的計(jì)算分析結(jié)果，極大地降低了時(shí)間成本，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)速度，從而使企業(yè)獲取更大的利潤。

1 模型建立

1.1 運(yùn)載機(jī)器人模型建立

運(yùn)載機(jī)器人其主要結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和承重機(jī)構(gòu)兩部分組成：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)基于DSP控制技術(shù)，采用線控與遙控相結(jié)合的控制方式[3]，由鋰電池供電，通過兩個(gè)直流無刷電機(jī)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)移動(dòng)；承重機(jī)構(gòu)上部留有凸起的固定凸塊為砝碼塊的平穩(wěn)堆放提供固定支撐，同時(shí)保障運(yùn)載機(jī)器人整機(jī)加砝碼塊的質(zhì)量達(dá)到電梯規(guī)定承重測(cè)驗(yàn)要求，圖1為運(yùn)載機(jī)器人三維模型圖。

由于實(shí)際電梯的通道和電梯門的限制，最窄處為800 mm，要保障正常地電梯進(jìn)出，所以運(yùn)載機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)不宜過大，避免和電梯門框發(fā)生碰撞、干涉。因此設(shè)計(jì)該運(yùn)載機(jī)器人的長為1 200 mm，寬為700 mm，高為500 mm。

圖1 運(yùn)載機(jī)器人三維模型圖

1.2 運(yùn)載砝碼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)載機(jī)器人自重已達(dá)650 kg，根據(jù)電梯曳引能力檢測(cè)時(shí)的最大測(cè)試載荷確定運(yùn)載機(jī)器人的總質(zhì)量為1.25 t。為滿足待測(cè)電梯載荷達(dá)到最大極限承重，需要設(shè)計(jì)運(yùn)載砝碼組合配重達(dá)600 kg。

考慮便攜式拆裝、重復(fù)使用和便于搬運(yùn)等因素，根據(jù)電梯曳引能力檢測(cè)時(shí)各個(gè)測(cè)試載荷的大小，確定運(yùn)載碼垛機(jī)器人載荷加載的最佳配置方案，通過設(shè)計(jì)，為減少砝碼體積，提高了砝碼材料的密度，選用鉛作為砝碼的材料；并通過三維設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)了砝碼的形狀和尺寸，如圖2。確保單個(gè)砝碼的質(zhì)量為25 kg，共24塊，其兩列兩排堆放組成砝碼堆，如圖3。

圖2 砝碼尺寸圖

圖3 砝碼堆整體運(yùn)載圖

在運(yùn)載機(jī)器人碼垛過程中，為了保障機(jī)器人運(yùn)行的安全和平穩(wěn)，避免砝碼塊的滾落，對(duì)砝碼進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的配合設(shè)計(jì)，每塊砝碼上部左右兩邊，留有兩處圓柱型凸塊并倒圓角；下部相對(duì)應(yīng)兩處留有配合凹槽，砝碼細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖4、5。借助傳統(tǒng)式凹凸槽機(jī)械配合，保證了砝碼堆的穩(wěn)定搬運(yùn)。

圖4 砝碼頂部 圖5 砝碼底部

2 有限元分析

當(dāng)該運(yùn)載機(jī)器人進(jìn)行定量砝碼搬運(yùn)工作時(shí)，其承載砝碼堆的承重板所受應(yīng)力最大，也最為重要，其材料的選型、尺寸的大小與所受應(yīng)力的關(guān)系密不可分，應(yīng)力強(qiáng)度的分析是保障整個(gè)運(yùn)載過程的安全可靠的關(guān)鍵。因此對(duì)承重板進(jìn)行有限元計(jì)算必不可少，便于優(yōu)化后續(xù)的加工制造。

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

設(shè)計(jì)的幾何模型被適當(dāng)?shù)挠邢迒卧獎(jiǎng)澐质侵匾囊画h(huán)，其中一些極小的孔、倒圓、倒角等特征，幾乎不會(huì)影響結(jié)構(gòu)分析，對(duì)于這些特征可以采取理想化、消除細(xì)節(jié)或刪除等方法進(jìn)一步簡化幾何模型[4]。設(shè)計(jì)承重板的整體結(jié)構(gòu)尺寸為1 200 mm×430 mm×25 mm，在其下方有前后兩處由立板固定，借此作為承重板的固定約束，配置材料屬性為碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235A，其彈性模量為212 GPa，泊松比為0.288，屈服強(qiáng)度為235 MPa，質(zhì)量密度為7 860 kg/m3，作用載荷為6000 N均布在承重板上方，如圖6所示。

圖6 承重板固定約束和作用載荷圖

2.2 有限元模型求解

在三維數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，借助SolidWorks Simulation模塊的靜應(yīng)力分析模組，求解得到應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 應(yīng)力云圖 圖8 位移云圖

由上述有限元計(jì)算結(jié)果可得，承重板最大應(yīng)力為14.44 MPa遠(yuǎn)小于鋼材的屈服強(qiáng)度235 MPa，最大位移為0.256 mm，故承重板應(yīng)力滿足材料應(yīng)力要求。

2.3 固有頻率求解

為防止運(yùn)載機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和承重機(jī)構(gòu)產(chǎn)生共振造成安全隱患，需計(jì)算承重板固有頻率，借助SolidWorks Simulation模塊的頻率分析模組，獲得前五階固有頻率結(jié)果如表1所列。

表1 固有頻率 /Hz

由上述有限元計(jì)算結(jié)果可得，其前五階固有頻率分別為96.097 Hz、193.98 Hz、263.27 Hz、423.58 Hz和517.17 Hz，在運(yùn)載機(jī)器人作業(yè)時(shí)，應(yīng)該避免這些振動(dòng)頻率，以防共振頻率的產(chǎn)生，造成作業(yè)事故和人員傷害。

3 結(jié) 語

為了解決目前電梯檢驗(yàn)任務(wù)重、安全性低、人工效率低等問題，文中設(shè)計(jì)了電梯檢驗(yàn)運(yùn)載機(jī)器人，巧妙的設(shè)計(jì)了帶有凹凸結(jié)構(gòu)配合的砝碼堆組合。最后借助SolidWorks Simulation模塊對(duì)運(yùn)載機(jī)器人的砝碼承重板進(jìn)行有限元分析，獲得應(yīng)力云圖和前五階固有頻率，分析可得其最大應(yīng)力滿足材料應(yīng)力要求，在運(yùn)載作業(yè)時(shí)，應(yīng)該避免這些固有頻率，以防共振危害的產(chǎn)生。