新型核電機(jī)器人伸縮臂的設(shè)計(jì)和有限元分析

盧明旭 唐德文

（1.南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，衡陽 421001；2.核設(shè)施應(yīng)急安全技術(shù)與裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，衡陽 421001）

在我國眾多的核電施工現(xiàn)場，需要提前鋪設(shè)各種類型的鋼管。因核電施工環(huán)境復(fù)雜，加之鋪設(shè)鋼管類型不同、管道運(yùn)輸困難等，核電施工現(xiàn)場存在管道安裝效率低、吊裝復(fù)雜且吊裝載荷較低等問題，嚴(yán)重影響核電項(xiàng)目的施工進(jìn)度和效果。因此，研發(fā)設(shè)計(jì)一種新型的核電現(xiàn)場專用管道吊裝機(jī)器人對于提高我國核電管道安裝效率具有重要意義。

目前，我國對于大型機(jī)器人伸縮臂的研究已取得一定進(jìn)展。例如，呂娜[1]針對GT-750E汽車起重伸縮臂的設(shè)計(jì)進(jìn)行展開性研究，得到了伸縮臂各類型截面的合理設(shè)計(jì)參數(shù)；高治理等[2]采用模塊設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)一種伸縮臂系統(tǒng)；齊建峰[3]對礦井專用液壓變軌起重機(jī)機(jī)構(gòu)展開研究，得到其穩(wěn)定的動態(tài)性能。

盡管我國在化工、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)等方面都有專用的起重機(jī)器人，但是符合核電現(xiàn)場復(fù)雜施工環(huán)境的機(jī)器人卻沒有針對性設(shè)計(jì)研究。為此，本文設(shè)計(jì)一款全新的管道吊裝伸縮臂，采用以力學(xué)計(jì)算、有限元分析相結(jié)合的方式，對起升機(jī)構(gòu)部分的伸縮臂進(jìn)行研究。通過對設(shè)計(jì)的新型核電機(jī)器人伸縮臂工作原理進(jìn)行受力分析，開展伸縮臂在吊裝過程中的仿真實(shí)驗(yàn)，校核其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的核電現(xiàn)場專用吊裝伸縮臂的安全性和可靠性[4-6]。

1 新型核電機(jī)器人伸縮臂參數(shù)確定和受力分析

1.1 參數(shù)確定

核電機(jī)器人伸縮臂截面形式為六邊形截面，共由4節(jié)臂套接而成，不同工況情況下的伸縮臂展開情況和起質(zhì)量也有所不同。本研究主要針對伸縮臂在最大幅度起吊最大質(zhì)量時(shí)的極限工況進(jìn)行分析，SolidWorks建模后伸縮臂三維模型如圖1所示。如果伸縮臂的結(jié)構(gòu)能夠通過這種典型的工況校核且滿足材料的許用應(yīng)力要求，可以認(rèn)為在其他工況下也是安全的[1]。根據(jù)總體設(shè)計(jì)參數(shù)表，在極限工況時(shí)，伸縮臂的最大力矩M為63 954 N·m，此時(shí)伸縮臂全部展開，臂長L為8 360 mm，最大起質(zhì)量Q為2 900 kg，工作幅度R為2 250 mm，伸縮臂軸線與水平夾角α為69°。另外，基于本設(shè)備結(jié)構(gòu)布局和工作環(huán)境，做如下假設(shè)：吊鉤、抓具均計(jì)入負(fù)載，不再單獨(dú)計(jì)質(zhì)量；考慮主要在室內(nèi)工作，忽略風(fēng)力影響。

圖1 伸縮臂全伸狀態(tài)三維模型

在六邊形截面的力學(xué)分析中，根據(jù)相關(guān)截面尺寸參數(shù)，分別求得1～4節(jié)臂的如下參數(shù)：質(zhì)量，分別為 115、85、115、190 kg；截面積，分別為 3 222、3 925、4 608、5 281 mm4；慣性矩Ix，分別為 1×107、1.9×107、3.1×107、4.7×107mm4；慣性矩Iy，分別為 2×107、3.6×107、5.7×107、8.6×107mm4；斷面模 數(shù)Wx， 分 別 為 1.47×105、2.21×105、3.06×105、4.05×105mm4；斷 面 模 數(shù)Wy， 分 別 為 1.67×105、2.64×105、3.72×105、5×105mm4。

1.2 受力分析

由核電機(jī)器人的工作原理可知，伸縮臂的臂根部與回轉(zhuǎn)平臺連接，可以在垂直面內(nèi)（變幅平面）自由轉(zhuǎn)動；伸縮臂的基本臂部分與變幅油缸相連，因?yàn)樽兎透椎闹翁帪橐磺蜚q，所以在橫向面內(nèi)（回轉(zhuǎn)平面）對吊臂無任何約束。因此，進(jìn)行受力分析時(shí)，可將變幅平面內(nèi)的吊臂視為簡支梁，將回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的吊臂視為懸臂梁[2]。

變幅平面內(nèi)，根據(jù)受力分析可得

式（1）至式（5）中：S為起升拉力；Qt為垂直載荷；Q為起升質(zhì)量；Q0為額定起升質(zhì)量；G0為吊臂自身重力；φ1為起升沖擊系數(shù)，此處φ1=1.1；φ2為動載系數(shù)，此處φ2=1.1；n為起升滑輪組倍率，全伸臂工況下倍率為4；η為起升滑輪組效率，此處為0.985；F為臂架軸向力；Ty為臂架橫向力；Mc為臂端力矩；α為伸縮臂與水平面的夾角；β表示鋼絲繩與伸縮臂的夾角，β=1°；e1為定滑輪與臂軸線的偏心距，e1=600 mm；e2為導(dǎo)向滑輪與臂軸線的偏心距，e2=130 mm；Ncry為變幅平面臨界力；E為彈性模量；Iy為慣性矩；μ1、μ2、μ3均為長度系數(shù)，分別為1.74、1.17、1。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得出：F=44 266 N；Ty=8 917 N；Mc=2.14×107N ·mm ；Ncry=1.41×107N。

回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，根據(jù)受力分析可得：側(cè)向載荷TX包括重物的偏擺載荷Th以及轉(zhuǎn)化到伸縮臂臂端的風(fēng)載荷和慣性載荷Tb。若伸縮臂存在副臂工作，則存在臂端力矩MLZ（無副臂工作則為0）。另外，對于回轉(zhuǎn)平面上收到的軸向力，其與在變幅平面內(nèi)受到的軸向力相同。

式（6）和式（7）中：PH為伸縮臂的慣性力；φ3為慣性系數(shù)，該處φ3=1.5；a為加速度，a=0.1 m/s2；m為伸縮臂質(zhì)量；θ為重物偏擺角，θ=2°；H為起升高度，此處H=8781 mm；Ncrx為回轉(zhuǎn)平面臨界力；Ix為慣性矩；μ3為鋼絲繩長度系數(shù)；C表示風(fēng)力系數(shù)，取C=1.9；L為伸縮臂臂長。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：Tx=876 N；Ncrx=2.05×105N。

1.3 許用應(yīng)力計(jì)算

新型核電機(jī)器人設(shè)備伸縮臂的材料使用高強(qiáng)度HG70鋼板，其屈服強(qiáng)度σs=700 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=782 MPa，屈強(qiáng)比為σs/σb=0.855，因此，基本許用應(yīng)力為[σ]=(0.5σs+0.35σb)/n。當(dāng)強(qiáng)度安全系數(shù)n為1.34時(shí)，得到基本許用應(yīng)力值為465 MPa。

2 伸縮臂有限元仿真分析

2.1 有限元模型建立

伸縮臂的三維模型由SolidWorks創(chuàng)建，再將三維模型轉(zhuǎn)換成*.step格式導(dǎo)入Ansys Workebench中打開。

2.2 材料屬性定義

通過Engineering Data模塊可以定義材料的屬性，伸縮臂的結(jié)構(gòu)材料為高強(qiáng)度HG70鋼材，密度為8 242.5 g/cm3，泊松比為0.3，彈性模量為205 MPa，抗拉強(qiáng)度為690 MPa，屈服強(qiáng)度為590 MPa。

2.3 網(wǎng)格劃分

對模型進(jìn)行離散化網(wǎng)格劃分。單元格的選擇直接影響計(jì)算結(jié)果。若網(wǎng)格類型、尺寸選取不合適，不僅會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的精確度會大大降低，計(jì)算時(shí)間也會延長[4]。對于單元的選取，在此處采用殼單元Shell181進(jìn)行劃分，劃分單元后結(jié)果為nodes：62 710；elements：63 057。

2.4 邊界條件處理

在伸縮臂裝配體模型中有大量的接觸面，將裝配體導(dǎo)入Workbench中系統(tǒng)會將零部件的接觸面自動定義為Bonded類型。對于伸縮臂之間的滑塊部分，因?yàn)槊慷伪壑g不允許接觸面的分離且沿著接觸面有小的無摩擦移動，所以采用No Separation進(jìn)行定義[5]。

伸縮臂的位移約束主要在于臂根部和變幅油缸鉸接處，所以對于后絞點(diǎn)施加remote displacement約束其3個方向的平動自由度（UX、UY、UZ）和2個方向的轉(zhuǎn)動自由度（Roty、Rotz）；將變幅油缸（二力桿構(gòu)件）進(jìn)行梁單元處理，使上絞點(diǎn)施加的約束和油缸下絞點(diǎn)與吊臂后絞點(diǎn)相同，施加displacement約束其3個方向（UX、UY、UZ）的平動自由度。

2.5 結(jié)果分析

由應(yīng)力云圖分析結(jié)果（見圖2）可以看出，伸縮臂的最大應(yīng)力值發(fā)生在兩節(jié)臂之間的滑塊接觸處，臂1、2、3、4出現(xiàn)的最大應(yīng)力值分別為424、449、456、478 MPa，伸縮臂總體出現(xiàn)最大應(yīng)力值為487 MPa。另外，在滑塊與各節(jié)臂接觸處附近的區(qū)域有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象且在臂4處出現(xiàn)的最大應(yīng)力值478 MPa高于材料的屈服強(qiáng)度465 MPa，因此，可以說明各節(jié)臂與滑塊接觸區(qū)域的結(jié)構(gòu)比較薄弱。由于目前起重伸縮臂設(shè)計(jì)制造基本都是采用滑塊連接，可以考慮在設(shè)計(jì)加工時(shí)對滑塊的材料、長度、接觸面積和支持位置進(jìn)行改良，從而降低此處應(yīng)力集中現(xiàn)象[6]。

圖2 總應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

通過使用Ansys Workbench對新型核電機(jī)器人的伸縮臂極限工況做靜力學(xué)分析，充分驗(yàn)證了該新型核電機(jī)器人承載能力的可靠性和結(jié)構(gòu)的合理性。通過伸縮臂的總應(yīng)力云圖和各節(jié)臂的應(yīng)力云圖得出極限工況下伸縮臂的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在臂4與臂3連接處，應(yīng)力結(jié)果為478 MPa，而各節(jié)臂的最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在各臂與滑塊接觸位置，后期可通過改良滑塊來降低應(yīng)力集中現(xiàn)象。另外，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如果結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)的最大等效應(yīng)力低于材料本身的屈服強(qiáng)度，則認(rèn)為該裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)是安全可靠的，所以該新型核電機(jī)器人伸縮臂能夠滿足設(shè)計(jì)要求。