工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及特性分析

程川航

摘要：隨著建設(shè)生產(chǎn)工作要求的不斷升高，其對(duì)工程機(jī)械臂性能的要求也產(chǎn)生了一些變化?；诖耍疚闹饕槍?duì)剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)、等效有限元進(jìn)行分析，并參照工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，分別從運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)態(tài)優(yōu)化兩方面提出改善工程機(jī)械臂特性的可行方法，為工程機(jī)械臂的實(shí)踐設(shè)計(jì)工作提供良好的理論參考，進(jìn)而提升工程機(jī)械臂系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械臂系統(tǒng)；動(dòng)力學(xué)；動(dòng)態(tài)特性

前言：作為現(xiàn)代建設(shè)生產(chǎn)物料搬運(yùn)的重要工具，工程機(jī)械臂的應(yīng)用節(jié)約了大量的人力及物力資源。在這種背景中，工程機(jī)械臂的頻繁損傷、故障問題引發(fā)了人們對(duì)工程機(jī)械臂系統(tǒng)性能的擔(dān)憂。為了滿足實(shí)際物料搬運(yùn)工作對(duì)工程機(jī)械臂的要求，需在充分分析工程機(jī)械臂存在不足的基礎(chǔ)上，運(yùn)用適宜的方法開展合理的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一、工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

為了更好地分析工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，這里以液壓挖掘機(jī)工作裝置機(jī)械臂為例，分別從以下幾方面入手，進(jìn)行細(xì)化分析：

（一）剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)方面

1. 結(jié)構(gòu)要素分析

從結(jié)構(gòu)來看，液壓挖掘機(jī)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的組成要素主要包含液壓驅(qū)動(dòng)缸、末端鏟斗、動(dòng)臂以及斗桿等。為了將工程機(jī)械臂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)變得更加清晰，可分別根據(jù)其末端鏟斗、斗桿等的結(jié)構(gòu)分布，建立相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，以便利用該運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系及相關(guān)方法，分析工程機(jī)械臂各組成要素的動(dòng)能、勢(shì)能。

2. 動(dòng)力學(xué)模型

將液壓挖掘機(jī)的柔性機(jī)械臂作為參照，利用其廣義坐標(biāo)系，于工程機(jī)械臂系統(tǒng)拉格朗日方程中帶入重力勢(shì)能、動(dòng)能以及彈性勢(shì)能的數(shù)值，獲取柔性機(jī)械臂的廣義坐標(biāo)力，參照虛功原理將該機(jī)械臂廣義驅(qū)動(dòng)力所做的功精確計(jì)算出來，最終通過整理，獲得柔性機(jī)械臂的柔性動(dòng)力學(xué)方程。經(jīng)上述分析可知，液壓挖掘機(jī)工作裝置機(jī)械臂系統(tǒng)的彈性運(yùn)動(dòng)、剛性運(yùn)動(dòng)相互耦合特征。

（二）等效有限元方面

在工程機(jī)械臂系統(tǒng)的等效有限元分析中，可將液壓挖掘機(jī)工作裝置機(jī)械臂作為原型，利用相關(guān)動(dòng)力學(xué)分析軟件，開展工程機(jī)械臂仿真分析。在整個(gè)仿真過程中，將液壓挖掘機(jī)機(jī)械臂系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)信息輸入動(dòng)力學(xué)分析軟件中，運(yùn)用分析軟件的參數(shù)化建模功能，完成工程機(jī)械臂三維模型的建立。同時(shí)，運(yùn)用軟件參數(shù)化建模功能逐一完成鏟斗液壓缸、斗桿等結(jié)構(gòu)要素的裝配工作，所有配件的建模工作完成后，將其組裝在一起，形成完整的工作裝置機(jī)械臂裝配。最后運(yùn)用液壓挖掘機(jī)機(jī)械臂三維模型開展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析。在仿真模擬過程中，挖掘作為液壓挖掘機(jī)機(jī)械臂系統(tǒng)的基本動(dòng)作，確保其動(dòng)作設(shè)置準(zhǔn)確的重要性不言而喻。參照液壓挖掘機(jī)的運(yùn)用狀況，這里將挖掘動(dòng)作流程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為：下放鏟斗、開展挖掘作業(yè)、提高鏟斗高度、將鏟斗旋轉(zhuǎn)90度、下放鏟斗、旋轉(zhuǎn)歸位。除了鏟斗的動(dòng)作外，整個(gè)挖掘仿真過程還需要借助動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸等的配合。

二、工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性分析

工程機(jī)械臂系統(tǒng)（液壓挖掘機(jī)工作裝置機(jī)械臂）的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性分析可通過如下方法完成：

（一）運(yùn)動(dòng)分析方面

通過我國(guó)當(dāng)前工程機(jī)械臂應(yīng)用狀況的分析可知，目前，這種系統(tǒng)已經(jīng)在開采工程、建筑施工等領(lǐng)域得到了廣泛的推廣應(yīng)用。在實(shí)際工程施工過程中，工程機(jī)械臂的施工質(zhì)量主要受到機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的影響。

為了更好地分析機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，這里將單斗反鏟機(jī)械臂系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)其運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析：在工作狀態(tài)下，液壓控制系統(tǒng)最先開始作用，促使系統(tǒng)的動(dòng)臂液壓缸產(chǎn)生一定壓力，借助壓力帶動(dòng)動(dòng)臂圍繞系統(tǒng)鉸點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，斗桿液壓缸也會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，在這種壓力作用的趨勢(shì)下，斗桿開始將系統(tǒng)的上鉸點(diǎn)作為中心進(jìn)行擺動(dòng)[1]。而在鏟斗正式被鉸接于斗桿上之前，鏟斗液壓缸借助壓力作用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連桿、搖桿同時(shí)進(jìn)行作用，促使鏟斗圍繞系統(tǒng)的前鉸點(diǎn)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。

經(jīng)過上述分析可知，液壓挖掘機(jī)機(jī)械臂這種多體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性優(yōu)勢(shì)主要在于：其復(fù)雜組成為其在實(shí)踐工作中的應(yīng)用提供了靈活的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。當(dāng)因施工需要要求變換方向或位置時(shí)，液壓挖掘機(jī)機(jī)械臂可于任意角度、任務(wù)范圍進(jìn)行變更調(diào)整。由于這種工程機(jī)械臂受力、運(yùn)動(dòng)流程的復(fù)雜性，其實(shí)際挖掘效率、施工質(zhì)量與動(dòng)力學(xué)特性之間的關(guān)聯(lián)也變得十分密切。

（二）動(dòng)態(tài)優(yōu)化方面

隨著工程機(jī)械臂應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，工程機(jī)械臂在幫助人們快速完成物料搬運(yùn)任務(wù)的同時(shí)，工程機(jī)械臂系統(tǒng)的使用問題也逐漸受到越來越多人的關(guān)注。

從本質(zhì)角度來講，工程機(jī)械臂系統(tǒng)使用壽命的縮短主要與其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性設(shè)計(jì)、實(shí)際結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的關(guān)系有關(guān)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，若工程機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性設(shè)計(jì)的要求范疇，則工程機(jī)械臂系統(tǒng)的整體使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)，機(jī)械臂能夠在開采施工、建筑施工等領(lǐng)域發(fā)揮出極大的價(jià)值。相反，當(dāng)工程機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度超出結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在使用過程中，工程機(jī)械臂系統(tǒng)很容易出現(xiàn)損傷或相關(guān)故障問題。

因此，參照機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。在動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，將工程機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果作為基本資料，按照動(dòng)力學(xué)特性設(shè)計(jì)的限值，對(duì)機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化，引入增廣拉格朗日乘子法，確定當(dāng)前工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化值，最后利用所得優(yōu)化參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化更新，實(shí)現(xiàn)提高工程機(jī)械臂系統(tǒng)性能的目的[2]。

除了上述方法之外，工程機(jī)械臂系統(tǒng)特性的優(yōu)化工作還可以借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來完成。借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射功能，對(duì)工程機(jī)械臂中不同動(dòng)態(tài)特性間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行自動(dòng)模擬分析，如利用非線性映射能力確定機(jī)械臂系統(tǒng)二階固有頻率、系統(tǒng)工作裝置設(shè)計(jì)變量的函數(shù)關(guān)系。為優(yōu)化對(duì)象工程機(jī)械臂系統(tǒng)建立對(duì)應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，運(yùn)用遺傳算法逐一將機(jī)械臂模型各參數(shù)的最優(yōu)化數(shù)據(jù)確定出來，最后利用上述參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低工程機(jī)械臂的最大動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)改善工程機(jī)械臂動(dòng)態(tài)特性的目的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化處理后，與原工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性相比，優(yōu)化后的最大動(dòng)位移、最大動(dòng)應(yīng)力分別減少49%、54%。因此可認(rèn)為，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法能夠有效改善工程機(jī)械臂系統(tǒng)的性能，提升機(jī)械臂工作效率與工作質(zhì)量。

結(jié)論：通過上述分析可知，分析工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及特性能夠?yàn)闄C(jī)械臂系統(tǒng)的性能優(yōu)化提供可靠的理論基礎(chǔ)。針對(duì)目前工程機(jī)械臂系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用現(xiàn)狀，可將工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果作為基礎(chǔ)，通過分析運(yùn)動(dòng)特性的方式評(píng)估工程機(jī)械臂的性能，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，得出工程機(jī)械臂系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化數(shù)值，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得優(yōu)化后的工程機(jī)械臂系統(tǒng)更加符合建筑施工的高強(qiáng)度工作要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫敦元. 工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及特性研究[J]. 中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2017，（01）：176-177.

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