油缸液壓特性對噴漿臺車機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的影響

羅春雷，張曰東

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油缸液壓特性對噴漿臺車機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的影響

羅春雷1,2，*張曰東1

（1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室，湖南，長沙 410083； 2.河南耿力工程設(shè)備有限公司，河南，洛陽 471100）

首先利用壓力傳感器測試在實際施工過程中的臂架系統(tǒng)的液壓特性曲線，以此作為機(jī)械臂有限元仿真分析的激勵。同時利用應(yīng)變花進(jìn)行應(yīng)力測試，用以驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。改變油壓特性曲線的峰值，仿真得到不同的結(jié)果。分析仿真結(jié)果，沖擊狀態(tài)下應(yīng)力及振動比靜止?fàn)顟B(tài)下大很多；減小液壓特性曲線的峰值，相應(yīng)的應(yīng)力及振動減小?？梢缘贸鼋Y(jié)論：在施工過程中，液壓特性是影響機(jī)械臂受力和振動的重要因素。

噴漿臺車臂架；液壓特性；沖擊；應(yīng)力；振動

0 引言

噴漿臺車作為混凝土噴射的主要設(shè)備，在隧道施工過程中扮演著十分重要的角色。隧道施工工況復(fù)雜，并且在施工過程中機(jī)械臂頻繁啟停，使得噴漿臺車臂架受到?jīng)_擊載荷的作用，容易出現(xiàn)疲勞破壞。為了保證施工安全及機(jī)械臂的使用壽命，對噴漿臺車機(jī)械臂的強(qiáng)度進(jìn)行研究顯得十分的重要。在噴漿臺車機(jī)械臂強(qiáng)度的研究方面前人做了大量的工作，主要集中在對機(jī)械臂進(jìn)行靜力學(xué)分析并對薄弱位置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對機(jī)械臂的改進(jìn)工作做出了重要的貢獻(xiàn)，但是仍存在不足之處。其不足之處是只分析了機(jī)械臂的應(yīng)力分布，并對應(yīng)力較大位置進(jìn)行加強(qiáng)。[1-2]由于液壓沖擊會對機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及疲勞壽命產(chǎn)生很重要的影響。我認(rèn)為在施工過程中啟停時產(chǎn)生的沖擊是導(dǎo)致機(jī)械臂破壞的主要原因。本文主要研究噴漿臺車施工過程中液壓沖擊對機(jī)械臂的影響。

1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)分析及有限元建模

1.1 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)組成

噴漿臺車機(jī)械臂是由鋼板焊接而成的箱型梁結(jié)構(gòu)。整個機(jī)械臂包括：回轉(zhuǎn)支撐、底座、大臂俯仰油缸、大臂、折疊臂、折疊臂俯仰油缸、伸縮臂、噴頭以及各種回轉(zhuǎn)馬達(dá)。各種噴漿動作由油缸和回轉(zhuǎn)馬達(dá)協(xié)同完成，其中承受載荷最大的是大臂俯仰油缸，其把底座與大臂連接起來。噴漿臺車機(jī)械臂的三維模型如圖1所示。

圖1 機(jī)械臂三維模型

1.2 機(jī)械臂有限元建模

在Hypermesh中建立機(jī)械臂有限元模型，考慮到整個機(jī)械臂基本上都是由鋼板焊接而成的箱型梁。油缸、銷軸以及混凝土管道采用一維單元建模，其余均采用二維殼單元建模[3]。對于機(jī)械臂上的一些小零件（例如：螺栓，墊片等），因其對整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響基本可以忽略，將其省略。噴頭作為機(jī)械臂重要的組成部分，是完成噴漿動作的執(zhí)行者,由于其位于機(jī)械臂的最前端，對于整個臂架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度幾乎沒有影響，加之其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)格劃分難度大，有限元模型中用質(zhì)量單元代替。為了保證有限元模型的整體質(zhì)量和重心位置與實際一致，省略掉的零部件用質(zhì)量單元代替，使得仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確和有說服力。

1）載荷計算

機(jī)械臂自身的重量：

管道中水泥的重量：

2）約束條件施加

3）調(diào)整模型姿態(tài)

圖2 機(jī)械臂運動簡圖

根據(jù)圖2，在任意靜平衡位置，對大臂回轉(zhuǎn)中心o取矩[5]:

根據(jù)三角形關(guān)系：

得到：

在任意靜平衡位置都有:

2 實驗與仿真分析

2.1 油缸壓力測試

根據(jù)計算得到的角度，調(diào)整好噴漿臺車的姿態(tài)。快速啟動大臂，測試油缸壓力。根據(jù)測試所得數(shù)據(jù)，濾波后進(jìn)行處理得到壓力與時間的關(guān)系曲線,以此作為瞬態(tài)仿真分析的動載荷[6]。由圖3可以看出從1.5s~2.4 s是液壓沖擊階段，壓力在2.4 s達(dá)到最大峰值，此后大臂做衰減簡諧運動，油缸壓力做簡諧變化直到平穩(wěn)。

圖3 液壓缸時間－壓力曲線

2.2 應(yīng)力測試

根據(jù)測試所得數(shù)據(jù)，得時間—應(yīng)力曲線如圖4所示。由圖可以看出應(yīng)力變化曲線與圖3的壓力變化曲線存在高度吻合，同樣在2.4 s達(dá)到最大值。

圖4 應(yīng)變片時間—應(yīng)力曲線

Fig.4 Strain gauge time-stress curve

2.3 機(jī)械臂靜態(tài)仿真分析

噴漿臺車臂架系統(tǒng)作為一個典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，在小臂完全伸出時可看作是由三節(jié)臂組合而成。現(xiàn)假設(shè)噴漿臺車底座的剛度無限大可簡化為一個剛體。這樣就可以把臂架系統(tǒng)看成是彈簧－阻尼系統(tǒng)[9]。

結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的特點是不考慮慣性和阻尼的影響。因此，線性靜力學(xué)的數(shù)學(xué)模型可以簡化為：

其中是結(jié)構(gòu)總體剛度矩陣；是節(jié)點位移向量；是外載荷（這里是重力）。

在只受重力的作用下，對機(jī)械臂進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。材料為Q235，彈性模量E=2.06E11N/m2，泊松比NU=0.3，密度RHO=7850kg/m3，網(wǎng)格厚度根據(jù)實測尺寸進(jìn)行設(shè)定。因只考慮重力作用下機(jī)械臂的應(yīng)力分布情況，Load Collectors中Card image選擇GRAV，設(shè)置G=9.8m/s2，N1=-1,N2=0,N3=0，重力方向與坐標(biāo)軸負(fù)方向一致。考慮到實際工作時，大臂底板槽口圓弧處經(jīng)常出現(xiàn)開裂，把此處作為重點研究對象。大臂底板槽口處的應(yīng)力云圖及大臂位移云圖如圖5所示。大臂底板槽口圓弧處為144.7MPa，大臂位移為10.3 mm。

2.4 機(jī)械臂瞬態(tài)動學(xué)力分析

瞬態(tài)動力學(xué)分析是確定隨時間變化載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)問題。載荷是與時間有關(guān)的力、位移；結(jié)果是位移、速度、加速度、力、應(yīng)力和應(yīng)變。瞬態(tài)動力學(xué)分析計算以矩陣形式初始條件求解下列運動方程結(jié)構(gòu)響應(yīng)[11]:

使用Newmark Beta方法直接求解運動方程。在瞬態(tài)響應(yīng)[10]分析中不允許使用復(fù)阻尼系數(shù)，因此，使用等效粘性阻尼包括結(jié)構(gòu)阻尼。阻尼矩陣B由以下幾部分組成：

圖6 油缸沖擊載荷曲線

Fig.6 Cylinder impact load curve

3 液壓特性對結(jié)構(gòu)應(yīng)力及振動的影響

在工作過程中，液壓沖擊會對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及疲勞壽命產(chǎn)生重要的影響[12]。液壓沖擊作為外部激勵，最重要的參數(shù)是最大沖擊力的大小，其反映在液壓特性曲線上即峰值的大小。為了更加直觀地感受液壓沖擊對機(jī)械臂應(yīng)力及振動的影響，改變峰值的大小，時間不變，仿真得到機(jī)械臂應(yīng)力及振幅。

3.1 改變液壓特性曲線峰值

將壓力特性曲線的峰值減小10%，20%，30%，…，90%，時間不變，以此作為外部激勵。峰值減小50%時，仿真結(jié)果如圖8所示。大臂底板槽口圓弧處的應(yīng)力為168 MPa，大臂位移為13.66 mm。

表1 沖擊力-應(yīng)力-位移

由于篇幅有限，各仿真結(jié)果沒有一一截圖展示，將不同沖擊載荷作用下仿真得到的大臂應(yīng)力、位移量整理如表1所示。沖擊載荷作用下大臂應(yīng)力位移比靜力作用下明顯增大。

4 結(jié)論

1）在噴漿臺車實際工作的情況下，采用應(yīng)變花和壓力傳感器進(jìn)行測試，得出在啟停狀態(tài)下機(jī)械臂的應(yīng)力和油缸壓力。為后續(xù)的分析工作提供了可靠的數(shù)據(jù)資料。

2）根據(jù)2.2中應(yīng)力實驗測得的應(yīng)力與瞬態(tài)分析結(jié)果對比，最大值基本相同且時間都在2.4s時。驗證了有限元模型的準(zhǔn)確性。

3）結(jié)合測試與仿真得出結(jié)論：通過靜力與瞬態(tài)分析，沖擊狀態(tài)下機(jī)械臂的應(yīng)力與變形明顯增大。由表1中的數(shù)據(jù)可以看到，機(jī)械臂的應(yīng)力和變形量與沖擊載荷之間存在著一定的線性關(guān)系。當(dāng)啟動時間一定時，隨著液壓特性曲線峰值的減小，沖擊力減小，應(yīng)力與振幅也相應(yīng)地減小。啟動過程變得“柔和”時，可以減小機(jī)械臂的應(yīng)力，增加其疲勞壽命。

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Influence of hydraulic characteristics of cylinder on the structure of the mechanical arm of shotcrete

LUO Chun-lei，*Zhang Yue-dong

(1. State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Henan Gengli Engineering Equipment Co., Ltd., Luoyang 471100, China)

Firstly, the hydraulic characteristic curve of the boom system in the actual construction process is tested by the pressure sensor, which is used as the incentive for the finite element simulation analysis of the mechanical arm.At the same time, strain test is used to perform stress test to verify the accuracy of the simulation results.Changing the peak value of the hydraulic characteristic curve can result in different simulation results. Simulation results show that the stress and vibration under impact are much larger than which are at rest; The reduction of the peak value of the hydraulic characteristic curve will lead to the reduction of the corresponding stress and vibration.It can be concluded that the hydraulic characteristics are important factors affecting the force and vibration of the mechanical arm during the construction process.

shotcrete trolley; hydraulic characteristics; impact; stress; vibration

1674-8085(2019)01-0063-05

TP241

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2019.01.013

2018-09-29；

2018-11-16

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（863）計劃（SS2012AA041809）；高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室自主研究課題(zzyjkt2014-08)

羅春雷（1968-），男，江西高安人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)電液集成控制技術(shù)研究(E-mail:1874687359@qq.com)；

*張曰東（1991-），男，山東德州人，碩士生，主要從事機(jī)械設(shè)計理論與動力學(xué)仿真技術(shù)研究(E-mail:2444091331@qq.com).