煤礦管道抓管裝置的設(shè)計及其模態(tài)與諧響應(yīng)分析

0 引言

在煤礦生產(chǎn)過程中，管道系統(tǒng)承擔(dān)著輸送煤漿、氣體、水等重要流體的任務(wù)，是煤礦生產(chǎn)不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施。傳統(tǒng)的煤礦管道安裝主要依賴人工完成，存在勞動強(qiáng)度大、效率低、安全隱患多等問題。在井下復(fù)雜多變的環(huán)境中，人工安裝不僅耗時耗力，還容易受到空間限制和惡劣環(huán)境的影響，導(dǎo)致安裝質(zhì)量難以保證，甚至引發(fā)安全事故。馮輝等人[采用ANSYS有限元法，對折臂式高空作業(yè)車作業(yè)臂在不同風(fēng)載作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析以及諧響應(yīng)分析。陳瑞云等人[2]設(shè)計了一種新型巷道機(jī)器人機(jī)械手抓，實現(xiàn)了管道夾持，通過有限元完成了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。楊豐宇[3設(shè)計了再熱器管道檢測機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案，通過對夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析和實驗提出了控制系統(tǒng)改進(jìn)方法。閆俏[4]等人采用ANSYS有限元進(jìn)行了振動盤模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，通過仿真分析為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。費燁[5]等人設(shè)計了煤礦管道安裝機(jī)器人，利用AMESim建模與仿真平臺和Simcenter3D軟件建立了結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真。

本文根據(jù)煤礦管道安裝需求，研究了抓管裝置的整體設(shè)計方案，并采用Solidworks仿真軟件對抓管裝置進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，以期為煤礦管道安裝施工提供一種更加高效、安全、穩(wěn)定可靠的解決方案，推動煤礦生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。

1抓管裝置整體設(shè)計方案

1.1 結(jié)構(gòu)組成

抓管裝置位于運輸機(jī)器人頂部，主要由多關(guān)節(jié)液壓機(jī)械臂和夾爪組成。多關(guān)節(jié)液壓機(jī)械臂可實現(xiàn)6個自由度運動，滿足管道安裝過程中不同位置姿態(tài)的運動。夾爪開合角度可調(diào)整，以適應(yīng)抓取不同管徑的管道。運輸機(jī)器人底盤具有靈活高效的運動能力，適用于井下狹窄受限空間內(nèi)的物料運輸，與抓管裝置結(jié)合使用，可有效提高管道安裝效率。抓管裝置如圖1所示。

1.2工作原理

1.2.1 管道安裝工藝流程

管道安裝工藝流程如下：定位抓取→移動 $$ 姿態(tài)調(diào)整 $$ 釋放安裝。運輸機(jī)器人將抓管裝置移動到取料點，液壓機(jī)械臂根據(jù)預(yù)設(shè)的程序或操作人員的指令，調(diào)整姿態(tài)和位置，使夾爪能夠準(zhǔn)確地對準(zhǔn)管道，夾爪閉合并夾緊管道。夾爪夾緊管道后，通過液壓機(jī)械臂將管道從取料位置移動到目標(biāo)安裝位置。移動過程中多關(guān)節(jié)液壓機(jī)械臂需要不斷調(diào)整姿態(tài)和位置，以保持管道的平衡和穩(wěn)定。當(dāng)機(jī)械臂將管道移動到目標(biāo)位置后，機(jī)械臂繼續(xù)調(diào)整姿態(tài)和位置，使夾爪能夠準(zhǔn)確地對準(zhǔn)安裝位置。夾爪張開并釋放管道，即可完成管道的抓取、運輸和就位。

1.2.2多關(guān)節(jié)液壓機(jī)械臂工作原理

多關(guān)節(jié)液壓機(jī)械臂是抓管裝置的關(guān)鍵部件，利用液壓驅(qū)動實現(xiàn)高精度、高速度和高靈活性的運動控制。機(jī)械臂底部安裝回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可實現(xiàn) 360^° 旋轉(zhuǎn)。液壓泵站的壓力油通過換向閥泵送給液壓缸，推動液壓缸的活塞桿伸縮，實現(xiàn)機(jī)械臂動作。液壓缸的推力推動機(jī)械臂的每個關(guān)節(jié)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或伸縮，實現(xiàn)6個自由度的運動。這6個自由度包括1個底部回轉(zhuǎn)運動和5個圍繞各個鉸接點的旋轉(zhuǎn)運動，使得機(jī)械臂能夠靈活調(diào)整姿態(tài)和位置，以適應(yīng)管道安裝過程中的各種復(fù)雜動作需要。

1.2.3夾爪工作原理

夾爪的作用是抓取和釋放管道，其開合動作由液壓缸驅(qū)動。當(dāng)需要抓取管道時，液壓缸驅(qū)動夾爪的爪部閉合，將管道夾緊；當(dāng)需要釋放管道時，液壓缸反向驅(qū)動，使夾爪的爪部張開，將管道釋放。通過調(diào)整夾爪驅(qū)動液壓缸的伸縮量，調(diào)整夾爪的開合角度，以適應(yīng)抓取不同管徑的管道。在管道抓取之前，根據(jù)管道的直徑大小，進(jìn)行夾爪開合角度的調(diào)整，控制合適的夾爪開合角度，確保夾爪能夠穩(wěn)定地抓取和釋放管道。

2抓管裝置的主要技術(shù)參數(shù)

抓管裝置采用高強(qiáng)度材料制造，具有較大的承載能力，能夠穩(wěn)定抓取管道并進(jìn)行安裝作業(yè)。根據(jù)井下管道安裝、檢修實際需求，設(shè)置該抓管裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3模型的建立與模態(tài)分析

3.1 模型的建立

依據(jù)抓管裝置的主要技術(shù)參數(shù)、利用SolidWorks軟件，構(gòu)建抓管裝置的三維實體模型。由于抓管裝置實體模型比較復(fù)雜，為便于仿真分析，在確保不影響計算精度的前提下，將模型設(shè)計中對整體裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度影響不大的零件，進(jìn)行合理簡化處理。對模型設(shè)計中的倒角、孔位以及凸緣等特征進(jìn)行刪除處理，以便節(jié)約計算資源，提高仿真效率。

抓管裝置各支撐臂采用板材焊接而成，主要材質(zhì)為Q235A，預(yù)設(shè)各零件材質(zhì)質(zhì)量密度為 7800kg/m³ ，泊松比為0.28。將底部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作為底座，固定約束；機(jī)械臂各關(guān)節(jié)以銷軸進(jìn)行鉸接連接，設(shè)置為接觸約束。采用Free網(wǎng)格方法對簡化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型完成網(wǎng)格劃分節(jié)點數(shù)為82340，單元總數(shù)為41959。

3.2 模態(tài)分析

抓管裝置最大載荷為 500kg ，對抓管裝置的十二階模態(tài)進(jìn)行分析計算，最終得到各模態(tài)的頻率響應(yīng)如圖2所示。

由模態(tài)振型得出，該抓管裝置的振動是垂直上下振動和扭轉(zhuǎn)變形。在六階模態(tài)時，中臂的變形量最大，發(fā)生在小臂與中臂鉸接處，振幅最大偏移量為 0.1489mm 。從第七階模態(tài)開始，液壓缸的變形逐漸變大。在十二階模態(tài)時，液壓缸變形量最大，振幅最大偏移量為0.3836mm 。各階模態(tài)振型如圖3至圖6所示。

4諧響應(yīng)計算與分析

4.1 諧響應(yīng)計算

分析抓管裝置結(jié)構(gòu)在已知頻率和幅值的正弦變化載荷作用下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。利用SolidWorks軟件動力學(xué)諧響應(yīng)分析計算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動，發(fā)生在激勵開始時的振動不在諧響應(yīng)分析考慮中。諧響應(yīng)分析運動方程如下：

式中： [M] 為質(zhì)量矩陣；［C］為阻尼矩陣； [K] 為剛度矩陣； F 為節(jié)點載荷； θ 為激振力頻率。其位移響應(yīng)公式如下：

|x|=|A|sin（θt+φ）

式中： x 為位移響應(yīng)， A 為位移幅值向量， 4 為位移響應(yīng)滯后激勵載荷的相位角。

約束條件與模態(tài)分析相同，抓管裝置在作業(yè)過程中所受負(fù)載主要是管道載荷，該載荷根據(jù)不同作業(yè)任務(wù)而變化，主要負(fù)載為2kN、3kN、5kN，所施加的載荷以規(guī)定的頻率范圍變化，載荷施加包括作用力、相位角和頻率加載。

4.2諧響應(yīng)分析

通過模態(tài)分析，確定了抓管裝置的振型特性，得到了結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。在模態(tài)分析中發(fā)現(xiàn)，低階模態(tài)對振型的影響最大，而高階模態(tài)對振型的影響很小，且隨著階次的增加，對振型的影響也越來越小。

在頻率諧響應(yīng)分析時，將模態(tài)分析中得到的12個頻率作為諧振響應(yīng)的頻域，即振動頻率 0～70Hz 之間。在此基礎(chǔ)上，利用模式疊加方法，得到抓管裝置負(fù)載分別為2kN、3kN、5kN時，頻率振幅響應(yīng)曲線如圖7至圖9所示。

由圖7至圖9可知，不同負(fù)載作用時，頻率與振幅響應(yīng)規(guī)律一致，在頻率范圍內(nèi)有兩個頻率點振幅最大，為該裝置的共振點。振幅峰值的大小與負(fù)載成線性關(guān)系，即負(fù)載作用力越大，振幅峰值越大。為此，在工作時，應(yīng)避免外部激勵頻率處于共振頻率附近。

5結(jié)束語

本文對煤礦管道抓管裝置進(jìn)行了整體設(shè)計，并對其進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，為抓管裝置的設(shè)計與優(yōu)化提出了理論支持。采用SolidWorks模態(tài)分析仿真軟件，對不同載荷作用下的抓管裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，建立結(jié)構(gòu)模型、設(shè)置其材質(zhì)、選取網(wǎng)格單元類型并劃分網(wǎng)格、施加約束與載荷，對抓管裝置的模態(tài)進(jìn)行仿真分析。通過模態(tài)分析獲得抓管裝置結(jié)構(gòu)的共振特性，避免設(shè)計的抓管裝置結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，確保抓管裝置結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)受不同頻率的各種載荷。

由模態(tài)分析結(jié)果得出，抓管裝置的固有頻率與模態(tài)階數(shù)呈正相關(guān)，液壓機(jī)械臂的關(guān)節(jié)臂最大振幅出現(xiàn)在六階模態(tài)，液壓缸最大變形出現(xiàn)在第十二階模態(tài)，相應(yīng)模態(tài)下需要注意結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由諧響應(yīng)分析結(jié)果得出，載荷作用力與最大振幅呈正相關(guān)，頻率范圍內(nèi)共振頻率有兩個峰值點，工作時要避免外部激勵頻率處于共振頻率附近。

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