多功能作业车机械臂的稳定性研究

 
摘  要：对多功能作业车机械臂的组成及特点进行了介绍，对机械臂的稳定性进行了计算，对三级机械臂的应力应变水平进行了分析，保证了机械臂的结构稳定性，确保了机械臂的正常工作，解决了多级机械臂在作业车上应用的这一课题。
关键词：多功能；机械臂；稳定性；应力

0  引言

0.1  主要研究内容和目的

本课题是某公司的研发项目，具有较高的实用性和参考性，目前多功能作业车已在厂区试运行，机械臂抗倾覆能力较强，机械臂应力应变水平适中，运行状态良好。

0.2  机械臂介绍

机械臂是多功能车进行作业的主要机构，本课题中的机械臂主要是用来抓取棒料，机械手有两个半爪，机械手伸缩油缸往复运动带动半爪夹紧/放松，机械手夹紧状态如图 1 所示，机械臂的主要结构均采用盒形截面，可有效提高机械臂的使用寿命。

1  机械臂的组成和特点

1.1  机械臂的组成

该机械臂，包括一级机械臂、二级机械臂、三级机械臂、小连杆、大连杆、折叠臂、机械手、回转支承、液压马达、各类油缸等，机械臂的组成如图2所示。

1.2  机械臂的特点

该机械臂有别于传统的起重臂（起重机械）的最大特点是：机械臂不仅可以起吊，而且机械手可完成所抓取道木（圆）的竖立动作，机械手还可360°旋转，同时折叠臂可实现0°～180°折叠，折叠后机械臂可缩至最短，机械臂缩回至最短状态，如图3所示。 机械臂额定抓举载荷约250 kg，机械手抓举物料最大直径300 mm；机械臂具有旋转、俯仰和伸缩3个运动自由度，机械手可绕主臂180°旋转1个自由度，具有转动和开合2个自由度。机械臂在多功能车上的转角为0°～90°，通过回转支承实现，液压马达为回转支承提供动力。

2  机械臂稳定性计算

多功能车无风静止下稳定性条件必须满足∑M逆+∑M顺≥0。选取逆时针方向的转矩∑M逆为正，则顺时针方向的转矩∑M顺为负，表1为多功能车稳定性计算时的相关参数（工况一和工况二），工况一：机械臂举升在53°时的状态，如图4所示；工况二：机械臂摆平时的状态，如图5所示；表2为多功能车稳定性计算时的相关参数（工况三），工况三：机械臂旋转到极限位置（90°）的状态，如图6所示，机械手载荷系数均取1.25（参照YTQU160履带式起重机）。 表1  稳定性计算的相关参数

参    数	项 目 内 容	工况一参数值	工况二参数值
/N	除机械臂外整机自重	27 195	27 195
/m	重力（除机械臂外整机自重） 到前倾覆线距离	0.784 5	0.784 5
PQ/N	机械手载荷	2 450	2 450
RQ/m	吊具垂线距前倾覆线水平距离	0.896	2.626
/N	机械臂自重	2 940	2 940
/m	重力（机械臂）到前倾覆线距离	0.017	0.602
L/m	机械臂最长工作范围	3.4	3.4

表2  稳定性计算的相关参数

参    数	项 目 内 容	工况三参数值
/N	除机械臂外整机自重	27 195
/m	重力（除机械臂外整机自重） 到右倾覆线距离	0.67
/N	机械手载荷	2 450
/m	吊具垂线距右倾覆线水平距离	3.5
/N	机械臂自重	2 940
/m	重力（机械臂）到右倾覆线距离	1.476
L/m	机械臂最长工作范围	3.4

 
∑M逆+∑M顺，工况一稳定；
∑M逆+∑M顺，工况二稳定；
∑M逆+∑M顺，工况三稳定。
综上：机械臂具备抗倾覆能力，多功能车不会沿前倾覆线/右倾覆线倾覆。

3  机械臂应力应变水平

根据上述载荷，设置三级机械臂的重心，用ANSYS软件对三级机械臂进行应力分析，得出三级机械臂的应力云图，如图7所示。从左至右，分别为一级机械臂、二级机械臂及折叠臂的应力云图。

部件	mises应力 /MPa	最大拉应力 /MPa	屈服强度 /MPa	疲劳极限强度 /MPa	屈服安全 系数	疲劳安全 系数
一级臂	180	150	345	220	1.916 666 667	1.466 666 667
二级臂	139	116	345	220	2.482 014 388	1.896 551 724
折叠臂	200	138	345	220	1.725	1.594 202 899

 
从表3可以看出，机械臂的最大mises应力为200 MPa，最大拉应力为150 MPa，屈服强度为345 MPa，疲劳极限强度为220 MPa，均在正常范围内；屈服安全系数和疲劳安全系数均小于3，机械臂是可靠的。

4  结束语

目前该多功能车在厂区进行抓举木料试验，机械臂运行情况良好，未发生倾覆，也未发生开裂，各项性能满足设计要求。
通过对机械臂的设计与研究，对机械臂的抗倾覆能力进行了介绍和分析，利用ANSYS分析软件进行建模，并对机械臂的三级机械臂进行了应力应变水平分析，对其他作业车机械臂的设计具有参考意义。