轮胎机械手的动态应力仿真研究

摘要：本论文根据轮胎机械手的工作原理及破坏的主要原因，对连杆机构进行动态应力仿真，找出连杆机构优化设计的依据。

关键词：轮胎机械手ADMAS工作原理动态仿真

随着矿山设备的发展，矿用车辆轮胎机械手也不断更新发展，逐渐向大型化，自动化方向发展，这给轮胎机械手的设计带来了诸多的挑战和难题。设计一种能够代替人力，操作简单，安全实用，适用于大型轮胎拆装、搬运需求的设备成为当务之急。这有利于提高生产效率，降低劳动强度，保证作用安全。研究表明85%的轮胎机械手的破坏发生在连杆机构，这种破坏主要是连杆机构在动态载荷下发生的疲劳失效或者应力屈服破坏。为了解决轮胎机械手连杆机构的破坏难题，本文将对该连杆机构进行动态应力仿真，考场连杆机构在动态载荷的作用下连杆所发生的变化，并提出连杆机构的优化设计方案。

1、轮胎机械手发展状况

国外的轮胎机械手的发展已经十分成熟。第一台轮胎机械手由美国佩蒂伯恩公司生产的Super 20型轮胎夹装机，该机械手具备更换运输卡车和重型设备轮胎的作用，还可以当做叉车使用；该设备显著的特点是高效，大量减少劳动量。改型轮胎机械手主要由以下几个部分组成：前伸式夹持装置，四轮驱动装置，四轮空气制动装置和一台GM型柴油机组成。该装置的最大夹持承载能力在伸出时为4309kg，缩回时为6804kg，夹持装置能够向两侧转动45°，叉架能够左右移动127mm，以准确完成轮胎的定位。此装置能够平稳的夹起轮胎，并将轮胎准确的定位在轮毂螺栓上。

同国外相比，国内轮胎机械手发展起步比较晚，还处于生产小型轮胎拆装机阶段，对于大型轮胎拆装设备的研发还很少。广西柳工集团生产的ZL40B型装载机，使用规格为20.5-25的轮胎，充气后质量为0.4t，最大直径为1.55m。该型装载机的工作机构可以完成动臂的提升和铲斗的旋转动作。拆下铲斗，在动臂斗销的位置上安装水平放置的两只夹持臂。两只夹持臂由液压缸提供动力，可以实现张开和闭合动作。这样，装载机自身动臂的提升、铲斗的旋转外加夹持臂的开合动作就可以满足轮胎拆装的需求，具有操作方便、结构简单、安全可靠等优点。

2、ADMAS软件的介绍

ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。

3、轮胎机械手结构组成

轮胎机械手的主要功能是实现矿山大型车辆轮胎的拆装和搬运。动力源为液压缸，并要求液压动力在适当的荷载下运作，才能使液压工作件高效、平稳、准确的完成液压元件的各项操作动作；而且液压动力源的各项操作可以通过电液伺服控制技术使提高该系统的自动化控制水平。轮胎机械手可以安装在装载机或叉车上，利用装载机和叉车可以将物体举高的现有动作实现垂直地面方向的移动，轮胎机械手自身可以完成对轮胎的夹持、水平移动和两个方向的翻转动作以满足大型轮胎的拆装和搬运过程中所需的各种动作。轮胎机械手执行机构大致由手盘、手臂、转动架、平动架和固定板组成。

4、轮胎机械手工作原理

轮胎机械手的执行是通过手臂上的两支液压缸的伸缩，产生一定的夹紧力同时对两支手臂同步完成手臂的张开和闭合动作，其中最大的夹紧重量为5900kg，夹持距离为1092mm~4060mm；另外手臂上的手盘能够在360°的范围内带动负载以额定转速旋转，旋转力矩和要求转速由安装在手臂的液压马达经过减速器产生，要求旋转过程不能发生打滑现象；同样转动架以2r/min的转速旋转360°，且旋转所需的力矩是由安装在平动架上的液压马达提供；而平动架在水平左右移动所需的动力又安装在平动架和固定板之间的平动液压缸提供，并且可以在300mm的范围里移动；最后，整个装置由固定板安装在装载机或叉车上。

5、动态应力仿真

由研究表明，85%的轮胎机械手主要在连杆机构处发生破坏，而破坏的原因主要是因为动载荷受力不均匀，导致连杆机构疲劳失效和破坏。针对连杆机构的在动载荷下的破坏，探究杆件在受到动载荷时杆件的应力情况。动态应力仿真的步骤是：首先建立轮胎机械手的虚拟样机模型；然后导入到动态分析软件ADAMS中，对样机模型进行约束、驱动使模型模拟整个机械手的运动；最后在ADAMS中记录模型在受到动载荷下，模型的运动状况以及杆件所产生的动态应力。

通过动态软件ADAMS仿真可以直观的轮胎机械手的动作过程，通过修改参数可以看出该机械手的连杆机构在不同载荷下所受到的动应力，根据该动应力的情况设计合理的连杆机构，同时对改进轮胎机械手提供了依据。同时仿真模型和运动过程参数可以为整个机构的优化提供理论依据，继而为快速、准确方便的设计和制造物理样机奠定基础。

同国外相比，国内轮胎机械手发展起步比较晚，还处于生产小型轮胎拆装机阶段，对于大型轮胎机械手的研发还很少。主要原因是国内轮胎机械手的设计中，很少考虑连杆机构在动态载荷下的应力变化情况，在对轮胎机械手的改进和研究过程中我们要充分考虑动态载荷情况，根据动态载荷运用动态仿真软件来模拟其实际情况，这样能节约成本，缩短开发周期。

参考文献：

[1]冯亮,孔德文,孙建军.轮胎机械手动态应力仿真研究[J].煤矿机械, 2011 ,07 .

[2]林建龙,王小北.抓箱机械手选型设计[J].新设备.新材料.新方法,2003(3):70-71.

[3]郑建荣. ADAMS-虚拟样机技术入门与提高[M].北京：机械工业出版社，2002.