油缸液压特性对喷浆台车机械臂结构的影响

罗春雷，张曰东



油缸液压特性对喷浆台车机械臂结构的影响

罗春雷1,2，*张曰东1

（1.中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，湖南，长沙 410083； 2.河南耿力工程设备有限公司，河南，洛阳 471100）

首先利用压力传感器测试在实际施工过程中的臂架系统的液压特性曲线，以此作为机械臂有限元仿真分析的激励。同时利用应变花进行应力测试，用以验证仿真结果的准确性。改变油压特性曲线的峰值，仿真得到不同的结果。分析仿真结果，冲击状态下应力及振动比静止状态下大很多；减小液压特性曲线的峰值，相应的应力及振动减小。可以得出结论：在施工过程中，液压特性是影响机械臂受力和振动的重要因素。

喷浆台车臂架；液压特性；冲击；应力；振动

0 引言

喷浆台车作为混凝土喷射的主要设备，在隧道施工过程中扮演着十分重要的角色。隧道施工工况复杂，并且在施工过程中机械臂频繁启停，使得喷浆台车臂架受到冲击载荷的作用，容易出现疲劳破坏。为了保证施工安全及机械臂的使用寿命，对喷浆台车机械臂的强度进行研究显得十分的重要。在喷浆台车机械臂强度的研究方面前人做了大量的工作，主要集中在对机械臂进行静力学分析并对薄弱位置进行优化改进，对机械臂的改进工作做出了重要的贡献，但是仍存在不足之处。其不足之处是只分析了机械臂的应力分布，并对应力较大位置进行加强。[1-2]由于液压冲击会对机械臂的结构强度以及疲劳寿命产生很重要的影响。我认为在施工过程中启停时产生的冲击是导致机械臂破坏的主要原因。本文主要研究喷浆台车施工过程中液压冲击对机械臂的影响。

1 机械臂结构分析及有限元建模

1.1 机械臂的结构组成

喷浆台车机械臂是由钢板焊接而成的箱型梁结构。整个机械臂包括：回转支撑、底座、大臂俯仰油缸、大臂、折叠臂、折叠臂俯仰油缸、伸缩臂、喷头以及各种回转马达。各种喷浆动作由油缸和回转马达协同完成，其中承受载荷最大的是大臂俯仰油缸，其把底座与大臂连接起来。喷浆台车机械臂的三维模型如图1所示。

图1 机械臂三维模型

1.2 机械臂有限元建模

在Hypermesh中建立机械臂有限元模型，考虑到整个机械臂基本上都是由钢板焊接而成的箱型梁。油缸、销轴以及混凝土管道采用一维单元建模，其余均采用二维壳单元建模[3]。对于机械臂上的一些小零件（例如：螺栓，垫片等），因其对整体结构强度的影响基本可以忽略，将其省略。喷头作为机械臂重要的组成部分，是完成喷浆动作的执行者,由于其位于机械臂的最前端，对于整个臂架的结构强度几乎没有影响，加之其结构复杂，网格划分难度大，有限元模型中用质量单元代替。为了保证有限元模型的整体质量和重心位置与实际一致，省略掉的零部件用质量单元代替，使得仿真结果更加准确和有说服力。

1）载荷计算

机械臂自身的重量：

管道中水泥的重量：

2）约束条件施加

3）调整模型姿态

图2 机械臂运动简图

根据图2，在任意静平衡位置，对大臂回转中心o取矩[5]:

根据三角形关系：

得到：

在任意静平衡位置都有:

2 实验与仿真分析

2.1 油缸压力测试

根据计算得到的角度，调整好喷浆台车的姿态。快速启动大臂，测试油缸压力。根据测试所得数据，滤波后进行处理得到压力与时间的关系曲线,以此作为瞬态仿真分析的动载荷[6]。由图3可以看出从1.5s~2.4 s是液压冲击阶段，压力在2.4 s达到最大峰值，此后大臂做衰减简谐运动，油缸压力做简谐变化直到平稳。

图3 液压缸时间－压力曲线

2.2 应力测试

根据测试所得数据，得时间—应力曲线如图4所示。由图可以看出应力变化曲线与图3的压力变化曲线存在高度吻合，同样在2.4 s达到最大值。

图4 应变片时间—应力曲线

Fig.4 Strain gauge time-stress curve

2.3 机械臂静态仿真分析

喷浆台车臂架系统作为一个典型的悬臂梁结构，在小臂完全伸出时可看作是由三节臂组合而成。现假设喷浆台车底座的刚度无限大可简化为一个刚体。这样就可以把臂架系统看成是弹簧－阻尼系统[9]。

结构静力学的特点是不考虑惯性和阻尼的影响。因此，线性静力学的数学模型可以简化为：

其中是结构总体刚度矩阵；是节点位移向量；是外载荷（这里是重力）。

在只受重力的作用下，对机械臂进行静力学仿真分析。材料为Q235，弹性模量E=2.06E11N/m2，泊松比NU=0.3，密度RHO=7850kg/m3，网格厚度根据实测尺寸进行设定。因只考虑重力作用下机械臂的应力分布情况，Load Collectors中Card image选择GRAV，设置G=9.8m/s2，N1=-1,N2=0,N3=0，重力方向与坐标轴负方向一致。考虑到实际工作时，大臂底板槽口圆弧处经常出现开裂，把此处作为重点研究对象。大臂底板槽口处的应力云图及大臂位移云图如图5所示。大臂底板槽口圆弧处为144.7MPa，大臂位移为10.3 mm。

2.4 机械臂瞬态动学力分析

瞬态动力学分析是确定随时间变化载荷作用下结构的响应问题。载荷是与时间有关的力、位移；结果是位移、速度、加速度、力、应力和应变。瞬态动力学分析计算以矩阵形式初始条件求解下列运动方程结构响应[11]:

使用Newmark Beta方法直接求解运动方程。在瞬态响应[10]分析中不允许使用复阻尼系数，因此，使用等效粘性阻尼包括结构阻尼。阻尼矩阵B由以下几部分组成：

图6 油缸冲击载荷曲线

Fig.6 Cylinder impact load curve

3 液压特性对结构应力及振动的影响

在工作过程中，液压冲击会对结构的应力及疲劳寿命产生重要的影响[12]。液压冲击作为外部激励，最重要的参数是最大冲击力的大小，其反映在液压特性曲线上即峰值的大小。为了更加直观地感受液压冲击对机械臂应力及振动的影响，改变峰值的大小，时间不变，仿真得到机械臂应力及振幅。

3.1 改变液压特性曲线峰值

将压力特性曲线的峰值减小10%，20%，30%，…，90%，时间不变，以此作为外部激励。峰值减小50%时，仿真结果如图8所示。大臂底板槽口圆弧处的应力为168 MPa，大臂位移为13.66 mm。

表1 冲击力-应力-位移

由于篇幅有限，各仿真结果没有一一截图展示，将不同冲击载荷作用下仿真得到的大臂应力、位移量整理如表1所示。冲击载荷作用下大臂应力位移比静力作用下明显增大。

4 结论

1）在喷浆台车实际工作的情况下，采用应变花和压力传感器进行测试，得出在启停状态下机械臂的应力和油缸压力。为后续的分析工作提供了可靠的数据资料。

2）根据2.2中应力实验测得的应力与瞬态分析结果对比，最大值基本相同且时间都在2.4s时。验证了有限元模型的准确性。

3）结合测试与仿真得出结论：通过静力与瞬态分析，冲击状态下机械臂的应力与变形明显增大。由表1中的数据可以看到，机械臂的应力和变形量与冲击载荷之间存在着一定的线性关系。当启动时间一定时，随着液压特性曲线峰值的减小，冲击力减小，应力与振幅也相应地减小。启动过程变得“柔和”时，可以减小机械臂的应力，增加其疲劳寿命。

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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

国家高技术研究发展计划项目（863）计划（SS2012AA041809）；高性能复杂制造国家重点实验室自主研究课题(zzyjkt2014-08)

罗春雷（1968-），男，江西高安人，副教授，博士，硕士生导师，主要从事机电液集成控制技术研究(E-mail:1874687359@qq.com)；

*张曰东（1991-），男，山东德州人，硕士生，主要从事机械设计理论与动力学仿真技术研究(E-mail:2444091331@qq.com).