液压定向夹持机械臂夹钳结构有限元分析

液压定向夹持机械臂夹钳结构有限元分析

侯成仁唐维军

关键词：液压定向夹持机械臂；夹钳结构；应力；应变；有限元分析

液压定向夹持机械臂是车轴输送回转数控专机上的重要组成部分，用于制造HXD1型和谐大功率电力机车车轴齿轮组装线。该设备主要由夹钳、液压缸、转动轴、轴承座、减速机、伺服电机以及支座等部件组成，如图1所示，支座起到支撑作用，对机械臂的整体稳定运行有重要影响，轴承座安装在支座上，夹钳的定钳与转动轴相连，通过轴承支撑的转动轴来实现夹钳的空间转动，液压缸固定在定钳上，通过液压缸的伸出和收缩来实现夹钳的夹紧和松开状态，夹钳的工况分为水平、竖立两个状态下的夹持以及夹持后-90°（竖直状态），0°（水平状态），+90°（竖直状态）三个位置的旋转。夹钳是整个液压定向机械臂的重要部件，其结构和受力情况较复杂，对其进行结构受力分析和结构优化，对于保证设备能够正常运行具有重要意义。

在对夹钳结构进行有限元分析时，取夹钳作为主要研究对象，重点分析动钳和定钳夹紧状态时，夹钳处于不同的工况下，夹钳结构所承受的作用力对其本身的影响，以结构的等效应力、应变作为主要衡量指标。

1夹钳几何模型

夹钳由定钳、动钳、液压缸、三个转轴、圆锥滚子轴承、轴承端盖以及防尘圈等组成，运用Solidworks建立的三维几何模型如图2所示：

3应力分析

对动钳和定钳进行应力分析，夹钳采用的材料为铸造碳钢，其屈服强度为248.17MPa，如果结构的等效应力超过屈服强度，就会发生塑性变形，机械臂的结构也会因此遭到破坏。

3.10°工况时

机械臂水平夹持时，机械臂和重物的重心都处于同一个平面，左右受力较均匀，通过有限元分析结果看出，定钳大臂结构的应力大于其他部位，最大值156.31MPa出现在动钳与定钳铰接处的连接轴上，如图5和图6所示。

图7和图8分别是此工况下动钳正面和背面的应力云图，图9和图10分别是此工况下定钳正面和背面的应力云图。

通过对动钳和定钳的应力云图（图7-图10）的分析可以看出，等效应力都在120MPa以下，动钳的应力整体较小，在与轴的连接处应力稍大，定钳大臂的上下面应力都比其他部位大，这是因为定钳大臂承载着整个钳夹结构和重物。

3.290°工况时

机械臂竖直夹持时，由于机械臂和重物的重心发生偏移，会有偏心矩产生，引起较大的局部变形，通过有限元分析结果可以看出，等效应力的最大值为175.31MPa，出现在螺栓孔处，此处出现了应力集中现象（如图11所示），应力最大值局部云图如图12所示。而这一最大等效应力并没有超过材料的屈服强度248.17MPa，所以可以认为此处是安全的。

图13和图14分别是此工况下动钳正面和背面的应力云图，图15和图16分别是此工况下定钳正面和背面的应力云图。

通过动钳和定钳的应力云图（图13-图16）可以看出，等效应力都在140MPa以下，动钳的应力较小，定钳的应力大于动钳，定钳大臂弯曲圆弧下部应力较大，大臂承受了机械臂其他部位对其产生的弯矩，但整体的应力分布均匀，没有应力集中现象，应力小于屈服强度，满足材料强度要求。

4应变分析

4.10°工况

当机械臂水平夹持时，由于重心在一个平面内，动钳的应变比定钳的小，定钳在重物、动钳、液压缸的共同作用下，应变相对较大，此时夹钳的应变云图如图17所示。

图18和图19分别是此工况下动钳正面和背面的应变云图，图20和图21分别是此工况下定钳正面和背面的应变云图。

分析应变云图图18-图21可知，夹紧状态下，动钳的应变很小，应变都在以下，整个动钳结构应变分布很均匀，只是在与液压缸连接的转轴铰接处稍大，定钳承载了更多的载荷，整个定钳的应变相对于动钳较大，在与动钳连接处附近以及定钳圆弧结构处应变较其他地方稍大，整体分布均匀。

4.290°工况

当机械臂竖直夹持时，由于重心的偏移，会导致机械臂受力的不均匀，较水平夹持时，可能会出现应变分布不均匀现象，如图22所示。

图23和图24分别是此工况下动钳正面和背面的应变云图，图25和图26分别是此工况下定钳正面和背面的应变云图。

分析图23-图25可知，水平夹持的应变情况和竖直夹持的应变情况差别不大，可能原因是机械臂整体结构刚度较大，结构设计合理将所承受的力均匀分布了，使夹钳没有受太大的影响，应变小。

通过对动钳和定钳应变分析可知，相对于夹钳的整体尺寸，应变很小，结构设计的合理性对于结构的力学状态有重要影响，夹钳经过结构优化后，很好的控制了应变的大小，也从有限元模拟结果中验证了此液压定向夹持机械臂夹钳结构的合理性。

5结语

通过对不同的工况下（水平夹持和竖直夹持）有限元模拟结果的应力、应变分析，表明了液压定向夹持机械臂夹钳结构设计是很合理的，当夹钳处于夹紧状态时，动钳和定钳的应力、应变分布都很均匀，没有呈现出集中的趋势。当机械臂承载最大载荷时，最大应力出现在螺栓孔连接处附近以及动钳与定钳铰接处的连接轴上，满足屈服强度要求，夹钳结构不会出现塑性变形，工程实际中螺栓孔周围出现应力集中也是很普遍的，可以采用局部热处理使螺栓孔和轴强化。不同的工况下的应变都很微小，且区别不太大，相对于夹钳的整体结构而言，变形量很小，可以认为夹钳结构基本不变形，结构安全合理。

本文所研究的液压定向夹持机械臂正在现场运行中，从现场的运行情况看，效果非常好，顺利的完成了各种不同的动作，达到了工作的要求。机械臂夹钳结构设计的合理，能很好的避免应力集中，提高夹钳的使用寿命，减小结构损坏的几率。机械臂的夹钳在夹持一定范围内不同重量的物体时，都没出现吃力和卡顿的现象，在实现不同工况的转换时，也都能流畅的运转。从总体上来看，液压定向夹持机械臂能顺利稳定的运行，已经达到了设计的期望。

参考文献

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[2]官忠范.液压传动系统.北京：机械工业出版社，1998.

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