姜紅敏，吳文江

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

絕緣子清潔機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與仿真

姜紅敏，吳文江

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

針對(duì)當(dāng)前鐵路線路上絕緣子清潔難以做到自動(dòng)化的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了適用于瓷瓶絕緣子清潔的機(jī)械臂，闡述了機(jī)械臂的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)瓷瓶絕緣子清潔的工作過(guò)程。利用SolidWorks軟件的繪圖及設(shè)計(jì)功能，對(duì)機(jī)械的各個(gè)零件進(jìn)行三維建模、裝配并用ADAMS/VIEW軟件對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，獲得機(jī)械臂中的水平臂末端法蘭沿著X、Y、Z方向的運(yùn)動(dòng)軌跡，為機(jī)械臂的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定依據(jù)。

絕緣子；清潔；機(jī)械臂；建模；仿真

從上個(gè)世紀(jì)五十年代末機(jī)械臂問(wèn)世后，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，逐漸成為了機(jī)械制造生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的自動(dòng)化設(shè)備[1]，在安全性差的環(huán)境中應(yīng)用越發(fā)頻繁，在電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中也發(fā)揮重要作用。隨著工業(yè)化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，化工企業(yè)比較多的地區(qū)，空氣污染較為嚴(yán)重，當(dāng)?shù)氐慕^緣子極易被污垢堆積，造成污閃事故[2]，進(jìn)而導(dǎo)致大面積停電。因此，定期對(duì)絕緣子進(jìn)行清掃，恢復(fù)絕緣子原有的絕緣水平是防止污閃事故發(fā)生的有效手段。通過(guò)對(duì)河北地區(qū)的普通鐵路段絕緣子工作環(huán)境觀察，設(shè)計(jì)了一種新型的能夠全面清潔絕緣子的機(jī)械臂。

1 絕緣子清潔機(jī)械臂的特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)方案

1.1機(jī)械臂的特點(diǎn)

當(dāng)前普通鐵路段上絕緣子的清潔主要為手工清洗、高壓水槍沖洗、機(jī)械臂清潔配合使用清潔液等方法。這些方法或是人工參與下完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，清潔效果差，可靠性差,或是利用清潔液對(duì)環(huán)境造成污染。本研究的機(jī)械臂優(yōu)點(diǎn)為：工作效率高，節(jié)省大量勞動(dòng)力；機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，可靠性強(qiáng)；操作簡(jiǎn)單，方便。

1.2機(jī)械臂的傳動(dòng)和運(yùn)動(dòng)方案

一般機(jī)械臂的傳動(dòng)主要方式為：齒輪傳動(dòng)、連桿傳動(dòng)等,其中，齒輪傳動(dòng)相對(duì)較為平穩(wěn)，工作可靠，傳動(dòng)精確，傳動(dòng)效率高，但是對(duì)加工制作、安裝提出了相對(duì)較高的要求；連桿傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn)大力矩傳動(dòng)，生產(chǎn)加工、制作比較簡(jiǎn)單，成本低，控制簡(jiǎn)單。機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)方式主要可分為：液壓式傳動(dòng)、氣動(dòng)式傳動(dòng)等[3]。液壓傳動(dòng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)功率大，低速和自鎖過(guò)載保護(hù)以及布置位置較為靈活的特點(diǎn)[4]；氣動(dòng)式傳動(dòng)方式主要是靠氣體的抗擠壓來(lái)實(shí)現(xiàn)力的傳動(dòng)，但是效率的傳遞和液壓相比較而言較低。

為了滿足絕緣子機(jī)械水平臂的設(shè)計(jì)的需要，根據(jù)對(duì)上述各種傳動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)方式的分析，最終選擇傳動(dòng)方式為連桿傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方式為液壓式，此種方式簡(jiǎn)單，實(shí)用可靠，經(jīng)濟(jì)。

2 絕緣子機(jī)械水平臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

絕緣子的機(jī)械水平臂主要結(jié)構(gòu)是兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，和工業(yè)電焊機(jī)器人原理類似[5]。機(jī)械水平臂是在一個(gè)垂直的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，分析機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

將建立如圖1所示的坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為O，彎臂ACD、OA、AB段長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)AC、LCD、LOA、LAB，DE垂直長(zhǎng)度為L(zhǎng)DE，P到D水平距離為L(zhǎng)PD，液壓OB距離為L(zhǎng)，液壓OB的回轉(zhuǎn)角度為θ1，彎臂ACD中AC回轉(zhuǎn)角度為θ2，連桿DC與豎直方向的回轉(zhuǎn)角度為θ3，在零位時(shí),OB′垂直于AC′，θ1、θ2、θ3分別為24°、134°、90°，角度定義為繞Z軸順時(shí)針為負(fù)，逆時(shí)針為正，開(kāi)始時(shí)，機(jī)械臂末端位于P′，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，當(dāng)液壓桿升到一定位置后，機(jī)械臂末端到達(dá)實(shí)際工作位置P，θ3為180°，因此可得出P的初始坐標(biāo)為：

(1)

根據(jù)水平臂運(yùn)動(dòng)的實(shí)際軌跡分析得出：

(2)

(3)

將(2)、(3)帶入(1)，得：

這樣，絕緣子清潔機(jī)械水平臂在運(yùn)動(dòng)上實(shí)現(xiàn)了解耦[6]，因此，通過(guò)控制液壓桿的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制機(jī)械末端法蘭沿著三個(gè)方向上的位置曲線。

3 絕緣子機(jī)械水平臂三維建模及其運(yùn)動(dòng)仿真分析

3.1建立絕緣子清潔設(shè)備三維裝配模型

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子的有效清洗，機(jī)械臂采用四連桿機(jī)構(gòu)(其中包括彎臂、細(xì)桿1和細(xì)桿2)和液壓驅(qū)動(dòng)，機(jī)械臂具有很好的靈活性。針對(duì)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用SolidWorks2012對(duì)絕緣子清潔設(shè)備進(jìn)行建模[7]，絕緣子清潔設(shè)備模型如圖2所示，利用ADAMS/VIEW軟件對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真。

根據(jù)實(shí)際工作需要，絕緣子清潔設(shè)備水平臂采用平行連桿機(jī)構(gòu)原理，此處的四連桿機(jī)構(gòu)可以保證水平臂總是保持水平，設(shè)計(jì)水平臂在液壓驅(qū)動(dòng)下到達(dá)工位，通過(guò)控制刷頭電機(jī)正反轉(zhuǎn)及其速度，可以將絕緣子清潔干凈。作業(yè)車的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 作業(yè)車技術(shù)參數(shù)

名稱技術(shù)參數(shù)作業(yè)平臺(tái)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)/mm5000×1600×1200作業(yè)車平臺(tái)地板面距軌面最大高度/mm6800軌距/mm1435使用環(huán)境溫度/℃-25～45使用海拔高度/m2500最小通過(guò)曲線半徑/m100承載能力/kg500

3.2建立清潔機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真

將裝配好的絕緣子清潔設(shè)備整體裝配體另存為parasolid(*.x_t)格式，利用ADAMS/VIEW軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)位移分析，分析步驟如圖3所示。

3.2.1 模型導(dǎo)入、修改質(zhì)量屬性

整體裝配圖parasolid(*.x_t)文件導(dǎo)入ADAMS/VIEW，給新模型命名為：Insulator cleaning equipment，將重力方向定義為-Y軸方向，利用以下程序?qū)⒘悴考x予相應(yīng)的質(zhì)量屬性：

For variable name=tempred start.value=1 and value=69 Part modify rigid mass properties&&part_name=(eval(“.part”//RTOI(tempreal))&material_type=.materials.End

3.2.2 定義各零部件之間連接方式

首先將底盤(pán)和地面固定，根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況將各個(gè)零件之間添加如固定副、移動(dòng)副、旋轉(zhuǎn)副等，從而在液壓的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)過(guò)各個(gè)零件協(xié)同合作水平臂刷頭、傾斜機(jī)械臂刷頭到達(dá)工位。

3.2.3 運(yùn)動(dòng)仿真

水平臂和傾斜臂輸入速度為Z方向，大小分別為-12.54 mm/s、-1.428 mm/s。將End Time設(shè)定為35 s，Steps設(shè)定為1 000，進(jìn)行仿真，觀察各個(gè)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)過(guò)程，確認(rèn)零件在各個(gè)時(shí)間沒(méi)有干涉，在不同時(shí)刻絕緣子機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖4所示。

3.2.4 仿真測(cè)量

選取絕緣子清潔設(shè)備水平臂末端法蘭幾何中心，首先建立一個(gè)新的marker156點(diǎn)(新的marker157點(diǎn)為傾斜臂末端法蘭幾何中心點(diǎn))，在“Design Exploration”中選擇測(cè)量工具、類型，分別測(cè)量新的marker156點(diǎn)沿著X、Y、Z方向的位置曲線以及兩機(jī)械臂沿垂直方向Y方向的動(dòng)態(tài)位移變化曲線[8]，如圖5～圖8所示。

從圖5可以得出，絕緣子機(jī)械水平臂末端在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沿著X方向位置變化在0～15 mm范圍內(nèi)；從圖6可以得出，運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)，絕緣子機(jī)械水平臂末端處于最低位置，隨著時(shí)間的增加，按照一條傾斜曲線的形式升高的，當(dāng)t=35 s時(shí)，機(jī)械臂的高度達(dá)到最大；從圖7中可以看出，絕緣子清潔設(shè)備機(jī)械臂末端位置位移在0～35 s，處于一種從小到大又從大到小的狀態(tài)，當(dāng)t=35 s時(shí)到達(dá)最右端；從圖8可以得出，運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)，絕緣子機(jī)械水平臂和傾斜機(jī)械臂之間距離最小，隨著時(shí)間的增加，曲線按照一條傾斜曲線的形式升高的，當(dāng)t=35 s時(shí)，機(jī)械臂的高度達(dá)到最大，實(shí)際工作時(shí)，兩個(gè)機(jī)械臂之間應(yīng)該給平腕臂和斜腕臂結(jié)構(gòu)留出空間(平腕臂底座到斜腕臂底座1 900 mm(中心線對(duì)中心線))，清潔設(shè)備機(jī)械臂工位時(shí)，兩臂之間距離為2 485 mm，滿足實(shí)際需求，因此設(shè)計(jì)合理。

3.2.5 仿真結(jié)果分析

通過(guò)仿真得出的曲線可以看出，絕緣子機(jī)械水平臂在液壓驅(qū)動(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)，垂直方向(Y)始終保持穩(wěn)步上升，水平方向(Z)位置位移先從小到大再?gòu)拇蟮叫?，在X軸方向上機(jī)械臂末端位置位移變化在0～15 mm范圍內(nèi)變化，沿X軸方向變化不大，并且在這個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中絕緣子清潔設(shè)備各個(gè)零件之間沒(méi)有相互干涉情況發(fā)生。

從這個(gè)仿真結(jié)果看，模型的各個(gè)零件構(gòu)件運(yùn)動(dòng)過(guò)程和預(yù)期設(shè)計(jì)基本相同，達(dá)到了預(yù)期效果，因此，該種設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)瓷瓶絕緣子的清洗。

4 結(jié)論

針對(duì)瓷瓶絕緣子清潔設(shè)計(jì)的絕緣子清潔設(shè)備，利用SolidWorks2012軟件對(duì)該種清潔設(shè)備進(jìn)行三維建模，利用Adams軟件對(duì)三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，通過(guò)仿真動(dòng)畫(huà)可以直觀地觀察絕緣子清潔設(shè)備的水平臂末端的運(yùn)動(dòng)軌跡以及兩機(jī)械臂距離曲線，為機(jī)械臂靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特征的進(jìn)一步分析提供了條件和依據(jù)。通過(guò)觀察水平機(jī)械臂末端的位置沿三個(gè)方向位移的變化曲線以及兩機(jī)械臂距離曲線，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的絕緣子清潔設(shè)備是符合實(shí)際需要。因此，絕緣子清潔設(shè)備機(jī)械臂以其獨(dú)特的功能，將成為普通鐵路上瓷瓶絕緣子清潔的良好助手，不但可以提高絕緣子清潔的自動(dòng)化水平，還可以減低污閃事故的發(fā)生，同時(shí)大大減低人工操作的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高絕緣子清潔的安全指數(shù)，具有良好的商業(yè)前景。

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DesignandSimulationofInsulatorCleaningArm

JIANG Hong-min, WU Wen-jiang

(Department of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, Hebei, China)

Aiming at the problem that the insulator cleaning was difficult to be automated in the current railway line, the robotic arm with strong adaptability for insulator cleaning was designed. The characteristics of the manipulator and the cleaning process of insulator were described. The three-dimensional parts model of the machine were built and assembled by using SolidWorks software. Simulated with ADAMS/VIEW software, the movement of the position curve of the horizontal arm end flange of the manipulator were obtained alongX,Y,Zdirection, which provided the basis for the further optimization of the manipulator.

insulators; cleaning; manipulator; modeling; simulation

TH122

A

1008-9446(2017)05-0020-05

2016-12-01

姜紅敏(1990-)，女，河北廊坊人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)樵O(shè)備輕量化設(shè)計(jì)，E-mail：13393236532@163.com。