李小虎，張 華，陳 蒙，姜 濤，周 穩(wěn)

(安徽科技學院 機械工程學院，安徽 滁州 233100)

隨著2030年碳達峰以及2060年碳中和“雙碳時代”的到來，大量燃油公交車、客車面臨著報廢的境地[1-2]。目前國內(nèi)外雖然在報廢汽車拆解方面(固定式拆解、流水線式拆解、柔性傳輸系統(tǒng)拆解)取得了卓越的進步，但由于報廢客車體積大、結(jié)構(gòu)復雜、在拆解時不易移動等特點，故報廢小汽車的拆解工藝與拆解手段不適用于報廢客車[3-5]。而目前國內(nèi)采用的氧切存在安全隱患，因為報廢客車發(fā)動機、柴油機、油箱等關鍵零部件在做預處理時很難將殘留油液處理干凈，會引發(fā)燃燒、爆炸等危險。近年來，移動式的報廢客車拆解機也在一些大型拆解企業(yè)中使用，由于其昂貴的價格，使得市場上的很多中小型企業(yè)望而卻步。故本文研究出一種適用于報廢客車高效安全環(huán)保的低成本拆解裝置[6-8]，首先，利用三維建模軟件SolidWorks建立報廢客車拆解平臺模型；然后，利用ANSYS有限元分析軟件進行靜力分析[9-10]，以測試其強度和剛度是否滿足設計要求，從而優(yōu)化和改進拆解平臺的結(jié)構(gòu)設計。

1 報廢客車拆解平臺結(jié)構(gòu)設計

1.1 設計要求

由于報廢客車體積大、車身重，故對拆解平臺設計要求較高。該機械臂底座需要具備(如圖1所示)回轉(zhuǎn)功能以實現(xiàn)對報廢客車車體前后方位的拆解，同時需要具備伸縮功能以實現(xiàn)對報廢客車車體不同高度的拆解，且機械手需要旋轉(zhuǎn)功能以實現(xiàn)不同角度對報廢客車車體的拆解。由于報廢客車在拆解時可能會發(fā)生側(cè)翻平移等狀況，針對這種現(xiàn)象，從貓在捕食時使用爪子對食物進行固定夾緊現(xiàn)象設計一套仿生固定夾緊裝置。

圖1 報廢客車拆解平臺示意圖

1.2 拆解平臺結(jié)構(gòu)及尺寸設計

由于報廢客車體積大，故拆解平臺進行尺寸設計要求也較高。目前市場上單節(jié)車廂體積最大的客車是金旅的客車13.7m*2.55m*4m，現(xiàn)針對單節(jié)體積最大客車進行拆解平臺尺寸設計，該平臺也適用于其它尺寸的客車拆解。由于報廢客車龍骨架及輪轂具有回收及二次利用的價值，故無需對輪胎及龍骨架進行拆解?？蛙囕喬ブ睆揭话銥?.4～0.6m，現(xiàn)擬設旋轉(zhuǎn)平臺高度與輪胎高度位置一致為0.6m。貓爪轉(zhuǎn)動副與地面高度設為0.6m，貓爪伸縮桿伸縮范圍為0.3m，機械臂底座與帶拆解報廢客車水平距離約為0.6m。如圖2所示，Y為機械臂底座位置到報廢客車最遠拆解目標點的距離，X為最遠目標拆解點至機械臂底座位置垂直距離2.55m位置的距離?？杀硎緸槭?1)。

(1)

圖2 機械臂總長線性圖

根據(jù)式(1)求得機械臂底座位置與最遠拆解目標點約為8.2m，即為機械臂前臂與動臂1動臂2成為一條直線時的總長度。由于在對報廢客車拆解時機械臂空間運動范圍廣，故兩條動臂長度設計為3.5m，前臂長度設計為1.2m。

按照設計規(guī)定，使用SolidWorks對拆解平臺進行了三維模型的建立。報廢客車拆解平臺結(jié)構(gòu)設計如圖3所示，該拆解平臺具有7個自由度，以實現(xiàn)對報廢客車全方位多角度的拆解。拆解裝置包括液壓剪、前臂、液壓缸、仿生貓爪、動臂。報廢客車拆解平臺的動臂、前臂和液壓剪采用連桿結(jié)構(gòu)，運動模塊均是通過液壓缸的伸縮來完成。同時該拆解平臺設計了一組可調(diào)節(jié)高度的仿生貓爪，可實現(xiàn)對不同高度的客車以及客車不同位置的固定夾緊功能。

圖3 報廢客車拆解平臺三維圖

2 機械臂幾何關系分析

2.1 建立坐標系

建立固定拆解平臺機械臂坐標系，如圖4所示，在固定拆解裝置接地中心O0處建立旋轉(zhuǎn)平臺運動的動坐標系，在旋轉(zhuǎn)平臺和動臂一的鉸接點A、在動臂一與動臂二的鉸接點B、動臂二與前動臂的鉸接點C、前臂與液壓剪的鉸接D，分別建立固結(jié)于動臂一、動臂二、前臂、液壓剪的動坐標系。φj(j=1，2，3，4，5)分別為轉(zhuǎn)臺相對于Z0軸的轉(zhuǎn)角、動臂一相對于旋轉(zhuǎn)平臺的轉(zhuǎn)角、動臂二相對于下動臂一的轉(zhuǎn)角、前臂相對于上動臂二的轉(zhuǎn)角，以及液壓剪相對于前臂的轉(zhuǎn)角；a為旋轉(zhuǎn)平臺底面距離地面的垂直距離，b為固定拆解裝置接地中心O0點至旋轉(zhuǎn)中心A點的水平距離。

圖4 拆解平臺符號約定及坐標示意圖

2.2 齊次坐標變換

令Ti，j為坐標變換矩陣，表示任一點在坐標系j中轉(zhuǎn)換到坐標系i中，用D-H齊次變換矩陣，D-H齊次坐標變換是將空間內(nèi)任意一點位置轉(zhuǎn)換成其次4*4的其次坐標，左上角的3*3矩陣表示其旋轉(zhuǎn)矩陣，第四列前三行表示其平移矩陣，第四行[0 0 0 1]是其固定寫法。建立機械臂的運動學方程，如式(2)所示。

j=(1,2,3,4,5)

(2)

式(2)中：T0,j是φi[i!(1,j)]的矩陣函數(shù)。

(3)

式(3)中：φ1為上部轉(zhuǎn)臺相對于Z0軸的轉(zhuǎn)角；ai為Y0軸到Y(jié)1軸沿Z0軸平移的距離。

式(4)表示任一點i在坐標系j中轉(zhuǎn)換到坐標系i中的矩陣函數(shù)。

(4)

式(4)中，x2=x3=x4=x5=0；y2=b；y3=BC；y4=CD；y5=DE；z2=a；z3=z4=z5=0。

設S點為與剛體相固連的坐標系(OXYZ)j上的任意一點，則剛體位置可表示為如式(5)所示。

(5)

(6)

用函數(shù)矩陣表示為如式(7)所示。

(7)

由此可確定機械臂在工作時各關節(jié)角度的變化關系，從而得知機械臂的空間位姿以便于進行后續(xù)控制。

3 關節(jié)零部件有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 材料選型

動臂作為該拆解平臺中的主要承載結(jié)構(gòu)，其重量占了機械臂總重量的一半以上。動臂結(jié)構(gòu)的合理性直接影響拆解效率及穩(wěn)定性，因此對動臂結(jié)構(gòu)進行輕量化設計具有重要意義。貓爪作為固定報廢客車的夾緊裝置，其結(jié)構(gòu)材料影響著在拆解時的穩(wěn)定性安全性。選用45號鋼作為動臂的結(jié)構(gòu)材料，如表1所示，是動臂的材料性能參數(shù)。

表1 材料性能參數(shù)

3.2 ANSYS有限元分析

首先將SolidWorks中的三維模型另存為.x_t格式，再將其導入ANSYS Workbench軟件進行分析，在分析前需要提前設置材料類型及性能參數(shù)，并選擇受力面和固定位置，對相應的結(jié)構(gòu)進行約束。為了提高分析的準確性，本次分析中選擇了四面體單元進行網(wǎng)格化分析。網(wǎng)格化后的動臂一如圖5所示，共包含了217213個節(jié)點和124945個單元。

圖5 動臂一網(wǎng)格化模型

動臂一在進行拆解時所受最大力約為10000N，將約束和受力狀態(tài)的數(shù)據(jù)導入到ANSYS Workbench軟件進行分析，圖6(a)表示動臂一等效應力云圖，圖6(b)表示動臂一變形量云圖。

(a)動臂一等效應力云圖

結(jié)果顯示，最大應力出現(xiàn)在與動臂二的連接處，應力最大值為153.08MPa，材料的許用應力值為180MPa，乘以安全許用系數(shù)后強度仍滿足許用范圍，該設計的結(jié)構(gòu)滿足實際使用強度需求。移動夾爪的最大位移出現(xiàn)在夾爪的末端，其最大值為0.72mm，滿足工具使用時的剛度要求。

同時固定式機械臂動臂二進行了有限元分析，網(wǎng)格化后的連桿部件模型如圖7所示，共包含了322315個節(jié)點和183725個單元。

圖7 動臂二網(wǎng)格化模型

動臂二在進行拆解時所受最大力約為5000N，將約束和受力狀態(tài)的數(shù)據(jù)導入到ANSYS Workbench軟件進行分析，分析結(jié)果如圖8(a)表示動臂二等效應力云圖，如圖8(b)表示動臂二變形量云圖。

(a)動臂二等效應力云圖

結(jié)果顯示，最大應力出現(xiàn)在與動臂二的鉸接處，應力最大值為136.76MPa，材料的許用應力值為180MPa，乘以安全需用系數(shù)后強度仍滿足許用范圍，該設計的結(jié)構(gòu)滿足實際使用強度需求。移動夾爪的最大位移出現(xiàn)在夾爪的末端，其最大值為2.87mm，滿足工具使用時的剛度要求。

同時對貓爪進行有限元分析，網(wǎng)格化后的連桿部件模型如圖9(a)所示，共包含了34240個節(jié)點和21050個單元。

圖9 貓爪網(wǎng)格化模型

分析結(jié)果如圖10(a)、10(b)所示，但是在強度分析的過程中出現(xiàn)應力奇異現(xiàn)象如圖10(c)所示，出現(xiàn)局部壓力過大為207.35MPa，遠大于許用安全應力值，不滿足使用條件。這種現(xiàn)象只針對于零件的局部，其原因是零件設計不合理造成的。

(a)貓爪變形量云圖

下面將對零件進行進一步優(yōu)化來解決這一現(xiàn)象，優(yōu)化后的結(jié)果如圖11(a)所示，同時在網(wǎng)格畫分析過程中，對局部區(qū)域進行更精密的網(wǎng)格劃分，以保證分析的精準性如圖11(b)所示。

(a)貓爪結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型圖

結(jié)果如圖12(a)、12(b)顯示，最大應力出現(xiàn)在仿生貓爪倒角處，應力最大值為75.82MPa，材料的許用應力值為180MPa，乘以安全需用系數(shù)后強度仍滿足許用范圍，該設計的結(jié)構(gòu)滿足實際使用強度需求。移動夾爪的最大位移出現(xiàn)在貓爪爪尖的末端，其最大值為0.33mm，滿足工具使用時的剛度要求。

(a)貓爪優(yōu)化等效應力云圖

4 結(jié)論與展望

本次研究針對報廢客車廢客車體積大、結(jié)構(gòu)復雜、在拆解時不易移動等特點，設計了一套固定式報廢客車拆解平臺。首先針對其工作要求，對其結(jié)構(gòu)尺寸進行了設計建模。其次，對機械臂幾何關系進行分析，并對其空間坐標進行其次坐標變換，確定機械臂在發(fā)生旋轉(zhuǎn)平移后其位置變換。最后，針對機械臂在拆解過程中的主要承載結(jié)構(gòu)動臂進行材料的選取再進行有限元分析，并針對仿生貓爪出現(xiàn)局部應力奇異現(xiàn)象，對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以滿足使用要求，確保該固定式拆解裝置能夠滿足對報廢客車全方位、高效的拆解需求。