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混凝土水力破拆機(jī)器人是用超高壓水射流破拆受損混凝土，與傳統(tǒng)機(jī)械式接觸破拆相比，具有安全、高效、無污染、對鋼筋無損害等優(yōu)點(diǎn)，大大降低了工人勞動強(qiáng)度，在公路、隧道、橋梁、大壩、港口、礦山等混凝土維護(hù)工程中可廣泛應(yīng)用。美國、瑞典等國家水力破拆機(jī)器人研制較早，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用，目前國內(nèi)還是傳統(tǒng)的機(jī)械式破拆，但水力破拆是受損混凝土修復(fù)的發(fā)展趨勢，而國外產(chǎn)品價格昂貴、維護(hù)不便，因而研發(fā)國產(chǎn)水力破拆機(jī)器人有重要工程意義。
機(jī)械臂是混凝土水力破拆機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度要求較高。運(yùn)用ANSYS Workbench建立機(jī)械臂有限元分析模型，通過靜力學(xué)和模態(tài)分析，指出結(jié)構(gòu)設(shè)計中薄弱部位并加以優(yōu)化，分析流程如圖1所示。
按等效剛度原則，簡化機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。將銷軸、螺栓連接簡化為面接觸；忽略螺紋和無應(yīng)力集中的圓角、倒角；刪除次要的孔、臺，等效分配其質(zhì)量；忽略液壓馬達(dá)、液壓缸及液壓管路，等效其配重。機(jī)械臂各關(guān)節(jié)至最大位置，在自重、負(fù)載作用下，所受載荷最大，是機(jī)械臂的極限工況，如圖2所示。
1）零部件材料
滾輪、連桿和銷軸是45鋼，其密度為7830kg/m3，泊松比為0.29，彈性模量206GPa，噴嘴是人造紅寶石，密度為3500kg/m3，泊松比為0.07，彈性模量1100GPa，其余材料為Q235，密度為7850kg.m3，泊松比為0.3，彈性模量200GPa。
2）定義接觸和網(wǎng)格劃分
無相對移動的螺釘連接，用粘接接觸，如連接法蘭與伸縮臂、支架；有相對滑動但不分離的，用不分離接觸，如伸縮臂與伸縮套、滾輪與支撐架間；有相對滑動的，用有摩擦接觸，如滾軸與滾輪，摩擦系數(shù)為0.003。設(shè)置邊界條件，采用自動劃分網(wǎng)格，共197277個節(jié)點(diǎn)，117633個單元，如圖2所示。
3）添加約束與施加載荷
機(jī)械臂所受載荷復(fù)雜，包括自重、輸送管重、高壓水重，射流反作用力外和風(fēng)力載荷。其中，風(fēng)力影響很小，輸送管重、高壓水重遠(yuǎn)小于射流反作用力，均可忽略不計，故機(jī)械臂受力F如式所示。
超高壓水為連續(xù)射流，噴嘴內(nèi)外壓力、流速不同，忽略出口截面高度差，由伯努利方程，如式(2)所示，其中p1、p2為噴嘴內(nèi)外壓力，MPa；v1、v2為噴嘴內(nèi)外平均流速，m/s；12ρ=12為噴嘴內(nèi)外射流密度，kg/m3。
應(yīng)用流體連續(xù)方程，如式(3)所示，噴嘴出口內(nèi)外兩點(diǎn)。假定噴嘴出口為圓柱形，則2A=πd/4，且12ρ，d為噴嘴截面直徑，m；A1、A2為噴嘴內(nèi)外截面面積，m2。
射流壓力140MPa，流量為160L/min，射流反作用力F2=1406.5N，以均布力作用噴槍末端噴嘴；施加重力加速度，添加重力；采用固定約束立架底部四個安裝孔。
機(jī)械臂在射流反作用力和自身重力影響下，應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)鐖D3所示，滾輪與支撐架連接處有最大應(yīng)力180.99MPa，滾輪材料為45鋼，屈服極限為355MPa，一般材料最大許用應(yīng)力是其屈服極限的0.5～0.8，可知滾輪處應(yīng)力較大，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)。在噴槍末端有最大位移8.801mm，接近工程中所允許最大值，需提高變形較大結(jié)構(gòu)的剛度。
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