錨桿鉆車(chē)的伸縮臂有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化

鮑帥，陳星，賈志軍，劉亞杰

（1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.礦山智能技術(shù)與裝備省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤礦巷道采用的錨桿支護(hù)工作人工參與度高，缺少自動(dòng)化程度較高的輔助設(shè)備，導(dǎo)致錨護(hù)效率低下，嚴(yán)重制約了巷道開(kāi)采能力的提高[1]。為提高井下作業(yè)效率，專家學(xué)者致力于研究能大幅提升錨護(hù)效率[2]的錨桿鉆車(chē)，并已取得了大量研究成果。趙永帽等[3]設(shè)計(jì)研究了具有長(zhǎng)探功能的雙臂錨桿鉆車(chē)，集錨桿鉆車(chē)和物探鉆機(jī)于一體，但未對(duì)探臂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)繁重。王威[4]對(duì)錨桿鉆車(chē)伸縮臂進(jìn)行優(yōu)化，但對(duì)工況有限制，適應(yīng)性較差。

以上研究為錨桿鉆車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，但對(duì)于錨桿鉆車(chē)工作分度控制的高精度與高效率的錨護(hù)作業(yè)研究較少?；诖耍疚奶岢隽艘环N履帶式雙臂分度錨桿鉆車(chē)，具備高精度的分度錨護(hù)功能、高效率的雙聯(lián)錨護(hù)特點(diǎn)，為驗(yàn)證其可靠性，運(yùn)用相關(guān)軟件對(duì)其核心部件伸縮臂進(jìn)行仿真分析和輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)研發(fā)新型錨桿鉆機(jī)提供一定的參考意義。

1 錨桿鉆車(chē)的工作原理

履帶式雙臂分度錨桿鉆車(chē)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由鉆機(jī)部、伸縮臂、分度盤(pán)、液壓泵站、履帶底盤(pán)等部件組成。各部件依次結(jié)合，自上而下裝置在履帶底盤(pán)上，使得機(jī)構(gòu)部件緊湊、易于拆卸維修，工作期限更久，且適用于多種巷道工況。

圖1 履帶式雙臂分度錨桿鉆車(chē)結(jié)構(gòu)圖

1.1 分度系統(tǒng)

鉆車(chē)分度系統(tǒng)由分度盤(pán)與齒輪齒條擺動(dòng)液壓缸配合而成，其中齒輪齒條擺動(dòng)液壓缸如圖2所示。齒輪齒條擺缸將液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)齒輪帶動(dòng)齒條轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，且可實(shí)現(xiàn)正反雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[5]。由于輸入推力的齒條運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度與輸出轉(zhuǎn)矩的齒輪擺動(dòng)角度成正比，故可做到對(duì)擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)的精準(zhǔn)穩(wěn)定控制。

圖2 齒輪齒條擺動(dòng)液壓缸

基于齒輪齒條擺動(dòng)液壓缸控制精準(zhǔn)、擺動(dòng)穩(wěn)定等特性，鉆車(chē)兩臂鉆機(jī)部均使用此液壓缸對(duì)終端鉆機(jī)本體工作角度位置達(dá)到精確定位。此外，主軸伸縮臂依靠此結(jié)構(gòu)提供轉(zhuǎn)矩與分度盤(pán)[6]配合以控制鉆車(chē)上部?jī)A角。主軸伸縮臂與分度盤(pán)通過(guò)分度定位銷(xiāo)聯(lián)接，且分度盤(pán)上刻有角度尺寸，在主軸伸縮臂轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，分度盤(pán)輔助穩(wěn)定控制和顯示角度，方便工人觀察及后續(xù)的操作調(diào)整。

1.2 錨桿鉆車(chē)伸縮臂

主軸兩側(cè)伸縮臂由內(nèi)外套筒和液壓缸控制長(zhǎng)短進(jìn)程，用以支撐鉆機(jī)滑架及補(bǔ)償位移。當(dāng)鉆車(chē)到達(dá)預(yù)定工位時(shí)，履帶底盤(pán)停止行走，減速器抱死，伸出液壓支撐腿，開(kāi)始錨護(hù)工作。而此時(shí)若需再更改位置，或前方巷道路況復(fù)雜無(wú)法到達(dá)，伸縮臂即可通過(guò)液壓控制伸長(zhǎng)臂展，完成在正確位置的錨護(hù)工作。因此伸縮臂是鉆車(chē)作業(yè)的重要部位，在工作中既要承受彎矩又要受到鉆機(jī)部工作時(shí)的沖擊載荷，下面對(duì)該部件進(jìn)行仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)，以保證其必要的剛度、強(qiáng)度和抗疲勞特性[7]。

2 伸縮臂有限元分析

對(duì)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件伸縮臂進(jìn)行應(yīng)力分析和模態(tài)分析，確定機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力是否滿足材料屈服極限及觀察整體可能發(fā)生斷裂的區(qū)域。此外，通過(guò)模態(tài)分析得出伸縮臂固有頻率和不同階次對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖，對(duì)比外界激振頻率，防止發(fā)生共振現(xiàn)象，造成機(jī)體損傷，影響正常工作。

2.1 伸縮臂靜力分析

履帶式雙臂分度錨桿鉆車(chē)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件較多，在有限元分析之前，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。定義伸縮臂材料為45鋼，設(shè)置約束與載荷，運(yùn)行后得到伸縮臂優(yōu)化前應(yīng)力應(yīng)變情況，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前伸縮臂應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

由圖3可得伸縮臂最大變形量為1.93 mm，發(fā)生于伸縮臂受力端。應(yīng)力主要集中在固定約束端，最大應(yīng)力為290.07 MPa。伸縮臂材料為45鋼，材料屈服極限為355 MPa，故伸縮臂符合材料安全范圍，且有較大的優(yōu)化空間。

2.2 伸縮臂模態(tài)分析

由于鉆車(chē)作業(yè)時(shí)自身功率大及外界工況復(fù)雜，當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)的某階固有頻率與所受激勵(lì)頻率相近時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，對(duì)機(jī)器結(jié)構(gòu)造成巨大損傷。共振現(xiàn)象受系統(tǒng)固有頻率、所受激勵(lì)頻率、阻尼等影響。因此，有必要對(duì)鉆車(chē)關(guān)鍵部位伸縮臂進(jìn)行模態(tài)分析，以避開(kāi)外界激振頻率，防止發(fā)生機(jī)械共振。

鉆車(chē)工作時(shí)產(chǎn)生主要激振來(lái)源有兩種：行走電動(dòng)機(jī)振動(dòng)和鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)振動(dòng)。鉆車(chē)行走電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1440 r/min，則激振頻率f1=n/60=24 Hz。轉(zhuǎn)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，則激振頻率f2=n/60=8.3 Hz。

在靜力分析的基礎(chǔ)上，設(shè)置模態(tài)分析階數(shù)為6，運(yùn)行求解器即可得到前6階固有頻率，如表1所示。

表1 伸縮臂固有頻率及振型

分析結(jié)果可知，伸縮臂1階振型主要表現(xiàn)為伸縮臂受力部沿X軸橫向擺動(dòng)，2、3階的振型主要表現(xiàn)為沿Y軸擺動(dòng)彎曲，且變形相對(duì)較大。結(jié)合表1數(shù)據(jù)與激振頻率對(duì)比可知，伸縮臂固有頻率與外界激振頻率相差較大，不會(huì)發(fā)生共振，且有一定優(yōu)化空間。

3 伸縮臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在保證伸縮臂應(yīng)力不超過(guò)材料許用應(yīng)力，以及伸縮臂末端位移不超過(guò)設(shè)計(jì)要求的條件下，對(duì)伸縮臂進(jìn)行質(zhì)量?jī)?yōu)化[8]。選定伸縮臂厚度為設(shè)計(jì)變量，以整體質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，以最大許用應(yīng)力和最大位移為約束條件進(jìn)行迭代。

經(jīng)過(guò)多次迭代的優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。伸縮臂質(zhì)量減為原來(lái)的70%，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，并滿足最大應(yīng)力和位移要求。

圖4 伸縮臂優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后應(yīng)力云圖和位移云圖如圖5所示。數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表2所示，優(yōu)化后最大應(yīng)力和位移均未超出設(shè)計(jì)要求。

圖5 優(yōu)化后伸縮臂應(yīng)力云圖和位移云圖

表2 優(yōu)化結(jié)果

可看出優(yōu)化后伸縮臂最大等效應(yīng)力減小了2.45%、變形減小了2.59%，依舊在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，伸縮臂整體質(zhì)量減小了29.55%，達(dá)到在滿足使用要求的前提下伸縮臂質(zhì)量盡量小的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)錨桿鉆車(chē)的研究和伸縮臂的有限元分析與優(yōu)化，得出如下結(jié)論：

1）履帶式雙臂分度錨桿鉆車(chē)適用于路況復(fù)雜、不同高度巷道內(nèi)工作。整體結(jié)構(gòu)緊湊，便于拆卸維修，可實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)角度高精度控制，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

2）通過(guò)有限元軟件測(cè)得鉆車(chē)關(guān)鍵部位伸縮臂的應(yīng)力云圖和各階模態(tài)，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析表明符合材料強(qiáng)度要求，且不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

3）伸縮臂是整個(gè)機(jī)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上對(duì)伸縮臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果滿足實(shí)際工況要求，伸縮臂質(zhì)量減輕了18.927 kg，節(jié)省了材料，且整體更為輕便，從而達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。