基于ANSYS的礦用全液壓鉆車鉆架可靠性研究

王純

摘要：煤礦用全液壓錨桿錨索鉆車因其具備工作壓力高、動力頭輸出扭矩大和回轉速度無級可調等優點，被廣泛應用于煤礦井下開采工作面。但其鉆架的可靠性一直是其工作中的薄弱環節。本文基于ANSYSWorkbench平臺，對CMM2-20型煤礦用全液壓錨桿錨索鉆車的鉆架進行可靠性分析。對鉆車鉆架進行靜力學分析，通過有限元分析結果找出鉆架上應力集中的部件。仿真結果為礦用全液壓鉆車鉆架結構設計優化提供了理論依據，對于保障井下作業人員的安全具有實際的工程意義。

關鍵詞：鉆車鉆架;有限元分析;結構優化;井下作業

中圖分類號：TH123? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0066-02

0? 引言

煤礦頂板事故是導致井下作業人員傷亡的主要事故類型之一[1]。為降低頂板事故發生概率、保證煤礦井下施工安全，錨桿支護技術水平和錨桿鉆機的性能需要不斷提高。錨桿鉆機是推廣錨桿支護的基礎其性能對支護的速度、質量、作業條件和勞動強度等起決定作用。安全、高效、耐用、環保、靈活和輕便的錨桿鉆機最受市場歡迎，是錨桿鉆機的研究方向[2]。

本文針對CMM2-20型煤礦用全液壓錨桿錨索鉆車鉆架為研究對象，通過建立鉆架的三維模型，模擬實際鉆架在作業面的工作情況，采用有限元法對鉆架進行靜力學分析、模態分析，找出應力集中部件，得到鉆架的固有頻率和關鍵位置的幅頻特性，分析鉆架使用壽命，為提高鉆架結構的穩定性提供依據。

1? 錨桿鉆車鉆架建模

CMM2-20型錨桿鉆機鉆架結構如圖1所示，鉆架主要由支撐油缸、鉆架底座、推進油缸、一級推進體、回轉器、頂部支撐組成。支撐油缸是一級油缸，由它來推動頂部支撐，提供支撐壓力;推進油缸是二級油缸，可推動一級推進體和回轉器向鉆進方向移動;回轉器通過鏈條與推進油缸連接，獲得移動的動力，并且自身提供鉆桿轉動的動力。

2? 鉆架靜力學有限元分析

在ANSYSWorkbench14.5 aticStructural模塊中導入模型，導入模型后系統自動生成接觸，本模型經系統分析共有51個接觸對。

設置相關度“Relevance”數值為80[3]，得到了細致又均勻的網格化模型，共83397個節點，41456個單元，網格最小邊長為5mm，如圖2鉆架有限元網格劃分圖。

載荷施加的大小和方向均按照受力分析的結果，載荷包括鉆桿作用在回轉器上面的力F1=18.5kN和圍巖壁作用在頂部支撐的力F2=18kN。約束主要是固定約束，將其設置在鉆架體上的5個螺栓孔處，因為該螺栓孔用于鉆架與鉆臂的連接，如圖3所示。

本節對CMM2-20型全液壓錨桿鉆機在最遠位置為其最危險的位置，本文僅對鉆架最遠位置進行有限元仿真分析。其靜力分析的結果如圖4所示。

由鉆架推進行程最遠位置應力分析結果可知，當鉆架推進行程到最遠位置時，位移變形量最大為10.687mm，位于右帶夾持機構頂端;應力最大值為151.28MPa，彈性變形量最大值為7.6×10-4，它們位于一級焊接推進體底座內側靠近鉆架體的地方。

通過鉆架的靜力學分析結果可知，當鉆架推進行程位于起始位置時，鉆架的位移變形量最大;當鉆架推進行程到達中間位置時，所受應力最大;當鉆架推進行程最大時，鉆架體的變形較為均勻，位移變形量最小，所受應力分布也較均勻，應力數值在中間。在整個推進行程中，鉆架的右端夾持機構的位移變形量，相較于其它零件的位移變形量一直都是最大的。鉆架在整個推進過程中應力最大值為151.28MPa，該位置材料為結構鋼Q235，許用應力為235MPa，安全系數取1.55，滿足鉆架在推進過程中的強度需求，鉆架可靠性較高。本節靜力學分析結果找到鉆架在推進行程中應力集中最嚴重的位置，和相應的應力值大小，驗證了鉆架結構強度的可靠性。對鉆車鉆架進行靜力學分析，通過有限元分析結果找出鉆架上應力集中的部件。仿真結果為礦用全液壓鉆車鉆架結構設計優化提供了理論依據，對于保障井下作業人員的安全具有實際的工程意義。

3? 鉆架模態分析

模態分析模型的創建與靜力學分析模型創建過程基本一致。將在SolidWorks中繪制的模型保存為Parasolid（*.x_t）格式，在ANSYS軟件model模塊中將其導入，對其進行網格劃分，設置相關度“Relevance”數值為80，得到與圖2一樣的網格化鉆架模型。約束與載荷的設置和靜力學分析中的設置相同，兩個外力分別為鉆桿作用在回轉器上面的力F1、圍巖壁作用在頂部支撐的力F2，5個位于鉆架體螺栓孔的固定約束。也可以在靜力學分析的基礎上，直接添加model模塊，可自動生成模態分析模型，只需設置所求振動階數即可。本節對CMM2-20型全液壓錨桿鉆機鉆架推進的最遠位置進行30階模態分析。

鉆架推進行程在最遠位置時，其最低固頻率為14.774Hz，最高固有頻率為244.91Hz，振型包括彎曲、扭轉和兩者同時出現的三種情況。出現彎曲振型的頻率有14.774Hz、27.737Hz、35.745Hz、37.046Hz、108.29Hz、129.49Hz、132.1Hz、141.01Hz、153.61Hz、156.21Hz、157.33Hz、160.45Hz、172.22Hz、174.48Hz、174.63Hz、179.19Hz、181.29Hz、196.61Hz、198.86Hz、206.31Hz、218.47Hz、236.22Hz、244.91Hz，其對應的最大變形處有右帶夾持機構、一級推進焊接架、支撐油缸活塞桿、鉆架體、鏈條、支撐油缸導油管。出現扭轉振型的頻率有74.203Hz、75.297Hz、100.85Hz，其對應的最大變形處分別是右帶夾持機構和鉆架體。出現彎曲扭轉疊加振型的頻率有134.54Hz、205.25Hz、210.42Hz、217.25Hz，其對應的最大變形處均是一級推進焊接架。根據以上對鉆架推進行程的30階模態分析實驗結果可知，鉆架的整個推進過程在10.227Hz到244.91Hz頻率段之間極易出現共振情況，鉆架每個零件都有可能產生共振，而且振型有橫向振動、縱向振動、扭轉以及疊加的情況。鉆架在推進行程的三個位置時，均在171.2Hz到174.48Hz之間出現支撐油缸導油管振幅最大的情況，且振幅最大值達到38.233mm。本鉆架回轉器的轉速為560r/min，即頻率為9.3Hz，完全避開了鉆架的固有頻率，可避免在鉆孔時發生共振，確保了鉆架的可靠性。

4? 結束語

本文基于ANSYSWorkbench平臺，對CMM2-20型煤礦用全液壓錨桿錨索鉆車的鉆架進行可靠性分析。對鉆車鉆架進行靜力學分析與模態分析，通過有限元分析結果找出鉆架上應力集中的部件，得到鉆架的固有頻率和關鍵位置的幅頻特性。仿真結果為礦用全液壓鉆車鉆架結構設計優化提供了理論依據，對于保障井下作業人員的安全具有實際的工程意義。

參考文獻：

[1]程磊，楊朝偉，景國勛.2014 年我國煤礦事故統計與規律分析[J].安全與環境學報，2016，16（04）：384-389.

[2]李磊.非圓齒輪式液壓錨桿鉆機的設計研究[D].中國礦業大學，2008.

[3]李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench 設計、仿真與優化[M].北京：清華大學出版社，2011：1-4.