不同工況下鑿巖臺車鉆臂安全受力作用分析

周 宏

（中鐵十九局集團礦業投資有限公司，北京 100161）

0 引言

煤炭是現階段我國的主要能源形式，隨著經濟的發展，對于煤炭的需求不斷增加。在煤炭的開采過程中，采用鉆爆法占據了一定的地位，首先在斷面上進行爆破孔的鉆孔，然后填埋炸藥進行引爆，形成斷面巷道進行支護及開采。在進行施工的過程中，人工進行鉆孔的工作強度大，不能滿足煤礦高效開采的需求，且人工進行鉆孔的精度不足，容易引起爆破過程中的安全問題，不利于煤礦的安全高效開采[1]。鑿巖臺車是進行鉆爆法施工的新型鑿巖設備，可以同時支持多臺鑿巖機進行鉆孔工作，可以依據現場條件進行自主移動，降低人工作業的強度，提高鑿巖作業的安全性和鉆孔作業的效率。鑿巖臺車進行鉆孔的精度高，一致性好，能夠保證爆破過程中的安全性，對于煤礦的安全潔凈化開采具有重要的意義[2]。在鑿巖臺車的應用過程中，針對不同質地的巖層，鑿巖臺車的適用性廣，臺車鉆臂的受力作用各不相同，采用數值模擬的方式對鑿巖臺車不同工況下的鉆臂受力作用進行分析，以驗證鉆臂的性能，保證鉆臂的受力安全，從而為煤礦的安全開采提供可靠的保證。

1 鑿巖臺車鉆臂模型的建立

鑿巖臺車鉆臂對鑿巖機起到支撐作用，并對其位置進行輔助定位，具有較大的體積，在使用過程中，對于鉆臂的結構及精度具有較高的要求。由于其載重量較大，對其受力作用進行分析，以確保鉆臂的支撐安全。依據鑿巖臺車鉆臂的結構進行三維模型建立，主要結構有后端鉆臂體、伸縮管、中間鉆臂體、擺動油缸、前端支撐及推進油缸等。前端支撐對鑿巖機起到支撐作用，后端鉆臂體由連接板及油缸支撐，通過內部油缸驅動伸縮管運動，推進器油缸運動驅動鑿巖機的上下擺動，實現準確的定位鑿巖位置[3]。

采用SolidWorks 三維設計軟件進行鑿巖臺車鉆臂模型的建立：首先進行各主要實體模型的建立，通過自下而上的設計，將各實體模型裝配得到鉆臂的三維模型；在裝配完成之后，以鉆臂的連接板為基礎，各零部件與所需的標準件依據約束關系組裝而成[4]。采用ANSYS 有限元分析軟件對鉆臂的受力作用進行分析，將裝配得到的鉆臂模型進行一定簡化，忽略一些小孔、倒角等細小特征，避免細小結構特征帶來的復雜計算，將其導入ANSYS Workbench 得到鉆臂的模型（圖1）。對得到的模型過自動劃分網格形式進行網格劃分處理，由此可以進行鉆臂的受力作用分析[5]。

圖1 鉆臂模型

2 鑿巖臺車鉆臂安全受力作用分析

針對所建立的鑿巖臺車鉆臂，設定鉆臂主要結構的材料為Q345 高強度鋼，連接銷軸的材質為45#鋼，連接零件間采用的墊圈材質為硬質橡膠。對鉆臂臺車的受力作用進行分析，設定零件間的連接為綁定接觸，生成相應的接觸對。依據鑿巖臺車的不同使用場景，劃分鉆臂所面臨的不同工況[6]。

在工作過程中，由于鑿巖臺車位置的移動，鉆臂的結構件受力情況不同，各結構件的應力相應也不一致。由于鉆臂的尺寸較大，在全伸展狀態下鉆臂的受力較大，在鉆臂全伸展的狀態下選取極限位置的兩種工況進行模擬仿真：工況1 為鉆臂的仰起極限位置，此時構件在全伸展的狀態下，達到工作舉升的極限位置；工況2 為鉆臂的側向極限位置，此時構件處于向單側偏移的全伸展狀態下，達到側向工作的極限位置。

（1）工況1 的鉆臂安全受力作用分析。通過ANSYS Workbench仿真運算，得到在工況1 時的鉆臂整體應力云圖。從圖2 可以看出，在工況1 時鉆臂的最大應力發生在后端鉆臂末端的墊圈位置處，鉆臂的最大應力值為102 MPa，最大應力值小于系統的許用應力，滿足使用要求，許用應力具有較高的裕度。

圖2 工況1 鉆臂的應力分布云圖

（2）工況2 的鉆臂安全受力作用分析。通過ANSYS Workbench 仿真運算，得到在工況2 時的鉆臂整體應力云圖。從圖3可以看出，由于鑿巖臺車鉆臂進行側向的鉆孔作業，采用兩個鉆臂同時工作的方式，因此在工況2 時鉆臂前端的受力情形一致。鉆臂的最大應力位置位于前端支撐與擺動支撐的連接位置處，最大的應力值為133 MPa，在該連接位置處，采用軸套的結構承載應力的作用。最大應力值小于軸套的許用應力，滿足使用要求，許用應力具有較高的裕度。

圖3 工況2 鉆臂的應力分布云圖

由上述分析可知，在實際使用過程中，鑿巖臺車鉆臂的工況包含在兩種極限工況之內，其受力滿足使用需求，保證了鉆臂的穩定及安全。

3 總結

鑿巖臺車在煤礦的開采過程中，可以替代人工進行鉆孔作業，提高了鉆孔的精度及一致性，對爆破作業的安全提供了保證。在鑿巖臺車使用過程中，鉆臂起到支撐作用，具有較大的承載量，對其受力作用具有較高的要求。采用ANSYS 有限元分析對鉆臂受力作用進行的仿真分析結果表明，兩種工況下鉆臂結構的最大應力均小于系統的許用應力，系統應力具有較高的裕度，滿足鉆臂的使用要求，且存在一定的優化空間。鑿巖臺車鉆臂的受力符合使用需求，保證了鉆臂的安全性，為煤礦的安全、高效開采提供了保障。