CMZY2-400/35型鉆裝錨一體機萬向臂強度分析

羅松松,張安寧,張彪,陶永芹,毛馬杰

(1．凱盛重工有限公司, 安徽 淮南 232058； 2．安徽理工大學， 安徽 淮南 232001；3．中國煤炭學會煤礦機電一體化專業委員會， 上海 200030)

0 引言

為滿足煤礦炮掘工作面需求，本公司研發了CMZY2-400/35型鉆裝錨一體機，該機集打爆破孔、打錨桿孔、破碎、挖掘裝載、運輸、行走于一體，主要用于巖巷炮掘工作面。其主體結構主要包括鉆臂機構、扒裝機構、運輸機構及行走結構。鉆臂是其關鍵部件之一，其性能好壞直接影響掘進效率[1-3]。為使鉆臂能夠快速靈活地在打炮眼、側錨桿眼、頂錨桿眼之間切換，該一體機在鉆臂上端采用了雙擺動油缸的萬向臂結構，主臂、萬向臂、鑿巖機構如圖1所示，萬向臂由擺動油缸1、擺動油缸2和連接板組成，擺動油缸1的擺動軸與鑿巖機構連接，缸體通過連接板與擺動油缸2的擺動軸連接；擺動油缸2的缸體與主臂連接。該結構由于空間限制，兩個擺動油缸連接處和擺動油缸與推進器架連接處結構相對單薄，必須對其進行強度校核，以確定是否滿足強度要求，并找出結構薄弱點，為進一步改進提供方向。

1 萬向臂工況分析

1.1 鉆臂工況分析

根據該一體機的工作過程，可得出鉆臂主要存在向前打中上部炮眼，向前打下部炮眼，向側面打中上部錨桿眼，向側面打下部錨桿眼，向上打頂部錨桿眼和向下打底部錨桿眼這6種基本工況。

1.2 萬向臂外載荷分析

鉆臂在工作過程中需要調整多種姿態以保證鑿巖機構鉆鑿不同方位的炮眼和錨桿眼，連接主臂和推進器的萬向臂雖然在空間上可能是任意位置，但萬向臂的2個擺動油缸始終保持垂直關系，擺動油缸1與推進器也始終保持垂直關系。

由于該機在巖巷打眼，因此，打不同角度的炮眼和錨桿眼時需要的推進力、轉釬扭矩和扶桿推力都相同，其最大值分別為推進器的額定推力、鑿巖機構的額定轉釬扭矩和扶釬器對巖壁的壓力，故鉆臂萬向臂工作時其外載荷為上述載荷，方向相反。

考慮到推進器及擺動油缸重力始終向下，大小不變，其對萬向臂的影響主要是重力對萬向臂產生的扭矩影響，該扭矩重力隨力臂的變化而變化，當擺動油缸1在水平面時，重力扭矩最大，當擺動油缸1在垂直面時，重力扭矩最小。

1.3 萬向臂基本工況確定

考慮到上述因素，可對萬向臂工況進行簡化，固定擺動油缸2的軸線與掘進方向一致，選擇擺動油缸1垂直向上、水平側向和垂直向下；當擺動油缸1垂直向上和垂直向下時，選擇推進器水平向前、水平側向和水平斜前45°；當擺動油缸1水平側向時，選擇推進器水平向前、垂直向上、垂直向下和垂直斜前45°作為萬向臂的10種基本工況，如表1所示。

表1 鉆臂、萬向臂主要工況及鉆孔方向

2 鉆臂萬向臂的有限元強度分析

2.1 三維建模

為分析得出鉆臂萬向臂工作狀態下應力分布，采用SolidWorks進行三維建模，不同工況位置的模型可通過移動/旋轉零件方法來調姿獲得，工況2、工況4、工況6的三維模型如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 萬向臂工況2的三維模型

圖3 萬向臂工況4的三維模型

圖4 萬向臂工況6的三維模型

2.2 網格劃分、約束確定、載荷施加

由于萬向臂及鑿巖機構的模型尺寸較大，在先采取設置較大全局網格的基礎上，對萬向臂關鍵零部件——擺動油缸和連接板進行細化處理和局部加密，工況2、工況4、工況6的模型網格劃分如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 萬向臂工況2的三維模型的網格劃分

圖6 萬向臂工況4的三維模型的網格劃分

圖7 萬向臂工況6的三維模型的網格劃分

2.3 約束確定

根據實際工作情況，將擺動油缸2與主臂連接面固定，約束扶釬器在與釬軸線垂直面內的自由度，如圖8、圖9、圖10所示。

對鑿巖機構施加推進力反力、扶釬反力、轉釬反力及重力加速度如圖8、圖9、圖10所示，施加的外載荷值如表2所示。

圖8 萬向臂工況2的三維模型的約束與載荷施加

圖9 萬向臂工況4的三維模型的約束與載荷施加

圖10 萬向臂工況6的三維模型的約束與載荷施加

表2 作用于鑿巖機構的外載荷

2.4 應力分析及結果

對模型進行網格劃分、約束，加載后進行有限元運算分析，得到各工況的應力分布云圖如圖11～圖20所示。

圖11 鉆臂萬向臂工況1時的應力云圖

圖12 鉆臂萬向臂工況2時的應力云圖

圖13 鉆臂萬向臂工況3時的應力云圖

圖14 鉆臂萬向臂工況4時的應力云圖

圖15 鉆臂萬向臂工況5時的應力云圖

圖17 鉆臂萬向臂工況7時的應力云圖

圖18 鉆臂萬向臂工況8時的應力云圖

圖19 鉆臂萬向臂工況9時的應力云圖

圖20 鉆臂萬向臂工況5時的應力云圖

從云圖中可得各種工況下應力如表3所示，可知最大應力處均位于擺動油缸1與2連接件下部的筋板處。

表3 萬向臂各工況所受應力情況

2.5 結果分析

由以上分析可知：在工況1～工況10情況下，萬向臂受到的最大應力均發生在擺動油缸1與擺動油缸2連接處的筋板下端,應力值由大到小發生的工況依次為工況9、4、3、7、1、8、5、6、2、10。工況9時應力值最大，為209.17 MPa，小于連接板材料45號鋼屈服強度350 MPa，強度滿足要求。

3 結論

本文采用SolidWorks軟件建立了鉆臂萬向臂結構三維實體模型，導入有限元分析軟件ANSYS，并根據實際工作狀態，對鉆臂萬向臂10種工況進行了有限元強度分析，得到如下結論：

1) CMZY2-400/35型鉆裝錨一體機鉆臂采用的萬向臂設計強度滿足要求。

2) 在工況9時萬向臂受到的應力最大，為萬向臂的危險工況。

3) 萬向臂在各工況受到的最大應力均發生在兩個擺動油缸之間的連接處，因此該連接板為萬向臂的薄弱點。