CMZY2-400/35型鉆裝錨一體機萬向臂模態分析

尹中會，毛馬杰，張安寧,2，張彪，羅松松，陶永芹

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

0 引言

CMZY2-400/35型鉆裝錨一體機在鉆臂上端采用了雙擺動油缸的萬向臂結構如圖1所示，萬向臂由擺動油缸1、2和連接板組成，鑿巖機構與擺動油缸1的擺動軸連接，擺動油缸2的擺動軸通過連接板與擺動油缸1的缸體連接，擺動油缸2的缸體與主臂連接。該臂是鉆裝錨一體機的關鍵部件，在實際工作中工況多、受力復雜，其支撐的鑿巖機在工作中以57 Hz的頻率對煤巖不斷沖擊，其動力學性能的好壞直接影響整機工作效率和可靠性[1-3]。為保證該結構滿足設計要求，除必須對其進行靜強度校核外，還應當對其進行模態分析，以防發生共振，導致設備失效。

1 萬向臂工況分析

1.1 工作組件的選擇

由圖1可知，萬向臂下部固定在主臂上，上部與鑿巖機構聯接并支撐鑿巖機鉆孔，因此，為提高分析的可靠性，選擇萬向臂與鑿巖機構作為模態分析對象如圖2所示。

圖1 鉆臂及其萬向臂結構示意圖

圖2 萬向臂與鑿巖機構的三維模型

1.2 萬向臂基本工況

根據該一體機的工作過程，可知萬向臂在工作過程中需要配合主臂調整出多種姿態來實現鉆鑿不同方位的炮眼和錨桿眼，同時，鉆進不同深度時對萬向臂的固有頻率都有影響，由于主臂和萬向臂是連續移動，可能的姿態過多，為方便分析，對萬向臂工況進行簡化，分向正前、斜前、正上、斜上、正側、斜側、正下、斜下等方向鉆進，選擇擺動油缸1位于擺動油缸2正上方、側方、正下方等位置，可得萬向臂的10種基本工況，如表1所示。

表1 萬向臂主要工況及鉆孔部位及方向

2 鉆臂與萬向臂的模態分析

2.1 三維建模

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的三維模型如圖2所示。

2.2 網格劃分、約束施加、材料屬性確定

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進行細化處理和局部加密，工況2的模型網格劃分如圖3所示。

圖3 萬向臂工況2的三維模型的網格劃分

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4所示。

圖4 萬向臂工況2的三維模型的約束

對材料屬性及參數選擇如表2所示。

表2 材料屬性及參數選擇

2.3 模態分析及結果

對模型進行網格劃分、約束、定義材料屬性后進行有限元運算分析，得到各工況的模態振型云圖如圖5～圖14所示，對應的固有頻率見表3。

圖5 鉆臂萬向臂工況1時的應力云圖

2.4 結果分析

由以上分析可知：在各工況情況下，萬向臂的1～6階固有頻率最小值為4.81 Hz，最大值為22.33 Hz，均小于鑿巖機的沖擊頻率57 Hz。

圖6 鉆臂萬向臂工況2時的應力云圖

圖7 鉆臂萬向臂工況3時的應力云圖

圖8 鉆臂萬向臂工況4時的應力云圖

圖9 鉆臂萬向臂工況5時的應力云圖

圖10 鉆臂萬向臂工況6時的應力云圖

圖11 鉆臂萬向臂工況7時的應力云圖

圖12 鉆臂萬向臂工況8時的應力云圖

圖13 鉆臂萬向臂工況9時的應力云圖

圖14 鉆臂萬向臂工況10時的應力云圖

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種工況進行了模態分析，得到如下結論：

1) CMZY2-400/35型鉆裝錨一體機采用的萬向臂各工況1～6階固有頻率在4.81～22.33 Hz之間，均小于鑿巖機的沖擊頻率57 Hz，不會產生共振，滿足設計要求。

2) 不同工況下方向臂的固有頻率如表3所示。由表3可知，不同工況下，各階固有頻率變化較小，均不超過10 Hz，特別是最高的6階固有頻率變化不超過3 Hz，因此，可判定該萬向臂在其他過渡工作狀態下的固有頻率也不會接近57 Hz，可以不再驗算。

表3 不同工況下萬向臂固有頻率 Hz