錨桿鉆車的伸縮臂有限元分析及拓撲優(yōu)化

鮑帥，陳星，賈志軍，劉亞杰

（1.安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001；2.礦山智能技術與裝備省部共建協(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工作人工參與度高，缺少自動化程度較高的輔助設備，導致錨護效率低下，嚴重制約了巷道開采能力的提高[1]。為提高井下作業(yè)效率，專家學者致力于研究能大幅提升錨護效率[2]的錨桿鉆車，并已取得了大量研究成果。趙永帽等[3]設計研究了具有長探功能的雙臂錨桿鉆車，集錨桿鉆車和物探鉆機于一體，但未對探臂進行輕量化設計，整體結構繁重。王威[4]對錨桿鉆車伸縮臂進行優(yōu)化，但對工況有限制，適應性較差。

以上研究為錨桿鉆車結構設計提供了基礎，但對于錨桿鉆車工作分度控制的高精度與高效率的錨護作業(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，具備高精度的分度錨護功能、高效率的雙聯(lián)錨護特點，為驗證其可靠性，運用相關軟件對其核心部件伸縮臂進行仿真分析和輕量化設計，對研發(fā)新型錨桿鉆機提供一定的參考意義。

1 錨桿鉆車的工作原理

履帶式雙臂分度錨桿鉆車結構如圖1所示，由鉆機部、伸縮臂、分度盤、液壓泵站、履帶底盤等部件組成。各部件依次結合，自上而下裝置在履帶底盤上，使得機構部件緊湊、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結構圖

1.1 分度系統(tǒng)

鉆車分度系統(tǒng)由分度盤與齒輪齒條擺動液壓缸配合而成，其中齒輪齒條擺動液壓缸如圖2所示。齒輪齒條擺缸將液壓缸的往復運動通過齒輪帶動齒條轉化為旋轉擺動，且可實現(xiàn)正反雙向旋轉運動[5]。由于輸入推力的齒條運動長度與輸出轉矩的齒輪擺動角度成正比，故可做到對擺動旋轉的精準穩(wěn)定控制。

圖2 齒輪齒條擺動液壓缸

基于齒輪齒條擺動液壓缸控制精準、擺動穩(wěn)定等特性，鉆車兩臂鉆機部均使用此液壓缸對終端鉆機本體工作角度位置達到精確定位。此外，主軸伸縮臂依靠此結構提供轉矩與分度盤[6]配合以控制鉆車上部傾角。主軸伸縮臂與分度盤通過分度定位銷聯(lián)接，且分度盤上刻有角度尺寸，在主軸伸縮臂轉動的同時，分度盤輔助穩(wěn)定控制和顯示角度，方便工人觀察及后續(xù)的操作調整。

1.2 錨桿鉆車伸縮臂

主軸兩側伸縮臂由內(nèi)外套筒和液壓缸控制長短進程，用以支撐鉆機滑架及補償位移。當鉆車到達預定工位時，履帶底盤停止行走，減速器抱死，伸出液壓支撐腿，開始錨護工作。而此時若需再更改位置，或前方巷道路況復雜無法到達，伸縮臂即可通過液壓控制伸長臂展，完成在正確位置的錨護工作。因此伸縮臂是鉆車作業(yè)的重要部位，在工作中既要承受彎矩又要受到鉆機部工作時的沖擊載荷，下面對該部件進行仿真驗證設計，以保證其必要的剛度、強度和抗疲勞特性[7]。

2 伸縮臂有限元分析

對機構關鍵部件伸縮臂進行應力分析和模態(tài)分析，確定機構最大應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，通過模態(tài)分析得出伸縮臂固有頻率和不同階次對應的應力云圖，對比外界激振頻率，防止發(fā)生共振現(xiàn)象，造成機體損傷，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結構復雜，零件較多，在有限元分析之前，對模型進行簡化。定義伸縮臂材料為45鋼，設置約束與載荷，運行后得到伸縮臂優(yōu)化前應力應變情況，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前伸縮臂應力應變云圖

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。應力主要集中在固定約束端，最大應力為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

由于鉆車作業(yè)時自身功率大及外界工況復雜，當機械系統(tǒng)的某階固有頻率與所受激勵頻率相近時會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，對機器結構造成巨大損傷。共振現(xiàn)象受系統(tǒng)固有頻率、所受激勵頻率、阻尼等影響。因此，有必要對鉆車關鍵部位伸縮臂進行模態(tài)分析，以避開外界激振頻率，防止發(fā)生機械共振。

鉆車工作時產(chǎn)生主要激振來源有兩種：行走電動機振動和鉆進機構振動。鉆車行走電動機額定轉速為1440 r/min，則激振頻率f1=n/60=24 Hz。轉機額定轉速為500 r/min，則激振頻率f2=n/60=8.3 Hz。

在靜力分析的基礎上，設置模態(tài)分析階數(shù)為6，運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，2、3階的振型主要表現(xiàn)為沿Y軸擺動彎曲，且變形相對較大。結合表1數(shù)據(jù)與激振頻率對比可知，伸縮臂固有頻率與外界激振頻率相差較大，不會發(fā)生共振，且有一定優(yōu)化空間。

3 伸縮臂結構優(yōu)化

在保證伸縮臂應力不超過材料許用應力，以及伸縮臂末端位移不超過設計要求的條件下，對伸縮臂進行質量優(yōu)化[8]。選定伸縮臂厚度為設計變量，以整體質量為優(yōu)化目標，以最大許用應力和最大位移為約束條件進行迭代。

經(jīng)過多次迭代的優(yōu)化結果如圖4所示。伸縮臂質量減為原來的70%，結構整體穩(wěn)定，并滿足最大應力和位移要求。

圖4 伸縮臂優(yōu)化結果

優(yōu)化后應力云圖和位移云圖如圖5所示。數(shù)據(jù)對比結果如表2所示，優(yōu)化后最大應力和位移均未超出設計要求。

圖5 優(yōu)化后伸縮臂應力云圖和位移云圖

表2 優(yōu)化結果

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

4 結語

通過對錨桿鉆車的研究和伸縮臂的有限元分析與優(yōu)化，得出如下結論：

1）履帶式雙臂分度錨桿鉆車適用于路況復雜、不同高度巷道內(nèi)工作。整體結構緊湊，便于拆卸維修，可實現(xiàn)對作業(yè)角度高精度控制，具有廣闊的市場應用前景。

2）通過有限元軟件測得鉆車關鍵部位伸縮臂的應力云圖和各階模態(tài)，經(jīng)過計算分析表明符合材料強度要求，且不會發(fā)生共振現(xiàn)象，結構設計合理。

3）伸縮臂是整個機構的薄弱環(huán)節(jié)，在此基礎上對伸縮臂進行結構優(yōu)化，優(yōu)化后的結果滿足實際工況要求，伸縮臂質量減輕了18.927 kg，節(jié)省了材料，且整體更為輕便，從而達到了優(yōu)化設計的目的。