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(dòng)力頭輸出扭矩大和回轉(zhuǎn)速度無(wú)級(jí)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)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(huán)節(jié)。本文基于ANSYSWorkbench平臺(tái)，對(duì)CMM2-20型煤礦用全液壓錨桿錨索鉆車的鉆架進(jìn)行可靠性分析。對(duì)鉆車鉆架進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過(guò)有限元分析結(jié)果找出鉆架上應(yīng)力集中的部件。仿真結(jié)果為礦用全液壓鉆車鉆架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)，對(duì)于保障井下作業(yè)人員的安全具有實(shí)際的工程意義。

關(guān)鍵詞：鉆車鉆架;有限元分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;井下作業(yè)

中圖分類號(hào)：TH123? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）06-0066-02

0? 引言

煤礦頂板事故是導(dǎo)致井下作業(yè)人員傷亡的主要事故類型之一[1]。為降低頂板事故發(fā)生概率、保證煤礦井下施工安全，錨桿支護(hù)技術(shù)水平和錨桿鉆機(jī)的性能需要不斷提高。錨桿鉆機(jī)是推廣錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)其性能對(duì)支護(hù)的速度、質(zhì)量、作業(yè)條件和勞動(dòng)強(qiáng)度等起決定作用。安全、高效、耐用、環(huán)保、靈活和輕便的錨桿鉆機(jī)最受市場(chǎng)歡迎，是錨桿鉆機(jī)的研究方向[2]。

本文針對(duì)CMM2-20型煤礦用全液壓錨桿錨索鉆車鉆架為研究對(duì)象，通過(guò)建立鉆架的三維模型，模擬實(shí)際鉆架在作業(yè)面的工作情況，采用有限元法對(duì)鉆架進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析，找出應(yīng)力集中部件，得到鉆架的固有頻率和關(guān)鍵位置的幅頻特性，分析鉆架使用壽命，為提高鉆架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提供依據(jù)。

1? 錨桿鉆車鉆架建模

CMM2-20型錨桿鉆機(jī)鉆架結(jié)構(gòu)如圖1所示，鉆架主要由支撐油缸、鉆架底座、推進(jìn)油缸、一級(jí)推進(jìn)體、回轉(zhuǎn)器、頂部支撐組成。支撐油缸是一級(jí)油缸，由它來(lái)推動(dòng)頂部支撐，提供支撐壓力;推進(jìn)油缸是二級(jí)油缸，可推動(dòng)一級(jí)推進(jìn)體和回轉(zhuǎn)器向鉆進(jìn)方向移動(dòng);回轉(zhuǎn)器通過(guò)鏈條與推進(jìn)油缸連接，獲得移動(dòng)的動(dòng)力，并且自身提供鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力。

2? 鉆架靜力學(xué)有限元分析

在ANSYSWorkbench14.5 aticStructural模塊中導(dǎo)入模型，導(dǎo)入模型后系統(tǒng)自動(dòng)生成接觸，本模型經(jīng)系統(tǒng)分析共有51個(gè)接觸對(duì)。

設(shè)置相關(guān)度“Relevance”數(shù)值為80[3]，得到了細(xì)致又均勻的網(wǎng)格化模型，共83397個(gè)節(jié)點(diǎn)，41456個(gè)單元，網(wǎng)格最小邊長(zhǎng)為5mm，如圖2鉆架有限元網(wǎng)格劃分圖。

載荷施加的大小和方向均按照受力分析的結(jié)果，載荷包括鉆桿作用在回轉(zhuǎn)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(shè)置在鉆架體上的5個(gè)螺栓孔處，因?yàn)樵撀菟子糜阢@架與鉆臂的連接，如圖3所示。

本節(jié)對(duì)CMM2-20型全液壓錨桿鉆機(jī)在最遠(yuǎn)位置為其最危險(xiǎn)的位置，本文僅對(duì)鉆架最遠(yuǎn)位置進(jìn)行有限元仿真分析。其靜力分析的結(jié)果如圖4所示。

由鉆架推進(jìn)行程最遠(yuǎn)位置應(yīng)力分析結(jié)果可知，當(dāng)鉆架推進(jìn)行程到最遠(yuǎn)位置時(shí)，位移變形量最大為10.687mm，位于右?guī)A持機(jī)構(gòu)頂端;應(yīng)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(jí)焊接推進(jìn)體底座內(nèi)側(cè)靠近鉆架體的地方。

通過(guò)鉆架的靜力學(xué)分析結(jié)果可知，當(dāng)鉆架推進(jìn)行程位于起始位置時(shí)，鉆架的位移變形量最大;當(dāng)鉆架推進(jìn)行程到達(dá)中間位置時(shí)，所受應(yīng)力最大;當(dāng)鉆架推進(jìn)行程最大時(shí)，鉆架體的變形較為均勻，位移變形量最小，所受應(yīng)力分布也較均勻，應(yīng)力數(shù)值在中間。在整個(gè)推進(jìn)行程中，鉆架的右端夾持機(jī)構(gòu)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(gè)推進(jìn)過(guò)程中應(yīng)力最大值為151.28MPa，該位置材料為結(jié)構(gòu)鋼Q235，許用應(yīng)力為235MPa，安全系數(shù)取1.55，滿足鉆架在推進(jìn)過(guò)程中的強(qiáng)度需求，鉆架可靠性較高。本節(jié)靜力學(xué)分析結(jié)果找到鉆架在推進(jìn)行程中應(yīng)力集中最嚴(yán)重的位置，和相應(yīng)的應(yīng)力值大小，驗(yàn)證了鉆架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性。對(duì)鉆車鉆架進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過(guò)有限元分析結(jié)果找出鉆架上應(yīng)力集中的部件。仿真結(jié)果為礦用全液壓鉆車鉆架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)，對(duì)于保障井下作業(yè)人員的安全具有實(shí)際的工程意義。

3? 鉆架模態(tài)分析

模態(tài)分析模型的創(chuàng)建與靜力學(xué)分析模型創(chuàng)建過(guò)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(dǎo)入，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置相關(guān)度“Relevance”數(shù)值為80，得到與圖2一樣的網(wǎng)格化鉆架模型。約束與載荷的設(shè)置和靜力學(xué)分析中的設(shè)置相同，兩個(gè)外力分別為鉆桿作用在回轉(zhuǎn)器上面的力F1、圍巖壁作用在頂部支撐的力F2，5個(gè)位于鉆架體螺栓孔的固定約束。也可以在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，直接添加model模塊，可自動(dòng)生成模態(tài)分析模型，只需設(shè)置所求振動(dòng)階數(shù)即可。本節(jié)對(duì)CMM2-20型全液壓錨桿鉆機(jī)鉆架推進(jìn)的最遠(yuǎn)位置進(jìn)行30階模態(tài)分析。

鉆架推進(jìn)行程在最遠(yuǎn)位置時(shí)，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(zhuǎn)和兩者同時(shí)出現(xiàn)的三種情況。出現(xiàn)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(duì)應(yīng)的最大變形處有右?guī)A持機(jī)構(gòu)、一級(jí)推進(jìn)焊接架、支撐油缸活塞桿、鉆架體、鏈條、支撐油缸導(dǎo)油管。出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振型的頻率有74.203Hz、75.297Hz、100.85Hz，其對(duì)應(yīng)的最大變形處分別是右?guī)A持機(jī)構(gòu)和鉆架體。出現(xiàn)彎曲扭轉(zhuǎn)疊加振型的頻率有134.54Hz、205.25Hz、210.42Hz、217.25Hz，其對(duì)應(yīng)的最大變形處均是一級(jí)推進(jìn)焊接架。根據(jù)以上對(duì)鉆架推進(jìn)行程的30階模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，鉆架的整個(gè)推進(jìn)過(guò)程在10.227Hz到244.91Hz頻率段之間極易出現(xiàn)共振情況，鉆架每個(gè)零件都有可能產(chǎn)生共振，而且振型有橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)以及疊加的情況。鉆架在推進(jìn)行程的三個(gè)位置時(shí)，均在171.2Hz到174.48Hz之間出現(xiàn)支撐油缸導(dǎo)油管振幅最大的情況，且振幅最大值達(dá)到38.233mm。本鉆架回轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)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(shí)發(fā)生共振，確保了鉆架的可靠性。

4? 結(jié)束語(yǔ)

本文基于ANSYSWorkbench平臺(tái)，對(duì)CMM2-20型煤礦用全液壓錨桿錨索鉆車的鉆架進(jìn)行可靠性分析。對(duì)鉆車鉆架進(jìn)行靜力學(xué)分析與模態(tài)分析，通過(guò)有限元分析結(jié)果找出鉆架上應(yīng)力集中的部件，得到鉆架的固有頻率和關(guān)鍵位置的幅頻特性。仿真結(jié)果為礦用全液壓鉆車鉆架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)，對(duì)于保障井下作業(yè)人員的安全具有實(shí)際的工程意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]程磊，楊朝偉，景國(guó)勛.2014 年我國(guó)煤礦事故統(tǒng)計(jì)與規(guī)律分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，16（04）：384-389.

[2]李磊.非圓齒輪式液壓錨桿鉆機(jī)的設(shè)計(jì)研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2008.

[3]李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench 設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011：1-4.