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(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京 100161）

0 引言

煤炭是現(xiàn)階段我國的主要能源形式，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(jù)了一定的地位，首先在斷面上進(jìn)行爆破孔的鉆孔，然后填埋炸藥進(jìn)行引爆，形成斷面巷道進(jìn)行支護(hù)及開采。在進(jìn)行施工的過程中，人工進(jìn)行鉆孔的工作強(qiáng)度大，不能滿足煤礦高效開采的需求，且人工進(jìn)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(jìn)行鉆爆法施工的新型鑿巖設(shè)備，可以同時支持多臺鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆孔工作，可以依據(jù)現(xiàn)場條件進(jìn)行自主移動，降低人工作業(yè)的強(qiáng)度，提高鑿巖作業(yè)的安全性和鉆孔作業(yè)的效率。鑿巖臺車進(jìn)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(yīng)用過程中，針對不同質(zhì)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(shù)值模擬的方式對鑿巖臺車不同工況下的鉆臂受力作用進(jìn)行分析，以驗(yàn)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(jī)起到支撐作用，并對其位置進(jìn)行輔助定位，具有較大的體積，在使用過程中，對于鉆臂的結(jié)構(gòu)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(jìn)行分析，以確保鉆臂的支撐安全。依據(jù)鑿巖臺車鉆臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模型建立，主要結(jié)構(gòu)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(jìn)油缸等。前端支撐對鑿巖機(jī)起到支撐作用，后端鉆臂體由連接板及油缸支撐，通過內(nèi)部油缸驅(qū)動伸縮管運(yùn)動，推進(jìn)器油缸運(yùn)動驅(qū)動鑿巖機(jī)的上下擺動，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位鑿巖位置[3]。

采用SolidWorks 三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行鑿巖臺車鉆臂模型的建立：首先進(jìn)行各主要實(shí)體模型的建立，通過自下而上的設(shè)計(jì)，將各實(shí)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(chǔ)，各零部件與所需的標(biāo)準(zhǔn)件依據(jù)約束關(guān)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(jìn)行分析，將裝配得到的鉆臂模型進(jìn)行一定簡化，忽略一些小孔、倒角等細(xì)小特征，避免細(xì)小結(jié)構(gòu)特征帶來的復(fù)雜計(jì)算，將其導(dǎo)入ANSYS Workbench 得到鉆臂的模型（圖1）。對得到的模型過自動劃分網(wǎng)格形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，由此可以進(jìn)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(shè)定鉆臂主要結(jié)構(gòu)的材料為Q345 高強(qiáng)度鋼，連接銷軸的材質(zhì)為45#鋼，連接零件間采用的墊圈材質(zhì)為硬質(zhì)橡膠。對鉆臂臺車的受力作用進(jìn)行分析，設(shè)定零件間的連接為綁定接觸，生成相應(yīng)的接觸對。依據(jù)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(jié)構(gòu)件受力情況不同，各結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力相應(yīng)也不一致。由于鉆臂的尺寸較大，在全伸展?fàn)顟B(tài)下鉆臂的受力較大，在鉆臂全伸展的狀態(tài)下選取極限位置的兩種工況進(jìn)行模擬仿真：工況1 為鉆臂的仰起極限位置，此時構(gòu)件在全伸展的狀態(tài)下，達(dá)到工作舉升的極限位置；工況2 為鉆臂的側(cè)向極限位置，此時構(gòu)件處于向單側(cè)偏移的全伸展?fàn)顟B(tài)下，達(dá)到側(cè)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(yùn)算，得到在工況1 時的鉆臂整體應(yīng)力云圖。從圖2 可以看出，在工況1 時鉆臂的最大應(yīng)力發(fā)生在后端鉆臂末端的墊圈位置處，鉆臂的最大應(yīng)力值為102 MPa，最大應(yīng)力值小于系統(tǒng)的許用應(yīng)力，滿足使用要求，許用應(yīng)力具有較高的裕度。

圖2 工況1 鉆臂的應(yīng)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(yùn)算，得到在工況2 時的鉆臂整體應(yīng)力云圖。從圖3可以看出，由于鑿巖臺車鉆臂進(jìn)行側(cè)向的鉆孔作業(yè)，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(yīng)力位置位于前端支撐與擺動支撐的連接位置處，最大的應(yīng)力值為133 MPa，在該連接位置處，采用軸套的結(jié)構(gòu)承載應(yīng)力的作用。最大應(yīng)力值小于軸套的許用應(yīng)力，滿足使用要求，許用應(yīng)力具有較高的裕度。

圖3 工況2 鉆臂的應(yīng)力分布云圖

由上述分析可知，在實(shí)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(nèi)，其受力滿足使用需求，保證了鉆臂的穩(wěn)定及安全。

3 總結(jié)

鑿巖臺車在煤礦的開采過程中，可以替代人工進(jìn)行鉆孔作業(yè)，提高了鉆孔的精度及一致性，對爆破作業(yè)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(jìn)行的仿真分析結(jié)果表明，兩種工況下鉆臂結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均小于系統(tǒng)的許用應(yīng)力，系統(tǒng)應(yīng)力具有較高的裕度，滿足鉆臂的使用要求，且存在一定的優(yōu)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。