某型鑿巖臺(tái)車鉆臂關(guān)鍵部位連接校核與疲勞壽命仿真

歐陽新池

（中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

鑿巖臺(tái)車是一種隧道及地下工程采用鉆爆發(fā)施工的一種重要鑿巖設(shè)備，本型全電腦三臂鑿巖臺(tái)，具有數(shù)控集成高、開挖便捷的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，工作面人員密度小且主要操作人員處于鑿巖臺(tái)車駕駛室內(nèi)，避免了工作狀態(tài)中碎石傷人的風(fēng)險(xiǎn)。在鑿巖過程中，鉆臂是整個(gè)鑿巖臺(tái)車工作中最重要的部分。鉆臂在鑿巖進(jìn)給工作狀態(tài)下，需要承受彎扭載荷和高頻沖擊載荷等，載荷隨鉆臂姿態(tài)、周圍巖條件、鑿巖進(jìn)給過程中巖石松動(dòng)情況的不同而發(fā)生變化，各種載荷的疊加與急劇變化及其容易造成整個(gè)鉆臂出現(xiàn)疲勞損傷，進(jìn)一步使鉆臂出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致整個(gè)鉆臂的斷裂失效，進(jìn)而影響施工進(jìn)度。

目前，國內(nèi)學(xué)者對(duì)于鑿巖臺(tái)車的研究多集中于鉆臂靜力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)的模型建立與仿真、動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型建立和仿真分析，以及鉆臂的全自動(dòng)控制與輕量化分析。宋穎鵬[1]對(duì)AXERA T10 型鑿巖臺(tái)車的大臂在不同工作狀態(tài)下的薄弱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞壽命分析，并計(jì)算得到疲勞壽命，為同類型鑿巖臺(tái)車的大臂設(shè)計(jì)提供了參考。李俊強(qiáng)[2]建立了阿特拉斯·科普柯公司生產(chǎn)的某型鑿巖臺(tái)車工作裝置的仿真模型，對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真和模態(tài)分析，得到了鉆臂各部件的應(yīng)力及變形情況。吳楠[3]建立了鑿巖臺(tái)車推進(jìn)梁結(jié)構(gòu)的有限元模型，利用SolidWorks Simulation 分析推進(jìn)梁模態(tài)頻率、靜應(yīng)力和疲勞壽命，尋找最大應(yīng)力點(diǎn)和易損壞點(diǎn)的分布規(guī)律，為提高推進(jìn)梁疲勞強(qiáng)度、延長設(shè)備生命周期提供結(jié)構(gòu)改進(jìn)意見和使用操作建議。董吳翔[4]使用AMESim 軟件對(duì)鑿巖臺(tái)車鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)回路進(jìn)行了仿真分析，利用ANSYS 軟件對(duì)鉆臂模型進(jìn)行了靜力學(xué)分析。仿真結(jié)果表明，鉆臂的剛度及強(qiáng)度滿足要求，優(yōu)化后的鉆臂重量降低了13%，實(shí)現(xiàn)了鉆臂輕量化的目標(biāo)。

1 鉆臂工作原理與工作狀態(tài)

本型全電腦三臂鑿巖臺(tái)車的左側(cè)鉆臂整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示（中間、右側(cè)結(jié)構(gòu)均一致）。本型鑿巖臺(tái)車的鉆臂和推進(jìn)機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作狀態(tài)下有各種不同的位姿變換，并且鉆臂的結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜，鉆臂的大臂和推進(jìn)機(jī)構(gòu)可在一定范圍內(nèi)俯仰，且大臂可以做左右偏擺動(dòng)作，鉆臂和推進(jìn)梁皆可伸縮，因此鉆臂可以完成空間內(nèi)全方位的作業(yè)，結(jié)構(gòu)自由度較多，工況復(fù)雜。

圖1 鉆臂整體結(jié)構(gòu)

本結(jié)構(gòu)與疲勞分析基于鉆臂極端工況，在調(diào)整俯仰角度和左右偏擺角度的同時(shí)要保證推進(jìn)機(jī)構(gòu)與地面平行，在極限工作狀態(tài)（圖2），鉆臂二級(jí)大臂伸長2400 mm、推進(jìn)梁伸長2400 mm、鑿巖機(jī)推出4500 mm；鉆臂俯仰角度范圍為-30° ～ 60°，左右偏擺角度為-35° ～ 50°；推進(jìn)機(jī)構(gòu)俯仰角度范圍為-30° ～ 60°，左右偏擺角度為-35° ～ 50°；推進(jìn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度范圍為0° ～ 180°，具體工況見表1。

圖2 鉆臂工作范圍

表1 鉆臂工作狀態(tài)

2 鉆臂仿真模型建立

本模型鑿巖臺(tái)車采用CATIA 軟件建立原始三維模型，將建立好的三維模型導(dǎo)入Hypermesh 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在建模過程中，對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)抽取中面，使用殼單元網(wǎng)格、軸和軸套以及部分較厚的零部件按照實(shí)際模型，使用四面體網(wǎng)格進(jìn)行實(shí)體建模，對(duì)螺栓連接處進(jìn)行washer 網(wǎng)格處理，螺栓連接和鉸鏈連接采用RBE2加BEAM 單元連接，燒焊相應(yīng)的焊點(diǎn)單元連接，在網(wǎng)格劃分中對(duì)細(xì)小幾何特征進(jìn)行清理。有限元模型建立好后，依據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)整體網(wǎng)格進(jìn)行檢查，最后得到有限元模型如圖3 所示。

圖3 鉆臂有限元模型

3 鉆臂靜力分析與關(guān)鍵螺栓強(qiáng)度校核

根據(jù)鑿巖點(diǎn)擊功率以及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本模型的載荷有2 個(gè)部分（圖4）：（1）施加在鑿巖臺(tái)車鉆桿上的反作用力，該力為鑿巖機(jī)電機(jī)極限功率下所能輸出的最大力，大小為17000 N，方向?yàn)閆軸正方向。除了施加在鑿巖臺(tái)車上的載荷，還要考慮重力因素的影響，設(shè)置重力加速度為9.8 m/s2，即設(shè)置模型重力場，其中模型自重5.74 t；（2）釬桿鑿巖處的扭矩，大小為600 N·m。

圖4 鉆臂所受外載荷

本模型鑿巖臺(tái)車所處工況惡劣，需對(duì)關(guān)鍵部位連接處的螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核，校核部位為鉆臂底部與臺(tái)車連接部位螺栓、鉆臂中部的大臂與推進(jìn)機(jī)構(gòu)連接螺栓。

從表2 可以看出，工況2 與工況5 重力產(chǎn)生的力矩與加載力的力矩方向一致，從而導(dǎo)致鉆臂的最大位移非常大。特別是工況5 下釬桿頂點(diǎn)位移最大，整體的最大應(yīng)力也最大，穩(wěn)定性最差，孔位定位精度差，也證明了工況五下鉆臂受力最惡劣。

表2 鉆臂靜力分析結(jié)果

本模型鑿巖臺(tái)車所用螺栓的許用軸向應(yīng)力為750 MPa，許用剪切應(yīng)力為360 MPa，許用擠壓應(yīng)力為720 MPa，從表3 可知本型鑿巖臺(tái)車關(guān)鍵部位螺栓均未超過最大許用應(yīng)力，螺栓處于安全狀態(tài)。

表3 鉆臂螺栓連接校核

4 鉆臂沖擊力獲取

在實(shí)際工況中鉆頭進(jìn)給鑿巖過程是一個(gè)非線性、變形非常大的復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程，現(xiàn)在一般的做法為把沖擊活塞與釬桿看作一根彈性桿，同時(shí)綜合波動(dòng)力學(xué)知識(shí)建立簡化的鉆頭沖擊破巖的仿真模型，所以在建模的過程中只考慮鉆頭沖擊鑿巖過程中鉆進(jìn)系統(tǒng)在沿著軸向方向上的整體受力情況。在建立仿真模型時(shí)，將連接套、釬桿以及釬尾等的質(zhì)量直接等效在鉆頭本身，將沖擊活塞沖擊釬尾產(chǎn)生的應(yīng)力波，在釬桿上傳遞到鉆頭后直接簡化為施加給鉆頭一個(gè)等效的沖擊能量。將巖石的屬性[5]在Ls-Dyna 中設(shè)置好，如圖5 所示，給定鉆頭轉(zhuǎn)速200 r/min，鑿巖機(jī)電機(jī)能提供的極限推進(jìn)力17 kN，推進(jìn)時(shí)間2 ms，進(jìn)行沖擊模擬仿真。

圖5 Ls-Dyna 中鉆頭與巖石模型

從變化曲線圖6 所示可以看出，在鉆頭接觸巖石的一瞬間接觸反力非常大，之后反力幅值維持在20 kN左右。

圖6 鑿巖反力隨時(shí)間變化曲線

5 鉆臂疲勞分析

在得到鉆臂鑿巖反力隨時(shí)間的變化曲線之后，將曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后輸入Hyper Works 對(duì)鉆臂的5 中極限工況分別進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)應(yīng)力分析，瞬態(tài)響應(yīng)應(yīng)力分析仿真時(shí)間設(shè)置為3 s。

圖7 鉆臂仿真分析流程

在工程上，若鉆臂承受恒定幅值應(yīng)力載荷循環(huán)，則可用該材料的S-N 曲線估算鉆臂的疲勞壽命。S-N曲線所描述的是疲勞實(shí)驗(yàn)中試件所受應(yīng)力幅值與樣件失效最大循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，是疲勞疲勞分析中最常使用的方法。但通過HyperWorks 瞬態(tài)沖擊應(yīng)力響應(yīng)分析得到的應(yīng)力-時(shí)間歷程是變化的，要使用雨流計(jì)數(shù)法將不規(guī)則的應(yīng)力-時(shí)間歷程簡化為規(guī)則的循環(huán)應(yīng)力過程。在疲勞分析軟件Ncode 中，將所得應(yīng)力-時(shí)間結(jié)果輸入即可得到節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力循環(huán)幅值、均值以及循環(huán)次數(shù)，也就是載荷譜。

分析載荷譜輸入后，需要設(shè)定分析所用材料。本鑿巖臺(tái)車鉆臂所用材料為Q345 與Q690，其材料曲線分別如圖8 與圖9 所示。在計(jì)算疲勞壽命時(shí)，還需要計(jì)算出材料 曲線的兩段斜率b1、b2和SRI1，計(jì)算公式如下[6]：

圖8 Q345 材料曲線

圖9 Q690 材料曲線

式中：S1= 0.7UTS，S1= 0.258UTS，Nc1為疲勞轉(zhuǎn)換點(diǎn)，為1 × 106。

表4 鉆臂各工況壽命

經(jīng)過仿真分析如圖10 所示，最終得到在工況5下旋轉(zhuǎn)電機(jī)后的加強(qiáng)肋處節(jié)點(diǎn)772438 的疲勞循環(huán)次數(shù)最小，為6.21 × 104次。

圖10 各工況下壽命最低位置

疲勞壽命：

式中：N為試件失效前最大疲勞應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，t為單次疲勞循環(huán)所用時(shí)間。

所以鉆臂的壽命為：

M=Nt= 6.21 × 104× 3 = 1.863105s = 51.75 h

6 結(jié)語

利用CATIA 建立鉆臂三維模型，利用Hyper-Works 與Ncode 軟件對(duì)鉆臂進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測，發(fā)現(xiàn)工況5 是5 種極限工況中最惡劣的。在該工況下，鑿巖機(jī)的鑿巖電機(jī)功率最大，內(nèi)壁伸出量最大，推進(jìn)梁伸出長度最大，鑿巖機(jī)推出最大。在該工況下，出現(xiàn)疲勞損傷的壽命為51.75 h，而在實(shí)際工作狀態(tài)中，一般不會(huì)在這種絕對(duì)極限工況中連續(xù)工作51.75 h。

本型鑿巖機(jī)應(yīng)用與高原地區(qū)，通過仿真了解鑿巖機(jī)的極限工況狀態(tài)與極限工作壽命，有利于工作人員在不利的工況下持續(xù)工作，并對(duì)后續(xù)的結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)，有一定的指導(dǎo)意義。