成學(xué)東

(五礦礦業(yè)(安徽)開發(fā)有限公司, 安徽六安市 237474)

基于SolidWorks的液壓鑿巖臺車伸縮臂有限元分析?

成學(xué)東

(五礦礦業(yè)(安徽)開發(fā)有限公司, 安徽六安市 237474)

對液壓鑿巖臺車關(guān)鍵變位機構(gòu)伸縮臂的極限位置進(jìn)行靜力分析,基于Solid-Works平臺對液壓鑿巖臺車伸縮臂進(jìn)行了三維重構(gòu),并采用有限元分析理論對伸縮臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力、變形分析。以此為指導(dǎo)設(shè)計制造了液壓鑿巖臺車伸縮臂,應(yīng)用結(jié)果表明,該伸縮臂符合實際工況需求,可靠性強,安全度高,可為同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

液壓鑿巖臺車;伸縮臂;SolidWorks;有限元分析

0 引 言

液壓鑿巖臺車是機電液一體化的大型鑿巖設(shè)備,廣泛應(yīng)用于采礦、水電、道路、橋梁建設(shè)等工程。相較于同級氣動鑿巖鉆機,液壓鑿巖臺車具有明顯優(yōu)勢,其效率提升顯著,鉆孔速度更快,同時對工作環(huán)境較為友好,隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,液壓鑿巖臺車的種種優(yōu)勢使其在鑿巖工程設(shè)備中占有一席之地。鉆臂是液壓鑿巖臺車的重要承載機構(gòu),鑿巖設(shè)備、偏擺裝置通過鉆臂與液壓鑿巖臺車機身連接,同時,鉆臂也是液壓鑿巖臺車的重要變位機構(gòu),通過鉆臂的舉升、偏擺以及伸縮進(jìn)行變位[1-2]。

本文研究對象為某型單臂液壓鑿巖臺車,其大臂與車體交接,懸臂端承載鉆桿庫、鑿巖機、導(dǎo)軌、回轉(zhuǎn)馬達(dá)等附件,用于環(huán)形爆破面穿孔作業(yè),其最大有效載荷為29784N,有效伸縮行程1200mm,缸徑250mm,缸筒直徑330mm。其主要載荷形式為徑向與鉆臂垂直。

鉆臂作為承載液壓鑿巖臺車工作機構(gòu)的主要工作部件,其主要結(jié)構(gòu)形式為伸縮油缸式,一端與機體鉸接,一端承載鉆桿庫、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和鑿巖機等主要工作機構(gòu)。同時根據(jù)液壓鑿巖臺車工作形式,鉆臂需要覆蓋盡可能大的工作范圍,因此懸臂式鉆臂是液壓鑿巖臺車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性尤其重要。所以需要對伸縮臂進(jìn)行靜力學(xué)分析,以確保其工作能力及可靠性符合設(shè)計要求。

對于此類懸臂大負(fù)載承載機構(gòu),業(yè)內(nèi)普遍應(yīng)用有限元分析法對其進(jìn)行靜力學(xué)分析。有限元分析法其突出特點是可以通過對連續(xù)體的離散化,將連續(xù)體離散成有限個單元,對有限個單元進(jìn)行插值求解以解決各種實際問題[3]。在工程實際中,大多數(shù)問題無法得到解析,而有限元分析法得到的近似解計算精度較高,因此成為廣泛應(yīng)用的分析方法。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,涌現(xiàn)了一批可以進(jìn)行有限元分析的工程軟件,極大方便了工程人員進(jìn)行建模分析。本文基于SolidWorks對液壓鑿巖臺車關(guān)鍵機構(gòu)伸縮臂進(jìn)行三維建模,并利用simulation插件對其進(jìn)行靜力分析,確保其可靠性。

1 伸縮臂及套筒的三維重建

伸縮臂是液壓鑿巖臺車的關(guān)鍵變位機構(gòu)及承載機構(gòu),液壓鑿巖臺車的連續(xù)性工作對其可靠性要求高。

液壓鑿巖臺車工作過程中需要由大臂承載大部分工作載荷,承載時間長,載荷大。因此伸縮臂的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性對液壓鑿巖臺車的性能影響重大。同時由于液壓鑿巖臺車需要準(zhǔn)確實現(xiàn)布孔定位工作,因此其工作過程中的結(jié)構(gòu)位移變化也對液壓鑿巖臺車工作穩(wěn)定性與可靠性具有重要影響。

為滿足液壓鑿巖臺車實際工作需求,滿足國內(nèi)主流礦山采場需求,盡可能覆蓋采場工作面,因此其行程根據(jù)設(shè)計需求應(yīng)達(dá)到1200mm。如圖1所示,伸縮臂由伸縮臂主體,平鍵以及臂套構(gòu)成,伸縮臂主體的左端連接工作機構(gòu),右端套入臂套中,通過臂套與鉆臂大臂連接。

圖1 伸縮臂裝配體

在建立三維模型時,可對結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行適當(dāng)簡化,在不影響結(jié)構(gòu)型式與結(jié)構(gòu)強度的前提下對明顯不影響分析的特征進(jìn)行簡化,如倒角等,可大幅減小后續(xù)的網(wǎng)格化以及靜力分析的運算量以及難度,同時確保不影響最終的分析結(jié)果。

進(jìn)行靜力學(xué)分析的目的是確保伸縮臂的可靠性,故選取合適位置是三維建模的基礎(chǔ)。根據(jù)鑿巖臺車工作情況,當(dāng)伸縮臂主體伸出至極限位置時,連接處受力最大、結(jié)構(gòu)最危險,因此,以伸出極限位置進(jìn)行建模,基于實際應(yīng)用環(huán)境建立三維模型如圖2所示[4-6]。

通過對液壓鑿巖臺車伸縮臂進(jìn)行三維重構(gòu),確定模型結(jié)構(gòu)尺寸,對各結(jié)構(gòu)件材料進(jìn)行設(shè)定,方便后續(xù)進(jìn)行有限元分析,依據(jù)工程經(jīng)驗和實際設(shè)計情況,設(shè)定伸縮臂主體材料為40Cr。該材料強度高,加工性能好,在工程應(yīng)用領(lǐng)域使用廣泛。

2 有限元分析

根據(jù)SolidWorkssimulation靜態(tài)運算需要,對裝配體零件材料屬性進(jìn)行設(shè)定,伸縮臂整體材料均為40Cr,其材料參數(shù)為:彈性模量E:2.10e＋11 N/m2;切變模量G:8.08e＋10N/m2;泊松比: 0.288;質(zhì)量密度:7860kg/m3;屈服強度:10.5e＋08 N/m2;許用應(yīng)力:8.5e＋08N/m2。

液壓鑿巖臺車伸縮臂為懸臂式油缸結(jié)構(gòu),其載荷主要為懸臂前端回轉(zhuǎn)機構(gòu)、鑿巖機、鉆桿庫、導(dǎo)軌等工作機構(gòu),根據(jù)等效載荷計算方法,其載荷為29784N。伸縮臂是鉆臂的一部分,臂套起著約束作用,因此,在臂套面施加固定約束。

作用位置為伸縮臂法蘭盤,通過螺栓連接,因此載荷的作用位置可定量設(shè)定為單一懸臂載荷,無交變載荷,其作用方向根據(jù)液壓鑿巖臺車工作狀態(tài)確定。當(dāng)伸縮臂水平時,載荷沿豎直方向作用于法蘭盤表面結(jié)構(gòu)最危險。

伸縮臂約束為臂套固定約束,當(dāng)油缸伸出至極限位置1200mm時,載荷施加位置為法蘭盤與伸縮臂軸向垂直,載荷29784N。

為確保裝配體在裝配過程中不發(fā)生干涉,從而影響對模型的網(wǎng)格劃分,因此需要在進(jìn)行網(wǎng)格劃分前對模型進(jìn)行干涉檢查。根據(jù)有限元理論,為提高分析精度,降低分析難度需要對液壓鑿巖臺車伸縮臂三維模型進(jìn)行網(wǎng)格控制,對臂套網(wǎng)格可粗糙化處理,伸縮臂需細(xì)化網(wǎng)格特性,以平衡細(xì)化網(wǎng)格和工作效率的關(guān)系,通過對伸縮臂三維模型的網(wǎng)格控制確保在保證結(jié)果準(zhǔn)確的前提下提高設(shè)計效率。網(wǎng)格化后的模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格化的模型

通過對伸縮臂三維模型網(wǎng)格化設(shè)置,自動生成網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為120970,網(wǎng)格單元控制為71703,最大網(wǎng)格單元大小為40.3522mm。網(wǎng)格化的各項參數(shù)符合對伸縮臂分析需求,實現(xiàn)了對伸縮臂模型的重點分析目標(biāo),網(wǎng)格化效率較高。

根據(jù)對液壓鑿巖臺車伸縮臂實際應(yīng)用情況分析,比對有限元分析環(huán)境設(shè)定,確定伸縮臂模型符合實際設(shè)計,約束、載荷、網(wǎng)格劃分滿足設(shè)計需要?；诖诉\行網(wǎng)格化的模型,生成伸縮臂模型的靜力分析結(jié)果。圖4為靜態(tài)應(yīng)力分析。

圖4 靜態(tài)應(yīng)力分布

根據(jù)模擬結(jié)果可知,最大集中應(yīng)力為3.17MPa,其位置為臂套與伸縮臂結(jié)合處。小于40Cr的屈服極限,故該結(jié)構(gòu)設(shè)計安全可靠,滿足設(shè)計要求[7-8]。

鑒于伸縮臂其結(jié)構(gòu)變形會直接影響液壓鑿巖臺車對鑿巖孔位的定位精度,是定位誤差的重要來源。因此需要對伸縮臂全載荷狀態(tài)下最大位移進(jìn)行計算。分析所得合位移分布如圖5所示。

圖5 合位移分布

根據(jù)圖5可知,伸縮臂最大變形量為2.456 mm,處于懸臂末端,但是總體位移量較小,不足以對液壓鑿巖臺車鑿巖孔位定位誤差小于200mm的精度要求造成太大影響,滿足變位機構(gòu)的精度需求。

3 應(yīng)用驗證

以本次分析結(jié)果為指導(dǎo),對液壓鑿巖臺車伸縮臂進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,試制了液壓鑿巖臺車伸縮臂,并進(jìn)行了相應(yīng)檢測及鑿巖試驗。其實際應(yīng)用情況見圖6。

圖6 液壓鑿巖臺車鉆臂現(xiàn)場應(yīng)用

應(yīng)用結(jié)果表明,伸縮臂安全可靠,滿足液壓鑿巖臺車對定位精度的要求,經(jīng)過相關(guān)檢驗部門檢測。定位精度為194mm,大臂伸縮行程1200mm,符合設(shè)計要求。樣機在中金嶺南凡口鉛鋅礦進(jìn)行了連續(xù)作業(yè)測試,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性得到了充分檢驗,應(yīng)用效果良好。

4 結(jié) 論

本次研究基于SolidWorks平臺對液壓鑿巖臺車關(guān)鍵變位機構(gòu)伸縮臂進(jìn)行了三維重構(gòu),以有限元理論為依據(jù),利用simulation插件對其進(jìn)行了靜力分析,得到了其極限位置的應(yīng)力分布圖和合位移分布圖,并以此為指導(dǎo)設(shè)計制造了滿足實際應(yīng)用需求的液壓鑿巖臺車伸縮臂。經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用和相關(guān)部門檢驗,該伸縮臂滿足設(shè)計需要,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠,可為同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供技術(shù)參考。

[1]許 可,李東明.智能中深孔全液壓鑿巖臺車智能控制技術(shù)的探究[J].采礦技術(shù),2015,15(3):72-73,78.

[2]席汝凱,李東明,張永璽,等.基于SolidWorks的大臂組合體有限元分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2016,36(8):78-80.

[3]趙經(jīng)文,王宏鈺.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京:科學(xué)出版社, 2001.

[4]呂紅軍.基于基于Solidworks有限元分析的卷料軸安全校核[J].機電信息,2016(21):174-175.

[5]趙 偉,殷國富,陳 航,等.基于SolidWorks和ANSYS的機器人手臂性能分析與優(yōu)化[J].機器人技術(shù),2009,36(12): 48-50.

[6]苗紅濤.基于SolidWorks的中空塑料包裝容器耐內(nèi)壓強度有限元分析[J].包裝工程,2016(1):74-77.

[7]任亞洲,張 蕾.基于SolidWorkssimulation刮板輸送機軌座結(jié)構(gòu)優(yōu)化及有限元分析[J].煤礦機械,2017(1):152-153.

[8]李立順,李紅勛,孟祥德.基于SolidWorkssimulation的有限元分析方法[J].制造業(yè)自動化,2011,33(10):114-115.

2017-03-17)

成學(xué)東(1975－),內(nèi)蒙人,工程師,主要從事設(shè)備、設(shè)備備件管理工作,Email:836321991＠qq.com。

國家高技術(shù)研發(fā)計劃(863計劃)課題(2011AA060401).