劉 剛

（山西大同永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037024）

引言

煤礦資源是國家綜合國力提升的重要支撐能源，加大對煤礦資源的開采力度已成為當(dāng)前的重要任務(wù)。在煤礦開采之前，需對巖層進(jìn)行地質(zhì)、瓦斯?jié)舛燃氨瓶碧阶鳂I(yè)，以提前掌握礦井基本情況。在勘探過鉆孔中，主要利用鉆車夾緊鉆桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆孔，且需不斷添加鉆桿，以增加鉆孔深度[1]。由于井下空間狹小，加上鉆孔時會有巖石、煤石等掉下，一種小型的自動裝卸設(shè)備——礦用液壓鉆車被應(yīng)用到了井下鉆孔勘探任務(wù)中，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。然而，隨著鉆桿長度及深度的不斷加深，加深井下作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，液壓鉆車在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部變形、結(jié)構(gòu)開裂、漏油、控制不靈敏等各類失效問題，設(shè)備一旦出現(xiàn)故障問題，將嚴(yán)重影響井下鉆孔效率及勘探的精確性，給后期的煤礦開采構(gòu)成了潛在威脅，而機(jī)械手作為該設(shè)備中的關(guān)鍵部件，有效保證其部件的綜合性能成為提升液壓鉆車整體可靠性的重要方向[2]。為此，以ZYWL-6000型礦用液壓鉆車中機(jī)械手為分析對象，開展了該部件在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能分析，提出了其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)措施，這對提升機(jī)械手及液壓鉆車的使用壽命具有重要意義。

圖1 礦用液壓鉆車結(jié)構(gòu)圖

1 全液壓鉆車結(jié)構(gòu)組成分析

目前，煤礦領(lǐng)域應(yīng)用的鉆車種類相對較大，包括液壓式、動力頭式、機(jī)械傳動式等，主要負(fù)責(zé)對礦井工作面進(jìn)行鉆孔。其中，液壓鉆車是鉆孔中應(yīng)用較為廣泛的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要包括動力機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)等，行走機(jī)構(gòu)包括底座、底盤、履帶等部件，負(fù)責(zé)整個鉆車的移動，執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括機(jī)械手、鉆桿、鉆機(jī)、自動換桿裝置、鉆桿夾持器等部件，主要負(fù)責(zé)對礦井中的鉆孔作業(yè)。液壓鉆車作業(yè)時通過高壓液壓油，在油泵電機(jī)、減速器、馬達(dá)等部件的相互配合下，最終驅(qū)動機(jī)械手抓取鉆桿并使其旋轉(zhuǎn)，在行走機(jī)構(gòu)作業(yè)的配合下，移動至作業(yè)面，開始對作業(yè)區(qū)域的旋轉(zhuǎn)鉆孔施工。機(jī)械手是液壓鉆車中的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)主要包括手臂、內(nèi)側(cè)手爪、外側(cè)手爪、轉(zhuǎn)軸、翻轉(zhuǎn)油缸、導(dǎo)向槽、支座等零件[3]，如圖2所示，主要負(fù)責(zé)抓取和搬運鉆桿。由于鉆孔過程中鉆桿的長短、重量會根據(jù)不同作業(yè)工況進(jìn)行變化，故機(jī)械手在作業(yè)時存在抓取力不夠、結(jié)構(gòu)失效等問題，同時，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)部位由于采用了擺動油缸進(jìn)行驅(qū)動，其長時間超負(fù)荷作業(yè)，也使得此區(qū)域出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)力矩不足、漏油等失效問題[4]。另外，因設(shè)計的不合理性，導(dǎo)致內(nèi)外側(cè)手爪所施加的抓緊力也相對較小。由此，對機(jī)械手進(jìn)行綜合性能分析，找到其存在的不足，有針對性地對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，成為提升機(jī)械手結(jié)構(gòu)性能及使用壽命的重要任務(wù)。

圖2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)組成示意圖

2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 機(jī)械手三維模型建立

為進(jìn)一步分析機(jī)械手在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能，根據(jù)ZYWL-6000型礦用液壓鉆車的結(jié)構(gòu)特點，采用Solidworks軟件，對機(jī)械手進(jìn)行了三維模型建立。所建模型包括手爪、手臂、支座、翻轉(zhuǎn)軸等部件。為提高機(jī)械手的分析精度，使得分析結(jié)果更好地與實際工況相吻合，在建模時對機(jī)械手上的圓角、倒角、過渡圓弧等非關(guān)鍵特征進(jìn)行了模型簡化，僅保留了機(jī)械手上各部件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征，所建立的液壓鉆車機(jī)械手三維模型如圖3所示。

圖3 機(jī)械手三維模型圖

2.2 結(jié)構(gòu)分析模型建立

結(jié)合所建立的機(jī)械手三維模型，將其轉(zhuǎn)換為stp格式后，導(dǎo)入至ABAQUS軟件，對其進(jìn)行了仿真模型建立。由于機(jī)械手實際使用時主要采用的是45號鋼，故在軟件中將機(jī)械手中各部件的材料設(shè)置為Q460材料[5]，其材料的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。在對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，為提高仿真精度及操作性，采用了四面體網(wǎng)格類型，solid實體單元屬性，網(wǎng)格大小設(shè)置為6 mm，對其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。機(jī)械手的作業(yè)工況相對較多，故選用了機(jī)械手翻轉(zhuǎn)60°和機(jī)械手翻轉(zhuǎn)180°兩種工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)的綜合性能研究。機(jī)械手施加載荷圖如圖4所示，圖中F1為外側(cè)手爪上半段力，F(xiàn)2為內(nèi)側(cè)手爪上半段力，F(xiàn)3為外側(cè)手爪下半段力，F(xiàn)4為內(nèi)側(cè)手爪下半段力[6]。由此，完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)仿真模型建立。

表1 Q460材料關(guān)鍵參數(shù)

圖4 機(jī)械手施加載荷圖

3 機(jī)械手不同姿態(tài)下的結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 翻轉(zhuǎn)60°姿態(tài)下的應(yīng)力分布圖

結(jié)合建立的機(jī)械手仿真模型，分析了其翻轉(zhuǎn)60°工況下的應(yīng)力分布情況，主要包括機(jī)械手中手臂和內(nèi)側(cè)手爪兩部件。由圖5可知，手臂整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，局部區(qū)域的最大集中應(yīng)力為446 MPa，出現(xiàn)在手臂上左右臂的中段區(qū)域。由圖6可知，內(nèi)側(cè)手爪也出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，最大應(yīng)力值為352 MPa，比手臂上的應(yīng)力值更小，出現(xiàn)在外側(cè)手爪中部區(qū)域。分析其原因：機(jī)械手在抓取鉆桿時承受了來自鉆桿的部分重力分力，內(nèi)側(cè)手爪產(chǎn)生了較大的夾緊作用力，以抵消鉆桿的自身重力及與手爪產(chǎn)生的摩擦力，使得其自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而手臂在使用時出現(xiàn)了懸臂梁受力情況，導(dǎo)致了其左右臂的中段區(qū)域出現(xiàn)了更大的應(yīng)力集中。由此可知，機(jī)械手中的手臂中部及外側(cè)手爪的中部均是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，其長時間的作業(yè)，將極容易在此薄弱區(qū)域率先發(fā)生結(jié)構(gòu)彎曲、斷裂或開裂等失效問題，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

圖5 機(jī)械手手臂應(yīng)力變化圖

圖6 機(jī)械手內(nèi)側(cè)手爪應(yīng)力變化圖

3.2 翻轉(zhuǎn)180°姿態(tài)下的應(yīng)力分布圖

通過對機(jī)械手的仿真分析，得到了機(jī)械手翻轉(zhuǎn)180°工況的各部件應(yīng)力變化圖。此種工況下。由圖7可知，手臂整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達(dá)到了640.6 MPa，超過了其材料的屈服強(qiáng)度460 MPa，比機(jī)械手翻轉(zhuǎn)60°工況時的應(yīng)力更高，主要分布在手臂的右手臂中段區(qū)域。由下頁圖8可知，外側(cè)手爪也出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，最大應(yīng)力為423.5 MPa，主要集中在手爪的中部區(qū)域。機(jī)械手在此工況下的應(yīng)力變化趨勢與翻轉(zhuǎn)60°時基本相同，但應(yīng)力值均明顯增加。分析其原因為：機(jī)械手在此工況下，受到了來自鉆桿的所有重量作業(yè)，所需施加的作用力相對更高，在作用力與反作用力情況下，出現(xiàn)了應(yīng)力集中更明顯現(xiàn)象。由此可知，機(jī)械手在此工況下時，手臂的右臂中段及外側(cè)手爪中部區(qū)域也是薄弱部位，需對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

圖7 機(jī)械手手臂應(yīng)力變化圖

圖8 機(jī)械手內(nèi)側(cè)手爪應(yīng)力變化圖

4 機(jī)械手結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施

結(jié)合前文分析可知，機(jī)械手在不同工況下，其手臂中段及外側(cè)手爪的中部區(qū)域均是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)彎曲、斷裂或開裂等失效問題，為提高機(jī)械手的結(jié)構(gòu)性能，保證液壓鉆車的高效運行，對機(jī)械手進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計，具體包括：

1）將機(jī)械手中手臂的材料提升至屈服強(qiáng)度更高的40Cr材料，屈服強(qiáng)度達(dá)到785 MPa，而外側(cè)手爪材料則保持不變，以使機(jī)械手能滿足更多的復(fù)雜工況；

2）在設(shè)計加工時，對手臂左右臂中段的內(nèi)部焊接2 mm厚的加強(qiáng)筋板結(jié)構(gòu)，提高中段區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

3）在設(shè)計加工時，對外側(cè)手爪的中部區(qū)域焊接2 mm后的三角貼板，增強(qiáng)此區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

4）手臂和外側(cè)手爪的最大集中應(yīng)力區(qū)域附近開設(shè)直接為2 mm左右的較小圓孔，使得集中的應(yīng)力能分解轉(zhuǎn)移至圓孔處，而不影響此部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少機(jī)械手上的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

5）增加機(jī)械手的寬度和厚度，增加其與鉆桿的接觸面積，以此提高機(jī)械手的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

6）定期對機(jī)械手進(jìn)行維護(hù)檢查，作業(yè)時嚴(yán)格控制其抓取的鉆桿重量，避免因機(jī)械手的長時間超負(fù)荷作業(yè)而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效問題發(fā)生。

5 結(jié)語

結(jié)合液壓鉆車的現(xiàn)場使用情況，采用當(dāng)前成熟的有限元分析方法，對其設(shè)備中的機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究，成為縮短分析時間、提供工作效率及分析結(jié)果可靠性的重要手段。為此，在分析液壓鉆車結(jié)構(gòu)特點基礎(chǔ)上，以ZYWL-6000型礦用液壓鉆車中機(jī)械手為分析基礎(chǔ)，開展了其結(jié)構(gòu)在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能分析，找到了其手臂中段及外側(cè)手爪的中部區(qū)域均是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效問題，基于此，有針對性地提出了了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，這對提高機(jī)械手的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及使用壽命具有重要作用，也為液壓鉆車其他部件的性能研究提供了重要參考。