羅松松,張安寧,張彪,陶永芹,毛馬杰

(1．凱盛重工有限公司, 安徽 淮南 232058； 2．安徽理工大學(xué)， 安徽 淮南 232001；3．中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)煤礦機(jī)電一體化專業(yè)委員會(huì)， 上海 200030)

0 引言

為滿足煤礦炮掘工作面需求，本公司研發(fā)了CMZY2-400/35型鉆裝錨一體機(jī)，該機(jī)集打爆破孔、打錨桿孔、破碎、挖掘裝載、運(yùn)輸、行走于一體，主要用于巖巷炮掘工作面。其主體結(jié)構(gòu)主要包括鉆臂機(jī)構(gòu)、扒裝機(jī)構(gòu)、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)及行走結(jié)構(gòu)。鉆臂是其關(guān)鍵部件之一，其性能好壞直接影響掘進(jìn)效率[1-3]。為使鉆臂能夠快速靈活地在打炮眼、側(cè)錨桿眼、頂錨桿眼之間切換，該一體機(jī)在鉆臂上端采用了雙擺動(dòng)油缸的萬(wàn)向臂結(jié)構(gòu)，主臂、萬(wàn)向臂、鑿巖機(jī)構(gòu)如圖1所示，萬(wàn)向臂由擺動(dòng)油缸1、擺動(dòng)油缸2和連接板組成，擺動(dòng)油缸1的擺動(dòng)軸與鑿巖機(jī)構(gòu)連接，缸體通過(guò)連接板與擺動(dòng)油缸2的擺動(dòng)軸連接；擺動(dòng)油缸2的缸體與主臂連接。該結(jié)構(gòu)由于空間限制，兩個(gè)擺動(dòng)油缸連接處和擺動(dòng)油缸與推進(jìn)器架連接處結(jié)構(gòu)相對(duì)單薄，必須對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核，以確定是否滿足強(qiáng)度要求，并找出結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，為進(jìn)一步改進(jìn)提供方向。

1 萬(wàn)向臂工況分析

1.1 鉆臂工況分析

根據(jù)該一體機(jī)的工作過(guò)程，可得出鉆臂主要存在向前打中上部炮眼，向前打下部炮眼，向側(cè)面打中上部錨桿眼，向側(cè)面打下部錨桿眼，向上打頂部錨桿眼和向下打底部錨桿眼這6種基本工況。

1.2 萬(wàn)向臂外載荷分析

鉆臂在工作過(guò)程中需要調(diào)整多種姿態(tài)以保證鑿巖機(jī)構(gòu)鉆鑿不同方位的炮眼和錨桿眼，連接主臂和推進(jìn)器的萬(wàn)向臂雖然在空間上可能是任意位置，但萬(wàn)向臂的2個(gè)擺動(dòng)油缸始終保持垂直關(guān)系，擺動(dòng)油缸1與推進(jìn)器也始終保持垂直關(guān)系。

由于該機(jī)在巖巷打眼，因此，打不同角度的炮眼和錨桿眼時(shí)需要的推進(jìn)力、轉(zhuǎn)釬扭矩和扶桿推力都相同，其最大值分別為推進(jìn)器的額定推力、鑿巖機(jī)構(gòu)的額定轉(zhuǎn)釬扭矩和扶釬器對(duì)巖壁的壓力，故鉆臂萬(wàn)向臂工作時(shí)其外載荷為上述載荷，方向相反。

考慮到推進(jìn)器及擺動(dòng)油缸重力始終向下，大小不變，其對(duì)萬(wàn)向臂的影響主要是重力對(duì)萬(wàn)向臂產(chǎn)生的扭矩影響，該扭矩重力隨力臂的變化而變化，當(dāng)擺動(dòng)油缸1在水平面時(shí)，重力扭矩最大，當(dāng)擺動(dòng)油缸1在垂直面時(shí)，重力扭矩最小。

1.3 萬(wàn)向臂基本工況確定

考慮到上述因素，可對(duì)萬(wàn)向臂工況進(jìn)行簡(jiǎn)化，固定擺動(dòng)油缸2的軸線與掘進(jìn)方向一致，選擇擺動(dòng)油缸1垂直向上、水平側(cè)向和垂直向下；當(dāng)擺動(dòng)油缸1垂直向上和垂直向下時(shí)，選擇推進(jìn)器水平向前、水平側(cè)向和水平斜前45°；當(dāng)擺動(dòng)油缸1水平側(cè)向時(shí)，選擇推進(jìn)器水平向前、垂直向上、垂直向下和垂直斜前45°作為萬(wàn)向臂的10種基本工況，如表1所示。

表1 鉆臂、萬(wàn)向臂主要工況及鉆孔方向

2 鉆臂萬(wàn)向臂的有限元強(qiáng)度分析

2.1 三維建模

為分析得出鉆臂萬(wàn)向臂工作狀態(tài)下應(yīng)力分布，采用SolidWorks進(jìn)行三維建模，不同工況位置的模型可通過(guò)移動(dòng)/旋轉(zhuǎn)零件方法來(lái)調(diào)姿獲得，工況2、工況4、工況6的三維模型如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 萬(wàn)向臂工況2的三維模型

圖3 萬(wàn)向臂工況4的三維模型

圖4 萬(wàn)向臂工況6的三維模型

2.2 網(wǎng)格劃分、約束確定、載荷施加

由于萬(wàn)向臂及鑿巖機(jī)構(gòu)的模型尺寸較大，在先采取設(shè)置較大全局網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，對(duì)萬(wàn)向臂關(guān)鍵零部件——擺動(dòng)油缸和連接板進(jìn)行細(xì)化處理和局部加密，工況2、工況4、工況6的模型網(wǎng)格劃分如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 萬(wàn)向臂工況2的三維模型的網(wǎng)格劃分

圖6 萬(wàn)向臂工況4的三維模型的網(wǎng)格劃分

圖7 萬(wàn)向臂工況6的三維模型的網(wǎng)格劃分

2.3 約束確定

根據(jù)實(shí)際工作情況，將擺動(dòng)油缸2與主臂連接面固定，約束扶釬器在與釬軸線垂直面內(nèi)的自由度，如圖8、圖9、圖10所示。

對(duì)鑿巖機(jī)構(gòu)施加推進(jìn)力反力、扶釬反力、轉(zhuǎn)釬反力及重力加速度如圖8、圖9、圖10所示，施加的外載荷值如表2所示。

圖8 萬(wàn)向臂工況2的三維模型的約束與載荷施加

圖9 萬(wàn)向臂工況4的三維模型的約束與載荷施加

圖10 萬(wàn)向臂工況6的三維模型的約束與載荷施加

表2 作用于鑿巖機(jī)構(gòu)的外載荷

2.4 應(yīng)力分析及結(jié)果

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、約束，加載后進(jìn)行有限元運(yùn)算分析，得到各工況的應(yīng)力分布云圖如圖11～圖20所示。

圖11 鉆臂萬(wàn)向臂工況1時(shí)的應(yīng)力云圖

圖12 鉆臂萬(wàn)向臂工況2時(shí)的應(yīng)力云圖

圖13 鉆臂萬(wàn)向臂工況3時(shí)的應(yīng)力云圖

圖14 鉆臂萬(wàn)向臂工況4時(shí)的應(yīng)力云圖

圖15 鉆臂萬(wàn)向臂工況5時(shí)的應(yīng)力云圖

圖17 鉆臂萬(wàn)向臂工況7時(shí)的應(yīng)力云圖

圖18 鉆臂萬(wàn)向臂工況8時(shí)的應(yīng)力云圖

圖19 鉆臂萬(wàn)向臂工況9時(shí)的應(yīng)力云圖

圖20 鉆臂萬(wàn)向臂工況5時(shí)的應(yīng)力云圖

從云圖中可得各種工況下應(yīng)力如表3所示，可知最大應(yīng)力處均位于擺動(dòng)油缸1與2連接件下部的筋板處。

表3 萬(wàn)向臂各工況所受應(yīng)力情況

2.5 結(jié)果分析

由以上分析可知：在工況1～工況10情況下，萬(wàn)向臂受到的最大應(yīng)力均發(fā)生在擺動(dòng)油缸1與擺動(dòng)油缸2連接處的筋板下端,應(yīng)力值由大到小發(fā)生的工況依次為工況9、4、3、7、1、8、5、6、2、10。工況9時(shí)應(yīng)力值最大，為209.17 MPa，小于連接板材料45號(hào)鋼屈服強(qiáng)度350 MPa，強(qiáng)度滿足要求。

3 結(jié)論

本文采用SolidWorks軟件建立了鉆臂萬(wàn)向臂結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型，導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS，并根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)，對(duì)鉆臂萬(wàn)向臂10種工況進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，得到如下結(jié)論：

1) CMZY2-400/35型鉆裝錨一體機(jī)鉆臂采用的萬(wàn)向臂設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足要求。

2) 在工況9時(shí)萬(wàn)向臂受到的應(yīng)力最大，為萬(wàn)向臂的危險(xiǎn)工況。

3) 萬(wàn)向臂在各工況受到的最大應(yīng)力均發(fā)生在兩個(gè)擺動(dòng)油缸之間的連接處，因此該連接板為萬(wàn)向臂的薄弱點(diǎn)。