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        CMZY2-400/35型鉆裝錨一體機(jī)萬向臂模態(tài)分析

        2022-01-19 09:57:36尹中會毛馬杰張安寧張彪羅松松陶永芹
        煤礦機(jī)電 2021年6期
        關(guān)鍵詞:主臂萬向鑿巖

        尹中會,毛馬杰,張安寧,2,張彪,羅松松,陶永芹

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

        0 引言

        CMZY2-400/35型鉆裝錨一體機(jī)在鉆臂上端采用了雙擺動油缸的萬向臂結(jié)構(gòu)如圖1所示,萬向臂由擺動油缸1、2和連接板組成,鑿巖機(jī)構(gòu)與擺動油缸1的擺動軸連接,擺動油缸2的擺動軸通過連接板與擺動油缸1的缸體連接,擺動油缸2的缸體與主臂連接。該臂是鉆裝錨一體機(jī)的關(guān)鍵部件,在實際工作中工況多、受力復(fù)雜,其支撐的鑿巖機(jī)在工作中以57 Hz的頻率對煤巖不斷沖擊,其動力學(xué)性能的好壞直接影響整機(jī)工作效率和可靠性[1-3]。為保證該結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求,除必須對其進(jìn)行靜強(qiáng)度校核外,還應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行模態(tài)分析,以防發(fā)生共振,導(dǎo)致設(shè)備失效。

        1 萬向臂工況分析

        1.1 工作組件的選擇

        由圖1可知,萬向臂下部固定在主臂上,上部與鑿巖機(jī)構(gòu)聯(lián)接并支撐鑿巖機(jī)鉆孔,因此,為提高分析的可靠性,選擇萬向臂與鑿巖機(jī)構(gòu)作為模態(tài)分析對象如圖2所示。

        圖1 鉆臂及其萬向臂結(jié)構(gòu)示意圖

        圖2 萬向臂與鑿巖機(jī)構(gòu)的三維模型

        1.2 萬向臂基本工況

        根據(jù)該一體機(jī)的工作過程,可知萬向臂在工作過程中需要配合主臂調(diào)整出多種姿態(tài)來實現(xiàn)鉆鑿不同方位的炮眼和錨桿眼,同時,鉆進(jìn)不同深度時對萬向臂的固有頻率都有影響,由于主臂和萬向臂是連續(xù)移動,可能的姿態(tài)過多,為方便分析,對萬向臂工況進(jìn)行簡化,分向正前、斜前、正上、斜上、正側(cè)、斜側(cè)、正下、斜下等方向鉆進(jìn),選擇擺動油缸1位于擺動油缸2正上方、側(cè)方、正下方等位置,可得萬向臂的10種基本工況,如表1所示。

        表1 萬向臂主要工況及鉆孔部位及方向

        2 鉆臂與萬向臂的模態(tài)分析

        2.1 三維建模

        采用SolidWorks進(jìn)行三維建模,不同工況位置的模型可通過移動/旋轉(zhuǎn)零件方法來調(diào)姿獲得,工況2的三維模型如圖2所示。

        2.2 網(wǎng)格劃分、約束施加、材料屬性確定

        由于萬向臂及鑿巖機(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,對萬向臂關(guān)鍵零部件進(jìn)行細(xì)化處理和局部加密,工況2的模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

        圖3 萬向臂工況2的三維模型的網(wǎng)格劃分

        根據(jù)實際工作情況,將擺動油缸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4所示。

        圖4 萬向臂工況2的三維模型的約束

        對材料屬性及參數(shù)選擇如表2所示。

        表2 材料屬性及參數(shù)選擇

        2.3 模態(tài)分析及結(jié)果

        對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、約束、定義材料屬性后進(jìn)行有限元運(yùn)算分析,得到各工況的模態(tài)振型云圖如圖5~圖14所示,對應(yīng)的固有頻率見表3。

        圖5 鉆臂萬向臂工況1時的應(yīng)力云圖

        2.4 結(jié)果分析

        由以上分析可知:在各工況情況下,萬向臂的1~6階固有頻率最小值為4.81 Hz,最大值為22.33 Hz,均小于鑿巖機(jī)的沖擊頻率57 Hz。

        圖6 鉆臂萬向臂工況2時的應(yīng)力云圖

        圖7 鉆臂萬向臂工況3時的應(yīng)力云圖

        圖8 鉆臂萬向臂工況4時的應(yīng)力云圖

        圖9 鉆臂萬向臂工況5時的應(yīng)力云圖

        圖10 鉆臂萬向臂工況6時的應(yīng)力云圖

        圖11 鉆臂萬向臂工況7時的應(yīng)力云圖

        圖12 鉆臂萬向臂工況8時的應(yīng)力云圖

        圖13 鉆臂萬向臂工況9時的應(yīng)力云圖

        圖14 鉆臂萬向臂工況10時的應(yīng)力云圖

        3 結(jié)論

        本文采用SolidWorks軟件建立了鉆臂萬向臂結(jié)構(gòu)三維實體模型,導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS,并根據(jù)實際工作狀態(tài),對鉆臂萬向臂10種工況進(jìn)行了模態(tài)分析,得到如下結(jié)論:

        1) CMZY2-400/35型鉆裝錨一體機(jī)采用的萬向臂各工況1~6階固有頻率在4.81~22.33 Hz之間,均小于鑿巖機(jī)的沖擊頻率57 Hz,不會產(chǎn)生共振,滿足設(shè)計要求。

        2) 不同工況下方向臂的固有頻率如表3所示。由表3可知,不同工況下,各階固有頻率變化較小,均不超過10 Hz,特別是最高的6階固有頻率變化不超過3 Hz,因此,可判定該萬向臂在其他過渡工作狀態(tài)下的固有頻率也不會接近57 Hz,可以不再驗算。

        表3 不同工況下萬向臂固有頻率 Hz

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