郭 偉

（1.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引言

坑道鉆探是用于煤礦井下災(zāi)害防治、地質(zhì)探查、煤層氣開發(fā)等方面最為直接和有效的技術(shù)手段，坑道鉆機(jī)是鉆探工作中的關(guān)鍵重要裝備，車架平臺(tái)是鉆機(jī)的基礎(chǔ)組成部分，其上加載有鉆機(jī)主體、電機(jī)泵組、操作臺(tái)閥組、接管板、油箱、電控元件等部件，同時(shí)通過(guò)履帶連接提高行走動(dòng)力[1]。車架平臺(tái)是由鋼板焊接而成的復(fù)雜板結(jié)構(gòu)，除了承受鉆機(jī)主體等部件的壓力之外，還要受到鉆機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的作用力[2]。為確保車架板結(jié)構(gòu)及焊縫等不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度不夠從而影響鉆機(jī)整體性能的問(wèn)題，利用有限元方法對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析是十分有必要的。

車架板結(jié)構(gòu)承擔(dān)著整個(gè)鉆機(jī)的重量，在考慮強(qiáng)度的同時(shí)，還需要分析其彎曲和扭轉(zhuǎn)等動(dòng)態(tài)特征，考察結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。模態(tài)分析是分析結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特征的重要方法，針對(duì)系統(tǒng)的自由振動(dòng)特征，如固有頻率和振型，因此與外部載荷無(wú)關(guān)，在分析時(shí)無(wú)須加載，即自由模態(tài)；但約束條件的施加對(duì)模態(tài)分析結(jié)果有重要影響，即約束模態(tài)[3-4]。結(jié)構(gòu)的固有頻率需要避免與外界激振頻率共振，鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)的強(qiáng)烈振動(dòng)，電機(jī)、馬達(dá)等也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，因此對(duì)車架板結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以有效地避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

本文利用ABAQUS有限元軟件，通過(guò)簡(jiǎn)單算例選擇適宜的建模方法，對(duì)某型鉆機(jī)車架板結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析和模態(tài)分析，得出典型工況下整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、變形分布、固有頻率和振型云圖等，為車架板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理論指導(dǎo)。

1 鉆機(jī)車架板結(jié)構(gòu)有限元分析

1.1 鉆機(jī)車架板結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分

鉆機(jī)車架板結(jié)構(gòu)的板材之間通過(guò)焊接的方式連接成為一個(gè)整體，為使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，建立整體結(jié)構(gòu)的有限元三維模型。由于車架板結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，存在各種小孔、倒角及筋板結(jié)構(gòu)，為降低網(wǎng)格劃分和有限元分析的難度，對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并且忽略焊縫結(jié)構(gòu)，模型中Part之間接觸面的接觸方式為Tie模式，模型如圖1所示，對(duì)車架板結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析和模態(tài)分析。

圖1 車體平臺(tái)模型

網(wǎng)格劃分采用實(shí)體單元，網(wǎng)格類型C3D8R，單元總數(shù)為20 967，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為38 595。網(wǎng)格劃分后的效果如圖2所示，效果比較理想。

圖2 網(wǎng)格劃分

車架板結(jié)構(gòu)材料為Q345鋼板，材料參數(shù)列于表1。

表1 Q345鋼材料參數(shù)

1.2 載荷施加

車架板結(jié)構(gòu)由四個(gè)穩(wěn)固支撐撐起，因此在四個(gè)穩(wěn)固支撐處約束所有自由度。鉆機(jī)不工作時(shí)，車架板結(jié)構(gòu)承受鉆機(jī)自身重力；鉆機(jī)工作時(shí)，鉆機(jī)進(jìn)給和起拔兩種工作狀態(tài)產(chǎn)生的力通過(guò)轉(zhuǎn)盤傳遞到車架板結(jié)構(gòu)，本文考慮承受最大進(jìn)給力95 kN和最大起拔力140 kN兩種工況，將載荷施加在連接鉆機(jī)主體的轉(zhuǎn)盤上，對(duì)車架板結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。由于模態(tài)分析不需要施加載荷，在其余條件與強(qiáng)度分析相同的情況下，去除載荷，保留邊界條件，計(jì)算車架板結(jié)構(gòu)的約束模態(tài)。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度分析

經(jīng)CAE計(jì)算后，最大進(jìn)給力95 kN和最大起拔力140 kN兩種工況下的Mises應(yīng)力和變形云圖如圖3～圖6所示。

圖3 最大給進(jìn)力時(shí)Mises應(yīng)力分布

圖4 最大進(jìn)給力時(shí)變形云圖

由圖可以看出，兩種工況下應(yīng)力集中出現(xiàn)的位置相同，在圖3和圖5的橢圓圈中角焊縫位置，起拔時(shí)最大Mises應(yīng)力值達(dá)到49.92 MPa。車架板結(jié)構(gòu)材料為Q345鋼，應(yīng)力集中處角焊縫的抗壓和抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均為200 MPa，因此在許用應(yīng)力的范圍之內(nèi)，完全滿足強(qiáng)度要求。

圖5 最大起拔力時(shí)Mises應(yīng)力分布

由圖4和圖6兩種工況的變形云圖可見(jiàn)，給進(jìn)力工況下，最大變形量0.057 8 mm出現(xiàn)在車架板結(jié)構(gòu)的一角，而起拔工況時(shí)的最大變形量0.056 mm出現(xiàn)在車架板結(jié)構(gòu)與鉆機(jī)主體相連的圓盤處，兩個(gè)變形數(shù)據(jù)均非常小。

圖6 最大起拔力時(shí)變形云圖

2.2 模態(tài)分析

對(duì)車架板結(jié)構(gòu)模型建立攝動(dòng)分析步，利用Lanczos求解器求解前20階約束模態(tài)。由于在實(shí)際情況下低階模態(tài)的固有頻率對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特征有著決定性影響[5]，本文對(duì)前6階約束模態(tài)進(jìn)行分析，其固有頻率和振型計(jì)算結(jié)果列于表2，對(duì)應(yīng)的各階模態(tài)振型云圖如圖7～圖12所示。

表2 車架板結(jié)構(gòu)前6階約束模態(tài)計(jì)算結(jié)果

圖7 第1階模態(tài)振型仿真云圖

圖8 第2階模態(tài)振型仿真云圖

圖9 第3階模態(tài)振型仿真云圖

圖10 第4階模態(tài)振型仿真云圖

圖11 第5階模態(tài)振型仿真云圖

圖12 第6階模態(tài)振型仿真云圖

本文進(jìn)行模態(tài)分析的指標(biāo)主要有：車架板結(jié)構(gòu)的彈性頻率和電機(jī)等工作頻率不要發(fā)生共振，以及對(duì)車架板結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生影響的振型較少。

從表2和前6階模態(tài)振型云圖可以看出，車架板結(jié)構(gòu)的固有頻率隨著階次的上升而變大，最低固有頻率為142.63 Hz，鉆機(jī)用電機(jī)的工作頻率是50 Hz，與車架板結(jié)構(gòu)的固有頻率差距較大，因此不會(huì)發(fā)生共振。

由車架板結(jié)構(gòu)的振型圖可知，主要振型特征有彎曲、擺動(dòng)及它們的相互組合。1階模態(tài)振型表現(xiàn)在車架中部?jī)蓚€(gè)面板的向上擺動(dòng)；2階表現(xiàn)為車架中部面板一側(cè)向上、一側(cè)向下的擺動(dòng)；3階振型為車架中部面板向下擺動(dòng)以及底板向上凸起彎曲；4階模態(tài)振型是車架整體的彎曲和扭轉(zhuǎn)；5階模態(tài)是車架板結(jié)構(gòu)中部擺動(dòng)和整體上下彎曲的組合；6階模態(tài)振型表現(xiàn)為車架中部面板的正弦狀擺動(dòng)及底板凸起彎曲。可見(jiàn)，1～3階振型主要是車架中部面板及底板的變形，是局部變形，而4階以上形成了整體變形，隨著階次的增大，整體的振型越來(lái)越復(fù)雜，3階以上就出現(xiàn)了組合變形。薄弱環(huán)節(jié)在車架板結(jié)構(gòu)兩側(cè)面板和底板，然而前6階模態(tài)振型中最大的結(jié)構(gòu)變形量為第4階的1.258 mm，可見(jiàn)整體變形量非常小。

3 結(jié)論

本文建立了車架板結(jié)構(gòu)有限元模型，并在兩種工況下進(jìn)行強(qiáng)度分析和模態(tài)分析，得到如下結(jié)論：

（1）最大給進(jìn)力工況和最大起拔力工況下，車架板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中處均出現(xiàn)在同一焊縫位置，但遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值，滿足強(qiáng)度要求。

（2）車架板結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率與電機(jī)工作頻率相差較大，不存在共振風(fēng)險(xiǎn)；模態(tài)振型變形量非常小。