尹中會(huì)，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(huì) 煤礦機(jī)電一體化專業(yè)委員會(huì)，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(dòng)油缸的萬向臂結(jié)構(gòu)如圖1所示，萬向臂由擺動(dòng)油缸1、2和連接板組成，鑿巖機(jī)構(gòu)與擺動(dòng)油缸1的擺動(dòng)軸連接，擺動(dòng)油缸2的擺動(dòng)軸通過連接板與擺動(dòng)油缸1的缸體連接，擺動(dòng)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(shí)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(duì)煤巖不斷沖擊，其動(dòng)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(jì)要求，除必須對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度校核外，還應(yīng)當(dāng)對(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)鉆鑿不同方位的炮眼和錨桿眼，同時(shí)，鉆進(jìn)不同深度時(shí)對(duì)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(dòng)，可能的姿態(tài)過多，為方便分析，對(duì)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(dòng)油缸1位于擺動(dòng)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(dòng)/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(duì)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(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4所示。

圖4 萬向臂工況2的三維模型的約束

對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的固有頻率見表3。

圖5 鉆臂萬向臂工況1時(shí)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(shí)的應(yīng)力云圖

圖7 鉆臂萬向臂工況3時(shí)的應(yīng)力云圖

圖8 鉆臂萬向臂工況4時(shí)的應(yīng)力云圖

圖9 鉆臂萬向臂工況5時(shí)的應(yīng)力云圖

圖10 鉆臂萬向臂工況6時(shí)的應(yīng)力云圖

圖11 鉆臂萬向臂工況7時(shí)的應(yīng)力云圖

圖12 鉆臂萬向臂工況8時(shí)的應(yīng)力云圖

圖13 鉆臂萬向臂工況9時(shí)的應(yīng)力云圖

圖14 鉆臂萬向臂工況10時(shí)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(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(huì)產(chǎn)生共振，滿足設(shè)計(jì)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(huì)接近57 Hz，可以不再驗(yàn)算。

表3 不同工況下萬向臂固有頻率 Hz