基于SolidWorks的液壓鑿巖臺車伸縮臂有限元分析?

成學東

(五礦礦業(安徽)開發有限公司, 安徽六安市 237474)

基于SolidWorks的液壓鑿巖臺車伸縮臂有限元分析?

成學東

(五礦礦業(安徽)開發有限公司, 安徽六安市 237474)

對液壓鑿巖臺車關鍵變位機構伸縮臂的極限位置進行靜力分析,基于Solid-Works平臺對液壓鑿巖臺車伸縮臂進行了三維重構,并采用有限元分析理論對伸縮臂結構進行了應力、變形分析。以此為指導設計制造了液壓鑿巖臺車伸縮臂,應用結果表明,該伸縮臂符合實際工況需求,可靠性強,安全度高,可為同類結構的設計提供參考。

液壓鑿巖臺車;伸縮臂;SolidWorks;有限元分析

0 引 言

液壓鑿巖臺車是機電液一體化的大型鑿巖設備,廣泛應用于采礦、水電、道路、橋梁建設等工程。相較于同級氣動鑿巖鉆機,液壓鑿巖臺車具有明顯優勢,其效率提升顯著,鉆孔速度更快,同時對工作環境較為友好,隨著社會經濟快速發展,液壓鑿巖臺車的種種優勢使其在鑿巖工程設備中占有一席之地。鉆臂是液壓鑿巖臺車的重要承載機構,鑿巖設備、偏擺裝置通過鉆臂與液壓鑿巖臺車機身連接,同時,鉆臂也是液壓鑿巖臺車的重要變位機構,通過鉆臂的舉升、偏擺以及伸縮進行變位[1-2]。

本文研究對象為某型單臂液壓鑿巖臺車,其大臂與車體交接,懸臂端承載鉆桿庫、鑿巖機、導軌、回轉馬達等附件,用于環形爆破面穿孔作業,其最大有效載荷為29784N,有效伸縮行程1200mm,缸徑250mm,缸筒直徑330mm。其主要載荷形式為徑向與鉆臂垂直。

鉆臂作為承載液壓鑿巖臺車工作機構的主要工作部件,其主要結構形式為伸縮油缸式,一端與機體鉸接,一端承載鉆桿庫、回轉機構和鑿巖機等主要工作機構。同時根據液壓鑿巖臺車工作形式,鉆臂需要覆蓋盡可能大的工作范圍,因此懸臂式鉆臂是液壓鑿巖臺車結構系統中的關鍵部件。其結構穩定性和安全性尤其重要。所以需要對伸縮臂進行靜力學分析,以確保其工作能力及可靠性符合設計要求。

對于此類懸臂大負載承載機構,業內普遍應用有限元分析法對其進行靜力學分析。有限元分析法其突出特點是可以通過對連續體的離散化,將連續體離散成有限個單元,對有限個單元進行插值求解以解決各種實際問題[3]。在工程實際中,大多數問題無法得到解析,而有限元分析法得到的近似解計算精度較高,因此成為廣泛應用的分析方法。

隨著計算機技術的發展,涌現了一批可以進行有限元分析的工程軟件,極大方便了工程人員進行建模分析。本文基于SolidWorks對液壓鑿巖臺車關鍵機構伸縮臂進行三維建模,并利用simulation插件對其進行靜力分析,確保其可靠性。

1 伸縮臂及套筒的三維重建

伸縮臂是液壓鑿巖臺車的關鍵變位機構及承載機構,液壓鑿巖臺車的連續性工作對其可靠性要求高。

液壓鑿巖臺車工作過程中需要由大臂承載大部分工作載荷,承載時間長,載荷大。因此伸縮臂的結構穩定性和安全性對液壓鑿巖臺車的性能影響重大。同時由于液壓鑿巖臺車需要準確實現布孔定位工作,因此其工作過程中的結構位移變化也對液壓鑿巖臺車工作穩定性與可靠性具有重要影響。

為滿足液壓鑿巖臺車實際工作需求,滿足國內主流礦山采場需求,盡可能覆蓋采場工作面,因此其行程根據設計需求應達到1200mm。如圖1所示,伸縮臂由伸縮臂主體,平鍵以及臂套構成,伸縮臂主體的左端連接工作機構,右端套入臂套中,通過臂套與鉆臂大臂連接。

圖1 伸縮臂裝配體

在建立三維模型時,可對結構主體進行適當簡化,在不影響結構型式與結構強度的前提下對明顯不影響分析的特征進行簡化,如倒角等,可大幅減小后續的網格化以及靜力分析的運算量以及難度,同時確保不影響最終的分析結果。

進行靜力學分析的目的是確保伸縮臂的可靠性,故選取合適位置是三維建模的基礎。根據鑿巖臺車工作情況,當伸縮臂主體伸出至極限位置時,連接處受力最大、結構最危險,因此,以伸出極限位置進行建模,基于實際應用環境建立三維模型如圖2所示[4-6]。

通過對液壓鑿巖臺車伸縮臂進行三維重構,確定模型結構尺寸,對各結構件材料進行設定,方便后續進行有限元分析,依據工程經驗和實際設計情況,設定伸縮臂主體材料為40Cr。該材料強度高,加工性能好,在工程應用領域使用廣泛。

2 有限元分析

根據SolidWorkssimulation靜態運算需要,對裝配體零件材料屬性進行設定,伸縮臂整體材料均為40Cr,其材料參數為:彈性模量E:2.10e＋11 N/m2;切變模量G:8.08e＋10N/m2;泊松比: 0.288;質量密度:7860kg/m3;屈服強度:10.5e＋08 N/m2;許用應力:8.5e＋08N/m2。

液壓鑿巖臺車伸縮臂為懸臂式油缸結構,其載荷主要為懸臂前端回轉機構、鑿巖機、鉆桿庫、導軌等工作機構,根據等效載荷計算方法,其載荷為29784N。伸縮臂是鉆臂的一部分,臂套起著約束作用,因此,在臂套面施加固定約束。

作用位置為伸縮臂法蘭盤,通過螺栓連接,因此載荷的作用位置可定量設定為單一懸臂載荷,無交變載荷,其作用方向根據液壓鑿巖臺車工作狀態確定。當伸縮臂水平時,載荷沿豎直方向作用于法蘭盤表面結構最危險。

伸縮臂約束為臂套固定約束,當油缸伸出至極限位置1200mm時,載荷施加位置為法蘭盤與伸縮臂軸向垂直,載荷29784N。

為確保裝配體在裝配過程中不發生干涉,從而影響對模型的網格劃分,因此需要在進行網格劃分前對模型進行干涉檢查。根據有限元理論,為提高分析精度,降低分析難度需要對液壓鑿巖臺車伸縮臂三維模型進行網格控制,對臂套網格可粗糙化處理,伸縮臂需細化網格特性,以平衡細化網格和工作效率的關系,通過對伸縮臂三維模型的網格控制確保在保證結果準確的前提下提高設計效率。網格化后的模型如圖3所示。

圖3 網格化的模型

通過對伸縮臂三維模型網格化設置,自動生成網格節點總數為120970,網格單元控制為71703,最大網格單元大小為40.3522mm。網格化的各項參數符合對伸縮臂分析需求,實現了對伸縮臂模型的重點分析目標,網格化效率較高。

根據對液壓鑿巖臺車伸縮臂實際應用情況分析,比對有限元分析環境設定,確定伸縮臂模型符合實際設計,約束、載荷、網格劃分滿足設計需要。基于此運行網格化的模型,生成伸縮臂模型的靜力分析結果。圖4為靜態應力分析。

圖4 靜態應力分布

根據模擬結果可知,最大集中應力為3.17MPa,其位置為臂套與伸縮臂結合處。小于40Cr的屈服極限,故該結構設計安全可靠,滿足設計要求[7-8]。

鑒于伸縮臂其結構變形會直接影響液壓鑿巖臺車對鑿巖孔位的定位精度,是定位誤差的重要來源。因此需要對伸縮臂全載荷狀態下最大位移進行計算。分析所得合位移分布如圖5所示。

圖5 合位移分布

根據圖5可知,伸縮臂最大變形量為2.456 mm,處于懸臂末端,但是總體位移量較小,不足以對液壓鑿巖臺車鑿巖孔位定位誤差小于200mm的精度要求造成太大影響,滿足變位機構的精度需求。

3 應用驗證

以本次分析結果為指導,對液壓鑿巖臺車伸縮臂進行了優化設計,試制了液壓鑿巖臺車伸縮臂,并進行了相應檢測及鑿巖試驗。其實際應用情況見圖6。

圖6 液壓鑿巖臺車鉆臂現場應用

應用結果表明,伸縮臂安全可靠,滿足液壓鑿巖臺車對定位精度的要求,經過相關檢驗部門檢測。定位精度為194mm,大臂伸縮行程1200mm,符合設計要求。樣機在中金嶺南凡口鉛鋅礦進行了連續作業測試,結構穩定性和可靠性得到了充分檢驗,應用效果良好。

4 結 論

本次研究基于SolidWorks平臺對液壓鑿巖臺車關鍵變位機構伸縮臂進行了三維重構,以有限元理論為依據,利用simulation插件對其進行了靜力分析,得到了其極限位置的應力分布圖和合位移分布圖,并以此為指導設計制造了滿足實際應用需求的液壓鑿巖臺車伸縮臂。經過現場應用和相關部門檢驗,該伸縮臂滿足設計需要,結構穩定可靠,可為同類結構的設計提供技術參考。

[1]許 可,李東明.智能中深孔全液壓鑿巖臺車智能控制技術的探究[J].采礦技術,2015,15(3):72-73,78.

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[3]趙經文,王宏鈺.結構有限元分析[M].北京:科學出版社, 2001.

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2017-03-17)

成學東(1975－),內蒙人,工程師,主要從事設備、設備備件管理工作,Email:836321991＠qq.com。

國家高技術研發計劃(863計劃)課題(2011AA060401).