CSPB20T 混凝土噴射車(chē)臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析

郭愛(ài)軍，許聯(lián)航，宋 鑫，胡樹(shù)偉

1國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)技術(shù)研究院 陜西榆林 719315

2中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410000

混凝土噴射可分為干式噴射混凝土和濕式噴射混凝土 2 種[2]。干式噴射混凝土主要借助干式混凝土噴射機(jī)，按一定比例將攪拌的水泥、粗細(xì)骨料和速凝劑等原料利用高壓空氣運(yùn)輸?shù)絿娚渥欤趪娚渥焯帉⒒旌细闪细咚賴(lài)娚涞絿鷰r壁面上。濕式噴射混凝土則是指將水泥、粗細(xì)骨料、水和外加劑等原料按一定比例進(jìn)行攪拌后，利用濕式噴射機(jī)將其輸送到噴嘴，在噴嘴處添加速凝劑使其霧化，并用壓縮空氣使混凝土形成射流，從而噴射到圍巖面上。濕式噴射混凝土施工相比于干式噴射混凝土施工而言，其混凝土抗壓強(qiáng)度高，巷道圍巖穩(wěn)定性好，粉塵濃度低，大型濕噴機(jī)和機(jī)械臂進(jìn)行混凝土噴射作業(yè)，可大大提高工程質(zhì)量和施工效率[3-5]。

臂架作為濕式噴射機(jī)的重要部件，其設(shè)計(jì)安全性及合理性對(duì)濕噴機(jī)噴射效果至關(guān)重要。目前，關(guān)于對(duì)濕噴機(jī)臂架的研究，多是建立在動(dòng)力學(xué)或者運(yùn)動(dòng)學(xué)模型后進(jìn)行仿真分析。胡仕成等人建立了混凝土濕噴機(jī)臂架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真分析[6]。劉亞?wèn)|等人運(yùn)用 ADAMS 動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)機(jī)械臂的位姿誤差進(jìn)行了分析[7]。汪西應(yīng)等人建立了工作臂的關(guān)節(jié)式機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析模型，并應(yīng)用 MATLAB 對(duì)工作臂的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證[8]。劉在政等人建立了噴射機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，提出了一種結(jié)合混凝土噴射特性規(guī)劃噴頭駐足點(diǎn)實(shí)現(xiàn)智能?chē)娚涞姆椒╗9]。臂架在濕噴機(jī)工作過(guò)程中，必須能實(shí)現(xiàn)多方位運(yùn)動(dòng)，使其運(yùn)動(dòng)范圍可覆蓋整個(gè)煤巷工作面，因此開(kāi)展噴濕機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在不同工況下性能分析的研究，確保臂架在不同工況下具有足夠的安全性和穩(wěn)定性，并保證施工順利進(jìn)行，具有重要的工程意義。

筆者針對(duì) CSPB20T 混凝土噴射車(chē)臂架在工作過(guò)程中可能遇到的 3 種機(jī)械臂極限工況，建立了機(jī)械臂三維有限元模型，對(duì)不同機(jī)械工況下的機(jī)械臂進(jìn)行分析以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的安全性及合理性。研究結(jié)果和思路可為噴濕機(jī)臂架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 臂架結(jié)構(gòu)

臂架結(jié)構(gòu)及噴頭裝置結(jié)構(gòu)示意如圖 1 所示。臂架具有 9 個(gè)自由度，分別為：臂架水平回轉(zhuǎn)和垂直回轉(zhuǎn)、臂 1 俯仰、臂 2 俯仰、臂 3 水平和垂直回轉(zhuǎn)、臂4 伸縮、噴頭水平回轉(zhuǎn)和垂直回轉(zhuǎn)。該臂架運(yùn)動(dòng)范圍可覆蓋整個(gè)煤巷工作面。其運(yùn)動(dòng)具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1) 回轉(zhuǎn)臺(tái)水平回轉(zhuǎn)帶動(dòng)臂架和噴頭水平回轉(zhuǎn)，水平回轉(zhuǎn)角度范圍為 0～240°；

(2) 回轉(zhuǎn)臺(tái)垂直回轉(zhuǎn)，垂直回轉(zhuǎn)角度范圍為±110°；

(3) 臂 1 液壓缸實(shí)現(xiàn)臂 1 俯仰動(dòng)作，俯仰角度范圍為 -30°～ 60°；

世界第四大鐵礦生產(chǎn)商，澳大利亞的福蒂丘集團(tuán)也在厄瓜多爾設(shè)立了辦公室，該公司承諾今年投資1億美元進(jìn)行勘探。

(4) 臂 2 液壓缸實(shí)現(xiàn)臂 2 抬升，最大抬升角度為90°；

(5) 臂 3 通過(guò)液壓馬達(dá)可在水平和垂直方向旋轉(zhuǎn)，水平和垂直回轉(zhuǎn)角度范圍均為 ±90°；

(6) 臂 4 可以根據(jù)需要長(zhǎng)度自由伸縮，最大伸長(zhǎng)行程為 1 300 mm；

(7) 噴頭裝配了 3 個(gè)液壓馬達(dá)，分別實(shí)現(xiàn)噴頭整體 360°垂直回轉(zhuǎn)、噴嘴 240°上下擺動(dòng)和噴嘴的刷動(dòng)。

圖1 臂架及噴頭裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural sketch of boom and nozzle device

2 有限元分析

CSPB20T 混凝土噴射車(chē)臂架在工作過(guò)程中，可能遇到 3 種極限工況：機(jī)械臂伸出最長(zhǎng)、機(jī)械臂伸出最高和側(cè)向最寬。筆者按上述 3 種極限工況對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能分析。

2.1 三維模型建立

為提高計(jì)算效率及有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格的精度，根據(jù)分析重點(diǎn)，去除噴嘴總成和減速器部件，對(duì)機(jī)械臂模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，得到簡(jiǎn)化后的機(jī)械臂三維模型，如圖 2 所示。

圖2 機(jī)械臂三維模型Fig.2 3D model of manipulator

噴濕機(jī)臂架的材料選擇 Q690E，肋板選擇Q345B，材料的主要力學(xué)性能參數(shù)、極限工況下允許位移分別如表 1、2 所列。

表1 噴濕機(jī)臂架材料力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical property parameters of boom of spray dryer MPa

表2 極限工況最大允許位移Tab.2 Maximum allowable deformation in limit operation mode mm

2.2 載荷和邊界

對(duì)噴濕機(jī)臂架模型施加重力載荷，重力加速度設(shè)為 9 800 mm/s2，對(duì)于為簡(jiǎn)化模型而去除的部件，通過(guò)其質(zhì)量計(jì)算出重力，并以力的形式施加到模型上。模型的附加質(zhì)量如表 3 所列。

表3 附加質(zhì)量Tab.3 Additional mass kg

在模型噴嘴處分別在正前、正上、正下、正左、正右 5 個(gè)方向施加大小為 500 N 的噴嘴反力。

2.3 機(jī)械臂伸出最長(zhǎng)工況分析

機(jī)械臂伸出最長(zhǎng)工況下，臂架的應(yīng)力云圖如圖3 所示。臂架臂 2 內(nèi)側(cè)折彎板處應(yīng)力云圖如圖 4 所示。臂架應(yīng)力最大時(shí)的位移云圖如圖 5 所示。由圖3、4、5 可知，在機(jī)械臂伸出最長(zhǎng)工況下，噴射角度為正前方向時(shí)，臂架的最大應(yīng)力為 471 MPa，最大位移為 97.0 mm；噴射角度為正上方向時(shí)，臂架的最大應(yīng)力為 588 MPa，最大位移為 120.9 mm；噴射角度為正下方向時(shí)，臂架的最大應(yīng)力為 360 MPa，最大位移為 74.4 mm；噴射角度為正左方向時(shí)，臂架的最大應(yīng)力為 492 MPa，最大位移為 99.8 mm；噴射角度為正右方向時(shí)，臂架的最大應(yīng)力為 456 MPa，最大位移為99.7 mm。最大應(yīng)力均出現(xiàn)在臂 2 內(nèi)側(cè)折彎板處。最大位移均出現(xiàn)在噴嘴處，臂架其余部件位移均不超過(guò)70.0 mm。

圖3 機(jī)械臂伸最長(zhǎng)時(shí)臂架應(yīng)力云圖Fig.3 Stress contours of boom at longest extension of manipulator

圖4 機(jī)械臂伸最長(zhǎng)時(shí)臂 2 內(nèi)側(cè)折彎板處應(yīng)力云圖Fig.4 Stress contours of bending plate inside arm two at longest extension of manipulator

圖5 機(jī)械臂伸出最長(zhǎng)臂架應(yīng)力最大時(shí)的位移云圖Fig.5 Displacement contours of manipulator at longest extension and maximum stress

2.4 機(jī)械臂伸出最高工況分析

機(jī)械臂伸出最高時(shí)，臂架的應(yīng)力云圖如圖 6 所示，臂架的應(yīng)力最大時(shí)的位移云圖如圖 7 所示。

由圖 6、7 可知，在機(jī)械臂伸最出高工況下，噴射角度為正前方向時(shí)，臂架的最大應(yīng)力為 46 MPa，最大位移為 5.6 mm；噴射角度為正上方向時(shí)，臂架的最大應(yīng)力為 88 MPa，最大位移為 25.0 mm；噴射角度為正下方向時(shí)，臂架的最大應(yīng)力為 153 MPa，最大位移為 31.8 mm。最大應(yīng)力均出現(xiàn)在臂 2 內(nèi)側(cè)折彎板處。最大位移均出現(xiàn)在噴嘴處，臂架其余部件位移均不超過(guò) 25.0 mm；噴射角度為正左方向時(shí)，臂架的最大應(yīng)力為 60 MPa，最大位移為 23.1 mm；噴射角度為正右方向時(shí)，臂架的最大應(yīng)力為 64 MPa，最大位移為 16.5 mm，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在伸縮臂臂頭處。在機(jī)械臂伸出最高時(shí)，最大位移均出現(xiàn)在噴嘴處，臂架其余部件位移均不超過(guò) 15.0 mm。

圖6 機(jī)械臂伸出最高時(shí)的應(yīng)力云圖Fig.6 Stress contours of manipulator at highest extension

圖7 機(jī)械臂伸出最高臂架應(yīng)力最大時(shí)的位移云圖Fig.7 Displacement contours of manipulator at highest extension and maximum stress

2.5 機(jī)械臂側(cè)向最寬工況分析

機(jī)械臂側(cè)向最寬工況下，臂架的應(yīng)力云圖如圖 8所示，臂架最大應(yīng)力時(shí)的位移云圖如圖 9 所示。

圖8 機(jī)械臂側(cè)向最寬工況下的應(yīng)力云圖Fig.8 Stress contours of manipulator in widest lateral posture mode

圖9 機(jī)械臂側(cè)向最寬工況下臂架應(yīng)力最大時(shí)的位移云圖Fig.9 Displacement contours of manipulator at maximum stress in widest lateral posture mode

由圖 8、9 可知，在側(cè)向最寬工況下，噴射角度為正前方向時(shí)，臂架的最大應(yīng)力為 173 MPa，最大位移為 85.8 mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)在伸縮臂臂頭處，同時(shí)在液壓缸銷(xiāo)軸安裝孔處的應(yīng)力為 161 MPa；噴射角度為正上方向時(shí)，臂架最大應(yīng)力為 214 MPa，最大位移為 105.8 mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)在液壓缸銷(xiāo)軸安裝孔處；噴射角度為正下方向時(shí)，臂架的最大應(yīng)力為 116 MPa，最大位移為 66.8 mm，最大應(yīng)力位置與噴射角度為正上方向時(shí)相同，也出現(xiàn)在液壓缸銷(xiāo)軸安裝孔處；噴射角度為正左方向時(shí)，臂架的最大應(yīng)力為 192 MPa，最大位移為 90.0 mm，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在臂2 外側(cè)折彎板處；噴射角度為正右方向時(shí)，臂架最大應(yīng)力為 200 MPa，最大位移為 90.0 mm，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在臂 2 內(nèi)側(cè)折彎板處。在側(cè)向最寬工況下，臂架最大位移出現(xiàn)在噴嘴處，臂架其余部件位移均不超過(guò)70.0 mm。

2.6 臂架校核

臂架 3 種極限工況下有限元分析結(jié)果如表 4 所列。

由表 4 可得出以下結(jié)論：

(1) 機(jī)械臂伸出最長(zhǎng)工況下，臂架受力最為惡劣，在臂 2 回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)安裝座附近應(yīng)力均超過(guò)許用應(yīng)力 230 MPa，有失效風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 機(jī)械臂伸出最高工況下，臂架整體受力和位移最小，各部件均滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求。

(3) 側(cè)向最寬工況下，伸縮臂液壓缸安裝孔附近最大應(yīng)力為 214 MPa，最大位移為 105.8 mm，在最大允許位移內(nèi)。在該工況下，臂架沒(méi)有失效風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 臂架最大位移均出現(xiàn)在噴嘴處，而臂架其他位置的位移隨著與噴嘴距離的增大而減小，位移最大不超過(guò) 70 mm，表明臂架剛度裕量充足，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表4 臂架極限工況下有限元分析結(jié)果Tab.4 Finite element calculations of boom in limit operation modes

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為使臂架在機(jī)械臂伸出最長(zhǎng)工況下具有足夠的強(qiáng)度，對(duì)臂 2 回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)安裝座進(jìn)行優(yōu)化和加強(qiáng)處理，減小危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力集中。

將液壓馬達(dá)折彎板進(jìn)行加強(qiáng)處理，肋板材質(zhì)由Q345B 更換為 Q690E，厚度由 8 mm 增加到 15 mm，機(jī)械臂優(yōu)化后伸出最長(zhǎng)工況下的應(yīng)力云圖如圖 10 所示。由圖 10 可知，機(jī)械臂伸出最長(zhǎng)工況下各載荷方向最大應(yīng)力值分別為 194、242、148、203、187 MPa，最大應(yīng)力值小于材料許用應(yīng)力 460 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖10 機(jī)械臂優(yōu)化后伸出最長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力云圖Fig.10 Stress contours of manipulator at longest extension after optimization

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)混凝土噴射車(chē)在工作過(guò)程中的 3 種機(jī)械臂極限工況進(jìn)行有限元分析，得出不同工況下不同噴射角度時(shí)，臂架的應(yīng)力和位移分布情況。分析結(jié)果表明：機(jī)械臂伸出最高工況下，臂架整體受力和位移最小，各部件均滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求；側(cè)向最寬工況下，在伸縮臂臂頭和液壓缸銷(xiāo)軸安裝孔處應(yīng)力集中，但其應(yīng)力最大值未超過(guò)所用材料許用應(yīng)力，整體位移小；機(jī)械臂伸出最長(zhǎng)工況下，臂 2 回轉(zhuǎn)馬達(dá)安裝座附近應(yīng)力存在最大值，有失效風(fēng)險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)臂 2 回轉(zhuǎn)馬達(dá)安裝座進(jìn)行加強(qiáng)處理，確保臂架安全作業(yè)。該研究結(jié)果可為其他混凝土噴射車(chē)臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論參考。