CSPB20T 混凝土噴射車臂架結構設計與有限元分析

郭愛軍，許聯航，宋 鑫，胡樹偉

1國家能源集團神東煤炭集團技術研究院 陜西榆林 719315

2中國鐵建重工集團股份有限公司 湖南長沙 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，按一定比例將攪拌的水泥、粗細骨料和速凝劑等原料利用高壓空氣運輸到噴射嘴，在噴射嘴處將混合干料高速噴射到圍巖壁面上。濕式噴射混凝土則是指將水泥、粗細骨料、水和外加劑等原料按一定比例進行攪拌后，利用濕式噴射機將其輸送到噴嘴，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，其混凝土抗壓強度高，巷道圍巖穩定性好，粉塵濃度低，大型濕噴機和機械臂進行混凝土噴射作業，可大大提高工程質量和施工效率[3-5]。

臂架作為濕式噴射機的重要部件，其設計安全性及合理性對濕噴機噴射效果至關重要。目前，關于對濕噴機臂架的研究，多是建立在動力學或者運動學模型后進行仿真分析。胡仕成等人建立了混凝土濕噴機臂架系統的動力學模型，并進行了仿真分析[6]。劉亞東等人運用 ADAMS 動力學仿真對機械臂的位姿誤差進行了分析[7]。汪西應等人建立了工作臂的關節式機械系統運動分析模型，并應用 MATLAB 對工作臂的運動軌跡進行了仿真和驗證[8]。劉在政等人建立了噴射機械手運動學模型，提出了一種結合混凝土噴射特性規劃噴頭駐足點實現智能噴射的方法[9]。臂架在濕噴機工作過程中，必須能實現多方位運動，使其運動范圍可覆蓋整個煤巷工作面，因此開展噴濕機結構設計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定性，并保證施工順利進行，具有重要的工程意義。

筆者針對 CSPB20T 混凝土噴射車臂架在工作過程中可能遇到的 3 種機械臂極限工況，建立了機械臂三維有限元模型，對不同機械工況下的機械臂進行分析以驗證設計的安全性及合理性。研究結果和思路可為噴濕機臂架的結構設計和優化提供參考。

1 臂架結構

臂架結構及噴頭裝置結構示意如圖 1 所示。臂架具有 9 個自由度，分別為：臂架水平回轉和垂直回轉、臂 1 俯仰、臂 2 俯仰、臂 3 水平和垂直回轉、臂4 伸縮、噴頭水平回轉和垂直回轉。該臂架運動范圍可覆蓋整個煤巷工作面。其運動具備以下幾個特點：

(1) 回轉臺水平回轉帶動臂架和噴頭水平回轉，水平回轉角度范圍為 0～240°；

(2) 回轉臺垂直回轉，垂直回轉角度范圍為±110°；

(3) 臂 1 液壓缸實現臂 1 俯仰動作，俯仰角度范圍為 -30°～ 60°；

世界第四大鐵礦生產商，澳大利亞的福蒂丘集團也在厄瓜多爾設立了辦公室，該公司承諾今年投資1億美元進行勘探。

(4) 臂 2 液壓缸實現臂 2 抬升，最大抬升角度為90°；

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

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

(7) 噴頭裝配了 3 個液壓馬達，分別實現噴頭整體 360°垂直回轉、噴嘴 240°上下擺動和噴嘴的刷動。

圖1 臂架及噴頭裝置結構示意Fig.1 Structural sketch of boom and nozzle device

2 有限元分析

CSPB20T 混凝土噴射車臂架在工作過程中，可能遇到 3 種極限工況：機械臂伸出最長、機械臂伸出最高和側向最寬。筆者按上述 3 種極限工況對其進行力學性能分析。

2.1 三維模型建立

為提高計算效率及有限元劃分網格的精度，根據分析重點，去除噴嘴總成和減速器部件，對機械臂模型進行簡化處理，得到簡化后的機械臂三維模型，如圖 2 所示。

圖2 機械臂三維模型Fig.2 3D model of manipulator

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

表1 噴濕機臂架材料力學性能參數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

對噴濕機臂架模型施加重力載荷，重力加速度設為 9 800 mm/s2，對于為簡化模型而去除的部件，通過其質量計算出重力，并以力的形式施加到模型上。模型的附加質量如表 3 所列。

表3 附加質量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 個方向施加大小為 500 N 的噴嘴反力。

2.3 機械臂伸出最長工況分析

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

圖3 機械臂伸最長時臂架應力云圖Fig.3 Stress contours of boom at longest extension of manipulator

圖4 機械臂伸最長時臂 2 內側折彎板處應力云圖Fig.4 Stress contours of bending plate inside arm two at longest extension of manipulator

圖5 機械臂伸出最長臂架應力最大時的位移云圖Fig.5 Displacement contours of manipulator at longest extension and maximum stress

2.4 機械臂伸出最高工況分析

機械臂伸出最高時，臂架的應力云圖如圖 6 所示，臂架的應力最大時的位移云圖如圖 7 所示。

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

圖6 機械臂伸出最高時的應力云圖Fig.6 Stress contours of manipulator at highest extension

圖7 機械臂伸出最高臂架應力最大時的位移云圖Fig.7 Displacement contours of manipulator at highest extension and maximum stress

2.5 機械臂側向最寬工況分析

機械臂側向最寬工況下，臂架的應力云圖如圖 8所示，臂架最大應力時的位移云圖如圖 9 所示。

圖8 機械臂側向最寬工況下的應力云圖Fig.8 Stress contours of manipulator in widest lateral posture mode

圖9 機械臂側向最寬工況下臂架應力最大時的位移云圖Fig.9 Displacement contours of manipulator at maximum stress in widest lateral posture mode

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

2.6 臂架校核

臂架 3 種極限工況下有限元分析結果如表 4 所列。

由表 4 可得出以下結論：

(1) 機械臂伸出最長工況下，臂架受力最為惡劣，在臂 2 回轉液壓馬達安裝座附近應力均超過許用應力 230 MPa，有失效風險。

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

(3) 側向最寬工況下，伸縮臂液壓缸安裝孔附近最大應力為 214 MPa，最大位移為 105.8 mm，在最大允許位移內。在該工況下，臂架沒有失效風險。

(4) 臂架最大位移均出現在噴嘴處，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 70 mm，表明臂架剛度裕量充足，滿足設計要求。

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

3 結構改進

為使臂架在機械臂伸出最長工況下具有足夠的強度，對臂 2 回轉液壓馬達安裝座進行優化和加強處理，減小危險區域的應力集中。

將液壓馬達折彎板進行加強處理，肋板材質由Q345B 更換為 Q690E，厚度由 8 mm 增加到 15 mm，機械臂優化后伸出最長工況下的應力云圖如圖 10 所示。由圖 10 可知，機械臂伸出最長工況下各載荷方向最大應力值分別為 194、242、148、203、187 MPa，最大應力值小于材料許用應力 460 MPa，滿足設計要求。

圖10 機械臂優化后伸出最長時的應力云圖Fig.10 Stress contours of manipulator at longest extension after optimization

4 結語

通過對混凝土噴射車在工作過程中的 3 種機械臂極限工況進行有限元分析，得出不同工況下不同噴射角度時，臂架的應力和位移分布情況。分析結果表明：機械臂伸出最高工況下，臂架整體受力和位移最小，各部件均滿足強度和剛度要求；側向最寬工況下，在伸縮臂臂頭和液壓缸銷軸安裝孔處應力集中，但其應力最大值未超過所用材料許用應力，整體位移小；機械臂伸出最長工況下，臂 2 回轉馬達安裝座附近應力存在最大值，有失效風險。在設計過程中需要對臂 2 回轉馬達安裝座進行加強處理，確保臂架安全作業。該研究結果可為其他混凝土噴射車臂架結構設計和優化提供理論參考。