ZYWL-6000型礦用液壓鉆車中機械手的結構性能分析

劉 剛

（山西大同永定莊煤業公司，山西 大同 037024）

引言

煤礦資源是國家綜合國力提升的重要支撐能源，加大對煤礦資源的開采力度已成為當前的重要任務。在煤礦開采之前，需對巖層進行地質、瓦斯濃度及爆破勘探作業，以提前掌握礦井基本情況。在勘探過鉆孔中，主要利用鉆車夾緊鉆桿進行旋轉鉆孔，且需不斷添加鉆桿，以增加鉆孔深度[1]。由于井下空間狹小，加上鉆孔時會有巖石、煤石等掉下，一種小型的自動裝卸設備——礦用液壓鉆車被應用到了井下鉆孔勘探任務中，其結構圖如圖1所示。然而，隨著鉆桿長度及深度的不斷加深，加深井下作業環境的復雜性，液壓鉆車在使用過程中經常出現結構局部變形、結構開裂、漏油、控制不靈敏等各類失效問題，設備一旦出現故障問題，將嚴重影響井下鉆孔效率及勘探的精確性，給后期的煤礦開采構成了潛在威脅，而機械手作為該設備中的關鍵部件，有效保證其部件的綜合性能成為提升液壓鉆車整體可靠性的重要方向[2]。為此，以ZYWL-6000型礦用液壓鉆車中機械手為分析對象，開展了該部件在不同工況下的結構性能分析，提出了其結構的優化改進措施，這對提升機械手及液壓鉆車的使用壽命具有重要意義。

圖1 礦用液壓鉆車結構圖

1 全液壓鉆車結構組成分析

目前，煤礦領域應用的鉆車種類相對較大，包括液壓式、動力頭式、機械傳動式等，主要負責對礦井工作面進行鉆孔。其中，液壓鉆車是鉆孔中應用較為廣泛的設備，其結構主要包括動力機構、行走機構、執行機構、電控系統等，行走機構包括底座、底盤、履帶等部件，負責整個鉆車的移動，執行結構包括機械手、鉆桿、鉆機、自動換桿裝置、鉆桿夾持器等部件，主要負責對礦井中的鉆孔作業。液壓鉆車作業時通過高壓液壓油，在油泵電機、減速器、馬達等部件的相互配合下，最終驅動機械手抓取鉆桿并使其旋轉，在行走機構作業的配合下，移動至作業面，開始對作業區域的旋轉鉆孔施工。機械手是液壓鉆車中的關鍵部件，其結構主要包括手臂、內側手爪、外側手爪、轉軸、翻轉油缸、導向槽、支座等零件[3]，如圖2所示，主要負責抓取和搬運鉆桿。由于鉆孔過程中鉆桿的長短、重量會根據不同作業工況進行變化，故機械手在作業時存在抓取力不夠、結構失效等問題，同時，機械手旋轉部位由于采用了擺動油缸進行驅動，其長時間超負荷作業，也使得此區域出現了旋轉力矩不足、漏油等失效問題[4]。另外，因設計的不合理性，導致內外側手爪所施加的抓緊力也相對較小。由此，對機械手進行綜合性能分析，找到其存在的不足，有針對性地對其進行結構優化改進，成為提升機械手結構性能及使用壽命的重要任務。

圖2 機械手結構組成示意圖

2 機械手結構模型建立

2.1 機械手三維模型建立

為進一步分析機械手在不同工況下的結構性能，根據ZYWL-6000型礦用液壓鉆車的結構特點，采用Solidworks軟件，對機械手進行了三維模型建立。所建模型包括手爪、手臂、支座、翻轉軸等部件。為提高機械手的分析精度，使得分析結果更好地與實際工況相吻合，在建模時對機械手上的圓角、倒角、過渡圓弧等非關鍵特征進行了模型簡化，僅保留了機械手上各部件的關鍵結構特征，所建立的液壓鉆車機械手三維模型如圖3所示。

圖3 機械手三維模型圖

2.2 結構分析模型建立

結合所建立的機械手三維模型，將其轉換為stp格式后，導入至ABAQUS軟件，對其進行了仿真模型建立。由于機械手實際使用時主要采用的是45號鋼，故在軟件中將機械手中各部件的材料設置為Q460材料[5]，其材料的關鍵參數如表1所示。在對模型進行網格劃分時，為提高仿真精度及操作性，采用了四面體網格類型，solid實體單元屬性，網格大小設置為6 mm，對其進行了網格劃分。機械手的作業工況相對較多，故選用了機械手翻轉60°和機械手翻轉180°兩種工況進行結構的綜合性能研究。機械手施加載荷圖如圖4所示，圖中F1為外側手爪上半段力，F2為內側手爪上半段力，F3為外側手爪下半段力，F4為內側手爪下半段力[6]。由此，完成機械手的結構仿真模型建立。

表1 Q460材料關鍵參數

圖4 機械手施加載荷圖

3 機械手不同姿態下的結構性能分析

3.1 翻轉60°姿態下的應力分布圖

結合建立的機械手仿真模型，分析了其翻轉60°工況下的應力分布情況，主要包括機械手中手臂和內側手爪兩部件。由圖5可知，手臂整體結構出現了應力分布不均勻現象，局部區域的最大集中應力為446 MPa，出現在手臂上左右臂的中段區域。由圖6可知，內側手爪也出現了應力分布不均勻現象，最大應力值為352 MPa，比手臂上的應力值更小，出現在外側手爪中部區域。分析其原因：機械手在抓取鉆桿時承受了來自鉆桿的部分重力分力，內側手爪產生了較大的夾緊作用力，以抵消鉆桿的自身重力及與手爪產生的摩擦力，使得其自身結構產生了較大的應力集中現象，而手臂在使用時出現了懸臂梁受力情況，導致了其左右臂的中段區域出現了更大的應力集中。由此可知，機械手中的手臂中部及外側手爪的中部均是整個結構的薄弱部位，其長時間的作業，將極容易在此薄弱區域率先發生結構彎曲、斷裂或開裂等失效問題，需進行結構優化改進。

圖5 機械手手臂應力變化圖

圖6 機械手內側手爪應力變化圖

3.2 翻轉180°姿態下的應力分布圖

通過對機械手的仿真分析，得到了機械手翻轉180°工況的各部件應力變化圖。此種工況下。由圖7可知，手臂整體結構出現了應力分布不均勻現象，最大應力值達到了640.6 MPa，超過了其材料的屈服強度460 MPa，比機械手翻轉60°工況時的應力更高，主要分布在手臂的右手臂中段區域。由下頁圖8可知，外側手爪也出現了應力分布不均勻現象，最大應力為423.5 MPa，主要集中在手爪的中部區域。機械手在此工況下的應力變化趨勢與翻轉60°時基本相同，但應力值均明顯增加。分析其原因為：機械手在此工況下，受到了來自鉆桿的所有重量作業，所需施加的作用力相對更高，在作用力與反作用力情況下，出現了應力集中更明顯現象。由此可知，機械手在此工況下時，手臂的右臂中段及外側手爪中部區域也是薄弱部位，需對其進行優化改進。

圖7 機械手手臂應力變化圖

圖8 機械手內側手爪應力變化圖

4 機械手結構優化改進措施

結合前文分析可知，機械手在不同工況下，其手臂中段及外側手爪的中部區域均是整個結構的薄弱部位，極容易率先發生結構彎曲、斷裂或開裂等失效問題，為提高機械手的結構性能，保證液壓鉆車的高效運行，對機械手進行了優化改進設計，具體包括：

1）將機械手中手臂的材料提升至屈服強度更高的40Cr材料，屈服強度達到785 MPa，而外側手爪材料則保持不變，以使機械手能滿足更多的復雜工況；

2）在設計加工時，對手臂左右臂中段的內部焊接2 mm厚的加強筋板結構，提高中段區域的結構強度；

3）在設計加工時，對外側手爪的中部區域焊接2 mm后的三角貼板，增強此區域的結構強度；

4）手臂和外側手爪的最大集中應力區域附近開設直接為2 mm左右的較小圓孔，使得集中的應力能分解轉移至圓孔處，而不影響此部件的結構強度，減少機械手上的應力集中現象；

5）增加機械手的寬度和厚度，增加其與鉆桿的接觸面積，以此提高機械手的結構強度；

6）定期對機械手進行維護檢查，作業時嚴格控制其抓取的鉆桿重量，避免因機械手的長時間超負荷作業而導致的結構失效問題發生。

5 結語

結合液壓鉆車的現場使用情況，采用當前成熟的有限元分析方法，對其設備中的機械手進行結構性能研究，成為縮短分析時間、提供工作效率及分析結果可靠性的重要手段。為此，在分析液壓鉆車結構特點基礎上，以ZYWL-6000型礦用液壓鉆車中機械手為分析基礎，開展了其結構在不同工況下的結構性能分析，找到了其手臂中段及外側手爪的中部區域均是整個結構的薄弱部位，極容易率先出現結構失效問題，基于此，有針對性地提出了了機械手的結構改進措施，這對提高機械手的結構強度及使用壽命具有重要作用，也為液壓鉆車其他部件的性能研究提供了重要參考。