錨桿鉆車的伸縮臂有限元分析及拓撲優化

鮑帥，陳星，賈志軍，劉亞杰

（1.安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001；2.礦山智能技術與裝備省部共建協同創新中心，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤礦巷道采用的錨桿支護工作人工參與度高，缺少自動化程度較高的輔助設備，導致錨護效率低下，嚴重制約了巷道開采能力的提高[1]。為提高井下作業效率，專家學者致力于研究能大幅提升錨護效率[2]的錨桿鉆車，并已取得了大量研究成果。趙永帽等[3]設計研究了具有長探功能的雙臂錨桿鉆車，集錨桿鉆車和物探鉆機于一體，但未對探臂進行輕量化設計，整體結構繁重。王威[4]對錨桿鉆車伸縮臂進行優化，但對工況有限制，適應性較差。

以上研究為錨桿鉆車結構設計提供了基礎，但對于錨桿鉆車工作分度控制的高精度與高效率的錨護作業研究較少。基于此，本文提出了一種履帶式雙臂分度錨桿鉆車，具備高精度的分度錨護功能、高效率的雙聯錨護特點，為驗證其可靠性，運用相關軟件對其核心部件伸縮臂進行仿真分析和輕量化設計，對研發新型錨桿鉆機提供一定的參考意義。

1 錨桿鉆車的工作原理

履帶式雙臂分度錨桿鉆車結構如圖1所示，由鉆機部、伸縮臂、分度盤、液壓泵站、履帶底盤等部件組成。各部件依次結合，自上而下裝置在履帶底盤上，使得機構部件緊湊、易于拆卸維修，工作期限更久，且適用于多種巷道工況。

圖1 履帶式雙臂分度錨桿鉆車結構圖

1.1 分度系統

鉆車分度系統由分度盤與齒輪齒條擺動液壓缸配合而成，其中齒輪齒條擺動液壓缸如圖2所示。齒輪齒條擺缸將液壓缸的往復運動通過齒輪帶動齒條轉化為旋轉擺動，且可實現正反雙向旋轉運動[5]。由于輸入推力的齒條運動長度與輸出轉矩的齒輪擺動角度成正比，故可做到對擺動旋轉的精準穩定控制。

圖2 齒輪齒條擺動液壓缸

基于齒輪齒條擺動液壓缸控制精準、擺動穩定等特性，鉆車兩臂鉆機部均使用此液壓缸對終端鉆機本體工作角度位置達到精確定位。此外，主軸伸縮臂依靠此結構提供轉矩與分度盤[6]配合以控制鉆車上部傾角。主軸伸縮臂與分度盤通過分度定位銷聯接，且分度盤上刻有角度尺寸，在主軸伸縮臂轉動的同時，分度盤輔助穩定控制和顯示角度，方便工人觀察及后續的操作調整。

1.2 錨桿鉆車伸縮臂

主軸兩側伸縮臂由內外套筒和液壓缸控制長短進程，用以支撐鉆機滑架及補償位移。當鉆車到達預定工位時，履帶底盤停止行走，減速器抱死，伸出液壓支撐腿，開始錨護工作。而此時若需再更改位置，或前方巷道路況復雜無法到達，伸縮臂即可通過液壓控制伸長臂展，完成在正確位置的錨護工作。因此伸縮臂是鉆車作業的重要部位，在工作中既要承受彎矩又要受到鉆機部工作時的沖擊載荷，下面對該部件進行仿真驗證設計，以保證其必要的剛度、強度和抗疲勞特性[7]。

2 伸縮臂有限元分析

對機構關鍵部件伸縮臂進行應力分析和模態分析，確定機構最大應力是否滿足材料屈服極限及觀察整體可能發生斷裂的區域。此外，通過模態分析得出伸縮臂固有頻率和不同階次對應的應力云圖，對比外界激振頻率，防止發生共振現象，造成機體損傷，影響正常工作。

2.1 伸縮臂靜力分析

履帶式雙臂分度錨桿鉆車結構復雜，零件較多，在有限元分析之前，對模型進行簡化。定義伸縮臂材料為45鋼，設置約束與載荷，運行后得到伸縮臂優化前應力應變情況，如圖3所示。

圖3 優化前伸縮臂應力應變云圖

由圖3可得伸縮臂最大變形量為1.93 mm，發生于伸縮臂受力端。應力主要集中在固定約束端，最大應力為290.07 MPa。伸縮臂材料為45鋼，材料屈服極限為355 MPa，故伸縮臂符合材料安全范圍，且有較大的優化空間。

2.2 伸縮臂模態分析

由于鉆車作業時自身功率大及外界工況復雜，當機械系統的某階固有頻率與所受激勵頻率相近時會產生共振現象，對機器結構造成巨大損傷。共振現象受系統固有頻率、所受激勵頻率、阻尼等影響。因此，有必要對鉆車關鍵部位伸縮臂進行模態分析，以避開外界激振頻率，防止發生機械共振。

鉆車工作時產生主要激振來源有兩種：行走電動機振動和鉆進機構振動。鉆車行走電動機額定轉速為1440 r/min，則激振頻率f1=n/60=24 Hz。轉機額定轉速為500 r/min，則激振頻率f2=n/60=8.3 Hz。

在靜力分析的基礎上，設置模態分析階數為6，運行求解器即可得到前6階固有頻率，如表1所示。

表1 伸縮臂固有頻率及振型

分析結果可知，伸縮臂1階振型主要表現為伸縮臂受力部沿X軸橫向擺動，2、3階的振型主要表現為沿Y軸擺動彎曲，且變形相對較大。結合表1數據與激振頻率對比可知，伸縮臂固有頻率與外界激振頻率相差較大，不會發生共振，且有一定優化空間。

3 伸縮臂結構優化

在保證伸縮臂應力不超過材料許用應力，以及伸縮臂末端位移不超過設計要求的條件下，對伸縮臂進行質量優化[8]。選定伸縮臂厚度為設計變量，以整體質量為優化目標，以最大許用應力和最大位移為約束條件進行迭代。

經過多次迭代的優化結果如圖4所示。伸縮臂質量減為原來的70%，結構整體穩定，并滿足最大應力和位移要求。

圖4 伸縮臂優化結果

優化后應力云圖和位移云圖如圖5所示。數據對比結果如表2所示，優化后最大應力和位移均未超出設計要求。

圖5 優化后伸縮臂應力云圖和位移云圖

表2 優化結果

可看出優化后伸縮臂最大等效應力減小了2.45%、變形減小了2.59%，依舊在設計要求范圍內，伸縮臂整體質量減小了29.55%，達到在滿足使用要求的前提下伸縮臂質量盡量小的目的。

4 結語

通過對錨桿鉆車的研究和伸縮臂的有限元分析與優化，得出如下結論：

1）履帶式雙臂分度錨桿鉆車適用于路況復雜、不同高度巷道內工作。整體結構緊湊，便于拆卸維修，可實現對作業角度高精度控制，具有廣闊的市場應用前景。

2）通過有限元軟件測得鉆車關鍵部位伸縮臂的應力云圖和各階模態，經過計算分析表明符合材料強度要求，且不會發生共振現象，結構設計合理。

3）伸縮臂是整個機構的薄弱環節，在此基礎上對伸縮臂進行結構優化，優化后的結果滿足實際工況要求，伸縮臂質量減輕了18.927 kg，節省了材料，且整體更為輕便，從而達到了優化設計的目的。