掘錨機機載錨桿鉆機基座連接耳結構優化

馮磊 FENG Lei；董中華 DONG Zhong-hua；何勇 HE Yong；趙肖敏 ZHAO Xiao-min

（①國家能源集團新疆能源有限責任公司，烏魯木齊 830000；②山西天地煤機裝備有限公司，太原 030000）

0 引言

掘錨機是快速掘進領域的重要開采設備，是集掘、支、錨等功能于一體化的重要礦用機械設備[1]。掘錨機通過在掘進機上加裝機載錨桿鉆機的方式，實現了一臺機器同時具備掘進和錨護兩種功能，實現了先掘后錨的快速巷道掘進方式[2]。相較于普通掘進機和錨桿鉆車交互在巷道工作的方式，掘錨機在效率和空間利用上都有較大的優勢，而且價格也比掘進機加錨桿鉆車便宜的多，因此已經在快速掘進領域得到了廣泛應用[3-6]。

在巷道支護鉆錨過程中，整個錨桿鉆機系統都需要連接耳于基座相連，基座連接耳就像人的關節負責整個鉆臂的活動，也像人的關節一樣非常脆弱。在鉆錨過程中，鉆機沖擊和擺動非常容易對基座連接耳形成集中載荷，造成基座連接耳失效，形成安全隱患。隨著大量掘錨機的使用，對其組成部分的安全可靠性要求越來越高，一旦零件出現問題，將會影響整個掘錨機的工作從而減少煤炭產量[7]。因此對基座連接耳的結構和強度進行研究和優化，對于提高掘錨機性能具有重要意義。

1 工作原理

在巷道開采掘進過程中，首先是由掘錨機的截割炮頭進行掘進，煤渣在鏟板上的旋轉爬爪的作用下進入刮板輸送機，由刮板輸送機輸送到后面的二運皮帶上。掘錨機完成掘進工作后升起固定在截割機構懸臂段上的臨時支護機構，等到臨時支護頂住頂幫后機載錨桿鉆機系統機開始工作。首先鉆機系統基座在行走軌道上通過基座底部的齒輪齒條嚙合行走，到達前端極限位置停止，然后通過基座連接耳連接的升降油缸和擺動油缸推動基臂實現鉆機系統的上下左右移動，再通過基臂末端連接的兩個不同方向的回轉油缸使鉆機能夠到達巷道的鉆孔位置和角度。其中基座連接耳的一端和基座焊接固定，另一端通過銷軸連接鉆機的其他機構。在基座上共有三對基座連接耳通過銷軸連接著回轉油缸耳，其中一對主基座連接耳和錨桿鉆機的基臂相連，另外兩個基座連接耳分別在主基座連接耳的水平方向位置和豎直方向位置，通過銷軸分別連接著升降油缸和擺動油缸，使錨桿鉆機的基臂在水平方向和豎直方向轉動，這樣就可以實現錨桿鉆機系統的上下左右移動。基座部分三維設計簡圖如圖1所示。

圖1 鉆臂基座簡圖

2 仿真分析

2.1 三維模型建立

為了能有效的對設計進行分析驗證，采用有限元分析軟件對三維建模進行模擬分析是非常不錯的選擇[8]。采用三維建模仿真分析可以提高經濟效益，不必多次鑄造實體進行試驗從而節省經濟，而且仿真數值也與實體試驗數值差距不是很大，是當前研究中一種非常重要的科學方法。

首先通過三維設計軟件SolidWorks對基座部分和連接耳進行建模。因為在掘錨機錨桿鉆機的基座中包含了液壓元件、管路和一些其他機械零件，并不是有限元分析研究的對象主體，在仿真中幾乎沒有影響，因此在建模過程中可以進行忽略，僅需要對研究對象進行建模。故對連接耳和焊接的基座部分進行建模，除了頂端的兩個基座耳和頂板是一個整體外，其他的耳板都是通過四周焊接的形式固定在基座上。在有限元分析過程中會使用完整材料通過剛性連接來模擬實際生產裝配過程中的焊接坡口和焊劑填充，使其形成了一個剛性整體。基座部分和連接耳三維圖如圖2所示。

圖2 基座部分和連接耳

2.2 材料選擇和網格劃分

基座部分和連接耳在靜力學分析時材料屬性設置為分析系統中的鑄造合金鋼材料，因為其材料屬性和實際材料的屬性接近，基本屬性如下：彈性模量為1.9*1011N/m2，中泊松比0.26，屈服強度為241.3MPa，張力強度4.48*108N/m2。由于在有限元分析過程中使用完整材料通過剛性連接來模擬了實際裝配中的板件的焊接坡口和用焊劑填充焊接，故不存在倒角等微小結構，不必去特定劃分不同的網格區域，采用固定尺寸由系統自動劃分網格即可。

2.3 約束和載荷設置

在靜力學分析過程中需要對基座進行約束，由于鉆機基座在鉆錨過程中是固定在滑行軌道上的，因此在模擬過程中可以直接對基座底端進行固定。掘錨機在鉆錨過程中豎直鉆錨頂幫時整體受到的合力最大，對基座連接耳的作用力最強，因此主要模擬豎直鉆錨頂幫時的情況。鉆臂在鉆錨頂幫的過程中應該同時受到多個力的作用，通過分析整合成為兩個不同的作用力：一是錨桿鉆機系統整體受到的自身重力，二是在鉆錨巷道的過程中受到的沖擊反向作用力。通過掘錨機實際設計參數與計算估計作用力設置這兩個作用力的大小并通過有限元分析中的遠程質量和遠程載荷來模擬實現。一個是在基座正前方的3000mm遠和基座頂部高1500mm設置一個20000N豎直向下的直接位移力來模擬鉆錨頂幫時的沖擊力，另一個是在基座正前方的2700mm遠和頂部高800mm設置一個2000kg的剛性連接質量來模擬整個鉆臂系統的自重力，重力系數為9.81m/s2。

2.4 結果分析

在對基座連接耳三維模型進行了材料屬性，劃分網格參數，約束條件和載荷分布參數設置等仿真前處理工作，在實際掘錨機的裝配中，錨桿鉆機和基座不是直接固定在一起的，而是有銷軸對鉆臂進行連接，因此力主要是作用在插到基座耳的銷軸上，運用SolidWorks自帶的靜力學分析求解器進行仿真計算，獲取基座連接耳部分的等效應力分布云圖，如圖3所示。

圖3 基座連接耳等效應力分布云圖

由圖3的基座連接耳部分的等效應力分布云圖可以看出，掘錨機在鉆錨頂幫時基座連接耳所受的最大工作應力數值為219.4MPa，出現在下方連接耳和基座的下接觸面位置，除此之外的基座連接耳部分的其他位置應力數值都比較小，大部分為藍色區域內的應力，在最大應力下方為綠色區域內的應力范圍值。最大工作應力值與基座連接耳材料的屈服強度241.3MPa相比較，僅相差21.9MPa，數值較為接近，占材料屈服力的91%左右，非常有可能在使用過程中出現基座連接耳失效問題，影響掘錨機正常工作，耽誤煤礦生產進度。有必要對這一項薄弱環節進行補強。

3 優化設計

3.1 優化方案

基座連接耳仿真分析結果顯示，連接耳和基座的下接觸面位置存在明顯的應力集中，最大應力數值接近選用材料的屈服強度，工作過程中極大概率會是材料失效，導致材料發生較大形變和產生裂紋，甚至斷裂引起重大事故，因此需要對基座連接耳部分進行材料優化或結構優化設計。結構件優化設計方法眾多，如更換性能更好的材料、加厚薄弱環節的材料厚度，設計新的結構等等。由于掘錨機的錨桿鉆機系統整體設計參數已經設計應用多年，重新設計計算將會消耗大量的人力、物力和財力，因此在其基礎進行優化改進是最經濟實用的犯法，而且改動越小其經濟性能越好。

通過理論分析，對基座連接耳確定以下優化方案：首先是基座連接耳和基座連接部分采用前板和后板一樣的結構，然后增加連接耳的長度使連接耳穿過前板和后板，這樣連接耳受到錨桿鉆機系統的力會傳遞到前板和后板。相對于優化前連接耳上所受的力集中分布在了前板上，優化后的連接耳上所受的力可以比較平均地分布在前板和后板上，既可以減小連接耳上的應力集中問題，又可以減小前板由于應力過大可能導致的應力變形問題。優化后的三維模型如圖4所示。

圖4 優化后的基座部分和連接耳

3.2 優化結果

根據優化后的三維模型同樣運用SolidWorks靜力學分析模塊進行有限元仿真分析，材料屬性，劃分網格參數，約束條件和載荷分布參數與改進前的設置一致，設置完成后進行靜力學分析計算求解，得到優化后的基座連接耳部分等效應力分布云圖，如圖5所示。

由圖5可以看出，優化后的基座連接耳部分的最大工作應力為177.7MPa，位置依然出現在連接耳和基座的下接觸面位置，雖然應力位置相同，但是相較于改進之前的集中應力219.4MPa相比，下降了41.7MPa，大約優化了19%，而且優化后的集中應力值也和材料的屈服力差了63.6MPa，數值雖然不是很大，約占材料屈服力的73.6%，已經達到了安全應力范圍，因此掘錨機在鉆錨過程中，基座部分連接耳不容易出現失效問題。因此取得了良好的優化效果。

圖5 優化后的基座連接耳等效應力分布云圖

4 結語

采用前板和后板結構同樣化，通過加長連接耳可以穿過前板和后板，并通過焊接使所受到的力可以傳遞到前板和后板，形成優化結構，使連接耳和基座接觸部分的受力更小且均勻。通過軟件的仿真分析，驗證了結構優化效果，說明了采用優化結構可以減少掘錨機的鉆機系統基座部分的故障率，間接地提高了煤礦開采工作效率，同時也補強了鉆機系統的薄弱環節，使掘錨機鉆機系統使用時效更長。