煤礦井下用鉆機的輕量化設(shè)計方法綜述

0 引言

煤炭是我國存量最大、可靠性最高、經(jīng)濟性最好的能源。我國90%以上的煤礦以井工開采為主，且有相當(dāng)數(shù)量的煤礦屬于高瓦斯礦井，開采過程中極易發(fā)生瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等安全事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，給煤礦安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅[1]。自動鉆機用于施工瓦斯抽放孔，是瓦斯治理的關(guān)鍵設(shè)備。隨著煤礦井下智能化技術(shù)的發(fā)展，對鉆機的功能要求越來越多，導(dǎo)致體積和重量的增加。笨重的體型不利于運輸和移機，動作靈活性和控制靈敏性也較為困難，嚴(yán)重制約著自動鉆機的進一步發(fā)展。輕量化設(shè)計是解決上述問題的有效途徑。

1 輕量化技術(shù)

輕量化技術(shù)包括“結(jié)構(gòu)輕量化、材料輕量化、工藝輕量化”三個方面，如圖1所示。其中結(jié)構(gòu)輕量化主要包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化和多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化（multidisciplinary design optimization，MDO）；材料輕量化主要包括對高強度鋼、鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等的應(yīng)用；工藝輕量化包括使用激光焊接和液壓成形等先進的制造工藝。輕量化技術(shù)在汽車和工程機械等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[2，3]。

圖1 輕量化技術(shù)的分類

2 結(jié)構(gòu)輕量化

2.1 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)用最成熟最廣泛的一種輕量化技術(shù)，它是指對設(shè)計對象的截面尺寸、壁厚、減重孔（槽）尺寸等參數(shù)進行優(yōu)化以達到減重的目的。其數(shù)學(xué)表達式為：

其中：m為質(zhì)量；uk為節(jié)點k的位移；σmax為最大應(yīng)力；fn為第n階固有振動頻率；x為尺寸變量向量；中括號“[]”為約束函數(shù)的許用值。左文杰等[4]對汽車白車身板厚尺寸進行了優(yōu)化，使其質(zhì)量減輕了11.4%。朱紅軍等[5]應(yīng)用有限元分析技術(shù)對純電動客車骨架進行了尺寸優(yōu)化，優(yōu)化后的車骨架質(zhì)量減少了134kg。廖永宜等[6]對水輪發(fā)電機上機架的板厚進行了尺寸優(yōu)化，使上機架的質(zhì)量減少了25.5%。

2.2 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化主要是通過對對象的外形進行調(diào)整，使得受力狀態(tài)更加均勻，進而減少材料的使用。當(dāng)優(yōu)化對象具有規(guī)則的幾何外形時，優(yōu)化處理方法是將其幾何外形參數(shù)化，從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽鐑?yōu)化問題。當(dāng)優(yōu)化對象的幾何外形不規(guī)則時，參數(shù)化幾何外形較為困難，常采用無參形狀優(yōu)化法，即將形狀變量作為設(shè)計變量對結(jié)構(gòu)進行形狀優(yōu)化。趙大剛等[7]對無人帆船的主帆結(jié)構(gòu)進行了形狀優(yōu)化，確定了蒙皮厚度、翼梁厚度、翼梁寬度和肋板厚度，優(yōu)化后的主帆質(zhì)量減輕了38.68%。唐輝等[8]對門式起重機的支腿結(jié)構(gòu)進行了形狀優(yōu)化，優(yōu)化后的支腿質(zhì)量減少了

12.85%。

2.3 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化以事先指定的設(shè)計空間的材料分布為優(yōu)化對象，通過優(yōu)化算法自動給出最佳傳力路徑，從而節(jié)省最多的材料。拓?fù)鋬?yōu)化方法被認(rèn)為是最具有潛力的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，主要應(yīng)用在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計階段。目前的拓?fù)鋬?yōu)化方法有多種，其中最主要的一種方法是Bendsoe等提出的變密度法，其數(shù)學(xué)模型如下：

其中：c為結(jié)構(gòu)柔度；ve為單元體積；ρe為單元材料密度，也是設(shè)計變量；V為結(jié)構(gòu)體積。但由于優(yōu)化出的零件幾何形狀往往較為復(fù)雜，受限于制造工藝，加工較為困難，生產(chǎn)成本較高，在實際中較多應(yīng)用于航空航天等對零部件輕量化有極致追求的領(lǐng)域。邢廣鵬等[9]使用變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對某發(fā)動機外部支撐結(jié)構(gòu)進行了拓?fù)鋬?yōu)化，使其質(zhì)量減少了92.7%。朱遠(yuǎn)等[10]對機床立柱結(jié)構(gòu)進行了拓?fù)鋬?yōu)化，在外輪廓拓?fù)淠Ｐ突A(chǔ)上，利用二維殼單元對筋板布局進行了調(diào)整，優(yōu)化后的立柱質(zhì)量降低了13.1%。

2.4 多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化

多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)只考慮單一學(xué)科性能要求的優(yōu)化設(shè)計方法并不能滿足實際中的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，因為對象的結(jié)構(gòu)會影響強度、模態(tài)、NVH、碰撞性等多個學(xué)科領(lǐng)域的性能概念。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化旨在尋求一個妥協(xié)的最優(yōu)解，其數(shù)學(xué)模型表達式為：

式中，f（x，y（x））為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；hi（x，y（x））、gj（x，y（x））為約束條件，x為優(yōu)化設(shè)計變量；y（x）為系統(tǒng)分析方程A（x，y（x））確定的狀態(tài)方程。

系統(tǒng)分析方程A（x，y（x））為：

式中，N為MDO子系統(tǒng)的數(shù)目。鐘自鋒[11]對后副車架零部件的料厚進行多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化分析，獲得了料厚的最佳設(shè)計參數(shù)，使其重量減輕了17.1%。熊鋒等[12]以汽車前車門為研究對象，以輕量化為主要目標(biāo)，將提升下沉工況剛度、窗框中部剛度、優(yōu)化一階模態(tài)頻率作為次目標(biāo)，利用多目標(biāo)遺傳算法進行優(yōu)化，優(yōu)化后的車門質(zhì)量減輕了0.23 kg。

3 材料輕量化

除了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計之外，輕量化材料的開發(fā)和應(yīng)用是當(dāng)前輕量化技術(shù)另一主要研究方向[13]。對輕量化材料的研究是目前國際上材料領(lǐng)域最活躍的研究方向之一。在裝備制造領(lǐng)域，主要的輕量化材料有：高強度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料及復(fù)合材料。高強度鋼相比于傳統(tǒng)鋼材有更高的強度。鋁合金與鋼鐵相比，具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、易于加工等特點。鎂合金具有很高的比強度和比剛度。在同等應(yīng)力要求的場合，輕量化材料的用料可以更少，進而減輕零部件的重量。

4 工藝輕量化

輕量化技術(shù)最終應(yīng)用于生產(chǎn)實際的決定性因素是制造工藝[14]。因為即使輕量化設(shè)計得很好的零部件，如果加工不出來，那這個設(shè)計也是失敗的。比如液壓成型技術(shù)，它可以加工出傳統(tǒng)沖壓成形技術(shù)加工不出來的復(fù)雜零件。機械設(shè)備一般都是由很多個零部件通過相應(yīng)的連接結(jié)構(gòu)組合在一起的，比如螺栓連接、鍵連接等。零部件越多，連接結(jié)構(gòu)就越多。借助一些先進的制造工藝可以將多個零件加工成一個零件，這樣就可以不用設(shè)計連接結(jié)構(gòu)，進而減輕設(shè)備的重量。比如在汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的激光焊接工藝，它可以在保證零部件剛度和強度的前提下，將多個零部件拼接成一個零件，整體上減輕產(chǎn)品重量。

5 輕量化技術(shù)在鉆機中的應(yīng)用

目前市場上的自動鉆機結(jié)構(gòu)大體一致。以中煤科工集團重慶研究院有限公司生產(chǎn)的ZYWL-4000Y型全液壓自動鉆機為例，如圖2。其主要機械結(jié)構(gòu)有：履帶車、油箱、鉆桿箱、主機械手、副機械手、轉(zhuǎn)運槽、機架、動力頭和雙夾持器。履帶車可以使鉆機在煤礦井下巷道惡劣的地形條件下行走；鉆桿箱用于存儲鉆桿；副機械手用于抓取鉆桿箱和轉(zhuǎn)運槽內(nèi)的鉆桿；主機械手用于抓取轉(zhuǎn)運槽和夾持器上的鉆桿；動力頭在機架導(dǎo)軌上滑動，為鉆機鉆進提供扭矩和執(zhí)行鉆桿的接卸扣動作；雙夾持器用于輔助加卸鉆桿；鉆機整體重量超過了5噸，輕量化可以提升鉆機的運輸和移動效率。主、副機械手和動力頭的輕量化還可減小運動慣性，進而提高動作精準(zhǔn)度，提升鉆機的整體性能。

圖2 ZYWL-4000Y型全液壓鉆機

當(dāng)前對于鉆機的輕量化設(shè)計研究還比較少。王興[15]結(jié)合有限元分析技術(shù)，將鉆機夾持器的強度、剛度和夾緊力作為約束條件，對夾持器進行了結(jié)構(gòu)輕量化研究，最終使夾持器的重量減輕了26.52%。鐘自成等[16]采用CAE技術(shù)建立了鉆機擺動機構(gòu)的參數(shù)化模型，對機構(gòu)進行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，在材料不變的情況下，把體積降低到了原來的40%。鄒祖杰等[17]對鉆機機架從材料輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化兩個方面進行了優(yōu)化，材料輕量化方面選用高強度鋼Q420代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼Q235，使機架重量減輕了3.8%；結(jié)構(gòu)輕量化方面結(jié)合CAE技術(shù)確定了機架大臂方鋼截面的厚度、寬度和長度，使機架重量減輕了8.1%。

6 總結(jié)與展望

綜上，目前對鉆機輕量化的研究主要集中在結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化。基于有限元仿真技術(shù)，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化手段對鉆機及其零部件進行輕量化設(shè)計，具有可操作性強和節(jié)約成本的優(yōu)點。隨著對自動鉆機功能的進一步完善，將會有更多的功能集成，對鉆機小型化輕量化的要求會更加凸顯。未來輕量化材料和輕量化工藝技術(shù)在鉆機輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用也將逐步得到深入研究。借鑒輕量化技術(shù)在汽車、航空航天、工程機械等領(lǐng)域已取得的研究成果，結(jié)合鉆機實際作業(yè)環(huán)境和要求，探索從結(jié)構(gòu)、材料和工藝方面對鉆機進行輕量化技術(shù)開發(fā)是未來的發(fā)展趨勢。