CMZY2-400/35型鉆裝錨一體機萬向臂模態(tài)分析

尹中會，毛馬杰，張安寧,2，張彪，羅松松，陶永芹

(1．安徽理工大學， 安徽 淮南 232001；2．中國煤炭學會 煤礦機電一體化專業(yè)委員會，上海 200030；3．凱盛重工有限公司， 安徽 淮南 232058)

0 引言

CMZY2-400/35型鉆裝錨一體機在鉆臂上端采用了雙擺動油缸的萬向臂結構如圖1所示，萬向臂由擺動油缸1、2和連接板組成，鑿巖機構與擺動油缸1的擺動軸連接，擺動油缸2的擺動軸通過連接板與擺動油缸1的缸體連接，擺動油缸2的缸體與主臂連接。該臂是鉆裝錨一體機的關鍵部件，在實際工作中工況多、受力復雜，其支撐的鑿巖機在工作中以57 Hz的頻率對煤巖不斷沖擊，其動力學性能的好壞直接影響整機工作效率和可靠性[1-3]。為保證該結構滿足設計要求，除必須對其進行靜強度校核外，還應當對其進行模態(tài)分析，以防發(fā)生共振，導致設備失效。

1 萬向臂工況分析

1.1 工作組件的選擇

由圖1可知，萬向臂下部固定在主臂上，上部與鑿巖機構聯(lián)接并支撐鑿巖機鉆孔，因此，為提高分析的可靠性，選擇萬向臂與鑿巖機構作為模態(tài)分析對象如圖2所示。

圖1 鉆臂及其萬向臂結構示意圖

圖2 萬向臂與鑿巖機構的三維模型

1.2 萬向臂基本工況

根據該一體機的工作過程，可知萬向臂在工作過程中需要配合主臂調整出多種姿態(tài)來實現(xiàn)鉆鑿不同方位的炮眼和錨桿眼，同時，鉆進不同深度時對萬向臂的固有頻率都有影響，由于主臂和萬向臂是連續(xù)移動，可能的姿態(tài)過多，為方便分析，對萬向臂工況進行簡化，分向正前、斜前、正上、斜上、正側、斜側、正下、斜下等方向鉆進，選擇擺動油缸1位于擺動油缸2正上方、側方、正下方等位置，可得萬向臂的10種基本工況，如表1所示。

表1 萬向臂主要工況及鉆孔部位及方向

2 鉆臂與萬向臂的模態(tài)分析

2.1 三維建模

采用SolidWorks進行三維建模，不同工況位置的模型可通過移動/旋轉零件方法來調姿獲得，工況2的三維模型如圖2所示。

2.2 網格劃分、約束施加、材料屬性確定

由于萬向臂及鑿巖機構的模型尺寸較大，在先采取設置較大全局網格的基礎上，對萬向臂關鍵零部件進行細化處理和局部加密，工況2的模型網格劃分如圖3所示。

圖3 萬向臂工況2的三維模型的網格劃分

根據實際工作情況，將擺動油缸2與主臂連接面固定，約束扶釬器在與釬軸線垂直面內的自由度，如圖4所示。

圖4 萬向臂工況2的三維模型的約束

對材料屬性及參數(shù)選擇如表2所示。

表2 材料屬性及參數(shù)選擇

2.3 模態(tài)分析及結果

對模型進行網格劃分、約束、定義材料屬性后進行有限元運算分析，得到各工況的模態(tài)振型云圖如圖5～圖14所示，對應的固有頻率見表3。

圖5 鉆臂萬向臂工況1時的應力云圖

2.4 結果分析

由以上分析可知：在各工況情況下，萬向臂的1～6階固有頻率最小值為4.81 Hz，最大值為22.33 Hz，均小于鑿巖機的沖擊頻率57 Hz。

圖6 鉆臂萬向臂工況2時的應力云圖

圖7 鉆臂萬向臂工況3時的應力云圖

圖8 鉆臂萬向臂工況4時的應力云圖

圖9 鉆臂萬向臂工況5時的應力云圖

圖10 鉆臂萬向臂工況6時的應力云圖

圖11 鉆臂萬向臂工況7時的應力云圖

圖12 鉆臂萬向臂工況8時的應力云圖

圖13 鉆臂萬向臂工況9時的應力云圖

圖14 鉆臂萬向臂工況10時的應力云圖

3 結論

本文采用SolidWorks軟件建立了鉆臂萬向臂結構三維實體模型，導入有限元分析軟件ANSYS，并根據實際工作狀態(tài)，對鉆臂萬向臂10種工況進行了模態(tài)分析，得到如下結論：

1) CMZY2-400/35型鉆裝錨一體機采用的萬向臂各工況1～6階固有頻率在4.81～22.33 Hz之間，均小于鑿巖機的沖擊頻率57 Hz，不會產生共振，滿足設計要求。

2) 不同工況下方向臂的固有頻率如表3所示。由表3可知，不同工況下，各階固有頻率變化較小，均不超過10 Hz，特別是最高的6階固有頻率變化不超過3 Hz，因此，可判定該萬向臂在其他過渡工作狀態(tài)下的固有頻率也不會接近57 Hz，可以不再驗算。

表3 不同工況下萬向臂固有頻率 Hz