煤矿井下坑道钻机给进装置支梁优化设计

晏显炜，彭 涛，姚亚峰

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

0 引 言

随着国家对环境保护问题的重视和供给侧改革，制造业的工艺流程也从环保角度不断优化。传统工艺之一的铸造，在发挥着至关重要的作用同时，生产过程中的污染问题也较为严重。煤矿井下全液压坑道钻机作为主要用于煤矿井下瓦斯抽采孔、地质勘探孔、防突卸压孔及其他工程孔施工的关键设备之一[1]，一直以来是煤矿安全生产和高效开采的重要设备，其很多零部件为铸造件。笔者拟提出优化其生产流程，可在保证其性能前提下改为焊接件，可减少污染，提高生产效率。选取钻机的给进装置油缸连接支梁进行优化设计，并进行有限元分析来验证其性能是否满足设计要求，为此优化设计提供理论依据。

1 焊接支梁结构设计及受力分析

支梁为给进装置连接油缸和拖板的零部件，传统支梁是一个左右对称的铸造类零件(见图1)，笔者参考其结构设计出焊接支梁(见图2)，由底板和立板组成，通过手工焊接在一起，再对焊接件进行打孔和焊后二次加工提高精度，生产效率较高，方法简单。

支梁位置在钻机的给进装置中，连接油缸和拖板，起到传递油缸给进起拔力的作用。支梁底板靠螺栓穿过螺栓孔与钻机拖板固定，立板靠一根销轴与油缸耳环连接在一起，主要受力来自于油缸的往复动作，即两个相对方向的给进与起拔过程[2]。本文钻机给进装置的油缸为单杆双作用缸，由于油缸往复运动时压力油作用的有效截面积不同，故取作用力较大的进行分析。

式中：pmax为油缸最大工作压力，MPa；D为油缸作用环面积内径，mm；η为油缸传动效率。

图1 铸造支梁模型 图2 焊接支梁模型

本文所研究钻机最大工作压力为21 MPa，给进油缸缸筒和活塞杆直径分别为63 mm和36 mm，因此给进作用环面积为3 115.7 mm2，起拔作用环面及为2 098.3 mm2，油缸传动效率取0.8。通过计算，起拔过程作用力为52 kN，给进过程作用力为36 kN。

2 焊接支梁有限元分析

此构件采用的焊接方法为手工电弧焊，其焊接特点:可以获得紧固、紧密的焊缝，焊接接头在大多数情况下可以实现与母材等强度。因此可以简化模型为整体式，并忽略结构中如倒角等小特征，采用统一的单元属性[3-4]。本文旨在分析结构的应力分布和大小，所以这样不会影响分析结果，还会提高分析效率。

(1) 运用三维软件NX对焊接支梁进行整体式建模，可大大提高了建模的速度。虽然ABAQUS自身具有建模和装配功能，但其实体模型的建立方法不如CAD软件强大。NX模型再通过数据转换转入 ABAQUS。

(2) 创建材料和截面属性。焊接支梁母材选用材料为Q345，屈服强度为345 MPa。该材料的弹性模量为E=2.1 GPa，泊松比为0.3，并赋予材料截面属性。

(3) 定义装配关系和设置分析步。通过上述受力分析可知支梁受力相对简单，定义一个分析步，即立板孔来自油缸销轴的集中载荷。

(4) 定义偶合约束。支梁立板的受力在两个孔的半环面上，本文在两孔之间选用一点和孔半环面之间建立分布耦合约束，从而模拟销轴和圆孔之间的连接关系，将不对销轴进行建模，如图3所示。

(5) 划分网格。支梁为非独立实体，需将其分割为几个区域，然后在每个区域进行划分，以提高计算精确性。本文将支梁按底板和立板分割为四个区域，设置单元大小为8，选用Hex单元形状C3D8R单元类型，划分网格后的模型如图4。

图3 定义耦合点模型 图4 网格模型

(6) 定义载荷和边界条件。载荷即来自销轴的反作用力52 kN。支梁底板是靠螺栓穿过螺栓孔与钻机拖板固定，故限制螺栓孔的6个方向的平行自由度(ENCASTRE:U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)。

(7) 提交分析作业及输出结果。如应力和应变云图5、6所示，最大应力发生在立板的根部及螺孔，为62.5 MPa，故安全系数为5.52，证明焊接支梁的设计完全能够满足静载荷。最大应变发生在立板孔上端，为0.030 1 mm，应变量很小，满足使用要求。

图5 应力云图 图6 应变云图

3 结 语

对钻机给进装置的连接支梁进行铸造件改为焊接件结构优化设计，并对其结构静力学分析，得到以下结论：

(1) 焊接结构支梁不仅简化生产流程，缩短制造周期，并且减少环境污染，为类似铸造部件优化设计提供借鉴。

(2) 通过有限元分析，进一步验证焊接支梁的可靠性，为其应用提供理论依据。

参考文献：

[1] 张 武，郭 卫，路正雄.坑道钻机机架结构设计与分析[J].煤矿机械，2015,36(7):205-207.

[2] 梁春苗，姚亚峰，石 璐,等.全液压坑道钻机给进装置的设计与分析[J].煤田地质与勘探，2012,40(3)：90-92.

[3] 郭江建，罗 阳，刘胜青,等.基于实例的焊接强度有限元分析方法和研究[J].中国测试技术，2006,5:36-38.

[4] 石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京:机械工业出版社,2006.