锚杆钻车的伸缩臂有限元分析及拓扑优化

鲍帅，陈星，贾志军，刘亚杰

（1.安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001；2.矿山智能技术与装备省部共建协同创新中心，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤矿巷道采用的锚杆支护工作人工参与度高，缺少自动化程度较高的辅助设备，导致锚护效率低下，严重制约了巷道开采能力的提高[1]。为提高井下作业效率，专家学者致力于研究能大幅提升锚护效率[2]的锚杆钻车，并已取得了大量研究成果。赵永帽等[3]设计研究了具有长探功能的双臂锚杆钻车，集锚杆钻车和物探钻机于一体，但未对探臂进行轻量化设计，整体结构繁重。王威[4]对锚杆钻车伸缩臂进行优化，但对工况有限制，适应性较差。

以上研究为锚杆钻车结构设计提供了基础，但对于锚杆钻车工作分度控制的高精度与高效率的锚护作业研究较少。基于此，本文提出了一种履带式双臂分度锚杆钻车，具备高精度的分度锚护功能、高效率的双联锚护特点，为验证其可靠性，运用相关软件对其核心部件伸缩臂进行仿真分析和轻量化设计，对研发新型锚杆钻机提供一定的参考意义。

1 锚杆钻车的工作原理

履带式双臂分度锚杆钻车结构如图1所示，由钻机部、伸缩臂、分度盘、液压泵站、履带底盘等部件组成。各部件依次结合，自上而下装置在履带底盘上，使得机构部件紧凑、易于拆卸维修，工作期限更久，且适用于多种巷道工况。

图1 履带式双臂分度锚杆钻车结构图

1.1 分度系统

钻车分度系统由分度盘与齿轮齿条摆动液压缸配合而成，其中齿轮齿条摆动液压缸如图2所示。齿轮齿条摆缸将液压缸的往复运动通过齿轮带动齿条转化为旋转摆动，且可实现正反双向旋转运动[5]。由于输入推力的齿条运动长度与输出转矩的齿轮摆动角度成正比，故可做到对摆动旋转的精准稳定控制。

图2 齿轮齿条摆动液压缸

基于齿轮齿条摆动液压缸控制精准、摆动稳定等特性，钻车两臂钻机部均使用此液压缸对终端钻机本体工作角度位置达到精确定位。此外，主轴伸缩臂依靠此结构提供转矩与分度盘[6]配合以控制钻车上部倾角。主轴伸缩臂与分度盘通过分度定位销联接，且分度盘上刻有角度尺寸，在主轴伸缩臂转动的同时，分度盘辅助稳定控制和显示角度，方便工人观察及后续的操作调整。

1.2 锚杆钻车伸缩臂

主轴两侧伸缩臂由内外套筒和液压缸控制长短进程，用以支撑钻机滑架及补偿位移。当钻车到达预定工位时，履带底盘停止行走，减速器抱死，伸出液压支撑腿，开始锚护工作。而此时若需再更改位置，或前方巷道路况复杂无法到达，伸缩臂即可通过液压控制伸长臂展，完成在正确位置的锚护工作。因此伸缩臂是钻车作业的重要部位，在工作中既要承受弯矩又要受到钻机部工作时的冲击载荷，下面对该部件进行仿真验证设计，以保证其必要的刚度、强度和抗疲劳特性[7]。

2 伸缩臂有限元分析

对机构关键部件伸缩臂进行应力分析和模态分析，确定机构最大应力是否满足材料屈服极限及观察整体可能发生断裂的区域。此外，通过模态分析得出伸缩臂固有频率和不同阶次对应的应力云图，对比外界激振频率，防止发生共振现象，造成机体损伤，影响正常工作。

2.1 伸缩臂静力分析

履带式双臂分度锚杆钻车结构复杂，零件较多，在有限元分析之前，对模型进行简化。定义伸缩臂材料为45钢，设置约束与载荷，运行后得到伸缩臂优化前应力应变情况，如图3所示。

图3 优化前伸缩臂应力应变云图

由图3可得伸缩臂最大变形量为1.93 mm，发生于伸缩臂受力端。应力主要集中在固定约束端，最大应力为290.07 MPa。伸缩臂材料为45钢，材料屈服极限为355 MPa，故伸缩臂符合材料安全范围，且有较大的优化空间。

2.2 伸缩臂模态分析

由于钻车作业时自身功率大及外界工况复杂，当机械系统的某阶固有频率与所受激励频率相近时会产生共振现象，对机器结构造成巨大损伤。共振现象受系统固有频率、所受激励频率、阻尼等影响。因此，有必要对钻车关键部位伸缩臂进行模态分析，以避开外界激振频率，防止发生机械共振。

钻车工作时产生主要激振来源有两种：行走电动机振动和钻进机构振动。钻车行走电动机额定转速为1440 r/min，则激振频率f1=n/60=24 Hz。转机额定转速为500 r/min，则激振频率f2=n/60=8.3 Hz。

在静力分析的基础上，设置模态分析阶数为6，运行求解器即可得到前6阶固有频率，如表1所示。

表1 伸缩臂固有频率及振型

分析结果可知，伸缩臂1阶振型主要表现为伸缩臂受力部沿X轴横向摆动，2、3阶的振型主要表现为沿Y轴摆动弯曲，且变形相对较大。结合表1数据与激振频率对比可知，伸缩臂固有频率与外界激振频率相差较大，不会发生共振，且有一定优化空间。

3 伸缩臂结构优化

在保证伸缩臂应力不超过材料许用应力，以及伸缩臂末端位移不超过设计要求的条件下，对伸缩臂进行质量优化[8]。选定伸缩臂厚度为设计变量，以整体质量为优化目标，以最大许用应力和最大位移为约束条件进行迭代。

经过多次迭代的优化结果如图4所示。伸缩臂质量减为原来的70%，结构整体稳定，并满足最大应力和位移要求。

图4 伸缩臂优化结果

优化后应力云图和位移云图如图5所示。数据对比结果如表2所示，优化后最大应力和位移均未超出设计要求。

图5 优化后伸缩臂应力云图和位移云图

表2 优化结果

可看出优化后伸缩臂最大等效应力减小了2.45%、变形减小了2.59%，依旧在设计要求范围内，伸缩臂整体质量减小了29.55%，达到在满足使用要求的前提下伸缩臂质量尽量小的目的。

4 结语

通过对锚杆钻车的研究和伸缩臂的有限元分析与优化，得出如下结论：

1）履带式双臂分度锚杆钻车适用于路况复杂、不同高度巷道内工作。整体结构紧凑，便于拆卸维修，可实现对作业角度高精度控制，具有广阔的市场应用前景。

2）通过有限元软件测得钻车关键部位伸缩臂的应力云图和各阶模态，经过计算分析表明符合材料强度要求，且不会发生共振现象，结构设计合理。

3）伸缩臂是整个机构的薄弱环节，在此基础上对伸缩臂进行结构优化，优化后的结果满足实际工况要求，伸缩臂质量减轻了18.927 kg，节省了材料，且整体更为轻便，从而达到了优化设计的目的。