履帶式坑道鉆機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

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摘要：以ZDY3500L履帶式坑道鉆機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行受力分析后簡(jiǎn)化其仿真模型，運(yùn)用仿真模型對(duì)平移部件和撐桿部件進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真分析部件是否滿足生產(chǎn)要求，并對(duì)不滿足要求的位置進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：鉆機(jī);探水;撐桿部件;平移部件;剛度定向

鉆機(jī)能實(shí)現(xiàn)對(duì)井下探放水鉆孔的施工以及底板注漿施工等。為了確保最終施工質(zhì)量能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，對(duì)鉆機(jī)的調(diào)角范圍和可靠性提出了更高的要求[1-2]。據(jù)研究可知，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)大部分該鉆機(jī)的調(diào)角范圍較小，無(wú)法完全滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。為了克服部分鉆機(jī)調(diào)角范圍小的問(wèn)題，陽(yáng)煤集團(tuán)新元公司采用ZDY3500L履帶式坑道鉆機(jī)的調(diào)角機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可根據(jù)調(diào)角油缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)對(duì)角度的調(diào)整。

1ZDY3500L履帶式坑道鉆機(jī)概述

履帶式坑道鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。履帶式坑道鉆機(jī)工作原理為：主機(jī)調(diào)角機(jī)構(gòu)能夠完成對(duì)機(jī)身正負(fù)角度的調(diào)整。其中，通過(guò)調(diào)角油缸推動(dòng)平移部件實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)身的正角度調(diào)整；對(duì)調(diào)支座和調(diào)角支撐桿在機(jī)身的安裝位置實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)身負(fù)角度的調(diào)整。該鉆機(jī)解決了傳統(tǒng)鉆機(jī)調(diào)角時(shí)松緊夾頭和衡量螺栓的工序，簡(jiǎn)化了調(diào)角的工序[3]。ZDY3500L的參數(shù)見(jiàn)表1。

2鉆機(jī)三維模型的建立

影響履帶式坑道鉆機(jī)的關(guān)鍵部件為撐桿部件和平移部件[5]。在對(duì)主機(jī)受力分析的基礎(chǔ)上，將主機(jī)的三維模型簡(jiǎn)化為如下頁(yè)圖2所示的仿真模型。針對(duì)上述兩部件所發(fā)揮作用的不同，對(duì)主機(jī)中的撐桿部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，對(duì)平移部件強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析。根據(jù)如表1所示的參數(shù)對(duì)所建立三維模型中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并根據(jù)其材料屬性對(duì)三維模型的中屬性進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置結(jié)果如下頁(yè)表2所示。

3仿真結(jié)果分析

撐桿部件的模態(tài)仿真是對(duì)該部件動(dòng)力學(xué)分析的一種，主要掌握該部件的振動(dòng)特性，與部件所承受外部載荷的類型和大小無(wú)關(guān)[4]。因此，模態(tài)仿真分析的結(jié)果為該部件的固有屬性。其仿真結(jié)果如表3所示。分析撐桿部件的模態(tài)仿真結(jié)果可知，撐桿在前6階振動(dòng)模型中的最大位移量?jī)H為0.9mm，且在不同頻率下，撐桿部件變形的部位各不相同。因此，ZDY3500L履帶式坑道鉆機(jī)中的撐桿部件剛度及質(zhì)量分布相對(duì)均勻，滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。此外，由4階和5階的振型結(jié)果可知需特別注意撐桿左側(cè)連接螺紋的剛度處理，一般的需采用合適材料的同時(shí)采取適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚒Ｕ{(diào)角機(jī)構(gòu)中的撐桿部件需承受調(diào)角油缸的推動(dòng)，因此需對(duì)其應(yīng)力情況進(jìn)行仿真分析。經(jīng)仿真可知，撐桿部件的最大變形量集中于中間位置，且最大變形為0.29mm；最大應(yīng)力集中于撐桿的中間位置及右側(cè)接桿位置，且最大應(yīng)力為84.6MPa。綜合分析，ZDY3500L履帶式坑道鉆機(jī)調(diào)角機(jī)構(gòu)的撐桿部件剛度和強(qiáng)度滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，具備有抑制振動(dòng)和突變載荷的能力。調(diào)角機(jī)構(gòu)中的平移部件承受調(diào)角油缸的推動(dòng)力和調(diào)角撐桿部件的反作用力，實(shí)現(xiàn)了水平方向滑移。經(jīng)應(yīng)力仿真可知，平移部件的最大應(yīng)力為156.5MPa，最大變形量為2mm。最大應(yīng)力集中于調(diào)角油缸的耳座時(shí)出現(xiàn)變形。耳座的變形進(jìn)而影響了調(diào)角油缸的最終密封效果。根據(jù)仿真結(jié)果，需對(duì)調(diào)角機(jī)構(gòu)中的平移部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于調(diào)角油缸耳座容易發(fā)生變形，因此在調(diào)角油缸耳座的位置加設(shè)加強(qiáng)筋以提升其強(qiáng)度要求，并針對(duì)性地取消原平移部件的減重部分。平移部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示。經(jīng)對(duì)優(yōu)化后的平移部件動(dòng)力學(xué)仿真分析可知，優(yōu)化后的平移部件整體剛度和強(qiáng)度良好，且部件的變形量較小，無(wú)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。綜合分析，優(yōu)化后的平移部件滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。此外，將優(yōu)化后的平移部件應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好的效果。

4結(jié)語(yǔ)

撐桿部件強(qiáng)度及剛度良好，而平移部件中油缸耳座容易發(fā)生變形，故為平移部件耳座加設(shè)加強(qiáng)筋，取消原有減重部分以提升平移部件的剛度和強(qiáng)度要求。經(jīng)對(duì)優(yōu)化后平移部件的仿真可知，優(yōu)化后調(diào)角機(jī)構(gòu)中的平移部件剛度和強(qiáng)度滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

作者:劉永強(qiáng) 單位:陽(yáng)煤集團(tuán)新元公司