基于COSMOSWorks多功能锚杆钻机摆动机构的有限元分析(改).doc

基于COSMOS/Works多功能锚杆钻机摆动机构的有限元分析贺立军1，唐雪云2，彭文3，贺良茂4（1.中国地质大学 工程学院，武汉市430074；2.深圳市华唐岩土技术咨询有限公司，深圳市518040；3. 武汉蓝海兴业工程机械有限公司，武汉市430074；4. 中国地质大学 机电学院，武汉市430074）摘 要：多功能锚杆钻机主要用于岩土锚固工程，其摆动机构实现钻机的多方位、多角度的施工。在对多功能锚杆钻机摆动机构设计的基础上，建立其三维模型，运用COSMOS/Works软件，主要进行摆动机构在侧向最高点和最低点施工情况下的有限元分析，为摆动机构的优化设计及生产制造提供了参考。关键词：多功能锚杆钻机；摆动机构；Cosmos/Works；有限元分析Finite Element Analysis of Multi-functional Roofbolter Swing Mechanism with COSMOS/WorksHE Li-jun1，TANG Xun-yun2，PENG Wen3，HE Liang-mao4(1. Faculty of Engineering China University of Geosciences，Wuhan 430074 China；2. Shenzhen Huatang Geotechnical Technology Consulting Company Ltd，Shenzhen 518040 China；3. Wuhan Lanhai Mechanical Engineering Company Ltd，Wuhan 430000 China；4. Faculty of Mechanical & Electronic Information China University of Geosciences，Wuhan 430074 China)Abstract：The multi-functional roofbolter is mainly used for geotechnical anchor engineering. Its swing mechanism carries out multi-directional and multi-angle rig construction. On the basis of the swing mechanism design of multi-functional roofbolter, establishing its three-dimensional model and applying COSMOS / Works software to analyze the swing mechanism at the highest point and lowest point of the lateral. It provides reference for the swing mechanism optimal design and manufacturing.Key words：multi-functional roofbolter；swing mechanism；Cosmos/Works；FEA1 引言锚杆钻机是锚杆支护工程施工的关键设备之一，影响着支护质量的好坏与支护速度的快慢。不同的支护工程应选择不同型号的锚杆钻机，研究一款新型多功能的锚杆钻机不仅能实现岩土锚固工程中各种施工需要，而且能实现一机多用，使施工更加便捷。多功能锚杆钻机具备全液压履带行走，大扭矩，能实现液压冲击回转钻进等特点。在多功能锚杆钻机的摆动机构设计中，采用有限元分析方法，对其进行分析，很好地指导了后续的结构优化设计及样机的制造。2摆动机构设计根据多功能锚杆钻机施工需要，其摆动机构主要组成如图1所示。摆动机构由大臂、号液压缸、号液压缸、六角摆动头和摆动头连接板组成。号液压缸是塔架在立面内实现摆动的液压缸，它的伸缩可以调整六角摆动头相对大臂的角度，范围为090；号液压缸是主臂举升液压缸，其伸缩可将主臂举起和放下，主臂升起到最高点时与水平成30角度。这两个液压缸的组合动作能够实现六角摆动头的抬起和在立面内的各种工作角度。另外，号液压缸可以带动摆动柱绕其轴线旋转，即为15。这种机构组成结构保证了钻杆在复杂狭小的空间对孔方便的定位，使钻机在所有的工况下均可施工。为了行驶及运输需要，摆动机构可使钻架和主臂平行，大大减少运输高度1。图1 多功能锚杆钻机的摆动机构1、摆动柱；2、号液压缸；3、主臂； 4和5、摆动头连接板；6、六角摆动头；7、号液压缸；8、号液压缸；9、油箱； 3 摆动机构有限元分析摆动机构是多功能锚杆钻机的重要组成部件，其安全性直接影响钻机在多种工况下的施工安全及稳定性，对其进行有限元分析是十分必要的。文章主要分析摆动机构在两种危险工矿下的施工：侧向最高点和侧向最低点施工（如图2）。（a）侧向最低点（b）侧向最高点图2摆动机构两种工况的姿态3.1创建实体模型在有限元分析时，简化模型的原则是：保留危险部位的细节结构；对主要部件受力影响不大的部件省略；忽略不重要区的小孔及小尺寸结构；焊缝强度相当于母材强度。实践证明，采用上述简化方法是可行的2。按照摆动机构的设计情形，利用Solidworks建模工具，建立摆动机构的主要构件实体模型如图3所示。在两种工况下，摆动机构的其他零件可以简化为质心，施加在主臂上。图3 主臂摆动柱的三维实体模型3.2 前处理 在对实体模型进行有限元分析之前，Cosmos/Works要求必须对模型进行相应的前处理过程。前处理分为以下几项内容：选择分析类型、定义材料属性、建立约束、施加载荷和网格划分等。（1）选择分析类型 这里选择分析类型为静态分析算例。（2）定义材料属性在装配体中，各个零件可以是不同材料的。Cosmos/Works包含有材料库，用户也可以自己定义材料的属性。这里选用Cosmos/Works里的材料库定义主臂和摆动柱的材料属性，主臂采用15MnV，而摆动柱采用45。 （3）载荷与约束载荷和约束在模拟模型所处的环境时是不可或缺的。分析结果的正确与否直接与载荷和约束有关。在Cosmos/Works里，载荷和约束都被定义为相应的特征，这些特定被应用到实体模型，并且可以随着模型几何形体的变化而变化。这里主要分析摆动机构在两种危险工矿下的强度。在侧向最低点工况下，模型的载荷形式为主臂前端部件（塔架、动力头、滑架和六角摆动头等）的重量对主臂产生的扭矩以及动力头最大扭矩产生的力。经过计算，此种工况下主臂前端部件的重量对主臂产生的扭矩约为3000Nm，动力头最大扭矩产生的力约为10000 N。在侧向最高点工况下，模型所受载荷形式为主臂前端部件重力以及动力头最大扭矩产生的力。经过计算，此种工况下主臂前端部件重力约为24000N，动力头最大扭矩产生的力依然为10000 N。在两种工况下，这些载荷均作用于主臂前端处，惯性载荷施加的方向为垂直向下。由于摆动柱绕着自身的轴线旋转，所以分别对摆动柱两端的圆柱面施加“固定铰接”的约束。另外，主臂摆动柱装配体还需要定义接触方式和连接方式。由于主臂与摆动柱通过销轴连接，所以在其之间定义一个“销钉”连接。摆动柱的侧边法兰与主臂的下侧法兰由液压缸连接支撑，在静态分析时，液压缸可以简化为刚体，所以，两处法兰的连接定义为“刚性连接”。由于滑架各零部件是焊接，所以只需定义全局约束为“接合”即可。在两种工况下，主臂摆动柱装配体的约束和连接方式均按照上述定义。两种工况在施加载荷和约束后的模型如图4所示。 图4 两种工况施加载荷和约束后的模型 （4）网格划分对于模型的网格划分采用整体粗化、局部细化的原则。根据上一步的载荷分析计算，用于主臂升起液压缸的连接处法兰应力变化较大，所以在这两个法兰处运用局部网格控制，即采用网格局部细化。这样不仅可以节省计算机资源，而且可以保证计算精度。网格的规格如表1所示。表1 模型的网格参数网格参数参数型式或值网格类型实体网格网格器标准网格网格品质高整体网格单元大小25(mm)局部细化网格单元大小3.5(mm)节点数272119单元总数173194自由度数831855由表1可知，本算例的自由度数（DOF）为831855，远大于100 000，所以选择FFEPlus迭代求解算例。3.3结果分析 主臂和摆动柱分别采用15MnV和45，属于塑性材料，所以分析依然选用最大Von Mises准则。图5和图6为钻机两种工况下的主臂摆动柱模型的应力图、位移云图、应变云图和安全系数云图。通过分析应力和位移云图可以看出应力较大处主要分布在主臂中间法兰和与摆动柱下部法兰；位移较大处分布在主臂的前端，主臂以中间法兰为支撑点，其前端有向下弯曲的趋势。从安全系数云图，主臂摆动柱的安全系数最小值在最低点工况下为4.21，在最高点工况下为1.10，主臂摆动柱的材料是安全的。（a）应力云图 （b）位移云图（c）应变云图 （d）安全系数云图图5侧向最低点工况静态分析结果（a）应力云图 （b）位移云图（c）应变云图 （d）安全系数云图图6侧向最高点工况静态分析结果 主臂摆动柱模型在两种工况下分析结果的极大值列于表2中，从表中应力最大值可以看出，主臂在两种工况下的应力都比较大，最高点工况下的最大应力值是其最低点的约两倍；摆动柱在最高点工况下的最大应力值是其最低点的约五倍；主臂的应力较摆动柱更为集中，其值高出一个数量级。从表中合位移最大值可以看出，两种工况下模型的位移值均较小，处在毫米级别，主臂的最大位移值高出摆动柱的一个数量级。表中对等应变可以辅助应力分析，其变化趋势与应力的变化趋势基本相同。表2 模型分析结果的极大值Von Mises应力（Pa）URES合位移（m）ESTRN对等应变最低点工况主臂1.511088.7410-45.0910-4最低点工况摆动柱5.371073.9410-52.2710-4最高点工况主臂3.871083.5210-31.3410-3最高点工况摆动柱2.541081.8210-49.3610-44 结论从以上对摆动机构模型的静态分析可知，主臂比摆动柱承载更大，两个构件在其法兰处应力集中较大。这是因为一方面主臂的抬起是通过一液压缸伸缩作用，而液压缸是铰接在两个构件的法兰处，法兰称重较大；另一方面，主臂摆动柱模型省略了倒角及圆角，造成应力较为集中，其自身存有一定的误差。所以，在主臂和摆动柱实际加工过程中，着重考虑减小两个构件法兰处的应力集中，如进行圆角、注意焊接工艺等。参考文献1李斌，唐圆，陈浩，邢健MG100全液压锚杆钻机钻架工作原理分析J沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2009， 25（2）362-3652万丽荣，戴汉政，张鑫基于Cosmos/Works