【摘要】本文章主要描述了典型工況下沖擊破巖掘進機工作機構(gòu)力學特性研究。僅供參考。
一、沖擊破巖掘進機的概述及振動源分析
1.1沖擊破巖掘進機（簡稱掘巖機）是利用2個沖擊錘破碎和耙裝巖石、膠帶機連續(xù)運輸并邁步行走的一種新型掘進設(shè)備.與以往的硬巖掘進機相比，具有沖擊破碎效率高，破碎元件摩擦、磨損小，掘進成本低，設(shè)備穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，便于維護、使用及操作簡便等優(yōu)點，所以在煤礦井下巖巷掘進中具有廣闊的應用前景.
該機在井下工作時，工作機構(gòu)在巷道斷而全方位破碎，但由于環(huán)境、工況復雜，工作過程中常出現(xiàn)2個錘破碎工作不同步（一個沖擊巖石，另一個未接觸巖石）的現(xiàn)象，容易造成各部件受力不均、局部受力過大，直接影響其工作的可靠性、使用壽命和整機的工作性能，給該機的推廣應用帶來不利的影響。
目前國內(nèi)外對類似設(shè)備工作機構(gòu)的研究多采用分離體法進行受力分析或動態(tài)仿真口，對整個工作機構(gòu)偏載作用下的有限元研究還尚未見報道。
為此，本文以某企業(yè)研制的掘巖機工作機構(gòu)為研究對象，選擇工作機構(gòu)在極限位置（支臂位置達到最高，擺角為最大）偏載（此時偏載尤為嚴重）作用下的典型沖擊工況，采用Pro/E建立工作機構(gòu)的三維實體模型，利用ANSYSWorkbench求得其工作機構(gòu)的應力、變形及其分布情況，并對工作機構(gòu)的力學特征進行分析，為改進該機工作機構(gòu)設(shè)計、改善其工作性能、延長使用壽命提供依據(jù)。
1.2掘進機結(jié)構(gòu)復雜、工作環(huán)境惡劣，引起振動的原因較多，主要有：
①煤巖物理機械性質(zhì)不均勻?qū)е陆佚X在截割過程中受到非線性瞬時沖擊載荷，尤其在截割半煤巖或硬巖時，截齒與煤巖發(fā)生復雜的力學藕合作用，產(chǎn)生的交變沖擊載荷導致掘進機急劇振動。
②傳動齒輪在嚙合過程中，齒輪時變嚙合剛度、嚙合沖擊及齒輪誤差造成內(nèi)部激勵，會使掘進機產(chǎn)生振動。
?、巯锏赖装蹇v斷面不平度使底板對履帶的支撐力分布不均勻，造成機身重心變化，部分履帶工作時可能出現(xiàn)零比壓，影響掘進機的工作穩(wěn)定性。
?、荜P(guān)鍵零部件間聯(lián)接松動、傳動系統(tǒng)潤滑不良、軸承磨損及疲勞損壞等，均會引起載荷分布發(fā)生變化，加劇設(shè)備振動。
二、掘巖機工作機構(gòu)建模
2.1掘巖機的工作機構(gòu)由兩沖擊錘1、轉(zhuǎn)錘油缸2、伸縮臂3、搖臂4、伸縮油缸5、動臂6、動臂油缸7、舉升油缸8、擺動支座9、擺動油缸10、龍門架11以及擋板、限位板、銷軸等組成.由于結(jié)構(gòu)比較復雜，為便于有限元模型的劃分，利用Pro/E建模時，對模型結(jié)構(gòu)影響不大的倒角、圓角、螺紋孔川等進行抑制.利用Pro/E軟件建立的掘巖機工作機構(gòu)三維實體模型。
通過Pro/E與ANSYSWorkbench軟件的接口，將實體模型導入ANSYSWorkbench中.
建立有限元模型時，取工作機構(gòu)主體部件的屈服強度6，=345MPa，彈性模量E=2.06X10MPa，泊松比？=0.3，密度p=7800kg/立方米.三維實體轉(zhuǎn)化為有限元模型后，為更好地擬合工作機構(gòu)受外力后的應力和變形，采用六而體網(wǎng)格劃分方法，建立其有限元模型。
2.2掘巖機鑿巖應力的確定
在沖擊破巖過程中，巖體對掘巖機的力直接作用于沖擊錘的錘頭川.為研究方便，將沖擊錘的力學模型叫按釬桿和活塞組成的二元沖擊系統(tǒng)考慮.
在破巖的過程中，用Q，（t）和Qz（t），Q1.1（t）和Q2.2（t）分別表示兩沖擊錘的兩釬桿1，2鑿入時的入射波、反射波，建立沖擊錘破巖力學模型。
三、掘巖機工作機構(gòu)有限元分析
取工作而巷道斷而尺寸為寬5.0m、高3.8m，在沖擊破碎巷道頂部右肩角時，工作機構(gòu)動臂俯仰角達到最大（最大仰角=450），擺動支座擺角達到最大（最大擺角=450），此時舉升油缸、動臂油缸全伸（達到最大破碎高度，即巷道頂部），擺動油缸左伸右縮（沖擊破碎巷道右?guī)停?，轉(zhuǎn)錘油缸的伸縮量使兩釬桿與被沖擊巖體保持垂直。
由于巖體中的應力波并非理想彈性波，它是巖石孔隙率、彈性模量、結(jié)構(gòu)完整性的函數(shù)，加之實際工作過程中，巖石內(nèi)部特性存在差異且巷道表而凸凹不平，所以破巖時兩釬桿所受軸向力往往不等，存在偏載。
針對本文所研究的極限位置，特選取以下兩工況進行力學特性分析。工況1（不同步）：
考慮巷道肩角形狀復雜、圍巖的不規(guī)則，假定釬桿1接觸巖石并在破巖，釬桿2并未接觸巖石（此時釬桿1所受應力最大為139.981MPa，釬桿2的應力為0）。
工況2（同步）：
隨著對巷道右肩角的破碎，圍巖形狀趨于平整，假定這時釬桿1，2接觸巖體并同時破巖（此時兩釬桿所受應力均達最大值139.981MPa）.
本文著重對該工作機構(gòu)由工況1（不同步）到工況2（同步）的破巖過程（兩釬桿直至工況2時才同步）進行力學特性分析。
3.1載荷與邊界條件的施加
對龍門架的地腳螺栓孔和下表而分別施加"FixedSupport”約束和“Displacement”約束，以限制工作機構(gòu)的剛體位移；由于釬桿直接沖擊破碎巖石，將載荷施加在釬頭處，以更接近實際情況。
3.2求解與分析
利用ANSYS/Workbench仿真得到前述2種工況下該機工作機構(gòu)的應力和變形分布云圖。
3.3仿真結(jié)果表明：
（1）擺動支座所受應力最大，是工作機構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)；應力集中均發(fā)生在擺動支座與動臂以及舉升油缸、擺動油缸的鉸接處、動臂與搖臂的鉸接處、動臂油缸與搖臂的鉸點處，這是由于各部件鉸接處工作載荷大，局部區(qū)域容易產(chǎn)生疲勞裂紋，進而產(chǎn)生疲勞破壞；舉升油缸、動臂油缸、擺動油缸是以剛性桿進行仿真，所以油缸鉸點附近的單元應力較大。（2）偏載作用引起的沖擊振動導致釬頭有明顯變形.到達工況2時，因兩釬桿負載相同，故兩釬頭的應力、變形一樣；若長時間偏載會造成釬桿疲勞破壞，故應盡量避免該工作機構(gòu)在偏載工況下工作，防比各部件受力不均、局部受力過大而引起的破壞。
?。?）工況1時工作機構(gòu)受彎矩和扭矩兩者作用，各臂存在彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形；工況2時兩沖擊錘只受彎矩作用，且具有相同的彎曲變形；由工況1向工況2轉(zhuǎn)換的過程中，隨著兩釬桿所受偏載應力差減小，工作機構(gòu)所受扭矩、扭轉(zhuǎn)變形逐漸減小，應力、變形分布趨于相同，這與實際情況相符。
4結(jié)論
?。?）利用Pro/E并結(jié)合ANSYS/Workbench軟件建立了沖擊破巖掘進機工作機構(gòu)的有限元模型。
?。?）根據(jù)液壓沖擊錘力學模型及應力波合成理論，對該工作機構(gòu)進行力學研究，求得其沖擊破巖的鑿入力，為工作機構(gòu)強度的研究提供了依據(jù).
?。?）分析得出工作機構(gòu)由工況1向工況2轉(zhuǎn)換過程中，受偏載作用時的應力、變形分布、最大應力值及總變形量，由此確定了該機工作機構(gòu)的應力集中區(qū)域和危險斷而.
?。?）所得結(jié)論為驗證該工作機構(gòu)的設(shè)計、改進其結(jié)構(gòu)、提高工作性能和使用壽命提供了參考。
結(jié)束語：
為探究沖擊破巖掘進機典型工況卜工作機構(gòu)的力學特征，發(fā)現(xiàn)其薄弱環(huán)節(jié)并提供改進依據(jù)，利用Pro/E軟件建立其工作機構(gòu)三維實體模型，根據(jù)沖擊錘破巖的力學模型，采用應力波合成理論，并利用Matlab匯編語言求得沖擊破巖的鑿入力，使用ANSYS軟件對工作機構(gòu)沖擊巷道頂部右肩角時兩釬桿由不同步到同步破巖的過程進行有限元分析.
研究表明：由不同步向同步工況轉(zhuǎn)換過程中，兩釬桿應力差、扭矩、扭轉(zhuǎn)變形逐漸減小直至相等；
擺動支座與動臂及舉升油缸、擺動油缸鉸接處，搖臂與動臂、動臂油缸鉸點處有應力集中；
擺動支座是工作機構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，最大變形發(fā)生在錘頭部；偏載作用導致釬頭有明顯變形，動臂應力危險區(qū)位于受偏載側(cè)，對工作機構(gòu)力學性能影響較大。
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