郭 偉

（1.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077；2.西安交通大學機械工程學院，陜西 西安 710049）

0 引言

坑道鉆探是用于煤礦井下災害防治、地質探查、煤層氣開發(fā)等方面最為直接和有效的技術手段，坑道鉆機是鉆探工作中的關鍵重要裝備，車架平臺是鉆機的基礎組成部分，其上加載有鉆機主體、電機泵組、操作臺閥組、接管板、油箱、電控元件等部件，同時通過履帶連接提高行走動力[1]。車架平臺是由鋼板焊接而成的復雜板結構，除了承受鉆機主體等部件的壓力之外，還要受到鉆機工作時產生的作用力[2]。為確保車架板結構及焊縫等不會出現(xiàn)強度不夠從而影響鉆機整體性能的問題，利用有限元方法對其進行強度分析是十分有必要的。

車架板結構承擔著整個鉆機的重量，在考慮強度的同時，還需要分析其彎曲和扭轉等動態(tài)特征，考察結構中的薄弱環(huán)節(jié)。模態(tài)分析是分析結構動態(tài)特征的重要方法，針對系統(tǒng)的自由振動特征，如固有頻率和振型，因此與外部載荷無關，在分析時無須加載，即自由模態(tài)；但約束條件的施加對模態(tài)分析結果有重要影響，即約束模態(tài)[3-4]。結構的固有頻率需要避免與外界激振頻率共振，鉆機運轉過程中會產生系統(tǒng)的強烈振動，電機、馬達等也會產生振動，因此對車架板結構進行模態(tài)分析，可以有效地避免產生共振現(xiàn)象。

本文利用ABAQUS有限元軟件，通過簡單算例選擇適宜的建模方法，對某型鉆機車架板結構進行強度分析和模態(tài)分析，得出典型工況下整個結構的應力分布、變形分布、固有頻率和振型云圖等，為車架板結構的設計和改進提供理論指導。

1 鉆機車架板結構有限元分析

1.1 鉆機車架板結構模型及網格劃分

鉆機車架板結構的板材之間通過焊接的方式連接成為一個整體，為使計算結果更加準確，建立整體結構的有限元三維模型。由于車架板結構比較復雜，存在各種小孔、倒角及筋板結構，為降低網格劃分和有限元分析的難度，對模型結構進行簡化，并且忽略焊縫結構，模型中Part之間接觸面的接觸方式為Tie模式，模型如圖1所示，對車架板結構進行強度分析和模態(tài)分析。

圖1 車體平臺模型

網格劃分采用實體單元，網格類型C3D8R，單元總數(shù)為20 967，節(jié)點總數(shù)為38 595。網格劃分后的效果如圖2所示，效果比較理想。

圖2 網格劃分

車架板結構材料為Q345鋼板，材料參數(shù)列于表1。

表1 Q345鋼材料參數(shù)

1.2 載荷施加

車架板結構由四個穩(wěn)固支撐撐起，因此在四個穩(wěn)固支撐處約束所有自由度。鉆機不工作時，車架板結構承受鉆機自身重力；鉆機工作時，鉆機進給和起拔兩種工作狀態(tài)產生的力通過轉盤傳遞到車架板結構，本文考慮承受最大進給力95 kN和最大起拔力140 kN兩種工況，將載荷施加在連接鉆機主體的轉盤上，對車架板結構進行強度分析。由于模態(tài)分析不需要施加載荷，在其余條件與強度分析相同的情況下，去除載荷，保留邊界條件，計算車架板結構的約束模態(tài)。

2 計算結果分析

2.1 強度分析

經CAE計算后，最大進給力95 kN和最大起拔力140 kN兩種工況下的Mises應力和變形云圖如圖3～圖6所示。

圖3 最大給進力時Mises應力分布

圖4 最大進給力時變形云圖

由圖可以看出，兩種工況下應力集中出現(xiàn)的位置相同，在圖3和圖5的橢圓圈中角焊縫位置，起拔時最大Mises應力值達到49.92 MPa。車架板結構材料為Q345鋼，應力集中處角焊縫的抗壓和抗拉強度設計值均為200 MPa，因此在許用應力的范圍之內，完全滿足強度要求。

圖5 最大起拔力時Mises應力分布

由圖4和圖6兩種工況的變形云圖可見，給進力工況下，最大變形量0.057 8 mm出現(xiàn)在車架板結構的一角，而起拔工況時的最大變形量0.056 mm出現(xiàn)在車架板結構與鉆機主體相連的圓盤處，兩個變形數(shù)據(jù)均非常小。

圖6 最大起拔力時變形云圖

2.2 模態(tài)分析

對車架板結構模型建立攝動分析步，利用Lanczos求解器求解前20階約束模態(tài)。由于在實際情況下低階模態(tài)的固有頻率對結構的動態(tài)特征有著決定性影響[5]，本文對前6階約束模態(tài)進行分析，其固有頻率和振型計算結果列于表2，對應的各階模態(tài)振型云圖如圖7～圖12所示。

表2 車架板結構前6階約束模態(tài)計算結果

圖7 第1階模態(tài)振型仿真云圖

圖8 第2階模態(tài)振型仿真云圖

圖9 第3階模態(tài)振型仿真云圖

圖10 第4階模態(tài)振型仿真云圖

圖11 第5階模態(tài)振型仿真云圖

圖12 第6階模態(tài)振型仿真云圖

本文進行模態(tài)分析的指標主要有：車架板結構的彈性頻率和電機等工作頻率不要發(fā)生共振，以及對車架板結構動態(tài)性能產生影響的振型較少。

從表2和前6階模態(tài)振型云圖可以看出，車架板結構的固有頻率隨著階次的上升而變大，最低固有頻率為142.63 Hz，鉆機用電機的工作頻率是50 Hz，與車架板結構的固有頻率差距較大，因此不會發(fā)生共振。

由車架板結構的振型圖可知，主要振型特征有彎曲、擺動及它們的相互組合。1階模態(tài)振型表現(xiàn)在車架中部兩個面板的向上擺動；2階表現(xiàn)為車架中部面板一側向上、一側向下的擺動；3階振型為車架中部面板向下擺動以及底板向上凸起彎曲；4階模態(tài)振型是車架整體的彎曲和扭轉；5階模態(tài)是車架板結構中部擺動和整體上下彎曲的組合；6階模態(tài)振型表現(xiàn)為車架中部面板的正弦狀擺動及底板凸起彎曲?？梢?，1～3階振型主要是車架中部面板及底板的變形，是局部變形，而4階以上形成了整體變形，隨著階次的增大，整體的振型越來越復雜，3階以上就出現(xiàn)了組合變形。薄弱環(huán)節(jié)在車架板結構兩側面板和底板，然而前6階模態(tài)振型中最大的結構變形量為第4階的1.258 mm，可見整體變形量非常小。

3 結論

本文建立了車架板結構有限元模型，并在兩種工況下進行強度分析和模態(tài)分析，得到如下結論：

（1）最大給進力工況和最大起拔力工況下，車架板結構的應力集中處均出現(xiàn)在同一焊縫位置，但遠小于許用應力值，滿足強度要求。

（2）車架板結構的前6階固有頻率與電機工作頻率相差較大，不存在共振風險；模態(tài)振型變形量非常小。