履带式坑道钻机优化设计分析

摘要：以ZDY3500L履带式坑道钻机为研究对象，对其进行受力分析后简化其仿真模型，运用仿真模型对平移部件和撑杆部件进行仿真，通过仿真分析部件是否满足生产要求，并对不满足要求的位置进行改进和优化。

关键词：钻机;探水;撑杆部件;平移部件;刚度定向

钻机能实现对井下探放水钻孔的施工以及底板注浆施工等。为了确保最终施工质量能够满足实际生产的需求，对钻机的调角范围和可靠性提出了更高的要求[1-2]。据研究可知，在实际应用中发现大部分该钻机的调角范围较小，无法完全满足实际生产的需求。为了克服部分钻机调角范围小的问题，阳煤集团新元公司采用ZDY3500L履带式坑道钻机的调角机构，该机构可根据调角油缸的伸缩，实现对角度的调整。

1ZDY3500L履带式坑道钻机概述

履带式坑道钻机的结构如图1所示。履带式坑道钻机工作原理为：主机调角机构能够完成对机身正负角度的调整。其中，通过调角油缸推动平移部件实现对机身的正角度调整；对调支座和调角支撑杆在机身的安装位置实现对机身负角度的调整。该钻机解决了传统钻机调角时松紧夹头和衡量螺栓的工序，简化了调角的工序[3]。ZDY3500L的参数见表1。

2钻机三维模型的建立

影响履带式坑道钻机的关键部件为撑杆部件和平移部件[5]。在对主机受力分析的基础上，将主机的三维模型简化为如下页图2所示的仿真模型。针对上述两部件所发挥作用的不同，对主机中的撑杆部件进行动力学仿真分析，对平移部件强度进行仿真分析。根据如表1所示的参数对所建立三维模型中的参数进行设置，并根据其材料属性对三维模型的中属性进行设置，设置结果如下页表2所示。

3仿真结果分析

撑杆部件的模态仿真是对该部件动力学分析的一种，主要掌握该部件的振动特性，与部件所承受外部载荷的类型和大小无关[4]。因此，模态仿真分析的结果为该部件的固有属性。其仿真结果如表3所示。分析撑杆部件的模态仿真结果可知，撑杆在前6阶振动模型中的最大位移量仅为0.9mm，且在不同频率下，撑杆部件变形的部位各不相同。因此，ZDY3500L履带式坑道钻机中的撑杆部件刚度及质量分布相对均匀，满足实际生产的需求。此外，由4阶和5阶的振型结果可知需特别注意撑杆左侧连接螺纹的刚度处理，一般的需采用合适材料的同时采取适当的热处理工艺。调角机构中的撑杆部件需承受调角油缸的推动，因此需对其应力情况进行仿真分析。经仿真可知，撑杆部件的最大变形量集中于中间位置，且最大变形为0.29mm；最大应力集中于撑杆的中间位置及右侧接杆位置，且最大应力为84.6MPa。综合分析，ZDY3500L履带式坑道钻机调角机构的撑杆部件刚度和强度满足实际生产需求，具备有抑制振动和突变载荷的能力。调角机构中的平移部件承受调角油缸的推动力和调角撑杆部件的反作用力，实现了水平方向滑移。经应力仿真可知，平移部件的最大应力为156.5MPa，最大变形量为2mm。最大应力集中于调角油缸的耳座时出现变形。耳座的变形进而影响了调角油缸的最终密封效果。根据仿真结果，需对调角机构中的平移部件进行优化设计。由于调角油缸耳座容易发生变形，因此在调角油缸耳座的位置加设加强筋以提升其强度要求，并针对性地取消原平移部件的减重部分。平移部件的优化设计结果如图3所示。经对优化后的平移部件动力学仿真分析可知，优化后的平移部件整体刚度和强度良好，且部件的变形量较小，无应力集中的现象。综合分析，优化后的平移部件满足实际生产的需求。此外，将优化后的平移部件应用于实际生产中取得了良好的效果。

4结语

撑杆部件强度及刚度良好，而平移部件中油缸耳座容易发生变形，故为平移部件耳座加设加强筋，取消原有减重部分以提升平移部件的刚度和强度要求。经对优化后平移部件的仿真可知，优化后调角机构中的平移部件刚度和强度满足实际生产的需求。

作者:刘永强 单位:阳煤集团新元公司