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TR1000型鑿巖機(jī)是為適應(yīng)我國(guó)采礦、交通、水利等事業(yè)的發(fā)展需要，在引進(jìn)外國(guó)相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，由湯姆洛克洛陽(yáng)公司研究開發(fā)的一種鑿巖設(shè)備，該機(jī)重量大、功率高、使用方便，可在前方半個(gè)空間方向上任意鑿巖。因此，該機(jī)的研制成功將成為礦山機(jī)械方面的一項(xiàng)重大成果，填補(bǔ)了我國(guó)鑿巖機(jī)方面的空白。在該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，最關(guān)鍵的技術(shù)就是該機(jī)的力學(xué)計(jì)算與靜動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試。因?yàn)樵摍C(jī)在各種復(fù)雜的工況下進(jìn)行工作，十幾米長(zhǎng)的多節(jié)懸臂要完成各種動(dòng)作，除了機(jī)器本身的自重和懸臂所受的工作反力之外，還有鉆頭鑿巖的沖擊性荷載和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)荷載，要保證這個(gè)大型機(jī)器的正常工作，準(zhǔn)確定位、各構(gòu)件的強(qiáng)度和工作的穩(wěn)定性自然成為我們首要關(guān)心的問題。
就是在靜力測(cè)試的基礎(chǔ)上，采用通用有限元分析程序?qū)υ摍C(jī)伸縮臂部分進(jìn)行強(qiáng)度分析。
TR1000型鑿巖機(jī)由于機(jī)器本身自重大，在其工作時(shí)伸縮臂部分要大跨度前伸，由此形成較大的靜彎矩和靜扭矩，同時(shí)伸縮臂要左右上下擺動(dòng)由此形成動(dòng)荷載，再加上巖壁的工作反力，以及鉆頭鑿巖的沖擊性荷載，這一系列沖擊性荷載對(duì)機(jī)器本身的強(qiáng)度和工作可靠性影響比較大，是設(shè)計(jì)過程中要考慮解決的首要問題，所以我們重點(diǎn)對(duì)機(jī)器的伸縮臂部分進(jìn)行分析。伸縮臂為兩節(jié)伸縮式箱形臂，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖所示。各節(jié)臂之間可以相對(duì)滑動(dòng)，靠它們搭接的上下滑塊來傳遞作用力。基本臂1根部與底座轉(zhuǎn)臺(tái)通過水平銷軸鉸接，且基本臂還與變幅液壓油缸鉸接，可實(shí)現(xiàn)伸縮臂在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。兩節(jié)臂的截面基本相同，呈封閉的矩形截面薄壁結(jié)構(gòu)，如圖所示。
伸縮臂的設(shè)計(jì)計(jì)算通常的方法是將伸縮臂結(jié)構(gòu)視為梁模型進(jìn)行強(qiáng)度及剛度等方面的分析。但實(shí)際上，伸縮臂是由薄板對(duì)焊起來的箱形結(jié)構(gòu)，為板殼模型。解決變截面板殼模型的受力問題，比較有效的方法是有限元法。我們采用功能強(qiáng)大的、技術(shù)上非常成熟的商用有限元軟件ANSYS為工具來進(jìn)行計(jì)算、分析。基于伸縮臂的實(shí)際工況較多，限于篇幅，本研究?jī)H以全伸臂工況為例(伸縮臂+滑梁全長(zhǎng)L=11.03m)，介紹TR1000型鑿巖機(jī)伸縮臂結(jié)構(gòu)有限元的分析過程。
各節(jié)臂的筒體由薄板構(gòu)成，所計(jì)算工況左右對(duì)稱。利用ANSYS強(qiáng)大的造型功能，如:拉伸、移動(dòng)、拷貝、布爾加減運(yùn)算、粘接等，可方便地建模。
伸縮臂薄板采用板殼單元Shell63來離散。Shell63是一種4節(jié)點(diǎn)線彈性單元，它遵循基爾霍夫假定，即變形前垂直中面的法線變形后仍垂至于中面，而且這種單元可以同時(shí)考慮彎曲變形及中面內(nèi)的膜力，比較符合伸縮臂的實(shí)際受載情況。兩節(jié)臂之間連接的滑塊、伸縮臂與滑梁連接部分以及基本臂根部約束部位受力比較集中，選擇實(shí)體單元10節(jié)點(diǎn)3D Solid92。考慮到每節(jié)臂之間都有搭接部分，若是每塊板逐個(gè)進(jìn)行網(wǎng)劃分，效率低下，容易出錯(cuò)，為此我們先在實(shí)體模型上指定屬性，即賦予所有實(shí)體需劃分的單元、材料屬性、實(shí)常數(shù)等，然后有程序一次性對(duì)所有板、塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)也避免了在網(wǎng)格劃分操作中重復(fù)設(shè)置屬性。若是對(duì)某些網(wǎng)格形狀不滿意，還可以對(duì)這部分重新進(jìn)行劃分，因?yàn)橹匦聞澐謺r(shí)，可以刪除已有的網(wǎng)格，但不會(huì)刪除所指定的屬性。在整個(gè)網(wǎng)格劃分過程中，可以手動(dòng)控制單元邊長(zhǎng)，也可以采用自由(free)及映射(mapped)方式劃分。本文在網(wǎng)格單元?jiǎng)澐謺r(shí)采用手動(dòng)控制單元邊長(zhǎng)，這樣可以控制單元形狀盡可能規(guī)則，避免形狀畸形。最終形成伸縮臂的有限元網(wǎng)格規(guī)模：節(jié)點(diǎn)數(shù)30058個(gè)，單元數(shù)35751個(gè)，其中板單元13375個(gè)，實(shí)體單元22376個(gè)。
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