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TR1000型鑿巖機(jī)是為適應(yīng)我國采礦、交通、水利等事業(yè)的發(fā)展需要，在引進(jìn)外國相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，由湯姆洛克洛陽公司研究開發(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)械方面的一項重大成果，填補(bǔ)了我國鑿巖機(jī)方面的空白。在該產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程中，最關(guān)鍵的技術(shù)就是該機(jī)的力學(xué)計算與靜動態(tài)應(yīng)力測試。因為該機(jī)在各種復(fù)雜的工況下進(jìn)行工作，十幾米長的多節(jié)懸臂要完成各種動作，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)動產(chǎn)生的動荷載，要保證這個大型機(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，同時伸縮臂要左右上下擺動由此形成動荷載，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機(jī)器本身的強(qiáng)度和工作可靠性影響比較大，是設(shè)計過程中要考慮解決的首要問題，所以我們重點對機(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，其計算簡圖如圖所示。各節(jié)臂之間可以相對滑動，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)臺通過水平銷軸鉸接，且基本臂還與變幅液壓油缸鉸接，可實現(xiàn)伸縮臂在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動。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)計計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。但實際上，伸縮臂是由薄板對焊起來的箱形結(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)行計算、分析。基于伸縮臂的實際工況較多，限于篇幅，本研究僅以全伸臂工況為例(伸縮臂+滑梁全長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，所計算工況左右對稱。利用ANSYS強(qiáng)大的造型功能，如:拉伸、移動、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考慮彎曲變形及中面內(nèi)的膜力，比較符合伸縮臂的實際受載情況。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，選擇實體單元10節(jié)點3D Solid92。考慮到每節(jié)臂之間都有搭接部分，若是每塊板逐個進(jìn)行網(wǎng)劃分，效率低下，容易出錯，為此我們先在實體模型上指定屬性，即賦予所有實體需劃分的單元、材料屬性、實常數(shù)等，然后有程序一次性對所有板、塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時也避免了在網(wǎng)格劃分操作中重復(fù)設(shè)置屬性。若是對某些網(wǎng)格形狀不滿意，還可以對這部分重新進(jìn)行劃分，因為重新劃分時，可以刪除已有的網(wǎng)格，但不會刪除所指定的屬性。在整個網(wǎng)格劃分過程中，可以手動控制單元邊長，也可以采用自由(free)及映射(mapped)方式劃分。本文在網(wǎng)格單元劃分時采用手動控制單元邊長，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)點數(shù)30058個，單元數(shù)35751個，其中板單元13375個，實體單元22376個。
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