0.引言

全液压凿岩钻机是一种用油压驱动和控制所有运转部件的大型凿岩机械，主要应用于矿山、石油、交通等行业，用于煤矿开采、石油勘探、道路修建、隧道施工等作业工作。与传统气动钻机相比，它拥有良好的操作、作业环境、较高的施工质量和能量利用率，更快的钻孔速度，更短的辅助停机时间，更高的自动化程度，并能实现超前钻孔。

本文应用Pro/ENGINEER软件建立了全液压凿岩钻机钻臂三维实体模型，导入有限元分析软件ANSYS Workbench，建立了三维有限元模型，并根据实际工作状态，对常用的4种工况进行了有限元分析，为该全液压凿岩钻机整体方案的最终确定，提供了数据支持和理论依据。

1.应用Pro/E建立三维模型

(1)全液压凿岩钻机结构

如图1所示，全液压凿岩钻机结构主要由履带底盘、钻臂和推进器三部分组成。全液压凿岩钻机钻臂的升降、摆动和旋转等动作，可使钻机在工作面内任意位置钻凿炮眼，定位准确，操作简单灵活。

(2)全液压凿岩钻机钻臂三维模型

全液压凿岩钻机结构如图1所示。

全液压凿岩钻机钻臂是一个比较复杂的结构在Pro/ENGINEER软件中建立模型，如图2所示。简化模型后,通过与ANSYS Workbench软件的接口导入ANSYS Workbench中。

2.有限元模型的建立

由于全液压凿岩钻机结构复杂，对其进行有限元分析时，需按以下原则对模型进行简化:(1)总体简化 根据全液压凿岩钻机实际工况，不考虑非主要承载部件如销轴、螺栓等；(2)部件简化 在不影响计算结果的基础上，对部件内部结构进行了适当的简化、合并、省略；(3)对危险部位细节结构进行保留，不重要区域的小孔及倒角等结构进行适当简化。将简化模型导入ANSYSWorkbench，选取4种典型工况进行有限元分析。

(1)材料属性设置

虽然钻臂各处使用的钢材不统一，但有限元分析时选取相同的材料属性是允许的。本文中弹性模量Ε=210GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850kg/m³。

(2)网格划分

模型的网格划分是有限元分析的重要环节，网格的精度影响着有限元分析计算结果的准确性。本文中应用Advanced Meshing方法。尺寸控制选用Element Size选 项，Shape Checking选用 Standard Mechanical选项，分网控制方法选用Auto Sweep if possible方式。网格如图3所示。

(3)铰接部位处理

如图2所示，全液压凿岩钻机钻臂举升缸、铰座等主体部件都是通过销轴铰接方式装配的，且存在一定间隙，因此确定某种加载条件下其精确的接触边界很难做到。本文应用ANSYS Workbench软件中Joint(接头)模块的Revolute(旋转副)来处理各部件间的铰接关系，虽然该方法不能十分精确地反映铰接部位的应力状态，但对整体应力分布情况影响较小，符合分析要求。

(4)边界条件与载荷

全液压凿岩钻机在实际工作中承受由钻头带来的反作用力.反作用力通过推进器、钻臂传递到履带底盘上。本台全液压凿岩钻机最大反作用力为63.5kN，对托架进行加载作用力63.5kN，将机架加载固定约束。选取4种典型的工况进行求解: ①工况推进器处于原始位置； ②工况推进器旋转90°；③工况推进器垂直于地面；④工况推进器处于最高点与地面平行。

3.有限元分析及结果处理

(1)求解及后处理

后处理块是ANSYS Workbench软件的重要模块，通过该模块可以查看全液压凿岩钻机钻壁有限元模型的计算分析结果。ANSYS Workbench拥有强大的通用后处理器，不仅能够观测应力、应变云图、位移图等图像，还能输出频率、振幅等曲线。图4、图5、图6、图7分别为4种工下钻臂等效应力云图。从等效应力云图中，可以直观地看出钻臂各个部分应力的分布情况。

(2)分析结果

支架强度破坏准则选用Mises屈服条件。假如Mises应力超过材料许用应力时，则钻臂结构已发生破坏。

4种典型工况下最大等效应力如表1所示，从表1可知钻臂结构各部分最大Mises应力均小于许用应力，达到了结构强度上的设计要求。

①钻臂的最大Mises应力都在200MPa 以下，均小于材料的屈服强度235MPa，符合强度设计要求；

②根据有限元分析结果，在4种典型工况下最大等效应力均发生在托架上，所以在托架应力较大部位加厚或者加入加强肋。臂架整体的等效应力均在50MPa以内，所以可以减薄臂架，使得臂架轻量化。

4.结语

本文应用 Pro/ENGINEER三维参数化造型软件和ANSYS Workbench有限元分析软件对全液压凿岩钻机钻臂进行了三维有限元分析，分别得到了4种典型工况下其应力分布状态。分析结果为该全液压凿岩钻机本体的方案设计提供了直接依据。