新型锚杆钻车变幅机构拓扑优化分析

性有直接影响，是钻车的重要部件。建立变幅机构的三维模型，用ABAQUS软件对前、后腹

板及保护板进行拓扑优化，提高变幅构件的刚度，减小质量。经拓扑优化，动臂质量相比优

化前减重9.51kg,动臂的整体应力水平有所降低，应力集中点减少。优化后的变幅机构满足 钻孔定位精度和稳定性等要求。关键词：锚杆钻车；变幅机构；拓扑优化；模态分析中图分类号：TD35 文献标识码：B 文章编号：2095-5979 （ 2020 ） 02-0069-04Topology optimization analysis of a new type of

rock bolt drilling mechanismYang Shikun

(Zhaozhuang No.2 Mine, Shanxi Jincheng Mining Groupf Changzhi 046605, China)Abstract: The track anchor drilling vehicle is very important for the support of coal mining and mining. Luffing mechanism had a direct impact on the accuracy and structural stability of the drilling vehicle and was an important part of the drilling

vehicle. A three-dimensional model of the luffing mechanism was established. Topological optimization of the front and rear

webs and protection plates were performed using ABAQUS software to increase the stifiness and reduce the mass of the

luffing members. Compared with the weight before optimization, the weight of the boom was 9.51 kg, the overall stress level

of the boom was reduced, and the stress concentration point was reduced. The optimized luffing mechanism met the

requirements of drilling positioning accuracy and stability.Key words: anchor drilling rig; luffing mechanism; topology optimization; modal analysis1 概 况锚杆钻车是锚杆支护工作中的重要设备，可以

动，钻孑L直径40 ~ 80 mm,深度不超3 m,钻进速

度2 m/rnin,总体设计方案和变幅机构如图1所示。该钻车采用串联双自由度可调变幅机构，由

改善支护质量、降低成本、加快支护速度、减轻劳 动量。履带锚杆钻车主要由履带移动、回转、进

两个液压油缸驱动，动臂与回转平台在A点较接

形式连接，高度调节油缸较接形式连接在回转平 台和动臂上，实现动臂的俯仰高度调整，所以下

给、变幅等机构与机架和动力系统构成，其中变幅

机构对整车的回转半径、结构稳定的控制和施工便 捷程度有重要影响，开展锚杆钻车变幅机构的优化

油缸称为调高油缸。动力头进给导轨通过四杆机

构与动臂镀接，并安装俯仰油缸与四杆机构较接, 油缸伸缩带动四杆机构运作，调整进给导轨的俯

对提高钻车整体的应用性能有重大意义。2变幅机构的拓扑优化研究的钻车可以在宽6m,高4m的巷道内运仰角度。按照设计钻进速度和钻孔宜径，将岩石 的反作用力取平均值5 kN,作用于B点，回转平 台设置为固定约束，模型如图2所示。经过仿真责任编辑：张彤 D0I： 10.192867j.cnki.cci.2020.02.021作者简介：杨世坤（1982—）,男，陕西汉中人，机械工程师。引用格式：杨世坤.新型锚杆钻车变幅机构拓扑优化分析[J].煤炭与化工，2020 , 43（2）： 69-72.692020年第2期煤炭与化工大值分别为62 kN和42.5 kNo第43卷计算求得，高度调节油缸与俯仰调节油缸承受最

图1钻车总体方案Fig. 1 Overall scheme of drilling rigFig. 3 3D model of luffing mechanism before optimization图2三维仿真模型Fig. 2 3D simulation model变幅机构是钻机的重要构件，其强度、刚度与 质量等都对钻车的整体精度和性能有影响，所以对

变幅机构进行优化设计，可以减轻整机重量，减少

材料使用，降低生产材料成本，提高产品性能，降

低能耗。拓扑优化是基于最优理论建立的寻求最优解的

图4腹板厚度与整体质量的关系曲线Fig. 4 Relationship between web thickness and overall weight优化方案，主要是在强度、刚度等限制条件下实现 质量、体积、成本等更优的设计目标。本文优化仿 真采用大型通用求解软件ABAQUS进行优化，优

化可以分为定义优化结构、选择合理的优化单元、 设定优化区域、定义分析步和优化、求解等过程。

优化前的变幅机构三维模型如图3所示。优化时将 变幅机构的腹板厚度和形状作为优化变量，将腹板

的力学性能作为限制条件，以质量为目标函数，进 行优化求解。通过优化计算，得到了腹板厚度与整体质量、

图5腹板厚度与最大位移的关系曲线

Fig. 5 Relationship between web thickness and

maximum displacement最大位移、最大应力之间的关系曲线，如图4~图

6所示。70杨世坤：新型锚杆钻车变幅机构拓扑优化分析2 2d —2 H皐

*2 2

20 22 24 26 28 30厚度/mm图6腹板厚度与最大应力的关系曲线Fig. 6 Relationship between web thickness and maximum stress通过拓扑优化分析，腹板应设计为条形板材, 即直杆，直杆与边界梁连接点应力最大。前腹板

的强度要求较高，所以腹板中间开孔，去除不必 要的质量。最终优化后变幅机构中间支架如图7

所示。图7优化后的变幅机构三维模型Fig. 7 3D model of optimized luffing mechanism将优化后构件的三维模型按照设计最大载荷进 行静力计算，通过定义载荷、分析步、求解等过

程，得到了优化后构件的应力云图(图8)和位移 云图(图9)o通过静力分析结果可知，拓扑优化减少质量

9.51kg,整体应力水平有所降低，应力集中点减

少，降低了回转平台镀接处的最大应力值，最大位

移在允许范围以内，优化效果显著。■ma 氏ic*(a) 一阶固有频率(75.4 Hz)2020年第2期图8应力分布云图Fig. 8 Cloud of stress distribution图9位移分布云图Fig. 9 Cloud of displacement distribution除了要满足静力强度外，还需满足动态强度,

通过对构件进行模态分析，得到前四阶模态的振型

和频率，如图10所示。由图10可看出，一阶固有频率为75.4 Hz,振 型是边缘梁的翘曲，最大位移点出现在动臂与导轨

连接处，约为4 mm,该阶振型对钻孔的定位有影 响，但是在允许范围内；二阶固有频率为142.1

Hz,振型是两边缘梁的反向振动，振动最大位移

出现在动臂与回转平台连接处，约为4.9 mm,该 阶振型对腹板与边缘梁的焊点要求较高；三阶固有 频率为165.1 Hz,振型为正弦式翘曲，最大位移点

依然是动臂与导轨连接处；四阶固有频率为252.6

Hz,两个边缘梁的相位差相差180。，最大位移出(b)二阶固有频率(142.1 Hz)712020年第2期煤炭与化工第43卷(c)三阶固有频率(165.1 Hz) (d)四阶固有频率(252.6Hz)图10前四阶模态振型图Fig. 10 Mode shapes of the first four modes现在动臂与回转平台连接处，对梁的影响较小。更 coal in China[ J ]. Energy Economics, 2004,19( 3 ): 271 - 287.高阶的振动对动臂的影响较小，不再分析。由此可 以看出，在振动影响下变幅机构的动臂满足振幅小 于5 mm的设计要求，拓扑优化较为合理。[5]

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3结语根据设计要求确定了串联双自由度可调变幅机

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[8 ] KangH. Support technologies for deep and complex roadways in

量的同时提高了变幅构件的刚度。经拓扑优化计 算，腹板和保护板部分被移除，动臂的质量相比优 化前减重9.51 kgo对优化后的变幅模型进行静力 分析，动臂的整体应力水平有所降低，应力集中点

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减少；模态分析表明一阶固有频率有所提高，优化 后的变幅机构满足钻孔定位和稳定性等要求。参考文献：[11 ] Meng Q, Han L, SunJ, etal. Experimental study on the bolt — cable

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