煤矿井下用钻机的轻量化设计方法综述

0 引言

煤炭是我国存量最大、可靠性最高、经济性最好的能源。我国90%以上的煤矿以井工开采为主，且有相当数量的煤矿属于高瓦斯矿井，开采过程中极易发生瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等安全事故，造成人员伤亡和财产损失，给煤矿安全生产带来严重威胁[1]。自动钻机用于施工瓦斯抽放孔，是瓦斯治理的关键设备。随着煤矿井下智能化技术的发展，对钻机的功能要求越来越多，导致体积和重量的增加。笨重的体型不利于运输和移机，动作灵活性和控制灵敏性也较为困难，严重制约着自动钻机的进一步发展。轻量化设计是解决上述问题的有效途径。

1 轻量化技术

轻量化技术包括“结构轻量化、材料轻量化、工艺轻量化”三个方面，如图1所示。其中结构轻量化主要包括尺寸优化、形状优化、拓扑优化和多学科设计优化（multidisciplinary design optimization，MDO）；材料轻量化主要包括对高强度钢、铝合金、镁合金、复合材料等的应用；工艺轻量化包括使用激光焊接和液压成形等先进的制造工艺。轻量化技术在汽车和工程机械等领域都有广泛的应用[2，3]。

图1 轻量化技术的分类

2 结构轻量化

2.1 尺寸优化

尺寸优化是结构优化设计中应用最成熟最广泛的一种轻量化技术，它是指对设计对象的截面尺寸、壁厚、减重孔（槽）尺寸等参数进行优化以达到减重的目的。其数学表达式为：

其中：m为质量；uk为节点k的位移；σmax为最大应力；fn为第n阶固有振动频率；x为尺寸变量向量；中括号“[]”为约束函数的许用值。左文杰等[4]对汽车白车身板厚尺寸进行了优化，使其质量减轻了11.4%。朱红军等[5]应用有限元分析技术对纯电动客车骨架进行了尺寸优化，优化后的车骨架质量减少了134kg。廖永宜等[6]对水轮发电机上机架的板厚进行了尺寸优化，使上机架的质量减少了25.5%。

2.2 形状优化

形状优化主要是通过对对象的外形进行调整，使得受力状态更加均匀，进而减少材料的使用。当优化对象具有规则的几何外形时，优化处理方法是将其几何外形参数化，从而将其转变为尺寸优化问题。当优化对象的几何外形不规则时，参数化几何外形较为困难，常采用无参形状优化法，即将形状变量作为设计变量对结构进行形状优化。赵大刚等[7]对无人帆船的主帆结构进行了形状优化，确定了蒙皮厚度、翼梁厚度、翼梁宽度和肋板厚度，优化后的主帆质量减轻了38.68%。唐辉等[8]对门式起重机的支腿结构进行了形状优化，优化后的支腿质量减少了

12.85%。

2.3 拓扑优化

拓扑优化以事先指定的设计空间的材料分布为优化对象，通过优化算法自动给出最佳传力路径，从而节省最多的材料。拓扑优化方法被认为是最具有潜力的结构优化方法，主要应用在结构概念设计阶段。目前的拓扑优化方法有多种，其中最主要的一种方法是Bendsoe等提出的变密度法，其数学模型如下：

其中：c为结构柔度；ve为单元体积；ρe为单元材料密度，也是设计变量；V为结构体积。但由于优化出的零件几何形状往往较为复杂，受限于制造工艺，加工较为困难，生产成本较高，在实际中较多应用于航空航天等对零部件轻量化有极致追求的领域。邢广鹏等[9]使用变密度法的拓扑优化技术对某发动机外部支撑结构进行了拓扑优化，使其质量减少了92.7%。朱远等[10]对机床立柱结构进行了拓扑优化，在外轮廓拓扑模型基础上，利用二维壳单元对筋板布局进行了调整，优化后的立柱质量降低了13.1%。

2.4 多学科设计优化

多学科设计优化方法在许多领域都有广泛的应用。传统只考虑单一学科性能要求的优化设计方法并不能满足实际中的结构设计要求，因为对象的结构会影响强度、模态、NVH、碰撞性等多个学科领域的性能概念。多学科设计优化旨在寻求一个妥协的最优解，其数学模型表达式为：

式中，f（x，y（x））为优化目标函数；hi（x，y（x））、gj（x，y（x））为约束条件，x为优化设计变量；y（x）为系统分析方程A（x，y（x））确定的状态方程。

系统分析方程A（x，y（x））为：

式中，N为MDO子系统的数目。钟自锋[11]对后副车架零部件的料厚进行多学科多目标优化分析，获得了料厚的最佳设计参数，使其重量减轻了17.1%。熊锋等[12]以汽车前车门为研究对象，以轻量化为主要目标，将提升下沉工况刚度、窗框中部刚度、优化一阶模态频率作为次目标，利用多目标遗传算法进行优化，优化后的车门质量减轻了0.23 kg。

3 材料轻量化

除了结构优化设计之外，轻量化材料的开发和应用是当前轻量化技术另一主要研究方向[13]。对轻量化材料的研究是目前国际上材料领域最活跃的研究方向之一。在装备制造领域，主要的轻量化材料有：高强度钢、铝合金、镁合金、塑料及复合材料。高强度钢相比于传统钢材有更高的强度。铝合金与钢铁相比，具有质量轻、耐腐蚀性好、易于加工等特点。镁合金具有很高的比强度和比刚度。在同等应力要求的场合，轻量化材料的用料可以更少，进而减轻零部件的重量。

4 工艺轻量化

轻量化技术最终应用于生产实际的决定性因素是制造工艺[14]。因为即使轻量化设计得很好的零部件，如果加工不出来，那这个设计也是失败的。比如液压成型技术，它可以加工出传统冲压成形技术加工不出来的复杂零件。机械设备一般都是由很多个零部件通过相应的连接结构组合在一起的，比如螺栓连接、键连接等。零部件越多，连接结构就越多。借助一些先进的制造工艺可以将多个零件加工成一个零件，这样就可以不用设计连接结构，进而减轻设备的重量。比如在汽车领域应用广泛的激光焊接工艺，它可以在保证零部件刚度和强度的前提下，将多个零部件拼接成一个零件，整体上减轻产品重量。

5 轻量化技术在钻机中的应用

目前市场上的自动钻机结构大体一致。以中煤科工集团重庆研究院有限公司生产的ZYWL-4000Y型全液压自动钻机为例，如图2。其主要机械结构有：履带车、油箱、钻杆箱、主机械手、副机械手、转运槽、机架、动力头和双夹持器。履带车可以使钻机在煤矿井下巷道恶劣的地形条件下行走；钻杆箱用于存储钻杆；副机械手用于抓取钻杆箱和转运槽内的钻杆；主机械手用于抓取转运槽和夹持器上的钻杆；动力头在机架导轨上滑动，为钻机钻进提供扭矩和执行钻杆的接卸扣动作；双夹持器用于辅助加卸钻杆；钻机整体重量超过了5吨，轻量化可以提升钻机的运输和移动效率。主、副机械手和动力头的轻量化还可减小运动惯性，进而提高动作精准度，提升钻机的整体性能。

图2 ZYWL-4000Y型全液压钻机

当前对于钻机的轻量化设计研究还比较少。王兴[15]结合有限元分析技术，将钻机夹持器的强度、刚度和夹紧力作为约束条件，对夹持器进行了结构轻量化研究，最终使夹持器的重量减轻了26.52%。钟自成等[16]采用CAE技术建立了钻机摆动机构的参数化模型，对机构进行了拓扑优化设计，在材料不变的情况下，把体积降低到了原来的40%。邹祖杰等[17]对钻机机架从材料轻量化和结构轻量化两个方面进行了优化，材料轻量化方面选用高强度钢Q420代替传统结构钢Q235，使机架重量减轻了3.8%；结构轻量化方面结合CAE技术确定了机架大臂方钢截面的厚度、宽度和长度，使机架重量减轻了8.1%。

6 总结与展望

综上，目前对钻机轻量化的研究主要集中在结构方面的优化。基于有限元仿真技术，利用结构优化手段对钻机及其零部件进行轻量化设计，具有可操作性强和节约成本的优点。随着对自动钻机功能的进一步完善，将会有更多的功能集成，对钻机小型化轻量化的要求会更加凸显。未来轻量化材料和轻量化工艺技术在钻机轻量化领域的应用也将逐步得到深入研究。借鉴轻量化技术在汽车、航空航天、工程机械等领域已取得的研究成果，结合钻机实际作业环境和要求，探索从结构、材料和工艺方面对钻机进行轻量化技术开发是未来的发展趋势。