基于有限元的旋挖鉆機桅桿結構優化分析

張庭富+++朱庭龍+++殷俊

摘 要：旋挖鉆機是一種建筑工程中進行成孔作業的施工機械。桅桿具有運動導向、位置調整、動力傳遞的作用，并且承受鉆機鉆進時的各種載荷。因此，對旋挖鉆機桅桿部分的失效分析及結構改進至關重要。首先對桅桿分析研究，分析出桅桿斷裂的原因。接下來從有限元分析方法入手，利用Pro/E進行建模并用Ansys進行分析計算，得出了桅桿的危險區域應力分布情況，并依次進行了桅桿的結構改進措施，與優化前進行分析對比，得到優化后的結果。

關鍵詞：旋挖鉆機；桅桿；有限元；優化分析

1 前言

旋挖鉆機是一種用于成孔作業的工程機械，適應性強，在很多種地基基礎施工中得到了廣泛應用。旋挖鉆機通過底部的桶式鉆頭的回轉破碎巖土，并將其裝入鉆頭內，然后再由將鉆頭提出孔外卸土，這樣循環往復，不斷地取土、卸土，直至鉆至設計深度。

近年來，我國在旋挖鉆機的相關技術方面的發展較快，但總體水平與國外仍有較大差距。由于旋挖鉆機的自身特殊性，桅桿等構件是否穩定直接決定了整機的工作時間和工作效率，因此對機器構件的要求較為嚴格。合理進行結構設計，利用軟件對其進行模擬仿真和優化分析，都有利于提高我國旋挖鉆機技術的整體水平。

2 關鍵部件存在問題及分析

本文著重對旋挖鉆機的桅桿進行分析，桅桿存在的問題主要有以下幾點：

（1）桅桿在旋挖鉆機中具有重要作用，工作過程中桅桿承受較多的載荷。如果桅桿的彎曲過大，將導致動力頭無法在導軌上正常滑動，從而引起嚴重的安全事故。

（2）桅桿出現故障后，維修起來很不方便，所需要的時間長、成本高，因此提高桅桿整體的剛度是旋挖鉆機正常工作的重要保證。

（3）桅桿連接著鉆桿、鉆具，并且承受鉆具工作時的彎矩作用，容易被破壞。

2.1 桅桿失效形式

如圖1所示，目前桅桿出現問題區域常常位于桅桿、油缸和三角形中間部分，即桅桿塞焊口處被撕裂。右下角圖中的桅桿雖然未發生斷裂，但有明顯裂紋，已經處于失效狀態，不能繼續使用。

圖1 旋挖鉆機桅桿斷裂部位

2.2 桅桿失效原因分析

桅桿的受力復雜，受力狀況惡劣。當鉆孔工作的時候，鉆機向樁孔施加一個豎直向下的加壓力，同時鉆機受到樁孔提供的一個等大反向的反作用力，我們把鉆機主機視為剛性體，轉盤視為剛性鉸支點，桅桿油缸支座視為可滑動鉸支座。樁孔的反作用力傳遞到桅桿上，等效為對桅桿施加一個豎直向上的力和一個逆時針的力矩。桅桿受彎矩作用后，一側受到壓應力，另一側受到拉應力，存在彎曲變形的可能性。當桅桿受拉應力一側鋼板發生變形時，桅桿就會發生整體彎曲變形。

3 基于有限元方法的桅桿工況分析

本文以SWDM22型旋挖鉆機為對象。

SWDM22型旋挖鉆機主要技術參數參見表1

3.1 桅桿幾何模型的建立

本文選擇使用Pro/E進行桅桿的建模，然后將其保持為IGES格式，再通過Ansys缺省導入的方法將其直接導入Ansys軟件。

圖2 Pro/E中的模型建立

3.2 桅桿的網格劃分

分析計算時，網格劃分是有限元分析的關鍵步驟，對有限元分析的計算量和準確性影響很大，所以在確定網格數量時應綜合考慮，權衡兩個因素。一般網格劃分越小，計算精度越高，所需的計算機資源、運算時間也越多，反之則運算時間越少。根據工程實際問題的分析要求，選用了solid45單元，進行自由網格劃分，共劃分14485個單元。

3.3 桅桿受力的加載與求解

桅桿受力十分復雜，本文著重對極限提鉆工況進行了分析。

3.3.1 極限提鉆

桅桿的鉸接處受到約束，在桅桿的頂部受到一個向下的力，同時，受到一個的力矩作用。由于力矩不好由ansys直接得到，所以把力矩等效為兩個等大反向的力進行分析。這時桅桿受到200KN向下的力和180KN·M的力矩。把力矩等效為兩個45KN，距離為4M'的等大反向的力。

3.3.2 計算結果分析

分析：本模型使用的是在節點處施加固定荷載，對比桅桿受力的實際情況有所簡化，但其變形情況還是基本符合實際情況的。由圖可知桅桿在此工況下的受力危險點為與車身的鉸接處，受到的最大應力為48.04MPa，該部可能出現開裂和屈服變形的情況，并且與實際失效情況吻合。

4 桅桿的優化設計

4.1 桅桿的優化

根據桅桿的受力情況，由于桅桿式空心的，所以我們對其的優化方案就是在與車身鉸接的地方各增加一塊肋板。

4.2 桅桿優化后的受力分析

經過優化后，桅桿的受力最大點仍然是桅桿的鉸接處，但是桅桿的受力明顯減小，最大應力由48.04MPa減小到35.645MPa，減小了25.8%，因此在此工況下的桅桿工作環境有明顯的改善。桅桿的耐用性有了明顯的提升。

5 結束語

本文利用 Pro/E 三維繪圖軟件和 Ansys 有限元分析軟件對 SWDM22型旋挖鉆機的桅桿部分進行了優化分析，得出以下結論

（1）旋挖鉆機在極限提鉆的情況下是最容易出現危險的，在桅桿與車身的鉸接處以發生開裂、撕裂、彎曲等情況。

（2）通過在鉸接處增加肋板后，桅桿的工作情況有了明顯的改善，危險點出的受力減小了很多，出現開裂、彎曲的可能性也減小了很多，說明這次的優是成功的。

參考文獻

[1]胡國良，任繼文.Ansys11.0有限元分析入門與提高[M].北京：國防工業出版社 2011.

[2]王文岳.旋挖鉆機中桅桿及滑輪架失效分析與改進方案探討[Z].2008，3.

[3]江曉侖，張克躍，金建明.理論力學[M].北京：中國鐵道出版社，2004，7.

[4]黎中銀，黃志文.旋挖鉆機在我國的發展[J].工程機械與維修， 2004，05.

作者簡介：張庭富（1993，5-），男，籍貫：四川，本科學歷，學生，機械設計制造及其自動化專業，endprint

摘 要：旋挖鉆機是一種建筑工程中進行成孔作業的施工機械。桅桿具有運動導向、位置調整、動力傳遞的作用，并且承受鉆機鉆進時的各種載荷。因此，對旋挖鉆機桅桿部分的失效分析及結構改進至關重要。首先對桅桿分析研究，分析出桅桿斷裂的原因。接下來從有限元分析方法入手，利用Pro/E進行建模并用Ansys進行分析計算，得出了桅桿的危險區域應力分布情況，并依次進行了桅桿的結構改進措施，與優化前進行分析對比，得到優化后的結果。

關鍵詞：旋挖鉆機；桅桿；有限元；優化分析

1 前言

旋挖鉆機是一種用于成孔作業的工程機械，適應性強，在很多種地基基礎施工中得到了廣泛應用。旋挖鉆機通過底部的桶式鉆頭的回轉破碎巖土，并將其裝入鉆頭內，然后再由將鉆頭提出孔外卸土，這樣循環往復，不斷地取土、卸土，直至鉆至設計深度。

近年來，我國在旋挖鉆機的相關技術方面的發展較快，但總體水平與國外仍有較大差距。由于旋挖鉆機的自身特殊性，桅桿等構件是否穩定直接決定了整機的工作時間和工作效率，因此對機器構件的要求較為嚴格。合理進行結構設計，利用軟件對其進行模擬仿真和優化分析，都有利于提高我國旋挖鉆機技術的整體水平。

2 關鍵部件存在問題及分析

本文著重對旋挖鉆機的桅桿進行分析，桅桿存在的問題主要有以下幾點：

（1）桅桿在旋挖鉆機中具有重要作用，工作過程中桅桿承受較多的載荷。如果桅桿的彎曲過大，將導致動力頭無法在導軌上正常滑動，從而引起嚴重的安全事故。

（2）桅桿出現故障后，維修起來很不方便，所需要的時間長、成本高，因此提高桅桿整體的剛度是旋挖鉆機正常工作的重要保證。

（3）桅桿連接著鉆桿、鉆具，并且承受鉆具工作時的彎矩作用，容易被破壞。

2.1 桅桿失效形式

如圖1所示，目前桅桿出現問題區域常常位于桅桿、油缸和三角形中間部分，即桅桿塞焊口處被撕裂。右下角圖中的桅桿雖然未發生斷裂，但有明顯裂紋，已經處于失效狀態，不能繼續使用。

圖1 旋挖鉆機桅桿斷裂部位

2.2 桅桿失效原因分析

桅桿的受力復雜，受力狀況惡劣。當鉆孔工作的時候，鉆機向樁孔施加一個豎直向下的加壓力，同時鉆機受到樁孔提供的一個等大反向的反作用力，我們把鉆機主機視為剛性體，轉盤視為剛性鉸支點，桅桿油缸支座視為可滑動鉸支座。樁孔的反作用力傳遞到桅桿上，等效為對桅桿施加一個豎直向上的力和一個逆時針的力矩。桅桿受彎矩作用后，一側受到壓應力，另一側受到拉應力，存在彎曲變形的可能性。當桅桿受拉應力一側鋼板發生變形時，桅桿就會發生整體彎曲變形。

3 基于有限元方法的桅桿工況分析

本文以SWDM22型旋挖鉆機為對象。

SWDM22型旋挖鉆機主要技術參數參見表1

3.1 桅桿幾何模型的建立

本文選擇使用Pro/E進行桅桿的建模，然后將其保持為IGES格式，再通過Ansys缺省導入的方法將其直接導入Ansys軟件。

圖2 Pro/E中的模型建立

3.2 桅桿的網格劃分

分析計算時，網格劃分是有限元分析的關鍵步驟，對有限元分析的計算量和準確性影響很大，所以在確定網格數量時應綜合考慮，權衡兩個因素。一般網格劃分越小，計算精度越高，所需的計算機資源、運算時間也越多，反之則運算時間越少。根據工程實際問題的分析要求，選用了solid45單元，進行自由網格劃分，共劃分14485個單元。

3.3 桅桿受力的加載與求解

桅桿受力十分復雜，本文著重對極限提鉆工況進行了分析。

3.3.1 極限提鉆

桅桿的鉸接處受到約束，在桅桿的頂部受到一個向下的力，同時，受到一個的力矩作用。由于力矩不好由ansys直接得到，所以把力矩等效為兩個等大反向的力進行分析。這時桅桿受到200KN向下的力和180KN·M的力矩。把力矩等效為兩個45KN，距離為4M'的等大反向的力。

3.3.2 計算結果分析

分析：本模型使用的是在節點處施加固定荷載，對比桅桿受力的實際情況有所簡化，但其變形情況還是基本符合實際情況的。由圖可知桅桿在此工況下的受力危險點為與車身的鉸接處，受到的最大應力為48.04MPa，該部可能出現開裂和屈服變形的情況，并且與實際失效情況吻合。

4 桅桿的優化設計

4.1 桅桿的優化

根據桅桿的受力情況，由于桅桿式空心的，所以我們對其的優化方案就是在與車身鉸接的地方各增加一塊肋板。

4.2 桅桿優化后的受力分析

經過優化后，桅桿的受力最大點仍然是桅桿的鉸接處，但是桅桿的受力明顯減小，最大應力由48.04MPa減小到35.645MPa，減小了25.8%，因此在此工況下的桅桿工作環境有明顯的改善。桅桿的耐用性有了明顯的提升。

5 結束語

本文利用 Pro/E 三維繪圖軟件和 Ansys 有限元分析軟件對 SWDM22型旋挖鉆機的桅桿部分進行了優化分析，得出以下結論

（1）旋挖鉆機在極限提鉆的情況下是最容易出現危險的，在桅桿與車身的鉸接處以發生開裂、撕裂、彎曲等情況。

（2）通過在鉸接處增加肋板后，桅桿的工作情況有了明顯的改善，危險點出的受力減小了很多，出現開裂、彎曲的可能性也減小了很多，說明這次的優是成功的。

參考文獻

[1]胡國良，任繼文.Ansys11.0有限元分析入門與提高[M].北京：國防工業出版社 2011.

[2]王文岳.旋挖鉆機中桅桿及滑輪架失效分析與改進方案探討[Z].2008，3.

[3]江曉侖，張克躍，金建明.理論力學[M].北京：中國鐵道出版社，2004，7.

[4]黎中銀，黃志文.旋挖鉆機在我國的發展[J].工程機械與維修， 2004，05.

作者簡介：張庭富（1993，5-），男，籍貫：四川，本科學歷，學生，機械設計制造及其自動化專業，endprint

摘 要：旋挖鉆機是一種建筑工程中進行成孔作業的施工機械。桅桿具有運動導向、位置調整、動力傳遞的作用，并且承受鉆機鉆進時的各種載荷。因此，對旋挖鉆機桅桿部分的失效分析及結構改進至關重要。首先對桅桿分析研究，分析出桅桿斷裂的原因。接下來從有限元分析方法入手，利用Pro/E進行建模并用Ansys進行分析計算，得出了桅桿的危險區域應力分布情況，并依次進行了桅桿的結構改進措施，與優化前進行分析對比，得到優化后的結果。

關鍵詞：旋挖鉆機；桅桿；有限元；優化分析

1 前言

旋挖鉆機是一種用于成孔作業的工程機械，適應性強，在很多種地基基礎施工中得到了廣泛應用。旋挖鉆機通過底部的桶式鉆頭的回轉破碎巖土，并將其裝入鉆頭內，然后再由將鉆頭提出孔外卸土，這樣循環往復，不斷地取土、卸土，直至鉆至設計深度。

近年來，我國在旋挖鉆機的相關技術方面的發展較快，但總體水平與國外仍有較大差距。由于旋挖鉆機的自身特殊性，桅桿等構件是否穩定直接決定了整機的工作時間和工作效率，因此對機器構件的要求較為嚴格。合理進行結構設計，利用軟件對其進行模擬仿真和優化分析，都有利于提高我國旋挖鉆機技術的整體水平。

2 關鍵部件存在問題及分析

本文著重對旋挖鉆機的桅桿進行分析，桅桿存在的問題主要有以下幾點：

（1）桅桿在旋挖鉆機中具有重要作用，工作過程中桅桿承受較多的載荷。如果桅桿的彎曲過大，將導致動力頭無法在導軌上正常滑動，從而引起嚴重的安全事故。

（2）桅桿出現故障后，維修起來很不方便，所需要的時間長、成本高，因此提高桅桿整體的剛度是旋挖鉆機正常工作的重要保證。

（3）桅桿連接著鉆桿、鉆具，并且承受鉆具工作時的彎矩作用，容易被破壞。

2.1 桅桿失效形式

如圖1所示，目前桅桿出現問題區域常常位于桅桿、油缸和三角形中間部分，即桅桿塞焊口處被撕裂。右下角圖中的桅桿雖然未發生斷裂，但有明顯裂紋，已經處于失效狀態，不能繼續使用。

圖1 旋挖鉆機桅桿斷裂部位

2.2 桅桿失效原因分析

桅桿的受力復雜，受力狀況惡劣。當鉆孔工作的時候，鉆機向樁孔施加一個豎直向下的加壓力，同時鉆機受到樁孔提供的一個等大反向的反作用力，我們把鉆機主機視為剛性體，轉盤視為剛性鉸支點，桅桿油缸支座視為可滑動鉸支座。樁孔的反作用力傳遞到桅桿上，等效為對桅桿施加一個豎直向上的力和一個逆時針的力矩。桅桿受彎矩作用后，一側受到壓應力，另一側受到拉應力，存在彎曲變形的可能性。當桅桿受拉應力一側鋼板發生變形時，桅桿就會發生整體彎曲變形。

3 基于有限元方法的桅桿工況分析

本文以SWDM22型旋挖鉆機為對象。

SWDM22型旋挖鉆機主要技術參數參見表1

3.1 桅桿幾何模型的建立

本文選擇使用Pro/E進行桅桿的建模，然后將其保持為IGES格式，再通過Ansys缺省導入的方法將其直接導入Ansys軟件。

圖2 Pro/E中的模型建立

3.2 桅桿的網格劃分

分析計算時，網格劃分是有限元分析的關鍵步驟，對有限元分析的計算量和準確性影響很大，所以在確定網格數量時應綜合考慮，權衡兩個因素。一般網格劃分越小，計算精度越高，所需的計算機資源、運算時間也越多，反之則運算時間越少。根據工程實際問題的分析要求，選用了solid45單元，進行自由網格劃分，共劃分14485個單元。

3.3 桅桿受力的加載與求解

桅桿受力十分復雜，本文著重對極限提鉆工況進行了分析。

3.3.1 極限提鉆

桅桿的鉸接處受到約束，在桅桿的頂部受到一個向下的力，同時，受到一個的力矩作用。由于力矩不好由ansys直接得到，所以把力矩等效為兩個等大反向的力進行分析。這時桅桿受到200KN向下的力和180KN·M的力矩。把力矩等效為兩個45KN，距離為4M'的等大反向的力。

3.3.2 計算結果分析

分析：本模型使用的是在節點處施加固定荷載，對比桅桿受力的實際情況有所簡化，但其變形情況還是基本符合實際情況的。由圖可知桅桿在此工況下的受力危險點為與車身的鉸接處，受到的最大應力為48.04MPa，該部可能出現開裂和屈服變形的情況，并且與實際失效情況吻合。

4 桅桿的優化設計

4.1 桅桿的優化

根據桅桿的受力情況，由于桅桿式空心的，所以我們對其的優化方案就是在與車身鉸接的地方各增加一塊肋板。

4.2 桅桿優化后的受力分析

經過優化后，桅桿的受力最大點仍然是桅桿的鉸接處，但是桅桿的受力明顯減小，最大應力由48.04MPa減小到35.645MPa，減小了25.8%，因此在此工況下的桅桿工作環境有明顯的改善。桅桿的耐用性有了明顯的提升。

5 結束語

本文利用 Pro/E 三維繪圖軟件和 Ansys 有限元分析軟件對 SWDM22型旋挖鉆機的桅桿部分進行了優化分析，得出以下結論

（1）旋挖鉆機在極限提鉆的情況下是最容易出現危險的，在桅桿與車身的鉸接處以發生開裂、撕裂、彎曲等情況。

（2）通過在鉸接處增加肋板后，桅桿的工作情況有了明顯的改善，危險點出的受力減小了很多，出現開裂、彎曲的可能性也減小了很多，說明這次的優是成功的。

參考文獻

[1]胡國良，任繼文.Ansys11.0有限元分析入門與提高[M].北京：國防工業出版社 2011.

[2]王文岳.旋挖鉆機中桅桿及滑輪架失效分析與改進方案探討[Z].2008，3.

[3]江曉侖，張克躍，金建明.理論力學[M].北京：中國鐵道出版社，2004，7.

[4]黎中銀，黃志文.旋挖鉆機在我國的發展[J].工程機械與維修， 2004，05.

作者簡介：張庭富（1993，5-），男，籍貫：四川，本科學歷，學生，機械設計制造及其自動化專業，endprint