多功能錨桿鉆機(jī)鉆桅和動(dòng)臂的有限元分析

關(guān)麗杰，喬伊娜，趙偉民，張興蓮

(1. 東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2. 渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦124209)

多功能錨桿鉆機(jī)鉆桅和動(dòng)臂的有限元分析

關(guān)麗杰1，喬伊娜1，趙偉民1，張興蓮2

(1. 東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2. 渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦124209)

為研究和改善多功能錨桿鉆機(jī)鉆桅和動(dòng)臂的力學(xué)性能，采用SolidWorks對(duì)鉆機(jī)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，并對(duì)鉆桅和動(dòng)臂的受力情況進(jìn)行計(jì)算，最后通過SolidWorks Simulation對(duì)鉆桅和動(dòng)臂模型進(jìn)行有限元分析．研究結(jié)果表明：鉆桅和動(dòng)臂的應(yīng)力安全系數(shù)均在2以上且最大位移值在安全范圍內(nèi)；鉆桅箱體與滑軌焊接處需要加強(qiáng)；鉆桅變幅油缸與動(dòng)臂連接鉸耳處筋板需要加強(qiáng)．將有限元分析方法應(yīng)用于多功能錨桿鉆機(jī)設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品研發(fā)與優(yōu)化提供了重要依據(jù)．

多功能錨桿鉆機(jī)；鉆桅；動(dòng)臂；有限元分析

隨著國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入加大，建筑施工對(duì)安全系數(shù)的要求越來越高．多功能錨桿鉆機(jī)在巖土錨固工程的邊坡支護(hù)、深基坑支護(hù)、涵洞孔壁支護(hù)等方面具有突出的保護(hù)支撐作用，大大提高了施工的安全系數(shù)，具有廣闊的市場(chǎng)前景[1]．

由于錨桿鉆機(jī)在鉆進(jìn)和提升過程中需要承受很大的推力、拉力和扭矩，而鉆桅和動(dòng)臂是主要的承載部件．為了保證施工安全，需要確保鉆桅及動(dòng)臂的強(qiáng)度和剛度滿足施工要求．傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要是憑借經(jīng)驗(yàn)，常常因?yàn)檫^于強(qiáng)調(diào)安全性，將各結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)偏大，這也導(dǎo)致不易發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)[2]．采用有限元分析方法，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期就能發(fā)現(xiàn)并修正存在的問題，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了很大的便利[3-4]．

本文以MZ130型多功能錨桿鉆機(jī)為例，建立了鉆桅和動(dòng)臂的有限元模型，并在動(dòng)臂舉升最高鉆桅水平鉆進(jìn)工況下，進(jìn)行了應(yīng)力及位移分析，進(jìn)而根據(jù)有限元分析結(jié)果對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)．

1 錨桿鉆機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

多功能錨桿鉆機(jī)主要由底盤、鉆桅、動(dòng)臂、動(dòng)力頭、夾持器和操控臺(tái)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示．通過操作鉆桅變幅油缸6、鉆桅滑動(dòng)油缸3、鉆桅擺動(dòng)油缸4和動(dòng)臂變幅油缸7來調(diào)整鉆桅姿態(tài)及鉆孔作業(yè)位置至指定要求．

1—?jiǎng)恿︻^；2—鉆桅；3—鉆桅滑動(dòng)油缸；4—鉆桅擺動(dòng)油缸；5—夾持器；6—鉆桅變幅油缸；7—?jiǎng)颖圩兎透祝?—?jiǎng)颖郏?—液壓支腿；10—底盤；11—行走履帶圖1 錨桿鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of hydraulic drilling rig

錨桿鉆機(jī)的基本工作原理是依靠動(dòng)力頭提供扭矩作用在鉆桿上，鉆頭旋轉(zhuǎn)切削的同時(shí)，鉆桅內(nèi)部加壓油缸通過動(dòng)力頭傳遞加壓力給鉆桿和鉆頭，鉆桿進(jìn)給方式采用油缸倍速給進(jìn)式．當(dāng)鉆桅內(nèi)加壓油缸縮回時(shí)，帶動(dòng)動(dòng)力頭使鉆桿向前進(jìn)給；當(dāng)加壓油缸伸出時(shí)，拖動(dòng)動(dòng)力頭牽引鉆桿縮回，利用油缸縮回力驅(qū)動(dòng)進(jìn)給和伸出時(shí)拖動(dòng)動(dòng)力頭縮回的布局，能夠滿足拔鉆時(shí)需要較大的牽引力這一要求[5]．

2 鉆桅和動(dòng)臂有限元分析

2.1 建立幾何模型

錨桿鉆機(jī)工作裝置裝配部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜．鉆桅同變幅機(jī)構(gòu)構(gòu)成了錨桿鉆機(jī)的工作裝置，鉆桅立柱采用箱型截面，內(nèi)部根據(jù)載荷情況設(shè)置了加強(qiáng)筋板，吊錨架處安裝有滑輪，鉆桅安裝有加壓油缸、卷揚(yáng)機(jī)、滑輪組．采用SolidWorks軟件建立錨桿鉆機(jī)工作裝置的三維實(shí)體模型如圖2所示．

圖2 錨桿鉆機(jī)工作裝置模型Fig.2 The working device model of hydraulic drilling rig

在鉆進(jìn)過程中，由于鉆桅自重會(huì)影響鉆桅變形，通過三維模型的建立可以準(zhǔn)確獲得鉆桅各零部件的質(zhì)量屬性，包括質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以便在鉆桅分析過程中施加載荷和約束時(shí)，能夠準(zhǔn)確獲得重力大小和位置[6]．

2.2 鉆桅有限元分析

2.2.1 鉆桅受力分析

由于錨桿鉆機(jī)在水平鉆進(jìn)工況下鉆桅鉆進(jìn)反力、鉆進(jìn)驅(qū)動(dòng)力在數(shù)值上是相等的，所以為鉆桅內(nèi)部加壓油缸提供力為50 kN.選用克虜伯動(dòng)力頭，其輸出額定扭矩為13 kN·m．通過對(duì)受力情況的分析，本文主要探討在水平鉆進(jìn)工況下鉆桅變形量及受力情況．

2.2.2 鉆桅有限元前處理

鉆桅實(shí)際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如果不分巨細(xì)，完全按照實(shí)物建立有限元分析模型，將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算工作量非常巨大或計(jì)算失敗，實(shí)際上也無此必要. 因此，分析前需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：保留受力較大區(qū)域的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)；忽略不重要區(qū)域的小孔及小尺寸結(jié)構(gòu)[7]；焊縫強(qiáng)度相當(dāng)于母材強(qiáng)度．根據(jù)上文受力原則，簡(jiǎn)化鉆桅模型．

在進(jìn)行鉆桅模型的有限元分析之前，還需要對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的處理，包括選擇分析類型、定義材料屬性、約束、載荷和網(wǎng)格劃分等．

(1) 分析類型. 鉆進(jìn)過程近似勻速，所以采用靜態(tài)分析算例．

(2) 定義材料屬性. 由于鉆桅是直接承受外力的關(guān)鍵部件，對(duì)鉆桅的安全系數(shù)要求較高，故采用Q460鋼．

(3) 載荷和約束. 在水平鉆進(jìn)工況下，鉆桅的載荷主要包括鉆桅滑輪架夾持器及動(dòng)力頭的重力、動(dòng)力頭輸出扭矩以及鉆進(jìn)過程對(duì)鉆桅產(chǎn)生的反力．

由于鉆桅與鉆桅滑動(dòng)油缸連接方式為銷軸連接，所以對(duì)該處采用“固定鉸鏈”約束．另外，鉆桅與滑移架為面接觸，所以對(duì)鉆桅與滑移架連接處采用“滾柱滑桿”約束，施加載荷和約束后的模型如圖3所示．

圖3 鉆桅載荷約束圖Fig.3 Mast load constraint graph

(4) 網(wǎng)格劃分. 對(duì)于鉆桅模型網(wǎng)格劃分采取整體大網(wǎng)格、局部小網(wǎng)格的原則，從而保證計(jì)算精度．劃分網(wǎng)格后的模型參數(shù)如下：網(wǎng)格類型為實(shí)體網(wǎng)格，所用的網(wǎng)格器是基于曲率網(wǎng)格，雅克比點(diǎn)數(shù)為4點(diǎn)，最大單元與最小單元分別為40和8 mm,網(wǎng)格品質(zhì)選擇高質(zhì)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為218 210，單元總數(shù)為11 921．

2.2.3 鉆桅有限元分析結(jié)果

鉆桅材料采用Q460鋼，屬于塑性材料，所以分析采用最大應(yīng)力準(zhǔn)則，可以得到動(dòng)臂舉升最高鉆桅水平鉆進(jìn)工況下鉆桅模型的應(yīng)力云圖，如圖4所示．

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后圖4 優(yōu)化前后鉆桅應(yīng)力云圖Fig.4 Mast stress cloud graph before and after optimization

由圖4(a)可知，對(duì)于鉆桅的主要承載部件即箱型結(jié)構(gòu)，計(jì)算表明其優(yōu)化前最大應(yīng)力為157.8 MPa，安全系數(shù)為2.92．鉆桅受力最大的部位位于箱型結(jié)構(gòu)與滑軌底部連接處．在不影響滑移架運(yùn)動(dòng)的條件下，圖5為在兩滑軌之間添加寬150 mm、厚20 mm、間隔為800 mm的4條加強(qiáng)板的細(xì)節(jié)圖．通過分析圖4(b)應(yīng)力云圖可知，優(yōu)化后鉆桅最大應(yīng)力值為141.9 MPa，出現(xiàn)在滑軌頂部與箱型結(jié)構(gòu)連接處，安系數(shù)為2.96．

優(yōu)化后鉆桅位移云圖如圖6所示. 由圖6可知，由于整個(gè)鉆桅滑輪架端處于懸臂狀態(tài)，所以該處位移最大，且最大位移為4.463 mm，變形在鉆桅長(zhǎng)度的千分之一范圍內(nèi)，證明鉆桅符合強(qiáng)度要求．

圖6 優(yōu)化后鉆桅位移云圖Fig.6 Mast displacement cloud graph after optimization

2.3 動(dòng)臂有限元分析

動(dòng)臂是多功能錨桿鉆機(jī)的重要組成結(jié)構(gòu)，其安全性直接影響鉆機(jī)施工安全及穩(wěn)定性，所以對(duì)其進(jìn)行有限元分析是十分必要的[8]．由于在動(dòng)臂舉升最高下的水平鉆進(jìn)工況時(shí)，對(duì)動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)要求較高，所以選擇在此工況下對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行有限元分析.

2.3.1 動(dòng)臂受力理論計(jì)算

水平鉆進(jìn)工況下，鉆桅保持水平，分析動(dòng)臂此時(shí)的受力特性．錨桿鉆機(jī)工作機(jī)構(gòu)受力如圖7所示，包括整體工作機(jī)構(gòu)重力G、鉆進(jìn)阻力F1、連接座受連桿力F2及其與水平夾角為γ、連接座受動(dòng)臂力FA、曲柄受連桿力F3及其與水平夾角為β、曲柄受動(dòng)臂力FB、鉆桅變幅油缸受動(dòng)臂力F4及其與水平夾角為α．

圖7 動(dòng)臂受力圖Fig.7 Boom force graph

對(duì)連接座A點(diǎn)列平衡方程，得

∑M=0

-L1F1-LGG+L2F2=0

求得

連桿為二力桿，則F3=F2. 對(duì)曲柄B點(diǎn)列平衡方程，得

∑M=0

-L3F3+L4F4=0

求得

對(duì)連接座列平衡方程，得

∑F=0

求得

對(duì)曲柄列平衡方程，得

∑F=0

求得

通過對(duì)動(dòng)臂受力進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，最終可得出FA、FB、F4，以便后續(xù)對(duì)動(dòng)臂施加載荷．

2.3.2 動(dòng)臂有限元分析前處理

(1) 分析類型. 采用靜態(tài)分析算例．

(2) 定義材料屬性. 采用Q420鋼．

(3) 載荷和約束. 在鉆桅最高水平鉆進(jìn)工況下，動(dòng)臂與水平成33°夾角．動(dòng)臂的載荷主要包括自身重力、動(dòng)力頭輸出扭矩以及FA、FB以及F4的反力．

由于動(dòng)臂與上車鉸座連接方式為銷軸連接，動(dòng)臂受力繞軸旋轉(zhuǎn)，所以對(duì)動(dòng)臂末端圓柱面采用“固定鉸鏈”約束．另外，動(dòng)臂變幅油缸受力時(shí)相當(dāng)于二力桿，所以與動(dòng)臂連接鉸座需要施加“方向約束”．

(4) 網(wǎng)格劃分. 劃分網(wǎng)格后的模型參數(shù)如下：網(wǎng)格類型為實(shí)體網(wǎng)格，所用的網(wǎng)格器是基于曲率網(wǎng)格，雅克比點(diǎn)數(shù)為4點(diǎn)，最大單元與最小單元分別為30和6 mm,網(wǎng)格品質(zhì)選擇高質(zhì)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為96 192，單元總數(shù)為50 240．

動(dòng)臂分析采用最大應(yīng)力準(zhǔn)則，在動(dòng)臂舉升最高水平鉆進(jìn)工況下，優(yōu)化前后動(dòng)臂模型的應(yīng)力云圖如圖8所示．

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后圖8 優(yōu)化前后動(dòng)臂應(yīng)力云圖Fig.8 Boom stress cloud graph before and after optimization

由圖8(a)可以看出，連接座與動(dòng)臂連接鉸耳處應(yīng)力較大，最大應(yīng)力值為181.1 MPa，安全系數(shù)為2.32．最大應(yīng)力值處于鉆桅變幅油缸與動(dòng)臂連接鉸耳處，該鉸耳支撐筋厚度為15 mm．支撐筋細(xì)節(jié)如圖9所示. 對(duì)鉸耳支撐筋加厚至30 mm，通過圖8(b)應(yīng)力云圖可知，優(yōu)化后動(dòng)臂最大應(yīng)力值為154.5 MPa，出現(xiàn)在動(dòng)臂變幅油缸與動(dòng)臂連接鉸耳處，分析后動(dòng)臂受力情況有所改善，安全系數(shù)為2.72．

圖9 支撐筋細(xì)節(jié)圖Fig.9 Rib plate detailed graph

優(yōu)化后動(dòng)臂位移云圖如圖10所示. 由圖10可知，由于動(dòng)臂以動(dòng)臂變幅油缸與動(dòng)臂連接鉸耳處為支撐點(diǎn)，所該位置附近位移較大，最大位移值為1.401 mm，變形在動(dòng)臂長(zhǎng)度的千分之一范圍內(nèi)，因此動(dòng)臂是安全的．

圖10 優(yōu)化后動(dòng)臂位移云圖Fig.10 Boom displacement cloud graph after optimization

3 結(jié) 語

本文針對(duì)多功能錨桿鉆機(jī)設(shè)計(jì)存在的問題，建立了其工作裝置的有限元模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)鉆桅和動(dòng)臂的應(yīng)力和位移進(jìn)行了分析．結(jié)果表明：鉆桅和動(dòng)臂的應(yīng)力安全系數(shù)均在2以上且最大位移值在安全范圍內(nèi)；通過對(duì)鉆桅箱體與滑軌焊接處增加加強(qiáng)板，鉆桅變幅油缸與動(dòng)臂連接鉸耳處筋板加厚，有效地降低了鉆桅和動(dòng)臂應(yīng)力值．將有限元方法應(yīng)用于多功能錨桿鉆機(jī)設(shè)計(jì)，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低設(shè)計(jì)成本、縮短開發(fā)周期，為產(chǎn)品研發(fā)與優(yōu)化提供了重要依據(jù)．

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Finite Element Analysis for Mast and Boom of Multifunctional Hydraulic Drilling Rig

GUANLi-jie1,QIAOYi-na1,ZHAOWei-min1,ZHANGXing-lian2

(1. College of Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318,China;2. China Petroleum Liaohe Equipment Company, Panjin 124209,China)

In order to study and improve the mechanical properties of multifunctional hydraulic drilling rig’s mast and boom, the rig agency model is established with SolidWorks. The force conditions of mast and boom are calculated and mast and boom model is analyzed by finite element method with SolidWorks Simulation. The result shows that the stress safety factors of drilling mast and boom both are more than 2 and the maximum displacement values are within safety limits. The welding between drilling mast box and rail needs to be strengthened and the stiffener plate of padeye beween drilling mast luffing cylinder and boom alse needs to be strengthened. Using finite element analysis method provides important theoretical basis for product development and optimization of multifunctional hydraulic drilling rig.

multifunctional hydraulic drilling rig; mast; boom; finite element analysis

1671-0444 (2016)04-0532-05

2015-04-25

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目(12541101)

關(guān)麗杰(1964—)，女，黑龍江寧安人，教授，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及工程圖學(xué). E-mail:gljws@163.com

TE 922

A