基于DOE的旋轉沖擊型液壓動力頭結構優化設計

孫世峰 高常青 楊 波 徐征和 張治暉

（1.濟南大學 機械工程學院，濟南 250022；2.濟南大學 資源與環境學院，濟南 250022；3.北京中水科工程總公司，北京 100000）

旋轉沖擊型液壓動力頭是水平鉆機的核心部件之一，其性能直接影響鉆機的鉆進效率。安裝動力頭的滑板固定在水平鉆機底座的導軌上，由液壓缸驅動實現鉆進。沖擊力是衡量液壓動力頭性能的重要指標之一。在砂卵石地層與巖石地層中鉆進時，若沖擊力不足，會出現卡死現象[1]。因此，需對動力頭核心部件進行優化設計，增加動力頭沖擊力。

正交試驗是一種在工程領域應用廣泛的科學實驗方法。向青春、張偉、邱克強等人為減少鑄件縮孔縮松率，通過正交試驗對鑄造工藝進行了優化[2]。曹麗華、林阿強、張巖等人為提高排氣缸氣動性能，通過正交試驗對導流環進行了優化[3]。通過正交試驗對水平鉆機動力頭沖擊力的影響因子進行分析，能夠確定各影響因子的影響程度與最佳參數等[4]。

運用ANSYS Workbench有限元分析軟件可以對旋轉沖擊型動力頭進行動力學模擬分析[5]。利用Solidworks對動力頭進行三維建模，將模型導入ANSYS Workbench動力學分析模塊進行動力學分析，可以得到模擬的實驗結果。目前，ANSYS動力學分析在工程領域應用十分廣泛。胡瑾、孟文俊通過ANSYS對輸送機滾筒進行動力學分析，為滾筒的設計提供理論依據[6]。姜鑫通過ANSYS對機械臂底座進行動力學分析與優化，為底座的改進提供理論依據[7]。在正交試驗過程中，利用模擬實驗結果進行實驗分析，可以縮小實驗范圍，為實物實驗提供參考。利用ANSYS有限元分析技術與正交試驗相結合，可以大大縮短產品設計周期，降低產品開發成本，為產品優化設計提供可靠的理論依據[8]。

1 動力頭結構分析

旋轉沖擊型液壓動力頭主要由齒輪箱體、液壓馬達、后缸體、蓄能器、氮氣室等幾部分組成[9]，如圖1所示。液壓馬達通過齒輪傳動驅動齒輪箱中的齒輪軸做旋轉運動。后缸體中的活塞在氮氣爆發的作用下，做沖程運動，撞擊前方齒輪箱體中的齒輪軸，使齒輪軸旋轉的同時做沖擊運動[10]。

圖1 動力頭結構圖

2 DOE實驗方案的確定

2.1 實驗指標

旋轉沖擊型動力頭齒輪箱中的齒輪軸的沖擊作用由后缸體中的活塞沖擊提供。因此，當蓄能沖擊器的頻率與功率一定時，以活塞對齒輪軸的沖擊力為正交試驗的實驗指標。

2.2 實驗因子

根據活塞對齒輪軸的沖擊力的影響因素來確定實驗因子。沖程活塞通過氮氣爆發做沖程運動沖擊齒輪軸尾端，產生沖擊效果，沖程活塞直徑與齒輪軸尾端直徑對沖擊力有一定影響。沖程活塞與齒輪軸尾端的距離為活塞行程，該距離也會對沖擊力一定影響。

因此，本文選取活塞行程A、齒輪軸尾端直徑B、沖程活塞直徑C作為DOE實驗因子。三種影響因子之間交互作用很小，因此忽略不計[11]。每種因子具有3個水平，如表1所示。

表1 DOE實驗因素水平表

2.3 DOE正交實驗設計

采用正交實驗可以顯著降低實驗次數，根據實驗因素水平數綜合考慮，選擇L9(34)正交表進行正交試驗，選用前三列，如表2所示。

表2 正交實驗表

2.4 CAE仿真模擬實驗

將三維模型導入ANSYS Workbench模塊，通過定義接觸、劃分網格、添加約束、施加載荷與速度、分析設置、求解項等步驟對活塞與齒輪軸進行動力學分析[12]，對表2中9組因素水平組合分別進行模擬分析計算，分析界面如圖2所示。

圖2 ANSYS Workbench動力學分析圖

3 DOE模擬結果討論及分析

根據旋轉沖擊型液壓動力頭沖擊力確定DOE實驗指標：通過ANSYS Workbench動力學模擬活塞對齒輪軸的沖擊力。表3為9組DOE正交試驗方案實驗指標的動力學模擬分析結果。

表3 DOE正交試驗模擬計算結果

對比9組實驗結果，可以得出：第7組實驗，當活塞行程為120mm，齒輪軸尾端直徑為74mm，沖程活塞直徑為90mm時活塞對齒輪軸的沖擊力最大，為1.8503×105N。采用極差來定性分析3種實驗因子對實驗指標即沖擊力的影響。極差是實驗因子中最高水平均值與最低水平均值的差。極差值大，則對該因子對沖擊力的影響大，反之，影響小。以活塞行程這一因子對沖擊力的影響來舉例說明。

（1）計算活塞行程對沖擊力影響的均值（105N）

式中，KAX為活塞行程因子A取X水平(X=1,2,3)時對沖擊力影響的均值。

（2）計算極差（105N）

表4列出了各個因子對動力頭沖擊力影響的均值和極差。

表4 DOE實驗指標模擬結果的均值與極差

各個實驗因子對動力頭沖擊力的影響趨勢如圖3所示。根據3種水平的變化可以看出，沖程活塞直徑對沖擊力影響最大，其次是活塞行程，而齒輪軸尾端直徑影響最小。隨著活塞行程與沖程活塞直徑的增大沖擊力增大，而隨著齒輪軸尾端直徑的增大沖擊力減小，其中，活塞行程的第3水平，齒輪軸尾端直徑第1水平與沖程活塞直徑第3水平能夠取得最佳實驗指標即最大沖擊力，為1.8503×105N。

圖3 各因素對沖擊力影響趨勢

通過方差分析，定量分析各實驗因子與實驗誤差對實驗結果的影響程度。

（1）實驗誤差的離差平方和定量分析

（2）各實驗因子影響顯著性定量分析

表5 方差表

式中，Fx是影響動力頭沖擊力的實驗因子x(x=A,B,C)的離差平方和與誤差的離差平方和的比值，其大小反映了該因子對動力頭沖擊力影響程度的大小。

表5列出各因子與誤差的離差平方和、自由度，各因子的F比值、臨界值與顯著性，可以看出實驗誤差的離差平方和為5.6602E-05對實驗結果的影響較小，活塞行程A與沖程活塞直徑C對實驗指標影響的顯著性程度均為高度顯著（**為高度顯著），但沖程活塞直徑C比活塞行程A更加顯著。齒輪軸尾端直徑B對實驗指標影響的顯著性程度為不顯著。

通過極差與方差分析來定性與定量分析各個實驗因子對沖擊力的影響程度。當設計或制造條件限制時應根據實驗結果優先滿足對沖擊力影響程度大的因子的設計即沖程活塞直徑設計，其次滿足活塞行程設計，最后滿足齒輪軸尾端直徑設計。

4 結論

第一，基于正交試驗，對旋轉沖擊型液壓動力頭進行優化設計，提高動力頭沖擊力。其最佳設計方案為：活塞行程為120mm，齒輪軸尾端直徑為74mm，沖程活塞直徑為90mm。

第二，增加活塞行程與沖程活塞直徑會增加沖擊力，而增加齒輪軸尾端直徑會降低沖擊力。

第三，沖程活塞直徑對沖擊力的影響最顯著，其次是活塞行程，而齒輪軸尾端直徑對沖擊力的影響不顯著。

[1]玄令超，管志川，張會增，等.彈簧蓄能激發式旋轉沖擊鉆井裝置的研制[J].石油機械，2015，43（11）：18-21.

[2]向青春，張偉，邱克強，等.基于DOE的大型下架體鑄鋼件鑄造工藝優化研究[J].機械工程學報，2017，53（6）：88-93.

[3]曹麗華，林阿強，張巖，等.基于二次回歸正交實驗的排汽缸導流環優化設計[J].機械工程學報，2016，52（14）：157-164.

[4]胡磊，石君明，孫躍東，等.基于DOE的柴油機噴油系統參數優化研究[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2015，（6）：744-747.

[5]匡濤，秦戰生.基于ANSYS的水輪機推力軸承動力學分析[J].機械制造與自動化，2015，（1）：38-41.

[6]胡瑾，孟文俊.基于ANSYS Workbench帶式輸送機滾筒動力學分析[J].機械工程師，2015，（9）：49-51.

[7]姜鑫.基于ANSYS的FMS機械臂底座動力學分析與優化[J].機械制造，2016，54（1）：8-10.

[8]張海波，孫力偉.基于正交實驗的車頂蓋板沖壓工藝參數模擬研究[J].鍛壓技術，2017，42（4）：79-84.

[9]丁問司，黃曉東.氮爆式液壓沖擊器的仿真建模[J].華南理工大學學報（自然科學版），2010，38（2）：90-94.

[10]楊務滋，苗潤田，邱海靈.新型氮爆式液壓沖擊器的特性分析[J].鑿巖機械氣動工具，2006，（1）：11-15.

[11]劉瑞江，張業旺，聞崇煒，等.正交實驗設計和分析方法研究[J].實驗技術與管理，2010，27（9）：52-55.

[12]于濤，王月亮，范欣，等.基于ANSYS Workbench的八連桿壓力機動力學分析及優化設計[J].鍛壓技術，2016，41（8）：99-103.