基于Creo的旋挖鉆機桅桿載荷分布計算*

任城鈺，賀廣迎，李祥康

(徐州雷曼機械科技有限公司，江蘇 徐州 221600)

0 引 言

旋挖鉆機設計中桅桿的設計尤為重要，它不僅承受軸向力、彎矩和剪力載荷，壓桿穩定也是重要的考量。由于桅桿的受力較為復雜，在設計初期快速掌握桅桿載荷分布，實時修改桅桿截面的設計，對旋挖鉆機桅桿設計工作者十分必要。筆者通過參數化軟件Creo/Simulate合理建模，在設計的過程中可即時獲得桅桿載荷分布。通過對桅桿簡化模型的有限元分析，可以十分快捷準確為結構設計人員提供所需的要的信息，可以很大程度上減輕設計人員的計算量。

1 桅桿簡介

旋挖鉆機的桅桿包括鵝頭、桅桿上節、桅桿中節和桅桿下節。桅桿在工作過程中豎直方向首先是程序自主調整，然后由機手鎖定。桅桿的固定約束都在桅桿中節上。在桅桿中節底部有一個釋放2個旋轉自由度的類似萬向節結構，該結構約束桅桿的4個自由度(三個位移和一個旋轉)。在桅桿中節中部連接著兩個液壓油缸(傾缸)，兩個油缸組合控制著桅桿的前傾和側傾。本文以某機型的桅桿為例，簡要介紹桅桿建模的約束與載荷分布計算。

桅桿截面的基本尺寸如圖1所示。桅桿的基本尺寸如圖2所示。桅桿受力簡圖如圖3所示。

圖1 桅桿截面

圖2 桅桿簡圖 圖3 桅桿受力簡圖

初始設計截面特性如下：

A=2.62e+4mm2

2 桅桿的兩個極限工況

卷揚全力提升和動力頭全力加壓是桅桿工作的兩個極限工況。該機型的最大設計提升力為280 kN，最大加壓180 kN。

即有工況一：

F1=280 (kN)

結果見圖3所示。

工況二：依據力的等效平移法則，將鋼絲繩的拉力平移到滑輪中心。

依據動力頭受力矩平衡，有：

結果見圖3所示。

3 建立Creo/Simulate理想梁模型

依據截面質量屬性設置桅桿截面特性，并應用到梁截面設置中；油缸設置圓管截面，外徑226 mm，內徑125 mm，近似代替油缸模型，由于使用的是小變形的線性分析，該近似模型對約束載荷的求解結果影響很小。建立模型如圖4。分別設置1、2，4、5，6、7，8、9，10、11、12為剛性連接。

圖4 梁截面模型

設置約束：1處約束三個位移自由度；1、2之間約束視圖方向的位移自由度；3處約束三個位移自由度；3、4連接桿在4處約束一個桿軸向的旋轉自由度。如圖5所示。

圖5 約束及連接點

指定材料為鋼，泊松比0.27，楊氏模量200 GPa。分別對兩個極限載荷應用靜態結構分析并運行。得到桅桿軸向力、剪力、彎矩曲線圖。見圖6、7所示。

圖6 卷揚極限載荷分布

圖7 加壓油缸極限載荷分布

桅桿的軸向力是壓桿穩定計算的條件，根據剪力和彎矩可以計算相應的最大應力，根據應力合成公式獲得最大合成應力。這些可以在結構設計完成后由軟件自行完成計算。但是在結構設計還沒有完成只是構想的條件下沒有充分的模型基礎，無法使用有限元軟件對應力進行計算。使用該方法就顯得十分快捷。在獲得桅桿必要的載荷數據的情況下對桅桿進行合理結構布局，并做及時設計調整。

4 結 論

Creo/Simulate仿真模塊可以和Creo/Parametric建模模塊無縫連接，可以方便快捷的計算桅桿的載荷分布。產品設計開發初期需要根據載荷分布頻繁調整的模型，模型的變化來又會影響產品的載荷分布。對于這種頻繁修改模型和載荷的情況，Creo/Simulate和Creo/Parametric尤為適用。這一功能可以方便快捷的協助設計人員完成產品初期的模型設計和載荷的校驗工作。