基于風載、地震載荷下的鉆機底盤有限元分析

郭迎輝

摘要：從風載地震載荷兩個方面建立鉆機底盤有限元分析體系，得到了應力、應變、模態三種指標，并對鉆機底盤在常規加載狀態下進行了疲勞分析，通過分析結果的云圖數據獲得了鉆機底盤的強度、剛度、振動頻率、壽命的數據結果表明鉆機底盤強度、剛度滿足，工作不會共振，壽命滿足使用要求。

Abstract： The finite element analysis system of the drilling rig chassis is established from two aspects of wind load and earthquake load， and three indexes of stress， strain and mode are obtained. The fatigue analysis of the drilling rig chassis is carried out under the normal loading state. The data of the strength， rigidity， vibration frequency and life of the drilling rig chassis are obtained from the cloud chart data of the analysis results. The results show that the strength and rigidity of the drilling rig chassis meet the requirements of working It will not resonate， and its service life meets the requirements.

關鍵詞：鉆機底盤;風載;地震載荷;有限元分析

Key words： the chassis of drilling rig;wind load;earthquake load;finite element analysis

0 ?引言

GF-MX50錨固旋噴鉆機（以下簡稱鉆機）適用于水利、鐵路、公路邊坡及工、民建筑等軟地基加固、防滲防漏旋噴樁施工工藝等。由于該鉆機作業時屬于野外作業，工況比較惡劣，也會有突發事件包括大風、地震的發生，為了應對突發事件的結構設計的合理性，就有必要對鉆機的主要部件之一的底盤進行在大風、地震狀態下的應力分析。因此，分析與掌握鉆機主要承載部件的底盤特性是解決鉆機惡劣環境下工作的首要任務。

進入21世紀后，我國相繼研發了多款新型巖心鉆機，但是在地質鉆桿的擰卸、移送和擺放等自動化發展上始終沒有實質性突破[1-2]。TSJ-2000水源鉆機主要用于井礦鹽鉆井施工，由于自帶底座結構簡單低矮，已不能滿足施工工藝要求，于是重新設計底座，底座設計除滿足基本的受力分析和承載力校核之外[3-4]，還需要對鉆機底座的固有頻率和振動形態進行分析，因為鉆機工作過程中，底座上部設備運動激勵使其產生共振，會削弱鉆機整體的結構強度，影響結構安全以及人員的工作環境[5]。上述文獻雖然研究較全面，但是沒有涉及到風載、地震載荷下的鉆機底盤的仿真分析和鉆機底盤普通載荷下的疲勞分析，因而存在一定問題。

鉆機底盤主要是由槽鋼焊接而成，在作業的時候由于環境的惡劣會產生變形，對鉆機的正常作業造成破壞性的影響。本文將從風力8級、地震7級惡劣環境下兩個方面對鉆機底盤進行有限元分析。分析出鉆機底盤的最大應力、最大撓度。并對鉆機底盤進行疲勞分析得出鉆機的壽命。該論文對工程機械強度提高的結構改進和材料的改進提供了重要的參考價值。

1 ?鉆機底盤的數學模型的建立與受力分析

鉆機的實體模型圖如圖1所示，主要由主梁、升舉裝置、底盤、底座等組件構成。鉆機的底盤的受力主要來自于主梁工作時的反力、以及底盤4個支腿上承受的重力、風載荷、地震載荷。受力圖如圖2所示，F1為反力、F2為風載荷、F3（1-4）為地震載荷在每個支腿的分力，G（1-4）為鉆機底盤所承受的重力在每個支腿的分力。

1.1 風載荷的計算

風力設定為7級大風時的風載荷的計算如下：

1.3 其他力的計算

鉆機底盤的四個油缸之腿上共承受30kN的重力，則每個支腿上所承受的重力為7.5kN，鉆機主梁上所受的力為40kN。把鉆機主梁上的力平移至鉆機底盤并附加一力偶則附加的力偶的大小經計算為75600N.m，把風載荷的力平移至鉆機底盤并附加一力偶，附加力偶的大小為157.6N·m。

2 ?應力應變模態分析過程及結果

通過外部文件導入到ANSYS Workbench中建立幾何模型如圖3所示。加載如圖4所示，加載的載荷為4個支腿上的30kN的重力載荷，4個之腿上的地震載荷0.850kN，風載荷為0.0985kN，鉆機主梁工作載荷傳到底盤中間的40kN的載荷。

鉆機底盤經加載和約束后應力云圖如圖5所示，位移云圖如圖6所示，模態前6階的頻率如圖7所示。從應力云圖中可以得出鉆機最大應力為125MPa，鉆機底盤是由型材焊接而成的，主要包括槽鋼、矩管、工字鋼、厚板，材料均為Q235，當安全系數取1.5為較高可靠性時，該材料的許用應力為156MPa。從應力云圖可知當底盤承受地震載荷和風載時強度滿足要求。從位移云圖可知鉆機底盤最大變形為1.24mm，而鉆機底盤的許用的最大變形為1.993。底盤承受地震載荷和風載時剛度滿足要求。

圖7只給出了起主要作用的前6階頻率，由圖7可知鉆機底盤的固有頻率大約是55Hz，而鉆機工作時的頻率與該頻率差別較大，表明工作時不會出現共振。

3 ?疲勞分析過程及結果

去除風載荷地質載荷重新進行靜力學分析，在靜力學分析的基礎上進行疲勞分析，在靜力分析后的求解器中插入疲勞分析工具，并設定疲勞分析工具的參數，疲勞強度因子為0.8，應力修正理論采用Goodman修正理論，設定好參數后，插入壽命和疲勞安全系數。得到壽命結果云圖如圖8所示，安全系數云圖如圖9所示。從壽命云圖可以得出鉆機底盤的最大壽命為106，若機器每天工作100次，每年工作365天，則經計算該鉆機底盤的壽命為27年，則鉆機底盤的壽命滿足設計要求。從安全系數云圖可知最大疲勞安全系數為15，最小疲勞安全系數為1.488。

4 ?結束語

本文采用風載荷、地震載荷的方法添加在鉆機底盤上，對鉆機底盤的應力、應變、模態、疲勞特性進行了分析，通過分析得到了一系列云圖，證明了該鉆機底盤在承受風載、地震載荷作用下強度、剛度、滿足設計要求。最后針對壽命進行了仿真，證明了鉆機底盤的壽命滿足設計要求。本文方法具備通用性，為后期的設計提供了理論依據。而在結構設計方面，可以作為其他結構設計的參考依據。

參考文獻：

[1]朱江龍.地質深孔電動頂驅鉆進系統的研究與應用[D].中國地質大學（北京），2015.

[2]王達，李藝，周紅軍，等.我國地質鉆探現狀和發展前景分析[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2016，43（4）：1-9.

[3]文洪莉，高學仕，等.ZJ70DB型鉆機底座承載能力的有限元分析[J].石油礦場機械，2007，36（11）：36-38.

[4]陳征，高偉，等.淺談TSJ-2000水源鉆機底座設計[J].中國井礦鹽，2016，47（2）：19-21.

[5]王慶群，華劍，等.基于ANSYS的深井鉆機底座模態分析[J].石油機械，2013，41（7）：25-27.