JS150旋挖鉆機桅桿有限元分析與優(yōu)化設(shè)計

□ 赫瀾濤

柳工常州機械有限公司 江蘇常州 213000

1 研究背景

隨著城市地鐵、高架橋梁、房屋建設(shè)等施工需求的不斷增加,以及復(fù)雜工況問題的日益顯現(xiàn),旋挖鉆機的穩(wěn)定性要求日益提高[1]。旋挖鉆機主要包括行走機構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺、工作裝置及鉆具等,通過配置不同的作業(yè)裝置,可以實現(xiàn)不同的鉆孔作業(yè),達到一機多用的功效[2]。桅桿是旋挖鉆機在施工過程中的關(guān)鍵受力部件[3],其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接影響整機穩(wěn)定性,以及鉆挖系統(tǒng)及施工過程中的安全性。筆者以JS150旋挖鉆機桅桿為研究對象,在實際工況反饋及受力分析的基礎(chǔ)上,對桅桿進行有限元靜力學(xué)分析,進一步驗證桅桿產(chǎn)生開裂和彎曲的主要部位及原因,為桅桿進一步優(yōu)化提供理論依據(jù)[4-6]。

2 桅桿力學(xué)分析

通過售后維修記錄可以發(fā)現(xiàn),桅桿的開裂和彎曲問題都出現(xiàn)在中桅桿轉(zhuǎn)盤和下鉸鏈座之間。中桅桿是桅桿組成的最長一段,整根桅桿通過中桅桿的兩個鉸接座與鉆機車體相連,因此中桅桿的受力最為復(fù)雜,受力狀況最為惡劣。同時,中桅桿也是桅桿、三角架、桅桿油缸構(gòu)成的三角形結(jié)構(gòu)中的一邊。JS150旋挖鉆機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 JS150旋挖鉆機結(jié)構(gòu)

在施工過程中,旋挖鉆機給樁孔一個豎直向下的壓力,同時旋挖鉆機受到相同大小的反力,該反力作用于旋挖鉆機的鉆頭中心處,通過鉆桿傳遞至桅桿及整機上。視主機為剛性體,轉(zhuǎn)盤為剛性鉸支點,桅桿油缸支座為可滑動鉸支座。在樁孔反作用力的作用下,壓力通過動力頭傳遞至桅桿上,等效為對桅桿的一個向上的力和一個逆時針的彎矩。向上的力實際就是加壓油缸所提供的壓力。加壓油缸缸體與桅桿通過鉸座相連,可自由轉(zhuǎn)動,因此加壓油缸不承受彎矩。逆時針的彎矩由動力頭作用于桅桿體的導(dǎo)軌,可使兩鉸支點間的桅桿部位產(chǎn)生彎曲。

桅桿受彎矩后,一側(cè)受壓應(yīng)力,另一側(cè)受拉應(yīng)力,存在彎曲變形的可能性。當(dāng)桅桿受拉應(yīng)力一側(cè)鋼板屈服變形時,桅桿發(fā)生整體彎曲變形。從整體來看,加壓油缸提供的壓力可視為桅桿內(nèi)力,等同于動力頭固定于桅桿上。當(dāng)旋挖鉆機出現(xiàn)翹頭現(xiàn)象時,油缸加壓即達到極限,旋挖鉆機整體達到力矩平衡,通過計算便可直接得出旋挖鉆機的整體受力。

在不斷增大壓力的過程中,旋挖鉆機經(jīng)常會出現(xiàn)翹頭現(xiàn)象。此時,等同于整個旋挖鉆機的質(zhì)量由鉆頭和履帶后側(cè)承擔(dān)。在這一工況下,視履帶一邊為支點,整機達到力矩平衡,鉆頭受到的支反力最大,對桅桿產(chǎn)生的彎矩也最大。

JS150旋挖鉆機總質(zhì)量約為45 t,根據(jù)力矩平衡進行計算:

45×(627+1 775)=T×(3 725+1 775)

(1)

式中:T為加壓質(zhì)量。

計算得T為19.65 t。

平移等效后,得到彎矩M為:

M=19.65×0.9=17.685 t·m=176.85 kN·m

旋挖鉆機在工作中,桅桿受力情況及彎矩如圖2所示。

▲圖2 桅桿受力情況與彎矩

由圖2可知危險區(qū)域是受彎矩較大、抗彎剛度較小的位置。售后維修記錄證明,目前桅桿發(fā)生彎曲及開裂的問題都處于圖2中的危險區(qū)域。根據(jù)疲勞許用應(yīng)力的要求,旋挖鉆機桅桿應(yīng)滿足應(yīng)力不大于79 MPa的條件。

3 有限元分析

對模型進行網(wǎng)格劃分,設(shè)桅桿的網(wǎng)格大小為30 mm,其它部分采用自由網(wǎng)格劃分。桅桿體的有限元分析模型共有280 773個節(jié)點、143 603個單元[7-10]。外端面為鉆桿中心軸所處的豎直面,在該外端面施加176.85 kN·m彎矩,即鉆桿的等效力偶矩。

為模擬桅桿的真實運動,在油缸支座處增加一個軸零件,與支座實現(xiàn)轉(zhuǎn)動連接,再對軸施加X向滑動位移約束。對轉(zhuǎn)盤施加轉(zhuǎn)動圓柱約束,可以實現(xiàn)桅桿彎曲和滑動運動。桅桿施加約束和載荷如圖3所示。

▲圖3 桅桿施加約束和載荷

完成邊界條件約束及載荷施加后,即可對桅桿有限元模型進行求解。應(yīng)力云圖如圖4所示。

根據(jù)對疲勞應(yīng)力的估算,Q345鋼板應(yīng)力應(yīng)滿足不大于79 MPa的條件。由圖4可以看出,加強板邊緣為危險區(qū)域,危險區(qū)域應(yīng)力處于80 MPa～110 MPa之間,不能滿足上述條件。因此在施工過程中,桅桿可能會出現(xiàn)開裂和屈服變形。針對上述分析結(jié)果,筆者對桅桿采取了相應(yīng)的改進措施。

4 優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化隔板塞焊形式,將原長條塞焊孔改為圓形塞焊孔,減小焊接應(yīng)力集中,如圖5所示。

優(yōu)化轉(zhuǎn)盤筋板結(jié)構(gòu)。原設(shè)計中筋板多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,焊縫集中,內(nèi)應(yīng)力大。改進后結(jié)構(gòu)簡單,應(yīng)力集中程度高。優(yōu)化前后轉(zhuǎn)盤筋板結(jié)構(gòu)如圖6所示。

增大鋼板厚度和強度。為增強桅桿的抗彎能力,將中桅桿的后面板和側(cè)板的材料由Q345A鋼更換為Q460C鋼。桅桿的抗拉性能加強后,即可提高桅桿整體的抗彎性能。優(yōu)化后桅桿結(jié)構(gòu)如圖7所示。

▲圖4 桅桿應(yīng)力云圖

▲圖5 隔板塞焊形式▲圖6 轉(zhuǎn)盤筋板結(jié)構(gòu)

▲圖7 優(yōu)化后桅桿結(jié)構(gòu)

對優(yōu)化后的桅桿進行仿真計算。計算結(jié)果證明,優(yōu)化后桅桿危險區(qū)域處的應(yīng)力已大大減小,使桅桿在正常使用過程中出現(xiàn)開裂和彎曲變形的可能性大大降低。優(yōu)化后桅桿應(yīng)力云圖如圖8所示。

▲圖8 優(yōu)化后桅桿應(yīng)力云圖

由圖8可以看到,經(jīng)過優(yōu)化后的桅桿在相同的邊界條件下,危險區(qū)域的應(yīng)力大大減小,應(yīng)力值處于50 MPa～72 MPa之間。該模型材料為Q460C鋼,屈服值較Q345A鋼更高,因此優(yōu)化后桅桿滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

采用優(yōu)化措施,優(yōu)化后JS510旋挖鉆機桅桿的有限元分析結(jié)果表明,桅桿的抗彎強度已明顯提高,目前尚無優(yōu)化后桅桿出現(xiàn)彎曲及開裂現(xiàn)象,JS510旋挖鉆機均使用正常。

綜上所述,原JS510旋挖鉆機桅桿設(shè)計中存在不足之處,在使用中存在開裂和彎曲變形的可能性。優(yōu)化后JS510旋挖鉆機桅桿具備較大的安全裕量,滿足現(xiàn)有的設(shè)計要求。