開(kāi)口鉆機(jī)底板的靜力學(xué)分析

摘 要：開(kāi)口鉆機(jī)是用來(lái)打開(kāi)金屬液體出口的機(jī)械設(shè)備，其主要支撐部件底板的強(qiáng)度剛度直接關(guān)系著整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行安全性和可靠性，那么底板的靜力學(xué)分析就成為校核底板強(qiáng)度剛度的一個(gè)必經(jīng)過(guò)程。文章通過(guò)對(duì)底板進(jìn)行建模、有限元分析等科學(xué)方法對(duì)底板的靜態(tài)工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，為得出底板強(qiáng)度剛度分析結(jié)論提供可靠數(shù)據(jù)，為后續(xù)對(duì)底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化做準(zhǔn)備。

關(guān)鍵詞：鉆機(jī)底板；有限元模型；靜力學(xué)分析

引言

開(kāi)口鉆機(jī)是用來(lái)打開(kāi)金屬液體出口的機(jī)械設(shè)備，較之前的人工開(kāi)口方式而言，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化操作，改善了工人勞動(dòng)條件，提高經(jīng)濟(jì)效益。作為開(kāi)口鉆機(jī)的重要支撐部件底板，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度直接關(guān)系著整個(gè)設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性，因此，對(duì)底板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度校核是十分必要的。底板的靜力學(xué)分析是校核底板強(qiáng)度剛度的一個(gè)前期準(zhǔn)備工作，為后續(xù)的校核工作提供可靠數(shù)據(jù)，因此，底板的靜力學(xué)分析必須足夠全面、足夠準(zhǔn)確。

1 底板靜力學(xué)分析

底板主要是由板件組成，板件與板件之間采用的螺栓連接，同時(shí)有左右兩個(gè)支撐掛耳連接底板。在兩個(gè)掛耳之間采用兩個(gè)10mm的薄板連接，受力部位為兩個(gè)U形槽。創(chuàng)建有限元模型不力求完美，要確保模型的準(zhǔn)確，不能失真。對(duì)于連接部分可以作為剛體處理，不再建立螺栓連接。板件的網(wǎng)格主要以四面體和六面體為主，可以提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。

1.1 創(chuàng)建有限元模型

創(chuàng)建有限元模型，明確分析目標(biāo)，指定周密的分析方案和實(shí)施計(jì)劃，包括簡(jiǎn)化模型和單元離散方案、載荷和約束施加方案等，盡量避免分析過(guò)程中的錯(cuò)誤和反復(fù)調(diào)試。好的方案是保證計(jì)算精度和計(jì)算效率的基礎(chǔ)。雖然在處理具體問(wèn)題可能有不同的步驟，但“心中有數(shù)”正是有經(jīng)驗(yàn)的基本數(shù)據(jù)，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行，少走彎路。

帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)的電機(jī)、電機(jī)與刀具連接件以及刀具的重量可以用等效的質(zhì)量來(lái)代替，三者質(zhì)量總和為60kg。結(jié)構(gòu)剛的密度為7850kg/m3，三者的質(zhì)量可以等效邊長(zhǎng)為197mm的正方體，位置放在電機(jī)原處的位置。由于鉆頭在進(jìn)給的過(guò)程中產(chǎn)生切削力，會(huì)帶給底板反作用力，所以在電機(jī)的正下面加了厚度為5mm厚的側(cè)面板，便于施加切削反力。該模型的轉(zhuǎn)化采用UG6.0和Workbench12.0直接連接，確保模型不失真，Workbench12.0模塊直接嵌入到UG6.0中，確保三維模型的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新。

1.2 靜力學(xué)分析

文章主要是針對(duì)電機(jī)及附件位置的兩種工況進(jìn)行靜力學(xué)分析。該兩種工況屬于鉆機(jī)工作時(shí)所處的兩個(gè)極限位置。

1.2.1 電機(jī)及附件處于最右端工況

最右端工況為電機(jī)初始位置，此時(shí)底板最右端受電機(jī)集中載荷的作用。經(jīng)過(guò)對(duì)底板的受力分析發(fā)現(xiàn)，底板是通過(guò)兩個(gè)勾子拉住壁墻的勾環(huán)受力的，真正受力的表面為一個(gè)圓柱面，即旋轉(zhuǎn)副。為了保證模擬受力的準(zhǔn)確性，在模型兩個(gè)U形槽中增加一個(gè)實(shí)體軸，還有電機(jī)的等效質(zhì)量模型，如圖1所示。實(shí)際模型中，回轉(zhuǎn)軸與U形槽是旋轉(zhuǎn)幅連接，故在幾何實(shí)體模型裝備的過(guò)程中增加了旋轉(zhuǎn)幅，凸臺(tái)與底板主體采用捆綁連接方式，與縫焊相似。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，約束和載荷的具體設(shè)定如圖2所示。圖中A處施加的為重力加速度，圖中B處（左右兩個(gè)掛耳上的圓柱孔）施加的為圓柱形支撐，不限制支撐處繞孔中心旋轉(zhuǎn)的自由度，圖中C處為牽引繩索和底板的連接處，由于底板靠平衡塊的繩索來(lái)牽引，平衡塊重64KG，重力為640N。繩子與底板的夾角為61°，經(jīng)過(guò)受力分解，繩子對(duì)底板垂直向上牽引力為560N，水平向左牽引力為310N。圖中C處為施加的集中牽引力。圖中D、E兩處為鉆頭給進(jìn)的過(guò)程對(duì)底板施加的切削反力，此時(shí)假設(shè)鉆頭按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，經(jīng)計(jì)算得：

根據(jù)計(jì)算公式：P=T*n/9550

已知：電機(jī)功率：3.7KW

轉(zhuǎn)速：120轉(zhuǎn)/分

鏈輪分度圓直徑：125.5mm

可算出：F=4.6926KN

左右兩側(cè)分別為一半：FD=FE=2.3463KN

方向如圖3所示。圖中F處為旋轉(zhuǎn)軸施加的圓柱支撐，且繞圓柱中心旋轉(zhuǎn)自由度設(shè)定為自由，其他自由度限制。

1.2.2 電機(jī)及附件處于最左端工況

當(dāng)鉆頭開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)，電機(jī)及其附件開(kāi)始從右向左移動(dòng)，直至空鉆通，此時(shí)電機(jī)及其附件處于底板的最左端。有限元模型如圖3所示。

當(dāng)電機(jī)及附件處于底板最左端時(shí)，約束和載荷具體設(shè)定如圖4所示。圖中約束和載荷的施加與前者工況相同。只是電機(jī)所處的位置不同，故切削力施加的位置不同。

2 結(jié)束語(yǔ)

鉆機(jī)底板的靜力學(xué)分析是對(duì)鉆機(jī)底板進(jìn)行強(qiáng)度剛度分析的前期準(zhǔn)備，是必不可少的。只有準(zhǔn)確的靜力學(xué)分析，才能為后續(xù)的有限元分析提供有力的數(shù)據(jù)，從而得到在不同的工況下，鉆機(jī)底板的受力云圖。之后通過(guò)對(duì)受力云圖的解讀，才能得知在不同工況下，主要承載部件-底板最薄弱、最易變形的具體位置，并且通過(guò)解讀有限元分析得出的數(shù)據(jù)來(lái)判定在不同工況下部件有沒(méi)有損壞、有沒(méi)有變形，變形會(huì)不會(huì)影響設(shè)備的運(yùn)行精度等一系列后續(xù)問(wèn)題。如若工作中部件有損壞或是變形過(guò)大影響了運(yùn)行精度，或是強(qiáng)度剛度都滿足要求但成本太高，材料過(guò)于浪費(fèi)，還要對(duì)部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后再次進(jìn)行有限元分析，從而得到最優(yōu)產(chǎn)品。

作者簡(jiǎn)介：袁媛（1983-），女，河北張家口人，講師，主要從事機(jī)械制造專業(yè)的教學(xué)與研究。