開口鉆機底板的靜力學分析

摘 要：開口鉆機是用來打開金屬液體出口的機械設備，其主要支撐部件底板的強度剛度直接關系著整個設備的運行安全性和可靠性，那么底板的靜力學分析就成為校核底板強度剛度的一個必經過程。文章通過對底板進行建模、有限元分析等科學方法對底板的靜態工況進行靜力學分析，為得出底板強度剛度分析結論提供可靠數據，為后續對底板結構進行優化做準備。

關鍵詞：鉆機底板；有限元模型；靜力學分析

引言

開口鉆機是用來打開金屬液體出口的機械設備，較之前的人工開口方式而言，實現了機械化操作，改善了工人勞動條件，提高經濟效益。作為開口鉆機的重要支撐部件底板，其結構強度剛度直接關系著整個設備運行的安全性和可靠性，因此，對底板結構的強度剛度校核是十分必要的。底板的靜力學分析是校核底板強度剛度的一個前期準備工作，為后續的校核工作提供可靠數據，因此，底板的靜力學分析必須足夠全面、足夠準確。

1 底板靜力學分析

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

1.1 創建有限元模型

創建有限元模型，明確分析目標，指定周密的分析方案和實施計劃，包括簡化模型和單元離散方案、載荷和約束施加方案等，盡量避免分析過程中的錯誤和反復調試。好的方案是保證計算精度和計算效率的基礎。雖然在處理具體問題可能有不同的步驟，但“心中有數”正是有經驗的基本數據，按照一定的標準流程進行，少走彎路。

帶動鉆頭旋轉的電機、電機與刀具連接件以及刀具的重量可以用等效的質量來代替，三者質量總和為60kg。結構剛的密度為7850kg/m3，三者的質量可以等效邊長為197mm的正方體，位置放在電機原處的位置。由于鉆頭在進給的過程中產生切削力，會帶給底板反作用力，所以在電機的正下面加了厚度為5mm厚的側面板，便于施加切削反力。該模型的轉化采用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，確保三維模型的數據實時更新。

1.2 靜力學分析

文章主要是針對電機及附件位置的兩種工況進行靜力學分析。該兩種工況屬于鉆機工作時所處的兩個極限位置。

1.2.1 電機及附件處于最右端工況

最右端工況為電機初始位置，此時底板最右端受電機集中載荷的作用。經過對底板的受力分析發現，底板是通過兩個勾子拉住壁墻的勾環受力的，真正受力的表面為一個圓柱面，即旋轉副。為了保證模擬受力的準確性，在模型兩個U形槽中增加一個實體軸，還有電機的等效質量模型，如圖1所示。實際模型中，回轉軸與U形槽是旋轉幅連接，故在幾何實體模型裝備的過程中增加了旋轉幅，凸臺與底板主體采用捆綁連接方式，與縫焊相似。

根據現場工況，約束和載荷的具體設定如圖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牽引，平衡塊重64KG，重力為640N。繩子與底板的夾角為61°，經過受力分解，繩子對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兩處為鉆頭給進的過程對底板施加的切削反力，此時假設鉆頭按順時針旋轉，經計算得：

根據計算公式：P=T*n/9550

已知：電機功率：3.7KW

轉速：120轉/分

鏈輪分度圓直徑：125.5mm

可算出：F=4.6926KN

左右兩側分別為一半：FD=FE=2.3463KN

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

1.2.2 電機及附件處于最左端工況

當鉆頭開始鉆進時，電機及其附件開始從右向左移動，直至空鉆通，此時電機及其附件處于底板的最左端。有限元模型如圖3所示。

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

2 結束語

鉆機底板的靜力學分析是對鉆機底板進行強度剛度分析的前期準備，是必不可少的。只有準確的靜力學分析，才能為后續的有限元分析提供有力的數據，從而得到在不同的工況下，鉆機底板的受力云圖。之后通過對受力云圖的解讀，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，并且通過解讀有限元分析得出的數據來判定在不同工況下部件有沒有損壞、有沒有變形，變形會不會影響設備的運行精度等一系列后續問題。如若工作中部件有損壞或是變形過大影響了運行精度，或是強度剛度都滿足要求但成本太高，材料過于浪費，還要對部件的結構進行優化，優化后再次進行有限元分析，從而得到最優產品。

作者簡介：袁媛（1983-），女，河北張家口人，講師，主要從事機械制造專業的教學與研究。