潛孔鉆機單支腿支撐平臺受力分析

2016-09-08 07:53:24趙宏強周茂賢傅斯龍

工程設計學報 2016年4期

趙宏強, 周茂賢, 陳　慶, 傅斯龍

(1. 中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室, 湖南長沙 410083；2. 山河智能裝備股份有限公司國家級企業技術中心, 湖南長沙 410100)

潛孔鉆機單支腿支撐平臺受力分析

趙宏強1,2, 周茂賢1, 陳慶1, 傅斯龍1

(1. 中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室, 湖南長沙 410083；2. 山河智能裝備股份有限公司國家級企業技術中心, 湖南長沙 410100)

在潛孔鉆機支撐平臺結構設計時,存在工況考慮相對簡單、忽視誤操作導致極限工況等問題.為研究不同工況下平臺的危險區域,詳細地對潛孔鉆機單支腿支撐的平臺進行受力分析,確定正常和極限工況,基于力學平衡理論和變形相容條件,建立其力學模型,利用ANSYS對平臺進行靜力學有限元分析,得出各個工況下平臺的最大應力、變形以及局部應力集中區域.結果表明：極限工況下,平臺的最大應力、變形值均超過正常工況,且該結構大部分區域處于低應力狀態,具有一定的靜強度,符合工況的設計要求.研究結果為平臺結構的優化提供參考.

潛孔鉆機; 平臺; 力學分析; 有限元分析; 應力應變

潛孔鉆機是沖擊器潛入孔內而回轉機構在孔外帶動鉆桿旋轉,主動輪持續提供推進力使其向礦巖鉆進的設備[1].它廣泛應用于鉆鑿炮孔中,具有鉆孔直徑大、鉆孔深、鉆孔效率高、適用范圍廣等特點,是當前通用的大型鑿巖鉆孔設備[1-2].因此,研究潛孔鉆機關鍵部件具有十分重要的理論意義和實用價值.機架平臺作為潛孔鉆機重要的承載結構件,不同作業環境影響其受力,并且因誤操作而導致的極限工況對平臺的破壞程度大.目前,對潛孔鉆機平臺的研究主要集中在鉆進和提鉆工況下平臺受力分析和改進方面[3],而未對誤操作導致的極限工況下的平臺進行研究,因此具有一定的片面性.基于此,本文對正常和極限工況下的平臺進行受力分析和有限元分析,找到危險區域,為平臺結構的設計提供參考.

1　潛孔鉆機的工作原理及工況分析

1.1潛孔鉆機的結構及工作原理

1—底盤；2—平臺；3—支腿；4—空壓機；5—除塵系統；6—舉升油缸；7—滑架支座；8—滑架體；9—補償油缸；10—卸桿庫；11—主動輪；12—回轉器；13—鉆桿；14—鉆架；15—司機室；16—卸桿器.圖1　潛孔鉆機結構Fig.1　Structure of down-the-hole drill

架式潛孔鉆機的結構如圖1所示.潛孔鉆機行走至指定鉆孔位置后,根據鉆孔作業環境調整支撐平臺的支腿個數,通過操作舉升油缸和補償油缸,調整潛孔鉆機工作裝置姿態使鉆架垂直于地面并且下支點支撐在作用面,潛孔鉆機即可鉆孔作業.沖擊器潛入孔內給鉆頭施加沖擊力而回轉機構在孔外帶動鉆桿回轉,同時主動輪持續提供推進力.鉆孔作業產生的巖渣和粉塵由高風壓排出孔底.待主鉆桿完全鉆入孔內后,卸桿裝置將鉆桿庫中的副鉆桿與主鉆桿連接而繼續鉆孔作業,直至鉆孔達到指定要求,提升鉆桿并將副鉆桿卸至鉆桿庫,操作舉升油缸和補償油缸至初始姿態,最后提升支腿離地即可行走.

1.2工況分析

根據潛孔鉆機實際作業環境,操作者可調整支腿油缸支撐平臺來確保在作業過程中平臺的相對穩定性,因此支撐平臺的支腿數量可從0增至4,論文僅詳細分析1個支腿支撐平臺的正常工況和極限工況.在潛孔鉆機鉆孔作業完成后,正常操作為提升鉆桿、鉆架以及支腿油缸,才能行走,此為正常工況；但有時因操作不當導致鉆架或支腿油缸未提升而潛孔鉆機已行走,此為極限工況.極限工況因操作者的疏忽導致,在潛孔鉆機實際鉆孔作業中不常發生,但對平臺的破壞程度高,需著重加以分析.

2　數學模型的建立

潛孔鉆機機架平臺受力分為三大部分：平臺上零部件的重力(恒定的),工作裝置對平臺的作用力(由滑架體與滑架體支座處的約束反力和舉升油缸提供的主動力構成),支腿油缸對平臺的支撐反力(由實際工況決定).本文以湖南山河智能機械股份有限公司研制的SWDA200C型潛孔鉆機為研究對象.

在潛孔鉆機作業過程中,整個工作裝置垂直于地面并且下支點支撐在作用面,補償油缸的壓力取12 MPa,以滑架體為研究對象,進行受力分析[4-8]，如圖2所示.

圖2　滑架受力分析圖Fig.2　Mechanical analysis of the carriage device

∑FX=0，即

FV×sinβ+FUx=0,

(1)

∑FZ=0，即

FV×cosβ+F1-G1+FUz=0,

(2)

∑MU(F)=0，即

FV×sinβ×b1+G1×a1-F1×a1=0，

(3)

式中：FUx，FUz為滑架支座與滑架體處約束反力在X，Z軸上的分量；FV為舉升油缸的載荷；F1為補償油缸對滑架體的作用力,F1=53 694N；G1為滑架體重量,G1=10 519.8N；β=arctan(a2/b2)，為舉升油缸與滑架體之間的夾角,β=12.72°；a1，a2，b1，b2的定義見圖2,a1=254mm，a2=524mm，b1=1 500mm，b2=3 382mm.

可得：

整個潛孔鉆機重心O點相對O′(平臺與底盤焊接中心點)的位置為：

(4)

(5)

式中：Gi為平臺上零部件(如空壓機、發動機等)的重量,其總重為251 368.7 N;Xi,Yi為零部件的重心與中心O′點間的距離在X,Y軸上的分量.

2.1正常工況

僅1個支腿和3/4履帶支撐即可保證平臺穩定的工況下,又可分為4種情況,本文只討論其中一種,其余3種類似.平臺上各關鍵點位置分析如圖3,重心O點相對O′的位置坐標為(-457 mm,-48 mm),B′為支腿支撐點,相對O′點位置坐標為(2 150 mm,1 839 mm)；E′,G′,H′為履帶支撐點,相對O′點位置坐標分別為(-1 113 mm,1 195 mm),(1 110 mm,-1 195 mm),(-1 113 mm,-1 195 mm).

圖3　平臺上各關鍵點位置Fig.3　Locations of key-points of the platform

此力系屬于空間平衡力系,支腿和履帶支撐反力平行于Z軸(Z軸垂直于XOY平面),可知各支撐反力在X,Y軸上的分量以及對于Z軸的矩都為零,即∑FX≡0,∑FY≡0,∑MZ(F)≡0,因此,空間平衡力系只有3個平衡方程：

∑FZ=0,即

(6)

∑MX(F)=0，即

FE′z×lOE′y+FB′z×lOB′y+FG′z×lOG′y+FH′z×lOH′y=0，

(7)

∑MY(F)=0，即

FE′z×lOE′x+FB′z×lOB′x+FG′z×lOG′x+FH′z×lOH′x=0，

(8)

式中：FB′z為支腿支撐反力,FE′z，FG′z，FH′z為履帶支撐反力,為未知量；lOE′x，lOE′y為重心O點和履帶支撐點E′間距離在X，Y軸上的分量,lOE′x=656 mm,lOE′y=1 243 mm(由O，E′之間位置坐標得出),其余lOB′x，lOB′y，lOG′x，lOG′y，lOH′x，lOH′y亦是如此.由平衡方程可知,未知量個數多于方程個數屬于超靜定問題,為求解上述平衡方程可通過變形相容條件建立與平衡方程線性無關的方程[9].

現假設平臺是絕對剛性以簡化計算.由圖3中分析可知：如果潛孔鉆機重心O在4個支腿包圍的支撐面內,則支撐反力FE′z和FH′z合力FE′H′z的作用點J′在E′H′線段上,同理支撐反力FB′z和FG′z合力FB′G′z的作用點I′在B′G′線段上,并且J′,O,I′三點必在一條直線上,其延長線必與E′B′,H′G′延長線交于K′點,過O,I′,B′點分別作直線垂直于線段H′G′并相交于M′,Q′,R′點,過E′,I′點分別作直線垂直于線B′R′并相交于N′,P′點,如圖4所示.

圖4　平臺受力分析圖Fig.4　Mechanical analysis of the platform

由圖4幾何關系即可得出履帶支撐反力FE′z和FH′z的合力FE′H′z與FE′z，以及支腿支撐反力FB′z和履帶支撐反力FG′z的合力FB′G′z與FB′z的比例關系：

0.455 23，

(9)

0.437 99，

(10)

lB′N′為B′點與N′點之間的距離,其余lE′N′，lE′H′，lK′H′，lOM′，lJ′H′，lH′M′，lH′G′，lG′R′，lB′R′定義亦是如此.

將式(9)或(10)聯合式(6)至式(8)可得：

2.2極限工況

2.2.1極限工況1

由于操作者的疏忽未提升鉆架和支腿,此時鉆架和支腿的下支點支撐于作用面而潛孔鉆機已行走.滑架體與滑架支座處鉸點主要承擔使工作裝置轉動的作用力，而滑架體底部側面墊板承受滑架支座對其的作用力,因此滑架支座鉸點的約束反力在X軸上的分量與正常工況相比變化范圍很小,為簡化計算,可視為不變.以整個工作裝置為研究對象,其受力分析如圖5.列出平衡方程：

圖5　工作裝置受力分析圖Fig.5　Mechanical analysis of the working device

∑FX=0,即

FV×sinβ+FUx+F3-FW=0，

(11)

∑FZ=0，即

FV×cosβ+FUz-G2+F4=0，

(12)

∑MV(F)=0，即

FUx×b1+F3×(b1+b3)+F4×a4-FW×(b1+b4)-G2×a3=0，

(13)

式中：FW=μF4，為最大靜摩擦力,可約等于動摩擦力,FW=51 574N,F4= F1+G2-G1為作用面對鉆架下支點的支撐反力,F4=97 310.2N；μ為摩擦系數,取0.53；F3為滑架支座對滑架體墊板的作用力；G2為整個工作裝置的重量,G2=54 136N；a3，a4，b3，b4定義見圖5,其值分別為：a3=684mm，a4=538mm，b3=925mm，b4=3 300mm.

可得：

平臺的重心因滑架支座與滑架體處約束反力FU以及舉升油缸載荷FV的變化而不同,可根據式(4)至式(10)得出平臺重心O點相對O′的位置坐標為(1 mm,-30 mm)和支腿、履帶支撐反力：

支腿在水平方向的作用力為最大靜摩擦力：

FB′x=μFB′z=19 747N，

(14)

式中：μ為摩擦系數,取0.53；FB′z為此工況下支腿在B′點的支撐反力.

2.2.2極限工況2

當潛孔鉆機處于鉆架提升而支腿未提升的極限工況下,滑架體與滑架體支座處約束反力和舉升油缸載荷因鉆架離地而不同,當鉆架剛離地時,整個工作裝置下支點支撐反力以及因牽引力而產生的靜摩擦力為零,其受力分析類似圖5,列出平衡方程：

∑FX=0，即

FUx+FV×sinβ=0，

(15)

∑FZ=0，即

FUz+FV×cosβ-G2=0，

(16)

∑MV(F)=0，即

G2×a3+FV×sinβ×b1=0.

(17)

可得：

此時,平臺的受力如圖4,支腿、履帶支撐反力的計算方法如同正常工況,即可根據式(4)至式(10)得出平臺重心O點相對O′的位置坐標為(318 mm,-72 mm)和支腿、履帶支撐反力：

由式(14)得

FB′x=μFB′z=35 315N，

(18)

式中：μ為摩擦系數；FB′z為此工況下支腿在B′點的支撐反力.

2.2.3極限工況3

當潛孔鉆機處于支腿提升而鉆架未提升的極限工況下,此時平臺因支腿提升而出現局部不穩,但平臺傾斜角度不大,為簡化計算可視平臺處于相對穩定狀態,整個工作裝置的受力分析如同非正常工況1,約束反力FU和舉升載荷FV的結果一致,而支腿已提升,在水平方向未受力.

3　平臺的有限元分析

平臺焊接件的材料為Q345,在常溫下,屈服極限為345 MPa,彈性模量為2×105MPa,泊松比為0.3,密度為7.85×103kg/m3.

3.1平臺的有限元分析結果

采用Inventor繪制潛孔鉆機平臺三維實體模型,將其導入ANSYS中進行有限元分析.建模時應盡量保證平臺的力學模型與實際結構相似,可簡化或忽略對平臺沒有較大影響的結構(如小倒角、圓角以及圓孔).在ANSYS中單元類型采用SOLID285,對幾何實體模型采用自由網格劃分方法,并在應力集中區域進一步細化網格.在平臺底端與底盤焊接處施加X，Y，Z方向的位移和轉動約束,將上述各個工況的力加載至相應位置.

正常工況：潛孔鉆機鉆架下支點支撐在作用面上,沖擊器潛入孔內鉆鑿炮孔.此時平臺的等效應力云圖如圖6、圖7,平臺大部分區域處于低應力狀態,應力最大值發生在平臺底部左筋板與主底板的連接處,其值為127.354 MPa,平臺中部和支腿2附近橫梁是局部應力較大的區域.如圖8，最大位移出現在支腿1安裝座處,其值為1.613 67 mm.

圖6　正常工況時平臺的應力云圖Fig.6　The stress plot of platform under normal condition

圖7　正常工況時平臺的局部應力云圖Fig.7　The part stress plot of platform under normal condition

圖8　正常工況時平臺的位移云圖Fig.8　The deformation plot of platform under normal condition

圖9　極限工況1時平臺的應力云圖Fig.9　The stress plot of platform under ultimate condition 1

極限工況1：潛孔鉆機作業達到指定要求后,未提升鉆架和支腿而向前行走.平臺的等效應力云圖如圖9、圖10,平臺大部分區域處于低應力狀態,應力最大值位于平臺底部右筋板與主底板連接處,其值為158.282 MPa,中間平臺的中部與前部以及平臺的左前側部分橫梁是局部應力較大的區域.如圖11，最大位移出現在支腿2安裝座處,其值為2.171 62 mm.

圖10　極限工況1時平臺的局部應力云圖Fig.10　The part stress plot of platform under ultimate condition 1

圖11　極限工況1時平臺的位移云圖Fig.11　The deformation plot of platform under ultimate condition 1

圖12　極限工況2時平臺的應力云圖Fig.12　The stress plot of platform under ultimate condition 2

極限工況2：潛孔鉆機作業達到指定要求后,僅提升鉆架而支腿未提升.此時平臺的等效應力云圖如圖12、圖13,平臺的大部分區域處于低應力狀態,應力最大值位于平臺底部左筋板與主底板連接處,其值為249.063 MPa,局部應力較大區域出現在平臺的中前部兩側和支腿2附近的橫梁.如圖14，最大位移出現在支腿2安裝座處,其值為3.912 11 mm.

圖13　極限工況2時平臺的局部應力云圖Fig.13　The part stress plot of platform under ultimate condition 2

圖14　極限工況2時平臺的位移云圖Fig.14　The deformation plot of platform under ultimate condition 2

極限工況3：潛孔鉆機作業達到指定要求后,僅提升支腿而鉆架未提升.此時平臺的等效應力云圖如圖15、圖16,平臺的大部分區域處于低應力狀態,應力最大值位于滑架體支座與平臺連接處,其值為143.124 MPa,局部應力較大區域出現在平臺中部兩側主梁以及滑架體中部墊板周圍和支座銷軸上.如圖17，最大位移出現在平臺的左前方,其值為1.861 55 mm.

圖15　極限工況3時平臺的應力云圖Fig.15　The stress plot of platform under ultimate condition 3

圖16　極限工況3時平臺的局部應力云圖Fig.16　The stress plot of platform under ultimate condition 3

圖17　極限工況3時平臺的位移云圖Fig.17　The deformation plot of platform under ultimate condition 3

綜上所述,極限工況對平臺的破壞程度高于正常工況,在平臺結構設計時應著重考慮極限工況.根據不同工況下的平臺應力云圖可知,平臺大部分區域的應力遠低于材料的屈服極限,結構設計較為合理,但在保證平臺結構靜強度足夠的前提下可合理地優化,以減輕平臺的質量和減少材料的消耗.而在危險區域和應力集中部位,可采取相應的措施,如采用加強筋、圓弧過渡、零件加厚等方法.

4　結　論

本文通過分析潛孔鉆機支撐平臺和工作裝置的結構和受力特點,確定了單支腿支撐平臺的正常工況和極限工況,建立其力學模型,利用力學平衡理論和變形相容條件,得出各個工況下平臺的力載荷,然后在Inventor中繪制三維實體模型,將其導入ANSYS進行有限元分析,獲得了相應工況下的應力、位移云圖,并加以分析,揭示了平臺在各個工況下的最大應力值、變形值及其分布規律,其結果表明：

1)平臺的最大應力出現在平臺底部兩側筋板與主底板的連接處以及滑架體與平臺連接處；

2)極限工況的最大應力均大于正常工況,兩者都小于材料的屈服極限,因此平臺結構靜強度足夠,滿足設計要求；

3)平臺的最大變形出現在極限工況2時左前支腿安裝座處,其值小于4 mm,符合設計要求.

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The mechanical analysis for the platform of down-the-hole drill sustained by one outrigger

ZHAO Hong-qiang1,2, ZHOU Mao-xian1, CHEN Qing1, FU Si-long1

(1. State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China;2. National Enterprise R & D Center, Sunward Intelligence Equipment Co.,Ltd., Changsha 410100, China)

When the sustained platform of down-the-hole drill was designed, the working condition was simply considered and it was overlooked that wrong manipulation led to ultimate condition. In order to research the dangerous section of the platform under different working conditions, the platform of down-the-hole drill sustained by one outrigger was analyzed minutely in mechanism and normal and ultimate conditions were defined. A mechanical model was established based on theory of mechanical balance and deformation compatibility condition. The platform was analyzed in statics by using software ANSYS. The maximum stress value,the maximum deformation value and part stress concentration area of the platform under each condition were revealed. The results indicated that the maximum stress value and the maximum deformation value under ultimate condition were higher than normal condition. Besides, the most part of the platform was in low-stress condition and could find out excessive areas in strength and it met the demand of design under condition. It provides reference for the optimization and improving of the platform structure．

down-the-hole drill; platform; mechanism analysis; finite element analysis; stress and deformation