旋挖钻机钻桅三角形连接架的有限元分析.pdf

囊 獭 髑 m每 具 _ l l l l lll l 刚 0 旋挖钻机钻桅三角形连接架的有限元分析 吉林大学 何晓艳秦四成 摘要：旋挖钻机钻杆支撑机构对整机的布局和稳定性影响很大，国内旋挖钻机的支撑机构多 采用小三角支撑机构，通过分析 N R 2 2 型旋挖钻机钻桅支撑机构，确定典型工况，了解其结构受力 特点。利用 A N S Y S软件对旋挖钻机钻桅支撑机构中的三角形连接架进行了静力学有限元分析，揭 示了三角形连接架在各种典型工况下的最大变形值、最大应力值、危险截面区域以及变形和应力的 分布规律，分析结果显示，三角形连接架变形和应力分布规律与实际计算相符，且该结构在强度和 刚度设计上都存在一定裕量，为改进支撑机构结构形式和减轻 自重提供了一定的参考。关键词：旋挖钻机钻桅三角形连接架静力学分析 大型旋挖钻机是我国近年来引进、发展的桩工 机械之一，并在青藏铁路、北京奥体工程等施工项目 中发挥了重要作用，逐步取代了对环境污染严重、效 率低下的其它灌注桩施工机械。旋挖钻机主要由钻 具、钻杆、动力头、钻桅、支撑机构、底盘以及液压控 制系统等组成。旋挖钻机钻桅支撑机构对整机的布局和稳定性 影响很大。目前主要有 3 种结构形式，一种为小三角 支撑结构，由平行四边形机构加三角形连接架构成；另一种为大三角结构，以德国宝峨钻机为代表；第三 种以西班牙拉马达公司、意大利安特高公司为代表，也是大三角支承结构，但装有辅助起架液压缸，能放 倒折叠。国内旋挖钻机支撑机构多数采用流行的小 三角支撑结构，本文以北方重机的N R 2 2 型旋挖钻 机为例，分析钻桅支撑机构的受力规律，并对钻桅支 撑机构的三角形连接架进行有限元分析。的传递率之间；此时整个振动频率的加速度的 R M S 值较小，相对位移的 R M S 值也较小。该结果显示了 该磁流变液减振器具有较好的实时可控，阻尼实时 可调的特点。以上结果也显示根据不同的要求和不 同路面可使磁流变液减振器处于不同的状态以满足 加速度和相对位移的不同要求。3 结论 本文利用磁流变液减振器的非线性模型，在试 验验证了磁流变液减振器可控阻尼特性 的基础上，模拟计算了用于车辆的座椅系统的磁流变液减振器 在不同控制状态下对座椅特性的影响。不加电压时 的磁流变液减振器(s o f t)座椅在 B、c级路面整个振 动频率 的加速度的 R M S 值较小，而相对位移的 R M S 值较大。施加 3 V电压时的磁流变液减振器(h a r d)座椅表现出较大的等效黏性阻尼；此时 B、c 级路面整个振动频率的加速度的 R M S 值较大，而相 对位移的 R M S 值较小。采用半主动减振器的磁流变 液减振器 o n o ir)座椅表现出较优的减振特性；整个 振动频率的加速度的 R M S值较小，相对位移的 R M S 值也较小。同时，结果显示根据不同的要求和 不同路面可使磁流变液减振器处于不同的状态以满 足加速度和相对位移的不同要求。参考文献 1 G J S t e i n A d ri v e r S s e a t w i t h a c ti v e s u s p e n s i o n o f e l e c-t r o p n e u m a t i c t y p e J J o u r n a l o f V i b r a t i o n a n d A c o u s ti c s，1 9 9 7(4)：2 3 0 2 3 5 2 S R a k h e j a,S S a n l a r I mp r o v e d o ff-r o a d tr a c r ri d e v i a p a s-s i v e c a b and s e a t s u s p e n s i o n s J J o u r n a l o f V i b r a t i o n，A c o u s t i c s,S t r e s s,a n d R e l i abi l i t y i n D e s i g n,1 9 8 4(4)：3 0 5 3 1 4 3 潘公宇 磁流变液阻尼可调减振器叨 机械工程学报，2 0 0 1(7 1：1 4 8 1 5 2 通信地 址：江苏省 镇江市(2 1 2 0 1 3)江 苏大学校本 部 3 0 3 1 0 3 (收稿日期：2 0 0 7 0 6 1 1)一3 5 维普资讯 删 酬蛾 1 钻桅支撑机构的受力规律 1 1 N R 2 2型旋挖钻机钻桅的支撑机构 N R 2 2型旋挖钻机钻桅支撑机构主要由2 个桅 杆液压缸、1 个三角形连接架、2 个平行四边形悬臂 和 2 个变幅液压缸等部件组成，整个支撑机构对称 设置。通过桅杆液压缸的作用，钻桅可由水平状态升 起，根据施工现场要求，可以前后调节钻桅至所需的 角度；在变幅液压缸的作用下，三角形连接架、钻桅液 压缸和钻桅构成的整体可产生平动，远离或靠近底 盘。1 2 机构分析 旋挖钻机钻桅支撑机构运动简图如图 1 所示，在平面内该机构共有 1 1 个构件，其中主动件为变幅 液压缸 1 O 和桅杆液压缸 1 1，工作部分为桅杆及其 连接部件简化为 1 6，其中转动副有 1-9，移动副有 1 0、1 1，则钻桅支撑机构的自由度 F _ 2。1 9 转动副1 0、1 1 移动副 图 1 钻桅支撑机构简图 其中构件 2 4、2 8、4 9 和变幅液压缸 1 O 构成 平行四边形变幅机构，代号为 I；三角形连接架 1 5、桅杆 1-6和桅杆液压缸 1 1 构成单 自由度桅杆 调节机构，代号为。则整个支撑机构可视为由机构 I 和机构 两个单自由度的机构组成。根据旋挖钻机的工作特征，钻挖工况时钻桅支 撑机构闭锁定位，各支撑液压缸承受液压闭锁压力，调整工况时各支撑液压缸分别动作，将钻桅调整至 工作状态。由运输状态调整至工作状态过程中，将钻 一36一 桅升起时，机构 的受力如图 2 所示，工作部分(桅 杆及其连接部件)质心为 0点，列力学平衡方程，根 据结构的几何关系可得：r r一 s i n(j 3+T o+T)Vl+l；-2 1,1 2 c o s 13 Z】Z 2 s i n 3 式中：钻桅液压缸对工作部分的作用力；G 工作部分(桅杆及其连接部件)总质量；三角架 1 5 线与桅杆 1-6 线间的夹角。其中Z。、Z 、y已知，则 F 是关于卢的函数，F 与 3 的关系曲线如图3 所示。D 当 3=O 5 7 0 8 2 r a d时，钻桅水平，处于运输状 态，S n m=1 1 4 6 2 X 1 0 6 N；当 3=2 2 3 1 5 2 r a d时，钻桅前倾 5。，处于工作 调整最不利状态，F ro=一 4 3 8 3 9 X 1 0 5 N。对平行四边形机构(即机构 I)进行受力分析，其受力如图4 所示。列力学平衡方程，写为矩阵形 式如下：维普资讯 图4 机构 I 的受力图 1 0 -C O S 1 0 0 1 s i n 0 1 1 1 3 4 9 7 4 4 7 4 8 5 6 7 8 8 6 5 s i n a 3 6 7 7 3 9 2 c o s a3 4 7 6 5 6 3 61 7 4 8 5 s i n o r C O S o r 0 0 0 0 0 0 s i n o r C O So r -F1-F s i n O L 3 一+Fc o s a3+Gs -F s i n X 4 4 7 5 0 6+F c o s a X 8 5 5 6 4 8+G s X 5 3 7 1 7 8 一争 G 一 G 式中：G ，G b 一 三角形连接架自重及平行四边形 悬臂 自重；，钻桅水平方向和垂直方向的受力；，平行四边形上下悬臂对三 角形连接架的作用力 x,y 方向分量；变幅液压缸对三角形连接架的作用力；，0 r 钻桅升起和变幅远近调整时，对钻 桅支撑机构每确定一个 值和，值，唯一对应一 值和一种工况。1-3 典型工况确定 根据旋挖钻机工作特征，充分考虑钻挖工况和 调整工况的状态组合，体现不同范围的施工要求，确 定典型工况如下：工况 1 桅杆水平，三角形连接架离底盘最远(应满足钻桅运输位置的限制)，钻桅支撑机构仅受到 工作部分的重力作用，主卷扬钢丝绳处于松弛状态；工况 2 桅杆垂直，三角形连接架离底盘最远，旋 挖钻机处于钻进状态，钻具受到最大转矩 2 0 0 k N m；工况 3 桅杆水平，三角形连接架离底盘最近，钻桅支撑机构仅受到工作部分的重力作用，主卷扬 钢丝绳处于松弛状态；工况 4 桅杆垂直，三角形连接架离底盘最近，旋 挖钻机处于钻进状态，钻具受到最大转矩 2 0 0 k N m。2 三角形连接架的有限元模型 2 1 三角形连接架几何模型建立 在整个建模中遵循以下原则：(1)保留三角形连接架原有的结构和整体受载 特点；(2)在不影响计算精度的情况下做一些必要的 简化处理，如将小角度采用圆滑过渡，在板与钢管连 接处采用板与钢管完全相切。2 2 已知参数(1)三角形连接架结构尺寸；(2)钻桅液压缸缸径 1 6 0 m m，杆径 9 0 m m，变幅液压缸缸径 1 6 0 m m，杆径 9 0 m m。2 3 材料特性 三角形连接架为 1 6 M n 合金钢，在常温 2 0 时，其屈服极限=3 5 0 M P a，其弹性模量为 2 0 9 X l 0 s M P a，泊松比为 0 3，密度 7 8 5 X 1 0 k g m 。由于三角形连接架实际受力复杂，受到的影响 因素多，因此在建立有限元模型时有必要进行一些 假设，如：材料为均质材料，机构元件之间无摩擦，机构升起过程速度缓慢、无风载。3 分析结果 上述三 角形连 接架的三维有限元模型，在 A N S Y S 软件求解器运算，程序采用 S P A R S E稀疏矩 阵求解器，依靠 A N S Y S通用后处理器(P O S T 1)强大 的功能，可以直观地看到运算结果，如变形、应力等。工况 1 最大变形为 1 1 2 2 mm，发生在三角形 连接架与桅杆相连处；最大等效应力为 1 5 3 6 5 1 M P a，发生在三角形连接架侧板与平行四边形上悬 一3 7 维普资讯 臂相连处。如图 5 和图6 所示。工况 2 最大变形为 1 6 9 5 m m，发生在三角形 连接架与桅杆液压缸相连处；最大等效应力为 3 2 1 7 9 6 M P a，发生在三角形连接架侧板与平行四边 形上悬臂相连处。如图7、图 8 所示。工况 3 最大位移为 0 7 9 8 m m，发生在三角形 连接架与桅杆相连处；最大等效应力 1 4 2 7 6 2 M P a，发生在三角形连接架与桅杆液压缸相连处内表面。如图 9、图 1 0所示。工况4 最大位移为 1 6 8 8 m m，发生在三角形 连接架与桅杆液压缸相连处；最大等效应力为 3 1 9 7 5 2 M P a，发生在三角形连接架侧板与平行四边 形上悬臂相连处。如图 l 1、图 1 2 所示。由以上典型工况下三角形连接架的有限元分析 计算可得：(1)工况 1、工况 3是钻桅支撑机构调整过程 瑚l ：B，图5 工况 1时三角形连接架的总变形图 一3 8一 中的典型位置，在整个工作部分升起的过程中取最 大外载荷，其最大变形都发生在三角形连接架与桅 杆相连处，最大应力发生在三角形连接架与桅杆液 压缸相连处附近，三角形连接架侧板边缘存在应力 集中现象，危险区域在三角形连接架侧板与平行四 边形上悬臂相连处周围。(2)工况 2、工况 4 是钻挖工作中的极限工作位 置，随着桅杆液压缸承受最大工作载荷，其最大变形 都发生在三角形连接架与桅杆液压缸相连处，最大 应力发生在三角形连接架侧板与平行四边形上悬臂 相连处周围，存在应力集中现象，危险区域在三角形 连接架侧板与平行四边形上悬臂相连处周围，只是 随着变幅液压缸伸缩，作用平面的角度发生了变化。(3)各典型工况下，三角形连接架产生的最大 变形都在 1 7 m m以下，说明三角形连接架刚度尚能 满足使用要求。图6 工况 1时三角形连接架的等效应力图 图 7 工况 2时三角形连接架的总变形图 图 8 工况 2时三角形连接架的等效应力图 维普资讯 际和有限元软件基本理论设定各种属性，在 A N S Y S 软件求解器中进行有限元求解，根据对结果数据的 分析，揭示了三角形连接架在各典型工况下的最大 变形值，最大应力值，危险截面区域以及变形、应力 分布规律，为改进钻桅支撑机构结构形式和减轻 自 重提供了一定的参考。参考文献 1 1 叶远林，秦四成 Z Y 一 2 0 0旋挖钻机钻杆应力的有限元 分析【J 工程机械，2 0 0 4，3 5 0)：1 5 1 7 2 叶远林，秦四成 大型旋挖钻机专用履带伸缩底盘结 构 的有 限元分析【J】建设机械技术与管理，2 0 0 4，1 7 3 9 维普资讯