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旋挖钻机桅杆结构优化分析
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旋挖钻机桅杆结构优化分析


摘 要:旋挖钻机是一种建筑工程中进行成孔作业的施工机械。桅杆具有运动导向、位置调整、动力传递的作用,并且承受钻机钻进时的各种载荷。因此,对旋挖钻机桅杆部分的失效分析及结构改进至关重要。首先对桅杆分析研究,分析出桅杆断裂的原因。接下来从有限元分析方法入手,利用Pro/E进行建模并用Ansys进行分析计算,得出了桅杆的危险区域应力分布情况,并依次进行了桅杆的结构改进措施,与优化前进行分析对比,得到优化后的结果。

  关键词:旋挖钻机;旋挖钻机桅杆;旋挖钻机分析 旋挖钻机租赁 旋挖钻机施工

  1 前言

  旋挖钻机是一种用于成孔作业的工程机械,适应性强,在很多种地基基础施工中得到了广泛应用。旋挖钻机通过底部的桶式钻头的回转破碎岩土,并将其装入钻头内,然后再由将钻头提出孔外卸土,这样循环往复,不断地取土、卸土,直至钻至设计深度。

  近年来,我国在旋挖钻机的相关技术方面的发展较快,但总体水平与国外仍有较大差距。由于旋挖钻机的自身特殊性,桅杆等构件是否稳定直接决定了整机的工作时间和工作效率,因此对机器构件的要求较为严格。合理进行结构设计,利用软件对其进行模拟仿真和优化分析,都有利于提高我国旋挖钻机技术的整体水平。

  2 关键部件存在问题及分析

  本文着重对旋挖钻机的桅杆进行分析,桅杆存在的问题主要有以下几点:

  (1)桅杆在旋挖钻机中具有重要作用,工作过程中桅杆承受较多的载荷。如果桅杆的弯曲过大,将导致动力头无法在导轨上正常滑动,从而引起严重的安全事故。

  (2)旋挖钻机桅杆出现故障后,维修起来很不方便,所需要的时间长、成本高,因此提高桅杆整体的刚度是旋挖钻机正常工作的重要保证。

  (3)旋挖钻机桅杆连接着钻杆、钻具,并且承受钻具工作时的弯矩作用,容易被破坏。

  2.1 旋挖钻机桅杆失效形式

  如图1所示,目前桅杆出现问题区域常常位于桅杆、油缸和三角形中间部分,即桅杆塞焊口处被撕裂。右下角图中的桅杆虽然未发生断裂,但有明显裂纹,已经处于失效状态,不能继续使用。

  图1 旋挖钻机桅杆断裂部位

  2.2 旋挖钻机桅杆失效原因分析

  旋挖钻机桅杆的受力复杂,受力状况恶劣。当钻孔工作的时候,钻机向桩孔施加一个竖直向下的加压力,同时钻机受到桩孔提供的一个等大反向的反作用力,我们把钻机主机视为刚性体,转盘视为刚性铰支点,桅杆油缸支座视为可滑动铰支座。桩孔的反作用力传递到桅杆上,等效为对桅杆施加一个竖直向上的力和一个逆时针的力矩。桅杆受弯矩作用后,一侧受到压应力,另一侧受到拉应力,存在弯曲变形的可能性。当桅杆受拉应力一侧钢板发生变形时,桅杆就会发生整体弯曲变形。

  3 基于有限元方法的桅杆工况分析

  本文以SWDM22型旋挖钻机为对象。

  SWDM22型旋挖钻机主要技术参数参见表1

  3.1 桅杆几何模型的建立

  本文选择使用Pro/E进行桅杆的建模,然后将其保持为IGES格式,再通过Ansys缺省导入的方法将其直接导入Ansys软件。

 

  3.2 桅杆的网格划分

  分析计算时,网格划分是有限元分析的关键步骤,对有限元分析的计算量和准确性影响很大,所以在确定网格数量时应综合考虑,权衡两个因素。一般网格划分越小,计算精度越高,所需的计算机资源、运算时间也越多,反之则运算时间越少。根据工程实际问题的分析要求,选用了solid45单元,进行自由网格划分,共划分14485个单元。

  3.3 旋挖钻机桅杆受力的加载与求解

  桅杆受力十分复杂,本文着重对极限提钻工况进行了分析。

  3.3.1 旋挖钻机极限提钻

  桅杆的铰接处受到约束,在桅杆的顶部受到一个向下的力,同时,受到一个的力矩作用。由于力矩不好由ansys直接得到,所以把力矩等效为两个等大反向的力进行分析。这时桅杆受到200KN向下的力和180KN?M的力矩。把力矩等效为两个45KN,距离为4M'的等大反向的力。

  3.3.2 旋挖钻机计算结果分析

  分析:本模型使用的是在节点处施加固定荷载,对比桅杆受力的实际情况有所简化,但其变形情况还是基本符合实际情况的。由图可知桅杆在此工况下的受力危险点为与车身的铰接处,受到的最大应力为48.04MPa,该部可能出现开裂和屈服变形的情况,并且与实际失效情况吻合。

  4 旋挖钻机桅杆的优化设计

  4.1 旋挖钻机桅杆的优化

  根据桅杆的受力情况,由于桅杆式空心的,所以我们对其的优化方案就是在与车身铰接的地方各增加一块肋板。

  4.2 旋挖钻机桅杆优化后的受力分析

  经过优化后,旋挖钻机桅杆的受力最大点仍然是桅杆的铰接处,但是桅杆的受力明显减小,最大应力由48.04MPa减小到35.645MPa,减小了25.8%,因此在此工况下的桅杆工作环境有明显的改善。桅杆的耐用性有了明显的提升。

  5 结束语

  本文利用 Pro/E 三维绘图软件和 Ansys 有限元分析软件对 SWDM22型旋挖钻机的桅杆部分进行了优化分析,得出以下结论

  (1)旋挖钻机在极限提钻的情况下是最容易出现危险的,在桅杆与车身的铰接处以发生开裂、撕裂、弯曲等情况。

  (2)通过在铰接处增加肋板后,桅杆的工作情况有了明显的改善,危险点出的受力减小了很多,出现开裂、弯曲的可能性也减小了很多,说明这次的优是成功的。


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