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鉆架為矩形鋼管約架與板式組合而成的“fl”形結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)度材料，齒條采用鍛制加工件，鉆架采用分段式結(jié)構(gòu)，分三段加工和熱處理。對(duì)于這種大型且復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉆架強(qiáng)度分析時(shí)，首先必須根據(jù)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度和剛度方面的要求建立一個(gè)力學(xué)模型，這個(gè)力學(xué)模型既要能反映真實(shí)的受力和約束情況，又要便于分析和計(jì)算，且計(jì)算結(jié)果要符合實(shí)際。如圖所示為鉆架的三維立體模型。
鉆機(jī)工作時(shí)，鉆架有許多種工況，一般認(rèn)為正常加壓鉆進(jìn)、突然卡鉆、卡鉆提升、卡鉆回轉(zhuǎn)和水平啟升鉆架時(shí)，鉆架承受載荷比較大，其突然卡鉆和卡鉆后提升兩種工況最為惡劣，本研究按突然卡鉆和卡鉆后提升兩種工況對(duì)鉆架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)庶的分析。圖為鉆架的受力情況簡(jiǎn)圖。鉆機(jī)在作業(yè)過程中鉆具突然卡鉆，瞬時(shí)達(dá)到最大軸壓和最大扭矩是鉆架工作中可能出現(xiàn)的一種瞬態(tài)工況，一般不應(yīng)超過三分鐘。按回轉(zhuǎn)小車在鉆架上部時(shí)作用最大軸壓力和最大扭矩驗(yàn)算最大變形和最大應(yīng)力，安全系數(shù)為1.3-1.35。當(dāng)鉆具突然卡鉆時(shí)，設(shè)回轉(zhuǎn)加壓小車位于鉆架的上部，且加壓鏈條付出最大軸壓力。此時(shí)的外負(fù)荷有：鉆架各部件的重量G，鏈輪作用力(鏈條合力)T，加壓齒輪作用力Q，導(dǎo)向輪(導(dǎo)向滑板)壓力N，N2，均衡張緊裝置作用力F.x，回轉(zhuǎn)小車扭矩反力N，風(fēng)負(fù)荷。此工況也是鉆架工作中可能出現(xiàn)的一種瞬態(tài)狀況，在這種工況下，提升和回轉(zhuǎn)電機(jī)都按最大功率(2.75倍額定功率)輸出，以最大提升力和最大扭矩同時(shí)作用，驗(yàn)算最大應(yīng)力和最大變形，安全系數(shù)為1.3-1.35。當(dāng)卡鉆提升鉆具時(shí)，回轉(zhuǎn)加壓小車位于鉆架的下部，外負(fù)荷以提升電動(dòng)機(jī)所能給出的最大提升力為依據(jù)，以此作為計(jì)算外力的出發(fā)點(diǎn)。此時(shí)除扭矩M外，其他外力同正常加壓鉆進(jìn)時(shí)一致，但具體數(shù)值不同。上述兩種工況都處于動(dòng)載狀態(tài)，分析動(dòng)強(qiáng)度的方法是通過動(dòng)載系數(shù)來考慮動(dòng)載荷，即用動(dòng)載系數(shù)乘以靜載荷。
約束面分別取鉆架與平臺(tái)連接處左右兩端的銷軸孔處表面、A型架軸與鉆架連接處左右兩端的銷孔處表面和鉆架起落油缸與鉆架之間的2個(gè)鉸接孔處表面，這6個(gè)為全約束，保證：y三個(gè)方向的位移均為0。背拉桿與鉆架之間的兩個(gè)鉸接孔處表面為半約束，保證兩個(gè)方向的位移為0，分別按突然卡鉆和卡鉆提升兩種工況對(duì)鉆架施加載荷計(jì)算其強(qiáng)度，以上兩種工況所受載荷情況如表所示。兩種工況下的復(fù)合應(yīng)力分布云圖如圖所示，突然卡鉆工況和卡鉆提升工況的變形放大比例為分別為90.5619和137.611。從圖中可以看出，突然卡鉆工況下最大應(yīng)力為，max=2.30452x10gMPa，最大應(yīng)力發(fā)生在鉆架與A型架軸的鉸接處所在面，卡鉆提升工況下最大應(yīng)力為，max2.54105x10MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在鉆架的頂部天輪處。鉆架在兩種工況下的最大應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，因此鉆架在這兩種工況下均處于安全狀態(tài)。如圖所示為兩種工況下鉆架的位移變化云圖。突然卡鉆工況下的最大位移為△L=29.4523mm，卡鉆提升工況下的最大位移為△=23mm。根據(jù)起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，扭矩剛度，正面和側(cè)面均不應(yīng)超過h/700(h為高度)，因此如圖所示為鉆架在兩種工況下的變形圖。根據(jù)變形圖可以看出：鉆架在正常作業(yè)和突然卡鉆時(shí)變形是上部對(duì)下部有相對(duì)扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，與鉆架受扭力矩方向相同，上部向機(jī)蓬方向彎曲(后背)，側(cè)面和上下變形都比較小。卡鉆處理時(shí)由于鉆架承受最大提升力，使鉆架向司機(jī)室方向彎曲，扭轉(zhuǎn)方向仍為逆時(shí)針方向。鉆架起落時(shí)變形相當(dāng)于懸臂梁的撓曲。由分析計(jì)算結(jié)果可得，突然卡鉆工況下鉆架的最小安全系數(shù)為2.692，卡鉆提升工況下鉆架的最小安全系數(shù)為2.442，根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算可知鉆架的最小安全系數(shù)完全符合強(qiáng)度要求。
利用Cosmos/Works對(duì)牙輪鉆機(jī)鉆架進(jìn)行有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得改進(jìn)后的鉆架在強(qiáng)度和剛度上均有較大的提高，為保證鉆架的使用壽命提供了可靠的理論依據(jù)。
專業(yè)從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)│有限元分析│強(qiáng)度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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