平行四邊形機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的分析

曾穎皓

（北方工業(yè)大學(xué)，北京　100144）

平行四邊形機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的分析

曾穎皓

（北方工業(yè)大學(xué)，北京100144）

旋挖鉆機(jī)是一種適合在建筑基礎(chǔ)工程中成孔作業(yè)的施工機(jī)械。近些年隨著國內(nèi)外樁基礎(chǔ)施工建設(shè)的快速發(fā)展而被廣泛使用。旋挖鉆機(jī)可以滿足在各種地質(zhì)巖層中施工。但在結(jié)構(gòu)上因其施工性質(zhì)的影響，施工過程中會(huì)產(chǎn)生較大的震動(dòng)，這對整機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了較高的要求。論文將介紹旋挖鉆機(jī)的施工原理，對旋挖鉆機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件平行四邊形機(jī)構(gòu)在施工過程中的受力做詳細(xì)分析，為旋挖鉆機(jī)的平行四邊形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

旋挖鉆機(jī)；平行四邊形；平行四邊形；強(qiáng)度；剛度

0　引言

旋挖鉆機(jī)背景：樁工機(jī)械是一種專用性比較強(qiáng)的機(jī)械，產(chǎn)品品種比較多，以其主要產(chǎn)品而言雖然大都從仿制開始，但發(fā)展過程又各不相同。針對旋挖鉆機(jī)而言隨著成孔設(shè)備及工藝技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，鉆孔灌注樁已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)工程領(lǐng)域。與普通的基礎(chǔ)工程相比，目前國家的許多大型工程具有施工量大，持續(xù)時(shí)間長，對環(huán)保生態(tài)環(huán)境要求嚴(yán)格，工程進(jìn)度快等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)對基礎(chǔ)工程施工技術(shù)提出了嚴(yán)格的要求，采用常規(guī)的施工技術(shù)很難滿足這些要求，必須采用先進(jìn)的施工設(shè)備和技術(shù)。在現(xiàn)澆鉆孔灌注樁成孔施工技術(shù)中，旋挖鉆機(jī)的設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造和先進(jìn)的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)相結(jié)合，代表了現(xiàn)代工程機(jī)械的先進(jìn)水平，旋挖鉆機(jī)技術(shù)在施工中體現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ墙窈蠡A(chǔ)施工機(jī)械與技術(shù)的發(fā)展方向。

1　平行四邊形機(jī)構(gòu)整體受力分析

本文將針對最大輸出扭矩為150kN·m的旋挖鉆機(jī)進(jìn)行平行四邊形機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析。旋挖鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)由底盤、平行四邊形機(jī)構(gòu)、桅桿總成、動(dòng)力頭、鉆桿、鉆具等部分組成。底盤采用履帶式可展寬底盤；平行四邊形機(jī)構(gòu)聯(lián)接底盤和桅桿總成，負(fù)責(zé)鉆孔中心距地調(diào)節(jié)；桅桿總成上安裝有加壓裝置負(fù)責(zé)對鉆具提供加壓力；動(dòng)力頭負(fù)責(zé)向鉆具提供扭轉(zhuǎn)力矩。該設(shè)備通過鉆具取土完成樁孔施工。具體施工過程為在動(dòng)力頭及加壓裝置的作用下下放鉆桿，同時(shí)鉆具開始鉆進(jìn)作業(yè)，當(dāng)鉆具內(nèi)裝滿土后用卷揚(yáng)機(jī)將鉆具提出，然后卸掉鉆具內(nèi)的土，再進(jìn)行第二次鉆進(jìn)，如此反復(fù)操作直到樁孔完成。通過以上說明可知，影響旋挖鉆機(jī)強(qiáng)度的最危險(xiǎn)工況發(fā)生在卷揚(yáng)提土的過程當(dāng)中，因?yàn)樵谔嵬磷鳂I(yè)時(shí)鉆機(jī)除了要克服鉆桿、鉆具及土體自重外，還要克服鉆具與樁孔周邊土體間的摩擦力和真空負(fù)壓引起的阻力。因此以上各阻力之和對鉆機(jī)起拔動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生反作用力，而要想鉆機(jī)正常穩(wěn)定工作，平行四邊形機(jī)構(gòu)就必須能夠承受這些載荷。另外在鉆機(jī)進(jìn)行加壓動(dòng)作時(shí)，地面會(huì)對鉆機(jī)產(chǎn)生一個(gè)豎直向上的反作用力，同時(shí)鉆機(jī)還將承受動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)引起的反作用扭矩，平行四邊形機(jī)構(gòu)還必須能夠承受這兩個(gè)反力的作用。因此平行四邊形機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度對旋挖鉆機(jī)來講具有重要的地位。

旋挖鉆機(jī)的平行四邊形機(jī)構(gòu)如圖1所示：由三角形、動(dòng)臂、油缸和支撐桿組成，其中三角形、動(dòng)臂、支撐桿之間由各鉸接點(diǎn)連接，從而組成了平行四邊形機(jī)構(gòu)。平行四邊形機(jī)構(gòu)主要是滿足施工工程之中對孔位的調(diào)整以及支撐桅桿的作用，通過油缸驅(qū)動(dòng)對工作裝置進(jìn)行變幅運(yùn)動(dòng)。整個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)在旋挖鉆機(jī)產(chǎn)品當(dāng)中具有非常重要的意義，如果一旦出現(xiàn)強(qiáng)度不足等問題鉆機(jī)便會(huì)發(fā)生重大質(zhì)量事故。本文是專門針對平行四邊形機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出一種有限元分析方法。主要包括三角形、動(dòng)臂、轉(zhuǎn)盤軸、動(dòng)臂短軸等關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度分析。

圖1　平行四邊形結(jié)構(gòu)圖

平行四邊形機(jī)構(gòu)受力主要發(fā)生在鉆機(jī)起拔鉆具和鉆進(jìn)取土兩個(gè)過程。由于整個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)受力十分復(fù)雜，但借助于有限元分析軟件將能非常直觀地計(jì)算出受力情況，因此本文的計(jì)算是借助于ANSYS有限元軟件完成的。主要模擬鉆機(jī)在起拔和加壓兩種工況下平行四邊形機(jī)構(gòu)受力情況，進(jìn)而對其進(jìn)行強(qiáng)度分析。

如圖2所示為旋挖鉆機(jī)起拔和加壓工況下的受力簡圖；起拔工況中旋挖鉆機(jī)在進(jìn)行起拔動(dòng)作即提土?xí)r桅桿受到來自鉆桿、鉆具、土體自重等的反作用力和主卷揚(yáng)機(jī)的作用力被向下壓，而平行四邊形機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)支撐桅桿的作用，此時(shí)平行四邊形機(jī)構(gòu)主要處在受壓狀態(tài)；加壓工況中旋挖鉆機(jī)加壓鉆進(jìn)時(shí)受地面反支撐力F1作用，還受動(dòng)力頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)傳遞給結(jié)構(gòu)件的反扭矩M作用。

首先對整個(gè)桅桿及平行四邊形機(jī)構(gòu)建立有限元模型，采用6面體網(wǎng)格劃分方式對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。按實(shí)際受力情況對鉆機(jī)進(jìn)行起拔、加壓兩種工況施加載荷。

已知：工作起拔力F= 160kN；最大加壓力F1= 90kN，最大扭矩M=150kN·m

求解：根據(jù)以上施工時(shí)的受力分析，對平行四邊形機(jī)構(gòu)各部件進(jìn)行求解。

圖2　起拔工況、加壓工況受力簡圖

圖3　網(wǎng)格劃分

2　三角形強(qiáng)度分析

已知：三角形焊接材料：Q345B，［σS］=345MPa。

（1）鉆機(jī)起拔時(shí)：通過有限元求解，可得出此時(shí)最大應(yīng)力發(fā)生在與桅桿聯(lián)接軸套處，其數(shù)值為σ=170MPa，因此時(shí)三角形的最危險(xiǎn)處的安全系數(shù)K=345/170=2.03，滿足強(qiáng)度要求。

（2）鉆機(jī)加壓鉆進(jìn)時(shí)：通過有限元求解，可得出此時(shí)三角形所受最大應(yīng)力值為92MPa，且該處為失真點(diǎn)，通過分析其最大應(yīng)力不超過60MPa。

由上可知，該鉆機(jī)受力最大發(fā)生在起拔工況時(shí)，最大應(yīng)力為170MPa。發(fā)生點(diǎn)在側(cè)板與軸套相連處，安全系數(shù)K=2.03，因此三角形在起拔及加壓時(shí)均滿足強(qiáng)度要求。

3　動(dòng)臂強(qiáng)度分析

已知：動(dòng)臂焊接材料：Q345B，［σS］=345MPa。

（1）鉆機(jī)起拔時(shí)：通過有限元求解，可得出起拔時(shí)最大應(yīng)力發(fā)生在上蓋板的變截面處，分析該處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值為86.2MPa。如圖4所示。

（2）鉆機(jī)加壓鉆進(jìn)時(shí)：通過有限元求解，同樣可得出加壓鉆進(jìn)時(shí)最大應(yīng)力也發(fā)生在上蓋板變截面處，其應(yīng)力值為47.1MPa。

由以上計(jì)算得知，鉆機(jī)起拔時(shí)動(dòng)臂受力最大，最大應(yīng)力為86.2MPa，發(fā)生在動(dòng)臂上蓋板變截面處。安全系數(shù)K=345/86=4.0，因此動(dòng)臂強(qiáng)度滿足要求。

圖4　起拔時(shí)動(dòng)臂應(yīng)力云圖

4　各聯(lián)接軸強(qiáng)度分析

4.1桅桿油缸聯(lián)接軸強(qiáng)度分析

已知：桅桿油缸軸材料為35CrMo，許用剪切應(yīng)力［τ］=250MPa。由于該軸無論在加壓還是起拔工況下均受剪切力作用，因此本文對其只做剪切應(yīng)力分析。

根據(jù)有限元計(jì)算分析結(jié)果，當(dāng)鉆機(jī)起拔時(shí)，桅桿油缸聯(lián)接軸受力最大，最大應(yīng)力為20.7MPa。剪切安全系數(shù)K=250/20.7=12.1，因此該軸滿足鉆機(jī)強(qiáng)度要求。

4.2轉(zhuǎn)盤軸強(qiáng)度分析

已知：轉(zhuǎn)盤軸材料為35CrMo，許用剪切應(yīng)力［τ］= 250MPa。由于該軸無論在加壓還是起拔工況下均受剪切力作用，因此本文對其只做剪切應(yīng)力分析，圖5給出有限元分析應(yīng)力云圖。

根據(jù)有限元計(jì)算分析結(jié)果，當(dāng)鉆機(jī)起拔時(shí)，轉(zhuǎn)盤軸受力最大，最大應(yīng)力為67.2MPa。剪切安全系數(shù)K=250/ 67.2=3.7，因此該軸滿足鉆機(jī)強(qiáng)度要求。

圖5　轉(zhuǎn)盤軸強(qiáng)度應(yīng)力云圖

4.3動(dòng)臂短軸強(qiáng)度分析

已知：動(dòng)臂短軸材料為35CrMo，許用剪切應(yīng)力［τ］=250MPa。由于該軸無論在加壓還是起拔工況下均受剪切力作用，因此本文對其只做剪切應(yīng)力分析。

根據(jù)有限元計(jì)算分析結(jié)果，當(dāng)鉆機(jī)起拔時(shí)，動(dòng)臂短軸受力最大，最大應(yīng)力為12.9MPa。剪切安全系數(shù)K= 250/12.9=19.3，因此該軸滿足鉆機(jī)強(qiáng)度要求。

4.4撐桿軸強(qiáng)度分析

已知：撐桿軸材料為35CrMo，許用剪切應(yīng)力［τ］= 250MPa。由于該軸無論在加壓還是起拔工況下均受剪切力作用，因此本文對其只做剪切應(yīng)力分析。

根據(jù)有限元計(jì)算分析結(jié)果，當(dāng)鉆機(jī)起拔時(shí)，撐桿軸受力最大，最大應(yīng)力為21.3MPa。剪切安全系數(shù)K=250/ 21.3=11.7，因此該軸滿足鉆機(jī)強(qiáng)度要求。

5　結(jié)論

根據(jù)以上分析，整體平行四邊形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)受力均滿足要求，其中三角形及動(dòng)臂安全系數(shù)均在2以上；各聯(lián)接軸安全系數(shù)均在10以上，雖然安全系數(shù)過大，但由于旋挖鉆機(jī)的通用件標(biāo)準(zhǔn)要求，不再另外設(shè)計(jì)聯(lián)接軸。本文中未對支撐桿進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算是因?yàn)樵撝螚U為其它機(jī)型略大的鉆機(jī)所共用，強(qiáng)度自然滿足該機(jī)型要求，同樣因?yàn)橥ㄓ眉笠膊辉龠M(jìn)行額外的支撐桿設(shè)計(jì)。旋挖鉆機(jī)的平行四邊形機(jī)構(gòu)使用壽命與工作地質(zhì)環(huán)境、施工工法以及操作手的水平有很大關(guān)系。本文只是對平行四邊形機(jī)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了理論分析，在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)更多的結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)對重要部件進(jìn)行疲勞分析，以滿足整機(jī)使用壽命要求。希望本文能對旋挖鉆機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)者起到一點(diǎn)啟發(fā)作用。

［1］黎中銀，焦生杰，吳方曉.旋挖鉆機(jī)與施工技術(shù)［M］.人民交通出版社，2010.

［2］畢春長.旋挖鉆機(jī)整機(jī)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范，Q/SY 012 023-2009.三一集團(tuán)有限公司，2010.

［3］張朝暉.ANSYS12.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析［M］.機(jī)械工程出版社，2010.

TH122

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.01.021

1002-6673（2015）01-059-03

2014-12-19

曾穎皓（1976-），男，湖南株洲人，北方工業(yè)大學(xué)在讀工程碩士。主要研究方向：機(jī)械工程。