探討小型水井鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸設(shè)計(jì)

王迎

山東濱州市鍛壓機(jī)械廠 山東濱州 256600

小型水井鉆機(jī)是飲用水及灌溉水源抽采的常用和關(guān)鍵性設(shè)備。在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)，目前所普遍采用的鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸有成本高昂、體積質(zhì)量大不易運(yùn)輸、維修困難等多方面缺點(diǎn)。因此，研究出良好且可以被普遍使用的液壓缸制造工藝，顯得尤為重要。

1 液壓缸主要參數(shù)的確定

該小型 水井鉆機(jī)施工環(huán)境惡劣，主要在地表水匱乏及干旱復(fù)雜山區(qū)施工。該鉆機(jī)鉆進(jìn)深度為400m，給進(jìn)行程為3.8m，最大起拔力為20t。給進(jìn)機(jī)構(gòu)采用單液壓缸鏈條倍速機(jī)構(gòu)，給進(jìn)液壓缸采用倒裝形式，即給進(jìn)液壓缸后端安裝在桅桿頂部。在實(shí)際的工程案例中，F(xiàn)起拔的大小可以通過實(shí)際測(cè)量得到，將F起拔帶入上述平衡方程，就可以確定活塞桿理論最大推力F。接下來，就需要確定液壓缸活塞直徑和活塞桿直徑，此步驟可以根據(jù)壓強(qiáng)與力的關(guān)系來確定。

2 液壓缸筒強(qiáng)度分析

在實(shí)際工程使用過程中，現(xiàn)場人員看來液壓缸的好壞就體現(xiàn)在液壓缸筒強(qiáng)度上。如果強(qiáng)度達(dá)不到實(shí)際工程需求，造成的經(jīng)濟(jì)損失和人身安全損失將會(huì)是巨大的。為保證液壓缸在安全的情況下進(jìn)行工作，需要對(duì)液壓缸筒壁厚進(jìn)行校核，應(yīng)該注意到的一點(diǎn)是，在鉆機(jī)的實(shí)際工作過程中，隨時(shí)都可能出現(xiàn)液壓缸筒所受壓力瞬間增大的現(xiàn)象，為了保證液壓缸筒在壓力瞬間增大的過程中不被破壞，在設(shè)計(jì)液壓缸筒的最大承受壓力是應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于利用上式計(jì)算出來的壓力，這是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的液壓缸筒抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值計(jì)算公式，按照此式子計(jì)算并設(shè)計(jì)，可以確保液壓缸筒壁設(shè)計(jì)出來滿足防爆裂需求。經(jīng)過了理論驗(yàn)算之后，為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以利用有限元分析軟件ANSYS、ABQUS、3D3S等對(duì)液壓缸筒壁進(jìn)行更為深入的靜力學(xué)有限元分析，可以得到鉆機(jī)進(jìn)給液壓缸的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D[1]。

3 活塞桿穩(wěn)定性分析

工程中有很多細(xì)長類桿件和壓縮部件等，當(dāng)載荷達(dá)到或超過一定值時(shí)就會(huì)發(fā)生屈曲失穩(wěn)。該鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸行程遠(yuǎn)大于活塞桿直徑，需對(duì)給進(jìn)液壓缸進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。由于液壓缸缸筒處于桅桿保護(hù)架內(nèi)，穩(wěn)定性較高，因此只需對(duì)活塞桿進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。對(duì)小型水井鉆機(jī)的應(yīng)用過程進(jìn)行分析，當(dāng)鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸行程遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)活塞桿直徑的時(shí)候，該情況下最容易發(fā)生彎曲失穩(wěn)等情況，這就需要對(duì)鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，避免實(shí)際應(yīng)用的過程中發(fā)生意外事故。

基于此，為了保證后期的養(yǎng)護(hù)和維修工作的順利進(jìn)行，工作人員給進(jìn)液壓機(jī)的改進(jìn)提出了三種不同的安裝方式：其一是活塞桿外端有“前耳環(huán)”，具有導(dǎo)向性，其二是后耳環(huán)活塞桿外端為前耳環(huán)，其三是活塞桿外端有螺紋，有導(dǎo)向。對(duì)活塞桿進(jìn)行線性屈服分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)活塞桿發(fā)生屈服變形時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非常大的橫向變形，這種情況下活塞桿極易被折斷，而想要維修更換已經(jīng)折斷的活塞桿所花費(fèi)的費(fèi)用及技術(shù)難度都非常大，不具有現(xiàn)實(shí)的維修意義。

4 液壓缸參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)

由缸筒的靜力學(xué)分析可知，缸筒強(qiáng)度遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，優(yōu)化空間較大。采用AWE軟件中Response Surface Optimization模塊(多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì))對(duì)缸筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其步驟主要分為以下4個(gè)部分：定義參數(shù)和目標(biāo)參數(shù)、響應(yīng)分析、優(yōu)化分析和驗(yàn)證。分析可知，缸筒底厚、缸筒壁厚與最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和質(zhì)量都能產(chǎn)生響應(yīng)關(guān)系，即底厚和壁厚的變化決定著目標(biāo)參數(shù)最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和質(zhì)量的變化。從響應(yīng)曲線進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，底厚和壁厚與質(zhì)量成線性比例響應(yīng)關(guān)系，質(zhì)量隨著底厚和壁厚的增大成比例增大；底厚、壁厚與最大應(yīng)力、最大應(yīng)變成線性響應(yīng)關(guān)系，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變隨著底厚和壁厚的增大成對(duì)數(shù)關(guān)系減小[2]。

綜合上述分析結(jié)論可知，對(duì)鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸的優(yōu)化設(shè)計(jì)最為便捷的方式就是改變液壓缸筒材料，選用合適的材料讓液壓缸筒的強(qiáng)度最大化的利用所用材料的屈服強(qiáng)度。根據(jù)科學(xué)的研究分析表明，缸筒底厚、缸筒壁厚與最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和質(zhì)量都能相互產(chǎn)生響應(yīng)關(guān)系，具體而言，底厚和壁厚的變化和強(qiáng)度決定著液壓缸的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變質(zhì)量的變化和大小。再者，底厚的變化對(duì)整體影響不大，壁厚對(duì)整體的影響較大。綜合上述結(jié)論得出鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：選用合適的材料，在抗壓強(qiáng)度滿足要求的前提條件下盡量減小壁厚。

5 結(jié)語

針對(duì)小型水井鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸做了設(shè)計(jì)和研究，主要得到以下結(jié)果。提供了一套設(shè)計(jì)給進(jìn)液壓缸的方法，該方法采用理論計(jì)算和AWE軟件仿真對(duì)給進(jìn)液壓缸進(jìn)行設(shè)計(jì)；研究了缸筒的耐壓能力和防爆破能力，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，揭示了缸筒應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律[3]。研究發(fā)現(xiàn)，缸筒強(qiáng)度較高，安全系數(shù)較大，有進(jìn)一步優(yōu)化的空間；研究了活塞桿的彎曲穩(wěn)定性，同時(shí)運(yùn)用AWE軟件對(duì)活塞桿進(jìn)行屈曲分析。研究發(fā)現(xiàn)，在活塞桿直徑、行程和材料等確定的情況下，活塞桿穩(wěn)定性只與液壓缸的安裝形式有關(guān)；在保證強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提下，對(duì)液壓缸缸筒進(jìn)行了多目標(biāo)參數(shù)化優(yōu)化：缸筒壁厚對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變和質(zhì)量的影響較大，缸筒底厚對(duì)三者影響較小。根據(jù)最優(yōu)化結(jié)果重新建模，缸筒質(zhì)量減小了24.07%，應(yīng)力和應(yīng)變均在合理范圍內(nèi)，達(dá)到優(yōu)化目的。

通過對(duì)給進(jìn)液壓缸的設(shè)計(jì)和研究，提供了一套適用于小型水井鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸設(shè)計(jì)和優(yōu)化的方法，對(duì)于系列水井鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。