基于Creo的旋挖鉆機(jī)桅桿載荷分布計(jì)算*

任城鈺，賀廣迎，李祥康

(徐州雷曼機(jī)械科技有限公司，江蘇 徐州 221600)

0 引 言

旋挖鉆機(jī)設(shè)計(jì)中桅桿的設(shè)計(jì)尤為重要，它不僅承受軸向力、彎矩和剪力載荷，壓桿穩(wěn)定也是重要的考量。由于桅桿的受力較為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)初期快速掌握桅桿載荷分布，實(shí)時(shí)修改桅桿截面的設(shè)計(jì)，對(duì)旋挖鉆機(jī)桅桿設(shè)計(jì)工作者十分必要。筆者通過參數(shù)化軟件Creo/Simulate合理建模，在設(shè)計(jì)的過程中可即時(shí)獲得桅桿載荷分布。通過對(duì)桅桿簡化模型的有限元分析，可以十分快捷準(zhǔn)確為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供所需的要的信息，可以很大程度上減輕設(shè)計(jì)人員的計(jì)算量。

1 桅桿簡介

旋挖鉆機(jī)的桅桿包括鵝頭、桅桿上節(jié)、桅桿中節(jié)和桅桿下節(jié)。桅桿在工作過程中豎直方向首先是程序自主調(diào)整，然后由機(jī)手鎖定。桅桿的固定約束都在桅桿中節(jié)上。在桅桿中節(jié)底部有一個(gè)釋放2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的類似萬向節(jié)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)約束桅桿的4個(gè)自由度(三個(gè)位移和一個(gè)旋轉(zhuǎn))。在桅桿中節(jié)中部連接著兩個(gè)液壓油缸(傾缸)，兩個(gè)油缸組合控制著桅桿的前傾和側(cè)傾。本文以某機(jī)型的桅桿為例，簡要介紹桅桿建模的約束與載荷分布計(jì)算。

桅桿截面的基本尺寸如圖1所示。桅桿的基本尺寸如圖2所示。桅桿受力簡圖如圖3所示。

圖1 桅桿截面

圖2 桅桿簡圖 圖3 桅桿受力簡圖

初始設(shè)計(jì)截面特性如下：

A=2.62e+4mm2

2 桅桿的兩個(gè)極限工況

卷揚(yáng)全力提升和動(dòng)力頭全力加壓是桅桿工作的兩個(gè)極限工況。該機(jī)型的最大設(shè)計(jì)提升力為280 kN，最大加壓180 kN。

即有工況一：

F1=280 (kN)

結(jié)果見圖3所示。

工況二：依據(jù)力的等效平移法則，將鋼絲繩的拉力平移到滑輪中心。

依據(jù)動(dòng)力頭受力矩平衡，有：

結(jié)果見圖3所示。

3 建立Creo/Simulate理想梁模型

依據(jù)截面質(zhì)量屬性設(shè)置桅桿截面特性，并應(yīng)用到梁截面設(shè)置中；油缸設(shè)置圓管截面，外徑226 mm，內(nèi)徑125 mm，近似代替油缸模型，由于使用的是小變形的線性分析，該近似模型對(duì)約束載荷的求解結(jié)果影響很小。建立模型如圖4。分別設(shè)置1、2，4、5，6、7，8、9，10、11、12為剛性連接。

圖4 梁截面模型

設(shè)置約束：1處約束三個(gè)位移自由度；1、2之間約束視圖方向的位移自由度；3處約束三個(gè)位移自由度；3、4連接桿在4處約束一個(gè)桿軸向的旋轉(zhuǎn)自由度。如圖5所示。

圖5 約束及連接點(diǎn)

指定材料為鋼，泊松比0.27，楊氏模量200 GPa。分別對(duì)兩個(gè)極限載荷應(yīng)用靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析并運(yùn)行。得到桅桿軸向力、剪力、彎矩曲線圖。見圖6、7所示。

圖6 卷揚(yáng)極限載荷分布

圖7 加壓油缸極限載荷分布

桅桿的軸向力是壓桿穩(wěn)定計(jì)算的條件，根據(jù)剪力和彎矩可以計(jì)算相應(yīng)的最大應(yīng)力，根據(jù)應(yīng)力合成公式獲得最大合成應(yīng)力。這些可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后由軟件自行完成計(jì)算。但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還沒有完成只是構(gòu)想的條件下沒有充分的模型基礎(chǔ)，無法使用有限元軟件對(duì)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。使用該方法就顯得十分快捷。在獲得桅桿必要的載荷數(shù)據(jù)的情況下對(duì)桅桿進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)布局，并做及時(shí)設(shè)計(jì)調(diào)整。

4 結(jié) 論

Creo/Simulate仿真模塊可以和Creo/Parametric建模模塊無縫連接，可以方便快捷的計(jì)算桅桿的載荷分布。產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)初期需要根據(jù)載荷分布頻繁調(diào)整的模型，模型的變化來又會(huì)影響產(chǎn)品的載荷分布。對(duì)于這種頻繁修改模型和載荷的情況，Creo/Simulate和Creo/Parametric尤為適用。這一功能可以方便快捷的協(xié)助設(shè)計(jì)人員完成產(chǎn)品初期的模型設(shè)計(jì)和載荷的校驗(yàn)工作。