基于風(fēng)載、地震載荷下的鉆機底盤有限元分析

郭迎輝

摘要：從風(fēng)載地震載荷兩個方面建立鉆機底盤有限元分析體系，得到了應(yīng)力、應(yīng)變、模態(tài)三種指標(biāo)，并對鉆機底盤在常規(guī)加載狀態(tài)下進行了疲勞分析，通過分析結(jié)果的云圖數(shù)據(jù)獲得了鉆機底盤的強度、剛度、振動頻率、壽命的數(shù)據(jù)結(jié)果表明鉆機底盤強度、剛度滿足，工作不會共振，壽命滿足使用要求。

Abstract： The finite element analysis system of the drilling rig chassis is established from two aspects of wind load and earthquake load， and three indexes of stress， strain and mode are obtained. The fatigue analysis of the drilling rig chassis is carried out under the normal loading state. The data of the strength， rigidity， vibration frequency and life of the drilling rig chassis are obtained from the cloud chart data of the analysis results. The results show that the strength and rigidity of the drilling rig chassis meet the requirements of working It will not resonate， and its service life meets the requirements.

關(guān)鍵詞：鉆機底盤;風(fēng)載;地震載荷;有限元分析

Key words： the chassis of drilling rig;wind load;earthquake load;finite element analysis

0 ?引言

GF-MX50錨固旋噴鉆機（以下簡稱鉆機）適用于水利、鐵路、公路邊坡及工、民建筑等軟地基加固、防滲防漏旋噴樁施工工藝等。由于該鉆機作業(yè)時屬于野外作業(yè)，工況比較惡劣，也會有突發(fā)事件包括大風(fēng)、地震的發(fā)生，為了應(yīng)對突發(fā)事件的結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，就有必要對鉆機的主要部件之一的底盤進行在大風(fēng)、地震狀態(tài)下的應(yīng)力分析。因此，分析與掌握鉆機主要承載部件的底盤特性是解決鉆機惡劣環(huán)境下工作的首要任務(wù)。

進入21世紀(jì)后，我國相繼研發(fā)了多款新型巖心鉆機，但是在地質(zhì)鉆桿的擰卸、移送和擺放等自動化發(fā)展上始終沒有實質(zhì)性突破[1-2]。TSJ-2000水源鉆機主要用于井礦鹽鉆井施工，由于自帶底座結(jié)構(gòu)簡單低矮，已不能滿足施工工藝要求，于是重新設(shè)計底座，底座設(shè)計除滿足基本的受力分析和承載力校核之外[3-4]，還需要對鉆機底座的固有頻率和振動形態(tài)進行分析，因為鉆機工作過程中，底座上部設(shè)備運動激勵使其產(chǎn)生共振，會削弱鉆機整體的結(jié)構(gòu)強度，影響結(jié)構(gòu)安全以及人員的工作環(huán)境[5]。上述文獻雖然研究較全面，但是沒有涉及到風(fēng)載、地震載荷下的鉆機底盤的仿真分析和鉆機底盤普通載荷下的疲勞分析，因而存在一定問題。

鉆機底盤主要是由槽鋼焊接而成，在作業(yè)的時候由于環(huán)境的惡劣會產(chǎn)生變形，對鉆機的正常作業(yè)造成破壞性的影響。本文將從風(fēng)力8級、地震7級惡劣環(huán)境下兩個方面對鉆機底盤進行有限元分析。分析出鉆機底盤的最大應(yīng)力、最大撓度。并對鉆機底盤進行疲勞分析得出鉆機的壽命。該論文對工程機械強度提高的結(jié)構(gòu)改進和材料的改進提供了重要的參考價值。

1 ?鉆機底盤的數(shù)學(xué)模型的建立與受力分析

鉆機的實體模型圖如圖1所示，主要由主梁、升舉裝置、底盤、底座等組件構(gòu)成。鉆機的底盤的受力主要來自于主梁工作時的反力、以及底盤4個支腿上承受的重力、風(fēng)載荷、地震載荷。受力圖如圖2所示，F(xiàn)1為反力、F2為風(fēng)載荷、F3（1-4）為地震載荷在每個支腿的分力，G（1-4）為鉆機底盤所承受的重力在每個支腿的分力。

1.1 風(fēng)載荷的計算

風(fēng)力設(shè)定為7級大風(fēng)時的風(fēng)載荷的計算如下：

1.3 其他力的計算

鉆機底盤的四個油缸之腿上共承受30kN的重力，則每個支腿上所承受的重力為7.5kN，鉆機主梁上所受的力為40kN。把鉆機主梁上的力平移至鉆機底盤并附加一力偶則附加的力偶的大小經(jīng)計算為75600N.m，把風(fēng)載荷的力平移至鉆機底盤并附加一力偶，附加力偶的大小為157.6N·m。

2 ?應(yīng)力應(yīng)變模態(tài)分析過程及結(jié)果

通過外部文件導(dǎo)入到ANSYS Workbench中建立幾何模型如圖3所示。加載如圖4所示，加載的載荷為4個支腿上的30kN的重力載荷，4個之腿上的地震載荷0.850kN，風(fēng)載荷為0.0985kN，鉆機主梁工作載荷傳到底盤中間的40kN的載荷。

鉆機底盤經(jīng)加載和約束后應(yīng)力云圖如圖5所示，位移云圖如圖6所示，模態(tài)前6階的頻率如圖7所示。從應(yīng)力云圖中可以得出鉆機最大應(yīng)力為125MPa，鉆機底盤是由型材焊接而成的，主要包括槽鋼、矩管、工字鋼、厚板，材料均為Q235，當(dāng)安全系數(shù)取1.5為較高可靠性時，該材料的許用應(yīng)力為156MPa。從應(yīng)力云圖可知當(dāng)?shù)妆P承受地震載荷和風(fēng)載時強度滿足要求。從位移云圖可知鉆機底盤最大變形為1.24mm，而鉆機底盤的許用的最大變形為1.993。底盤承受地震載荷和風(fēng)載時剛度滿足要求。

圖7只給出了起主要作用的前6階頻率，由圖7可知鉆機底盤的固有頻率大約是55Hz，而鉆機工作時的頻率與該頻率差別較大，表明工作時不會出現(xiàn)共振。

3 ?疲勞分析過程及結(jié)果

去除風(fēng)載荷地質(zhì)載荷重新進行靜力學(xué)分析，在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進行疲勞分析，在靜力分析后的求解器中插入疲勞分析工具，并設(shè)定疲勞分析工具的參數(shù)，疲勞強度因子為0.8，應(yīng)力修正理論采用Goodman修正理論，設(shè)定好參數(shù)后，插入壽命和疲勞安全系數(shù)。得到壽命結(jié)果云圖如圖8所示，安全系數(shù)云圖如圖9所示。從壽命云圖可以得出鉆機底盤的最大壽命為106，若機器每天工作100次，每年工作365天，則經(jīng)計算該鉆機底盤的壽命為27年，則鉆機底盤的壽命滿足設(shè)計要求。從安全系數(shù)云圖可知最大疲勞安全系數(shù)為15，最小疲勞安全系數(shù)為1.488。

4 ?結(jié)束語

本文采用風(fēng)載荷、地震載荷的方法添加在鉆機底盤上，對鉆機底盤的應(yīng)力、應(yīng)變、模態(tài)、疲勞特性進行了分析，通過分析得到了一系列云圖，證明了該鉆機底盤在承受風(fēng)載、地震載荷作用下強度、剛度、滿足設(shè)計要求。最后針對壽命進行了仿真，證明了鉆機底盤的壽命滿足設(shè)計要求。本文方法具備通用性，為后期的設(shè)計提供了理論依據(jù)。而在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，可以作為其他結(jié)構(gòu)設(shè)計的參考依據(jù)。

參考文獻：

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