旋挖鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤開(kāi)裂問(wèn)題的分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

□ 赫瀾濤

柳工常州機(jī)械有限公司 江蘇常州 213000

1 開(kāi)裂情況

旋挖鉆機(jī)廣泛應(yīng)用于公路、橋梁、高層建筑等基礎(chǔ)建設(shè)施工中,施工環(huán)境惡劣,地質(zhì)工況復(fù)雜。旋挖鉆機(jī)主要由回轉(zhuǎn)平臺(tái)、底盤、鉆桿、鉆具、桅桿、動(dòng)力系統(tǒng)、熱平衡系統(tǒng)等組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí),作用力通過(guò)桅桿直接傳遞至支撐桅桿的轉(zhuǎn)盤上,轉(zhuǎn)盤的強(qiáng)度直接影響旋挖鉆機(jī)的工作效果。根據(jù)售后部門反饋,旋挖鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤的根部曾經(jīng)發(fā)生過(guò)開(kāi)裂故障,開(kāi)裂位置如圖2所示。轉(zhuǎn)盤開(kāi)裂的位置有兩處,一處是在軸套兩端,另一處是在下端大筋板根部。針對(duì)轉(zhuǎn)盤開(kāi)裂故障,筆者基于ANSYS Workbench軟件進(jìn)行受力仿真分析,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 工況分析

旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí),若遇到硬質(zhì)地層,則需要加壓油缸不斷增大加壓力,以保證鉆頭持續(xù)鉆進(jìn)。加壓到一定程度后,旋挖鉆機(jī)將出現(xiàn)翹頭現(xiàn)象。此時(shí),整個(gè)旋挖鉆機(jī)的重力將由鉆頭和履帶后側(cè)承擔(dān)。在這一工況下,履帶后端為支點(diǎn),旋挖鉆機(jī)達(dá)到力矩平衡,鉆頭受到的支反力最大,經(jīng)過(guò)桅桿傳遞后,支撐桅桿的轉(zhuǎn)盤的受力也最大。另一方面,旋挖鉆機(jī)工作過(guò)程中,振動(dòng)等會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生沖擊載荷。由此,重點(diǎn)對(duì)以上工況進(jìn)行轉(zhuǎn)盤受力仿真分析。

3 有限元建模

應(yīng)用CREO軟件對(duì)旋挖鉆機(jī)進(jìn)行三維建模,由ANSYS Workbench軟件施加載荷和約束,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。旋挖鉆機(jī)模型較為復(fù)雜,且圓角等細(xì)節(jié)會(huì)降低有限元分析的效率,因此對(duì)旋挖鉆機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化原則如下：① 轉(zhuǎn)盤及與轉(zhuǎn)盤強(qiáng)相關(guān)的結(jié)構(gòu)和實(shí)際結(jié)構(gòu)保持一致,其它結(jié)構(gòu)適當(dāng)簡(jiǎn)化；② 忽略對(duì)分析結(jié)果沒(méi)有影響或影響較小的結(jié)構(gòu)特征,如倒角、倒圓等。

▲圖1 旋挖鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)盤的材料為Q345B鋼,材料密度為7.85×103kg/m3,楊氏模量為206 GPa,泊松比為0.3。網(wǎng)格劃分時(shí),重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)盤主副滑輪架中間的筋板,對(duì)部分重點(diǎn)關(guān)注部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,對(duì)轉(zhuǎn)盤軸套進(jìn)行掃略劃分,對(duì)部分轉(zhuǎn)盤筋板面進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。轉(zhuǎn)盤模型網(wǎng)格劃分后,節(jié)點(diǎn)數(shù)量為271 117個(gè),單元數(shù)量為160 414個(gè),如圖3所示。

▲圖2 轉(zhuǎn)盤開(kāi)裂位置

▲圖3 轉(zhuǎn)盤模型網(wǎng)格劃分

4 載荷分析

在加壓施工過(guò)程中,旋挖鉆機(jī)向樁孔施加一個(gè)豎直向下的加壓力,同時(shí)旋挖鉆機(jī)受到一個(gè)相同大小的反作用力。這一反作用力作用于旋挖鉆機(jī)的鉆頭中心處,通過(guò)鉆桿傳遞至桅桿及整機(jī)上。主機(jī)視為剛性體,轉(zhuǎn)盤視為剛性鉸支點(diǎn),桅桿油缸支座視為可滑動(dòng)鉸支座。樁孔反作用力通過(guò)動(dòng)力頭傳遞至桅桿上,等效為對(duì)桅桿施加一個(gè)向上的力和一個(gè)逆時(shí)針彎矩,向上的力實(shí)際就是加壓油缸所提供的加壓力。加壓油缸缸體與桅桿通過(guò)鉸接座相連,可以自由轉(zhuǎn)動(dòng),因此加壓油缸不承受彎矩。彎矩由動(dòng)力頭作用于桅桿導(dǎo)軌,可使兩鉸支點(diǎn)間的桅桿部分產(chǎn)生彎曲。旋挖鉆機(jī)工作狀態(tài)如圖4所示。

旋挖鉆機(jī)整機(jī)質(zhì)量為45 t,質(zhì)心位于底盤回轉(zhuǎn)中心前端627 mm處,臨界狀態(tài)下鉆頭受力為196 500 N。

▲圖4 旋挖鉆機(jī)工作狀態(tài)

根據(jù)力的平移定理,將鉆頭處的支反力平移至轉(zhuǎn)盤處,等效為一個(gè)方向相同、大小相等的載荷和一個(gè)等效力偶。由于轉(zhuǎn)盤鉸接于三角形上,因此只有等效力作用,沒(méi)有等效力偶作用,平移等效后得到的彎矩為176.9 kN·m。

鉆桿傳遞至動(dòng)力頭的反作用力,最終作用于轉(zhuǎn)盤和加壓油缸支座處,屬于超靜定問(wèn)題。兩處承受反作用力的大小與部件剛度有關(guān),剛度大的部件變形小,承受的反作用力大；剛度小的部件變形大,承受的反作用力小。加壓油缸支座與桅桿油缸鉸接,桅桿油缸提供軸向拉壓力。在拉壓力的作用下,加壓油缸必然產(chǎn)生軸向伸縮。轉(zhuǎn)盤為完全剛性結(jié)構(gòu),其變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于加壓油缸的變形量。整個(gè)旋挖鉆機(jī)為各部件組成的裝配體,裝配的各種間隙將使轉(zhuǎn)盤承受更大的反作用力。由此可以推斷,鉆桿所受到的樁孔反作用力,絕大部分最終作用于轉(zhuǎn)盤,而桅桿油缸支座由于桅桿油缸的可伸縮性,基本不承受反作用力,這是轉(zhuǎn)盤較頻繁發(fā)生開(kāi)裂故障而桅桿油缸支座未發(fā)生故障的原因。為保證分析結(jié)果,盡可能施加嚴(yán)苛的邊界條件,在分析中直接將鉆桿的反作用力等效作用于轉(zhuǎn)盤,重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)盤在施加等效載荷后的應(yīng)力變化情況。

5 有限元分析結(jié)果

轉(zhuǎn)盤應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖5可以看到,轉(zhuǎn)盤的大筋板根部是應(yīng)力最大的區(qū)域,這一區(qū)域也是轉(zhuǎn)盤發(fā)生開(kāi)裂故障的區(qū)域。轉(zhuǎn)盤的受力環(huán)境不可改變,需要改進(jìn)轉(zhuǎn)盤的設(shè)計(jì),提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,盡量減小各焊縫的直接受力。

6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)有限元分析結(jié)果,針對(duì)轉(zhuǎn)盤開(kāi)裂問(wèn)題,采用下列措施：

▲圖5 轉(zhuǎn)盤應(yīng)力云圖

(1) 改變上端支板角度,使其與外邊緣平行；

(2) 在側(cè)面增加套管,提高軸套的剛度。

轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比如圖6所示。

對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)盤進(jìn)行有限元建模,進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,節(jié)點(diǎn)數(shù)量為265 873個(gè),單元數(shù)量為155 467個(gè),如圖7所示。對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)盤有限元模型施加向上的等效力196 500 N和等效彎矩176.9 kN·m。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后轉(zhuǎn)盤應(yīng)力云圖如圖7所示。由圖7可以看出,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后在較大程度上提高了轉(zhuǎn)盤根部和套筒根部的強(qiáng)度,兩處應(yīng)力都有較大程度減小,結(jié)構(gòu)優(yōu)化較為成功。

7 焊接方式優(yōu)化

對(duì)轉(zhuǎn)盤開(kāi)裂情況進(jìn)行分析,開(kāi)裂都發(fā)生在筋板與底板焊縫處,并非是材料自身開(kāi)裂。焊縫開(kāi)裂的原因在于轉(zhuǎn)盤根部完全依靠焊縫來(lái)承受作用力。筋板與底板的焊縫為工作焊縫,將此焊縫的性質(zhì)改為定位焊縫將是有效的應(yīng)對(duì)措施。

原焊縫承受豎向的剪切力和橫向的拉力,焊縫性質(zhì)為工作焊縫。為改善轉(zhuǎn)盤的受力環(huán)境,將焊縫性質(zhì)改為定位焊縫,減小焊縫的直接受力,并將筋板改為插裝式,使原焊縫承受的豎向剪切力由筋板直接承受。在底板背面進(jìn)行焊接,可以使轉(zhuǎn)盤承受較大的垂直于底板平面的拉壓應(yīng)力,從而避免焊縫單獨(dú)受力。為了較小影響底板的整體強(qiáng)度,應(yīng)增大底板的厚度10～20 mm。

▲圖6 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比

▲圖7 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化后網(wǎng)格劃分

8 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)旋挖鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤進(jìn)行實(shí)際工況受力分析和有限元分析,找到了開(kāi)裂的原因,并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。改變上端支板的角度,使其與外邊緣平行。在側(cè)面增加套管,提高軸套的剛度。將筋板與底板的焊接方式改為插拔式焊接,焊縫性質(zhì)由工作焊縫改為定位焊縫。

通過(guò)優(yōu)化,大大提高了轉(zhuǎn)盤根部的強(qiáng)度,減小了應(yīng)力集中,改善了焊縫的受力,使轉(zhuǎn)盤開(kāi)裂問(wèn)題得到有效解決。

▲圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后轉(zhuǎn)盤應(yīng)力云圖