KY310牙輪鉆機(jī)關(guān)鍵零部件有限元分析

李 偉

（太原重工技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

KY310牙輪鉆機(jī)關(guān)鍵零部件有限元分析

李 偉

（太原重工技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

為了對新開發(fā)的KY310牙輪鉆機(jī)鉆架進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核，在有限元軟件中，對KY310牙輪鉆機(jī)的鉆架在正常加壓鉆進(jìn)及偶然卡鉆提升工況進(jìn)行了強(qiáng)度分析，確定了在上述兩種工況下，鉆架的受力危險(xiǎn)位置。通過鉆架偶然卡鉆提升，且風(fēng)荷沿-X向作用工況下的屈曲分析，確定了屈曲載荷因子λ和臨界屈曲載荷。

牙輪鉆機(jī) 鉆架 強(qiáng)度分析 有限元 屈曲分析

牙輪鉆機(jī)作為露天礦山鉆孔的主要設(shè)備，它是以牙輪鉆頭破碎巖石并用壓氣排渣方式的自行式鉆孔設(shè)備。鉆架裝置是牙輪鉆機(jī)主要工作機(jī)構(gòu)的承載裝置，也是鉆具和回轉(zhuǎn)加壓小車的導(dǎo)向裝置。鉆架裝置一般總是布置在鉆機(jī)的前端，這樣便于穿鑿靠近臺階邊緣的炮孔和斜孔，同時(shí)也有利于減少鉆機(jī)運(yùn)輸時(shí)的長度。牙輪鉆機(jī)在工作過程中，是承受軸壓、構(gòu)件自身質(zhì)量等負(fù)載的構(gòu)件，因此要有足夠的整體強(qiáng)度和剛度[1]。

KY310牙輪鉆機(jī)的鉆架是由金屬構(gòu)件組成的空間桁架結(jié)構(gòu)，其高度在20 m左右，由于KY310牙輪鉆機(jī)的大孔徑與大軸壓，對KY310牙輪鉆機(jī)的鉆架提出了穩(wěn)定性的要求，同時(shí)KY310牙輪鉆機(jī)鉆架結(jié)構(gòu)的細(xì)長比很高，屈曲失效驗(yàn)證成為必需[2，3]。

1 鉆架有限元分析

鉆架是通過A型架連接到平臺上的。為了更好地模擬鉆架的實(shí)際工況，將鉆架和A型架作為一個(gè)整體進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算。鉆架是厚度為6mm或者8mm的方鋼，劃分為實(shí)體網(wǎng)格比較困難，因此，在有限元軟件中，對鉆架本體采用板單元網(wǎng)格劃分，鉆架有限元模型見圖1。

2 邊界條件確定

結(jié)合實(shí)際情況，確定鉆架的兩種工況狀態(tài)：正常加壓鉆進(jìn)和偶然卡鉆提升。其載荷主要包括各部件自身質(zhì)量、不同高鉆架所受到的風(fēng)載及鏈條作用力。在本文中，選擇風(fēng)荷從正面與側(cè)面作用。根據(jù)現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范大全，垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值WK計(jì)算公式[4]為：

式中：WK為風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βz為 z高度處的風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)載荷體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；ω0為基本風(fēng)壓，kN/m2，選取基本風(fēng)壓 ω0=0.6kN/m2。

鏈輪作用力是沿著鏈條方向作用的，其計(jì)算公式如下：

式中：T1、T2均為一根鏈條上的作用力，P為加壓力，G1，G2為回轉(zhuǎn)減速機(jī)質(zhì)量和鉆架的自身質(zhì)量，T3為偶然卡鉆提升工況下的鏈條力。

圖1 鉆架有限元模型

2.1 靜力結(jié)果

通過把不同的工況與載荷結(jié)合，可知，有4種載荷工況。

1）工況1：正常加壓鉆進(jìn)，風(fēng)荷沿-X向。

2）工況2：正常加壓鉆進(jìn)，風(fēng)荷沿-Y向。

3）工況3：偶然卡鉆提升，風(fēng)荷沿-X向。

4）工況4：偶然卡鉆提升，風(fēng)荷沿-Y向。

KY310牙輪鉆機(jī)鉆架位移與Von Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1和表2。

表1 KY310牙輪鉆機(jī)鉆架位移結(jié)果 mm

表2 KY310牙輪鉆機(jī)鉆架Von Mises應(yīng)力結(jié)果

偶然卡鉆提升工況下，風(fēng)載從-X向作用在鉆架上的計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 偶然卡鉆提升風(fēng)荷沿-X向工況下，鉆架X向最大位移云圖

圖3 偶然卡鉆提升風(fēng)荷沿-X向工況下,鉆架Von Mises應(yīng)力分布云圖

2.2 屈曲分析

KY310牙輪鉆機(jī)的鉆架是有金屬構(gòu)件組成的空間桁架結(jié)構(gòu)，其高度在20 m左右，由于KY310牙輪鉆機(jī)的大孔徑與大軸壓，這就對KY310牙輪鉆機(jī)的鉆架提出了穩(wěn)定性的要求，同時(shí)KY310牙輪鉆機(jī)鉆架結(jié)構(gòu)的細(xì)長比很高，屈曲失效驗(yàn)證成為必需。

鉆架載荷分為可變載荷集和自身質(zhì)量載荷集；通過調(diào)整可變載荷因子，得到新的臨界比例因子λ1；最終，當(dāng)λ1=1時(shí)，則對應(yīng)的比例值S就是所要求的臨界比例因子。通過計(jì)算可知：

1）當(dāng)S=5時(shí)，鉆架屈曲分析得到的新的臨界比例因子λ1=1.088；

2）當(dāng)S=5.5時(shí)，鉆架屈曲分析得到的新的臨界因子 λ1=0.99。

3 結(jié)論

1）通過有限元計(jì)算，對鉆架進(jìn)行校核和驗(yàn)證，并確定了鉆架在實(shí)際工況下的受力危險(xiǎn)位置，為鉆架的設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化提供了一定的參考。

2）針對鉆架受力危險(xiǎn)位置，提出了在受力危險(xiǎn)部位增加板厚或者更換材料的解決方法。

3）通過對鉆架的屈曲分析可知，鉆架的臨界載荷因子5.0≤λ≤5.5。

[1] 門玉貴.牙輪鉆機(jī)鉆架強(qiáng)度分析礦山機(jī)械[J].1985（6）：43-45.

[2] 唐田秋，陳利平，邢春太.YZ-35C牙輪鉆機(jī)鉆架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2005（1）：5-7.

[3] 官志強(qiáng)，門玉貴，周鵬里.牙輪鉆機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的動態(tài)分析[J].礦山機(jī)械，1987（12）：3-8.

[4] 中華人民共和國建設(shè)部.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2001[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

（編輯：苗運(yùn)平）

The Finite Element Analysis of the Key Part of KY310 Rotary Drill

Li Wei
（Technology Center of Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030024）

In order to carry out the strength and rigidity verification of frame of the new developed KY310 rotary drill,the strength analysis of frame with finite element software was performed under two different load cases:normal pressure drilling and occasional jammed elevating.Hence,the dangerous positions under the above-mentioned load cases were determined.In addition,the buckling analyses of the frame under the two different load cases were performed and the buckling load factor λ and the critical buckling load were determined as a consequence.

rotary drill,drilling frame,strength analysis,FEA,buckling analysis

TD422.1

A

1672-1152（2017）04-0023-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.04.09

2017-07-24

者簡介：李偉（1987—），男，2012年畢業(yè)于東北大學(xué)，碩士，現(xiàn)從事有限元仿真分析工作，工程師。