尹千才，朱洪前

(中南林業(yè)科技大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，長(zhǎng)沙 410000)

動(dòng)力頭是長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)的核心部件，電動(dòng)動(dòng)力頭因?yàn)楸裙β市?、卡鉆后啟動(dòng)困難、大功率電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)形成沖擊等因素，其推廣使用受到了一定的限制，液壓動(dòng)力頭比功率大、啟動(dòng)扭矩大、容易實(shí)現(xiàn)大功率化等特點(diǎn)，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于樁基礎(chǔ)施工中。液壓動(dòng)力頭箱體作為動(dòng)力頭系統(tǒng)重要的承載基體，不僅要承受拔鉆時(shí)產(chǎn)生的靜拉力，還承受著鉆孔過(guò)程中外界施加給它的振動(dòng)，如果箱體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度不夠，過(guò)大的靜拉力可能引起箱體結(jié)構(gòu)變形，影響齒輪正常嚙合從而導(dǎo)致齒輪過(guò)早損壞。如果單純的依靠增加箱體板材厚度來(lái)增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，不僅造成材料的浪費(fèi)還會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力頭系統(tǒng)質(zhì)量增加，降低長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)的行走安全性。如果鉆孔過(guò)程外界產(chǎn)生的振動(dòng)與箱體的固有振動(dòng)頻率很接近，可能引起動(dòng)力頭系統(tǒng)的共振。因此，應(yīng)在動(dòng)力頭箱體的設(shè)計(jì)階段，從靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面對(duì)其結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行分析，才能保證箱體具有良好的靜動(dòng)力學(xué)性能，避免一些不必要的事故。

1 實(shí)體模型建立及其簡(jiǎn)要受力分析

1.1 三維實(shí)體模型的建立

長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)是樁基礎(chǔ)施工中用來(lái)鉆孔的常用設(shè)備，動(dòng)力頭系統(tǒng)是其最為核心的部分之一，液壓動(dòng)力頭主要由高速驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、行星減速器、驅(qū)動(dòng)小齒輪、代替大齒輪及大齒輪軸的回轉(zhuǎn)支承和安裝固定這些部件的箱體組成。其中，箱體是整個(gè)動(dòng)力頭系統(tǒng)最重要的承載部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。箱體通過(guò)前后連接板上打的螺栓孔與前后拉板連接，回轉(zhuǎn)支承通過(guò)面板上的螺栓孔固定于箱體之下，四個(gè)液壓馬達(dá)通過(guò)螺栓孔固定在馬達(dá)安裝座上 (安裝孔沒(méi)畫(huà)出來(lái)，其不影響分析結(jié)果)，混凝土輸送管穿過(guò)中板中心的圓孔將混凝土灌到孔底，各板通過(guò)焊接組成框式結(jié)構(gòu)。模型總體長(zhǎng)1 725 mm，寬1 360 mm，高590 mm，主面板厚40 mm。

圖1 箱體三維實(shí)體模型1.側(cè)板;2.連接板;3.液壓馬達(dá)安裝座;4.面板Fig.1 Housing three-dimensional entity model

1.2 箱體載荷分析及其影響

(1)靜載荷分析。對(duì)于箱體承受的靜載荷，只需要分析其在拔鉆工況下受到的作用力，此時(shí)承受的靜載荷最大。拔鉆時(shí)，動(dòng)力頭箱體承受鉆桿上的土屑和鉆桿的重力對(duì)其產(chǎn)生的拉力，如果箱體剛度不夠，強(qiáng)大的拉力使箱體主面板板發(fā)生沿著鉆桿方向的變形，過(guò)大的變形量會(huì)影響大小齒輪的正常嚙合，容易導(dǎo)致齒輪因過(guò)載而過(guò)早損壞，更為嚴(yán)重的可能導(dǎo)致面板和掛板的焊縫裂開(kāi)，造成整個(gè)動(dòng)力頭報(bào)廢。

(2)動(dòng)載荷分析。液壓動(dòng)力頭系統(tǒng)工作時(shí)，動(dòng)力由液壓馬達(dá)經(jīng)行星減速器傳遞給驅(qū)動(dòng)小齒輪，然后通過(guò)回轉(zhuǎn)支承減速增扭后驅(qū)動(dòng)螺旋鉆桿旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)鉆桿的連續(xù)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。在此過(guò)程中，箱體承受鉆桿鉆進(jìn)引起的振動(dòng)載荷以及齒輪機(jī)構(gòu)嚙合引發(fā)的振動(dòng)。如果振動(dòng)頻率與箱體本身的固有頻率很接近就可能引起共振，共振容易導(dǎo)致焊縫裂開(kāi)，降低元件壽命，那樣將大大降低動(dòng)力頭系統(tǒng)的使用壽命。

2 有限元靜力學(xué)分析

在本設(shè)計(jì)中，按照設(shè)計(jì)要求，要能鉆孔直徑1.2 m，孔深度32 m。參考先前的學(xué)者在此方面的研究成果［1－2］，可粗略計(jì)算得箱體在拔鉆工況下承受的鉆桿和土的最大拉力約160 t。

2.1 有限元模型的建立

本論文中用到的有限元靜力學(xué)分析工具為ansys workben14.0，有限元模型的建立可分為三個(gè)步驟。第一步導(dǎo)入模型。將用solidworks建立好的箱體實(shí)體模型導(dǎo)入到ansys workbench中。第二步參數(shù)設(shè)定。將workbench默認(rèn)的材料結(jié)構(gòu)鋼 (structural steel)賦予箱體，材料彈性模量E=166 MPa，泊松比u=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。第三步模型網(wǎng)格化。模型的網(wǎng)格化在整個(gè)數(shù)值模擬過(guò)程中最為耗時(shí)，網(wǎng)格的質(zhì)量情況決定著數(shù)值模擬結(jié)果的精確程度甚至決定數(shù)值模擬是否收斂［3］。模型網(wǎng)格劃分時(shí)，比較常用的網(wǎng)格模型有4面體和6面體模型。6面體網(wǎng)格一般比4面體網(wǎng)格質(zhì)量高，同樣的網(wǎng)格尺寸，6面體的單元數(shù)比4面體少，因而計(jì)算時(shí)間比4面體短［4］，因此6面體網(wǎng)格是網(wǎng)格劃分的首選。但6面體網(wǎng)格劃分復(fù)雜很多，動(dòng)力頭箱體是一個(gè)很不規(guī)則的實(shí)體，不方便得到規(guī)則的6面體網(wǎng)格，選用自由劃分并將網(wǎng)格設(shè)置成較小的尺寸可以得到較高精度的網(wǎng)格，得到的模型能夠滿足分析的精度要求并且計(jì)算收斂。最后得到的網(wǎng)格模型包含的單元總數(shù)為33 517，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為63 874。

2.2 約束的施加與求解分析

(1)施加約束。箱體的前后連接板通過(guò)螺栓固定于動(dòng)力頭的前后拉板上，前拉板沿立柱導(dǎo)軌上下滑動(dòng)，因此對(duì)箱體前后連接板施加固定約束;在拔鉆工況下，箱體面板通過(guò)回轉(zhuǎn)支承承受著鉆桿和土對(duì)動(dòng)力頭的全部拉力，對(duì)回轉(zhuǎn)支承安裝部位施加160 t的拉力，至此，約束施加完成。

(2)求解分析。求解并生成箱體的變形分布云圖，如圖2所示。

圖2 箱體變形云圖Fig.2 Housing deformation nephogram

最大變形發(fā)生在箱體最靠近中心部位，但中心部位只是作為混凝土管的通道，承受載荷很小基本可以忽略不計(jì)，故它的變形不影響系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。起關(guān)鍵影響的是回轉(zhuǎn)支撐安裝處的變形，它直接影響齒輪嚙合的重合度，根據(jù)變形云圖可知此處變形量約3.74 mm，為不影響齒輪正常嚙合，設(shè)計(jì)要求此處的變形不應(yīng)超過(guò)2.2 mm，故需增大箱體面板的剛度。

求解得到的應(yīng)力分布云圖如圖3所示。最大靜應(yīng)力發(fā)生在箱體中板與側(cè)板焊接的中間位置，應(yīng)力最大值達(dá)336.24 MPa，超出了一般結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度250 MPa，且極易導(dǎo)致此處焊縫裂開(kāi)，應(yīng)在此處做局部加強(qiáng)處理。

圖3 箱體應(yīng)力云圖Fig.3 Housing stress nephogram

針對(duì)分析結(jié)果，返回solidworks中對(duì)模型進(jìn)行修改加強(qiáng)，然后對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)的分析，最后得出的變形和應(yīng)力分布云圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 加強(qiáng)后的箱體變形云圖Fig.4 Housing deformation nephogram after reinforcement

圖5 加強(qiáng)后的箱體應(yīng)力云圖Fig.5 Housing stress nephogram after reinforcement

從圖4看出，修改后回轉(zhuǎn)支撐安裝孔處的變形量由修改前的3.74mm變成2.06mm，在設(shè)計(jì)允許的變形范圍內(nèi)，基本滿足結(jié)構(gòu)剛度要求。

從圖5看出，加強(qiáng)處理后最大應(yīng)力值增大到463 MPa，但此應(yīng)力值發(fā)生在加強(qiáng)筋板上，可對(duì)此處的筋板進(jìn)行局部加強(qiáng)，箱體中板與側(cè)板焊接的中間位置的應(yīng)力值約154 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度，故滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

3 模態(tài)分析

3.1 箱體模態(tài)計(jì)算方程和模態(tài)提取

模態(tài)分析的核心內(nèi)容是確定描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的模態(tài)參數(shù)。箱體結(jié)構(gòu)無(wú)阻尼自由振動(dòng)的基本方程為［5］:

式中:M為質(zhì)量矩陣;K為剛度矩陣;{u}為位移向量。

當(dāng)發(fā)生諧振動(dòng)時(shí)，即u=Usin(ωt)時(shí)，方程為:

求出固有圓周頻率ωi和振型φi，完成模態(tài)的提取。

3.2 模態(tài)分析計(jì)算及其結(jié)果分析

模態(tài)分析的有限元模型與靜力分析一樣，只是施加的約束不同，在有限元模態(tài)分析中唯一有效的約束是零位移約束，因此只需施加邊界約束條件，前后拉板與連接板通過(guò)螺栓孔連接，限制了連接板板的位移，因此給連接板施加零位移約束。取前6階模態(tài)進(jìn)行求解計(jì)算，得模態(tài)固有頻率和振型特征見(jiàn)表1。

表1 箱體模態(tài)計(jì)算結(jié)果Tab.1 Housing modal calculation results

箱體的前6階固有頻率分布在36.4～253.31Hz，任何結(jié)構(gòu)的固有頻率與外界強(qiáng)振頻率不滿足式3時(shí)，均不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象［6］。

式中，ωj為強(qiáng)振頻率，ωi、ωi+1為相鄰兩階固有頻率。

動(dòng)力頭在工作時(shí)，其主要的外界振源為:

(1)鉆桿鉆進(jìn)時(shí)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)。

(2)回轉(zhuǎn)支承與小齒輪嚙合產(chǎn)生的振動(dòng)。

鉆桿的轉(zhuǎn)速范圍在6～25 r/min，鉆桿的激振頻率為:

32.5＞0.75×36.5=27.3，故當(dāng)鉆桿轉(zhuǎn)速接近25 r/min時(shí)，有可能引起齒輪機(jī)構(gòu)和箱體的共振。

避免共振產(chǎn)生的方法有兩種:改變外界激振頻率和改變結(jié)構(gòu)的固有頻率。改變外界激振頻率即改變了設(shè)計(jì)參數(shù)，不符合設(shè)計(jì)要求，因此一般通過(guò)改變結(jié)構(gòu)固有頻率來(lái)避免共振的產(chǎn)生。結(jié)構(gòu)的固有頻率與質(zhì)量成正比，因此可以通過(guò)加大箱體質(zhì)量的方法來(lái)避免此動(dòng)力頭系統(tǒng)的共振。

大齒輪齒數(shù)為78，齒輪嚙合振動(dòng)頻率為:

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)箱體進(jìn)行有限元靜力分析，對(duì)箱體的應(yīng)力水平和應(yīng)變情況有了很直觀清晰的了解并對(duì)箱體薄弱之處進(jìn)行加強(qiáng)，理論上滿足了強(qiáng)度要求，為系統(tǒng)進(jìn)行其他方面優(yōu)化和改進(jìn)掃除了后顧之憂;通過(guò)對(duì)箱體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析，得出箱體前六階固有頻率及對(duì)應(yīng)的振型;將箱體有頻率與外界振源頻率進(jìn)行對(duì)比，探討了發(fā)生共振的可能性并提出了避免產(chǎn)生共振的措施。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］胡均平．螺旋鉆成層土拔鉆力的研究［J］．中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010.7(7):172～175．

［2］陳 強(qiáng)，孟陽(yáng)君．鋼筋混凝土圓管涵受力破壞實(shí)驗(yàn)研究［J］．森林工程，2009，25(5):44 －46．

［3］林海晨．風(fēng)力機(jī)葉片的有限元建模［J］．綿陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(8):43－47．

［4］張 榮．四面體與六面體網(wǎng)格特征比較［J］．企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)．2002，8(23):101 ～102．

［5］浦廣益．ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解［M］．北京:中國(guó)水利水電出版社，2010．

［6］張國(guó)棟．礦用多功能車(chē)動(dòng)臂的有限元模態(tài)分析［J］．煤礦機(jī)械，2012(7):121－122．