滕召金，黎起富，黨延磊，李仕

(恒天九五重工有限公司，湖南長(zhǎng)沙410100)

旋挖鉆機(jī)是用于大型樁基工程建設(shè)中的一種鉆孔設(shè)備，主要應(yīng)用在高速鐵路、地鐵、高層建筑等灌注樁基建設(shè)中。旋挖鉆機(jī)具有裝機(jī)功率大、輸出扭矩大、機(jī)動(dòng)靈活、噪聲小、鉆孔效率高、施工現(xiàn)場(chǎng)整潔等優(yōu)點(diǎn)，是目前世界最先進(jìn)的灌注樁鉆孔設(shè)備。某公司的JVR300Z 旋挖鉆機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)采用平行四邊形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由動(dòng)臂、三角架、支撐桿、動(dòng)臂變幅油缸、桅桿、軸盤(pán)、桅桿變幅油缸等組成，如圖1 所示。變幅機(jī)構(gòu)的工作機(jī)制為:動(dòng)臂變幅油缸和桅桿變幅油缸交替工作，調(diào)整旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，以滿足不同的鉆孔作業(yè)需求。

在整個(gè)鉆孔作業(yè)過(guò)程中，鉆具所承受的反作用力均需通過(guò)鉆桿和桅桿傳遞至變幅機(jī)構(gòu)，再由變幅機(jī)構(gòu)經(jīng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)和底盤(pán)傳遞至地面。這個(gè)過(guò)程中，計(jì)算旋挖鉆機(jī)的各鉸點(diǎn)和油缸的受力情況，進(jìn)而驗(yàn)證旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性。目前對(duì)變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模、仿真的研究很少，為了全面掌握和優(yōu)化變幅機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，文中采用ADAMS 軟件對(duì)變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析、建模和仿真研究。

圖1 變幅機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1 變幅機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的建立

旋挖鉆機(jī)的動(dòng)臂變幅和桅桿變幅2 個(gè)動(dòng)作相互獨(dú)立進(jìn)行，互不聯(lián)動(dòng)。假設(shè)動(dòng)臂在變幅過(guò)程中，三角架、桅桿、鉆桿、動(dòng)力頭、鉆具等的相互位置關(guān)系保持不變，且動(dòng)力頭不加載外部負(fù)載，建模時(shí)將這幾部分視為1 個(gè)剛體處理。其受力如圖1 所示。

旋挖鉆機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)隨著油缸伸出長(zhǎng)短的變化，其角度和受力相應(yīng)發(fā)生變化，為了能清晰地描述它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，引入2 個(gè)姿態(tài)角:變幅角(α +θ)和桅桿角β，如圖1 所示。

將桅桿變幅機(jī)構(gòu)單獨(dú)分析，受力情況如圖2 所示:桅桿變幅油缸的主動(dòng)力F2，油缸與桅桿的角度γ。對(duì)點(diǎn)G 取力矩，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，可得如下方程:

式中:LFG為點(diǎn)F 到點(diǎn)G 的力臂;

m 為工件裝置的質(zhì)量;

g 為重力加速度;

LGm為工件裝置的質(zhì)心m 到點(diǎn)G 的距離;

δ 為工作裝置與桅桿的夾角。

圖2 桅桿變幅機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析簡(jiǎn)圖

將三角架單獨(dú)分析，因三角架、動(dòng)臂與支撐桿等部件的受力遠(yuǎn)大于其自重，故將二者按二力桿處理，三角架重力忽略不計(jì)，簡(jiǎn)化后的動(dòng)臂變幅機(jī)構(gòu)的受力情況如圖3 所示:動(dòng)臂變幅油缸的主動(dòng)力F1，油缸與動(dòng)臂的角度θ。對(duì)點(diǎn)G 取力矩，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，可得如下方程:

式中:LCG為點(diǎn)C 到點(diǎn)G 的力臂;

LDG為點(diǎn)D 到點(diǎn)G 的力臂;

α 為支撐桿與水平線夾角;

FAD為支撐桿對(duì)點(diǎn)D 的作用力;

FBC為動(dòng)臂對(duì)點(diǎn)C 的作用力。

圖3 動(dòng)臂變幅機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析簡(jiǎn)圖

利用MATLAB 數(shù)學(xué)工具，對(duì)式(1)— (6)進(jìn)行求解，可得出:動(dòng)臂變幅油缸的主動(dòng)力F1，桅桿變幅油缸的主動(dòng)力F2，鉸點(diǎn)A、B 作用力。

2 動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立

以JVR300Z 型旋挖鉆機(jī)為算例，利用Pro/E 軟件建立旋挖鉆機(jī)的三維模型，并將其導(dǎo)入到ADAMS 軟件中，再對(duì)模型進(jìn)行約束，定義各個(gè)部件運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力幅:油缸使用圓柱副、平行四邊形機(jī)構(gòu)使用關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副、左右履帶使用固定副約束。在變幅油缸上運(yùn)動(dòng)副上加驅(qū)動(dòng)副并填寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)式(7)— (9)，如圖4 所示。

圖4 JVR300Z 動(dòng)力學(xué)仿真模型

為了全面分析旋挖鉆機(jī)工作過(guò)程中的受力情況，將仿真的時(shí)間設(shè)為25 s，前20 s 時(shí)間模擬變幅機(jī)構(gòu)將鉆機(jī)由水平運(yùn)輸姿態(tài)調(diào)整至鉆孔工作姿態(tài);后5 s 模擬旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)工況。具體實(shí)際操作安排為:在t =0 ～10 s 內(nèi)，僅有動(dòng)臂變幅油缸勻速伸出;在t =10 ～20 s 內(nèi)，僅有桅桿變幅油缸勻速伸出;在t=20 ～25 s的時(shí)間內(nèi)，僅有動(dòng)力頭的勻速鉆進(jìn)工況，不考慮外部沖擊載荷的影響。函數(shù)如式(7)— (9)所示:

動(dòng)臂變幅油缸的運(yùn)動(dòng)方程如式(7)所示:

桅桿變幅油缸的運(yùn)動(dòng)方程如式(8)所示:

動(dòng)力頭的鉆進(jìn)運(yùn)動(dòng)方程如式(9)所示:

3 變幅機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析

按照式(7)— (9)的參數(shù)，對(duì)JVR300Z 仿真模型進(jìn)求解運(yùn)算。

動(dòng)臂變幅油缸、桅桿變幅油缸受力情況分別如圖5、圖6 所示。

圖5 動(dòng)臂變幅油缸受力F1

圖6 桅桿變幅油缸受力F2

從圖5、圖6 中發(fā)現(xiàn):

(1)在t =0 ～10 s 內(nèi)，隨著動(dòng)臂變幅油缸活塞桿的舉升，活塞桿的力臂不斷上升，變幅角(α +θ)增大，動(dòng)臂變幅油缸的工作力逐漸降低;而桅桿變幅油缸只參與支撐工作裝置的作用，且不改變姿態(tài)，故桅桿變幅油缸的工作力基本保持不變;

(2)在t=10 ～20 s 內(nèi)，動(dòng)臂變幅油缸支撐變幅機(jī)構(gòu)平行四行邊形保持恒定姿態(tài);隨著桅桿變幅油缸活塞桿的舉升，活塞桿的力臂不斷上升，桅桿角β 不斷增大，工作裝置的重心位置不斷前移與升高，動(dòng)臂變幅油缸工作力逐漸降低;桅桿變幅油缸的工作力先上升，在t=10.8 s 時(shí)產(chǎn)生突變，桅桿角β =26°，油缸與桅桿的角度γ =14°，作用力突然增大到最大值1.84 ×106N，然后再快速降低;在t =16.2 s 時(shí)，桅桿角β=59°，油缸與桅桿的角度γ =21°，油缸作用力降低到最小值4 012 N，經(jīng)過(guò)該拐點(diǎn)后，油缸作用力再緩慢增大，直到完成變幅動(dòng)作。

進(jìn)一步分析平行四邊行形機(jī)構(gòu)中的點(diǎn)A 受力情況，如圖7 所示。點(diǎn)B 的受力情況如圖8 所示。

圖7 鉸點(diǎn)A 受力FAD

圖8 鉸點(diǎn)B 受力FBC

(3)從圖7、圖8 中可知:鉸點(diǎn)A、鉸點(diǎn)B 在t=0 ～10 s 內(nèi)，隨著動(dòng)臂變幅油缸活塞桿的舉升，活塞桿的力臂不斷上升，變幅角(α + θ)增大，鉸點(diǎn)A、鉸點(diǎn)B 受力先降低，再增大;在t =10 ～20 s 內(nèi)，鉸點(diǎn)A，鉸點(diǎn)B 作用力先上升，在t =10.8 s 時(shí)產(chǎn)生突變，然后再快速降低，約在t =15.2 s 時(shí)，桅桿角β=51°，鉸點(diǎn)A、鉸點(diǎn)B 作用力降低到最小值，經(jīng)過(guò)該拐點(diǎn)后，作用力再緩慢增大，直到完成變幅動(dòng)作。

(4)在t=20 ～25 s 的時(shí)間內(nèi)，旋挖鉆機(jī)為鉆進(jìn)工作狀態(tài)，變幅機(jī)構(gòu)所受的作用力基本保持不變。

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn):在桅桿角β =26°時(shí)產(chǎn)生突變是因?yàn)樵摃r(shí)間點(diǎn)為鉆桿在桅桿上由靜摩擦轉(zhuǎn)為動(dòng)摩擦的時(shí)間點(diǎn);鉸點(diǎn)A、鉸點(diǎn)B 在桅桿角β=51°時(shí)產(chǎn)生突變的原因是由于工作裝置的重力完全作用在桅桿變幅油缸之上，導(dǎo)致平行四邊形機(jī)構(gòu)不受力;在桅桿角β=59°時(shí)產(chǎn)生突變的原因是由于工作裝置的重力完全作用在變幅機(jī)構(gòu)中的平行四邊形機(jī)構(gòu)之上，導(dǎo)致油缸不受力。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明:工裝裝置重心位置的不斷變化，給變幅機(jī)構(gòu)帶來(lái)了沖擊。

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn):

(1)動(dòng)臂變幅油缸受力最大時(shí)刻為動(dòng)作開(kāi)始時(shí)刻，設(shè)計(jì)油缸時(shí)必須使油缸的起拔力大于油缸工作受到的最大力，否則可能造成變幅機(jī)構(gòu)不能正常工作。

(2)由于桅桿角β 的不斷增大，工作裝置重心位置不斷變化，對(duì)變幅機(jī)構(gòu)造成一定程度的沖擊，尤其是鉆桿在桅桿上由靜摩擦轉(zhuǎn)為動(dòng)摩擦的瞬間，桅桿變幅油缸受沖擊力較大，校核該沖擊為設(shè)計(jì)桅桿變幅油缸提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

(3)工作裝置的重心分別單獨(dú)作用于桅桿油缸及平行四邊形機(jī)構(gòu)時(shí)，對(duì)變幅機(jī)構(gòu)均產(chǎn)生沖擊。

(4)按此案例計(jì)算出來(lái)的理論數(shù)據(jù)在JVR300Z首臺(tái)樣機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，符合實(shí)際工況。文中對(duì)分析旋挖鉆機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能具有理念指導(dǎo)意思。

［1］康輝梅．旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模與仿真［J］．中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，41(4):532－538．

［2］何清華．動(dòng)臂變幅工況下旋挖鉆機(jī)工作裝置的動(dòng)力學(xué)特性［J］．中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，43(6):2150－2156．

［3］黎中銀．旋挖鉆機(jī)與施工技術(shù)［M］．北京:人民交通出版社，2010．

［4］何清華．旋挖鉆機(jī)研究與設(shè)計(jì)［M］．長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2012．

［5］陳志偉．MSC.ADAMS 多體多力學(xué)仿真基礎(chǔ)與實(shí)例解析［M］．北京:中國(guó)水利水電出版社，2013．