馬超林，柳文，呂明寬

(四川華鋒鉆探工程有限責(zé)任公司，四川 成都　610091)

有限元分析在HF30便攜式鉆機(jī)動(dòng)力頭殼體研究中的應(yīng)用

馬超林，柳文，呂明寬

(四川華鋒鉆探工程有限責(zé)任公司，四川 成都610091)

摘要：便攜式全液壓巖心鉆機(jī)作為一種新型取心鉆探設(shè)備，摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)鏈，采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行傳動(dòng)及控制，使鉆機(jī)的設(shè)計(jì)和使用得到簡(jiǎn)化。隨著科技的進(jìn)步，機(jī)械行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化水平逐漸提高，便攜式全液壓巖心鉆機(jī)在卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)架、動(dòng)力組件、液壓操控系統(tǒng)、工作平臺(tái)等方面逐漸成熟，鉆機(jī)的專業(yè)設(shè)計(jì)就集中于動(dòng)力頭等核心部件上，借助有限元分析方法來(lái)設(shè)計(jì)動(dòng)力頭，可以提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期。本文運(yùn)用SolidWorks Simulation對(duì)動(dòng)力頭模型進(jìn)行有限元靜態(tài)應(yīng)力分析，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞:便攜式；鉆機(jī)；動(dòng)力頭；有限元

1概述

動(dòng)力頭是鉆機(jī)的核心部件，必須確保其有足夠的強(qiáng)度使鉆機(jī)正常工作。HF30便攜式鉆機(jī)動(dòng)力頭的主要功能有兩部分：其一是為鉆具的旋轉(zhuǎn)和鉆桿的擰卸來(lái)傳遞扭矩，其二是在給進(jìn)油缸的帶動(dòng)下升降鉆具。由于這兩種動(dòng)作是同時(shí)進(jìn)行的，所以在對(duì)動(dòng)力頭進(jìn)行有限元分析的時(shí)候，必須同時(shí)進(jìn)行分析。采用有限元分析軟件對(duì)動(dòng)力頭在不同載荷條件下進(jìn)行受力分析不僅可以優(yōu)化動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)，同時(shí)在提高設(shè)備開(kāi)發(fā)成功率和縮短周期方面存在優(yōu)勢(shì)。

2有限元分析方法及軟件介紹

有限元法( Finite Element Method，F(xiàn)EM) 是將連續(xù)體離散化，通過(guò)對(duì)有限個(gè)單元作分片插值求解各種力學(xué)、物理問(wèn)題的一種數(shù)值方法。其通過(guò)把連續(xù)體分成個(gè)數(shù)有限的單元，每個(gè)單元只包含有簡(jiǎn)單場(chǎng)函數(shù)，這些場(chǎng)函數(shù)的集合就可以代表整個(gè)連續(xù)體的場(chǎng)函數(shù)，再根據(jù)方程建立有限個(gè)待定參量的代數(shù)方程組，通過(guò)對(duì)離散方程組進(jìn)行求解，就可得到有限元法的解。有限元分析可以將問(wèn)題化繁為簡(jiǎn)，具有計(jì)算精度高、形狀適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種有效的工程分析手段。

Simulation 是SolidWorks公司開(kāi)發(fā)的一種有限元分析軟件，作為嵌入式分析軟件可以與SolidWorks進(jìn)行無(wú)縫連接。運(yùn)用SolidWorks Simulation，可以快速地進(jìn)行產(chǎn)品分析，計(jì)算、分析結(jié)果，在新產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，縮短了周期，降低了成本，提高了質(zhì)量。SolidWorks Simulation提供了豐富的計(jì)算與分析工具，在對(duì)較復(fù)雜零件及裝配體進(jìn)行運(yùn)算、測(cè)試和分析的過(guò)程中具有優(yōu)勢(shì)。

3動(dòng)力頭殼體的有限元分析

3.1模型創(chuàng)建

動(dòng)力頭殼體主要由三部分組成，包括動(dòng)力頭體和前端蓋、后端蓋。動(dòng)力頭體固定在給進(jìn)托架上，后端蓋上與液壓馬達(dá)相連，為鉆桿旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，在給進(jìn)油缸的作用下，為給進(jìn)提供動(dòng)力，見(jiàn)圖1。動(dòng)力頭所承受的載荷主要集中在這三部分上，通過(guò)實(shí)體建模并對(duì)其施加負(fù)載力進(jìn)行有限元模擬。

3.2材料使用

本次研究的便攜式全液壓巖心鉆機(jī)動(dòng)力頭的材料為合金鋼，查詢相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得到以下相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1所示。在進(jìn)行分析前的產(chǎn)品建模階段確定所需材料，也可以利用SimulationXPress工具指定材質(zhì)。

圖1　動(dòng)力頭殼體模型

名稱合金鋼屈服強(qiáng)度355MPa抗拉強(qiáng)度600MPa彈性模量209GPa泊松比0.269密度7890kg/m3切變模量79GPa

3.3約束添加

在系統(tǒng)的“約束”設(shè)定窗體上，為模型進(jìn)行約束的添加。約束不僅可以添加到多個(gè)面上，還可以添加到每個(gè)面的各個(gè)方向上。在運(yùn)算分析時(shí)，約束至少有一個(gè)，本文所加約束如圖2所示。3個(gè)零件的約束類型均為固定端約束，通過(guò)安裝孔采用螺栓固定。此類約束既有XYZ三個(gè)方向的約束反力，也有三個(gè)方向的約束反力偶。

用solidworks分別打開(kāi)以上3個(gè)零件模型，并加載SolidWorks Simulation有限元分析模塊，首先選擇約束類型，點(diǎn)擊Simulation算例顧問(wèn)，選擇靜態(tài)應(yīng)力分析，然后點(diǎn)擊夾具顧問(wèn)，選擇約束類型為固定幾何體。

3.4載荷施加

便攜式全液壓巖心鉆機(jī)的動(dòng)力頭主要受到機(jī)頭的扭矩和給進(jìn)油缸的拉壓力，通過(guò)對(duì)其工況的分析，可知?jiǎng)恿︻^受到載荷最大的時(shí)候?yàn)闄C(jī)頭按照最大扭矩1084 N·m進(jìn)行鉆進(jìn)工作，同時(shí)給進(jìn)油缸達(dá)到最大拉力53kN。載荷施加如圖2所示，其中圖2(a)為動(dòng)力頭體所受載荷，沿腔體內(nèi)壁順時(shí)針?lè)较蚺ぞ剌d荷1084N·m均勻分布，沿軸向拉力53kN，以及約束反力和反力偶；圖2(b)為前端蓋所受載荷，沿軸向拉力53kN，以及約束反力；圖2(c)為后端蓋所受載荷：沿端面順時(shí)針?lè)较蚺ぞ剌d荷1084 N·m均勻分布，以及約束反力偶。

圖2　載荷和約束分布圖

3.5網(wǎng)格劃分

采用實(shí)體網(wǎng)格，動(dòng)力頭體、動(dòng)力頭前端蓋、動(dòng)力頭后端蓋的相關(guān)網(wǎng)格劃分參數(shù)如表2所示。劃分網(wǎng)格后的模型如圖3所示。

表2　網(wǎng)絡(luò)劃分參數(shù)

圖3　網(wǎng)格劃分示意圖

3.6運(yùn)算分析

網(wǎng)格化的模型經(jīng)過(guò)運(yùn)算分析，在約束和載荷的作用下，可以得到相應(yīng)的靜態(tài)應(yīng)力分布圖和位移分布圖，見(jiàn)圖4～圖9。

圖4　動(dòng)力頭體靜態(tài)應(yīng)力分布圖

圖5　前端蓋靜態(tài)應(yīng)力分布圖

圖6　后端蓋靜態(tài)應(yīng)力分布圖

圖7　動(dòng)力頭體位移分布圖

圖8　前端蓋位移分布圖

圖9　后端蓋位移分布圖

3.7結(jié)果分析

通過(guò)分析上述運(yùn)算結(jié)果可知：(1)3個(gè)零件的最大應(yīng)力受力情況分別是15.58MPa，171.24MPa，9.66MPa。均低于材料的屈服強(qiáng)度355MPa和抗拉強(qiáng)度600MPa。(2)對(duì)于動(dòng)力頭體來(lái)說(shuō)，其在遠(yuǎn)離鉸接點(diǎn)的位置存在最大位移僅為3.98×10-4mm，前端蓋最大位移為1.674×10-2mm，后端蓋最大位移為9.14×10-4mm，完全滿足使用要求。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)HF30便攜式全液壓巖心鉆機(jī)的動(dòng)力頭受力進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析，運(yùn)用SolidWorks Simula-

tion軟件對(duì)關(guān)鍵件進(jìn)行有限元分析，不僅對(duì)其應(yīng)力、位移情況更加了解，由分析的結(jié)果還可以得知在哪些地方需要更改和加強(qiáng)，使動(dòng)力頭更加可靠。

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收稿日期：2016-03-23

作者簡(jiǎn)介：馬超林(1976-)，男，四川岳池人，西南交通大學(xué)研究生,四川華鋒鉆探工程有限責(zé)任公司工程師，主要從事巖心鉆探設(shè)備材料管理工作，四川省成都市青羊工業(yè)集中發(fā)展區(qū)廣富路218號(hào)G8C，Tel：028-61509098，13982236032，E-mail：schfztsc@126.com。

中圖分類號(hào):P634.31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-282X(2016)03-0011-03