陳 曦,梁守軍
(北京中車重工機(jī)械有限公司,北京 102200)
自2009年起,中車北京重工相繼自主研發(fā)成功TR500、TR550、TR580大噸位旋挖鉆機(jī),填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大噸位旋挖鉆機(jī)市場(chǎng)的空白。該類型大噸位旋挖鉆機(jī)整體集成了CAT390D可擴(kuò)展式底盤和上車全套設(shè)備,液壓與傳動(dòng)系統(tǒng)采用力士樂(lè)馬達(dá)與布雷維尼減速機(jī),采用先進(jìn)的負(fù)載反饋技術(shù)可使流量按需分配至系統(tǒng)各工作裝置,實(shí)現(xiàn)不同工況的最佳匹配,最大程度的節(jié)省了發(fā)動(dòng)機(jī)功率,降低了油耗。
結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了創(chuàng)新與突破,采用中置主卷?yè)P(yáng)、卷?yè)P(yáng)加壓、箱型截面鋼板焊接式下桅桿、桁架式上桅桿、桁架式吊錨架、可變配重結(jié)構(gòu),軸式轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu),減輕整機(jī)的重量,保證整體的可靠性及結(jié)構(gòu)的安全性。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件均采用細(xì)晶粒高強(qiáng)度鋼板制造,強(qiáng)度高、剛度好、重量輕,并結(jié)合有限元靜態(tài)及屈曲分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使得結(jié)構(gòu)更加合理。采用先進(jìn)的焊接技術(shù),使得大噸位鉆機(jī)輕量化成為可能。
著重總結(jié)中車北京重工在500kN·m以上大噸位旋挖鉆機(jī)的研發(fā)成果以及解決的關(guān)鍵性技術(shù)難題。
(1)傳統(tǒng)主卷?yè)P(yáng)結(jié)構(gòu)及其缺陷。
大型旋挖鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)結(jié)構(gòu)一般置于機(jī)體的后部,在車體配重與發(fā)動(dòng)機(jī)液壓油箱部分之間的位置,即主卷?yè)P(yáng)后置,為雙減速機(jī)雙馬達(dá)結(jié)構(gòu)形式。
采用主卷?yè)P(yáng)后置結(jié)構(gòu)時(shí),桅桿上部受力較大,重心向后偏移,會(huì)降低旋挖鉆機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。雙減速機(jī)雙馬達(dá)方式,對(duì)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力也要求相對(duì)較大,一對(duì)一的安裝形式從減速機(jī)的著力點(diǎn)來(lái)講相對(duì)單一,使減速機(jī)受力平衡不夠優(yōu)良,且馬達(dá)的成本也相對(duì)較高。
(2)新型主卷?yè)P(yáng)結(jié)構(gòu)及其優(yōu)勢(shì)。
中車大噸位旋挖鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)中置雙減速機(jī)4馬達(dá)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1、圖2),使桅桿油缸與整機(jī)構(gòu)成的三角形結(jié)構(gòu)的縱向豎直面的中心點(diǎn)與主卷?yè)P(yáng)重心、桅桿的幾何中心點(diǎn)位于同一個(gè)平面上,實(shí)現(xiàn)主卷?yè)P(yáng)結(jié)構(gòu)的中置結(jié)構(gòu)形式。
該主卷?yè)P(yáng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):①主卷?yè)P(yáng)結(jié)構(gòu)中置使得整機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊,提高了整機(jī)的安全穩(wěn)定性;②主卷?yè)P(yáng)結(jié)構(gòu)中采用雙減速機(jī)4馬達(dá)的結(jié)構(gòu)形式,使整機(jī)獲得了超大輸出扭矩,從而獲得所需的提升力;③雙減速機(jī)4馬達(dá)的安裝布置與鼓型齒輪組合相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式使傳動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn),延長(zhǎng)了減速機(jī)的使用壽命,降低了生產(chǎn)維護(hù)成本;④采用單層螺旋線式主卷?yè)P(yáng)筒,從根本上解決了鋼絲繩的壓繩、咬繩現(xiàn)象。
圖2 雙減速機(jī)4馬達(dá)結(jié)構(gòu)形式
吊錨架在旋挖鉆機(jī)桅桿的頂部,結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)既要滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求,重量又要盡可能的小,實(shí)現(xiàn)整機(jī)的輕量化。
(1)傳統(tǒng)吊錨架的結(jié)構(gòu)。
傳統(tǒng)吊錨架一般為板式結(jié)構(gòu),滑輪架是整個(gè)吊錨架中的支撐部件,為滑輪提供支撐。對(duì)于大型旋挖鉆機(jī),2大滑輪的中心尺寸越大,大滑輪支撐板的尺寸也越大,鋼板厚度越大,整個(gè)吊錨架的重量就越大,對(duì)整車的穩(wěn)定性越不利。
(2)新型吊錨架的結(jié)構(gòu)。
為了減小大型旋挖鉆機(jī)吊錨架的重量,使整車的穩(wěn)定性更好,擬采用桁架式吊錨架(已申請(qǐng)國(guó)家專利),見(jiàn)圖3。桁架式吊錨架的結(jié)構(gòu)主要包括滑輪架、大小滑輪組成、大小滑輪導(dǎo)繩管,重量減輕20%。
針對(duì)桁架式吊錨架進(jìn)行有限元靜態(tài)及屈曲分析,吊錨架經(jīng)過(guò)抽取中面處理和創(chuàng)建直線之后的幾何模型,如圖4所示;采用梁、4節(jié)點(diǎn)和3節(jié)點(diǎn)的板殼和剛性單元建立吊錨架有限元模型,如圖5所示,其中梁?jiǎn)卧?59個(gè),板單元51305個(gè),剛性單元32個(gè)。
圖3 桁架式吊錨架示意圖
圖4 吊錨架中面模型
圖5 吊錨架有限元網(wǎng)格
提取吊錨架等效應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖6,吊錨架最大應(yīng)力值為381.45MPa,發(fā)生在前端主滑輪與法蘭連接螺栓孔處,且前后端主滑輪與法蘭連接處的應(yīng)力相對(duì)其他部位較大,分布在260~280MPa之間。
(3)實(shí)施效果。
在滑輪中心尺寸一樣的情況下,桁架式吊錨架能夠有效地減小重量,對(duì)整車的穩(wěn)定性和輕量化起到了積極的作用。
圖6 吊錨架等效應(yīng)力分布情況
(1)目前大型旋挖鉆機(jī)常用轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)分析。
常用的轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)有2種:直立板轉(zhuǎn)盤和彎立板轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)。應(yīng)用到大型旋挖鉆機(jī)時(shí),前者結(jié)構(gòu)上的局限性使得旋挖鉆機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)桅桿的前傾裝配或需增加立板長(zhǎng)度;后者可實(shí)現(xiàn)桅桿的前傾裝配,但由于立板彎曲,產(chǎn)生應(yīng)力集中。
(2)新型軸式轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)。
軸式轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)可分為2大部分,轉(zhuǎn)盤體部分、轉(zhuǎn)盤桅桿上相應(yīng)結(jié)構(gòu),如圖7所示。
圖7 軸式轉(zhuǎn)盤示意圖
(3)承載方式分析。
根據(jù)軸式轉(zhuǎn)盤的有限元分析(如圖8所示),其承載能力得到了很大的提升,避免了彎立板在彎曲部位的應(yīng)力集中,降低了附加載荷;調(diào)整動(dòng)臂軸套在轉(zhuǎn)盤上的位置,使桅桿可實(shí)現(xiàn)前傾裝配,增強(qiáng)了整車的穩(wěn)定性。
圖8 軸式轉(zhuǎn)盤有限元分析應(yīng)力云圖
(4)實(shí)施效果。
新型軸式轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)滿足了使用功能,并且使得大噸位旋挖鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化,性能更加穩(wěn)定,安全性更高。
采用NASTRAN軟件對(duì)局部結(jié)構(gòu)及整機(jī)進(jìn)行有限元靜態(tài)及屈曲分析,對(duì)整機(jī)進(jìn)行4種危險(xiǎn)工況的有限元靜態(tài)及屈曲分析,工況分別為:主卷?yè)P(yáng)提升、加壓鉆進(jìn)、起拔和起桅。
(1)邊界條件。
支架、主卷?yè)P(yáng)桁架底部固定約束。
(2)載荷。
自重+風(fēng)載+吊錨架,主滑輪座2端沿繩的方向施加最大提升力510kN。
①風(fēng)載計(jì)算。
非桁架長(zhǎng)臂動(dòng)力頭處載荷:自重+風(fēng)載;其他部分:自重+風(fēng)載。
②桁架段長(zhǎng)臂。
按照設(shè)計(jì)規(guī)范,風(fēng)載計(jì)算公式
Pw—— 作用在鉆機(jī)桁架段的風(fēng)載荷,N;
C—— 風(fēng)力系數(shù),查起重機(jī)規(guī)范,按照?qǐng)A管結(jié)構(gòu)計(jì)算,取C=1.3;
Kh—— 風(fēng)壓高度變化系數(shù),查起重機(jī)規(guī)范,工作狀態(tài)Kh=1;
q——計(jì)算風(fēng)壓,N/m2。
計(jì)算風(fēng)載為:1.3×480×5.86=3656N。
將風(fēng)載力按照線載荷均布施加到桁架上,根據(jù)擋風(fēng)面桁架長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)分布,作用在擋風(fēng)面桁架的節(jié)點(diǎn)集中力為4N。
③非桁架段長(zhǎng)臂。
按計(jì)算風(fēng)壓施加均布載荷480N/m2,迎風(fēng)面施加均布風(fēng)載,背風(fēng)面不用施加。頂部繩索掛架,做動(dòng)筒,底部轉(zhuǎn)臺(tái)和連接部分風(fēng)載忽略。
(3)提升工況應(yīng)力分析。
最大應(yīng)力發(fā)生在吊錨架區(qū)域,為部分集中應(yīng)力區(qū)域,達(dá)到500MPa,如圖9所示,由于模型處理中消除了設(shè)計(jì)時(shí)消除集中應(yīng)力倒角的幾何以及載荷和邊界條件處理等因素造成了此應(yīng)力集中現(xiàn)象,但絕大部分區(qū)域的應(yīng)力都分布在200~500MPa之間,不影響整體效應(yīng)對(duì)局部結(jié)構(gòu)的影響。
提取下桅桿局部應(yīng)力云圖,如圖10和11所示,最大應(yīng)力值為324.063MPa,發(fā)生在下桅桿前板與中桁架法蘭連接的支撐板部位。
提取底座桁架、大三角支撐和動(dòng)臂子裝配體應(yīng)力云圖,如圖12所示,最大應(yīng)力為564.2MPa,發(fā)生在變幅油缸支座與動(dòng)臂上蓋板連接處,大部分區(qū)域應(yīng)力分布在150MPa左右。
圖9 整車等效應(yīng)力分布情況
圖10 下桅桿等效應(yīng)力分布情況
圖11 下桅桿法蘭連接等效應(yīng)力分布情況
圖12 底座桁架等效應(yīng)力分布情況
提取上桁架和吊錨架應(yīng)力云圖,如圖13所示,截取600MPa云圖顯示上桁架和吊錨架應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn),發(fā)生此應(yīng)力的區(qū)域在吊錨架與法蘭連接以及支撐架與上桁架支撐板連接處,其他區(qū)域應(yīng)力分布在200MPa左右。
圖13 上桁架和吊錨架等效應(yīng)力分布情況
(1)邊界條件。
支架、桁架底部固定約束。
(2)載荷。
自重+風(fēng)載+桅桿下部對(duì)應(yīng)動(dòng)力頭的位置施加最大加壓力300kN+等效彎矩660kN·m+最大扭矩470kN·m,如圖14所示。
(3)加壓鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)力分析。
提取加壓鉆進(jìn)工況板等效應(yīng)力云圖,如圖15所示,加壓鉆進(jìn)工況時(shí)板最大等效應(yīng)力達(dá)到400MPa,在變幅油缸支座與動(dòng)臂上蓋板連接的幾個(gè)點(diǎn)上,其他區(qū)域應(yīng)力分布在200MPa左右。
圖14 整車承載和邊界條件
圖15 整車等效應(yīng)力分布情況
截取500MPa應(yīng)力區(qū)域值段來(lái)查看整車應(yīng)力分布情況,大三角支撐主要承受加壓鉆進(jìn)工況應(yīng)力分布,分布區(qū)域在300MPa左右,如圖16和圖17所示。
截取200MPa應(yīng)力區(qū)域值段來(lái)查看下桅桿、上下桁架和吊錨架應(yīng)力云圖,如圖18和圖19所示,下桅桿、上下桁架和吊錨架應(yīng)力都較小,在70MPa左右。
圖16 整車等效應(yīng)力500MPa以下情況(后)
圖17 整車等效應(yīng)力500MPa以下情況(前)
圖18 中桅桿等效應(yīng)力分布情況
圖19 上桅桿等效應(yīng)力分布情況
(1)起桅有限元模型。
將吊錨架、上下桁架、下桅桿和轉(zhuǎn)盤有限元模型組繞著動(dòng)臂轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)86.55°,即旋挖鉆機(jī)起桅時(shí)最危險(xiǎn)工況下的模型,重新建立桅桿油缸一維有限元模型,搭建起桅工況整車模型,如圖20所示。
圖20 起桅時(shí)整車約束情況
(2)起桅工況邊界條件。
支架、主卷?yè)P(yáng)桁架底部固定約束,油缸與下桅桿鉸點(diǎn)固定。
(3)起桅工況載荷。
自重(忽略風(fēng)載)。
(4)起桅時(shí)板的等效應(yīng)力分析。
提取整車板的等效應(yīng)力云圖。如圖21和圖22所示,整車在起桅時(shí)產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為232.13MPa,發(fā)生在下桅桿與中桁架法蘭連接的加強(qiáng)筋板處。
圖21 整車等效應(yīng)力分布情況
圖22 下桅桿與中桁架連接等效應(yīng)力分布情況
提取桅桿油缸支座的等效應(yīng)力結(jié)果,如圖23和圖24所示,桅桿油缸支座的等效應(yīng)力值在110MPa左右。
圖23 油缸大臂支座等效應(yīng)力分布情況
主要對(duì)提升、加壓鉆進(jìn)和起桅3種較危險(xiǎn)工況進(jìn)行了有限元分析,從分析結(jié)果得到以下結(jié)論:
圖24 桅桿支座等效應(yīng)力分布情況
(1)510kN提升工況時(shí),吊錨架右滑輪提升力臂較大,整車產(chǎn)生較大了X向位移,達(dá)到了0.21m。吊錨架與法蘭連接筋板產(chǎn)生較大的應(yīng)力,最大應(yīng)力為500MPa,發(fā)生此應(yīng)力的區(qū)域在吊錨架與法蘭連接以及支撐架與上桁架支撐板連接處。吊錨架局部分析后,確定其強(qiáng)度滿足要求。
(2)加壓鉆進(jìn)工況整體最大位移為0.168m,最大分布在X向上,X向最大位移為0.165m。加壓鉆進(jìn)時(shí)整車及各部分應(yīng)力值較小,多分布在300MPa以下。
(3)起拔工況整體最大位移為0.0378m,最大分布在Z向上,Z向最大位移為0.0116m。起拔時(shí)整車及各部分應(yīng)力值較小,多分布在200MPa以下。
(4)起桅時(shí)整車產(chǎn)生的最大整體位移為0.148m,由于重力作用最大位移發(fā)生在吊錨架主滑輪處。整車在起桅時(shí)產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為232.13MPa,發(fā)生在下桅桿與中桁架法蘭連接的加強(qiáng)筋板處。
(5)對(duì)整車3種工況分析結(jié)果進(jìn)行比較,整車在提升時(shí)產(chǎn)生的整體應(yīng)力分布值較大,其中動(dòng)臂、吊錨架和吊錨架與上桁架之間的法蘭連接部分產(chǎn)生的應(yīng)力較大,進(jìn)行局部分析后,確定其強(qiáng)度滿足要求。
[1] 黃志文. 大型旋挖鉆機(jī)設(shè)計(jì)中幾個(gè)問(wèn)題的討論[J]. 建筑機(jī)械,2010,(8):60-62,65.
[2] 張啟君. 國(guó)內(nèi)外旋挖鉆機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析[J]. 建筑機(jī)械設(shè)計(jì)與管理,2006,(4):59-62.