楊太旗，成建聯(lián)，趙延捷

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與設(shè)備教育部重點實驗室，西安 710064）

0 引言

隨著旋挖鉆機的廣泛使用，國內(nèi)對其研究也越來越多。但是大部分集中于鉆桿、桅桿、變幅機構(gòu)、主卷揚、回轉(zhuǎn)平臺等研究，對底盤研究很少，對機架研究更少，所以對底盤機架的研究迫在眉睫。

國內(nèi)對旋挖鉆機做了大量的研究。葛萬勇[1]和王艷[2]著重研究了底盤行走裝置整體布置設(shè)計和回轉(zhuǎn)平臺強度分析；熊玉龍[3]重點研究動力頭的設(shè)計和有限元分析；李遠虎[4]研究桅桿的結(jié)構(gòu)并對其進行強度和剛度分析；郭雄華等[5]研究動臂的結(jié)構(gòu)強度并進行有限元分析。上述研究，雖然有對底盤進行分析，但是沒有涉及到機架這個方面，因而對旋挖鉆機研究存在一定問題。

本文從提鉆和鉆進2種工況方面考慮，基于對機架的受力分析，建立機架在2 種工況下的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)已選的某型號旋挖鉆機，算出機架的受力載荷。最后，通過Workbench19.2軟件，對機架進行載荷施加，驗證其安全性。

1 旋挖鉆機組成和工作原理

旋挖鉆機的組成包括桅桿總成、變幅機構(gòu)、鉆桿、鉆具、卷揚總成、動力頭、加壓裝置；變幅機構(gòu)由動臂、三角架、變幅油泵組成；底盤包括回轉(zhuǎn)平臺、機架和行走機構(gòu)[6]。旋挖鉆機的工作原理：動力頭驅(qū)動液壓馬達通過行星減速機和動力箱減速并增大扭矩帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)，同時加壓油缸通過動力頭向鉆桿施加垂直方向的壓力，實現(xiàn)鉆進任務(wù)；當(dāng)熔渣充滿整個鉆具時，動力頭驅(qū)動液壓馬達停止作業(yè)，主卷揚回轉(zhuǎn)，提升鉆具至地面；回轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)至鉆具到地面，清掉鉆具內(nèi)鉆渣[5]。

由旋挖鉆機的工作原理可得，鉆桅所受的力經(jīng)過三角架、動臂、回轉(zhuǎn)平臺，最終作用于底盤上，從而傳到地面。底盤支撐整個旋挖鉆機，不但承受各個零件的反作用力，還要承擔(dān)各零件的重力。而機架又支撐了整個底盤的其他部件，所以需要對機架進行相應(yīng)的靜力學(xué)分析，得出機架上的載荷分布，看是否滿足安全要求。

2 機架受力分析

旋挖鉆機的工況相當(dāng)復(fù)雜，主要包括鉆具下放工況、加壓鉆進工況、鉆機提升工況、回轉(zhuǎn)卸土工況等[2]。在鉆進工況和提鉆工況作業(yè)下，整機受力最大，同時還要承受很大的力矩，而底盤機架是將這些力和力矩最終傳遞給地面的支撐體，因此研究在鉆進和提鉆2 種工況下，機架的受力情況。

2.1 提鉆工況下的受力分析

旋挖鉆機在提鉆工況下，其所受力和力矩由鉆桅經(jīng)過變幅機構(gòu)傳遞到回轉(zhuǎn)平臺，再由回轉(zhuǎn)平臺傳遞給底盤并最終傳遞到地面[7]。因此，首先對鉆桅和三角架進行受力分析，如圖1所示，然后對動臂變幅油缸進行受力分析，如圖2所示，最后對回轉(zhuǎn)平臺進行受力分析[8]，如圖3 所示。根據(jù)牛頓第三定律可得，機架受到的水平、垂直作用力為(-FEX，-FEY)，力矩為-M。

圖1 鉆桅、三角架受力分析圖

圖2 動臂受力分析圖

分析各個零件的受力情況，然后把這3個零件看成一個整體，列出平衡方程式（1）；分析動臂的受力情況，列出平衡方程式（2）；分析回轉(zhuǎn)平臺的受力情況，列出平衡方衡方程式（3）。

圖3 回轉(zhuǎn)平臺受力分析圖

式中：F1為鋼絲繩拉力；F2為提升力；FA為拉桿對三角架的作用力；FC為回轉(zhuǎn)平臺對動臂油缸作用力；FBX、FBY為動臂對三角架作用的水平、垂直分量；FDX、FDY為回轉(zhuǎn)平臺對動臂作用力的水平、垂直分量；FEX、FEY為底盤機架對回轉(zhuǎn)平臺作用力的水平、垂直分量；G為鉆桅的重力；G1為三角架的重力；G2為動臂的重力；G3為回轉(zhuǎn)平臺的重力；G4為駕駛室的重力；G5為發(fā)動機系統(tǒng)的重力；G6為配重的重力；G7為主卷揚的重力；a1～a6、b1和b2、d1～d3都是力的作用點到鉸接點B 的水平或垂直距離；l1～l13為力的作用點到鉸接點E的水平或垂直距離。

2.2 鉆進工況下的受力分析

在鉆進工況下，鋼絲繩不工作，鉆桿不受到力作用，即F1=0。鉆桿對桅桿的反作用力主要為加壓力F2和彎矩M，如圖1～2 所示。將以上條件代入式（1）中，得出式（4）；動臂的受力分析情況不變，得出式（5）；對于回轉(zhuǎn)平臺受力情況來說，只有F1=0，其他受力不變，得出式（6）。根據(jù)牛頓第三定律可得，機架受到的水平、垂直作用力為(-FEX，-FEY)，力矩為-M。

本文采用國內(nèi)某工程機械公司生產(chǎn)的某一型號旋挖鉆機，所需技術(shù)參數(shù)如下：旋挖鉆機整機重量47 t；鉆桿質(zhì)量8 430 kg；桅桿質(zhì)量5 430 kg；動力頭質(zhì)量3 000 kg；上車裝置質(zhì)量7 900 kg；下車裝置質(zhì)量11 900 kg；配重質(zhì)量8 000 kg；主卷揚最大提升力F1=160 kN；加壓油缸最大提升力F2=160 kN，其他值均參考設(shè)計尺寸。

3 機架的有限元模型建立

利用Solid works2016繪制底盤機架的三維實體模型，如圖4 所示。機架包括左機架、中架和右機架3部分。由Workbench19.2對機架進行載荷施加，得出相應(yīng)的云圖。因為導(dǎo)入的底盤機架模型形狀復(fù)雜，且圓角和倒角的存在會使得有限元分析分析效率低。因此在劃分網(wǎng)格前需要對模型做簡化，簡化原則如下：

（1）材料為均質(zhì)材料；

（2）刪除孔和倒角等不影響有限元分析的特征，對模型表面圓整光滑[9]；

（3）對焊接部位，視與其他部分強度和剛度一樣，看作完整零件。

圖4 機架三維模型

圖5 機架網(wǎng)格劃分圖

有限元模型計算的有關(guān)材料參數(shù)如下：材料為Q345A；材料密度為ρ=7.85×103kg/m3；楊氏模量為E=206 GPa；泊松比υ=0.3；屈服強度σs=345 MPa；安全系數(shù)n=1.25；由公式，計算出許用應(yīng)力[σ]=276 MPa。網(wǎng)格劃分結(jié)束后，機架模型共有218 037個節(jié)點，116 240個單元，如圖5 所示。

4 強度和剛度分析

4.1 提鉆工況

在提鉆工況下，用軟件ANSYS Workbench 對機架的有限元模型進行計算，結(jié)果如圖6～8所示。

圖6 機架應(yīng)力云圖

從圖6中可以看出，機架中的中架所受應(yīng)力值最高，應(yīng)力最大值為13.16 MPa，遠小于Q345A 的許用應(yīng)力，其他部位應(yīng)力都較小且比較均勻，值為0.55 MPa，滿足強度要求。由圖7～8 可以看出，機架中的中架有變形的趨勢，因為回轉(zhuǎn)平臺對機架的作用力和力矩，最大變形值為0.078 m，整體變形都較小，符合剛度的要求。

圖7 機架應(yīng)變云圖

圖8 機架位移云圖

4.2 鉆進工況

在鉆進工況下，用軟件ANSYS Workbench 對機架的有限元模型進行計算，結(jié)果如圖9～11所示。

圖9 機架應(yīng)力云圖

圖10 機架應(yīng)變云圖

圖11 機架位移云圖

從圖9中可以看出，機架中的中架所受應(yīng)力值最高。應(yīng)力最大值為12.05 MPa，遠小于Q345A 的許用應(yīng)力，其他部位應(yīng)力都較小且比較均勻，值為0.38 MPa，滿足強度要求。由圖10～11 可以看出，機架中的中架有變形的趨勢，因為回轉(zhuǎn)平臺對機架的作用力和力矩，最大變形值為0.044 m，整體變形都較小，符合剛度的要求。

5 結(jié)束語

本文通過提鉆和鉆進2種工況下，對機架進行受力分析，列出2種工況下的平衡方程組，算出機架上所受的力和力矩，用Workbench19.2 進行載荷施加，找出最大應(yīng)力和最大位移，結(jié)果表明符合強度和剛度要求。而在底盤機架的壽命方面，可以繼續(xù)在這方面展開研究，用nCode軟件進行疲勞壽命預(yù)測。