劉曉花

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000）

夾持器是鉆機(jī)的主要部件，安裝于鉆機(jī)前端，能夠夾緊鉆桿并與動(dòng)力頭配合實(shí)現(xiàn)機(jī)械鉆進(jìn)。由于該設(shè)備在很大程度上影響著鉆進(jìn)效率和鉆探效果，所以開(kāi)發(fā)一套高性能鉆機(jī)夾持器，就顯得尤為重要。一般情況下，鉆機(jī)夾持器常采用常閉式結(jié)構(gòu)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期夾持操作功能，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于現(xiàn)場(chǎng)操控。為了優(yōu)化此結(jié)構(gòu)，本文引入復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，采用一種浮動(dòng)式常閉結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用ANSYS Workbench 有限元分析軟件對(duì)新型液壓夾持器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 新型鉆機(jī)用液壓夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 新型鉆機(jī)用液壓夾持器結(jié)構(gòu)

本文提出的新型鉆機(jī)用液壓夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，在原有的常閉式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加復(fù)合夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，對(duì)夾持器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 新型鉆機(jī)用液壓夾持器結(jié)構(gòu)

該設(shè)計(jì)方案采用浮動(dòng)式常閉結(jié)構(gòu)，運(yùn)用碟簧保持常態(tài)夾緊。與此同時(shí)，選取液壓夾緊方式加以補(bǔ)充，形成雙重夾緊結(jié)構(gòu)。當(dāng)鉆機(jī)停止鉆進(jìn)時(shí)，或者作業(yè)期間突然停電，都能保證鉆桿被夾持器夾緊，并起到一定防滑作用，提升了裝置夾持可靠性和安全性。

1.2 新型鉆機(jī)用液壓夾持器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，采用雙油缸作為執(zhí)行元件，與傳統(tǒng)單油缸相比減小了起始工作壓力，由2 個(gè)液壓缸分擔(dān)油液開(kāi)口流量。其中，每個(gè)油缸分擔(dān)的油液量都不是很大，在此情況下，活塞作業(yè)行程變短，滿(mǎn)足夾持器作業(yè)夾緊需求。（2）夾持器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采用了中間對(duì)稱(chēng)布置方法，位于中間軸兩側(cè)的構(gòu)件可以互換，作業(yè)原理及作用相同。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，降低了裝配難度，制造起來(lái)也比較方便。（3）傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，活塞與燕尾的連接采用整體式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的夾持器不僅制造難度較大，而且不利于安裝和拆卸。為了改善傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本文提出分體式結(jié)構(gòu)，將燕尾部分和活塞部分用螺栓連接起來(lái)，以此降低安裝和拆卸難度。（4）夾持器的兩側(cè)安裝碟簧，用碟簧來(lái)提升裝置的自動(dòng)定心能力。其中，碟形彈簧不僅剛度較小，而且輕薄，有利于夾持器體積的控制，使其占用空間得以減小，夾持器結(jié)構(gòu)更加緊湊。正常情況下，夾持器會(huì)受碟簧彈力的影響，鉆桿會(huì)被自動(dòng)夾緊。根據(jù)操控需求，需要夾緊鉆桿時(shí)，增壓腔內(nèi)會(huì)有壓力油進(jìn)入，活塞也會(huì)被推動(dòng)沿著內(nèi)側(cè)的方向移動(dòng)，與碟簧一起完成鉆桿雙重夾緊。如不再需要夾持操作，則松開(kāi)鉆桿，此時(shí)，活塞8 和油缸1 內(nèi)的腔體都會(huì)流入部分高壓油，沿著左側(cè)和右側(cè)兩個(gè)方向，推動(dòng)活塞移動(dòng)，卡瓦基座6 在燕尾4 的推動(dòng)下向外側(cè)移動(dòng)，使得鉆桿得以松開(kāi)。

2 液壓夾持器液壓夾持作業(yè)原理

液壓夾持器液壓夾持主要?jiǎng)幼靼▕A緊、松開(kāi)，主要通過(guò)燕尾與活塞這兩個(gè)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)其動(dòng)作。根據(jù)夾持器作業(yè)需求，設(shè)置作業(yè)壓力，不同壓力下產(chǎn)生的應(yīng)力不同，可以滿(mǎn)足不同操控需求。如圖2 所示為液壓夾持器夾持方案原理圖。

圖2 液壓夾持器夾持方案

通過(guò)ANSYS Workbench 對(duì)液壓夾持器進(jìn)行靜力學(xué)分析，當(dāng)作業(yè)壓力為20MPa 時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力集中作用在夾持器上，與鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)性能不符。液壓夾持器的開(kāi)啟壓力為3.57MPa，明顯低于工作油壓，所以對(duì)夾持器進(jìn)油壓力進(jìn)行減壓處理。當(dāng)其降低到限定值時(shí)，恢復(fù)到正常液壓作業(yè)狀態(tài)。本設(shè)計(jì)方案在進(jìn)油路增設(shè)減壓閥，設(shè)定壓力調(diào)定范圍，上限值為10MPa。

3 液壓夾持器有限元分析

3.1 液壓夾持器有限元模型的構(gòu)建

液壓夾持器的應(yīng)用，需要根據(jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)工況，調(diào)節(jié)作業(yè)狀態(tài)?？紤]到該裝置容易受高壓影響，為了避免其作業(yè)受此影響，采用校核方法，分別對(duì)夾持器的剛度、強(qiáng)度進(jìn)行校核，確定達(dá)到正常作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)后，按照調(diào)控方案控制夾持器作業(yè)狀態(tài)。本文選取ANSYS Workbench作為有限元模型構(gòu)建工具，對(duì)該工具應(yīng)用下形成的模型展開(kāi)有限元分析。首先，定義夾持器的材料屬性，然后選取45 鋼作為制造材料。本設(shè)計(jì)方案中，夾持器的屈服強(qiáng)度、泊松比、楊氏彈性模量分別為355MPa、0.3、209GPa。通過(guò)軟件建立裝配體模型前，需要將各個(gè)零件之間的接觸關(guān)系作為定義要素。其中，油缸與活塞的接觸關(guān)系設(shè)置為Frictionless，其他接觸設(shè)置為Bonded。采用網(wǎng)格劃分方法，將夾持器拆分為多個(gè)模塊，同時(shí)設(shè)置活塞和油缸的受壓面靜壓力，參數(shù)值均為20MPa，固定約束為夾持器底面。夾持器有限元維模型如圖3 所示。

圖3 夾持器有限元模型

3.2 有限元分析

運(yùn)用本文構(gòu)建的有限元模型求解液壓夾持器作業(yè)期間產(chǎn)生的應(yīng)力，同時(shí)生成應(yīng)力變形圖，并對(duì)該圖變形特點(diǎn)加以分析。通過(guò)有限元分析，得出液壓夾持器的應(yīng)力和整體變形圖，如圖4 所示。

圖4 有限元模擬結(jié)果

有限元模擬結(jié)果顯示，夾持器的最大應(yīng)力數(shù)值為395.6MPa，變形量最大值為0.21mm。綜合夾持器使用工況，分析夾持器作業(yè)狀態(tài)。其中，夾持器的變形和應(yīng)力產(chǎn)生位置都比較集中，此工況下的剛度和強(qiáng)度未能滿(mǎn)足作業(yè)要求。從變形狀況來(lái)看，模型整體變形幅度較小，但是從細(xì)節(jié)來(lái)看，局部出現(xiàn)了較為突出的變形。經(jīng)過(guò)對(duì)比，各個(gè)部位均有不同程度的變形，其中活塞和燕尾產(chǎn)生的變形較為突出，因此，必須對(duì)活塞和燕尾結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

4 新型鉆機(jī)用液壓夾持器設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

基于多目標(biāo)的夾持器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：

（1）優(yōu)化參數(shù)。根據(jù)夾持器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，該結(jié)構(gòu)中的主要參數(shù)包括活塞桿長(zhǎng)度、活塞厚度、活塞直徑、活塞桿直徑、燕尾底部直徑?？紤]到夾持器整體結(jié)構(gòu)操作性能及作用，不可以改變活塞桿長(zhǎng)度、活塞直徑、活塞桿直徑3 項(xiàng)參數(shù)數(shù)值。因此，確定活塞厚度、燕尾底部直徑為夾持器結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要參數(shù)。

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本優(yōu)化方案以活塞厚度、燕尾底部直徑作為優(yōu)化參數(shù)，所以參數(shù)不止一個(gè)，稱(chēng)該優(yōu)化方案為多目標(biāo)優(yōu)化方案。根據(jù)有限元模擬結(jié)果，分析參數(shù)優(yōu)化范圍。為了進(jìn)一步確定參數(shù)優(yōu)化方案，本文運(yùn)用有限元分析模型，對(duì)不同目標(biāo)參數(shù)下的夾持器模型產(chǎn)生的應(yīng)力和變形展開(kāi)進(jìn)一步研究。通過(guò)模擬分析，找到多組參數(shù)中的最佳參數(shù)優(yōu)化方案。其中，活塞厚度記為B1，參數(shù)取值范圍[10,16]，數(shù)值間隔為1，燕尾底部直徑記為D1，參數(shù)取值范圍[57,59]，數(shù)值間隔為1，取不同數(shù)值作為組合方案，模擬不同方案下的夾持器應(yīng)力和變形結(jié)果，即測(cè)定總變形量最大值和等效應(yīng)力最大值。以下為不同優(yōu)化方案對(duì)應(yīng)的參數(shù)分組情況：

（3）優(yōu)化結(jié)果分析。優(yōu)化前活塞與燕尾質(zhì)量為4.1325kg，以減小夾持器質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，約束條件為應(yīng)力小于 45 鋼許用應(yīng)力 235 MPa，在盡可能不增加等效應(yīng)力最大值情況下，有效控制質(zhì)量視為最佳優(yōu)化方案。本次模擬分析實(shí)驗(yàn)共計(jì)21 組，分別統(tǒng)計(jì)各組的總變形量最大值、等效應(yīng)力最大值、質(zhì)量相關(guān)數(shù)值，如表1 和表2 所示為優(yōu)化方案下的活塞與燕尾優(yōu)化結(jié)果、夾持器質(zhì)量結(jié)果。

表1 活塞與燕尾優(yōu)化結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表2 不同優(yōu)化方案的夾持器質(zhì)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表1 和表2 中統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，與原值相比，第8 組優(yōu)化方案中最大應(yīng)力僅增加了1.56MPa，且控制總變形量不是很大的情況下，夾持器質(zhì)量發(fā)生了大幅度下降，質(zhì)量為3.3023kg，降低率為20%。其它優(yōu)化方案中也存在質(zhì)量減小優(yōu)勢(shì)，但對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力最大值增加幅度較大。因此，最佳方案的優(yōu)化參數(shù)為B1=12mm，D1=58mm。

5 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞鉆機(jī)用液壓夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題展開(kāi)研究，在以往研究基礎(chǔ)上，引入復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了一種浮動(dòng)式常閉結(jié)構(gòu)的夾持器。利用有限元分析軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，選取活塞厚度、燕尾底部直徑作為優(yōu)化參數(shù)，設(shè)定優(yōu)化參數(shù)取值范圍，以燕尾和活塞質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化結(jié)果顯示，B1=12mm，D1=58mm 為最優(yōu)解，使燕尾與活塞的質(zhì)量較優(yōu)化前減少了20%，為鉆機(jī)夾持器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了新的思路。