搜索Cosmos/ Works的牙輪鉆機(jī)鉆架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析
2013-05-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線(xiàn)
應(yīng)用Solid/Works軟件建立牙輪鉆機(jī)鉆架的二維模型,利用與SolidWorks無(wú)縫集成的快速有限元分析軟件Cosmos/Works方便、快速、準(zhǔn)確地對(duì)鉆架進(jìn)行強(qiáng)度分析與校核。
作者: 賴(lài)茂河*劉立*楊春暉*肖成勇 來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 鉆架強(qiáng)度 Cosmos/ Works 軟件
1鉆架的力學(xué)模型
鉆架為矩形鋼管紡架與板式組合而成的"п"形結(jié)構(gòu),采用高強(qiáng)度材料,齒條采用鍛制加工件,鉆架采用分段式結(jié)構(gòu),分二段加工和熱處理。對(duì)于這種大型且復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉆架有限元分析時(shí),首先必須根據(jù)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度和剛度方面的要求建立一個(gè)力學(xué)模型,這個(gè)力學(xué)模型既要能反映真實(shí)的受力和約束情況,又要便于分析和計(jì)算,且計(jì)算結(jié)果要符合實(shí)際。如圖1所示為鉆架的三維立體模型。
2鉆架的典型工況及受力分析
鉆機(jī)工作時(shí),鉆架有許多種工況,一般認(rèn)為正常加壓鉆進(jìn)、突然卡鉆、卡鉆提升、卡鉆回轉(zhuǎn)和水平啟升鉆架時(shí),鉆架承受載荷比較大,其突然卡鉆和卡鉆后提升兩種工況最為惡劣,本文按突然卡鉆和卡鉆后提升兩種工況對(duì)鉆架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析。圖1為鉆架的受力情況簡(jiǎn)圖。
2.1突然卡鉆工況(如圖2所示)
鉆機(jī)在作業(yè)過(guò)程中鉆具突然卡鉆,瞬時(shí)達(dá)到最大軸壓和最大扭矩是鉆架工作中可能出現(xiàn)的一種瞬態(tài)工況,一般不應(yīng)超過(guò)三分鐘。按回轉(zhuǎn)小車(chē)在鉆架上部時(shí)作用最大軸壓力和最大扭矩驗(yàn)算最大變形和最大應(yīng)力,安全系數(shù)為1.3-1.35。
當(dāng)鉆具突然卡鉆時(shí),設(shè)回轉(zhuǎn)加壓小車(chē)位于鉆架的上部,且加壓鏈條付出最大軸壓力。此時(shí)的外負(fù)荷有:鉆架各部件的重量G;鏈輪作用力(鏈條合力)T;加壓齒輪作用力Q;導(dǎo)向輪(導(dǎo)向滑板)壓力N1,N2;均衡張緊裝置作用力
;回轉(zhuǎn)小車(chē)扭矩反力Nw;風(fēng)負(fù)荷P。
2. 2卡鉆提升工況(如圖3所示)
此工況也是鉆架工作中可能出現(xiàn)的一種瞬態(tài)狀況,在這種工況下,提升和回轉(zhuǎn)電機(jī)都按最大功率(2. 75倍額定功率)輸出,以最大提升力和最大扭矩同時(shí)作用,驗(yàn)算最大應(yīng)力和最大變形,安全系數(shù)為1.3-1-35。當(dāng)卡鉆提升鉆具時(shí),回轉(zhuǎn)加壓小車(chē)位于鉆架的下部,外負(fù)荷以提升電動(dòng)機(jī)所能給出的最大提升力為依據(jù),以此作為計(jì)算外力的出發(fā)點(diǎn)。此時(shí)除扭矩M外,其他外力同正常加壓鉆進(jìn)時(shí)一致,但具體數(shù)值不同。
上述兩種工況都處于動(dòng)載狀態(tài),分析動(dòng)強(qiáng)度的方法是通過(guò)動(dòng)載系數(shù)來(lái)考慮動(dòng)載荷,即用動(dòng)載系數(shù)乘以靜載荷。
3鉆架有限元分析及結(jié)果
3.1約束的確定
約束面分別取鉆架與平臺(tái)連接處左右兩端的銷(xiāo)軸孔處表面、A型架軸與鉆架連接處左右兩端的銷(xiāo)孔處表面和鉆架起落油缸與鉆架之間的2個(gè)鉸接孔處表面,這6個(gè)為全約束,保證x,y,z三個(gè)方向的位移均為0。背拉桿與鉆架之間的兩個(gè)佼接孔處表面為半約束,保證X、Y兩個(gè)方向的位移為0。
3. 2施加載荷
分別按突然卡鉆和卡鉆提升兩種工況對(duì)鉆架施加載荷計(jì)算其強(qiáng)度,以上兩種工況所受載荷情況如表1所示。
3. 3計(jì)算結(jié)果分析
3. 3. 1應(yīng)力分布
兩種工況下的復(fù)合應(yīng)力分布云圖如圖5所示,突然卡鉆工況和卡鉆提升工況的變形放人比例為分別為90.5619和137. 611。從圖中可以看出,突然卡鉆工況下最大應(yīng)力為8NPa,最大應(yīng)力發(fā)生在鉆架的頂部天輪處。鉆架在兩種工況下的最大應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,因此鉆架在這兩種工況下均處于安全狀態(tài)。
3. 3. 2位移變化
如圖6所示為兩種工況下鉆架的位移變化云圖。突然卡鉆工況下的最大位移為△L1=29.4523 mm,卡鉆提升工況下的最大位移為△L1= 23 mm。根據(jù)起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn),扭矩剛度,正而和側(cè)面均不應(yīng)超過(guò)h/700(h為高度),因此:
△Lmax=29.4523mm
[△L]=25844/700=36.92mm
所以鉆架的工作剛度是合格的。
3. 3. 3變形情況
如圖7所示為鉆架在兩種工況下的變形圖。根據(jù)變形圖可以看出:鉆架在正常作業(yè)和突然卡鉆時(shí)變形是巨部對(duì)下部有相對(duì)扭轉(zhuǎn),扭轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?與鉆架受扭力矩方向相同;卡部向機(jī)蓬方向彎曲(后背);側(cè)面和上下變形都比較小?？ㄣ@處理時(shí)由于鉆架承受最大提升力,使鉆架向司機(jī)室方向彎曲(前弓),扭轉(zhuǎn)方向仍為逆時(shí)針?lè)较?。鉆架起落時(shí)變形相當(dāng)于懸臂梁的撓曲。
3. 3. 4安全系數(shù)
由分析計(jì)算結(jié)果可得,突然卡鉆工況下鉆架的最小安全系數(shù)為2. 692,卡鉆提升工況下鉆架的最小安全系數(shù)為2.442,根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算可知鉆架的最小安全系數(shù)完全符合強(qiáng)度要求。
4結(jié)論
利用Cosmos/Works對(duì)牙輪鉆機(jī)鉆架進(jìn)行有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),使得改進(jìn)后的鉆架在強(qiáng)度和剛度上均有較大的提高,為保證鉆架的使用壽命提供了可靠的理論依據(jù)。
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