有限元分析在HF30便携式钻机动力头壳体研究中的应用

2016-07-04马超林柳文吕明宽

地质装备 2016年3期

关键词：便携式钻机有限元

马超林，柳文，吕明宽

(四川华锋钻探工程有限责任公司，四川成都　610091)

有限元分析在HF30便携式钻机动力头壳体研究中的应用

马超林，柳文，吕明宽

(四川华锋钻探工程有限责任公司，四川成都610091)

摘要：便携式全液压岩心钻机作为一种新型取心钻探设备，摒弃了传统的机械传动链，采用液压系统进行传动及控制，使钻机的设计和使用得到简化。随着科技的进步，机械行业的标准化水平逐渐提高，便携式全液压岩心钻机在卷扬机、机架、动力组件、液压操控系统、工作平台等方面逐渐成熟，钻机的专业设计就集中于动力头等核心部件上，借助有限元分析方法来设计动力头，可以提高设计的质量、缩短设计周期。本文运用SolidWorks Simulation对动力头模型进行有限元静态应力分析，优化了结构设计。

关键词:便携式；钻机；动力头；有限元

1概述

动力头是钻机的核心部件，必须确保其有足够的强度使钻机正常工作。HF30便携式钻机动力头的主要功能有两部分：其一是为钻具的旋转和钻杆的拧卸来传递扭矩，其二是在给进油缸的带动下升降钻具。由于这两种动作是同时进行的，所以在对动力头进行有限元分析的时候，必须同时进行分析。采用有限元分析软件对动力头在不同载荷条件下进行受力分析不仅可以优化动力头的设计，同时在提高设备开发成功率和缩短周期方面存在优势。

2有限元分析方法及软件介绍

有限元法( Finite Element Method，FEM) 是将连续体离散化，通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。其通过把连续体分成个数有限的单元，每个单元只包含有简单场函数，这些场函数的集合就可以代表整个连续体的场函数，再根据方程建立有限个待定参量的代数方程组，通过对离散方程组进行求解，就可得到有限元法的解。有限元分析可以将问题化繁为简，具有计算精度高、形状适应性强等特点，是一种有效的工程分析手段。

Simulation 是SolidWorks公司开发的一种有限元分析软件，作为嵌入式分析软件可以与SolidWorks进行无缝连接。运用SolidWorks Simulation，可以快速地进行产品分析，计算、分析结果，在新产品研发过程中，缩短了周期，降低了成本，提高了质量。SolidWorks Simulation提供了丰富的计算与分析工具，在对较复杂零件及装配体进行运算、测试和分析的过程中具有优势。

3动力头壳体的有限元分析

3.1模型创建

动力头壳体主要由三部分组成，包括动力头体和前端盖、后端盖。动力头体固定在给进托架上，后端盖上与液压马达相连，为钻杆旋转提供动力，在给进油缸的作用下，为给进提供动力，见图1。动力头所承受的载荷主要集中在这三部分上，通过实体建模并对其施加负载力进行有限元模拟。

3.2材料使用

本次研究的便携式全液压岩心钻机动力头的材料为合金钢，查询相关机械设计手册可得到以下相关数据，如表1所示。在进行分析前的产品建模阶段确定所需材料，也可以利用SimulationXPress工具指定材质。

图1　动力头壳体模型

名称合金钢屈服强度355MPa抗拉强度600MPa弹性模量209GPa泊松比0.269密度7890kg/m3切变模量79GPa

3.3约束添加

在系统的“约束”设定窗体上，为模型进行约束的添加。约束不仅可以添加到多个面上，还可以添加到每个面的各个方向上。在运算分析时，约束至少有一个，本文所加约束如图2所示。3个零件的约束类型均为固定端约束，通过安装孔采用螺栓固定。此类约束既有XYZ三个方向的约束反力，也有三个方向的约束反力偶。

用solidworks分别打开以上3个零件模型，并加载SolidWorks Simulation有限元分析模块，首先选择约束类型，点击Simulation算例顾问，选择静态应力分析，然后点击夹具顾问，选择约束类型为固定几何体。

3.4载荷施加

便携式全液压岩心钻机的动力头主要受到机头的扭矩和给进油缸的拉压力，通过对其工况的分析，可知动力头受到载荷最大的时候为机头按照最大扭矩1084 N·m进行钻进工作，同时给进油缸达到最大拉力53kN。载荷施加如图2所示，其中图2(a)为动力头体所受载荷，沿腔体内壁顺时针方向扭矩载荷1084N·m均匀分布，沿轴向拉力53kN，以及约束反力和反力偶；图2(b)为前端盖所受载荷，沿轴向拉力53kN，以及约束反力；图2(c)为后端盖所受载荷：沿端面顺时针方向扭矩载荷1084 N·m均匀分布，以及约束反力偶。

图2　载荷和约束分布图

3.5网格划分

采用实体网格，动力头体、动力头前端盖、动力头后端盖的相关网格划分参数如表2所示。划分网格后的模型如图3所示。

表2　网络划分参数

图3　网格划分示意图

3.6运算分析

网格化的模型经过运算分析，在约束和载荷的作用下，可以得到相应的静态应力分布图和位移分布图，见图4～图9。

图4　动力头体静态应力分布图

图5　前端盖静态应力分布图

图6　后端盖静态应力分布图

图7　动力头体位移分布图

图8　前端盖位移分布图

图9　后端盖位移分布图

3.7结果分析

通过分析上述运算结果可知：(1)3个零件的最大应力受力情况分别是15.58MPa，171.24MPa，9.66MPa。均低于材料的屈服强度355MPa和抗拉强度600MPa。(2)对于动力头体来说，其在远离铰接点的位置存在最大位移仅为3.98×10-4mm，前端盖最大位移为1.674×10-2mm，后端盖最大位移为9.14×10-4mm，完全满足使用要求。

4结束语

通过对HF30便携式全液压岩心钻机的动力头受力进行静态力学分析，运用SolidWorks Simula-

tion软件对关键件进行有限元分析，不仅对其应力、位移情况更加了解，由分析的结果还可以得知在哪些地方需要更改和加强，使动力头更加可靠。

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收稿日期：2016-03-23

作者简介：马超林(1976-)，男，四川岳池人，西南交通大学研究生,四川华锋钻探工程有限责任公司工程师，主要从事岩心钻探设备材料管理工作，四川省成都市青羊工业集中发展区广富路218号G8C，Tel：028-61509098，13982236032，E-mail：schfztsc@126.com。

中图分类号:P634.31