旋挖钻机转盘开裂问题的分析和结构优化

2021-07-02赫澜涛

机械制造 2021年4期

□ 赫澜涛

柳工常州机械有限公司江苏常州 213000

1 开裂情况

旋挖钻机广泛应用于公路、桥梁、高层建筑等基础建设施工中,施工环境恶劣,地质工况复杂。旋挖钻机主要由回转平台、底盘、钻杆、钻具、桅杆、动力系统、热平衡系统等组成,结构如图1所示。旋挖钻机钻进时,作用力通过桅杆直接传递至支撑桅杆的转盘上,转盘的强度直接影响旋挖钻机的工作效果。根据售后部门反馈,旋挖钻机转盘的根部曾经发生过开裂故障,开裂位置如图2所示。转盘开裂的位置有两处,一处是在轴套两端,另一处是在下端大筋板根部。针对转盘开裂故障,笔者基于ANSYS Workbench软件进行受力仿真分析,进而实现转盘结构的优化设计。

2 工况分析

旋挖钻机钻进时,若遇到硬质地层,则需要加压油缸不断增大加压力,以保证钻头持续钻进。加压到一定程度后,旋挖钻机将出现翘头现象。此时,整个旋挖钻机的重力将由钻头和履带后侧承担。在这一工况下,履带后端为支点,旋挖钻机达到力矩平衡,钻头受到的支反力最大,经过桅杆传递后,支撑桅杆的转盘的受力也最大。另一方面,旋挖钻机工作过程中,振动等会对转盘产生冲击载荷。由此,重点对以上工况进行转盘受力仿真分析。

3 有限元建模

应用CREO软件对旋挖钻机进行三维建模,由ANSYS Workbench软件施加载荷和约束,并进行网格划分。旋挖钻机模型较为复杂,且圆角等细节会降低有限元分析的效率,因此对旋挖钻机模型进行简化,简化原则如下：① 转盘及与转盘强相关的结构和实际结构保持一致,其它结构适当简化；② 忽略对分析结果没有影响或影响较小的结构特征,如倒角、倒圆等。

▲图1 旋挖钻机结构

转盘的材料为Q345B钢,材料密度为7.85×103kg/m3,杨氏模量为206 GPa,泊松比为0.3。网格划分时,重点关注转盘主副滑轮架中间的筋板,对部分重点关注部位进行网格细化,对转盘轴套进行扫略划分,对部分转盘筋板面进行映射网格划分。转盘模型网格划分后,节点数量为271 117个,单元数量为160 414个,如图3所示。

▲图2 转盘开裂位置

▲图3 转盘模型网格划分

4 载荷分析

在加压施工过程中,旋挖钻机向桩孔施加一个竖直向下的加压力,同时旋挖钻机受到一个相同大小的反作用力。这一反作用力作用于旋挖钻机的钻头中心处,通过钻杆传递至桅杆及整机上。主机视为刚性体,转盘视为刚性铰支点,桅杆油缸支座视为可滑动铰支座。桩孔反作用力通过动力头传递至桅杆上,等效为对桅杆施加一个向上的力和一个逆时针弯矩,向上的力实际就是加压油缸所提供的加压力。加压油缸缸体与桅杆通过铰接座相连,可以自由转动,因此加压油缸不承受弯矩。弯矩由动力头作用于桅杆导轨,可使两铰支点间的桅杆部分产生弯曲。旋挖钻机工作状态如图4所示。

旋挖钻机整机质量为45 t,质心位于底盘回转中心前端627 mm处,临界状态下钻头受力为196 500 N。

▲图4 旋挖钻机工作状态

根据力的平移定理,将钻头处的支反力平移至转盘处,等效为一个方向相同、大小相等的载荷和一个等效力偶。由于转盘铰接于三角形上,因此只有等效力作用,没有等效力偶作用,平移等效后得到的弯矩为176.9 kN·m。

钻杆传递至动力头的反作用力,最终作用于转盘和加压油缸支座处,属于超静定问题。两处承受反作用力的大小与部件刚度有关,刚度大的部件变形小,承受的反作用力大；刚度小的部件变形大,承受的反作用力小。加压油缸支座与桅杆油缸铰接,桅杆油缸提供轴向拉压力。在拉压力的作用下,加压油缸必然产生轴向伸缩。转盘为完全刚性结构,其变形量远远小于加压油缸的变形量。整个旋挖钻机为各部件组成的装配体,装配的各种间隙将使转盘承受更大的反作用力。由此可以推断,钻杆所受到的桩孔反作用力,绝大部分最终作用于转盘,而桅杆油缸支座由于桅杆油缸的可伸缩性,基本不承受反作用力,这是转盘较频繁发生开裂故障而桅杆油缸支座未发生故障的原因。为保证分析结果,尽可能施加严苛的边界条件,在分析中直接将钻杆的反作用力等效作用于转盘,重点关注转盘在施加等效载荷后的应力变化情况。

5 有限元分析结果

转盘应力云图如图5所示。由图5可以看到,转盘的大筋板根部是应力最大的区域,这一区域也是转盘发生开裂故障的区域。转盘的受力环境不可改变,需要改进转盘的设计,提高结构强度,尽量减小各焊缝的直接受力。

6 结构优化

根据有限元分析结果,针对转盘开裂问题,采用下列措施：

▲图5 转盘应力云图

(1) 改变上端支板角度,使其与外边缘平行；

(2) 在侧面增加套管,提高轴套的刚度。

转盘结构优化前后对比如图6所示。

对结构优化后的转盘进行有限元建模,进行网格细化,节点数量为265 873个,单元数量为155 467个,如图7所示。对结构优化后的转盘有限元模型施加向上的等效力196 500 N和等效弯矩176.9 kN·m。

结构优化后转盘应力云图如图7所示。由图7可以看出,结构优化后在较大程度上提高了转盘根部和套筒根部的强度,两处应力都有较大程度减小,结构优化较为成功。

7 焊接方式优化

对转盘开裂情况进行分析,开裂都发生在筋板与底板焊缝处,并非是材料自身开裂。焊缝开裂的原因在于转盘根部完全依靠焊缝来承受作用力。筋板与底板的焊缝为工作焊缝,将此焊缝的性质改为定位焊缝将是有效的应对措施。

原焊缝承受竖向的剪切力和横向的拉力,焊缝性质为工作焊缝。为改善转盘的受力环境,将焊缝性质改为定位焊缝,减小焊缝的直接受力,并将筋板改为插装式,使原焊缝承受的竖向剪切力由筋板直接承受。在底板背面进行焊接,可以使转盘承受较大的垂直于底板平面的拉压应力,从而避免焊缝单独受力。为了较小影响底板的整体强度,应增大底板的厚度10～20 mm。