旋挖钻机大三角变幅机构受力性能有限元分析.pdf

试验研究现代制造工程 M o d e mM a n u f l c t u d n gE n 西n e e r in g 2 0 1 6 年第6 期 旋挖钻机大三角变幅机构受力性能有限元分析 徐信芯 夏北 焦生杰 成建联 长安大学公路养护装备国家工程实验室 西安7 1 0 0 6 4 摘要 大三角变幅机构作为旋挖钻机施工过程中承力的关键部件 对旋挖钻机的稳定性和施工安全性有重要作用 以 大三角变幅机构为研究对象 在分析提升和钻进工况旋挖钻机受力情况的基础上 利用有限元软件对其进行建模 强度 分析和模态分析 结果表明 大三角变幅机构设计满足强度要求 大三角变幅机构模态振型有一阶前后摆动和二阶左 右摆动 但不能激发起三阶及三阶以上的振型 研究结果对旋挖钻机大三角变幅机构的设计和优化提供了参考 关键词 旋挖钻机 大三角变幅机构 强度分析 模态分析 中图分类号 T U 6 7文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 3 1 3 3 2 0 1 6 0 6 0 0 1 7 珈7 D O I 1 0 1 6 7 3 l i c n k i 1 6 7 l 一3 1 3 3 2 0 1 6 0 6 0 0 5 F iI l it ee l e m e n tm e t h o da n a l y s iso fp e r f o r m a n c ef o rl a r g et r ia n g l l l a r V a r ia b l e r a n g ea s s e m b l yf o rr o t a r yd r il l in gm a c l l in e s X uX in x in X iaB e i J ia oS h e n 西ie C h e n gJ ia n l ia n H ig h w a yM a in t e n a n c eE q u ip m e n tN a t io n a lE n g in e e r in gL a b o r a t o r r C h a n g a nU n iV e r s it y X i a n7 1 0 0 6 4 C h in a A b s t I a c t I 础et r ia n g u l a rv a r ia b l e r a n g ea s s e m b l y a nim p o r t a n ts u p p o n in ga n dl o a d in gc o m p o n e n to fr o t a r yd r il l in gm a c h in e s s e c u r e sac m c ia lr o l eins t a b il it yp e 而r m a n c ea n dc o n s t r u c t io ns 出t y B e in gt a k e nl a r g et r ia n g u l a rV a a b l e m n g e a s s e m b l yo fm t a r yd r il l in gr iga sar e s e a r c ho b j e c t b a s e do nm e c h a n ic sa n a l y s iso fr o t a r yd r il l in gr igu n d e rh o is t in ga n dd r il l in gc o n d it io n s a 矗一 n it ee l e m e n tm o d e lo fl a r g et r ia n g u l a rv a r ia b l e r a n g ea s s e m b l yw a se s t a b l is h e db yu s in g6 n it ee l e m e n ts o f t w a r e S t m c t u r a J s t r e n 昏h a n dm o d a la n a l y s isw e r ec a r r ie do u tr e s p e c t iv e l y T h er e s u l t sin d ic a t et h a tt h ed e s ig I lo fl a g et r ia n g u l a rv 捌a b l e m n g e a S s e m b l yc anm e e tt h es t r e n 昏hr e q u ir e m e n t s T h em o d a ls h a p e so ft h e1 a r g et r ia n g u l a rv a r ia b l e r a n g ea s s e m b l yin c l u d eb a c k f o n h w ig 出ef o rI h e6 r s to r d e ra n dl e f I r ig h lw ig g l ef o r h es e c o n do r d e r a n dt h em o d es h a p e sf o rt h et h ir do rm o r eo r d e r sg e n e r a l l yc a n n o tb ee x c e d T h er e s u l t sp m v id ev 弘tr e f e r e n c ev a l u e so nd e s ig na n do p t im iz a o nf o rr o t a r yd r il l in gr ig I hl a 唱et r ia n g u l a rv a r i a b l e r a n g ea s s e m b l y K e yw o r d s r o t a r yd r il l in gd g l a r g et r ia n g u l a rv 撕a b l e m n g ea s s e m b l y s t r e n 殍ha n a l y s is m o d a la n a l y s is 0引言 旋挖钻机的变幅机构是其核心关键部件之一 对 整机的稳定性和施工安全性起着关键作用 目前 主 要有两种结构形式 一种为平行四边形变幅 其变幅 范围大 可整机放倒 折叠 降低运输长度和高度 但 稳定性稍差并且不能承受超大扭矩 另一种为大三角 变幅 其特点是结构简单 能承受超大扭矩 大三角 变幅机构已越来越多地应用在需大扭矩输出的钻孑L 灌注桩工程中 而工作过程中 变幅机构受力复杂 破 坏程度大 因而研究大三角变幅机构具有重要意义 目前 国内外学者对旋挖钻机变幅机构进行了许 多研究 文献 1 基于多刚体动力学理论 得到了变 幅机构的受力及油缸压力情况 文献 2 利用A N s Y s 对变幅机构中的三角形连接架进行了有限元分析 得 到了三角形连接架变形和应力分布规律 文献 3 对 动臂变幅工况下旋挖钻机工作装置的动力学特性进 行了研究 文献 4 利用A N s Y s 软件对变幅机构进行 国家自然科学基金资助项目 5 1 4 0 8 0 4 6 教育部博士点基金项目 2 0 l 1 0 2 0 5 l 1 0 0 0 2 中央高校基金基本科研业务费专项资金资助项目 2 0 1 4 G 1 2 5 1 0 2 5 1 7 2 0 1 6 年第6 期现代制造工程 M o d e mM 舳u f a c t u r in gE n 西n e e r in g 了强度及模态分析 并对桅杆进行了屈曲分析 文献 5 对提钻工况下变幅机构的受力进行了分析 文献 6 探讨了变幅角度变化时变幅机构的受力和整机的 稳定性 文献 7 研究了变幅机构安装角度对变幅机 构的力学性能的影响 文献 8 研究了不同的变幅机 构形式在钻桅水平和垂直两种位姿下的动力学性能 以上研究的对象均是平行四边形变幅机构 而对大三 角变幅机构的研究则很少见 本文以大三角变幅机构为研究对象 在力学分析 基础上 选取提升和钻进两种典型工况 通过有限元 分析计算 获得变幅机构的应力分布和模态振型 为 旋挖钻机变幅机构的结构改进和优化提供参考 1 变幅机构的结构及工作原理 大三角变幅机构的结构如图1 所示 大三角变幅 机构主要包括摇臂3 连接架5 支撑架6 左右变幅油 缸2 和左右调桅油缸7 大三角变幅机构的左 右变 幅油缸同步驱动摇臂实现工作装置的转动和移动 左 右调桅油缸与支撑架相连 实现钻桅1 的调整 图l大三角变幅机构的结构 1 钻桅2 左右变幅油缸3 摇臂4 回转平台 5 连接架6 支撑架7 左右调桅油缸 当旋挖钻机施工时 动力头内部的键槽对钻杆施 加扭矩 钻进时 岩石切削的反作用力传递给调桅油 缸和摇臂等 大三角变幅机构结构提供反扭矩 采用 此种变幅结构的稳定性好 可以承受大扭矩 当钻具 内装满钻屑时 动力头停止转动 主卷扬提升钻具至 地面 回转平台回转主机到一定的角度后打开钻具底 门 倒出渣土 合上斗门 回转主机至原孑L 再下放钻 杆 再次进行钻孑L 作业 18 2 变幅机构受力分析 2 1 提钻工况的受力分析 提钻工况下 假定钻桅与水平面垂直 摇臂与水 平面成任意值a 忽略销轴 钢丝绳与滑轮的摩擦力 及各油缸重力 旋挖钻机所受外力主要有 主卷扬钢 丝绳提供提升力疋 加压油缸提供提升力F 钻桅的 重力G 摇臂的重力G 支撑架的重力G 连接架的 重力G 动力头重力 钻杆和钻具等重力G 提升阻力 尺和风载P 当钻具低于泥浆面时 还会受到泥浆产生 的浮力F 由于结构和受力的对称性 这几种外力作 用下旋挖钻机的受力分析可以简化为平面问题处理 主卷扬的拉力 G R F 由于与油缸的连接件 均为关节轴承 因此油缸主要承受拉力或压力 不承 受弯矩作用 油缸以二力杆作用加载 忽略风载P 取钻桅为研究对象 提钻工况下钻桅受力分析如 图2 所示 图2 中 H 为调桅油缸在桅杆上的铰接点 虱2 提钻工况下钻桅受力 F 2 徐信芯 等 旋挖钻机大三角变幅机构受力性能有限元分析 列出其平衡方程为 F 2 o l 口2 F I 口4 G 1 0 7 F 口5 c o s 口一 F 舟6 l s in 口一R o l 口3 c o s A R 6 2 s in A 0 F 厶 R s in A F s in p O F I F 2 G l F c o s 口 R c o s A F 2 0 1 根据式 1 得到调桅油缸的载荷n 及钻桅与摇 臂的铰接点 的作用力以和 为 2 口l 0 2 F l n 4 G 1 口7 一 R 口l 口3 c o s A F 2 6 2 s in A 1 一 6 ls in p n s c o s p 2 F i 疋 G F c o s p R c o s A 对摇臂进行受力分析 摇臂受力如图3 所示 图3 中 L 为变幅油缸在摇臂上的铰接点 列平衡方 程为 以 d 2 一d 3 c 2 G c 1 一 凡之c 0 一2 c 2 c 3 s i蟛 o 3 F h FL c o s 誊一F h o L 0 G 一F L s i蟛一凡y o 根据式 3 得到变幅油缸的载荷R 及摇臂与回转 平台的铰接点A 的作用力氏和凡 为 F 一 G 一凡s i蟛 4 对支撑架进行受力分析 支撑架受力如图4 所示 图4 中 吼为调桅油缸在支撑架上的铰接点 列平衡 方程为 r G 6 e 3 F d F 研e l F 1 r e 2 c o s p F Z s in p O F 既 F s in p F 如 o 5 L F 所一G 6 F c o s p F 西 0 对连接架进行受力分析 连接架受力如图5 所示 图5 中 厶为变幅油缸在连接架上的铰接点 列平衡 方程为 G m 3 F D 护2 一F 毋m 4 一F 毋m l 一 嚣翟薹 訾 F F 肌一F c o s f F 0 L F 白一G F D y F L s i蟛 F 毋 O 2 2 钻进工况的受力分析 钻进工况下 假定钻桅与水平面垂直 摇臂与水 图3 摇臂受力 訇4 支撑架受力 m f F E 一 鼍E x 廖 杰 一三 步酬9 j 西 一 J j F f k 乡 L 乏 D 0 r 心莎 1F c x C m 3 一一 G c m 4 图5 连接架党力 平面成任意值a 忽略销轴 钢丝绳与滑轮的摩擦力 及各油缸重力 旋挖钻机所受的外力主要有 加压油 缸提供加压力只 钻桅的重力G 摇臂的重力G 支 撑架的重力G 连接架的重力G 动力头重力 钻杆和 钻具等重力 同时还承受通过液压马达驱动变速箱齿 轮提供扭转力矩肘 以钻桅为研究对象进行受力分析 提钻工况下钻 桅受力如图6 所示 建立的平衡方程为 r F 日口5 c o s p G 1 口7 一F 3 口4 一M 1 一F 1 f 6 ls in 口 0 以 n s in p o 7 F F 3 一G 1 一F J c o s p 0 1 9 2 0 1 6 年第6 期 现代制造工程 M o d e mM 卸u f a c u n gE n 百n e 鲥n g l 生 一 皂 r r I 上 之 飘F H G 1 1 F 一l J F 图6 提钻工况下钻桅受力 根据式 7 得到调桅油缸的载荷n 及钻桅与摇 臂的铰接点 的作用力F 和F 为 F G 1 0 7 一F 3 0 4 一肘I 1 一6 ls in 日一口5 c o s p 以 一蹦n 9 8 F G 1 F H c o s p F 3 在钻进工况下摇臂 支撑架及连接架的受力可参 照图3 图4 和图5 相应的平衡方程如式 3 式 5 和式 6 本文所取的动力头最大扭矩为3 9 0 k N m 最大 加压力为2 4 0 k N 油缸的最大提升力为2 2 0 k N 调桅 油缸与垂直方向的夹角日 1 5 0 主卷扬钢丝绳与垂直 方向的夹角A 2 2 0 其他值均参考设计尺寸 由于支 撑架和连接架存在超静定问题 不能用理论力学方程 解出 本文采用A N s Y s 软件自带的计算支反力的功能 模块得到相关铰点的受力情况 3 变幅机构有限元计算 3 1 有限元模型及边界条件 在三维软件S o l id W o r k s 中建立的变幅机构有限元 模型如图7 所示 在建立模型时 对模型进行必要的 2 0 简化和假设 材料为均质材料 焊缝焊接质量完全可 靠且材料与母材相同 去掉一些不影响分析性能的零 件和特征 如小的倒角 圆角 开口小筋及小孔 a 摇臂有限元模型 b 支撑架有限元模型 c 连援架有限7 c 模型 图7 变幅机构有限冗模型 将建立的三维实体模型由S o l id w o r k s 与A N s Y s W o r k b e n c h 的专业接口导人A N s Y sw o r k b e n c h 进行 有限元分析 为了能更真实地模拟变幅机构的实际 工作状态 本文采用实体单元模拟各连接销轴 采用 接触单元模拟销轴连接 变幅机构结构件密度p 7 8 5 1 0 3 k g m 3 弹性模量E 2 6 0 M P a 泊松比 0 3 材料采用Q 3 9 0 B 屈服强度盯 3 9 0 M P a 许用应 力 盯 为 盯 9 n 式中 盯 为许用应力 玑为屈服强度 凡为安全系数 徐信芯 等 旋挖钻机大三角变幅机构受力性能有限元分析 2 0 1 6 年第6 期 当取变幅机构的安全系数n 1 5 时 利用式 9 得到许用应力为2 6 0 M P a 网格划分采用六面体 主导法 网格划分后的变幅机构有限元模型如图7 所示 有限元分析的边界条件分为位移边界条件和力 边界条件 对于摇臂而言 在分析不同工况下的受力 状态时变幅油缸处于自锁 所以将回转平台与摇臂铰 接处施加固定约束 F ix e dS u p p o r t 对于支撑架而言 在分析不同工况下的受力状态时调桅油缸处于自锁 所以将回转平台与支撑架铰接处施加固定约束 对于 连接架而言 在分析不同工况下的受力状态时变幅油 缸处于自锁 所以将回转平台与连接架铰接处均施加 固定约束 采用A N S Y s 软件自带的计算支反力的功能模块 得到相关铰点的受力情况 忽略销轴 轴套与结构件 之间的摩擦力 通过计算式 1 式 3 式 5 式 6 及式 7 变幅机构在提升和钻进工况时各铰接处的 载荷作用如表1 所示 表l变幅机构各铰接处的载荷作用 3 2 提升工况强度分析 变幅机构在提升工况下的等效应力云图如图8 所 示 从图8 中可看出此工况下摇臂的最大等效应力为 1 2 8 6 6 M P a 出现在摇臂下筋板与左 右箱体连接处 应力集中出现在变幅油缸支座与筋板连接处 整体的 应力分布较为均匀 大部分单元应力在4 0 M P a 左右 支撑架的最大等效应力为4 8 4 4 M P a 出现在调桅油缸 支座与圆管相连的筋板处 大部分单元处于低应力状 a 摇臂 态 连接架的最大等效应力为1 3 0 7 2 M P a 出现在左 右箱体与圆管连接的接触面上 应力集中出现在耳板 中间连接处 应力值在5 5 9 0 M P a 间 大部分单元应 力在1 3 3 3 M P a 间 变幅机构的最大等效应力值均 小于材料的许用应力值 满足强度要求 3 3 钻进工况强度分析 变幅机构在钻进工况下的等效应力云图如图 9 所示 b 支撑架 c 连接架 变幅机构在提升工况下的等效应力云图 勰嚣需 u n n 擀j 日 目 b 支撑架 c 连接架 虱9 变幅机构在钻进工况下的等效应力云图 2 1 e一舢一一 2 0 1 6 年第6 期 现代制造工程 M o d e mM 卸u f a c t u 订n gE n 画n e e r in g 从图9 中可看出此工况下摇臂的最大应力值为 2 1 0 0 4 M P a 出现在变幅油缸支座与筋板外侧连接处 大部分单元应力在5 0 M P a 左右 支撑架的最大应力值 为6 0 7 4 M P a 出现在左 右箱体与圆管相连的筋板处 大部分单元处于低应力状态 连接架的最大应力值为 4 7 3 7 M P a 出现在两块耳板连接的筋板处 应力集中出 现在左 右箱体与圆管连接处 应力值在2 5 3 5 M P a 其 他单元处于低应力状态 变幅机构的最大等效应力值 均小于材料的许用应力值 满足强度要求 3 4 模态分析 大三角变幅机构在成孑L 作业和变幅过程中起到 支撑作用 如果发生共振等现象 将造成严重的事故 因此对变幅机构进行模态分析显得尤为重要 变幅 机构前4 阶模态振型如图1 0 所示 幽 2 2 b 二阶模态振型 c 三阶横态振型 d 四阶模态振型 图l O 变幅机构前4 阶模态振型 将变幅机构在回转平台处施加零位移约束 得到 了变幅机构的前6 阶固有频率 如表2 所示 表2 变幅机构前6 阶模态固有频率 模态阶数 l 23456 模态频率 H z 3 4 l 5 6 31 2 3 l1 2 8 31 5 3 81 5 5 9 从变幅机构的各模态分析图可以看出 1 阶频率 为3 4 1 H z 其振型为前后振动 2 阶频率为5 6 3 H z 其 振型为左右摆动 3 阶及3 阶以后的模态频率都比较 高 至少是1 阶频率的3 倍以上 其振型主要为扭动和 弯曲振型 从模态分析中可以看出 主要是调桅油缸出现 较大的振动变化 还有钻桅 支撑架及连接架等的局 部扭振 但扭振的幅度较小 这些振型不仅影响钻 孔的质量和垂直度 也加重了连接部位的磨损 实 际工况下l 阶和2 阶频率在动力头的瞬间启动和制 动 上车回转平台急停和卸料 液压系统的液压冲 击 提升工况下的瞬间提钻及钻进过程中岩石的瞬 间冲击等成分丰富的脉冲信号都能激起共振的激振 频率 如果要激起3 阶以上的振动 其旋转速度至 少在7 2 0 r m in 以上 根据旋挖钻机的各项参数不能 达到 因此针对旋挖钻机容易产生的共振在设计时 和实际工况中应提前预知并尽量避免这些共振现象 的发生 4结语 1 在分析提升和钻进工况下大三角变幅机构受 力情况的基础上 计算调桅油缸载荷 变幅油缸载荷 以及变幅机构结构件铰接点的支反力 得到用于有限 元分析的边界载荷 2 对大三角变幅机构在提升和钻进工况进行强 度分析 变幅机构的最大等效应力值小于材料的许用 应力值 满足强度要求 3 对大三角变幅机构进行了模态分析 得到了振 动频率和振型 旋挖钻机不能激发起3 阶及3 阶以上 的振型 参考文献 1 迟振国 董庆建 李阳 等 基于A D A M s 的H R l 5 0 旋挖钻 机变幅机构动态仿真分析 J 煤矿机械 2 0 1 2 3 3 1 5 4 5 6 2 周宏兵 王世怀 康辉梅 等 旋挖钻机三角形连接架的 有限元分析 J 现代制造工程 2 0 1 1 2 7 0 一7 5 下转第3 9 页 李耀文 等 五自由度机械臂的动力学建模与模糊滑模控制2 0 1 6 年第6 期 利用式 2 9 即控制率对机械臂模型进行动力学 仿真 这里给定各关节期望转角函数如下 吼 0 3 s in 号0 0 3 s in 詈0 0 2 s in 詈c o 3 s in f 罟小 o 2 s in f 詈 1 控制参数取 露 5 5 5 5 5 C 1 0 l O 1 0 I O 1 0 从图4 所示可以看出 在同样的输人下 模糊滑模 控制器与P I D 控制器相比 响应更快 从控制输人可 以看出 P I D 控制器开始阶段 输入变化比较剧烈 在 迸人稳定阶段 控制输入变稳定 模糊滑模控制器的 动态控制性能要比P I D 控制器好 5 结语 本文详细研究了刚性机械臂的运动学 动力学建 模和模糊滑模控制器设计的过程 以动力学方程为关 节转角跟踪控制的基础 采用模糊滑模控制方法 对 机械臂关节转角跟踪进行控制仿真 并将仿真结果与 P I D 控制仿真结果进行比较 可以发现模糊滑模控制 器具有响应速度快及良好的动态控制性能 本文研 究为机械臂模型的建立和控制系统的设计提供了一 定的参考 参考文献 1 M A v R O I D I SC D u B O w S K YS R O W EP I n f e n e de n d p o in tc o n t r U lo fl o n gr e a c hm a n ip u l a t o r s P m c e e d in go ft h e N in t h W o r l dC o n g r e s so nT h e o r yo fM a c h in e sa n dM e c h a n is m s c M j l 明 I t a l y s n 1 9 9 5 2 史先鹏 刘士荣 机械臂轨迹跟踪控制研究进展 J 控 制工程 2 0 1 l 1 1 8 1 1 6 1 2 2 3 H E R E D I AJA w E NY u Ah ig h g a ino b s e r v e 卜b a s e dP D c o n t r o lf o rr o b o tm n ip u l a t o r C C h ic a g o u S A A m e c 粕 C o n t m lC o n f e e n c e 2 0 0 0 4 K u cTY H A NwG A na d 印t iv eP I Dl e 锄in gc o n 帅lo fr o b o tm a n ip u l a l o r s J A u t o 瑚f ic a 2 0 0 0 3 6 5 7 1 7 7 2 5 5 L O N G EFA I P P O L I T 0FD R A I N O N D IFM A na d a p t iv e c o n t I o ll a wf o rr o b o t icm a I I ip u l a t o rw i山o u tv e l o c it yf e e d b a c k J c o n 叻lE n g in e e r in gP r a c t ic e 2 0 0 3 1 1 9 9 9 9 一 1 0 0 5 6 陈国栋 贾培发 基于扩张状态观测器的机器人分散鲁 棒跟踪控制 J 自动化学报 2 0 0 8 3 4 7 8 2 8 8 3 2 7 c O L B A u G HR G L A s sK s E R A J IH A d 印t iv et r a c k in gc o n t m lo fI n a n ip u l a t o r st h e o r ya n de x p e r im e n t s J R o b o t ic s C o m p u t e rI n t e g T a t e dM a n u f 如t u n g 1 9 9 6 1 2 3 2 0 9 2 1 6 8 A B D E L H A M E E DMM E n h a n c e m e n to fs d in gm o d ec o n t r 0 U e rb yf u z z yl o 矛cw it ha p p l ic a t io nt or o b o t icm a n j p L d a t o