潜孔钻机钻架有限元分析

段少华

（江西铜业集团七宝山矿业有限公司，江西宜春 336403）

潜孔钻机钻架有限元分析

段少华

（江西铜业集团七宝山矿业有限公司，江西宜春 336403）

某型潜孔钻机钻架长度超过10 m，长细比大，是钻机的主要承载部件。钻孔作业过程中，钻架除承受拉伸、压缩、扭转等载荷外，还受冲击器冲击振动的影响，受力情况复杂。通过对钻机进行工况分析，得到各种典型工况下的极限受力状态，再利用Ansys进行有限元分析，得到钻架应力、位移分布情况和模态分析结果，校核钻架是否满足强度和刚度要求，是否有与冲击器发生共振的可能。通过计算，钻架结构强度和刚度满足实际工程需要，且不会与冲击器发生共振。

潜孔钻机；钻架；有限元

0 引言

潜孔钻机是利用潜入孔底的冲击器对岩石进行冲击破碎的钻孔机械，广泛用于采矿作业和建筑爆破[1]。与常见的凿岩机相比，潜孔钻机具有钻孔深，钻孔直径大，钻孔效率高，适应范围广等特点，是当前通用的大型凿岩设备[2]。革型潜孔钻机的钻架是钻机的关键承载部件，钻孔作业时，受力情况复杂，为保证钻机能连续正常作业，设计时需对钻架进行有限元数值模拟分析，保证满足实际工程需要。

1 潜孔钻机工作原理与钻架结构

1.1 工作原理

潜孔钻机具有独立的回转机构和冲击机构，利用潜入孔底的冲击器与钻头对岩石进行冲击破碎。

潜孔钻机的潜孔作业主要由推进机构、回转机构、冲击机构、提升机构和操纵机构等来完成。潜孔钻机工作时，推进机构使钻具连续推进，并使转头始终与孔底岩石接触。回转机构使钻具连续回转。同时，装在钻杆前端的冲击器在压气的作用下，其活塞不断冲击钻头，钻头受冲击后获得能量，潜入孔底，产生使岩石受挤压的冲击力。钻具回转避免了钻头重复打击在相同的凿痕上，并产生了对孔底岩石起刮削作用的剪切力，在冲击器活塞冲击力和回转机构的剪切力作用下，岩石不断被压碎和剪碎。压气由气接头进入，经由中空钻杆直达孔底，把剪碎后的岩渣从转杆与孔壁之间的环形空间吹到孔外，从而形成炮孔，完成钻孔作业。

1.2 钻架结构

潜孔钻机钻架组成如图1所示，其采用二十根矩形钢管与两根槽钢焊接而成，材料均采用Q345。钻架上安装有回转头、滑架、钻杆库、卸杆器、推进马达和传动链条等。槽钢翼缘作为安装回转头安装座和滑架的导轨，为保证动力头安装座和滑架沿导轨滑动正常，钻架必须满足刚度要求。钻孔作业时，推进电机通过传动链条带动回转头进行推进动作，回转头带动钻杆旋转，配合冲击器的冲击动作，旋转冲击破碎岩石，实现钻孔作业。

图1 钻架结构

2 工况分析与有限元模型建立

2.1 工况分析

某型潜孔钻机基本性能参数如表1所示。

表1 T某型推进机构基本性能参数

通过对潜孔钻机作业过程的综合分析，忽略钻架上安装的质量较小零部件的重力影响，其作业过程可分为以下几种典型工况。

（1）突然卡钻工况

钻机突然卡钻[3]时，回转头承受钻杆传递的沿Z向的推进反力20 kN，考虑到回转头5 kN的重力影响，将有15 kN的力通过传动链条作用到推进马达安装座上，相当于在钻架底部作用一个15 kN的集中力。而卡钻形成的扭转反力通过回转头安装座作用于钻架的导轨上，大小为4 800 N·m。滑架上的油缸达到最大工作行程时，扭转反力对钻架的影响最大，此时为极限受力状态。滑架上的油缸推杆安装座限制钻架的Z向移动，滑架则限制钻架除Z向移动外的5个自由度。钻孔作业时，钻架底部的顶尖接触地面，6个自由度全部被约束。其受力和约束情况如图2所示。

图2 突然卡钻工况

（2）卡钻提升工况

钻机卡钻提升[4]时，回转头承受钻杆传递的沿Z向的提升反力28 kN，提升反力与回转头重力叠加，通过传动链条作用到钻架上部链条滑轮的安装座上，相当于在钻架顶部作用一个33 kN的集中力。钻架所受扭转反力与约束情况和突然卡钻工况相同。其受力和约束情况如图3所示。

图3 卡钻提升工况

（3）钻架启升工况

钻机钻架起升时，其极限状态出现在钻架起升或落下的瞬间。因起升时加速度不大，不考虑惯性力的作用，仅考虑钻架及安装于其上的零部件总重力20 kN的作用。起升时，底部没有约束，只有滑架对钻架的约束。其受力和约束情况如图4所示。

图4 钻架启升工况

图5 钻架约束情况

另外，钻机作业时，因冲击器的工作方式会带来振动，所以必须避免钻架与冲击器共振带来的危害，这就要求对钻架进行模态分析，求解钻架的固有频率。模态分析时，其约束情况如图5所示。

2.2 有限元模型的建立

采用SolidWorks对钻架进行三维实体建模，略去钻架上的质量较小的零部件，仅保留钻架。将实体模型导入Ansys，建立有限元计算模型。模型主要采用Solid45单元类型，根据模型大小和计算精度及时间，单元大小选为8，智能划分网格，共有单元数量470 912个。钻架采用Q345钢，弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7.8×10-6kg/mm3[5]。模型有限元计算中力和约束的加载参照上节工况分析的结果进行，其中作用于钻架的扭转反力加载在回转头中心轴线上的任意一点，该节点通过耦合方式与钻架连接，作用位置为回转头安装座的安装位置[6]。

3 有限元分析结果

3.1 突然卡钻工况分析结果

突然卡钻工况应力云图如图6所示。其中最大应力出现在钻架与滑架上边沿接触的位置，最大值为22.9 MPa，满足钻架的强度要求。位移云图如图7所示。其中最大位移出现在钻架顶端，最大值为5.274 mm，满足钻架的刚度要求。

图6 突然卡钻工况应力云图

图7 突然卡钻工况位移云图

3.2 卡钻提升工况分析结果

卡钻提升工况应力云图如图8所示。其中最大应力同样出现在钻架与滑架上边沿接触的位置，最大值为16.7 MPa，满足钻架的强度要求。位移云图如图9所示。其中最大位移同样出现在钻架顶端，最大值为5.318 mm，满足钻架的刚度要求。

图8 卡钻提升工况应力云图

图9 卡钻提升工况位移云图

图10 钻架启升工况应力云图

3.3 钻架启升工况分析结果

钻架启升工况应力云图如图10所示。其中最大应力同样出现在钻架与滑架上边沿接触的位置，最大值为192 MPa。钻架启升时，钻机冲击器不动作，不必考虑振动影响，且钻机作业时，启升动作不是很频繁，所以钻架按屈服强度校核，满足强度要求[7]。位移云图如图11所示。其中最大位移同样出现在钻架顶端，最大值为6.13 mm，满足钻架的刚度要求。

图11 钻架启升工况位移云图

3.4 模态分析结果

钻架的模态分析取前10阶，如表2所示。钻架整体刚度大，固有频率较小，远低于冲击器30 Hz的冲击频率，不会与冲击器产生共振。

4 结论

根据对某型潜孔钻机钻架各种典型工况的有限元分析结果，表明该潜孔钻机钻架的强度和刚度均满足设计和实际工程要求。钻架模态分析结果表明，钻架固有频率与冲击器频率相距较远，不会产生共振。

表2 钻架前10阶固有频率

［1］郭勇，周振华.潜孔钻机的应用现状与发展趋势［J］.矿业快报，2008，24（4）：13-15.

［2］卢占鳌.我国露天矿用钻机现状及今后发展方向［J］.矿山机械，1990（11）：2-5.

［3］杨来铭，郭勇，谢雄.潜孔钻机卡钻机理的分析研究［J］.建筑机械：上半月，2009（1）：66-72.

［4］郭勇，王毅，李东明.潜孔钻机智能防卡系统的研究［J］.筑路机械与施工机械化，2007，24（1）：53-55.

［5］闻邦椿.机械设计手册：第6卷［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［6］杨天兵，张韬.露天潜孔钻机平台的结构改进和有限元分析［J］.建筑机械，2008（12）：77-80.

［7］易辉成，刘海燕，王杏芳.潜孔钻机钻架结构的有限元分析［J］.工程机械，2013，44（3）：15-18.

Finite Element Analysis of Drilling Frame on Down-The-Hole Drill

DUAN Shao-hua
（Jiangxi Copper Group，Qibaoshan Mining Co.，Ltd.，Yichun336403，China）

Drilling frame on Down-The-Hole drill that has large slenderness ratio and be longer than 10m is one component of Down-The-Hole drill which is mainly subjected to load.In the process of drilling，drilling frame is not only subjected to loads which are like tensile，compression and torsion and so on，and be under the influence of impacting and vibration of impactor，the situation of force is complicated.By analyzing of working condition of Down-The-Hole drill，there get all kinds of limit states of typical working conditions，and then using Ansys doing finite element analysis，there get distribution of the stress and strain of drilling frame and the result of modal analysis to check whether drilling frame meets the requirements of strength and stiffness or not，and whether it is possible to resonate with the impactor or not.By analysis，structure strength and stiffness of drilling frame on a Down-The-Hole drill meet the requirements of practical engineering，and drilling Frame does not resonate with the impactor.

Down-The-Hole drill；drill frame；finite element

TH128

：A

：1009－9492(2014)12－0228－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.059

段少华，男，1965年生，江西莲花人，大学本科，助理工程师。研究领域：矿山设备维护管理与技改。

(编辑：王智圣)

2014－07－23