开口钻机底板的静力学分析

摘 要：开口钻机是用来打开金属液体出口的机械设备，其主要支撑部件底板的强度刚度直接关系着整个设备的运行安全性和可靠性，那么底板的静力学分析就成为校核底板强度刚度的一个必经过程。文章通过对底板进行建模、有限元分析等科学方法对底板的静态工况进行静力学分析，为得出底板强度刚度分析结论提供可靠数据，为后续对底板结构进行优化做准备。

关键词：钻机底板；有限元模型；静力学分析

引言

开口钻机是用来打开金属液体出口的机械设备，较之前的人工开口方式而言，实现了机械化操作，改善了工人劳动条件，提高经济效益。作为开口钻机的重要支撑部件底板，其结构强度刚度直接关系着整个设备运行的安全性和可靠性，因此，对底板结构的强度刚度校核是十分必要的。底板的静力学分析是校核底板强度刚度的一个前期准备工作，为后续的校核工作提供可靠数据，因此，底板的静力学分析必须足够全面、足够准确。

1 底板静力学分析

底板主要是由板件组成，板件与板件之间采用的螺栓连接，同时有左右两个支撑挂耳连接底板。在两个挂耳之间采用两个10mm的薄板连接，受力部位为两个U形槽。创建有限元模型不力求完美，要确保模型的准确，不能失真。对于连接部分可以作为刚体处理，不再建立螺栓连接。板件的网格主要以四面体和六面体为主，可以提高网格划分的质量。

1.1 创建有限元模型

创建有限元模型，明确分析目标，指定周密的分析方案和实施计划，包括简化模型和单元离散方案、载荷和约束施加方案等，尽量避免分析过程中的错误和反复调试。好的方案是保证计算精度和计算效率的基础。虽然在处理具体问题可能有不同的步骤，但“心中有数”正是有经验的基本数据，按照一定的标准流程进行，少走弯路。

带动钻头旋转的电机、电机与刀具连接件以及刀具的重量可以用等效的质量来代替，三者质量总和为60kg。结构刚的密度为7850kg/m3，三者的质量可以等效边长为197mm的正方体，位置放在电机原处的位置。由于钻头在进给的过程中产生切削力，会带给底板反作用力，所以在电机的正下面加了厚度为5mm厚的侧面板，便于施加切削反力。该模型的转化采用UG6.0和Workbench12.0直接连接，确保模型不失真，Workbench12.0模块直接嵌入到UG6.0中，确保三维模型的数据实时更新。

1.2 静力学分析

文章主要是针对电机及附件位置的两种工况进行静力学分析。该两种工况属于钻机工作时所处的两个极限位置。

1.2.1 电机及附件处于最右端工况

最右端工况为电机初始位置，此时底板最右端受电机集中载荷的作用。经过对底板的受力分析发现，底板是通过两个勾子拉住壁墙的勾环受力的，真正受力的表面为一个圆柱面，即旋转副。为了保证模拟受力的准确性，在模型两个U形槽中增加一个实体轴，还有电机的等效质量模型，如图1所示。实际模型中，回转轴与U形槽是旋转幅连接，故在几何实体模型装备的过程中增加了旋转幅，凸台与底板主体采用捆绑连接方式，与缝焊相似。

根据现场工况，约束和载荷的具体设定如图2所示。图中A处施加的为重力加速度，图中B处（左右两个挂耳上的圆柱孔）施加的为圓柱形支撑，不限制支撑处绕孔中心旋转的自由度，图中C处为牵引绳索和底板的连接处，由于底板靠平衡块的绳索来牵引，平衡块重64KG，重力为640N。绳子与底板的夹角为61°，经过受力分解，绳子对底板垂直向上牵引力为560N，水平向左牵引力为310N。图中C处为施加的集中牵引力。图中D、E两处为钻头给进的过程对底板施加的切削反力，此时假设钻头按顺时针旋转，经计算得：

根据计算公式：P=T*n/9550

已知：电机功率：3.7KW

转速：120转/分

链轮分度圆直径：125.5mm

可算出：F=4.6926KN

左右两侧分别为一半：FD=FE=2.3463KN

方向如图3所示。图中F处为旋转轴施加的圆柱支撑，且绕圆柱中心旋转自由度设定为自由，其他自由度限制。

1.2.2 电机及附件处于最左端工况

当钻头开始钻进时，电机及其附件开始从右向左移动，直至空钻通，此时电机及其附件处于底板的最左端。有限元模型如图3所示。

当电机及附件处于底板最左端时，约束和载荷具体设定如图4所示。图中约束和载荷的施加与前者工况相同。只是电机所处的位置不同，故切削力施加的位置不同。

2 结束语

钻机底板的静力学分析是对钻机底板进行强度刚度分析的前期准备，是必不可少的。只有准确的静力学分析，才能为后续的有限元分析提供有力的数据，从而得到在不同的工况下，钻机底板的受力云图。之后通过对受力云图的解读，才能得知在不同工况下，主要承载部件-底板最薄弱、最易变形的具体位置，并且通过解读有限元分析得出的数据来判定在不同工况下部件有没有损坏、有没有变形，变形会不会影响设备的运行精度等一系列后续问题。如若工作中部件有损坏或是变形过大影响了运行精度，或是强度刚度都满足要求但成本太高，材料过于浪费，还要对部件的结构进行优化，优化后再次进行有限元分析，从而得到最优产品。

作者简介：袁媛（1983-），女，河北张家口人，讲师，主要从事机械制造专业的教学与研究。