基于Creo的旋挖钻机桅杆载荷分布计算*

任城钰，贺广迎，李祥康

(徐州雷曼机械科技有限公司，江苏 徐州 221600)

0 引 言

旋挖钻机设计中桅杆的设计尤为重要，它不仅承受轴向力、弯矩和剪力载荷，压杆稳定也是重要的考量。由于桅杆的受力较为复杂，在设计初期快速掌握桅杆载荷分布，实时修改桅杆截面的设计，对旋挖钻机桅杆设计工作者十分必要。笔者通过参数化软件Creo/Simulate合理建模，在设计的过程中可即时获得桅杆载荷分布。通过对桅杆简化模型的有限元分析，可以十分快捷准确为结构设计人员提供所需的要的信息，可以很大程度上减轻设计人员的计算量。

1 桅杆简介

旋挖钻机的桅杆包括鹅头、桅杆上节、桅杆中节和桅杆下节。桅杆在工作过程中竖直方向首先是程序自主调整，然后由机手锁定。桅杆的固定约束都在桅杆中节上。在桅杆中节底部有一个释放2个旋转自由度的类似万向节结构，该结构约束桅杆的4个自由度(三个位移和一个旋转)。在桅杆中节中部连接着两个液压油缸(倾缸)，两个油缸组合控制着桅杆的前倾和侧倾。本文以某机型的桅杆为例，简要介绍桅杆建模的约束与载荷分布计算。

桅杆截面的基本尺寸如图1所示。桅杆的基本尺寸如图2所示。桅杆受力简图如图3所示。

图1 桅杆截面

图2 桅杆简图 图3 桅杆受力简图

初始设计截面特性如下：

A=2.62e+4mm2

2 桅杆的两个极限工况

卷扬全力提升和动力头全力加压是桅杆工作的两个极限工况。该机型的最大设计提升力为280 kN，最大加压180 kN。

即有工况一：

F1=280 (kN)

结果见图3所示。

工况二：依据力的等效平移法则，将钢丝绳的拉力平移到滑轮中心。

依据动力头受力矩平衡，有：

结果见图3所示。

3 建立Creo/Simulate理想梁模型

依据截面质量属性设置桅杆截面特性，并应用到梁截面设置中；油缸设置圆管截面，外径226 mm，内径125 mm，近似代替油缸模型，由于使用的是小变形的线性分析，该近似模型对约束载荷的求解结果影响很小。建立模型如图4。分别设置1、2，4、5，6、7，8、9，10、11、12为刚性连接。

图4 梁截面模型

设置约束：1处约束三个位移自由度；1、2之间约束视图方向的位移自由度；3处约束三个位移自由度；3、4连接杆在4处约束一个杆轴向的旋转自由度。如图5所示。

图5 约束及连接点

指定材料为钢，泊松比0.27，杨氏模量200 GPa。分别对两个极限载荷应用静态结构分析并运行。得到桅杆轴向力、剪力、弯矩曲线图。见图6、7所示。

图6 卷扬极限载荷分布

图7 加压油缸极限载荷分布

桅杆的轴向力是压杆稳定计算的条件，根据剪力和弯矩可以计算相应的最大应力，根据应力合成公式获得最大合成应力。这些可以在结构设计完成后由软件自行完成计算。但是在结构设计还没有完成只是构想的条件下没有充分的模型基础，无法使用有限元软件对应力进行计算。使用该方法就显得十分快捷。在获得桅杆必要的载荷数据的情况下对桅杆进行合理结构布局，并做及时设计调整。

4 结 论

Creo/Simulate仿真模块可以和Creo/Parametric建模模块无缝连接，可以方便快捷的计算桅杆的载荷分布。产品设计开发初期需要根据载荷分布频繁调整的模型，模型的变化来又会影响产品的载荷分布。对于这种频繁修改模型和载荷的情况，Creo/Simulate和Creo/Parametric尤为适用。这一功能可以方便快捷的协助设计人员完成产品初期的模型设计和载荷的校验工作。