多功能钻机夹持器的设计与优化

许东京 戴真真 王永辉 卢立建

（1.江苏徐工工程机械研究院有限公司，徐州 221004；2.徐州徐工基础工程机械有限公司，徐州 221004）

多功能钻机主要用于基桩工程、隧道、水利与公路等工程。针对现有的多功能钻机夹持器在实际使用过程中出现的问题进行分析，并根据分析结果对其强度薄弱点进行改进，以满足使用要求。

1 夹持器结构特点

如图1 所示，多功能钻机夹持器固定安装在进给装置前端。回转机构通过进给装置驱动钻具的前进与后退。回转机构与夹持器配合实现钻具的装卸工作[1]。

如图2 所示，夹持器由上夹持器与下夹持器两部分组成。上夹持器通过卸扣油缸可实现摆动，用于钻杆间螺纹的拆卸，具有自动拆卸钻杆功能，大大降低了工人劳动强度，提高了施工效率。下夹持器通过螺栓固定安装在钻桅上，用于夹持钻杆。

2 夹持器试验与有限元分析

夹持器的主体部件以焊接形式连接，具有承载夹紧力和卸扣扭矩等作用，故其强度可靠性将直接影响到整机的工作性能。市场上的多功能钻机的夹持器多为C 形结构。设计的夹持器夹紧力为250kN，加载至两侧的油缸安装板上[2]。通过有限元分析可知，开口处最大变形量达5mm，最大应力超过1000MPa，位于圆弧底部夹持块导向板搭接焊接处。有限元分析模型如图3 所示。

图1 夹持器、进给装置与回转机构结构示意图

图2 夹持器结构示意图

图3 有限元分析模型

图4 夹持器试验结果

通过现场使用多次试验进行验证，结果如图4 所示。先发生裂纹的地方为圆弧底部夹持块导向板搭接焊接处，与有限元分析模型结果一致，因此需对现有夹持器结构进行改进优化设计。

3 夹持器优化设计

对多功能钻机夹持器进行有限元分析，得出了整体变形图、最大应力值及应力位置。通过分析结果可知，多功能钻机夹持器刚度和强度不满足工作需求，因此需对其进行优化改进设计。现有结构改进点共有3 处。第一，将180°半圆弧结构的卸扣导轨更改为U 形结构，以有效减小夹持器开口端的变形量。第二，将卸扣导轨的内圆弧面直径与夹持器上下封板的内圆弧面直径保持一致进行焊接，提高内部圆弧面的抗拉强度。第三，夹持块导向板与加强板目前采用的是搭接焊，易产生应力集中，现更改为对接焊，并将焊缝打磨光滑[3]。

对改进后的模型进行有限元分析，结果如图5 所示。可见，改进后的最大变形量不足1mm，最大应力约为350MPa，远远小于改进前的变形量与应力。钢板采用Q550C 材料，安全系数约为1.5，满足强度要求。

图5 改进后有限元分析

4 结语

对现有设计的夹持器进行试验和有限元分析，寻找其强度薄弱点及存在的问题，并根据分析结果对夹持器进行了3 个方面的优化改进，最后对改进后的结构进行有限元分析。分析结果表明，改进后的夹持器应力和应变均大幅度降低。此外，将新的夹持器投入市场后进行跟踪，新的夹持器并未发生过损坏现象，提高了夹持器的安全性与可靠性。