潛孔鉆機(jī)鉆架有限元分析

段少華

（江西銅業(yè)集團(tuán)七寶山礦業(yè)有限公司，江西宜春 336403）

潛孔鉆機(jī)鉆架有限元分析

段少華

（江西銅業(yè)集團(tuán)七寶山礦業(yè)有限公司，江西宜春 336403）

某型潛孔鉆機(jī)鉆架長(zhǎng)度超過(guò)10 m，長(zhǎng)細(xì)比大，是鉆機(jī)的主要承載部件。鉆孔作業(yè)過(guò)程中，鉆架除承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等載荷外，還受沖擊器沖擊振動(dòng)的影響，受力情況復(fù)雜。通過(guò)對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行工況分析，得到各種典型工況下的極限受力狀態(tài)，再利用Ansys進(jìn)行有限元分析，得到鉆架應(yīng)力、位移分布情況和模態(tài)分析結(jié)果，校核鉆架是否滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求，是否有與沖擊器發(fā)生共振的可能。通過(guò)計(jì)算，鉆架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足實(shí)際工程需要，且不會(huì)與沖擊器發(fā)生共振。

潛孔鉆機(jī)；鉆架；有限元

0 引言

潛孔鉆機(jī)是利用潛入孔底的沖擊器對(duì)巖石進(jìn)行沖擊破碎的鉆孔機(jī)械，廣泛用于采礦作業(yè)和建筑爆破[1]。與常見(jiàn)的鑿巖機(jī)相比，潛孔鉆機(jī)具有鉆孔深，鉆孔直徑大，鉆孔效率高，適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)，是當(dāng)前通用的大型鑿巖設(shè)備[2]。革型潛孔鉆機(jī)的鉆架是鉆機(jī)的關(guān)鍵承載部件，鉆孔作業(yè)時(shí)，受力情況復(fù)雜，為保證鉆機(jī)能連續(xù)正常作業(yè)，設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)鉆架進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，保證滿(mǎn)足實(shí)際工程需要。

1 潛孔鉆機(jī)工作原理與鉆架結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

潛孔鉆機(jī)具有獨(dú)立的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和沖擊機(jī)構(gòu)，利用潛入孔底的沖擊器與鉆頭對(duì)巖石進(jìn)行沖擊破碎。

潛孔鉆機(jī)的潛孔作業(yè)主要由推進(jìn)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、沖擊機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)等來(lái)完成。潛孔鉆機(jī)工作時(shí)，推進(jìn)機(jī)構(gòu)使鉆具連續(xù)推進(jìn)，并使轉(zhuǎn)頭始終與孔底巖石接觸。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使鉆具連續(xù)回轉(zhuǎn)。同時(shí)，裝在鉆桿前端的沖擊器在壓氣的作用下，其活塞不斷沖擊鉆頭，鉆頭受沖擊后獲得能量，潛入孔底，產(chǎn)生使巖石受擠壓的沖擊力。鉆具回轉(zhuǎn)避免了鉆頭重復(fù)打擊在相同的鑿痕上，并產(chǎn)生了對(duì)孔底巖石起刮削作用的剪切力，在沖擊器活塞沖擊力和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的剪切力作用下，巖石不斷被壓碎和剪碎。壓氣由氣接頭進(jìn)入，經(jīng)由中空鉆桿直達(dá)孔底，把剪碎后的巖渣從轉(zhuǎn)桿與孔壁之間的環(huán)形空間吹到孔外，從而形成炮孔，完成鉆孔作業(yè)。

1.2 鉆架結(jié)構(gòu)

潛孔鉆機(jī)鉆架組成如圖1所示，其采用二十根矩形鋼管與兩根槽鋼焊接而成，材料均采用Q345。鉆架上安裝有回轉(zhuǎn)頭、滑架、鉆桿庫(kù)、卸桿器、推進(jìn)馬達(dá)和傳動(dòng)鏈條等。槽鋼翼緣作為安裝回轉(zhuǎn)頭安裝座和滑架的導(dǎo)軌，為保證動(dòng)力頭安裝座和滑架沿導(dǎo)軌滑動(dòng)正常，鉆架必須滿(mǎn)足剛度要求。鉆孔作業(yè)時(shí)，推進(jìn)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)鏈條帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頭進(jìn)行推進(jìn)動(dòng)作，回轉(zhuǎn)頭帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，配合沖擊器的沖擊動(dòng)作，旋轉(zhuǎn)沖擊破碎巖石，實(shí)現(xiàn)鉆孔作業(yè)。

圖1 鉆架結(jié)構(gòu)

2 工況分析與有限元模型建立

2.1 工況分析

某型潛孔鉆機(jī)基本性能參數(shù)如表1所示。

表1 T某型推進(jìn)機(jī)構(gòu)基本性能參數(shù)

通過(guò)對(duì)潛孔鉆機(jī)作業(yè)過(guò)程的綜合分析，忽略鉆架上安裝的質(zhì)量較小零部件的重力影響，其作業(yè)過(guò)程可分為以下幾種典型工況。

（1）突然卡鉆工況

鉆機(jī)突然卡鉆[3]時(shí)，回轉(zhuǎn)頭承受鉆桿傳遞的沿Z向的推進(jìn)反力20 kN，考慮到回轉(zhuǎn)頭5 kN的重力影響，將有15 kN的力通過(guò)傳動(dòng)鏈條作用到推進(jìn)馬達(dá)安裝座上，相當(dāng)于在鉆架底部作用一個(gè)15 kN的集中力。而卡鉆形成的扭轉(zhuǎn)反力通過(guò)回轉(zhuǎn)頭安裝座作用于鉆架的導(dǎo)軌上，大小為4 800 N·m?；苌系挠透走_(dá)到最大工作行程時(shí)，扭轉(zhuǎn)反力對(duì)鉆架的影響最大，此時(shí)為極限受力狀態(tài)?；苌系挠透淄茥U安裝座限制鉆架的Z向移動(dòng)，滑架則限制鉆架除Z向移動(dòng)外的5個(gè)自由度。鉆孔作業(yè)時(shí)，鉆架底部的頂尖接觸地面，6個(gè)自由度全部被約束。其受力和約束情況如圖2所示。

圖2 突然卡鉆工況

（2）卡鉆提升工況

鉆機(jī)卡鉆提升[4]時(shí)，回轉(zhuǎn)頭承受鉆桿傳遞的沿Z向的提升反力28 kN，提升反力與回轉(zhuǎn)頭重力疊加，通過(guò)傳動(dòng)鏈條作用到鉆架上部鏈條滑輪的安裝座上，相當(dāng)于在鉆架頂部作用一個(gè)33 kN的集中力。鉆架所受扭轉(zhuǎn)反力與約束情況和突然卡鉆工況相同。其受力和約束情況如圖3所示。

圖3 卡鉆提升工況

（3）鉆架啟升工況

鉆機(jī)鉆架起升時(shí)，其極限狀態(tài)出現(xiàn)在鉆架起升或落下的瞬間。因起升時(shí)加速度不大，不考慮慣性力的作用，僅考慮鉆架及安裝于其上的零部件總重力20 kN的作用。起升時(shí)，底部沒(méi)有約束，只有滑架對(duì)鉆架的約束。其受力和約束情況如圖4所示。

圖4 鉆架啟升工況

圖5 鉆架約束情況

另外，鉆機(jī)作業(yè)時(shí)，因沖擊器的工作方式會(huì)帶來(lái)振動(dòng)，所以必須避免鉆架與沖擊器共振帶來(lái)的危害，這就要求對(duì)鉆架進(jìn)行模態(tài)分析，求解鉆架的固有頻率。模態(tài)分析時(shí)，其約束情況如圖5所示。

2.2 有限元模型的建立

采用SolidWorks對(duì)鉆架進(jìn)行三維實(shí)體建模，略去鉆架上的質(zhì)量較小的零部件，僅保留鉆架。將實(shí)體模型導(dǎo)入Ansys，建立有限元計(jì)算模型。模型主要采用Solid45單元類(lèi)型，根據(jù)模型大小和計(jì)算精度及時(shí)間，單元大小選為8，智能劃分網(wǎng)格，共有單元數(shù)量470 912個(gè)。鉆架采用Q345鋼，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7.8×10-6kg/mm3[5]。模型有限元計(jì)算中力和約束的加載參照上節(jié)工況分析的結(jié)果進(jìn)行，其中作用于鉆架的扭轉(zhuǎn)反力加載在回轉(zhuǎn)頭中心軸線(xiàn)上的任意一點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)通過(guò)耦合方式與鉆架連接，作用位置為回轉(zhuǎn)頭安裝座的安裝位置[6]。

3 有限元分析結(jié)果

3.1 突然卡鉆工況分析結(jié)果

突然卡鉆工況應(yīng)力云圖如圖6所示。其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在鉆架與滑架上邊沿接觸的位置，最大值為22.9 MPa，滿(mǎn)足鉆架的強(qiáng)度要求。位移云圖如圖7所示。其中最大位移出現(xiàn)在鉆架頂端，最大值為5.274 mm，滿(mǎn)足鉆架的剛度要求。

圖6 突然卡鉆工況應(yīng)力云圖

圖7 突然卡鉆工況位移云圖

3.2 卡鉆提升工況分析結(jié)果

卡鉆提升工況應(yīng)力云圖如圖8所示。其中最大應(yīng)力同樣出現(xiàn)在鉆架與滑架上邊沿接觸的位置，最大值為16.7 MPa，滿(mǎn)足鉆架的強(qiáng)度要求。位移云圖如圖9所示。其中最大位移同樣出現(xiàn)在鉆架頂端，最大值為5.318 mm，滿(mǎn)足鉆架的剛度要求。

圖8 卡鉆提升工況應(yīng)力云圖

圖9 卡鉆提升工況位移云圖

圖10 鉆架啟升工況應(yīng)力云圖

3.3 鉆架啟升工況分析結(jié)果

鉆架啟升工況應(yīng)力云圖如圖10所示。其中最大應(yīng)力同樣出現(xiàn)在鉆架與滑架上邊沿接觸的位置，最大值為192 MPa。鉆架啟升時(shí)，鉆機(jī)沖擊器不動(dòng)作，不必考慮振動(dòng)影響，且鉆機(jī)作業(yè)時(shí)，啟升動(dòng)作不是很頻繁，所以鉆架按屈服強(qiáng)度校核，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求[7]。位移云圖如圖11所示。其中最大位移同樣出現(xiàn)在鉆架頂端，最大值為6.13 mm，滿(mǎn)足鉆架的剛度要求。

圖11 鉆架啟升工況位移云圖

3.4 模態(tài)分析結(jié)果

鉆架的模態(tài)分析取前10階，如表2所示。鉆架整體剛度大，固有頻率較小，遠(yuǎn)低于沖擊器30 Hz的沖擊頻率，不會(huì)與沖擊器產(chǎn)生共振。

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)某型潛孔鉆機(jī)鉆架各種典型工況的有限元分析結(jié)果，表明該潛孔鉆機(jī)鉆架的強(qiáng)度和剛度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和實(shí)際工程要求。鉆架模態(tài)分析結(jié)果表明，鉆架固有頻率與沖擊器頻率相距較遠(yuǎn)，不會(huì)產(chǎn)生共振。

表2 鉆架前10階固有頻率

［1］郭勇，周振華.潛孔鉆機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.礦業(yè)快報(bào)，2008，24（4）：13-15.

［2］盧占鰲.我國(guó)露天礦用鉆機(jī)現(xiàn)狀及今后發(fā)展方向［J］.礦山機(jī)械，1990（11）：2-5.

［3］楊來(lái)銘，郭勇，謝雄.潛孔鉆機(jī)卡鉆機(jī)理的分析研究［J］.建筑機(jī)械：上半月，2009（1）：66-72.

［4］郭勇，王毅，李東明.潛孔鉆機(jī)智能防卡系統(tǒng)的研究［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2007，24（1）：53-55.

［5］聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第6卷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［6］楊天兵，張韜.露天潛孔鉆機(jī)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和有限元分析［J］.建筑機(jī)械，2008（12）：77-80.

［7］易輝成，劉海燕，王杏芳.潛孔鉆機(jī)鉆架結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.工程機(jī)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

段少華，男，1965年生，江西蓮花人，大學(xué)本科，助理工程師。研究領(lǐng)域：礦山設(shè)備維護(hù)管理與技改。

(編輯：王智圣)

2014－07－23