D55液压钻机履带架动态载荷测试分析.pdf

第 5期 2 0 1 3年 5月 机械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa nu f a c t u r e 1 53 D 5 5液压钻机履 带架动 态 载荷测试分析 孙钿科 ， 王绍清， 党军健 ， 于红娟 ， 曲庆文 山东理工大学 机械工程学院， 山东 淄博2 5 5 0 4 9 摘要 根据 D 5 5液压钻机的工作状态， 应用 A N S Y S分析软件得到履带架静态应力分布， 确定动态测试点， 利用测试分 析设备对测试点进行动态测试分析， 得到 D 5 5 钻机履带架在不同工作条件下的动态应力与应变， 并进行频谱分析， 以确 定测试分析的准确性。通过动态应力与应变分析， 证明由于钻机行走速度低所以产生的动态载荷对履带架的影响可以忽 略； 在钻孔过程 中由于钻机的定位和液压马达的驱动方式， 钻孔过程 中动态载荷映射到履带架的极小， 在设计时不予考 虑。测试分析证明此类设备 的履带架可以按静态进行设计。 关键词 履带架 ； 动态应力 ； 间歇运动 ； 载荷分析 中图分类号 T H1 6 ； T E 9 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 o 5 0 1 5 3 0 3 T e s t An a l y s i s o n Dy n a mi c L o a d s o f Cr a wl e r F r a me o f t h e Hy d r a u l i c Dr i l l f o r De e p Ho l e S U N T i a n - k e ， WA N G S h a o - q i n g ， D A N G J u n - j i a n ， Y U H o n g - j u a n ，Q U Q i n g - w e n S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， S h a n d o n g Z i b o 2 5 5 0 4 9 ， C h i n a A b s t r a c t T h e d y n a mi c l o a d s o ft h e c r a w l e r f r a m e o fD 5 5 h y d r a u l i c d r i l l a r e t e s t e d a n d a n a l y z e d h e r e ． The s t r e s s a n d s t r a i n of t h e c r a w l e r f r a m e are o b t a i n e d f r o m t h e d a t a m e a s u r e d i n d iff e r e n t w o r k i n g e n v i r o n m e n t s ． A n d t h e s p e c t r u m a n a l y s i s i s c o n d u c t e d ． I t i s p r o v e d t h at t h e d y n am i c l o ads h a v e l i t t l e e f f e c t o n t h e c h ass i s i n w alk i n g a n d d r i l l i n g ．T h e s t ati c a n a l y s i s d e s i g n o ft h e c r a w l e r fra me i s a l s o p r o v e d t o b e t h e fi, al d e s i gn． T h e d e s i gn m e t h o d is s i m p l ifi e d v e r y mu c h ． Me anw h i l e i t p r o v i d e s t h e n e c e s s ary b asis f o r e n g i n e e r i n g p r a c t i c e ． Ke y W o r d s Tr u c k Fr a m e ； Dy n a mi c S t r e s s ； I n t e r mi t t e n t M o v e me n t ；L o a d An a l y s i s 1 引言 深孔液压钻机是近年来最新研制生产的一种矿山履带式工 程机械设备， 主要用于岩石 、 土壤的打孔， 进行矿山的开采作业， 工作条件恶劣。钻机的设计和分析在很多论文中进行了分析研 究， 液压驱动调速系统 、 定位钻孔系统[3 1 、 钻孔与主机的悬挂系 统14 1等分析设计比较完善， 对于起到支撑作用的底盘和履带架只 是引用其它如推土机的类比使用。 履带架是液压钻机的重要支撑 部件。 所承受的整机自重和外载荷以集中载荷方式通过与车架绞 接处传递到履带架 ， 再以均布载荷形式经支重轮由履带板传递到 地面， 因此 ， 履带架应具备足够的强度和刚度。液压钻机在行走 时， 履带要承受动载荷即拉应力作用。另外， 履带还要承受砂子、 泥土、 石头等介质的强烈磨损。因此要求履带架的材料和结构具 有良好的耐磨性和综合力学性能。 目前对于履带架进行静态的分 析设计， 采用有限元技术进行优化 。 2测试点的确定方法 测试点采用两种方式结合 ， 其一是采用有限元分析， 得到应 力场， 在履带架应力比较大的部位测试动态的影响， 第二根据结 构特点观察动态影响，确定可能变形较大出处。在测试中采用 D 5 5 液压钻机， 工作图， 如图 1 所示。 图 1液压钻机工作图 F i g ． 1 Hy d r a u l i c Dr i l l i n g M a c h i n e 2 ． 1工作参数 R O C D 5 5 液压钻机的主要技术参数为 整机重量 2 2 t 发动机转速 低速 1 2 0 0 r ／ m i n ， 高速 1 8 0 0 r ／ mi n 行走泵排量 行走马达的排量 8 6 ／ 4 3 m l ／ r 系统最高压力 2 5 0 b a r 来稿 日期 2 0 1 2 0 7 1 1 基金项 目 山东省 自然科学基金项 目 Z R 2 0 1 1 E E M0 1 0 作者简介 孙钿科 ， 1 9 8 7 一 ， 男 ， 山东人 ， 硕士 ， 主要研究方 向 摩擦学设计 ， 流体润滑 曲庆文， 1 9 5 9 一 ， 男， 山东人， 博士， 硕士生导师， 主要研究方向 摩擦学设计技术及摩擦材料、 机械结构分析优化与机械故障诊断、 流体润滑与轴承技术 1 5 4 孙钿科等 D 5 5液压钻机履带架动态载荷测试分析 第 5期 行走速度要求 行走高速 3 ． 7 k m ／ h ， 低速 1 ． 8 k m ／ h 行走牵引 力 或者减速机输 出最大扭矩 最大扭矩 2 2 0 0 0 ／ 11 00 0N． m 爬坡度要求 爬坡角度 2 O 。 2 _ 2履带架静态应力 基于履带架的结构特点和受力特点，采用 _『低强度材料 Q 3 4 5 B， 履带架总长度为 3 1 9 2 mm， 沿履带纵向设 8 个支重轮， 能 有效地将载荷传递到履带板。 不同的工况履带架受到的载荷和约 束不 ， 为了对照比较实验部分的动态应力分析， 只研究液压钻 机摆臂过程巾的受力状况， 此时， 施加的载荷和约束如图 2 所示。 应力分布 ， 如图 3 所示 ， 图 2履带架模型及边界条件 F i g ． 2 Tr a c k F r a me Mo d e l a n d B o u n d a Co n d i t i o n s 图 3履带架应 力分布云图 F i g ．3 Cr a wl e r F r a me S t r e s s Di s t r i b u t i o n Ne p h o g r a m 履带架应力分布图反映出履带架内部应力分布和各筋板应 力分布情况， 从图中可以看出， 履带架所受应力主要分布在主要 支承和辅助支承附近，其 中主支承中间套筒下的筋板受应力较 大 ， 最大值达到 1 9 8 MP a 2 ． 3测试设备 履带架结构的动载应力测试采用应变片和动态应变仪 ， 应 用计算机进行数据记录和存储。 2 ．4测试工况设计 为了研 究实 际T 7兄下采集矿用机 械履带底盘架 的载荷数 据， 并结合对比有限元分析数据， 进行履带底盘载荷频谱的采集 实验， 工况设计为岩石 ； 工作类型分为行走 、 整机旋转 、 摆臂 、 钻头 定位和钻孔等 。 2 ． 5 测试 工况设计 液 钻机打孑 L 定位前摆臂过程采集测试 频谱分析仪采用 8 个通道， 即采集了八个位置的表面应力， 测试点设置， 如图4 所示。 图 4钻机打孑 L 定位过程测试应变片的位置 F i g ．4 Dr i l l P u n c h T e s t Ga g e L o c a t i o n 如图4所示，测试点主要集中在履带架主支承套筒和辅助 支承附近处 ， 此处的静态应力较大 ， 同时兼顾端部变形大处 。 应变 片的位置编号和频谱分析仪所使用的通道数一一 - x 应。 3测试数据分析 3 ． 1测试应力、 应变分析 测试 中进行了行 走 、 前进 、 后退 、 整车旋转 、 摆臂 、 钻头定位 和钻孑 L 等动作的应力采集。论文主要研究了摆臂状况， 液J 钻机 在工作之前 ，要把臂摆到适当位置以便进行钻头的准确定位 ， 进 而进行钻孑 L 。在此过程 中， 履带行走机构将受到变化 的载荷 ． ． 3 ． 1 ． 1测试点 时域 分析 下面为各采集点的时域图 图略 、根据应变片输出信号的时 域图。 由应变仪记录的数据可以转化为应变片的应变即履带架的应 变， 再根据公式 △R s ， 其 中K为应变片灵敏度系数 ， 当测得应 变片电阻值变化量△ 时， 便可得到被测对象的应变 。根据虎克 定律便可得到应力值 D r 。应力计算的公式为 r， E oo 1 式中 带采集点的应力； s 一应变； 带材料的弹性模嚣。 F h 此时域 图可以转化为对应的应力变化 略 。 3 ． 1 ． 2最 大应力 根据各采集点的时域 图和应力变化曲线可 以转化 ．如表 1 所示。表 1中显示的各采集点的最大应力都在 1 MP a 左右， 说明 液压钻机在摆 臂的过程 中， 履带架的应 力变化范同小 ， 说明存摆 臂状态下 ， 动态载荷对履带架的强度刚度影响很小。各 丁况的动 态应力 ， 如表 2所示 。 表 1摆臂时各采集点最大应变和应力 T a b ． 1 Ma x i mu m St r a i n an d St r e s s f o r Ea c h Co l l e c t in g Po i n t Wh e n S wi n g in g Ar ms 摆臂 通道 应变 应 MP 力 a 钻头定位 整车回转 钻孔 应变 应变 应 MP 力 a 应变 应 MP 力 a 7 O ．7 5 0 - 5 9 1 ．O 4 0 ．4 7 O ． 8 -9 1 ． O 一 5 一 O ． 5 l 0 1 ． 1 2 ．7 8 O ． 8 - 0 ． 8 6 O ． 7 - 8 - 3 l 0 1 ． 1 0 3 4 O ． 5 9 ． 2 8 0 ． 8 -6 4 6 1 O 一 1 ． 1 -2 ． 4 7 0．7 8 1 ． 7 1 2 1 ．3 6 0 ．6 4 0 ． 5 8 O ． 8 2 0 - 2 6 0 ． 7 8 一 O．8 4 一 O．4 l O 1 ． 1 3 _ 2频谱分析 频谱分析的目的是确定动态载荷提供者，分析主振频率及 其影响， 分析改进的措施， 降低动态载荷的影响。 以摆臂丁作状态 为例， 根据自功率谱分析可以得到。分析频谱图， 如罔5所示。 一 一7 No ． 5 Ma v ． 2 0 1 3 机 械 设 计 与 制 造 1 5 5 b 号 谱值频率 】 0 0 0 2 4 2 l 9 2 0 0 0 5 2 7 3 3 0 00 2 74 41 4 0o0 99 6j 5 0 0 0 4 9 8 0 6 0 0 0 32 23 7 0 00 】8 9 45 8 0 0 0 3 4 7 6 6 9 0 0 0 1 6 8 9 5 l 0 000 2 oo2 O l 1 00 0 J 4 9 4 I l 2 0 0 0 2 8 6 l 3 l 3 0 0 0 】】 2 3 0 1 4 0 0 0 3 2 7 】 5 】 5 00 0 2 5 6 8 4 号 谱值 频 率 1 0 0 0 2421 9 2 0 0 0 2 9 4 9 2 3 0 m2 7 44l 4 O 0 0 1 15 23 5 0 0 0 3 3 8 8 7 6 0 0 0 5 2 7 3 7 0 0 0 l 7 8 71 8 0 0 0 3 4 7 6 6 9 0 0 0 2 】 8 7 5 l 0 0-删[ 4 4 53 1 _0 0 0 3 5 6 4 5 1 2 0 0 0 2 0 8 0】 l 3 0 0 0 2 9 7 8 5 l 4 O o 0 4 0 04 1 5 0 0 0 2 8 1 2 5 h 图 5摆臂 时的频域 图 F i g ． 5 F r e q u e n c y Do ma i n Cha r t W h e n S wi n g i n g Ar ms 频域图5反映了各种频率的能量贡献，反映出采集点振动 情况。从图可以得到各种频率下的自功率谱能级基本为零， 即纵 坐标 的值几乎是零 ， 说明各种频率对于振动载荷的贡献度几乎为 零 ， 也即在设计中可 以忽略振动的影 响， 按静态分析计算 。 4各工况的测试数据 从表 2可知， 除钻头定位外， 其它应力均较小， 可以忽略。在 钻头定位时， 整机三点定位， 即三点受力。在定位的过程中， 整机 前端翘起 ， 履带架后端受力将急剧增大 ， 反映在表格上的是通道 6 和 8代表的采集点动态应力变化较大，数据也说明了这一点， 也就要求履带架辅助支撑部位能够承受较大的动态应力。 但是钻 机在工作过程中， 动作缓慢， 是一个渐变的过程 ， 相对于缓慢加 载， 因此也可以作为静态分析使用。 5总结 根据研究和测试结果分析， 得到如下结论 各个测试点的动 态响应对于强度和刚度计算基本可以忽略； 频谱图的主要频率是 由系统的旋转产生的变频或分频； 对于大型低速钻机底盘按静态 载荷设计 ， 动态载荷应力可忽略； 设计关键点应是静态载荷的分 析和研究。 下转第 1 6 0页 率 幻 ““ 鹋 舯” 盯加 率 们 册蛳 ∞ ㈨ ∞ 船 耋 ． 珧矾 m Ⅲ 瑚 瑚拽 拼姗 m Ⅲ 机 械 设 计 与 制 造 No ． 5 Ma v ． 2 01 3 图 1 0加工中心床身第 5阶振型 F i g ． 1 0 F i f t h Or d e r Mo d e s o f P r o c e s s i n g Ce n t e r Be d 图 1 1加工中心床身第 6阶振型 Fig ． 1 1 S i x t h Or d e r Mo d e s o f P r o c e s s i n g Ce n t e r Be d 4结论 研究表明 ， 由加T中心运动功能创成法分析可知 ， 车削加工 模块 ， 应具有 四轴三联动的运动功能 ； 雕铣加丁模块 应具有五轴 联动功能。为加工中心总体设计和刀具位姿控制提供理论依据； 使用 C O S M O S M o t i o n对加工中心进行了运动仿真研究。 进行了干 涉性检验 ， 通过轨迹跟踪法获得 了刀具输出点的位移 、 速度 和加 速度数值， 验证了其正解数学模型的正确性。 针对横梁、 床身现有 结构 ， 进行了振型与模态分析 。并研究了横梁 、 床身的合理结构 ， 改进了设汁。所设计加工中心能够满足功能和使用要求。 参考文献 [ I ] 吴玉厚 ， 赵德宏． 异型石材数控加工装备与技术 [ M] ．北京 科学 出版社 ， 2 01 1 9 ． Wu Yu- h o u ， Zh a o De h o ng ． S p e c i a l S t o n e C NC P r o c e s s i n g E q ui p me n t a n d T e c h n o l o g y[ M] ．B e ij i n g S c i e n c e P r e s s ， 2 0 1 l 9 ． [ 2 ] Z h a n g K e ， Z h a o D e - 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