基于ANSYS的履带式D9型液压钻机履带架强度分析.pdf

、1 訇 化 基于A NS YS 的履带式D 9 型液压钻机履带架强度分析 An al y si s of cr aw l er t ype D9 h ydr aul i c dr i l l i ng m achi ne cr aw l er f r am e s t r engt h based on ANSYS 李芳，曲庆文，孙记树，陈云华 L I F a n g，QU Qi n g ． wen ，SUN J i ． s h u，CHEN Yu n h u a 山东理工大学 机械工程学院，淄博 2 5 5 0 4 9 摘 要 本文将参数化的思想引进到分析过程中 ，利用有限元软件A N S Y S 对履带式D 9 型液压钻机履 带架进行了强度和刚度分析。参数化思想减少了系列产品有限元分析的工作量，缩短设计周 期 ，提高设计效率。获得了4 种工况下履带架的应力应变分布云图 ，以及3 种工况下履带架破 裂失效的最小载荷。从而为地面履带式D 9 型液压钻孔机的整机设计提供数据支持。 关键词 履带架；钻孔机；A N S Y S ；有限元分析 中图分类号 T H 1 1 4 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 4 0 4 下 一0 0 8 1 -0 4 O o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 4 ． 0 4 下 ． 2 1 0 引言 地面钻孔机 是近 年来最 新研 制的一种适用 于 矿 山作 业的履带式工程机械设备，主要用于在 岩 石、土壤 中打孔 ，进行矿 山的开采作业，工作 条 件极其恶劣。 图 1 钻孔 机 工 作 图 很多论文已对钻机大部分部位的设计和分析进 行了研究 ，如定位和进给机构 、控制系统 、 振动桩锤 7 j 、深度检测仪隅 ] 、钻头 及其常见故障 的排除n 州 等设计分析都 比较完善 ，而对于起支撑 作用的底盘和履带架则 只是 比照其他机械如推 土 机来使用 。履带架是钻孔机的重要支撑部件，所 承受的整机 自重和外加载荷 ，以集 中载荷的方式 通过 与车架铰接部位传递到履带架 ，再 以均布载 荷 的形式经过支重轮 由履带板传 到地 面。因此 ， 履带架 应具备足够的强度和刚度。另外，恶劣 的 工作环境要求履带架的材料及结构具 有良好 的耐 磨性和综合力学性能 。目前多采 用有限元技术对 履带架进行分析设计及优化 。 履带架是大型地 面钻 孔机 的重要支撑部件 ， 本研究 的 目的是评估履带架在钻机处于各种极限 工况下的力学性能 ，验证履带架的使用性能，进 而为地面钻孔机的整机设计提供数据支持。 1 履带架结构建模及分析 1 ． 1 几何模型 履 带 架 的 材 料 为 Q3 4 5 D，其 屈 服 强 度 0 3 4 5 MP a ， 抗拉强度 o 为4 7 0 MP a ～ 6 3 0 MP a ，弹性模 量E 2 ． 0 6 1 0 MP a ，柏松 比为0 ． 3 。钻机预期寿命 最低8 年或2 4 0 0 0 个工作小时。高速行走速度3 ． 5 k m／ h ， 低速行走速度 1 ． 8 k m／ h 。爬坡最大坡度为2 5 。。 对于疲劳载荷 ，A t l a s C o p c o 常采用安全 系数 1 ． 3 ， 而其他载荷安全系数为1 ． 5 。 根据D9 液压钻机 的特点初步确定履带架尺寸 及三维结构图，其钢板焊接结构如图2 所示。由此 得到有限元分析模型如图3 所示 。 图2 履带架三维装配 图 图3 是简化后履带架的计算分析用几何模型， 简化后的模型底板划 分诸多方块 区域 代表支重轮 安装位置以便施加边界条件 。 收稿日期2 0 1 3 -1 2 -1 0 作者简介李芳 1 9 8 7一 ，女，河北人，硕士研究生，研究方向为现代设计理论与方法。 第3 6 卷第4 期2 0 1 4 0 4 下 [ 8 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 訇 似 图3 简化后的A NS Y S 几何模型 建立如图4 所示的坐标 系，整机重力的方向设 为载荷正方 向。而辅助支撑 部分斜 向下 的方 向设 为载荷正方向。 图4坐标 系 1 ． 2 载荷分析 履带 架 的 受载 状 况如 图5 所 示 。 其 中 ，力 F 是 整 机 重 力 ， 主 要 由 中 心 支 座 承 受 ， 大 小 F 1 mg 1 3 2 4 3 5 K N；F 2 是辅助支撑载荷，由后端支 座承受 ， F 与水平成4 5 。夹 角，不 同工况下力F 的数值不同。 图5履带架受力不意 图 分析 中按最不理想 的工况进行分析 ，一般按 以下方式确定载荷 1 与钻机 重力相 当的载荷F 确定为 由前后 支重轮承受； 2 在前 后支重轮支撑的条件下 ，履带架辅助 支座承受最大负载F 作用； 3 在前 后支重轮支撑的条件下 ，履带架辅助 支座承受最小负载F 作用； 4 一条履带 固定在地面 ，全部动 力作用于另 一 边， 由前后支重轮支撑 。 各工况载荷 的大小如表1 所示 【 8 2 】 第3 6 卷第4 期2 0 1 4 - 0 4 下 表1 载荷状况数据表 2 网格划分及边界条件分析 2 ． 1划分网格 划分网格选择分析3 D实体的S OL I D4 5 单元类 型 ，划 分方法采 用 自由网格 划分 ，尺寸级 别为3 级，网格产生9 0 1 9 6 个节点 ，3 7 6 1 0 4 个单元。进行 单元形状检查，生成如图6 所示的网格 。 图 6生成 的 网格 2 ． 2 边界条件 1 工况1 前后支重轮支撑 ，故在履带架底板 前后支重轮处施S n x、Y、Z 方向全约束； 2 工况2 前后支重轮支撑 ，故在履带架底板 前后支重轮区域面施加X、Y、Z 方向全约束； 3 工况3 前 后支重轮支撑 ，故在履带架底板 前后支重轮处施加固定约束； 4 工况4 前 后支重轮支撑 ，故在履带架底板 前后支重轮处施加固定约束 。 2 ．3施加载荷 1 工 况 1 与 钻 机 重 力 相 当 的 力 F 作 用 于 中 心 支 座 ， 故 在 支 座 下 圆 柱 面 轴 承 处 施 加 面 载 荷 。F 1T I g 1 3 2 ． 4 3 5 KN， 受 载 面 积 S 24 0 1 9 4 1 5 5 2 0 mm ，F1 ／ S 8 ． 5 3 M P a ； 2 I况2 中心支座在F 作用下 ，施加面载荷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、l 訇 似 F 。 ／ S 8 ． 5 3 MP a 。辅助支撑施加在支座孔 内表面力 F 2 2 2 0 KN，受载面积S 2 l 1 O 6 0 6 6 0 0 mm ， 所 以 面载荷F 2 ／ S 2 3 3 ． 3 3 MP a ； 3 工况3 中心支座在F 作用下，施加面载荷 F 。 ／ S 8 ． 5 3 MP a 。辅助支撑施加在支座孔 内表面上 受力为F 一 8 0 KN，施加面载荷 ，受载面积为S 6 6 0 0mm ， F2／ S2 1 2． 1 2 M Pa； 4 工况4 中心支座在力F 作用下 ，施加面载 荷F ， ／ 2 S 3 ． 7 7 MP a 。同时 ，中心支座受到力矩 C的 作用，将 力矩 C转化为力偶矩 ，均布施加在 中心 支座轴承处表面。 3 结果 1 工况1 施加的载荷和边界条件如图7 所示 ， 应力分布云图如图8 所示 。 图7工况1 载荷和边界条件 图8 工况1 应力分布云图 图中显示履带架的最大应力为9 0 ． 0 3 8 MP a ， 应 力集中在 中心支座附近 ，根据所用材料 ，整个履 带架 的应力均在屈服强度范围之 内，所 以履带架 在工况1 下是满足强度要求的。 履带架的节点位移分布云图如图9 所示，节点 应变分布云图如图1 0 所示 图9履带架节点位移分布云图 图1 0 履带架节点应变分布云图 图中显示履带架在工况1 下的节点位移情况 ， 中心支座处位移最大，为0 ． 2 6 3 0 3 mm，所 以履带架 在工况 1 下满足变形要求。 为 了确定工况 1 下使履带架破裂 的载荷F ，对 履带 架施加一 系列载荷 ，进行有限元分析 。工况 l 下履带架施加不同载荷后获得的应力云图如图1 1 所示 。 图1 1 工况1 下履带架施加不同载荷后获得的应力云图 由图1 1 可得 出不 同载 荷作用下 履带 架的最大 应力如表2 所示。 表2 施加的载荷和获得的最大应力数据表 根据表 中数据 ，描绘出在工况1 下履带架的载 荷应力变化规律曲线如图l 2 所示 。 6 0 0 载 荷 5 0 0 。 。 3 0 0 2 0 0 巨三团 应力 MP a 2 6 4 3 l 7 3 3 8 3 4 5 3 5 8 3 6 9 图 1 2 工况 1 下载 荷应力变化 曲线 当履带架的最大应力大干 o 时发生失效 ，此 时F 1 m i 5 0 7 K N。 2 同样的方法可得其他三种工况下的数据。 表3 工况2 下施加的载荷和获得最大应力数据表 载荷F 2 K N 3 0 4 3 3 0 3 9 6 4 0 9 4 1 2 4 1 6 最大应力 MP a 2 6 7 2 8 6 3 3 3 3 4 2 3 4 5 3 4 7 第3 6 卷第4 期2 0 1 4 0 4 下 [ 8 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 l 造 lI5 根据表 中数据 ，描绘出在工况2 下履带架的载 荷应力变化规律曲线如图1 3 所示。 ． ． 5 0 0 载 4 0 0 荷 3 0 o 2 0 0 Z l O 0 O 巨三 应 力 MP a 2 6 7 2 8 6 3 3 3 3 4 2 3 4 5 3 4 7 图 l 3 工况2 下载荷 应力变化 曲线 从 图1 3 中可 以看 出，工况2 下 履带架在 载荷 F 3 0 4 KN- 4 1 6 KN范围 内，应 力随载 荷 的增 大 而 增大 ，近 似 于一种 线 性关 系， 由所选 材料 可 知 ，如果履带 架发生断裂则如 图中所示载荷F ， 在 4 1 2 KN附近 。即工况2 下使履带架发生断裂的载荷 F2 41 2KN 。 表4 工况3 下施加的载荷和获得最大应力数据表 负载荷F 2 K N 1 6 5 1 9 8 2 6 4 3 3 0 3 4 8 3 6 3 最大 应力 MP a 1 9 1 2 1 9 2 7 4 3 3 0 3 4 5 3 5 8 根据表中数据，描绘 出工况3 下履带架的载荷 应力变化规律曲线如图1 4 所示。 负 载 荷 变 ． 一 ▲ 厂 ， ， ， ／ ／ ／ ，。 。 ． 。 ‘ 暑 器 应 力 MP a ∽ ∽∽ 图 1 4 工况3 下载荷应力变化 曲线 图 1 4显 示 了 履 带 架 在 载 荷 F， 一 1 6 5 KN～ - 3 6 3 KN之 间的变 化规律 ，履带 架的最 大应力 随 载 荷数 值 的增 大呈 增 大的 趋势 ，根 据 所选 材料 特性 ，如果使 履带架破裂则负载荷F 在3 4 8 KN附 近 。即取F ， - 3 4 8 K N。 工况4 下履带架的一条履带 固定，全部载荷作 用于 另一条履带 ，其受力情况如图l 5 所示。 C 为作用在固定于地面上的履带架上的力矩， CF L 1 其 中，L 为两履带之间的中心宽度， L 2 1 4 0 mm，F 是变速箱的最大牵引 力 ， F M ／ 。 2 [ 8 4 1 第3 6 卷第4 期2 0 1 4 0 4 下 图1 5 工 况4 履带架受力示意 图 M 为 来 自 变 速 箱 的 最 大 输 出 转 矩 ， M t 22 0 0 0 N ‘ m 。 为链轮半径，中 2 9 5 m m； 将M ，①。 代入式 2 ，得F 7 4 5 7 6 ． 3 N，从 而有 CF L 1 5 9 5 93 2 8 2N‘ mm 进行有限元分析时将力矩C转化为力偶进行加 载。如图1 6 所示，中间支撑宽度为d 3 5 5 ． 6 mm。用 于计算力偶的宽度为d 一 9 0 2 6 5 ． 6 mm。所以力偶为 FC／ 2 65 ． 6 6 0 08 7 8． 3 N 。 图1 6 中心支座示意图 4 结论 通过有限元分析得到了4 种工况下履带架的应 力应变分布云 图，确 定了其 中三种工况下使 履带 架失效的最小载荷 ，得 出如表5 所示的结论。 表5 载荷状况结论 nXU n6O U O O n n O “ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 不难看 出履带架在 四种工况下 的最大 应力均 没有超过屈服极限，即该设计满足使用要求。 参考文献 ⋯ 1 杨伟 民， 毛云涛 ． 一种 钻孔机 定位和 进给机 构的设 计[ J ] ． 硅谷， 2 0 1 2 ， 1 6 2 6 2 ． 【 2 】李兵， 柯尊忠． 混凝土钻孔机传动装置优化设计【 J ] ． 合肥 工业大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 3 ， 2 6 5 9 9 6 9 9 9 ． 【 3 】童志宝． 一种数控 钻孔机的设计与实现[ J ] ． 电气传动 自动 化， 2 0 1 1 ， 3 3 2 5 7 5 9 ． 【 4 】童志宝． 基于P L C 控 制的数控钻孔机 的设计 与实现[ J ] ． 机 床电器， 2 0 1 0 ， 3 7 5 3 3 3 4 ， 4 1 ． 【 5 】陈宏， 胡长胜． 国内外钻孔机智能控制系统的最新发展综 述 [ J J ． 机械工程师， 2 0 0 6 ， 9 2 8 3 1 ． [ 6 】黄辉 ， 郝 晓曦， 杨 铁牛 ． P L C 控 制的专 用钻孔 系统设 计【 J 】 _ 机械设计 与制造， 2 0 0 9 ， 1 1 6 3 6 5 ． 【 7 】游善兰． 国外液压振动桩锤 和钻 孔机 技术发展现状 [ J 1 _ 工 程机械与维修， 2 0 0 2 ， 4 4 5 4 7 ． 【 8 】顾 波， 董 栓 牢 ． 钻 孔 机 深 度 检 测仪 的 设 计 【 J 】 ． 建 筑 机 械， 2 0 0 1 ， 5 4 3 4 3 ， 6 1 ． [ 9 ]陈 辉 ， 赵 忠 俭 ． 混 凝 土 钻 孔 机 [ J ] ． 机 械 设 计 与 制 造， 2 0 0 0 ， 3 7 4 7 5 ． 【 1 0 】 张启君， 张忠海， 陈以田． 组合式钻孔机常见故障及排除的 探讨[ A I ． 中国公路学会． 第一届鲁粤路桥机械化施工养 护与管理研讨会论文 集【 C 】 ． 济南 2 0 0 4 ． 2 3 2 2 3 3 ． 童● {盘● j童I 童‘． 矗‘ ． ．j矗‘ {＆‘ j矗‘ {＆‘ 岛‘ {＆‘ {矗‘ {重I j矗‘ 岛● 生‘ ． 岛‘ { ‘ j岛● 矗‘ j鑫● 岛‘ ．j矗‘ 【 上接第8 0 页】 3 结论 本文通过研究工程开发过程与装备开发过程 的关系 ，提 出了大型装备开发 的新模式 。该模式 既适用于大型 装备定制化的特点 ，又可在保持企 业技术选择决 策主动权的 同时 ，高效整合制造资 源和创新资源 ，实现研制周期更短、质量更高、 成本更低的协 同设计与加工生产 ，以及 多企业加 工 生产 与管理协作的 目的。大型装备开 发模式 的 应用有助于提高企业的技 术创新能 力，突破创新 瓶颈 ，促进装备制造行业将创意快速形成产 品， 转化为生产力，为推动我国产业结构优化升级、 实现制造业 由低端到高端的跨越提 出了一种创新 思路和方法。 参考文献 【 1 】高峰， 郭为忠， 宋清玉， 杜凤山． 重型制造装备国内外研究 与发展【 J 】 ． 机械工程学报， 2 0 1 0 ， 4 6 1 9 9 2 1 0 7 ． 【 2 】Ae h a Ve t a 1 ． Ex p l o r i n g t h e c a p i t a l g o o d s e c o n o my c o mp l e x p r o d u c t s y s t e ms i n t h e UK[ J ] ． I n d u s t r i a l a n d Co r p o r a t e C h a n g e ， 2 0 0 4 ， 1 3 3 5 0 5 5 2 9 【 3 】La k ha n i K， Pa n e t t a J ． Th e Pr i n c i p l e s o f Di s t r i b u t e d I n n o v a ti o n [ J ] ．I n n o v a fi o n s T e c h n o l o g y ， Go v e r n a n e e ，Gl o b a l i z a t i o n ，2 0 0 7 ， 2 3 9 7 1 1 2 ． [ 4 】萨 日娜 ， 张 树 有 ， 裘 乐淼 ． 面 向制 造 装备 加 工 工艺 与性 能需 求 转换 的质 量屋 依 赖与 反馈 模型 【 J 】 ． 机械 工程 学 报， 2 0 1 2 ， 1 5 8 5 2 5 8 ． 【 5 】陈卫敏 ， 李彦 ， 李 文强， 熊艳． 基于 流通强度 的产 品创新设 计策略[ J ] _计算机集成制造系统， 2 0 1 3 ， 1 9 2 2 4 4 2 5 2 ． 【 6 】刘善仕， 彭娟， 张光磊， 周燕． 基于集成产品开发模式的人 力资源管理实践演进研究【 J ] ． 管理学报， 2 0 1 3 7 7 3 8 0 ． 【 7 】魏学哲， 戴海峰孙 泽昌．汽车嵌入式系统开发方法、体系 架构和流程f J 1 ． 同济大学学报， 2 0 1 2 7 1 0 6 1 1 3 ． 【 8 】解雪梅， 曾赛 星． 基于分类 回归的企业技术创新影 响因素 测评【 J 1 ． 工业工程 与管理 ， 2 0 0 9 ， 1 4 9 7 7 8 4 ． 【 9 ]张莉， 耿子扬， 顾新 ． 集成创新的组织间技术转移效率研究 [ J 1 ． 科学 管理研 究， 2 0 1 2 ， 3 0 3 9 1 2 ． 【 1 0 ] 王国红， 邢蕊， 唐丽艳 ． 区域 产业集成创新系统的协 同演化 研究[ J ] ． 科 学学与科学技术管理 ， 2 0 1 2 ， 3 3 2 7 4 8 1 ． 【 1 1 】 林 向义， 罗洪 云， 王艳 秋， 韩晓琳 ． 集成创新 中的知识 整合 模式研究[ J J ． 科学管理 研究， 2 0 1 1 ， 2 9 3 1 6 2 0 ． [ 1 2 】 危怀安， 胡艳 辉． 自主创新 能力演化 中的科研 团队作用机 理 [ J 】 ． 科 学学研 究， 2 0 1 2 ， 3 0 1 9 4 1 0 1 ． 第3 6 卷第4 期2 0 1 4 0 4 下 [ 8 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m