基于有限元的旋挖钻机桅杆结构优化分析

张庭富+++朱庭龙+++殷俊

摘 要：旋挖钻机是一种建筑工程中进行成孔作业的施工机械。桅杆具有运动导向、位置调整、动力传递的作用，并且承受钻机钻进时的各种载荷。因此，对旋挖钻机桅杆部分的失效分析及结构改进至关重要。首先对桅杆分析研究，分析出桅杆断裂的原因。接下来从有限元分析方法入手，利用Pro/E进行建模并用Ansys进行分析计算，得出了桅杆的危险区域应力分布情况，并依次进行了桅杆的结构改进措施，与优化前进行分析对比，得到优化后的结果。

关键词：旋挖钻机；桅杆；有限元；优化分析

1 前言

旋挖钻机是一种用于成孔作业的工程机械，适应性强，在很多种地基基础施工中得到了广泛应用。旋挖钻机通过底部的桶式钻头的回转破碎岩土，并将其装入钻头内，然后再由将钻头提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土、卸土，直至钻至设计深度。

近年来，我国在旋挖钻机的相关技术方面的发展较快，但总体水平与国外仍有较大差距。由于旋挖钻机的自身特殊性，桅杆等构件是否稳定直接决定了整机的工作时间和工作效率，因此对机器构件的要求较为严格。合理进行结构设计，利用软件对其进行模拟仿真和优化分析，都有利于提高我国旋挖钻机技术的整体水平。

2 关键部件存在问题及分析

本文着重对旋挖钻机的桅杆进行分析，桅杆存在的问题主要有以下几点：

（1）桅杆在旋挖钻机中具有重要作用，工作过程中桅杆承受较多的载荷。如果桅杆的弯曲过大，将导致动力头无法在导轨上正常滑动，从而引起严重的安全事故。

（2）桅杆出现故障后，维修起来很不方便，所需要的时间长、成本高，因此提高桅杆整体的刚度是旋挖钻机正常工作的重要保证。

（3）桅杆连接着钻杆、钻具，并且承受钻具工作时的弯矩作用，容易被破坏。

2.1 桅杆失效形式

如图1所示，目前桅杆出现问题区域常常位于桅杆、油缸和三角形中间部分，即桅杆塞焊口处被撕裂。右下角图中的桅杆虽然未发生断裂，但有明显裂纹，已经处于失效状态，不能继续使用。

图1 旋挖钻机桅杆断裂部位

2.2 桅杆失效原因分析

桅杆的受力复杂，受力状况恶劣。当钻孔工作的时候，钻机向桩孔施加一个竖直向下的加压力，同时钻机受到桩孔提供的一个等大反向的反作用力，我们把钻机主机视为刚性体，转盘视为刚性铰支点，桅杆油缸支座视为可滑动铰支座。桩孔的反作用力传递到桅杆上，等效为对桅杆施加一个竖直向上的力和一个逆时针的力矩。桅杆受弯矩作用后，一侧受到压应力，另一侧受到拉应力，存在弯曲变形的可能性。当桅杆受拉应力一侧钢板发生变形时，桅杆就会发生整体弯曲变形。

3 基于有限元方法的桅杆工况分析

本文以SWDM22型旋挖钻机为对象。

SWDM22型旋挖钻机主要技术参数参见表1

3.1 桅杆几何模型的建立

本文选择使用Pro/E进行桅杆的建模，然后将其保持为IGES格式，再通过Ansys缺省导入的方法将其直接导入Ansys软件。

图2 Pro/E中的模型建立

3.2 桅杆的网格划分

分析计算时，网格划分是有限元分析的关键步骤，对有限元分析的计算量和准确性影响很大，所以在确定网格数量时应综合考虑，权衡两个因素。一般网格划分越小，计算精度越高，所需的计算机资源、运算时间也越多，反之则运算时间越少。根据工程实际问题的分析要求，选用了solid45单元，进行自由网格划分，共划分14485个单元。

3.3 桅杆受力的加载与求解

桅杆受力十分复杂，本文着重对极限提钻工况进行了分析。

3.3.1 极限提钻

桅杆的铰接处受到约束，在桅杆的顶部受到一个向下的力，同时，受到一个的力矩作用。由于力矩不好由ansys直接得到，所以把力矩等效为两个等大反向的力进行分析。这时桅杆受到200KN向下的力和180KN·M的力矩。把力矩等效为两个45KN，距离为4M'的等大反向的力。

3.3.2 计算结果分析

分析：本模型使用的是在节点处施加固定荷载，对比桅杆受力的实际情况有所简化，但其变形情况还是基本符合实际情况的。由图可知桅杆在此工况下的受力危险点为与车身的铰接处，受到的最大应力为48.04MPa，该部可能出现开裂和屈服变形的情况，并且与实际失效情况吻合。

4 桅杆的优化设计

4.1 桅杆的优化

根据桅杆的受力情况，由于桅杆式空心的，所以我们对其的优化方案就是在与车身铰接的地方各增加一块肋板。

4.2 桅杆优化后的受力分析

经过优化后，桅杆的受力最大点仍然是桅杆的铰接处，但是桅杆的受力明显减小，最大应力由48.04MPa减小到35.645MPa，减小了25.8%，因此在此工况下的桅杆工作环境有明显的改善。桅杆的耐用性有了明显的提升。

5 结束语

本文利用 Pro/E 三维绘图软件和 Ansys 有限元分析软件对 SWDM22型旋挖钻机的桅杆部分进行了优化分析，得出以下结论

（1）旋挖钻机在极限提钻的情况下是最容易出现危险的，在桅杆与车身的铰接处以发生开裂、撕裂、弯曲等情况。

（2）通过在铰接处增加肋板后，桅杆的工作情况有了明显的改善，危险点出的受力减小了很多，出现开裂、弯曲的可能性也减小了很多，说明这次的优是成功的。

参考文献

[1]胡国良，任继文.Ansys11.0有限元分析入门与提高[M].北京：国防工业出版社 2011.

[2]王文岳.旋挖钻机中桅杆及滑轮架失效分析与改进方案探讨[Z].2008，3.

[3]江晓仑，张克跃，金建明.理论力学[M].北京：中国铁道出版社，2004，7.

[4]黎中银，黄志文.旋挖钻机在我国的发展[J].工程机械与维修， 2004，05.

作者简介：张庭富（1993，5-），男，籍贯：四川，本科学历，学生，机械设计制造及其自动化专业，endprint

摘 要：旋挖钻机是一种建筑工程中进行成孔作业的施工机械。桅杆具有运动导向、位置调整、动力传递的作用，并且承受钻机钻进时的各种载荷。因此，对旋挖钻机桅杆部分的失效分析及结构改进至关重要。首先对桅杆分析研究，分析出桅杆断裂的原因。接下来从有限元分析方法入手，利用Pro/E进行建模并用Ansys进行分析计算，得出了桅杆的危险区域应力分布情况，并依次进行了桅杆的结构改进措施，与优化前进行分析对比，得到优化后的结果。

关键词：旋挖钻机；桅杆；有限元；优化分析

1 前言

旋挖钻机是一种用于成孔作业的工程机械，适应性强，在很多种地基基础施工中得到了广泛应用。旋挖钻机通过底部的桶式钻头的回转破碎岩土，并将其装入钻头内，然后再由将钻头提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土、卸土，直至钻至设计深度。

近年来，我国在旋挖钻机的相关技术方面的发展较快，但总体水平与国外仍有较大差距。由于旋挖钻机的自身特殊性，桅杆等构件是否稳定直接决定了整机的工作时间和工作效率，因此对机器构件的要求较为严格。合理进行结构设计，利用软件对其进行模拟仿真和优化分析，都有利于提高我国旋挖钻机技术的整体水平。

2 关键部件存在问题及分析

本文着重对旋挖钻机的桅杆进行分析，桅杆存在的问题主要有以下几点：

（1）桅杆在旋挖钻机中具有重要作用，工作过程中桅杆承受较多的载荷。如果桅杆的弯曲过大，将导致动力头无法在导轨上正常滑动，从而引起严重的安全事故。

（2）桅杆出现故障后，维修起来很不方便，所需要的时间长、成本高，因此提高桅杆整体的刚度是旋挖钻机正常工作的重要保证。

（3）桅杆连接着钻杆、钻具，并且承受钻具工作时的弯矩作用，容易被破坏。

2.1 桅杆失效形式

如图1所示，目前桅杆出现问题区域常常位于桅杆、油缸和三角形中间部分，即桅杆塞焊口处被撕裂。右下角图中的桅杆虽然未发生断裂，但有明显裂纹，已经处于失效状态，不能继续使用。

图1 旋挖钻机桅杆断裂部位

2.2 桅杆失效原因分析

桅杆的受力复杂，受力状况恶劣。当钻孔工作的时候，钻机向桩孔施加一个竖直向下的加压力，同时钻机受到桩孔提供的一个等大反向的反作用力，我们把钻机主机视为刚性体，转盘视为刚性铰支点，桅杆油缸支座视为可滑动铰支座。桩孔的反作用力传递到桅杆上，等效为对桅杆施加一个竖直向上的力和一个逆时针的力矩。桅杆受弯矩作用后，一侧受到压应力，另一侧受到拉应力，存在弯曲变形的可能性。当桅杆受拉应力一侧钢板发生变形时，桅杆就会发生整体弯曲变形。

3 基于有限元方法的桅杆工况分析

本文以SWDM22型旋挖钻机为对象。

SWDM22型旋挖钻机主要技术参数参见表1

3.1 桅杆几何模型的建立

本文选择使用Pro/E进行桅杆的建模，然后将其保持为IGES格式，再通过Ansys缺省导入的方法将其直接导入Ansys软件。

图2 Pro/E中的模型建立

3.2 桅杆的网格划分

分析计算时，网格划分是有限元分析的关键步骤，对有限元分析的计算量和准确性影响很大，所以在确定网格数量时应综合考虑，权衡两个因素。一般网格划分越小，计算精度越高，所需的计算机资源、运算时间也越多，反之则运算时间越少。根据工程实际问题的分析要求，选用了solid45单元，进行自由网格划分，共划分14485个单元。

3.3 桅杆受力的加载与求解

桅杆受力十分复杂，本文着重对极限提钻工况进行了分析。

3.3.1 极限提钻

桅杆的铰接处受到约束，在桅杆的顶部受到一个向下的力，同时，受到一个的力矩作用。由于力矩不好由ansys直接得到，所以把力矩等效为两个等大反向的力进行分析。这时桅杆受到200KN向下的力和180KN·M的力矩。把力矩等效为两个45KN，距离为4M'的等大反向的力。

3.3.2 计算结果分析

分析：本模型使用的是在节点处施加固定荷载，对比桅杆受力的实际情况有所简化，但其变形情况还是基本符合实际情况的。由图可知桅杆在此工况下的受力危险点为与车身的铰接处，受到的最大应力为48.04MPa，该部可能出现开裂和屈服变形的情况，并且与实际失效情况吻合。

4 桅杆的优化设计

4.1 桅杆的优化

根据桅杆的受力情况，由于桅杆式空心的，所以我们对其的优化方案就是在与车身铰接的地方各增加一块肋板。

4.2 桅杆优化后的受力分析

经过优化后，桅杆的受力最大点仍然是桅杆的铰接处，但是桅杆的受力明显减小，最大应力由48.04MPa减小到35.645MPa，减小了25.8%，因此在此工况下的桅杆工作环境有明显的改善。桅杆的耐用性有了明显的提升。

5 结束语

本文利用 Pro/E 三维绘图软件和 Ansys 有限元分析软件对 SWDM22型旋挖钻机的桅杆部分进行了优化分析，得出以下结论

（1）旋挖钻机在极限提钻的情况下是最容易出现危险的，在桅杆与车身的铰接处以发生开裂、撕裂、弯曲等情况。

（2）通过在铰接处增加肋板后，桅杆的工作情况有了明显的改善，危险点出的受力减小了很多，出现开裂、弯曲的可能性也减小了很多，说明这次的优是成功的。

参考文献

[1]胡国良，任继文.Ansys11.0有限元分析入门与提高[M].北京：国防工业出版社 2011.

[2]王文岳.旋挖钻机中桅杆及滑轮架失效分析与改进方案探讨[Z].2008，3.

[3]江晓仑，张克跃，金建明.理论力学[M].北京：中国铁道出版社，2004，7.

[4]黎中银，黄志文.旋挖钻机在我国的发展[J].工程机械与维修， 2004，05.

作者简介：张庭富（1993，5-），男，籍贯：四川，本科学历，学生，机械设计制造及其自动化专业，endprint

摘 要：旋挖钻机是一种建筑工程中进行成孔作业的施工机械。桅杆具有运动导向、位置调整、动力传递的作用，并且承受钻机钻进时的各种载荷。因此，对旋挖钻机桅杆部分的失效分析及结构改进至关重要。首先对桅杆分析研究，分析出桅杆断裂的原因。接下来从有限元分析方法入手，利用Pro/E进行建模并用Ansys进行分析计算，得出了桅杆的危险区域应力分布情况，并依次进行了桅杆的结构改进措施，与优化前进行分析对比，得到优化后的结果。

关键词：旋挖钻机；桅杆；有限元；优化分析

1 前言

旋挖钻机是一种用于成孔作业的工程机械，适应性强，在很多种地基基础施工中得到了广泛应用。旋挖钻机通过底部的桶式钻头的回转破碎岩土，并将其装入钻头内，然后再由将钻头提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土、卸土，直至钻至设计深度。

近年来，我国在旋挖钻机的相关技术方面的发展较快，但总体水平与国外仍有较大差距。由于旋挖钻机的自身特殊性，桅杆等构件是否稳定直接决定了整机的工作时间和工作效率，因此对机器构件的要求较为严格。合理进行结构设计，利用软件对其进行模拟仿真和优化分析，都有利于提高我国旋挖钻机技术的整体水平。

2 关键部件存在问题及分析

本文着重对旋挖钻机的桅杆进行分析，桅杆存在的问题主要有以下几点：

（1）桅杆在旋挖钻机中具有重要作用，工作过程中桅杆承受较多的载荷。如果桅杆的弯曲过大，将导致动力头无法在导轨上正常滑动，从而引起严重的安全事故。

（2）桅杆出现故障后，维修起来很不方便，所需要的时间长、成本高，因此提高桅杆整体的刚度是旋挖钻机正常工作的重要保证。

（3）桅杆连接着钻杆、钻具，并且承受钻具工作时的弯矩作用，容易被破坏。

2.1 桅杆失效形式

如图1所示，目前桅杆出现问题区域常常位于桅杆、油缸和三角形中间部分，即桅杆塞焊口处被撕裂。右下角图中的桅杆虽然未发生断裂，但有明显裂纹，已经处于失效状态，不能继续使用。

图1 旋挖钻机桅杆断裂部位

2.2 桅杆失效原因分析

桅杆的受力复杂，受力状况恶劣。当钻孔工作的时候，钻机向桩孔施加一个竖直向下的加压力，同时钻机受到桩孔提供的一个等大反向的反作用力，我们把钻机主机视为刚性体，转盘视为刚性铰支点，桅杆油缸支座视为可滑动铰支座。桩孔的反作用力传递到桅杆上，等效为对桅杆施加一个竖直向上的力和一个逆时针的力矩。桅杆受弯矩作用后，一侧受到压应力，另一侧受到拉应力，存在弯曲变形的可能性。当桅杆受拉应力一侧钢板发生变形时，桅杆就会发生整体弯曲变形。

3 基于有限元方法的桅杆工况分析

本文以SWDM22型旋挖钻机为对象。

SWDM22型旋挖钻机主要技术参数参见表1

3.1 桅杆几何模型的建立

本文选择使用Pro/E进行桅杆的建模，然后将其保持为IGES格式，再通过Ansys缺省导入的方法将其直接导入Ansys软件。

图2 Pro/E中的模型建立

3.2 桅杆的网格划分

分析计算时，网格划分是有限元分析的关键步骤，对有限元分析的计算量和准确性影响很大，所以在确定网格数量时应综合考虑，权衡两个因素。一般网格划分越小，计算精度越高，所需的计算机资源、运算时间也越多，反之则运算时间越少。根据工程实际问题的分析要求，选用了solid45单元，进行自由网格划分，共划分14485个单元。

3.3 桅杆受力的加载与求解

桅杆受力十分复杂，本文着重对极限提钻工况进行了分析。

3.3.1 极限提钻

桅杆的铰接处受到约束，在桅杆的顶部受到一个向下的力，同时，受到一个的力矩作用。由于力矩不好由ansys直接得到，所以把力矩等效为两个等大反向的力进行分析。这时桅杆受到200KN向下的力和180KN·M的力矩。把力矩等效为两个45KN，距离为4M'的等大反向的力。

3.3.2 计算结果分析

分析：本模型使用的是在节点处施加固定荷载，对比桅杆受力的实际情况有所简化，但其变形情况还是基本符合实际情况的。由图可知桅杆在此工况下的受力危险点为与车身的铰接处，受到的最大应力为48.04MPa，该部可能出现开裂和屈服变形的情况，并且与实际失效情况吻合。

4 桅杆的优化设计

4.1 桅杆的优化

根据桅杆的受力情况，由于桅杆式空心的，所以我们对其的优化方案就是在与车身铰接的地方各增加一块肋板。

4.2 桅杆优化后的受力分析

经过优化后，桅杆的受力最大点仍然是桅杆的铰接处，但是桅杆的受力明显减小，最大应力由48.04MPa减小到35.645MPa，减小了25.8%，因此在此工况下的桅杆工作环境有明显的改善。桅杆的耐用性有了明显的提升。

5 结束语

本文利用 Pro/E 三维绘图软件和 Ansys 有限元分析软件对 SWDM22型旋挖钻机的桅杆部分进行了优化分析，得出以下结论

（1）旋挖钻机在极限提钻的情况下是最容易出现危险的，在桅杆与车身的铰接处以发生开裂、撕裂、弯曲等情况。

（2）通过在铰接处增加肋板后，桅杆的工作情况有了明显的改善，危险点出的受力减小了很多，出现开裂、弯曲的可能性也减小了很多，说明这次的优是成功的。

参考文献

[1]胡国良，任继文.Ansys11.0有限元分析入门与提高[M].北京：国防工业出版社 2011.

[2]王文岳.旋挖钻机中桅杆及滑轮架失效分析与改进方案探讨[Z].2008，3.

[3]江晓仑，张克跃，金建明.理论力学[M].北京：中国铁道出版社，2004，7.

[4]黎中银，黄志文.旋挖钻机在我国的发展[J].工程机械与维修， 2004，05.

作者简介：张庭富（1993，5-），男，籍贯：四川，本科学历，学生，机械设计制造及其自动化专业，endprint