应用Solid/Works软件建立牙轮钻机钻架的二维模型，利用与SolidWorks无缝集成的快速有限元分析软件Cosmos/Works方便、快速、准确地对钻架进行强度分析与校核。
作者: 赖茂河*刘立*杨春晖*肖成勇 来源: 万方数据
关键字: 钻架强度 Cosmos/ Works 软件

1钻架的力学模型
  
　　钻架为矩形钢管纺架与板式组合而成的"п"形结构，采用高强度材料，齿条采用锻制加工件，钻架采用分段式结构，分二段加工和热处理。对于这种大型且复杂的空间结构进行钻架有限元分析时，首先必须根据结构在强度和刚度方面的要求建立一个力学模型，这个力学模型既要能反映真实的受力和约束情况，又要便于分析和计算，且计算结果要符合实际。如图1所示为钻架的三维立体模型。
  
   2钻架的典型工况及受力分析
  
　　钻机工作时，钻架有许多种工况，一般认为正常加压钻进、突然卡钻、卡钻提升、卡钻回转和水平启升钻架时，钻架承受载荷比较大，其突然卡钻和卡钻后提升两种工况最为恶劣，本文按突然卡钻和卡钻后提升两种工况对钻架进行结构强度的分析。图1为钻架的受力情况简图。
  

   2.1突然卡钻工况(如图2所示)
  
　　钻机在作业过程中钻具突然卡钻，瞬时达到最大轴压和最大扭矩是钻架工作中可能出现的一种瞬态工况，一般不应超过三分钟。按回转小车在钻架上部时作用最大轴压力和最大扭矩验算最大变形和最大应力，安全系数为1.3-1.35。
  
　　当钻具突然卡钻时，设回转加压小车位于钻架的上部，且加压链条付出最大轴压力。此时的外负荷有:钻架各部件的重量G;链轮作用力(链条合力)T;加压齿轮作用力Q;导向轮(导向滑板)压力N1,N2;均衡张紧装置作用力;回转小车扭矩反力Nw;风负荷P。
  

   2. 2卡钻提升工况(如图3所示)
  
　　此工况也是钻架工作中可能出现的一种瞬态状况，在这种工况下，提升和回转电机都按最大功率(2. 75倍额定功率)输出，以最大提升力和最大扭矩同时作用，验算最大应力和最大变形，安全系数为1.3-1-35。当卡钻提升钻具时，回转加压小车位于钻架的下部，外负荷以提升电动机所能给出的最大提升力为依据，以此作为计算外力的出发点。此时除扭矩M外，其他外力同正常加压钻进时一致，但具体数值不同。
  
   上述两种工况都处于动载状态，分析动强度的方法是通过动载系数来考虑动载荷，即用动载系数乘以静载荷。
  

3钻架有限元分析及结果
  
   3.1约束的确定
  
　　约束面分别取钻架与平台连接处左右两端的销轴孔处表面、A型架轴与钻架连接处左右两端的销孔处表面和钻架起落油缸与钻架之间的2个铰接孔处表面，这6个为全约束，保证x,y,z三个方向的位移均为0。背拉杆与钻架之间的两个佼接孔处表面为半约束，保证X、Y两个方向的位移为0。
  
   3. 2施加载荷
  
　　分别按突然卡钻和卡钻提升两种工况对钻架施加载荷计算其强度，以上两种工况所受载荷情况如表1所示。
  

   3. 3计算结果分析
  
   3. 3. 1应力分布
  
　　两种工况下的复合应力分布云图如图5所示，突然卡钻工况和卡钻提升工况的变形放人比例为分别为90.5619和137. 611。从图中可以看出，突然卡钻工况下最大应力为σmax= 2.30452x10⁸ MPa，最大应力发生在钻架与A型架轴的铰接处所在面;卡钻提升I一况下最大应力为，σ"max=2.54105 x10⁸NPa，最大应力发生在钻架的顶部天轮处。钻架在两种工况下的最大应力均小于材料的屈服强度和抗拉强度，因此钻架在这两种工况下均处于安全状态。
  

3. 3. 2位移变化
  
　　如图6所示为两种工况下钻架的位移变化云图。突然卡钻工况下的最大位移为△L1=29.4523 mm，卡钻提升工况下的最大位移为△L1= 23 mm。根据起重机标准，扭矩刚度，正而和侧面均不应超过h/700(h为高度)，因此:
  
   △Lmax=29.4523mm
   [△L]=25844/700=36.92mm
  
   所以钻架的工作刚度是合格的。
  

   3. 3. 3变形情况
  
　　如图7所示为钻架在两种工况下的变形图。根据变形图可以看出:钻架在正常作业和突然卡钻时变形是巨部对下部有相对扭转，扭转方向为逆时针方向，与钻架受扭力矩方向相同;卡部向机蓬方向弯曲(后背);侧面和上下变形都比较小。卡钻处理时由于钻架承受最大提升力，使钻架向司机室方向弯曲(前弓)，扭转方向仍为逆时针方向。钻架起落时变形相当于悬臂梁的挠曲。
  
   3. 3. 4安全系数
  
　　由分析计算结果可得，突然卡钻工况下钻架的最小安全系数为2. 692，卡钻提升工况下钻架的最小安全系数为2.442,根据强度计算可知钻架的最小安全系数完全符合强度要求。
  

   4结论
  
　　利用Cosmos/Works对牙轮钻机钻架进行有限元分析及结构优化设计，使得改进后的钻架在强度和刚度上均有较大的提高，为保证钻架的使用寿命提供了可靠的理论依据。

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