22米ZLG折塔螺桿樁機(jī)塔架的設(shè)計(jì)

摘 要 22米ZLG折塔螺桿樁機(jī)作為一種新型鉆機(jī)，它具有450 kN·m大扭矩動(dòng)力頭，獨(dú)立行走的履帶底盤(pán)，以及便于裝卸和運(yùn)輸?shù)恼鬯Y(jié)構(gòu)。該鉆機(jī)在大口徑長(zhǎng)螺旋CFG樁、螺桿樁、擠土樁等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，大扭矩動(dòng)力頭是鉆機(jī)的核心部件，為此需要制作一個(gè)滿足此動(dòng)力要求的塔架，這就要考慮塔架的剛度和強(qiáng)度，并要合理的設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)，使其能滿足450 kN·m大扭矩動(dòng)力頭，又能滿足起落塔和運(yùn)輸折塔的要求。

關(guān)鍵詞 折塔；塔架；剛度；強(qiáng)度；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）03-0107-03

1 背景

在建筑樁基礎(chǔ)施工設(shè)備中，樁機(jī)的塔架是用來(lái)保障動(dòng)力頭裝置帶動(dòng)鉆具豎直向下鉆進(jìn)和豎直向上提升，滿足鉆孔成樁，保證樁垂直度設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵部分。根據(jù)樁機(jī)施工孔深的要求，塔可分為兩種：一種是樁孔深度大于22米的塔架，多采用螺栓聯(lián)接可拆型。這種塔架單獨(dú)運(yùn)輸，拆卸和安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力，起落塔方式采用卷?yè)P(yáng)機(jī)拉動(dòng)，A字架輔助。另一種是樁孔深度不大于22米的塔架，多采用折疊式組合，利用油缸完成折疊和起落架。這種塔架安裝和拆卸簡(jiǎn)單易行省時(shí)省力，搬運(yùn)采用與主機(jī)整體運(yùn)輸，主輔卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩可以不用收回，固定在塔架上，減少了下一次安裝的輔助時(shí)間。22米ZLG折塔螺桿樁機(jī)鉆孔最大深度為22米，動(dòng)力頭輸出轉(zhuǎn)矩為450 kN·m，是用來(lái)完成螺桿樁、擠土樁和大徑硬巖樁的施工，要求與動(dòng)力頭配套的塔架有足夠的剛度和強(qiáng)度，有必要對(duì)塔架進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

2 塔架的設(shè)計(jì)

2.1 塔架的外形設(shè)計(jì)

根據(jù)塔架運(yùn)輸要求和折疊結(jié)構(gòu)方式，塔架主骨架采用矩形截面結(jié)構(gòu)，截面外形長(zhǎng)寬比值在1.3～1.4之間，塔架整體外形的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 米塔；2.起塔油缸；3.17.5 米塔；

4.額頭；5.7.5 米塔；6.斜支桿

圖1 塔架的外形圖

2.2 塔架的抗扭校核

1）動(dòng)力頭的最大扭矩為Tmax=450×1.25=562.5（kN·m），假設(shè)動(dòng)力頭的扭轉(zhuǎn)力全部傳遞至塔架主骨架上。

2）塔架高度H=28 m。

3）為了滿足塔架的強(qiáng)度要求，選用強(qiáng)度較高的BS700鋼材料，σS=700 MPa。

4）矩形截面主骨架采用板材折彎組焊而成，參照大噸位吊臂截面尺寸。板料的厚度取8 mm～14 mm。

5）塔架主骨架截面如圖2所示，a、b為截面中線長(zhǎng)和寬，初步定a=1.35b，δ=10 mm。

圖2 截面外形圖

其最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τmax= （1）

式中：ω—截面中線所圍面積，ω=a·b；δ—截面壁厚；Tmax—?jiǎng)恿︻^的扭矩，Tmax=562.5（kN·m）。

BS700材料的許用切應(yīng)力[τ]= （2）

式中：—BS700材料的屈服強(qiáng)度，=700（MPa）；由文獻(xiàn)[3]中的表19-2-12查出基本安全系數(shù)=1.2～1.5；由文獻(xiàn)[3]中的表19-2-13查出系數(shù)A=0.5～0.7；由文獻(xiàn)[3]中的表19-2-14查出折減系數(shù)K=1～1.1。

扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為τmax≤[τ] （3）

由式（1）、（2）、（3）可以得b≥313.5（mm）。

6）扭轉(zhuǎn)剛度條件為ψmax=≤[ψ] （4）

式中：ψmax—單位桿長(zhǎng)相對(duì)扭轉(zhuǎn)角；ω—截面中線所圍面積，ω=a·b；S—截面中線長(zhǎng)度，S=2·（a+b）；δ—截面壁厚，δ=10 mm；Tmax—?jiǎng)恿︻^的扭矩，Tmax=562.5（kN·m）；G—剪切模量，G=80（GPa）；[ψ]—許用扭轉(zhuǎn)角，一般取[ψ]=（0.25～0.5）（°/m）。

由式（4）得b≥470.1（mm）。

7）根據(jù)廠家的生產(chǎn)能力和材料利用率，選擇480×650×10的矩形方管，則有d=650 mm；c=480 mm；δ=10 mm。

8）塔架扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力圖見(jiàn)圖3，最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力出現(xiàn)在塔側(cè)壁的中間位置，在塔對(duì)稱側(cè)壁中心位置間增焊了7.0角鋼，每隔1.2 m放置一個(gè)，用來(lái)增加塔的抗扭強(qiáng)度和剛度。

圖3 截面應(yīng)力圖

3 方塔聯(lián)接處的設(shè)計(jì)與校核

3.1 定位銷的設(shè)計(jì)與校核

為了保證設(shè)計(jì)具有一定安全系數(shù)，假設(shè)動(dòng)力頭的扭矩全部傳遞給塔架中心，給塔架產(chǎn)生的扭矩Tmax=562.5 kN·m，在塔架的法蘭聯(lián)接處為了保證塔架的剛度和強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)添加定位銷，防止扭轉(zhuǎn)在法蘭間有相對(duì)位移。此外由聯(lián)接螺栓預(yù)緊力在法蘭處產(chǎn)生摩擦力，也能夠降低塔架帶來(lái)的扭矩，降低定位銷所受應(yīng)力。

L1=L3=357.1 mm L2=L4=272.9 mm

圖4 法蘭處定位銷的位置分布

法蘭聯(lián)接處定位銷的位置如圖4，計(jì)算出定位銷所受剪力，。由于法蘭處位置有限，初設(shè)定位銷直徑d=40 mm。

剪應(yīng)力強(qiáng)度條件： （5）

式中：Q—構(gòu)件所受剪力；A—剪切面面積，A=；—許用剪應(yīng)力，≈（0.6～0.8）。

由式（5）得，F(xiàn)1，F(xiàn)3處τ1=313.53 MPa，F(xiàn)2，F(xiàn)4處τ2=410.27 MPa，考慮到塔架折疊處的定位銷，在塔架閉合過(guò)程中，由于多種原因，法蘭與定位銷可能發(fā)生一定的摩擦與沖擊，所以定位銷在滿足剪應(yīng)力的同時(shí)，要有一定的疲勞強(qiáng)度和耐磨性，故選用42CrMo，=542.5 MPa，滿足強(qiáng)度條件。

3.2 法蘭接合面出摩擦力產(chǎn)生的扭矩計(jì)算

圖1中，每節(jié)塔架聯(lián)接處采用高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接，塔架采用強(qiáng)度為σs=700 MPa的板材，故選用的螺栓強(qiáng)度要高于700 MPa，選用10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓。endprint

圖5 摩擦力在接合面產(chǎn)生的扭矩

以法蘭為受力分析對(duì)象，螺栓預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力來(lái)傳遞扭矩，見(jiàn)圖5。摩擦力產(chǎn)生的扭矩公式：

（6）

（7）

式中：f—預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力；—螺栓孔中心到法蘭中心的距離；μ—接合面摩擦系數(shù)，μ=0.13；Q—10.9級(jí)螺栓預(yù)緊力，Q=205000 N。

計(jì)算求得f=26650 N，M=213269.290 N·m。

4 起落塔力的計(jì)算

1）起塔油缸缸徑為D=φ200 mm油缸，查文獻(xiàn)[5]中的表21-6-36得與之匹配的桿徑為d=φ110 mm，工作壓力P=25（MPa），工作時(shí)為兩個(gè)油缸同時(shí)支起塔，有如下公式：。

2）如圖6所示為起塔初始狀態(tài)，在整個(gè)起塔過(guò)程中，起塔力F=，重力G始終不變，H1在-11.4°≤α≤0°之間增加，在0°≤α≤90°之間減小，H2在整個(gè)過(guò)程中始終減小。當(dāng)α=31°時(shí)，起塔力最大，F(xiàn)=1150698.4（N），起塔油缸的最大起塔壓力Pmax==18.32（MPa）；α=90°時(shí)為最大落塔力，F(xiàn)max1=386731.4（N），落塔時(shí)油缸的壓力Pmax1==8.82（MPa）。

圖6 起塔最初狀態(tài)

5 彎曲強(qiáng)度校核

塔架整體受力過(guò)程中，分析出塔架在起塔狀態(tài)（見(jiàn)圖7）時(shí)，所受彎矩最大，故在此狀態(tài)對(duì)塔架進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核。圖8為起塔狀態(tài)塔架受力分析簡(jiǎn)圖。

圖7 起塔狀態(tài)圖

由之前的說(shuō)明可知，圖8狀態(tài)下，油缸垂直方向受力FN=1063035.3 N，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙匯總，計(jì)算出塔架分析部分的重量G=120393 N（包含斜支桿，提升橫梁和鋼絲繩的重量）；運(yùn)用Solidworks強(qiáng)大的計(jì)算功能，得出塔架的水平方向重心為l=12185 mm。

圖8 起塔狀態(tài)受力分析簡(jiǎn)圖

以A為原點(diǎn)，列出彎矩方程：

AN段 Mx=-FN（L1-x）

NG段 Mx=-G（L2-x）

GB段 Mx=0

求出A點(diǎn)、N點(diǎn)、G點(diǎn)彎矩分別為MA=0，MN=-1300870444N·mm，MG=0，彎矩圖見(jiàn)圖9。

圖9 起塔狀態(tài)下的彎矩圖

由圖可知N點(diǎn)，即油缸鉸接支承處所受彎矩最大。

一般情況下，彎矩最大處的截面上所受的正應(yīng)力最大。

截面上彎曲正應(yīng)力公式： （8）

式中：-彎曲正應(yīng)力；M—截面上的彎矩；Wt-抗彎截面系數(shù)。

Y軸抗彎截面系數(shù)公式： （9）

式中：Wt-抗彎截面系數(shù)；Iy-橫截面對(duì)y軸的慣性矩；-重心到截面的最遠(yuǎn)距離。

選取16Mn熱軋鋼板作為塔架焊接用板材進(jìn)行校核，，N點(diǎn)處截面含有與油缸聯(lián)接的油缸套，能夠增強(qiáng)N點(diǎn)的抗彎強(qiáng)度，而N點(diǎn)周圍的大部分截面并沒(méi)有油缸套，所以取除油缸套以外的截面作為危險(xiǎn)截面（見(jiàn)圖10）進(jìn)行校核。

圖10 N點(diǎn)附近截面圖

利用Solidworks的計(jì)算功能，設(shè)定o為原點(diǎn)，求出截面的重心坐標(biāo)A（0，-49.922）， mm4，=AB=374.922 mm，根據(jù)式（8），式（9）計(jì)算出88.52 MPa。

基本許用應(yīng)力計(jì)算公式：

式中：—基本許用應(yīng)力；—屈服強(qiáng)度；—安全系數(shù)。

許用應(yīng)力計(jì)算公式：（K取1.1）

式中：—許用應(yīng)力；—基本許用應(yīng)力；K—折算系數(shù)。

名義計(jì)算的彎曲時(shí)的基本許用應(yīng)力應(yīng)乘以系數(shù)，求得[σ]m=230 MPa，即[σ]m。

故塔架的材料采用16Mn熱軋鋼板可以滿足抗彎強(qiáng)度要求。

6 塔架撓度校核

塔架滿足抗彎強(qiáng)度要求，僅說(shuō)明在塔架達(dá)到彎矩最大時(shí)，不能超過(guò)彈性變形而折斷，并不代表塔架在整個(gè)起塔和工作過(guò)程中滿足設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際起塔過(guò)程中，變形過(guò)度也會(huì)對(duì)設(shè)備造成不良影響，需要對(duì)塔架的抗彎剛性進(jìn)行計(jì)算。

圖11 撓度計(jì)算分析簡(jiǎn)圖

圖8中AN段相對(duì)于AB段長(zhǎng)度較短，且設(shè)計(jì)中這段剛度足夠大，故把NB段作為懸臂梁，在重力G的作用下進(jìn)行撓度計(jì)算，見(jiàn)圖11。查文獻(xiàn)[4]中的表6.1得外伸端B撓度計(jì)算公式：

（10）

（11）

式中：a-NG段距離；l-NB段距離；G-外載荷；這里是重力G=120393 N，EIy-梁的抗彎剛度，EIy=1205634495555102 N·mm2。

由式（10），（11）得B處撓度，轉(zhuǎn)角（弧度）。

以上結(jié)果表明，水平狀態(tài)下塔架長(zhǎng)L=25000 mm，末端距水平位置下沉116.69 mm。轉(zhuǎn)角很小，=214.2即塔架長(zhǎng)與撓度比值較大，且實(shí)際塔架結(jié)構(gòu)中會(huì)增加各種筋板來(lái)提高剛度，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度變形，故剛度滿足要求。

7 總結(jié)

本設(shè)計(jì)樁機(jī)的塔架可以承受45 kN·m的動(dòng)力頭扭矩，可以在很多復(fù)雜的地層中鉆進(jìn)，塔架可以多次折疊，使得在運(yùn)輸時(shí)不需要卸塔，節(jié)省了大部分的裝塔和卸塔的時(shí)間，同時(shí)也減少了塔架所占的運(yùn)輸空間，運(yùn)作起來(lái)比較靈活，可以使用更少的人來(lái)安裝或拆卸。

參考文獻(xiàn)

[1]孫志禮，冷興聚，魏延剛，曾海泉主編.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2008..

[2]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[3]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4]劉鴻文主編.材料力學(xué)（第三版）上冊(cè)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介

薛淑華（1964-），女，遼寧沈陽(yáng)人，高級(jí)工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及制造工作。endprint

圖5 摩擦力在接合面產(chǎn)生的扭矩

以法蘭為受力分析對(duì)象，螺栓預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力來(lái)傳遞扭矩，見(jiàn)圖5。摩擦力產(chǎn)生的扭矩公式：

（6）

（7）

式中：f—預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力；—螺栓孔中心到法蘭中心的距離；μ—接合面摩擦系數(shù)，μ=0.13；Q—10.9級(jí)螺栓預(yù)緊力，Q=205000 N。

計(jì)算求得f=26650 N，M=213269.290 N·m。

4 起落塔力的計(jì)算

1）起塔油缸缸徑為D=φ200 mm油缸，查文獻(xiàn)[5]中的表21-6-36得與之匹配的桿徑為d=φ110 mm，工作壓力P=25（MPa），工作時(shí)為兩個(gè)油缸同時(shí)支起塔，有如下公式：。

2）如圖6所示為起塔初始狀態(tài)，在整個(gè)起塔過(guò)程中，起塔力F=，重力G始終不變，H1在-11.4°≤α≤0°之間增加，在0°≤α≤90°之間減小，H2在整個(gè)過(guò)程中始終減小。當(dāng)α=31°時(shí)，起塔力最大，F(xiàn)=1150698.4（N），起塔油缸的最大起塔壓力Pmax==18.32（MPa）；α=90°時(shí)為最大落塔力，F(xiàn)max1=386731.4（N），落塔時(shí)油缸的壓力Pmax1==8.82（MPa）。

圖6 起塔最初狀態(tài)

5 彎曲強(qiáng)度校核

塔架整體受力過(guò)程中，分析出塔架在起塔狀態(tài)（見(jiàn)圖7）時(shí)，所受彎矩最大，故在此狀態(tài)對(duì)塔架進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核。圖8為起塔狀態(tài)塔架受力分析簡(jiǎn)圖。

圖7 起塔狀態(tài)圖

由之前的說(shuō)明可知，圖8狀態(tài)下，油缸垂直方向受力FN=1063035.3 N，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙匯總，計(jì)算出塔架分析部分的重量G=120393 N（包含斜支桿，提升橫梁和鋼絲繩的重量）；運(yùn)用Solidworks強(qiáng)大的計(jì)算功能，得出塔架的水平方向重心為l=12185 mm。

圖8 起塔狀態(tài)受力分析簡(jiǎn)圖

以A為原點(diǎn)，列出彎矩方程：

AN段 Mx=-FN（L1-x）

NG段 Mx=-G（L2-x）

GB段 Mx=0

求出A點(diǎn)、N點(diǎn)、G點(diǎn)彎矩分別為MA=0，MN=-1300870444N·mm，MG=0，彎矩圖見(jiàn)圖9。

圖9 起塔狀態(tài)下的彎矩圖

由圖可知N點(diǎn)，即油缸鉸接支承處所受彎矩最大。

一般情況下，彎矩最大處的截面上所受的正應(yīng)力最大。

截面上彎曲正應(yīng)力公式： （8）

式中：-彎曲正應(yīng)力；M—截面上的彎矩；Wt-抗彎截面系數(shù)。

Y軸抗彎截面系數(shù)公式： （9）

式中：Wt-抗彎截面系數(shù)；Iy-橫截面對(duì)y軸的慣性矩；-重心到截面的最遠(yuǎn)距離。

選取16Mn熱軋鋼板作為塔架焊接用板材進(jìn)行校核，，N點(diǎn)處截面含有與油缸聯(lián)接的油缸套，能夠增強(qiáng)N點(diǎn)的抗彎強(qiáng)度，而N點(diǎn)周圍的大部分截面并沒(méi)有油缸套，所以取除油缸套以外的截面作為危險(xiǎn)截面（見(jiàn)圖10）進(jìn)行校核。

圖10 N點(diǎn)附近截面圖

利用Solidworks的計(jì)算功能，設(shè)定o為原點(diǎn)，求出截面的重心坐標(biāo)A（0，-49.922）， mm4，=AB=374.922 mm，根據(jù)式（8），式（9）計(jì)算出88.52 MPa。

基本許用應(yīng)力計(jì)算公式：

式中：—基本許用應(yīng)力；—屈服強(qiáng)度；—安全系數(shù)。

許用應(yīng)力計(jì)算公式：（K取1.1）

式中：—許用應(yīng)力；—基本許用應(yīng)力；K—折算系數(shù)。

名義計(jì)算的彎曲時(shí)的基本許用應(yīng)力應(yīng)乘以系數(shù)，求得[σ]m=230 MPa，即[σ]m。

故塔架的材料采用16Mn熱軋鋼板可以滿足抗彎強(qiáng)度要求。

6 塔架撓度校核

塔架滿足抗彎強(qiáng)度要求，僅說(shuō)明在塔架達(dá)到彎矩最大時(shí)，不能超過(guò)彈性變形而折斷，并不代表塔架在整個(gè)起塔和工作過(guò)程中滿足設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際起塔過(guò)程中，變形過(guò)度也會(huì)對(duì)設(shè)備造成不良影響，需要對(duì)塔架的抗彎剛性進(jìn)行計(jì)算。

圖11 撓度計(jì)算分析簡(jiǎn)圖

圖8中AN段相對(duì)于AB段長(zhǎng)度較短，且設(shè)計(jì)中這段剛度足夠大，故把NB段作為懸臂梁，在重力G的作用下進(jìn)行撓度計(jì)算，見(jiàn)圖11。查文獻(xiàn)[4]中的表6.1得外伸端B撓度計(jì)算公式：

（10）

（11）

式中：a-NG段距離；l-NB段距離；G-外載荷；這里是重力G=120393 N，EIy-梁的抗彎剛度，EIy=1205634495555102 N·mm2。

由式（10），（11）得B處撓度，轉(zhuǎn)角（弧度）。

以上結(jié)果表明，水平狀態(tài)下塔架長(zhǎng)L=25000 mm，末端距水平位置下沉116.69 mm。轉(zhuǎn)角很小，=214.2即塔架長(zhǎng)與撓度比值較大，且實(shí)際塔架結(jié)構(gòu)中會(huì)增加各種筋板來(lái)提高剛度，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度變形，故剛度滿足要求。

7 總結(jié)

本設(shè)計(jì)樁機(jī)的塔架可以承受45 kN·m的動(dòng)力頭扭矩，可以在很多復(fù)雜的地層中鉆進(jìn)，塔架可以多次折疊，使得在運(yùn)輸時(shí)不需要卸塔，節(jié)省了大部分的裝塔和卸塔的時(shí)間，同時(shí)也減少了塔架所占的運(yùn)輸空間，運(yùn)作起來(lái)比較靈活，可以使用更少的人來(lái)安裝或拆卸。

參考文獻(xiàn)

[1]孫志禮，冷興聚，魏延剛，曾海泉主編.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2008..

[2]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[3]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4]劉鴻文主編.材料力學(xué)（第三版）上冊(cè)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介

薛淑華（1964-），女，遼寧沈陽(yáng)人，高級(jí)工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及制造工作。endprint

圖5 摩擦力在接合面產(chǎn)生的扭矩

以法蘭為受力分析對(duì)象，螺栓預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力來(lái)傳遞扭矩，見(jiàn)圖5。摩擦力產(chǎn)生的扭矩公式：

（6）

（7）

式中：f—預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力；—螺栓孔中心到法蘭中心的距離；μ—接合面摩擦系數(shù)，μ=0.13；Q—10.9級(jí)螺栓預(yù)緊力，Q=205000 N。

計(jì)算求得f=26650 N，M=213269.290 N·m。

4 起落塔力的計(jì)算

1）起塔油缸缸徑為D=φ200 mm油缸，查文獻(xiàn)[5]中的表21-6-36得與之匹配的桿徑為d=φ110 mm，工作壓力P=25（MPa），工作時(shí)為兩個(gè)油缸同時(shí)支起塔，有如下公式：。

2）如圖6所示為起塔初始狀態(tài)，在整個(gè)起塔過(guò)程中，起塔力F=，重力G始終不變，H1在-11.4°≤α≤0°之間增加，在0°≤α≤90°之間減小，H2在整個(gè)過(guò)程中始終減小。當(dāng)α=31°時(shí)，起塔力最大，F(xiàn)=1150698.4（N），起塔油缸的最大起塔壓力Pmax==18.32（MPa）；α=90°時(shí)為最大落塔力，F(xiàn)max1=386731.4（N），落塔時(shí)油缸的壓力Pmax1==8.82（MPa）。

圖6 起塔最初狀態(tài)

5 彎曲強(qiáng)度校核

塔架整體受力過(guò)程中，分析出塔架在起塔狀態(tài)（見(jiàn)圖7）時(shí)，所受彎矩最大，故在此狀態(tài)對(duì)塔架進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核。圖8為起塔狀態(tài)塔架受力分析簡(jiǎn)圖。

圖7 起塔狀態(tài)圖

由之前的說(shuō)明可知，圖8狀態(tài)下，油缸垂直方向受力FN=1063035.3 N，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙匯總，計(jì)算出塔架分析部分的重量G=120393 N（包含斜支桿，提升橫梁和鋼絲繩的重量）；運(yùn)用Solidworks強(qiáng)大的計(jì)算功能，得出塔架的水平方向重心為l=12185 mm。

圖8 起塔狀態(tài)受力分析簡(jiǎn)圖

以A為原點(diǎn)，列出彎矩方程：

AN段 Mx=-FN（L1-x）

NG段 Mx=-G（L2-x）

GB段 Mx=0

求出A點(diǎn)、N點(diǎn)、G點(diǎn)彎矩分別為MA=0，MN=-1300870444N·mm，MG=0，彎矩圖見(jiàn)圖9。

圖9 起塔狀態(tài)下的彎矩圖

由圖可知N點(diǎn)，即油缸鉸接支承處所受彎矩最大。

一般情況下，彎矩最大處的截面上所受的正應(yīng)力最大。

截面上彎曲正應(yīng)力公式： （8）

式中：-彎曲正應(yīng)力；M—截面上的彎矩；Wt-抗彎截面系數(shù)。

Y軸抗彎截面系數(shù)公式： （9）

式中：Wt-抗彎截面系數(shù)；Iy-橫截面對(duì)y軸的慣性矩；-重心到截面的最遠(yuǎn)距離。

選取16Mn熱軋鋼板作為塔架焊接用板材進(jìn)行校核，，N點(diǎn)處截面含有與油缸聯(lián)接的油缸套，能夠增強(qiáng)N點(diǎn)的抗彎強(qiáng)度，而N點(diǎn)周圍的大部分截面并沒(méi)有油缸套，所以取除油缸套以外的截面作為危險(xiǎn)截面（見(jiàn)圖10）進(jìn)行校核。

圖10 N點(diǎn)附近截面圖

利用Solidworks的計(jì)算功能，設(shè)定o為原點(diǎn)，求出截面的重心坐標(biāo)A（0，-49.922）， mm4，=AB=374.922 mm，根據(jù)式（8），式（9）計(jì)算出88.52 MPa。

基本許用應(yīng)力計(jì)算公式：

式中：—基本許用應(yīng)力；—屈服強(qiáng)度；—安全系數(shù)。

許用應(yīng)力計(jì)算公式：（K取1.1）

式中：—許用應(yīng)力；—基本許用應(yīng)力；K—折算系數(shù)。

名義計(jì)算的彎曲時(shí)的基本許用應(yīng)力應(yīng)乘以系數(shù)，求得[σ]m=230 MPa，即[σ]m。

故塔架的材料采用16Mn熱軋鋼板可以滿足抗彎強(qiáng)度要求。

6 塔架撓度校核

塔架滿足抗彎強(qiáng)度要求，僅說(shuō)明在塔架達(dá)到彎矩最大時(shí)，不能超過(guò)彈性變形而折斷，并不代表塔架在整個(gè)起塔和工作過(guò)程中滿足設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際起塔過(guò)程中，變形過(guò)度也會(huì)對(duì)設(shè)備造成不良影響，需要對(duì)塔架的抗彎剛性進(jìn)行計(jì)算。

圖11 撓度計(jì)算分析簡(jiǎn)圖

圖8中AN段相對(duì)于AB段長(zhǎng)度較短，且設(shè)計(jì)中這段剛度足夠大，故把NB段作為懸臂梁，在重力G的作用下進(jìn)行撓度計(jì)算，見(jiàn)圖11。查文獻(xiàn)[4]中的表6.1得外伸端B撓度計(jì)算公式：

（10）

（11）

式中：a-NG段距離；l-NB段距離；G-外載荷；這里是重力G=120393 N，EIy-梁的抗彎剛度，EIy=1205634495555102 N·mm2。

由式（10），（11）得B處撓度，轉(zhuǎn)角（弧度）。

以上結(jié)果表明，水平狀態(tài)下塔架長(zhǎng)L=25000 mm，末端距水平位置下沉116.69 mm。轉(zhuǎn)角很小，=214.2即塔架長(zhǎng)與撓度比值較大，且實(shí)際塔架結(jié)構(gòu)中會(huì)增加各種筋板來(lái)提高剛度，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度變形，故剛度滿足要求。

7 總結(jié)

本設(shè)計(jì)樁機(jī)的塔架可以承受45 kN·m的動(dòng)力頭扭矩，可以在很多復(fù)雜的地層中鉆進(jìn)，塔架可以多次折疊，使得在運(yùn)輸時(shí)不需要卸塔，節(jié)省了大部分的裝塔和卸塔的時(shí)間，同時(shí)也減少了塔架所占的運(yùn)輸空間，運(yùn)作起來(lái)比較靈活，可以使用更少的人來(lái)安裝或拆卸。

參考文獻(xiàn)

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[3]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4]劉鴻文主編.材料力學(xué)（第三版）上冊(cè)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介

薛淑華（1964-），女，遼寧沈陽(yáng)人，高級(jí)工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及制造工作。endprint