全液壓輕型巖心鉆機主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

楊凱杰，白祖衛(wèi)，黨曉龍

(陜西西探地質(zhì)裝備有限公司，陜西西安710089)

0 前言

礦產(chǎn)資源是人類重要的生產(chǎn)資料，是人類社會賴以生存和繼續(xù)發(fā)展的基本保證和物質(zhì)基礎(chǔ)，一個國家自身的資源越豐富，對經(jīng)濟發(fā)展的保障越高。在20世紀末，我國依靠國內(nèi)豐富的淺層礦產(chǎn)資源，成功的實現(xiàn)了第一個“GDP翻兩番”的經(jīng)濟目標。但隨著經(jīng)濟不斷的發(fā)展及人口的持續(xù)性增長，對煤、石油、天然氣、鐵、銅等礦產(chǎn)資源的急劇增加，使礦產(chǎn)資源與社會經(jīng)濟發(fā)展的矛盾日益突出。目前，國外固體礦產(chǎn)勘探開采深度已突破2000 m，隨著我國礦產(chǎn)開采的力度不斷加強，地表、淺層、易識別的礦產(chǎn)越來越少，礦產(chǎn)的可采儲量顯著下降，難以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，嚴重制約著經(jīng)濟的發(fā)展。目前我國的巖心鉆探設(shè)備仍多以20世紀70年代立軸鉆機和少部分全液壓鉆機為主，該鉆機體積龐大，質(zhì)量大，不宜搬遷，極不適合丘陵和山區(qū)地帶。為此，我公司針對這一難題，設(shè)計出了XDO－1200型全液壓輕型巖心鉆機，并在陜西省紫陽縣六合地區(qū)成功探得一鈦磁鐵礦。

XDQ－1200型全液壓輕型巖心鉆機專門針對山區(qū)丘陵地帶固體礦藏地表取心作業(yè)而設(shè)計，它具有如下一些特點:(1)模塊化設(shè)計，單個模塊不大于200 kg，便于搬遷;(2)研發(fā)了定壓隨鉆控制系統(tǒng)，可自動設(shè)定恒壓鉆進，提高鉆進效率，保證成孔質(zhì)量;(3)采用直動式負載反饋微調(diào)變量液壓系統(tǒng)，功率隨負載變化，高效率，低能耗(該系統(tǒng)已在我公司各種系列鉆機上得到成功應用)。該鉆機適用于金剛石繩索取心等多種鉆探工藝，適用于地質(zhì)、冶金、煤炭、石油、天然氣、地下水等行業(yè)。鉆機的整體情況見圖1，施工情況見圖2。本文主要就該鉆機主塔的受力情況進行分析。

圖1 鉆機整體

1 主塔設(shè)計

圖2 在陜西省紫陽縣六合鈦磁鐵礦施工中

主塔作為鉆機的主要部分之一，其在深孔施工中要有足夠的承載力，不但要有足夠的強度，還要有足夠的剛度。同時，為了提高起下鉆的效率，還要求鉆塔有合理的高度，以減少輔助時間;鉆塔結(jié)構(gòu)要輕便，便于山區(qū)搬遷。據(jù)此根據(jù)1200 m的鉆進深度，確保提升力11 kN，所以主塔體選擇力學性能和焊接性能比較好的鋁合金5052焊接而成。導軌選擇45鋼調(diào)制，用螺栓固定在主塔體上(參見圖3)。

圖3 主塔結(jié)構(gòu)示意

主塔體XQ12－03－01－00采用8 mm鋁合金板折彎成一方開口的方形結(jié)構(gòu)(1)，開口面朝鉆機前方，內(nèi)部由8 mm的筋板(6、8、9)、上下各兩個25 mm的導軌襯板(2、5)和端面30 mm的封板拼焊而成。該主塔總長3000 mm，配備1500 mm鉆桿。參見圖4、表1。

圖4 主塔體結(jié)構(gòu)(XQ12－03－01－00)

2 有限元分析

靜力分析是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計人員使用最為頻繁的分析手段，主要用來求解結(jié)構(gòu)在與時間無關(guān)或時間作用效果可忽略的靜力載荷(如集中載荷、分布載荷、溫度載荷、強制位移、慣性載荷等)作用下的響應，得出所需的節(jié)點位移、節(jié)點力、約束反力、單元內(nèi)力、單元應力、應變能等。該分析同時還提供結(jié)構(gòu)的重力和重心數(shù)據(jù)。NX Nastran支持全范圍的材料模式，包括:均質(zhì)各向同性材料，正交各向異性材料，隨溫度變化的材料等。

表1 主塔體XQ12－03－01－00明細

(1)具有慣性釋放的靜力分析:考慮結(jié)構(gòu)的慣性作用，可計算無約束自由結(jié)構(gòu)在靜力載荷和加速度作用下產(chǎn)生的準靜態(tài)響應。

(2)非線性靜力分析:在靜力分析中同時可以考慮結(jié)構(gòu)的非線性特性。主要包括幾何非線性(大變形、大應變、大轉(zhuǎn)動)，材料非線性(如塑性、蠕變)，接觸非線性等(非線性靜力分析需非線性模塊的支持)。

如圖5所示，建立該主塔的三維實體模型，并對其進行結(jié)構(gòu)靜力分析。

圖5 主塔三維模型示意圖(XQ12－03－00)

2．1 算例屬性(靜力分析)(見表2)

表2 算例屬性

2．2 計算結(jié)果單位(見表3)

表3 計算單位

2．3 材料的選取

我國的立軸鉆機和全液壓鉆機的主塔主要以Q235為主，部分結(jié)構(gòu)采用45鋼。下面我們對幾種鋁合金、Q235和45鋼的性能進行一下對比(見表4)。

表4 材料對比

通過查詢機械設(shè)計手冊、國外材料手冊和航空鋁合金手冊，最終我們選擇了主塔體采用鋁合金5052系列中的一種，其性能完全可以達到Q235性能，并且焊接性能良好。其性能如表5所示。

表5 5052材料屬性

導軌采用常規(guī)材料45鋼，調(diào)質(zhì)后使用。其原始材料性能如表6所示。

表7為主塔各部件選取材料。

表6 45鋼材料屬性

表7 主塔各部件材料選取

2．4 載荷和約束

2．4．1 夾具

根據(jù)鉆機在工作狀態(tài)中的實際情況選取其約束如表8、圖6所示。

表8 主塔的約束

2．4．2 施加外載荷

額定載荷的施加根據(jù)鉆機的工作狀況，在動力頭在鉆塔的最高點提升力為110 kN時主塔受力最大，通過計算受力大小如表9、圖7所示。

表9 主塔施加的載荷

2．4．3 作用力

在施加載荷后主塔所受的作用力如表10和螺栓的受力如表11。

表10 作用力

表11 螺栓力

2．5 網(wǎng)格劃分

分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問題較多，需要的工作量較大，所劃分的網(wǎng)格形式對計算精度和計算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響。

在靜力分析時，如果僅僅是計算結(jié)構(gòu)的變形，網(wǎng)格數(shù)量可以少一些。如果需要計算應力，則在精度要求相同的情況下應取相對較多的網(wǎng)格。同樣在響應計算中，計算應力響應所取的網(wǎng)格數(shù)應比計算位移響應多。參見表12和圖8。

表12 網(wǎng)格信息

圖8 主塔體劃分網(wǎng)格示意圖(XQ12－03－01－00)

2．6 求解(參見表13，圖9～11)

表13 計算結(jié)果

圖9 主塔應力圖

圖10 主塔位移變形圖

圖11 主塔應變圖

3 結(jié)論

根據(jù)以上的有限元分析、理論分析以及工程實例驗證，在110 kN起拔力的載荷下主塔強度剛度均滿足安全使用要求，關(guān)鍵部位焊縫強度儲備充足。主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性﹑安全性得到了驗證。此外，從本文圖9可看出，主塔的剛度和質(zhì)量分布均勻，受力平衡，沒有明顯的薄弱部位和過剩部位。我廠的XDQ－1200輕型鉆機已生產(chǎn)并投入了使用，客戶從2014年6月購機，并在陜西省安康市紫陽鈦磁鐵礦鉆探使用，單孔最大鉆深536．1 m，其間反饋使用正常，經(jīng)過實際使用驗證，鉆機主塔布局合理，性能優(yōu)良，可靠性高，鉆探工藝適應性強，因此選用鋁合金5052作為主塔體的材料是合理可行的。這使得主塔的質(zhì)量減輕了2/3，大大降低了主塔的質(zhì)量，解決了我國丘陵和山區(qū)地帶礦藏的勘探設(shè)備體積大，質(zhì)量重，搬遷困難的難題，極大地降低了搬遷成本。給我們開發(fā)丘陵山區(qū)地帶礦藏又增添了一把利器。

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