全套管全回转钻机减速箱箱体性能分析及结构优化

【摘要】全套管全回转钻机是建筑基础作业中一种新型、高效的施工机械，主要用于相关工程中成孔成桩作业，在灌注桩、地下连续墙、基础加固等多种地基施工中得到应用。基于全套管全回转钻机减速箱的结构安装布置，在钻机回转、下压等作业过程中减速箱箱体受到的附加动态载荷不容忽视，其强度及安全性是钻机正常工作的必要保证，同时由于该类钻机体积、重量较大，生产过程中的成产成本、转场过程中的运输成本以及场地适应性等也是企业和使用单位所关注的问题，因此，有必要在保证箱体正常工作及安全性的前提下进行结构优化。本文围绕某全套管全回转钻机减速箱箱体性能分析及优化进行了系统深入的研究，以减速箱箱体为研究对象，结合全套管全回转钻机的典型作业工况，采用有限元法、刚柔耦合方法及尺寸优化方法进行分析与优化，得出箱体整体力学性能特性并对箱体结构进行优化。本文主要研究内容如下：1.综述了全套管全回转钻机的国内外发展状况及其结构特点，介绍了结构优化设计研究的主要内容及方法，分析了所研究内容的研究意义，给出了本文的分析思路与研究方法。2.对箱体结构静力学分析所使用的有限元法基本理论进行了阐述，包括其发展历程，基本思想和基本分析过程。基于弹性力学理论，给出了解决弹性力学空间问题的方法，为第三章减速箱箱体有限元仿真分析提供理论基础。之后根据减速箱箱体的实际受力状况进行受力分析，确定箱体力学分析的边界约束条件。分析并确定了箱体所受载荷状况，包括箱体内齿轮传动通过轴承作用于箱体的作用力，箱体上部液压马达对箱体载荷，以及中部平台对箱体的载荷等，为接下来的静力学仿真分析提供依据。3.对减速箱箱体分别在静态和动态条件下进行了仿真分析，分析并研究了箱体静应力和动应力的特征。在静力学分析中，利用ANSYS软件对箱体在钻机工作最大载荷作业工况下进行仿真，得到此工况下箱体的应力及应变分布，校核箱体强度状况及其结构安全性。在动力学分析中，采用刚柔耦合的方法对箱体进行仿真分析，通过ADAMS与ANSYS的联合仿真分析，分析了箱体在钻机完整工作循环中应力、应变的分布状况，并得到动态应力与应变极值及其分布位置。对箱体静力学和动力学分析结果进行对比分析，得出静力学分析中箱体安全系数为2.38，动力学分析中箱体应力极值为206MPa，远未达到材料应力极限345MPa，箱体具有进一步结构优化空间。4.基于ANSYS软件优化模块对减速箱箱体进行结构优化，以箱体各板厚度为设计变量，箱体应力极值小于材料设定应力极限为约束条件，箱体总质量最小为目标函数，对箱体进行尺寸优化，得到了箱体板厚最优厚度组合。优化后箱体总质量由优化前724.4kg降为527.1kg，降低了27.2%，箱体重量有效降低。对优化后箱体结构进行静力学与动力学分析，并与优化前分析结果进行对比，优化后箱体在静力学分析中安全系数由优化前2.38降为1.55，安全系数值更加合理；动力学分析中应力极值由优化前206MPa变为310MPa，箱体材料得到了充分利用。同时箱体应力应变分布更加合理，优化结果有效。
【作者】陈卫正；
【导师】赵克利；
【作者基本信息】吉林大学，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】全套管全回转钻机；减速箱箱体；有限元；动力学；结构优化；

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