KY310牙轮钻机关键零部件有限元分析

李 伟

（太原重工技术中心， 山西 太原 030024）

KY310牙轮钻机关键零部件有限元分析

李 伟

（太原重工技术中心， 山西 太原 030024）

为了对新开发的KY310牙轮钻机钻架进行强度和刚度校核，在有限元软件中，对KY310牙轮钻机的钻架在正常加压钻进及偶然卡钻提升工况进行了强度分析，确定了在上述两种工况下，钻架的受力危险位置。通过钻架偶然卡钻提升，且风荷沿-X向作用工况下的屈曲分析，确定了屈曲载荷因子λ和临界屈曲载荷。

牙轮钻机 钻架 强度分析 有限元 屈曲分析

牙轮钻机作为露天矿山钻孔的主要设备，它是以牙轮钻头破碎岩石并用压气排渣方式的自行式钻孔设备。钻架装置是牙轮钻机主要工作机构的承载装置，也是钻具和回转加压小车的导向装置。钻架装置一般总是布置在钻机的前端，这样便于穿凿靠近台阶边缘的炮孔和斜孔，同时也有利于减少钻机运输时的长度。牙轮钻机在工作过程中，是承受轴压、构件自身质量等负载的构件，因此要有足够的整体强度和刚度[1]。

KY310牙轮钻机的钻架是由金属构件组成的空间桁架结构，其高度在20 m左右，由于KY310牙轮钻机的大孔径与大轴压，对KY310牙轮钻机的钻架提出了稳定性的要求，同时KY310牙轮钻机钻架结构的细长比很高，屈曲失效验证成为必需[2，3]。

1 钻架有限元分析

钻架是通过A型架连接到平台上的。为了更好地模拟钻架的实际工况，将钻架和A型架作为一个整体进行静力学计算。钻架是厚度为6mm或者8mm的方钢，划分为实体网格比较困难，因此，在有限元软件中，对钻架本体采用板单元网格划分，钻架有限元模型见图1。

2 边界条件确定

结合实际情况，确定钻架的两种工况状态：正常加压钻进和偶然卡钻提升。其载荷主要包括各部件自身质量、不同高钻架所受到的风载及链条作用力。在本文中，选择风荷从正面与侧面作用。根据现行建筑结构规范大全，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值WK计算公式[4]为：

式中：WK为风载荷标准值，kN/m2；βz为 z高度处的风振系数；μs为风载荷体型系数；μz为风压高度变化系数；ω0为基本风压，kN/m2，选取基本风压 ω0=0.6kN/m2。

链轮作用力是沿着链条方向作用的，其计算公式如下：

式中：T1、T2均为一根链条上的作用力，P为加压力，G1，G2为回转减速机质量和钻架的自身质量，T3为偶然卡钻提升工况下的链条力。

图1 钻架有限元模型

2.1 静力结果

通过把不同的工况与载荷结合，可知，有4种载荷工况。

1）工况1：正常加压钻进，风荷沿-X向。

2）工况2：正常加压钻进，风荷沿-Y向。

3）工况3：偶然卡钻提升，风荷沿-X向。

4）工况4：偶然卡钻提升，风荷沿-Y向。

KY310牙轮钻机钻架位移与Von Mises应力计算结果见表1和表2。

表1 KY310牙轮钻机钻架位移结果 mm

表2 KY310牙轮钻机钻架Von Mises应力结果

偶然卡钻提升工况下，风载从-X向作用在钻架上的计算结果如图2和图3所示。

图2 偶然卡钻提升风荷沿-X向工况下，钻架X向最大位移云图

图3 偶然卡钻提升风荷沿-X向工况下,钻架Von Mises应力分布云图

2.2 屈曲分析

KY310牙轮钻机的钻架是有金属构件组成的空间桁架结构，其高度在20 m左右，由于KY310牙轮钻机的大孔径与大轴压，这就对KY310牙轮钻机的钻架提出了稳定性的要求，同时KY310牙轮钻机钻架结构的细长比很高，屈曲失效验证成为必需。

钻架载荷分为可变载荷集和自身质量载荷集；通过调整可变载荷因子，得到新的临界比例因子λ1；最终，当λ1=1时，则对应的比例值S就是所要求的临界比例因子。通过计算可知：

1）当S=5时，钻架屈曲分析得到的新的临界比例因子λ1=1.088；

2）当S=5.5时，钻架屈曲分析得到的新的临界因子 λ1=0.99。

3 结论

1）通过有限元计算，对钻架进行校核和验证，并确定了钻架在实际工况下的受力危险位置，为钻架的设计改进和优化提供了一定的参考。

2）针对钻架受力危险位置，提出了在受力危险部位增加板厚或者更换材料的解决方法。

3）通过对钻架的屈曲分析可知，钻架的临界载荷因子5.0≤λ≤5.5。

[1] 门玉贵.牙轮钻机钻架强度分析矿山机械[J].1985（6）：43-45.

[2] 唐田秋，陈利平，邢春太.YZ-35C牙轮钻机钻架有限元分析及结构优化设计[J].煤矿机械，2005（1）：5-7.

[3] 官志强，门玉贵，周鹏里.牙轮钻机整机结构的动态分析[J].矿山机械，1987（12）：3-8.

[4] 中华人民共和国建设部.建筑结构荷载规范：GB 50009—2001[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.

（编辑：苗运平）

The Finite Element Analysis of the Key Part of KY310 Rotary Drill

Li Wei
（Technology Center of Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030024）

In order to carry out the strength and rigidity verification of frame of the new developed KY310 rotary drill,the strength analysis of frame with finite element software was performed under two different load cases:normal pressure drilling and occasional jammed elevating.Hence,the dangerous positions under the above-mentioned load cases were determined.In addition,the buckling analyses of the frame under the two different load cases were performed and the buckling load factor λ and the critical buckling load were determined as a consequence.

rotary drill,drilling frame,strength analysis,FEA,buckling analysis

TD422.1

A

1672-1152（2017）04-0023-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.04.09

2017-07-24

者简介：李伟（1987—），男，2012年毕业于东北大学，硕士，现从事有限元仿真分析工作，工程师。