鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u16443鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算分析綜述 197811.1鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算 125971.2工作裝置總成的重心計(jì)算 3320451.3變幅機(jī)構(gòu)動(dòng)力 4261741.4工況分析 6185611.5工況下力學(xué)建模與分析 8鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算如果機(jī)構(gòu)有一定的運(yùn)動(dòng)，則必須給出獨(dú)立的廣義坐標(biāo)數(shù)，即機(jī)構(gòu)的自由度(degreeoffreedomofmechanism)。由于鉆機(jī)工作裝置所承受的力系為空間力系，因此左右桿油缸、支撐架、搖臂等構(gòu)成了空間超靜定結(jié)構(gòu)，已超出了剛體靜定力的范疇。但是，由于大三角變幅機(jī)構(gòu)是由多個(gè)部件組合而成，且支撐架是完全幾何對(duì)稱的對(duì)稱面，因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，可以采用1/2的對(duì)稱面模型來分析整個(gè)機(jī)構(gòu)裝配，從而將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖簡(jiǎn)化為圖3-1中對(duì)稱面的平面機(jī)構(gòu)。圖3-1變幅機(jī)構(gòu)的平面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如果機(jī)構(gòu)有一定的運(yùn)動(dòng)，則必須給出獨(dú)立的廣義坐標(biāo)數(shù)，即機(jī)構(gòu)的自由度(degreeoffreedomofmechanism)。由于鉆機(jī)工作裝置所承受的力系為空間力系，因此左右桿油缸、支撐架、搖臂等構(gòu)成了空間超靜定結(jié)構(gòu)，已超出了剛體靜定力的范疇。但是，由于大三角變幅機(jī)構(gòu)是由多個(gè)部件組合而成，且支撐架是完全幾何對(duì)稱的對(duì)稱面，因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，可以采用1/2的對(duì)稱面模型來分析整個(gè)機(jī)構(gòu)裝配，從而將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖簡(jiǎn)化為圖3-1中對(duì)稱面的平面機(jī)構(gòu)。（2-1）所測(cè)得的代入該機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)自由度F=3×6-(2×8+0)-0=2，原始動(dòng)件數(shù)等于由該機(jī)構(gòu)計(jì)算出的自由度數(shù)，因此，該機(jī)構(gòu)有一定的運(yùn)動(dòng)條件。圖3-2整體工作裝置重心坐標(biāo)估算工作裝置總成的重心計(jì)算鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)主要支撐工作裝置總成進(jìn)行工作，工作裝置總成包括鉆桅、鉆桿、鉆機(jī)、動(dòng)力頭等，要計(jì)算各工況下變幅機(jī)構(gòu)的鉸點(diǎn)力，首先要確定工作裝置總成對(duì)變幅機(jī)構(gòu)的影響，所以要估算出重心位置，便于計(jì)算。組法求重心常用的方法有分割法和負(fù)積法(負(fù)體積法)，其中分割法是將一個(gè)物體由幾個(gè)簡(jiǎn)單形狀的物體組合成一個(gè)物體，而且重心是已知的；負(fù)積法是將一個(gè)物體的一部分切割掉，這類方法也適用于分割法公式，但切割的面積或體積應(yīng)取負(fù)值。工作裝置重心示意圖如圖3-3所示。O1為鉆機(jī)的重心，坐標(biāo)為（x1，y1），質(zhì)量為5500kg；O2為大圓盤的重心，坐標(biāo)為（x2，y2），質(zhì)量為1300kg；O3為副卷?yè)P(yáng)的重心，坐標(biāo)為（x3，y3），質(zhì)量為800kg；O4為下鉆桅的重心，坐標(biāo)為（x4，y4），質(zhì)量為5800kg；O5為動(dòng)力頭的重心，坐標(biāo)為（x5，y5），質(zhì)量為5600kg；O6為中鉆桅的重心，坐標(biāo)為（x6，y6），質(zhì)量為1500kg；O7為鉆桿的重心，坐標(biāo)為（x7，y7），質(zhì)量為20000kg；O8為上鉆桅的重心，坐標(biāo)為（x8，y8），質(zhì)量為2400kg；O9為分割參考點(diǎn)，坐標(biāo)為（x9，y9）；O10為鵝頭的重心，坐標(biāo)為（x10，y10），質(zhì)量為1500kg；整體工作裝置重心O坐標(biāo)為（x0，y0），質(zhì)量44400kg。由分割法計(jì)算重心公式得整體工作裝置重心O到參考點(diǎn)O9距離為：其中：Gi為各個(gè)工作裝置的重力；Lyij為工作裝置重心i到j(luò)的y方向距離；Lyij為工作裝置重心i到j(luò)的x方向距離，i=1，2，3，4，5，6，7，8，10，j=9。此時(shí)整體工作裝置重心與鉆桅鉸點(diǎn)I和搖臂鉸點(diǎn)J構(gòu)成三角形OHI。變幅機(jī)構(gòu)動(dòng)力變幅機(jī)構(gòu)作為鉆機(jī)重要支承機(jī)構(gòu)，以工作裝置為研究對(duì)象，受力如圖2-6所示，對(duì)D點(diǎn)力矩ΣD=0，列平衡方程見式：式中db——為G點(diǎn)到D點(diǎn)距離，m；β——為鉆桅與水平面夾角；δ——為立桅油缸與鉆桅夾角；γ為工作裝置重心與鉸點(diǎn)C、D構(gòu)成的三角形夾角。立桅桿受力FL表示為鉆桅傾角為函數(shù)為見下式：圖3-3工作裝置受力分析圖用三角形框架作為研究對(duì)象，其受力情況見圖3-3。采用截面積法計(jì)算下臂對(duì)三角架的力。對(duì)于工作裝置的質(zhì)量三角架，其自重忽略，對(duì)于B點(diǎn)，則其力平衡方程式如下：圖3-4受力模型聯(lián)合求出下臂對(duì)三角架的作用力。以上臂為研究對(duì)象受力如圖3-5所示，對(duì)A點(diǎn)取力矩，則變幅油缸受力平衡方程見下式：由公式聯(lián)立求出變幅油缸作用力FB：根據(jù)各工況求出變幅油缸最大受力：圖3-5上臂受力模型工況分析搖桿在設(shè)置作業(yè)時(shí)在任意位置，取與水平面成任意角α1，鉆桅在這個(gè)時(shí)候是垂直的。各銷軸線，鋼絲繩，滑輪等的摩擦力和四缸液壓變幅重力不計(jì)。因此在提鉆工況下，旋挖鉆機(jī)整機(jī)所受外力主要是整體工作裝置重力G和其它結(jié)構(gòu)件的重力，地面支撐力FN，提鉆阻力Ff和風(fēng)載P。在施工用靜漿護(hù)壁時(shí)，由于鉆機(jī)和鉆桿的一部分位于泥漿面之下，鉆井液會(huì)向工作裝置提供與載荷作用方向相反的FP浮力，但是當(dāng)鉆機(jī)和鉆桿的升力超過泥漿面后，不會(huì)產(chǎn)生浮力，另外，鉆井液初升時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生由鉆桿、鉆機(jī)和泥渣引起的慣性作用力FR。但是在提鉆過程中，動(dòng)頭此時(shí)已停止工作，并考慮到極限工作狀態(tài)，加壓油缸提供了提升力F1，同時(shí)還承受動(dòng)頭、鉆桿、提鉆阻力和工作裝置共同引起的偏心差M1。主卷?yè)P(yáng)鋼絲繩提供了提升力F2，因?yàn)榕c液壓缸連接的結(jié)構(gòu)部件均采用關(guān)節(jié)軸承，這種軸承使液壓缸僅承受軸向力作用，一般不受彎矩作用，因此搖臂變幅油缸和調(diào)桅油缸都可視為雙力桿作用。這時(shí)，鉆桿被作為研究對(duì)象，用于受力分析，如圖3-3所示，平衡方程式如下：從理論力學(xué)上可知，調(diào)桅油缸和變幅油缸都可以看作只受軸向力的二力桿。這時(shí)，以搖臂為研究對(duì)象，進(jìn)行力矩分析，如圖3-5所示，列平衡方程如：其中：F1為加壓油缸對(duì)工作裝置的作用力；F2為主卷?yè)P(yáng)鋼絲繩拉力；FH為調(diào)桅油缸對(duì)工作裝置的作用力；FL為搖臂變幅油缸對(duì)工作裝置的作用力；G′為鉆桅總成的重力；Ga為搖臂總成的重力；Gb為支撐架總成的重力；Gc為連接架總成的重力；FAx、FAy為搖臂和回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸點(diǎn)A約束力的水平分力和垂直分力；FBx、FBy為支撐架和回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸點(diǎn)B約束力的水平分力和垂直分力；FCx、FCy為連接架和回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸點(diǎn)C約束力的水平分力和垂直分力；FDx、FDy為連接架和回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸點(diǎn)D約束力的水平分力和垂直分力；FEx、FEy為支撐架和連接架鉸點(diǎn)E約束力的水平分力和垂直分力；FJx、FJy為搖臂和鉆桅大圓盤鉸點(diǎn)J約束力的水平分力和垂直分力；M1為動(dòng)力頭、鉆桿、提鉆阻力和工作裝置的共同引起的偏心距；M2為動(dòng)力頭、鉆桿、泥漿浮力和鉆進(jìn)阻力等共同作用引起的偏心距a為前部主滑輪中心與前部鋼絲繩的水平距離；b為背滑輪中心與鉸點(diǎn)J的垂直距離；c為搖臂總成重心與搖臂和回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸點(diǎn)A的水平距離；d為搖臂總成重心與搖臂和回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸點(diǎn)A的垂直距離；θ為調(diào)桅油缸對(duì)工作裝置的作用力F與豎直方向夾角；λ為后部鋼絲繩拉力與豎直方向夾角；ζ為搖臂變幅油缸對(duì)工作裝置的作用力與水平方向的夾角；（a）提鉆工況下鉆桅受力簡(jiǎn)圖（b）搖臂受力分析簡(jiǎn)圖（c）支撐架受力簡(jiǎn)圖（d）連接架受力分析圖3-6四種工況受力分析工況下力學(xué)建模與分析當(dāng)大三角變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行變幅時(shí)，調(diào)桅油缸可伸展或收縮，搖臂式變幅油缸也可調(diào)整鉆桿的工作半徑，在運(yùn)輸裝配狀態(tài)下，調(diào)桅油缸可前傾，并將鉆桿與地面平行，施工前將鉆桿拉升至與地面垂直狀態(tài)；在工位轉(zhuǎn)置鉆桿時(shí)，調(diào)整鉆桿后傾角度(小于15°)，將旋挖鉆桿移至成孔位置，然后搖臂式變幅油缸與調(diào)桅油缸交替移動(dòng)，直到鉆桿調(diào)整到適當(dāng)?shù)淖藨B(tài)和位置，使其達(dá)到精確定位要求，才能開始成孔作業(yè)。把鉆機(jī)、鉆桿、動(dòng)力頭和鉆桅等工作裝置簡(jiǎn)化成O型，并與鉆桅和調(diào)桅油缸的鉸點(diǎn)I、鉆桅和搖臂的鉸點(diǎn)J組成OIJ型，以三角形AJK型為搖臂，以BEF型為支撐架，CDEM型為連接架，已知整個(gè)工作裝置的重力為G型，搖臂的變幅油缸對(duì)工作裝置的作用力為FL，調(diào)桅油缸對(duì)工作裝置的作用力為FH型，當(dāng)一個(gè)液壓油缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，另一個(gè)液壓油缸的作用力為自鎖型。這時(shí)，在搖臂式后傾狀態(tài)變幅時(shí)，搖臂式變幅油缸自鎖，以整個(gè)工作裝置為研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析，如圖3-4所示，列平衡方程如下：根據(jù)圖中幾何關(guān)系可求得：由三角形正弦定理求α2得：由三角形余弦定理求LFI得：聯(lián)立以上方程可解得：其中：G為整體工作裝置的重力；LIJ為鉸點(diǎn)I與鉸點(diǎn)J的距離；LOJ為整體工作裝置重心O與鉸點(diǎn)J的距離；LFI為調(diào)桅油缸舉升長(zhǎng)度；LJF為鉸點(diǎn)J與鉸點(diǎn)F的距離；β為整體工作裝置重力與直線OJ的夾角；a為直線IJ與直線JK的夾角；α1為直線AJ與水平方向的夾角；α2為直線IJ與直線FI的夾角；γ為直線IJ與直線OJ的夾角，為常值；δ為直線OJ與直線OI的夾角，為常值；φ為直線IJ與直線JF的夾角，為常值；調(diào)桅油缸在全工作裝置變幅過程中受力最大，后傾角為15°時(shí)受力最大，后傾