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鉆架為矩形鋼管約架與板式組合而成的“fl”形結構，采用高強度材料，齒條采用鍛制加工件，鉆架采用分段式結構，分三段加工和熱處理。對于這種大型且復雜的空間結構進行鉆架強度分析時，首先必須根據結構在強度和剛度方面的要求建立一個力學模型，這個力學模型既要能反映真實的受力和約束情況，又要便于分析和計算，且計算結果要符合實際。如圖所示為鉆架的三維立體模型。
鉆機工作時，鉆架有許多種工況，一般認為正常加壓鉆進、突然卡鉆、卡鉆提升、卡鉆回轉和水平啟升鉆架時，鉆架承受載荷比較大，其突然卡鉆和卡鉆后提升兩種工況最為惡劣，本研究按突然卡鉆和卡鉆后提升兩種工況對鉆架進行結構強庶的分析。圖為鉆架的受力情況簡圖。鉆機在作業過程中鉆具突然卡鉆，瞬時達到最大軸壓和最大扭矩是鉆架工作中可能出現的一種瞬態工況，一般不應超過三分鐘。按回轉小車在鉆架上部時作用最大軸壓力和最大扭矩驗算最大變形和最大應力，安全系數為1.3-1.35。當鉆具突然卡鉆時，設回轉加壓小車位于鉆架的上部，且加壓鏈條付出最大軸壓力。此時的外負荷有：鉆架各部件的重量G，鏈輪作用力(鏈條合力)T，加壓齒輪作用力Q，導向輪(導向滑板)壓力N，N2，均衡張緊裝置作用力F.x，回轉小車扭矩反力N，風負荷。此工況也是鉆架工作中可能出現的一種瞬態狀況，在這種工況下，提升和回轉電機都按最大功率(2.75倍額定功率)輸出，以最大提升力和最大扭矩同時作用，驗算最大應力和最大變形，安全系數為1.3-1.35。當卡鉆提升鉆具時，回轉加壓小車位于鉆架的下部，外負荷以提升電動機所能給出的最大提升力為依據，以此作為計算外力的出發點。此時除扭矩M外，其他外力同正常加壓鉆進時一致，但具體數值不同。上述兩種工況都處于動載狀態，分析動強度的方法是通過動載系數來考慮動載荷，即用動載系數乘以靜載荷。
約束面分別取鉆架與平臺連接處左右兩端的銷軸孔處表面、A型架軸與鉆架連接處左右兩端的銷孔處表面和鉆架起落油缸與鉆架之間的2個鉸接孔處表面，這6個為全約束，保證：y三個方向的位移均為0。背拉桿與鉆架之間的兩個鉸接孔處表面為半約束，保證兩個方向的位移為0，分別按突然卡鉆和卡鉆提升兩種工況對鉆架施加載荷計算其強度，以上兩種工況所受載荷情況如表所示。兩種工況下的復合應力分布云圖如圖所示，突然卡鉆工況和卡鉆提升工況的變形放大比例為分別為90.5619和137.611。從圖中可以看出，突然卡鉆工況下最大應力為，max=2.30452x10gMPa，最大應力發生在鉆架與A型架軸的鉸接處所在面，卡鉆提升工況下最大應力為，max2.54105x10MPa，最大應力發生在鉆架的頂部天輪處。鉆架在兩種工況下的最大應力均小于材料的屈服強度和抗拉強度，因此鉆架在這兩種工況下均處于安全狀態。如圖所示為兩種工況下鉆架的位移變化云圖。突然卡鉆工況下的最大位移為△L=29.4523mm，卡鉆提升工況下的最大位移為△=23mm。根據起重機標準，扭矩剛度，正面和側面均不應超過h/700(h為高度)，因此如圖所示為鉆架在兩種工況下的變形圖。根據變形圖可以看出：鉆架在正常作業和突然卡鉆時變形是上部對下部有相對扭轉，扭轉方向為逆時針方向，與鉆架受扭力矩方向相同，上部向機蓬方向彎曲(后背)，側面和上下變形都比較小。卡鉆處理時由于鉆架承受最大提升力，使鉆架向司機室方向彎曲，扭轉方向仍為逆時針方向。鉆架起落時變形相當于懸臂梁的撓曲。由分析計算結果可得，突然卡鉆工況下鉆架的最小安全系數為2.692，卡鉆提升工況下鉆架的最小安全系數為2.442，根據強度計算可知鉆架的最小安全系數完全符合強度要求。
利用Cosmos/Works對牙輪鉆機鉆架進行有限元分析及結構優化設計，使得改進后的鉆架在強度和剛度上均有較大的提高，為保證鉆架的使用壽命提供了可靠的理論依據。
專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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