YZ-55A型牙轮钻机整机结构动态特性分析

D0I:10.13374才.i8sn10016653.1998.03.025 第20卷第3期 北京科技大学学报 Vol.20 No.3 1998年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.1998 YZ-55A型牙轮钻机整机结构动态特性分析 * 孙衍全贾姓燕 龚翔张立刚 北京科技大学资源工程学院，北京100083 摘要采用SAP5P程序对YZ-55A型牙轮钻机进行整机的动态特性计算和分析，结果表明，钻 机合理的工作转速范围应在80~150r/min之间，在利用YZ-55型牙轮钻机的实测载荷谱的基础 上，引入校正系数对YZ-55A型进行动应力计算，得到该钻机整机振型和应力一时间历程图. 关键词牙轮钻机；动态计算；力学模型；振型分析 分类号TD422.1;0327 文献[1]对YZ-55A型牙轮钻机结构进行了静力分析，可以看出，整机的应力水平是很低 的，它不足以破坏其结构.然而，牙轮钻机在钻进过程中，由于钻头的3个牙轮交变地冲击岩 石，以及岩石性质变化等因素的影响，使得钻架所承受的扭矩和轴向力呈不规律变化，可能导 致钻机结构局部破坏.目前YZ-55A型牙轮钻机还未生产，无法测得该机的实测载荷谱.但文 献[2]中编制了YZ-55型牙轮钻机实测的载荷谱.YZ-55A型较YZ-55型高约2m.回转加压 小车处在钻架中部时，2种机型的受载情况差别甚小.本文在采用YZ-55型牙轮钻机的载荷 谱的基础上，采用引人1个系数（即当加压小车处在中部时），对其结构进行动应力计算， 1整机动态力学模型建立 YZ-55A型牙轮钻机结构主要由钻架和平台2部分组 成.钻架的有限元划分由空间梁元和板元组成，它们用节 点重合的办法结合.钻架上带有齿条的立柱与主立柱焊接 在一起，在模型中这2个立柱分别划分单元，并用主从节点 模拟；平台的有限元划分主要由空间梁元组成，这里略去 平台上覆板的影响.整机的动态力学模型如图1所示，这些 有限元模型的建立方法是与文献[1】]中静态模型的建立方 法大致相同，不同之处是在静态模型中，回转加压小车和 钻杆被当作集中载荷处理，在动态模型中，需要将它们作 为集中质量和转动惯量向周围节点分配，在钻探时钻架是 在空间产生振动，因此，应求出回转加压小车和钻杆在3个 图1整机动态力学模型 坐标轴方向的集中质量及绕3个轴的集中转动惯量，简化 过程从略.图1为示意图. 199706-10收稿孙衍全男，36岁，副教授，硕士 *有色金属总公司“八五“攻关项目

DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1998．03．025

Vol.20 No.3 孙衍全等：YZ-55A型牙轮钻机整机结构动态特性分析 ·217· 2 动态计算的理论方法和载荷谱 2.1理论方法 通过YZ-55A型牙轮钻机的动态力学模型，可以建立动力平衡方程 [Mnxn{的。x1+[Cnxn{的x1+[Knxn{灯nx1={Rnx1 (1) 式中：[M,xm一整体n×n阶质量矩阵；[Cnxa一整体n×n阶阻尼矩阵；[nx,一整体n×n阶刚 度矩阵；{Rnx1一等效节点载荷列阵；{灯x1一节点位移列阵. 大型结构的动态参数的计算，实际上也就是对它的固有频率和振型的计算，只需要少数 几个低阶特征对的计算就可满足工程上的要求，较为有效的方法是子空间迭代法， 由式()确定广义特征值问题方程： [KxX=MxX (2) 对式(2)进行子空间送代，即应用瑞利一里兹法，把1个大型n维空间的广义特征值问题 降阶为1个P(P<m)维子空间中的特征值问题，进而用反迭代法解出P维子空间的全部特征 对 大型结构动力响应计算，常用的方法是振型叠加法.由式(2)解出的前P阶特征对（仙，2，{ 中)，以振型矩阵[】=[{中}种}…{仲，}】作为变换矩阵，则节点位移列阵表示成： {nx1=[]n×n{⊙}p1 (3) 这样方程(1)可变换成非藕合的方程： {⊙}nx1+2[Slnx,lx⊙}px1+[w],xp{⊙}px1={Pypx1 (4) 这里，{P吲px1=[p1n{网o],x,=diag,0gw,5S,×p=diag,5,l.如果初始条件： {}=[φ]'[M{;{o}=[p]'[M(o},则式(4)中每1个方程的解可用杜哈梅(Duhamel) 积分表示 PA)e%sin-F)dr +ein Bcosv1 -61.w (i=1,2,..,p) (5) 式中，A与B由初始条件确定，则系统的响应为 内x1=d,{p,}x1 (6) 2.2载荷谱 牙轮钻机的钻进是由封闭链条系统通过回转加压小车提供钻杆轴向压力（④，而小车上 的回转机构提供钻杆回转力矩M).它们的反力与反力矩通过封闭链条在钻架上的各支点与 回转加压小车在钻架齿条立柱上各接触点作用在钻架上，在文献[1]中设定P()与M)是常 值；在动力分析中，二者是随时间的交变值，文献[2]，编制了YZ-55型牙轮钻机实测的载荷 谱，本文引入一比例系数，得到YZ-55A型的轴压力P)和扭矩M0的表达式： P)=139.6sin(2π×3.78t-1.54)+74.5sin(2π×7.51t-3.07)+387.7(k) (7) M)=39.4sin(2π×1.251t+2.55)+31.1sin(2π×2.51t+1.18)+13.9sin(2π× 3.651-1.76)+190(kN·mm) (8) 利用P)与M),就可以形成方程(1)中的{R.x,的列阵，这样就可以进行动力响应计算

·218 北京科技大学学报 1998年第3期 3动态计算结果与分析 3.1固有频率与振型的计算 利用SAP5P结构分析程序的子空间迭代法进行动态参数计算.选择计算前6阶的特征 对，设定迭代精度为10-5.表1表示前6阶固有频率值，前6阶的振型如图2所示.从振型上来 看，可判别各阶固有频率下的振动是整体的，还是局部的；是挠曲的，还是扭转的，结合振型图 可以得到以下结论：第1阶振型是钻架左右挠曲；第2阶振型是钻架前后挠曲；第3阶振型是 钻架上部出现扭转；第4阶振型是振架底部出现扭转；第5阶振型是钻架底部出现局部扭转， 而上部出现局部前后挠曲；第6阶振型与第5阶类似. 表1前6阶固有频率值 阶数 2 3 固有频率/Hz 1.630 2.564 3.741 4.285 5.881 6.031 (a) (b) (c) (d) (e) (0 图2YZ-55A型牙轮钻机结构前6阶振型(a)~(①分别为第1阶至第6阶振型 下面，分析如何避免这几阶振型的振动.已知该型钻机的回转转速范围是0~J50r/mn (即0-2.5z).对于回转力矩的激振，根据振型分析，在02.5Hz范围内不会激起扭转振动； 对于轴压力激振，因为牙轮钻机钻头有3个牙轮冲击岩石，它的激振频率应3倍于转速频率， 即0~7.5z,为避免轴压力可能激起的挠曲振动，应避开第1阶和第2阶振型的固有频率 L.630和2.564Hz,对应的转速为77.8和153.8r/min.考虑到钻机能有效地工作，钻机合理的 回转转速应在80~150r/min. 3.2动力响应计算 利用SAP5P结构分析程序进行动力响应计算，可选择振型叠加法；对于节点载荷{的 输入采用列表函数的形式，并且选择一些特殊单元的应力和一些特殊节点的位移输出.图3 是钻架前左立柱上144单元的应力时间历程图.静力计算时，在正常钻进工况下，该单元在钻 架单元上应力值最大，为omax=1.92MPa;动力计算，该单元最大应为o=4.30MPa,则动态 系数为2.24；图4是平台上左横梁上384单元的应力时间历程图，同样，静力计算时，该单元 为平台上最大应力值=5.12MPa,动力计算为omx=7.6MPa,动态系数为1.48.无论从 静态计算或动态计算，结构的安全系数n=o,/om(一般o,=333MPa)是非常高的，这有 待进一步优化设计.图5是钻架前左立柱顶部13节点处的位移时间历程图，静态计算时，该

Vol.20 No.3 孙衍全等：YZ-55A型牙轮钻机整机结构动态特性分析 ·219 节点是钻架位移最大值，2.24cm;图6是平台左横梁上151节点处的位移时间历程图，静态计 算时，该节点为平台位移最大值，0.27cm 6.0 8.0 5.0 6.0 4.0 3.0 4.0 d 2.0 6 2.0 1.0 0.0 0.0 0 0.20.40.60.81.0 0.02.04.06.08.010 t/s Us 图3144单元应力时间历程图 图4384单元应力时间历程图 4.0 5.0 3.0 4.0 3.0 2.0 2.0 1.0 1.04 0.0 0.0 0.0 0.20.40.60.81.0 0.00.20.40.60.81.0 t/s ts 图513节点位移时间历程图 图6151节点位移时间历程图 4结束语 通过动态计算与分析，确定的钻机合理的工作转速，从振型上看，平台结构在前几阶的振 型中没有发生变化，这符合设计要求. 参考文献 1孙衍全，门玉贵，张立刚.YZ-55A型牙轮钻机有限元模型建立及计算分析.冶金设备，1994(3)：14 2杜蜀，门玉贵，周鹏里，方湄牙轮钻机动强度载荷谱的编制，矿山机械，1989(4)：28 Dynamic Characteristics Analysis of YZ-55A Blast-hole Drill's Structure Sun Yanquau Jia Suyan Gong Xiang Zhang Ligang Resources Engineering School UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT Presents the dynamic characteristic analysis of YZ-55A Blast-hole Drill's structure by using SAP5P program.The result shows that the reasonable working rotation speed range should be between 80 and 150 r/min.Based on the load spectrum of YA- 55 Blast-hole,the dynamic stress calculation on YZ-55A is carried out by introducing adjusting coefficient,the structure's vibration modes and strees-time histories are are presented. KTY WORDS blast-hole drill;vibration mode analysis;dynamic mechanic model