鉆機變幅機構的力學分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u25515鉆機變幅機構的力學分析綜述 1133581.1鉆機變幅機構的自由度計算 173151.2工作裝置總成的重心計算 3249031.3變幅機構動力 4139391.4工況分析 5138941.5工況下力學建模與分析 81.1鉆機變幅機構的自由度計算如果機構有發生運動，那么需要給出獨立的廣義坐標數，也就是機構的自由度。因鉆機工作裝置承受的是空間力系，使得支撐架、左右桿油缸、搖臂等構成的結構超出剛體靜定力的范疇，是一種空間超靜定結構。但是，因大三角變幅機構的組成，具有多個不同部件，而且支撐架是在幾何層面上是完全對稱的。所以，可采用1/2的對稱面模型來分析整個機構裝配，從而將機構運動簡圖簡化為圖3-1中對稱面的平面機構。圖3-1變幅機構的平面結構簡圖（2-1）在上式中代入測得的數據，可得出機構的自由度，原始動件數與此機構的自由度數相等。所以，此機構具備一定的運動條件。圖3-2整體工作裝置重心坐標估算1.2工作裝置總成的重心計算鉆機變幅機構的存在，主要是為工作裝置總稱的運行提供支撐。工作裝置總成的構成，具體有鉆機、鉆桅、動力頭、鉆桿等，如果要對變幅機構在不同工況下的鉸點力進行計算，首先需要明確變幅機構受工作裝置總成的影響，因而需對重心位置進行估測，以使得計算更方便。重心的求解，應用較多的方法有負積法、分割法。其中，分割法是使用多個已知重心的簡單形狀的物體組合為一物體；負積法是切割物體的一部分，此類方法也適用于分割法公式，但切割的體積應取負值。工作裝置重心示意圖具體可見下圖3-3。分別為大圓盤、副卷揚、下鉆桅、動力頭、中鉆桅、鉆桿、上鉆桅、鵝頭的重心，對應坐標為、、、、、、、、，質量分別為、、、、、、、、；O9為分割參考點，坐標為；O為整體工作裝置重心，坐標為，質量。O至O9的距離，由分割法計算可得出：式內：Gi為各工作裝置的重力；Lyij為y方向上工作裝置重心i到j的距離；Lxij為x方向上工作裝置重心i到j的距離，i=，2，，4，，6，，8，，。1.3變幅機構動力在鉆機中，變幅機構是重要支承機構，以工作裝置為對象進行分析與研究，得出它的受力見圖2-6，對D點力矩，有以下式：式內：β——；db——；δ——；γ為鉸點C、D與工作裝置重心構成的夾角。立桅桿受力FL見下式：圖3-3以三角形框架為對象進行受力分析，可得出它的受力情況，具體見圖3-3。對下臂對三角架的力，使用截面積法進行測算；對三角架的自重不作考量。那么，可得出B點的力平衡方程為：圖3-4兩式結合，測算出下臂對三角架的作用力。以上臂為對象進行受力分析，可得出它的受力情況，具體見圖3-5。對A點取力矩，那么可得出變幅油缸有以下力平衡方程：由公式聯立，對變幅油缸的作用FB進行求解：結合工況的不同，測算出變幅油缸受力的最大值：圖3-5上臂受力模型1.4工況分析搖桿在設置作業時在任意位置，取與水平面成任意角α1，鉆桅在這個時候是垂直的。各銷軸線，滑輪，鋼絲繩等的摩擦力和四缸液壓變幅重力不作考量。所以，旋挖鉆機在提鉆工況下整機承受的外力大致有提鉆阻力Ff、整體工作裝置重力G、風載P、地面支撐力FN及其它結構件的重力。在施工過程中，如果有使用到靜漿護壁，因鉆桿與鉆機有部分在泥漿面下，鉆井液會提供工作裝置一定的FP浮力，方向與載荷的作用力相反；但是，如果鉆桿與鉆機在泥漿面以上，那么不會產生浮力，另外，鉆井液初升時，也會產生由鉆桿、鉆機和泥渣引起的慣性作用力FR。但是在提鉆過程中，動頭此時已停止，加壓油缸不僅需要提供提鉆需要的提升力FI，而且需要承受提鉆阻力、動頭、工作裝置等共同產生的偏心差M1。主卷揚鋼絲繩需要提供提升力F2，因采用關節軸承作為連接液壓缸的結構部件，使得液壓缸受到的作用僅為軸向力，一般不存在彎矩。所以，不管是調桅油缸，或者是搖臂變幅油缸，均可看作是雙力桿作用。因而，以鉆桿為對象進行受力分析，可得出它的受力情況，具體見圖3-3，平衡方程式如下：以搖臂為對象進行受力分析，可得出它的受力情況，具體見圖3-5，平衡方程為：式內：F1為工作裝置受到的加壓油缸施加的作用力；F2為主卷揚鋼絲繩拉力；FH為工作裝置受到的調桅油缸施加的作用力；FL為搖臂變幅油缸對工作裝置受到的搖臂變幅油缸施加的作用力；Ga、Gb、Gc分別為搖臂總成、支撐架總成、連接架總成的重力；G′為鉆桅總成的重力；FAx、FAy為水平、垂直方向上鉸點A約束力的分力；FBx、FBy為為水平、垂直方向上鉸點B約束力的分力；FCx、FCy水平、垂直方向上鉸點C約束力的分力；FDx、FDy為水平、垂直方向上鉸點D約束力的分力；FEx、FEy為水平、垂直方向上鉸點E約束力的分力；FJx、FJy為水平、垂直方向上鉸點J約束力的分力；M1為提鉆阻力、動力頭、工作裝置和鉆桿共同產生的偏心距；M2為泥漿浮力、動力頭、鉆進阻力、鉆桿等共同產生的偏心距a為水平方向上前部主滑輪中心與前部鋼絲繩的距離；b為垂直方向上鉸點J與背滑輪中心的距離；C、d分別為搖臂總成重心與鉸點A之間的水平距離、垂直距離；θ為垂直方向上調桅油缸對工作裝置的作用力F的夾角；λ為垂直方向上后部鋼絲繩拉力的夾角；ζ為水平方向上搖臂變幅油缸對工作裝置的作用力的夾角；（a）提鉆工況下鉆桅受力簡圖（b）搖臂受力分析簡圖（c）支撐架受力簡圖（d）連接架受力分析圖3-6四種工況受力分析1.5工況下力學建模與分析在大三角變幅機構發生變幅的工況下，搖臂式變幅油缸能夠對鉆桿的工作半徑進行調整，調桅油缸能夠收縮或伸展。在運輸裝配的工況下，調桅油缸可前傾，使得鉆桿與地面保持平行；在施工前，調桅油缸工作，拉升鉆桿至與地面垂直；在工位控制鉆桿轉置，對鉆桿后傾角度進行調節(小于15°)，使得鉆桿移至成孔位置，然后搖臂變幅油缸、調桅油缸交替作用，使得鉆桿的位置、姿態調整適當，在滿足精確定位要求后，方可進行成孔作業。對動力頭、鉆機、鉆桅、鉆桿等工作裝置，簡化為O型，并與搖臂和鉆桅的鉸點J、調桅油缸和鉆桅的鉸點I構成OIJ型，以BEF型為支撐架，以三角形AJK型為搖臂，以CDEM型為連接架，已知工作裝置受搖臂變幅油缸施加的作用力為FL，工作裝置的重力為G，工作裝置受到調桅油缸施加的作用力為FH，當一液壓油缸運動，另一液壓油缸自鎖。此時，對整個工作裝置進行分析，可得出它的受力情況，具體見圖3-4，列平衡方程如下：根據圖中幾何關系可求得：由三角形正弦定理求α2得：由三角形余弦定理求LFI得：聯立以上方程可解得：式內：LJF為鉸點J、F之間的距離；G為整體工作裝置的重力；φ為直線IJ、JF之間的夾角，為常值；LIJ為鉸點I、J之間的距離；δ為直線OJ、OI之間的夾角，為常值；LOJ為整體工作裝置重心；γ為直線IJ、OJ之間的夾角，為常值；α2為直線IJ、FI之間的夾角；LFI為調桅油缸舉升長度；β為整體工作裝置重力與直線OJ的夾角；α1為在水平方向上直線AJ構成的夾角；a為直線IJ、JK之間的夾角。調桅油缸在全工作裝置變幅過程中受力最大，后傾角為15°時受力最大，后傾角降低時受力逐漸減小，后傾角為5°時受力最大，后傾角為5°時受力最大。拆下鉆機、鉆桿、動