旋挖钻机桅杆载荷谱的编制

Ｐ１ 处产生应变分别为 kT１T，kT２T；当加压力 p 单独加 载时，其在全桥 Ｔ１、Ｐ１ 处产生应变分别为 kp1p，kp２p。 据此，在加压钻进工况下，即转矩和加压力同时作
图 4 修改前后的动力头连接杆结构
2.2 动力头连接杆传感器的制作 动力头连接杆共左右两个，对称分布。其中左
连接杆与右连接杆组桥测转矩，左连接杆自组桥测 加压力。通过采用全桥四臂连接方式，使得该测力 传感器具有较高的灵敏度，并尽可能地消除连接杆 间的相互影响，从而实现对动力头载荷连续而直接 的测试。动力头连接杆的测点分布及组桥如图 ５ 所 示，测点 １、２、３、４ 组成全桥 Ｔ１ 测转矩，测点 ５、６、７、 ８ 组成全桥 Ｐ１ 测加压力。
４ 桅杆载荷谱的编制
载荷谱具有统计特性，它能本质地反映载荷变 化情况。将实测的载荷-时间历程通过处理、分析， 使其成为具有代表性，能反映实际情况的典型载荷 谱的过程称为编谱［４］。
在进行载荷谱编制前，采用雨流计数法［５］对实
图 7 动力头载荷-时间历程（局部）
测的桅杆动力头载荷-时间历程进行循环统计计
本文从制动回路的控制方式改进及制动力匹 配优化两个角度出发，改进了某六轴全地面起重机 的制动控制系统，使整机满足了法规对于行车制动 的要求。除上述两方面外，影响整机制动性能的因
［５］ 傅直全，夏群生，何乐． 气压 ＡＢＳ 系统流量特性的实验 研究［Ｊ］． 汽车技术，２００３（１２）：１９－２２．
［６］ 刘志强，赵艳萍，路森林． 全地面汽车起重机制动安全 性能分析［Ｊ］． 中国安全科学学报，１９９９（２）：６８－７２．
（６）
p＝－０．０１１ ３３５εT＋０．０５０ ９４４εP
（７）
ε 是在动力头转矩 T 以及加压力 p 共同作用下耦合
的结果，即：
kTiT＋kpip=εi i＝１，２，３，…
（１）
３ 载荷的实测与处理
试验在北京三一重机花塔山试验场进行。该试
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图 3 动力头应力云图
由图 ３ 可以看出，动力头连接杆在载荷作用下 有较高的响应，但其对载荷的响应依然不够敏感， 不能满足测力传感器对测试精度的要求，于是在不 影响旋挖钻机正常工作的前提下对连接杆结构进
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பைடு நூலகம்
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行修改，人为地制造应力集中区域，提高其对载荷 式中：ε 为任一测点应变；T 为转矩；p 为加压力；kTi
级、３２ 级。各级应力幅值组的上限值 DiＳ、下限值 DiＸ
可以分别表示为：
誖DiＳ＝σa ｍｉｎ＋i×D
i＝１，２，…，N
DiX＝σa ｍｉｎ＋（i－１）×D
（９）
σai＝
DiＳ＋DiX 2
i＝１，２，…，N
（１０）
式中：σai 为第 i 级的组中值；DiＳ和 DiX 分别为第 i 级
的组上限值和组下限值。
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由表 ４ 可知，该六轴全地面起重机时速为 ３０ 和优化。
ｋｍ／ｈ 时的制动距离为 ９．８７ ｍ，制动过程中充分发出
参考文献
研 的制动减速度是 ５．５ ｍ／ｓ２，满足国家法规对于行车安 究 全的要求。
４ 结论
［１］ ＧＢ ７２５８－２０１２ 机动车运行安全技术条件［Ｓ］． ［２］ ＧＢ １２６７６－１９９９ 汽车制动系统结构、性能和试验方法［Ｓ］． ［３］ 刘惟信． 汽车设计［Ｍ］． 北京：清华大学出版社，２００１． ［４］ 余志生．汽车理论［Ｍ］． 机械工业出版社，２００７．
关键词：旋挖钻机；桅杆；载荷谱；有限元分析；测力传感器
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桅杆是旋挖钻机的重要结构组成，它不仅为动 力头和钻杆的上下运动导向，调整其前后左右位 置，还承受钻杆、钻头等在作业时产生的各种载荷， 因此桅杆结构设计的优劣，技术性能的好坏和使用 寿命的长短，对钻机本体至关重要。而在实际工程 使用中，旋挖钻机桅杆总体故障率较高，为了降低 故障率，延长其使用寿命，必须对桅杆结构进行修 改，而结构修改的基础是要获得桅杆在实际工作条 件下的载荷谱。以 ＳＲ２８０ＲⅡ型旋挖钻机桅杆为研 究对象，对其进行载荷谱测试，编制桅杆在实际工 况下的载荷谱，为其结构优化设计提供有价值的参 考，为开发新型钻机提供可靠的依据。
（２）动力头结构。一般为液压动力驱动、齿轮 机构减速，由回转机构、动力驱动机构及支撑机构
作者简介：陈璨（１９８８—），男，河南人，在读硕士，研究方向：结构强度与可靠性研究。
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头整体三维模型，然后用 Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 软件对动力头 试 三维模型进行网格划分，划分时使用六面体单元， 验
利用 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ 软件建立旋挖钻机桅杆动力
图 2 动力头的网格划分
旋挖钻机动力头额定最大输出转矩为 ２８０ ｋＮ· ｍ，最大加压力为 ２１０ ｋＮ。按照载荷系特点，在动力 头与桅杆导轨接触面施加约束，在动力头与钻杆 的接触面上创建 ｒｉｇｉｄｓ 刚性节点，按照动力头额定 最大功率施加载荷，在 ＡＮＳＹＳ 中对有限元模型进 行静强度分析，根据应力云图找出各载荷系的响 应敏感区，为测力传感器的制作提供依据。动力头 材料为 Ｑ４３５ 钢。分析后获得的动力头应力分布云 图如图 ３ 所示。
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将网格划分后的动力头模型导入 ＡＮＳＹＳ 软件中［２］。 研
动力头网络划分后如图 ２ 所示。
究
图 1 SR280RⅡ型旋挖钻机桅杆结构示意图
组成。 （３）钻杆和钻头。根据钻孔时采用的钻进加压
方式不同，钻杆可以分为摩擦加压式钻杆、机锁加 压式钻杆和组合加压式钻杆。常用的旋挖钻机钻头 有短螺旋钻头、回转斗钻头和岩芯钻钻头等 ３ 种结 构。在实际使用中，需要根据工况的不同，对钻杆和 钻头进行合理的搭配组合。
（５）
2.4 载荷识别系数的标定
采用准静态法［３］对动力头连接杆的载荷识别系
数进行标定。标定试验采用 ＥＤＳ 静态应变仪测量记
录动力头连接杆的应变值。转矩标定时，由动力头进
行转矩的加载，实时转矩值由压力传感器的读数与
力臂的乘积获知；加压力标定时，由动力头对钻杆施
加加压力，实时加压力值由钻杆处放置的压力传感
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试 验
研 究
图 6 动力头连接杆载荷-应变特性
验场环境复杂，自地表往下依次为土壤、碎石和整 体岩层，满足旋挖钻机在实际工况下进行载荷测试 所需的条件；试验测试共进行近 ３１ ｈ，采取全程数 据采集，包括各种工况及不同钻头条件下的数据， 因此测试结果具有有效性和普遍性。
数据采集使用了 ＨＢＭ 公司的 ｅＤＡＱ 数据采集 系统，该系统采用多通道、大容量、高速采样技术。 数据采样频率为 ５００ Ｈｚ，而旋挖钻机的有效工作频 率低于 ５０ Ｈｚ，故该采样频率足以保证数据的完整 性。数据处理方面，采用专用数据处理软件，对实测 信号进行去除零漂、排除干扰、提高信噪比等处理 方式，将各种干扰信号进行剔除，以获得准确的测 试结果。按照式（６）、式（７），对采集到的全桥 Ｔ１、Ｐ１ 的应变实测数据进行计算，即可获得动力头转矩 T 及加压力 p 的极值和载荷时间历程。处理后获得的 载荷-时间历程（局部）如图 ７ 所示。
响应的敏感性。修改前后的动力头连接杆结构如图 为转矩识别系数， 即单位转矩在该测点所产生的应
研 ４ 所示。 究
变；kpi 为加压力识别系数，即单位加压力在该测点 所产生的应变。
实际情况下，在动力头转矩或加压力单独加载
时，全桥 Ｔ１ 和全桥 Ｐ１ 均应有相应的应变值变化。
由式（１）可得，当转矩 T 单独加载时，其在全桥 Ｔ１、
2.3 载荷识别方法
将各载荷识别系数值代入式（４）、式（５），可得
旋挖钻机桅杆在作业时主要受动力头转矩和 动力头加压力的反作用力影响，因此作为力的主要 传递部件，动力头连接杆传感器上任意一点的应变
到计算动力头转矩 T 和加压力 p 的计算表达式：
T＝０．２５５ ３５５ ８εT－０．０２４ ０７１εP
用时，全桥 Ｔ１、Ｐ１ 处的应变公式为：
kT1T＋kp1p=εT
（２）
kT2T＋kp2p=εP
（３）
式中：εT，εP 分别为全桥 Ｔ１ 和 Ｐ１ 处的应变值。
式（２）、式（３）联立求解即可得转矩 T 和加压力
p 的计算式：
T＝
kp2εT－kp1εＰ kp2kT1－kp2kT2
（４）
p＝
kT2εT－kT1εP kT2kp1－kT1kp2
数，获得载荷幅值、均值和相应频次之间的关系。
目前国内外常采用“波动中心法”进行一维载
荷谱的编制。将所有载荷循环均值的平均值定义为
波动中心，以波动中心作为载荷循环的静载部分，
幅值作为动载部分，将幅值叠加于波动中心之上［６］。
在编制一维载荷谱时，先对输入数据进行扫
描，找到载荷幅值的最大值和最小值，再按下式进
素还有：储气筒的布置位置、管路的管径匹配、系统 通信地址：江苏省徐州市云龙区铜山路 165 号 徐州重型机
压力的设定等因素［６］。只有综合考虑这些方面，才能 械有限公司（221004）
（收稿日期：２０１３－０７－０７）
使整机的制动性能及制动稳定性得到进一步提升
旋挖钻机桅杆载荷谱的编制
陈 璨，李 强，杨广雪，林 浩 （北京交通大学机械与电子控制工程学院）
１ 旋挖钻机桅杆的结构组成
ＳＲ２８０ＲⅡ型旋挖钻机结构示意图如图 １ 所示。 旋挖钻机桅杆主要包括以下几部分结构［１］：