全套管全回转钻机支撑立柱与下平台连接性能及强度研究

【摘要】随着我国公路、桥梁、水利、城市建设的快速发展，相关基础施工中成孔成桩的工程机械也得到了发展。全套管全回转钻机是建筑基础桩工工程中完成成孔作业的施工机械，主要应用在基础桩、地下连续墙、基础加固等多种施工过程中。全套管全回转钻机工作条件恶劣，工作环境复杂多变，在工作过程中将受到较大载荷，特别是在两种典型工况下中部平台上升及套管回转下压过程中，支撑立柱与下平台连接受到的附加动态载荷不容忽视，其连接性能是钻机正常工作的关键保证，如何保证钻机平稳、可靠、高效运行是企业一直关注的问题，因此，有必要对支撑立柱与下平台连接性能及强度进行研究。本文围绕口径为Φ2000mm的全套管全回转钻机支撑立柱与下平台连接性能及强度进行了深入的研究，以支撑立柱与下平台连接为研究对象，特别是其中的连接螺栓，结合全套管全回转钻机的典型工况，采用经典理论计算法、刚柔耦合仿真分析方法及疲劳分析方法进行分析，得出其支撑立柱与下平台连接力学性能特性及强度。本文主要研究内容如下：1.综述了全套管全回转钻机的国内外发展状况及支撑立柱与下平台连接结构特点，介绍了连接性能及强度研究的主要内容及方法，分析了所研究内容的研究意义，并给出了本文的分析思路与研究方法。2.对支撑立柱与下平台连接所使用的VDI2230经典理论及计算方法进行了阐述，选择了适合本文的方法，建立了典型的同轴及偏心加载的圆柱模型。基于全套管全回转钻机的结构及作业特点，分析了其支撑立柱与下部平台间的连接关系，针对钻机两种典型工况下中部平台上升及套管回转下压时，分别对支撑立柱与下平台连接螺栓的预紧力、剪力、拉力进行了计算与校核，得到了钻机在两种典型工况时连接螺栓所受的最大拉应力分别为646MPa、725MPa，均未超过材料的许用拉应力940MPa，安全系数分别为1.46、1.3，验证了支撑立柱与下平台连接在钻机运动过程中满足其理论强度要求。3.对支撑立柱与下平台连接在动态条件下进行了仿真分析，分析并研究了支撑立柱与下平台连接螺栓的动应力的特征。采用ADAMS与ANSYS的刚柔耦合联合仿真分析方法，分析了支撑立柱与下平台连接螺栓在钻机两种典型工况下中部平台上升及套管回转下压中动应力、应变的分布状况，并得到动态应力与应变极值及其分布位置。由动力学分析结果可以看出，钻机在两种典型工况中，连接螺栓所受的最大动拉应力分别为705MPa、791MPa，均未超过材料的许用拉应力940MPa。4.对支撑立柱与下平台连接螺栓的疲劳强度进行了分析，得到了连接螺栓在静应力下的理论疲劳寿命及动应力下的疲劳寿命。应用线性疲劳累积损伤理论，按修正迈因纳法则对支撑立柱与下平台连接螺栓进行理论寿命估算，得到理论疲劳寿命为29.2个月。借助刚柔耦合联合仿真中的动态载荷文件，利用疲劳仿真软件nSoft对连接螺栓的疲劳寿命进行仿真分析，并得到动应力下连接螺栓的疲劳损伤位置及疲劳寿命为27.6个月。
【作者】李光志；
【导师】赵克利；
【作者基本信息】吉林大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】全套管全回转钻机；高强度螺栓；强度校核；疲劳寿命；

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