【摘要】：大直徑沖擊反循環(huán)鉆機是一種用于鉆孔的大型工程機械,目前被廣泛應用在大型建筑物、橋梁等工程作業(yè)過程中,但與其配套使用的鉆頭因為長期遭受連續(xù)的沖擊載荷作用,結構件斷裂、焊縫開裂等現(xiàn)象時有發(fā)生,導致鉆頭使用壽命極低,因此對鉆頭進行疲勞破壞研究及疲勞壽命的預測十分必要。本文主要以YCJF-25型沖擊反循環(huán)鉆頭為研究對象,對鉆頭進行了模態(tài)分析,獲得了鉆頭的前幾階振型,以及鉆頭的固有頻率,表明鉆機不會因共振而產生破壞。采用ANSYS Workbench中的顯式動力學模擬了鉆頭在不同工況下的沖擊過程,對鉆頭在工作過程中的受力情況進行了分析,得到了鉆頭沖擊過程中沖擊參數、地層工況及鉆頭偏載對鉆頭應力分布的影響關系。分析表明,隨著沖擊高度的增加,鉆頭沖擊過程所受應力逐漸增大,隨著地層的變硬,應力值同樣會變大。不論何種情況,鉆頭內圈3及其沖擊階梯面所受應力總是最大,內圈2次之;偏載導致與地層交界處接觸的鉆頭端面應力集中,使所受應力大于正常工作條件下鉆頭所受應力。對鉆頭沖擊過程中的沖擊力進行了計算,利用ANSYS nCode Design Life疲勞分析軟件分別對鉆頭在正常工作和偏載兩種狀態(tài)下的疲勞壽命進行了評估,獲得了鉆頭的疲勞壽命和疲勞破壞的危險點。正常工作條件下鉆頭疲勞壽命預測為8.39×105,偏載狀態(tài)下鉆頭疲勞壽命降低到原來的七分之一。進而研究了沖擊頻率對鉆頭疲勞壽命的影響。分析表明,沖擊頻率增加一倍的情況下,鉆頭壽命降低兩個數量級,大大降低了壽命,驗證了鉆機工作頻率的合理性。根據分析結果,從材料和施加筋板布置兩個方面入手,對原有鉆頭進行了優(yōu)化分析,鉆頭內圈2、3材料由Q235改為Q345使鉆頭疲勞壽命提高到原來的1.2倍,鉆頭整體材料全部改為Q345后疲勞壽命提高到原來的2.1倍,施加筋板使鉆頭疲勞壽命提高到原來的3.3倍,為大直徑沖擊反循環(huán)鉆頭的進一步改進提供了理論依據。
[Abstract]:Large diameter impact reverse circulation drilling rig is a kind of large engineering machinery used for drilling holes. At present, it is widely used in large buildings, bridges and other engineering processes, but the bits used with it are subjected to continuous impact loads for a long time. The breakage of structural parts and the cracking of welds occur from time to time, which leads to the extremely low service life of the bit. Therefore, it is necessary to study the fatigue failure and predict the fatigue life of the bit. This paper mainly takes YCJF-25 type impact reverse circulation bit as the research object, carries on the modal analysis to the bit, obtains the bit first several vibration modes, as well as the bit natural frequency, indicates that the drill rig will not be damaged by resonance. The explicit dynamics in ANSYS Workbench is used to simulate the impact process of bit under different working conditions. The stress of bit during operation is analyzed, and the impact parameters are obtained. The influence of formation condition and bit bias load on bit stress distribution. The analysis shows that with the increase of the impact height, the stress of the bit during the impact process increases gradually, and the stress value increases with the hardening of the formation. In any case, the stress on the drill inner ring 3 and its impact stepped surface is always the largest, followed by the inner ring 2, and the stress concentration on the end face of the bit in contact with the formation is caused by the bias load, which makes the stress greater than that of the bit under normal working conditions. The impact force during bit impact is calculated, and the fatigue life of bit under normal working and biasing load is evaluated by ANSYS nCode Design Life fatigue analysis software. The fatigue life of drill bit and the dangerous point of fatigue failure are obtained. Under normal working conditions, the prediction of bit fatigue life is 8.39 脳 10 ~ 5, and the bit fatigue life under biased load decreases to 1/7. Furthermore, the influence of impact frequency on bit fatigue life is studied. The analysis shows that the drill bit life is reduced by two orders of magnitude when the impact frequency is doubled, which greatly reduces the life span and verifies the reasonableness of the drilling rig's working frequency. Based on the analysis results, the optimization analysis of the original bit is carried out from the aspects of material and stiffening plate arrangement. The material of drill inner ring 2n3 is changed from Q235 to Q345, and the fatigue life of the bit is increased to 1.2 times as long as the original one. The whole material of the bit is changed to Q345 and the fatigue life of the drill is increased to 2.1 times of the original, and the fatigue life of the bit is increased to 3.3 times by applying the stiffening plate, which provides a theoretical basis for the further improvement of the large-diameter impact reverse circulation bit.
【學位授予單位】：山東建筑大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TU631

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本文編號：2202267