摘要 利用ANSYS有限元分析软件，建立全回转钻机导向柱的有限元分析模型，并进行有限元结构强度分析。与传统的类比法和经验法相比，本文首次引入有限元分析软件ANSYS对导向柱进行结构强度分析，并综合结构强度的理论计算结果，使得导向柱的结构设计更加合理可靠。
关键词 ANSYS 全回转钻机 导向柱
0 引言
全套管全回转钻机（以下简称“全回转钻机”）是集全液压动力和传动、机电液联合控制于一体的一种新型钻机。这是一种新型、环保、高效的钻进技术，具有无振动、无泥浆而作业面干净、成桩质量高、钻进速度快、成孔垂直度高、成孔直径标准和充盈系数小等优点。国内自上世纪90年代开始引进全套管全回转钻机用于桥梁和铁路建设并随着2011年徐州盾安重工推出国内第一台全回转钻机DTR1505，全回转钻机成桩的施工工法正逐步为国内各个施工单位、设计院（设计单位）所接受，尤其在城市地铁、深基坑围护咬合桩、废桩（地下障碍）的清理、道路、桥梁等项目中得到广泛和深入的应用。
随着全回转钻机[1]的广泛应用，其产品型号不断快速丰富与完善，前期全回转钻机的结构设计主要采用类比法和经验法进行设计，鲜有借助现代化设计手段（如ANSYS）对全回转钻机进行结构分析与优化。
本文基于有限元分析软件ANSYS，建立全回转钻机导向柱的有限元分析模型[2]，并与理论计算结果进行对比分析，使得导向柱的结构设计更加合理可靠。
1 导向柱结构形式的阐述
全回转钻机的主机结构部分主要由底座、副夹紧、传动箱、顶层、立柱、走台护栏组成，并含有楔形夹紧装置[3]、压拔油缸、支腿油缸和夹紧油缸。立柱的主结构一般包含有导向柱、滑动立柱、外滑套、铜套，并装配有压拔油缸。导向柱（如图1所示）的下端用环形压板与底座连成一体，上端装配有铜套1（可相对外滑套内孔进行滑动），靠近下端留有与压拔油缸连接用的销轴孔，外圆表面有与外滑套上的铜套进行相对滑动的工作面。
2 导向柱的结构强度分析
2.1 结构强度理论分析
通过对全回转钻机的工况分析，针对压拔油缸处于完全伸出、传动箱输出最大扭矩时，
根据以上理论计算公式，求得立柱复合应力为249MPa。
2.2 有限元分析
2.2.1 基于ANSYS有限元模型的建立
在ANSYS中，使用牛（N）毫米（mm）兆帕（MPa）单位系统，采用shell181、link180和mass21单元，利用link180单元模拟接触分析，建立如图2所示的有限元模型并进行求解。本次模型分析时因未考虑压拔油缸对导向柱的受力影响，因此建模时忽略销轴孔对导向柱的强度影响（应力最大区域出现在导向柱下端的根部）。
2.2.2 结构强度有限元分析
根据导向柱有限元模型分析计算，求得如图3所示的导向柱应力云图。通过观察图3导向柱的应力云图可知，导向柱最大应力为291MPa、为应力集中点，主体应力处于250MPa以内。本次导向柱有限元计算分析得到的应力与理论计算结果相符合（有限元计算结果更精确、要比理论计算结果适当偏大）。
3 结论
通过对导向柱的受力进行理论计算和有限元ANSYS分析共同设计导向柱的结构。与传统的类比法和经验法相比，本文首次引入有限元分析软件ANSYS对导向柱进行结构强度分析，并综合结构强度的理论计算结果，使得导向柱的结构设计更加合理可靠。
参考文献
[1]胡甲磊，魏垂勇，刘梁军.全回转全套管钻机[P].北京：
[2]张朝晖.ANSYS 12.0结构分析工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社，2010：253-264.
[3]滕聪,曹超，李赛赛，钱万磊.全套管全回转钻机套管夹紧装置[P].北京：
论文作者:朱斌 胡甲磊 王磊 李志坚
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第16期
论文发表时间:2019/10/17
标签：钻机论文; 导向论文; 有限元论文; 结构论文; 强度论文; 应力论文; 理论论文; 《工程管理前沿》2019年第16期论文;