综合实验装置工作平台固有振动特性研究

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1、综合实验装置工作平台固有振动特性研究【摘要】本文应用ANSYS软件对高温高压物理研究所研制的综合实验装置（以下简称微钻台）中工作平台的固有振动特性进行了模态分析。建立了工作平台有限元模型，计算得出了相应振型并进行了相应分析。结果表明：微钻台上DJ2235B-ZIZ-QC1-235型钻机在钻进岩石时，工作平台不会因共振而侧翻。【关键词】微钻台；振动；有限元法；模态分析微钻台是为金刚石钻头对钻石的可钻性提供分级方法的主要硬件设备，是多种技术结合的机电产品，也是进行科学钻探技术研究的重要设备。现在微钻台正朝着移动性好，功能全面，可靠性高，安全性能好等方向发展［1］。本文所涉及的微钻台是为模

2、拟实际钻机的钻进过程及其研究锚杆钻头的使用寿命而设计的。在工作平台的工进过程中，由于工作平台受到钻压及扭矩的综合作用，振动会很大。但结构的设计上，由于工作台面是套在轴承上的，连接不牢靠，如果钻机产生的激振频率与工作平台的固有频率相近就可能产生共振，这样工作平台就会产生较大振幅的振动，可能出现工作平台的侧翻，导致严重事故；同时也为了通过振动分析验证所设计的微钻台上工作平台结构的可靠性，因此，对工作平台进行了模态分析。1工作平台有限元模型的建立工作平台的分析：其在工作时产生的振动主要来自于钻头钻进过程中竖直方向钻压以及钻头旋转对工作平台产生扭矩的综合影响，但由于扭矩产生的影响较小，可忽略

3、不计,主要考虑钻压的影响。在钻进过程中，由文献［2］通过计算得到钻压大概为474&1N。在加边界条件时，由于工作平台下部孔与轴承之间是过渡配合，且下底面在轴承底座之上，且左边三侧孔的作用为平衡钻头在钻进过程中工作平台的扭矩，故在进行模态分析时边界条件为工作平台下部孔的径向约束，孔下底面竖直方向的约束及侧面三孔沿径向的约束。模型采用solid92单元计算，工作平台材料为45钢，弹性模量2.06X1011pa,泊松比u=0.3,密度为7850kg/m3。2计算结果与分析在ANSYS中经过建立模型，加载求解，扩展模态，结果后处理几个步骤可得到工作平台前十阶载荷步固有频率及振型，由于模型的对

4、称性，第一子步和第二子步频率相同，均为第一阶频率，依此类推。计算所得到的固有频率值如下表1所示，取20个子步分析6阶模态，振型如下图1〜图4所示。一般情况下共振频率主要发生在低、中频段，因此只需要提取模态分析的低中频段的各阶模态基本上能满足对工作平台动力学研究的要求。本文指定的扩展模态数为20阶,即提取20阶模态数的10阶振型来研究工作平台的振动特性。查阅鼎坚DJ2235B-ZIZ-QC1-235型微型钻机的相关资料，可知该微型钻机空载转速为700/min,输入功率3.5KW,额定频率为50HZ。由于该钻机的转速不可调，只能在额定的转速下工作，故产生的激振频率为其额定频率50HZo由

5、表1所得前20阶载荷步的频率值范为1.8709HZ〜11.781HZ之间，远小于微型钻机的激振频率50HZ,故工作平台在工作时不会产生共振，也不会因共振而侧翻。由以上各阶振型图可知，第一阶振型频率1.871HZ,表现为沿中心面的扭转变形；第二阶振型频率为2.397HZ,表现为前后方向的上下振动变形；第三阶振型频率为4.212HZ,表现为前后左右四个方向的上下振动变形；第四阶振型频率为6.832HZ,表现为前后左右四个方向的上下振动变形；最小振幅均发生在工作平台的下部的圆柱体上即振型图的上面MN所示处，最大振幅在各阶振型中的地方各不相同在各图所示MX所示处，其值在0.176e-4〜0.

6、512e-4（单位：mm）,最大振幅值比较小基本可以忽略。第三、四阶振型工作平台变形较大，其它振型工作平台变形较小，但整体来都讲不会影响工作平台的正常工作，相对共振来说基本可以忽略，整体结构设计基本合理。3结论3.1通过频率的分析可知，工作平台在工作时不会产生共振，也不会因共振而侧翻。3.2从各阶振型可以看出，工作平台整体结构设计比较合理，无明显的薄弱部位。【参考文献】[1]周文青•微钻台可靠性研究[D].武汉：武汉理工大学，2011.[2]邓裕荣.表镶金刚石钻头钻头钻压计算问题的探讨[J].地质与勘探,1980(6)：70-73.[责任编辑：王静]