旋挖钻机截割部件的优化设计研究

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旋挖钻机截割部件由截齿和截齿座构成,在切削中常处在高负载工况下工作。恶劣的工况提高了截割部件发生破坏的概率:对于截齿座的失效有70%是由焊缝开裂导致,在焊接工况恶劣的地区尤为明显;对于截齿失效基本都源于硬质合金头的磨损、脱落、崩刃、变形、折断。本文针对截割部件因焊缝开裂导致失效的问题展开优化设计;针对截齿硬质合金头的失效问题,通过采用锥形PDC齿并进行抗冲击性分析与切削分析,降低锥齿损坏的概率。本文的研究成果主要有以下几个方面:设计出一种新型截割部件结构,该结构通过引入方形夹板与螺栓改变截齿座和钻筒间的连接方式,预期将降低截割部件安装过程中的焊接难度,实现了截割易损部件的便捷更换,提高了旋挖工作效率,对于高寒缺氧地区旋挖钻机截齿座的更换提供新的思路。有限元仿真显示整体结构包括螺栓都处于许用应力范围之内,符合强度准则;经现场试验后新结构主体无破坏具有可行性,个别螺栓出现变形,螺栓设计需增加强度。对于截割部件中大尺寸锥形PDC齿的切向抗冲击能力进行分析,研究基体直径对于锥齿抗冲击性能的影响。根据前人的试验成果确定试验中的对照组与试验组并设计冲击分析方案。方案分为仿真部分与现场试验部分,仿真分析显示D20系列锥齿较D14切向抗冲击能力更为优异。现场试验验证D20系列锥角68°锥形PDC齿断裂冲击能区间为1200J-1800J,预估得出该系列锥角71°断裂冲击能为1200J,锥角74°断裂冲击能为855J。结果表明增加基体直径能够极大的提升锥形PDC齿的切向抗冲击能力。对锥形PDC齿进行切削分析,评判不同规格锥齿的应用工况。有限元分析显示D20系列的在切削面积、切削阻力、切削面应力均大于D14系列,且在同系列中随着锥角增大切削难度提升;现场试验显示D14锥齿的磨损圆面积为2.89mm~2,最大半径为1.13mm;D20锥齿的磨损圆面积为9.35mm~2,最大半径为2.69mm。综合来看对于岩层分布均匀的地况进行切削破岩时,切削阻力为影响锥齿寿命的主要因素,应用小尺寸锥形PDC齿较为合适;在岩层分布不均匀地况施工时,切向冲击力为影响锥齿寿命的主要因素,应用大尺寸锥形PDC齿更为合适。
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