本课题是河南省科技攻关项目(项目编号：0424260102)。主要是对汤姆洛克(洛阳)机械有限公司自行研制的TR1000凿岩机进行静动态分析和测试，以保证该机的强度和工作稳定性。 查阅国内外相关资料，对该机的工作状态和受力特点进行现场调查和测试，进一步了解了各荷载的性质和大小，为初步建立合乎实际的力学模型做好力学上的准备；同时参考现有国外同类机器的材料性质和几何尺寸，结合该机的初步设计方案，确定出该机构件的物理性质和几何尺寸，进而形成该机的力学模型；然后应用材料力学、结构力学等相关知识，对该机应力和变形进行静力方面的初步计算。 凿岩机伸缩臂由薄壁型钢焊接而成，由于载荷不通过薄壁型钢的弯曲中心，伸缩臂结构在复杂载荷作用下不仅要发生弯曲变形，而且还要发生严重的扭转变形，所以在分析计算伸缩臂的强度时，不仅要考虑弯曲变形，同时必须考虑扭转变形问题，这样才能得到符合实际的结果。根据弹性力学理论，非圆截面杆的横截面在扭转变形后要发生翘曲，必须考虑扇形惯性矩的影响，用两端翘曲约束影响的当量惯性矩代替扭转惯性矩。 通过对凿岩机工作时的几种工况进行分析，确定机器伸缩臂的最大受力区域与危险截面，然后对每种工况进行截面受力分析与强度校核。本机的最初设计采用16Mn钢，根据我们的计算该机的初步设计方案不能满足强度要求，建议改变设计，以提高该机的强度。改变后的设计方案，所给材料weldox为超高强度钢，σs=700MPa(屈服极限)，按照形状改变比能理论(第四强度理论)校核，其强度都能够满足要求。 为进一步确保其强度，我们采用功能强大的、技术上非常成熟的商用有限元软件ANSYS8.0对机器伸缩臂进行静动态计算。由于伸缩臂是由薄板对焊起来的箱形结构，因此在计算时视为板壳模型。用节点自由度耦合技术来模拟滑块与各节臂之间的接触，这样更能符合两节臂之间的实际连接情况。通过对伸缩臂实体建模、划分网格、加载计算，得到了伸缩臂竖向位移图、伸缩臂结构应力云图、各测点应力值以及伸缩臂0～300Hz内的前四阶固频以及相应的振型。 课题组于2005年6月份对TR1000型凿岩机伸缩臂结构做了现场应力试验。试验中采用电阻应变片来进行应变和应力的测量，应变片的布置是在理论计算的基础上确定的，也考虑了汤姆洛克洛阳公司技术人员的需要和建议。由于理论计算中发现伸缩臂中间段应力值相对较低，而主要危险截面是在伸缩臂过度截面上，因此应变测点都集中在伸缩臂应力较高的部位。试验的测点均匀地布置在最危险截面处(其中应变花是按+45°、0°、-45°方向贴片)：伸缩臂基本臂的根部正上面和两侧面、二节臂的根部正上和两侧面、距基本臂端部800mm截面处的正上和两侧面。为了使测量结果更加精确，特地在二节臂端部两侧面又布置了几个测点。用YE2537静态应变仪采集试验的数据。 动态测试采用模态分析技术，应用多点激励单点响应的加速度测量，对凿岩机伸缩臂在两种工况下(全伸、全缩)进行了结构动力特性试验，应用东方振动所的DASP程序进行参数识别，获得伸缩臂在两种工况下垂直振动、侧向振动的模态参数及振型；对结果进行相干性检验，保证了结果的可信度；并根据试验结果，分析其动态特性方面可能存在的缺陷，为进一步的改进设计提供试验依据。 通过理论计算、有限元计算和现场测试所得结果分析，可以得出以下结论： 1、用有限元法对伸缩臂结构进行强度、刚度计算分析，因其简化假设较少，其结果应该比常规的解析法更为准确、可靠，且可以获得解析法难以分析的局部区域应力分布，如伸缩臂与变幅液压油缸铰接处，而这些区域往往又是危险部位。有限元分析的结果可为实际设计提供有价值的参考。有限元法计算应力值较大的区域为：基本臂与变幅液压油缸铰接处、两节臂连接处以及伸缩臂与滑梁的连接处，应力最大值为530MPa，说明该机在静态工作情况下其强度足够。 2、本文运用节点自由度耦合技术来模拟滑块与伸缩臂的连接，应力计算结果与实测值较为吻合，最大误差不超过10％，说明计算结果是可靠的。 3、通过对伸缩臂进行了实际约束条件下两种工况的试验模态分析，并对其结果进行了相干性检验，相干系数均大于0.8(γ2＞0.8)，说明动态测试的结果可信。 4、获得了伸缩臂在0-300Hz内两种工况动态特性的各阶模态参数及振型，实测值与有限元计算值(前四阶)基本符合，说明所建力学模型合理，计算所得结果比较可靠，为进行结构优化设计提供了依据。但是由于计算中边界条件的选取不可能完全符合实际，两节臂之间的联结也做了一定的简化，并且伸缩臂上众多细微构件也被忽略，因此计算结果与实测结果存在一定的误差。在动态计算中以上原因引起的误差比在静态计算中要大许多。 5、试验结果分析表明两节臂连接处为伸缩臂薄弱环节，提高两节臂之间的连接刚度，可明显改善各阶振型，降低最大位移。扭转振型主要发生在第二节臂的前端，振型相对比较协调。此结果与实际情况相吻合。 6、在凿岩机工作频段内，全缩工况有一阶固频ω=54.368Hz，易引起结构共振。应适当调整结构参数，使该阶固频避开工作频段。 7、由于该机的动态荷载较为复杂，受各种工作环境和工况条件的影响，对其进行估算和实测都是困难的，因此该机的现场动态响应问题未能进行计算和测试，有待进一步研究。