伞形钻架动臂应变测试实验

F型伞形钻架动臂的断面结构形式是通过SAP5大形结构分析程序有限元法电算结果分析对比选用的，为验证动臂电算结果的可靠性，根据电算设计的动臂结构图，对动臂进行了静态应变测试。经过模拟静态负载实验，证实了动臂静态强度的可靠性和忽略偏载剪应力存在可行性。

动臂受力工况分析

伞钻动臂受力最大的情况是在钻凿井筒的周边孔时，此时有两种工况：

1. 推进器处于悬空状态，称为第一工况。此时，动臂承受的载荷主要是推进器重量、凿岩机重量、钎杆重量、液压操纵台重量等，计算最大载荷为：G_1max=G_t+G_a+G_r+G_h

式中 G_1max——第一工况时，动臂承受的最大载荷

G_t——推进器重量

G_a——凿岩机重量

G_r——钎杆重量

G_h——液压操作台重量

2. 凿岩机处在钻凿炮孔的过程中，称为第二工况。此时动臂承受的载荷除有推进器重量、凿岩机重量、钎杆重量及液压操纵台重量以外，还有补偿油缸对工作面的预紧力和有变化的凿岩机的冲击力。那么，此时的计算最大载荷为：G_2max=-G_1max+F_p1+F_p2

式中 G_2max——第二工况时，动臂承受的最大载荷

F_p1——凿岩机的冲击力

F_p2——补偿油缸对工作面的预紧力

以上两种工况作为动臂静态强度最大载荷情况，也作为静态强度实验的模拟载荷。

应变测试实验过程

动臂模拟加载装置

图1为第一工况动臂模拟加载装置，图2为第二工况动臂模拟加载装置。为简化实验部件，原动臂、支臂、油缸和倾斜油缸用固定拉杆代替。加载办法按两种工况分别进行，用标准码加载。测量仪器采用聚航科技生产的JHYC静态应变仪，多通道测量、软件式操作、功能强大、精度高。

贴片位置选择原则

1. 能够代表电算标定的14个结点中主要的断面位置。

2. 能够包括危险断面、内力有变化的断面和形状尺寸有变化的断面。

3. 能够代表一些需要了解其应力状态的断面。

图3为电算动臂力学模型结点图。根据贴片选择原则，在结点7断面处W轴正向贴有检验扭转应力的贴片，在结点12、13断面处W轴正向贴有应变花，以检验动臂侧面剪应力的影响。对电算标定的4、7、8、9、10、11各断面，按主应力为已知方向选用箔式应变单片，对12、13断面选用箔式应变花。

加载方法

1. 第一工况按2000N、4000N、5000N三级加载。

2. 第二工况按1000N、2000N、3000N三级加载。

动臂的静态应变测试

表1、表2为全部实验采集的应变值和部分换算的应力值。（A为断面右上角；B为断面左下角；C为断面上中点；D为断面右中点）

从表1、表2中的电测统计应力值，可得知7点处两种工况电测应力值较大。在第一工况下，最大弯曲应力σ_max1=130.8MPa，在第二工况下，最大弯曲应力σ_max2=89.8MPa，按20号无缝钢管σ=250MPa，则其安全系数分别为n₁=250/130.8≈1.91，n₂=250/89.8≈2.78。从静态最大弯曲应力值分析，一般安全系数宜取1.6-1.7，所以认为此结构偏于安全的。

实验结论

动臂的强度设计既要保证凿岩机钻凿状态工作的稳定性，提高钻孔速度，又要使整机重量不超过伞钻标准规定的限度，适应竖井井筒掘进机械配套提升能力的要求。从动臂静态强度实验分析得出如下结论：

1. 新设计的动臂结构强度是好的。

2. 为提高7点处的强度，应适当加强7点的筋板，以减少应力。

3. 从电测扭转剪应力值看，数值是较小的，对各结点危险部位的应力状态单元体的最大主应力影响不大，电算时，忽略剪应力的影响是可行的。