白祖衛(wèi)，王順平，黃軍航

(陜西西探地質(zhì)裝備有限公司，陜西西安710089)

伴隨著平原礦產(chǎn)資源越來越多的被勘探查明，山區(qū)的礦產(chǎn)資源急需被勘查鉆探，山區(qū)勘探要求勘探設(shè)備的輕便便攜，為此我們研制出了XDQ－1200型鉆機，它是一款輕型的專門針對山區(qū)丘陵地帶，適用于中深孔取心鉆探的巖心鉆機。而液壓動力頭作為它的重要部件，其性能在一定程度上決定了鉆進(jìn)的工藝工法、施工的效率和鉆進(jìn)的可靠性，本次動力頭設(shè)計不僅要從性能上要達(dá)到中深孔取心鉆探的巖心鉆機的對扭矩、鉆速的要求，同時還要達(dá)到便于在山區(qū)搬運的要求。為此我們在達(dá)到力學(xué)性能的基礎(chǔ)上需要優(yōu)化設(shè)計，減輕重大結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，并從結(jié)構(gòu)上想辦法，用分體式的方法讓搬運的模塊單件質(zhì)量≯200 kg。

1 XDQ－1200型鉆機動力頭初步的設(shè)計

XDQ－1200型鉆機動力頭是一種全液壓動力頭，它由卡盤加緊機構(gòu)、液壓馬達(dá)、變速箱、減速機構(gòu)組成，設(shè)計最大扭矩4000 N·m以上，最大轉(zhuǎn)速為900 r/min以上，并具有以下特點:

(1)動力頭卡盤導(dǎo)向性好，減少鉆桿的擺動，可實現(xiàn)多方位鉆進(jìn)(如斜孔、水平孔、仰孔等);

(2)動力頭可在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，并在一個擋位有高低速;

(3)液壓卡盤與下夾持器配合，可實現(xiàn)擰、卸管的機械化，減少工人勞動強度;

(4)鉆機動力頭可以與立柱、給進(jìn)系統(tǒng)配合完成回轉(zhuǎn)和給進(jìn)作業(yè)，可實現(xiàn)連續(xù)、平穩(wěn)鉆進(jìn)。

根據(jù)以上條件，我們做了初步的設(shè)計計算。液壓卡盤采用常閉式彈簧夾緊，液壓松開，由于需要的最高速度以及最大扭矩與最小扭矩的跨度較大，速比要求較大:

式中:Tmax——動力頭輸出最大扭矩，Tmax=4295 N·m;Ta——液壓馬達(dá)傳動扭矩，Ta=434 N·m;ηj——動力頭的機械效率，ηj=0.985。

動力頭采用液壓馬達(dá)驅(qū)動，四擋變速箱機械變速，液壓馬達(dá)兩級液壓變速，進(jìn)行了變速箱加減速箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且運用solid works simulation對動力頭關(guān)鍵件進(jìn)行優(yōu)化，使其性能達(dá)到最佳，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，參數(shù)如表1所示。

動力頭的變速箱箱體和減速箱箱體是焊接結(jié)構(gòu)的剛性殼體，兼做潤滑油箱。減速箱中的齒輪、軸承采用飛濺式潤滑，齒輪、軸承與底座之間的動密封采用骨架油封，馬達(dá)與箱體之間采用石棉板密封，其余采用O形圈密封。動力頭最大通徑94 mm，可使用BQ、NQ、HQ三種鉆桿。動力頭在提大鉆時，可承受120 kN的提升力，這樣初步解決了鉆機對動力頭的要求。但XDQ－1200型鉆機作為一款山地丘陵地區(qū)的巖心鉆探設(shè)備，其動力頭自重仍有580 kg，顯然不能滿足在山區(qū)搬運便利這個設(shè)計目標(biāo)，為此在滿足動力頭高性能的前提下進(jìn)行有限元優(yōu)化分析，以減輕動力頭自身質(zhì)量，達(dá)到設(shè)計的目的。

圖1 動力頭結(jié)構(gòu)示意圖

表1 動力頭參數(shù)

2 XDQ－1200型鉆機動力頭的有限元優(yōu)化設(shè)計

將XDQ－1200型鉆機的動力頭進(jìn)行分解分析，發(fā)現(xiàn)主軸質(zhì)量48 kg、液壓馬達(dá)質(zhì)量65 kg、減速箱體質(zhì)量94 kg、變速箱體質(zhì)量46 kg，這4個大件質(zhì)量最大，其中，液壓馬達(dá)為外購件，其質(zhì)量不可改變，我們將減速箱體、變速箱體兩大件由原先鑄鋼件變成鋁合金件，這樣箱體質(zhì)量可以減少2/3，但鋁材的力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及鑄鋼件，因此需要借助solid works simulation有限元分析來優(yōu)化設(shè)計。

本文以減速箱體為例，材質(zhì)選用5052－38H，其材料力學(xué)性能如下:彈性模量69.3～70.7 GPa，泊松比0.3，抗拉強度(σb)170～305 MPa，屈服強度(σ0.2)65 MPa。

對減速箱體進(jìn)行靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)在一擋提大鉆(強力提拔)的時候減速箱體的整體受力是最大的時候，它不僅承受給進(jìn)油缸100 kN的推力，還受到油泵馬達(dá)傳遞給主軸的旋轉(zhuǎn)切向力，具體受力如表2所示。

表2 箱體受力情況

從表2可以看出，主軸受力最為嚴(yán)重，根據(jù)圣維楠原理，著重分析主軸箱體處的受力，因箱體本身有多處尖角，為了不影響網(wǎng)格劃分，在分析前對箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，選擇四面體實體單元，設(shè)置好各參數(shù)后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

劃分元單元格選擇最大應(yīng)力－vonMises為最大邊界條件，選擇FFEPLUS運算器進(jìn)行計算，通過分析solid works simulation運算，我們可以看到如下結(jié)果:在承受100 kN正壓力的情況下，最大應(yīng)力位于箱體頂部，為60.9 MPa，小于材料屈服強度65 MPa，其應(yīng)力滿足箱體強度要求(參見圖2);但我們在箱體位移變形圖中(圖3)可以看出，其箱體最大位移變形出現(xiàn)在箱體頂部，粘連主軸箱體孔處，在其變形量應(yīng)變圖中可以看到其最大位移變形量為0.4 mm。這個變形量是很大的，它會影響主軸端部的密封，造成漏油，所以箱體此處需加強，增加箱體厚度，改善箱體局部的受力情況，使其剛度滿足要求。

圖2 箱體應(yīng)力變形圖

圖3 箱體位移變形圖

3 XDQ－1200型鉆機動力頭的分體優(yōu)化設(shè)計

對動力頭的減速箱體和變速箱體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，發(fā)現(xiàn)其總質(zhì)量為531 kg，雖然其質(zhì)量比原先輕，但在山區(qū)丘陵地帶搬遷還是不方便，還未達(dá)到設(shè)計目標(biāo)的搬遷單元200 kg的目標(biāo)。為此，需重新尋找新的思路解決問題。

在設(shè)計過程中我們發(fā)現(xiàn)，可將動力頭拆分成幾個單元，分解開搬遷。通過分析，將動力頭分解成液壓馬達(dá)、變速箱、減速箱、液壓卡盤4大部分。

動力頭的分解要求:(1)便于拆卸搬運，模塊化單一，不能有太繁瑣的部件拆卸;(2)便于安裝，且快速安裝復(fù)位性能好，能可靠安全的定位。

減速箱與液壓卡盤的分解，主軸需要分解成2個部分，而主軸帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)，它的上下兩部分的定位直接影響鉆桿的擺動和鉆進(jìn)的平穩(wěn)性。這樣需要對最初的設(shè)計進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，保證主軸能準(zhǔn)確、高精度的定位，有良好的導(dǎo)向性，減少鉆桿的擺動。動力頭優(yōu)化后如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的動力頭結(jié)構(gòu)示意圖

(1)改變油缸形式，并在Ⅰ處增加了浮動的向心軸承，與底下兩盤定位軸承構(gòu)成了一個簡單的浮動機構(gòu)以增加它的向心性能，保證上半部主軸在旋轉(zhuǎn)時候上下有一個很好的同心度;

(2)在主軸的上、下部分定位上采用了一個超靜定位結(jié)構(gòu)(Ⅱ處雙定位、Ⅲ處定位)，這樣雖然對主軸的加工精度提出了更高的要求，但解決了主軸在旋轉(zhuǎn)過程中磨損后定位失效，上下主軸同心條件保證不了的難題。

經(jīng)以上優(yōu)化，動力頭分解后其中液壓馬達(dá)重65 kg、變速箱重114.6 kg、減速箱重187.6 kg、液壓卡盤重182 kg，這樣分解開的單元質(zhì)量≯200 kg，便于在山區(qū)丘陵地區(qū)搬遷，達(dá)到了設(shè)計的目標(biāo)，具體分解情況如圖5所示。

圖5 動力頭分解圖

4結(jié)語

本次設(shè)計將有限元優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合，通過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，確定了箱體材質(zhì)，進(jìn)行了動力頭箱體、變速箱體的各主要尺寸的優(yōu)化。XDQ－1200型鉆機已生產(chǎn)并投入了使用，客戶從2014年6月購機，并在陜西省安康市紫陽鈦磁鐵礦鉆探使用，單孔最大鉆深531.6 m，其間反饋使用正常，經(jīng)過初步的實際使用，客戶認(rèn)為鉆機動力頭布局合理，性能優(yōu)良，可靠性高，鉆探工藝適應(yīng)性強，適用于山區(qū)作業(yè)，本次的設(shè)計也為以后的設(shè)計積累了經(jīng)驗。

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