陳聰聰， 楊億

（株洲市九洲傳動(dòng)機(jī)械設(shè)備有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

旋挖鉆機(jī)是一種適合建筑基礎(chǔ)工程中鉆孔作業(yè)的施工機(jī)械，具有作業(yè)速度快、成孔質(zhì)量高、施工污染少、環(huán)境保護(hù)較好、行走方便、移位快捷等特點(diǎn)［1］。動(dòng)力頭作為鉆機(jī)鉆孔作業(yè)的動(dòng)力源，主要作用是驅(qū)動(dòng)鉆桿及鉆頭回轉(zhuǎn)，并能提供鉆孔所需的加壓力、提升力，能滿(mǎn)足高速甩土和低速鉆進(jìn)兩種工況［2］。動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)鉆桿、鉆頭回轉(zhuǎn)時(shí)能根據(jù)不同的土壤地質(zhì)條件自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速與扭矩，以滿(mǎn)足不斷變化的工況。國(guó)內(nèi)的動(dòng)力頭為液壓驅(qū)動(dòng)，齒輪減速，可實(shí)現(xiàn)雙向鉆進(jìn)和拋土作業(yè)［3］。

1 動(dòng)力頭設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)參數(shù)

TR180旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭采用力士樂(lè)液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速通過(guò)減速機(jī)減速增扭后傳遞到齒輪箱，齒輪箱內(nèi)的減速齒輪進(jìn)行二次減速，輸出的大扭矩和低轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)鉆桿和鉆頭回轉(zhuǎn)，并提供鉆孔所需的加壓力、提升力實(shí)現(xiàn)鉆孔作業(yè)。動(dòng)力頭設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 外形結(jié)構(gòu)

TR180旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭主要由齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)、滑動(dòng)支架總成和緩沖裝置組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)

齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括減速齒輪、傳動(dòng)套、回轉(zhuǎn)支承等。動(dòng)力頭部件中的齒輪傳動(dòng)裝置在工作中主要傳遞低速重載扭矩，提高動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)齒輪的承載和過(guò)載能力是提高旋挖鉆機(jī)入巖旋挖能力的關(guān)鍵［4］。TR180減速主動(dòng)齒輪材料選用20CrMnTi，從動(dòng)齒輪選用40Cr。根據(jù)要求的齒輪傳動(dòng)比，為保證主動(dòng)齒輪的強(qiáng)度，利用專(zhuān)業(yè)齒輪設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)粗選、精選、優(yōu)化，選取一組合適的齒輪參數(shù)如表2所示。

表1 動(dòng)力頭主要技術(shù)參數(shù)

圖1 動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)組成

按ISO6336-5-2003《直齒輪和斜齒輪承載能力的計(jì)算》和GB/T 3480-1997《漸開(kāi)線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法》規(guī)定的方法，對(duì)齒輪的承載能力進(jìn)行校核，要求齒面的接觸強(qiáng)度安全系數(shù)SH>1.1，齒根的彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)SF>1.25，校核結(jié)果如表3所示。

表2 TR180動(dòng)力頭減速齒輪參數(shù)

動(dòng)力頭傳動(dòng)套為圓筒帶外部法蘭結(jié)構(gòu)，主要由法蘭安裝的從動(dòng)輪輸入功率，通過(guò)3根鍵條與鉆桿的接觸輸出功率。傳動(dòng)套采用整體鑄造，材料選用ZG270-500，許用應(yīng)力為270 MPa。利用ANSYS軟件模擬分析可知，傳動(dòng)套的最大應(yīng)力出現(xiàn)在法蘭與圓筒的過(guò)渡處，為61.371 MPa，小于材料的許用應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

表3 疲勞強(qiáng)度校核結(jié)果

圖2 傳動(dòng)套應(yīng)力圖

回轉(zhuǎn)支承主要承受傳動(dòng)套齒輪的重量、鉆進(jìn)時(shí)動(dòng)力頭加壓的壓力及齒輪嚙合產(chǎn)生的徑向力。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 2300-1999《回轉(zhuǎn)支承》及傳動(dòng)套的尺寸，選用單排四點(diǎn)接觸球式、型號(hào)為010.30.710的回轉(zhuǎn)支承，并按承載角45°和60°兩種情況進(jìn)行靜態(tài)選型，計(jì)算結(jié)果表明承載角45°的回轉(zhuǎn)支承滿(mǎn)足使用要求。

1.4 滑動(dòng)支架總成

滑動(dòng)支架的功能是支承齒輪箱重量，承受鉆桿沖擊力以及動(dòng)力頭輸出的回轉(zhuǎn)扭矩，傳遞加壓力和提升力，并能沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)?；瑒?dòng)支架由滑動(dòng)架和支架構(gòu)成，見(jiàn)圖3。

圖3 滑動(dòng)支架結(jié)構(gòu)

動(dòng)力頭通過(guò)滑動(dòng)架上的滑架壓板在鉆桅導(dǎo)軌上滑動(dòng)，滑架壓板通過(guò)螺栓和滑動(dòng)架相連。滑架壓板屬于焊接結(jié)構(gòu)件，選用材料時(shí)需考慮零件的強(qiáng)度，同時(shí)也要考慮材料的焊接性。為降低加工難度，同時(shí)提高滑動(dòng)架的結(jié)構(gòu)剛度，將滑動(dòng)架的截面結(jié)構(gòu)由折彎板設(shè)計(jì)為面板搭筋板的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后的滑動(dòng)架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的滑動(dòng)架結(jié)構(gòu)

1.5 緩沖裝置

動(dòng)力頭緩沖裝置位于齒輪箱的上方，通過(guò)傳動(dòng)套與齒輪箱相連。緩沖裝置可以有效緩沖鉆桿在豎直方向?qū)?dòng)力頭的沖擊，同時(shí)傳動(dòng)套內(nèi)的鍵條可以對(duì)鉆桿進(jìn)行導(dǎo)向作用，有效地保證了鉆桿的豎直度及成孔的直線度。

緩沖裝置主要包括底板、限位桿、導(dǎo)桿和彈簧及其他結(jié)構(gòu)件。導(dǎo)桿與限位桿的材質(zhì)及熱處理方式相同，限位桿的長(zhǎng)度根據(jù)彈簧的試驗(yàn)行程確定，限位桿頂端放置有限位墊，用以保護(hù)彈簧。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的限位桿長(zhǎng)度185 mm，限位墊尺寸φ40 mm×50 mm。

彈簧材料要求具有較高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和沖擊韌度，并應(yīng)具有良好的工藝性能。根據(jù)GB/T 23935-2009《圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算》，選用60Si2MnA合金彈簧鋼絲，通過(guò)計(jì)算，確定彈簧的自由高度為240 mm，有效圈數(shù)為10.5。根據(jù)導(dǎo)桿外徑，同時(shí)考慮連接螺栓的安裝所需間隙，緩沖裝置的排布方式如圖5所示。

圖5 緩沖裝置構(gòu)架

2 動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

根據(jù)動(dòng)力頭的實(shí)際使用情況：液壓馬達(dá)輸入，通過(guò)行星減速機(jī)→輸入齒輪軸→從動(dòng)齒輪→傳動(dòng)套→鉆桿的順序傳遞功率，輸出端承受的扭矩最終通過(guò)齒輪傳遞到輸入端。

動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)受力計(jì)算按以下要求進(jìn)行：對(duì)動(dòng)力頭滑架壓板側(cè)施加固定約束，運(yùn)行當(dāng)中主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的相互作用力，同時(shí)考慮軸向載荷分配，在各軸承座及行星減速機(jī)輸入端施加載荷，利用ANSYS軟件的Workbench模塊進(jìn)行模擬加載、運(yùn)算，對(duì)動(dòng)力頭的外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果如圖6所示。

動(dòng)力頭外部結(jié)構(gòu)材料Q345的屈服強(qiáng)度為345 MPa，取安全系數(shù)為1，則許用應(yīng)力為345 MPa，從分析結(jié)果來(lái)看，結(jié)構(gòu)中應(yīng)力集中的位置為行星減速機(jī)接口處及滑動(dòng)架上的耳板位置，最大應(yīng)力為118.72 MPa，小于材料的許用應(yīng)力，因此動(dòng)力頭外部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度符合要求。

圖6 動(dòng)力頭外部結(jié)構(gòu)載荷施加及應(yīng)力分布圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)TR180動(dòng)力頭齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)，滑動(dòng)架總成及緩沖裝置的研究和分析，成功完成了TR180旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)及試制。新開(kāi)發(fā)的TR180動(dòng)力頭將填補(bǔ)我公司動(dòng)力頭系列產(chǎn)品的空白，從而更加豐富動(dòng)力頭產(chǎn)品的型譜。

［1］ 宋雨.旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭系統(tǒng)分析［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

［2］ 張士學(xué)，李浩雷，朱毅.旋挖鉆機(jī)主要功能件的研析［J］.建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理,2014（1）：116-118.

［3］ 張啟君，張忠海，陳以田，等.國(guó)內(nèi)外旋挖鉆機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的探討［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2004（10）：37-41.

［4］ 畢春長(zhǎng)，彭修明，黃志明.旋挖鉆鉆機(jī)動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)齒輪可靠性最優(yōu)化設(shè)計(jì)［C］//中國(guó)工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)2008年施工機(jī)械化新技術(shù)交流會(huì)，珠海，2008：238-243.