劉威 王順利

摘 要：在旋挖鉆機中，轉(zhuǎn)臺是一個非常重要的構(gòu)件，在整機重量中，轉(zhuǎn)臺的重量占據(jù)著很大的比例，為了使鉆機的整體性能充分發(fā)揮出來，需要不斷完善并優(yōu)化轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)。借助相關(guān)的力學(xué)原理，采取具有針對性的方式，在節(jié)省材料的同時，使轉(zhuǎn)臺重量明顯降低，降低共振發(fā)生的可能性，增強在實際工作中的效果。

關(guān)鍵詞：旋挖鉆機；回轉(zhuǎn)平臺；箱型結(jié)構(gòu)；工字梁結(jié)構(gòu)

旋挖鉆機回轉(zhuǎn)平臺為整體焊接式結(jié)構(gòu)，由回轉(zhuǎn)平臺主體、左側(cè)梁和右側(cè)梁組成，其中左、右外側(cè)縱梁采用D形管型材制造，回轉(zhuǎn)平臺主體結(jié)構(gòu)形式有兩種：“工字梁”型和箱型。本文以某型號旋挖鉆機轉(zhuǎn)臺主體的箱型結(jié)構(gòu)和工字梁結(jié)構(gòu)為研究對象，通過有限元分析，對工字梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其在滿足力學(xué)性能的前提下，減輕轉(zhuǎn)臺重量、節(jié)約原材料。

1 旋挖鉆機簡介

1.1 旋挖鉆機的概念

近年來，受益于國家經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的推動、固定資產(chǎn)投資的拉動、國家交通運輸業(yè)和建筑業(yè)發(fā)展的帶動，樁工機械行業(yè)迎來了一個蓬勃發(fā)展的時期。但是，隨著低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、節(jié)能減排政策的實施、環(huán)保理念的加強，基礎(chǔ)施工受到的限制也越來越多。由于傳統(tǒng)的樁工設(shè)備（如沖擊鉆、正反轉(zhuǎn)循環(huán)鉆等）施工污染嚴(yán)重、鉆孔效率低下，已不能夠與新的施工技術(shù)要求相適應(yīng)，即將淡出市場。旋挖鉆機則以優(yōu)于其他同類產(chǎn)品的性能，適應(yīng)上述綜合發(fā)展的需求，在灌注樁施工機械中成為主流產(chǎn)品。

1.2 旋挖鉆機的特點

旋挖鉆機是樁工機械技術(shù)領(lǐng)域的高新技術(shù)產(chǎn)品，是市政建設(shè)、鐵路、公路、橋梁、飛機場、大型港口、深水碼頭等理想的基礎(chǔ)施工設(shè)備。它憑借以下優(yōu)點在樁工機械技術(shù)領(lǐng)域中贏得了廣闊的市場：

1）一機多用，適用性強。配備不同的鉆具旋挖鉆機可適用于巖層、土層、卵礫石等不同地質(zhì)，實現(xiàn)“軟硬通吃”，適應(yīng)我國幅員遼闊、方土異同的基本國情。旋挖鉆機不僅能夠進(jìn)行旋挖鉆進(jìn)，而且還可通過更換不同的工作裝置，實現(xiàn)長螺旋鉆進(jìn)、套管鉆進(jìn)以及挖掘地下連續(xù)墻等。

2）性能先進(jìn)，自動化程度高。旋挖鉆機自動化、智能化、機電液一體化程度高。施工作業(yè)中可實現(xiàn)自動起立鉆桅，自行變幅，自動進(jìn)行鉆桅調(diào)垂、監(jiān)測及報警，避免人為操作引起的誤差。可根據(jù)地層情況自行調(diào)整回轉(zhuǎn)扭矩，還可通過動力頭自行下埋井口護(hù)筒，可實現(xiàn)自動伸縮的鉆桿在鉆進(jìn)過程中不用拆裝，降低人力勞動強度。

3）鉆進(jìn)速度快，成孔效率高。傳統(tǒng)鉆機僅僅憑借鉆桿鉆具的自重對土層擠磨成孔，而旋挖鉆機鉆孔不僅可以借助動力頭的進(jìn)給力，還可以借助加壓油缸加壓力，因此鉆進(jìn)能力強，鉆頭取土速度快，鉆進(jìn)速度是傳統(tǒng)正循環(huán)鉆鉆進(jìn)速度的8～10倍，是傳統(tǒng)反循環(huán)鉆鉆進(jìn)速度的4～6倍。針對不同的地質(zhì)情況，旋挖鉆機可配置不同的鉆頭工作，提高了成孔速度和鉆進(jìn)效率。

2 旋挖鉆工作原理

旋挖鉆機主要功能為上車鉆孔作業(yè)和下車移動行駛，兩部分通過換向閥互鎖。對于下車移動行駛作業(yè)，液壓主泵在發(fā)動機的驅(qū)動下供油，壓力油經(jīng)過中心回轉(zhuǎn)體到達(dá)液壓行走馬達(dá)，行走馬達(dá)通過減速機帶動驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)，使底盤完成行走、轉(zhuǎn)向及制動等動作。通過調(diào)節(jié)底盤的伸縮油缸，隨時改變履帶的中心距，實現(xiàn)作業(yè)的穩(wěn)定性和運輸?shù)谋憬菪浴?/p>

對于上車鉆孔作業(yè)，通過調(diào)整變幅油缸調(diào)節(jié)桅桿與機體的距離，根據(jù)鉆桅角度監(jiān)測情況，通過調(diào)整立桅油缸調(diào)節(jié)桅桿的垂直度，使鉆頭對準(zhǔn)鉆孔位置，達(dá)到鉆孔精度要求。主卷揚鋼絲繩通過提引器與鉆桿的上端相連，并通過動力頭的中心孔，由主卷揚控制鉆桿升降。鉆桿的下端采用方形接頭通過銷軸與鉆頭相連，實現(xiàn)動力頭扭矩從鉆桿傳遞到鉆頭。發(fā)動機通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動動力頭馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將馬達(dá)輸出扭矩通過減速機傳遞給動力頭齒輪箱，齒輪箱帶動機械結(jié)構(gòu)驅(qū)動鉆桿和鉆頭旋轉(zhuǎn)，并同時開啟主卷“自由下放”開關(guān)，在鉆頭和鉆桿的自重作用下實現(xiàn)鉆進(jìn)，如果需要，還可配合加壓油缸進(jìn)行加壓鉆進(jìn)。鉆頭回轉(zhuǎn)旋挖切土，待鉆頭內(nèi)裝滿渣土?xí)r，動力頭馬達(dá)停止運轉(zhuǎn)，主卷揚回轉(zhuǎn)，加壓油缸同時提升，當(dāng)鉆頭提升至地面時，轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)至地面的卸土位置卸土。然后通過顯示屏使上車精確回轉(zhuǎn)到孔口位置，準(zhǔn)備進(jìn)行下一個作業(yè)循環(huán)。

3 旋挖鉆機回轉(zhuǎn)平臺主體結(jié)構(gòu)及改進(jìn)

某型號旋挖鉆機主要由底盤、回轉(zhuǎn)平臺、變幅機構(gòu)、發(fā)動機系統(tǒng)、主副卷揚、鉆桅、動力頭、鉆桿、鉆具、駕駛室等部件組成。鉆機轉(zhuǎn)臺主體結(jié)構(gòu)是由左右底板、左右縱梁、左右立板、左右上板、左右后側(cè)板、左右縱梁頂板和若干筋板等焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)所用板材較多，焊縫也較多。焊縫的增加不僅會加大工藝的復(fù)雜性，而且會影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。因為焊接接頭中不僅有應(yīng)力集中（如角焊縫、對接焊縫的焊趾處），而且在這些部位也易產(chǎn)生缺陷，存在焊接殘余應(yīng)力；其次，缺陷可能造成提高整體應(yīng)力水平、局部缺口效應(yīng)、類裂紋缺陷等方面的影響；最后，焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生往往伴隨著焊接熱循環(huán)引起的材料性能變化，對強度尤其是動強度的影響不可忽略。

4 旋挖鉆機的工況分析與選擇

旋挖鉆機的工況復(fù)雜，主要包括鉆具下放工況、加壓鉆掘工況、鉆機提升工況、回轉(zhuǎn)卸土工況等。其中，鉆機提升工況是旋挖鉆機的主要工況，也是危險工況。當(dāng)變幅動臂處于水平位置時，鉆具處于最大回轉(zhuǎn)半徑位置，也稱最大變幅距離提鉆工況，該工況由于整機重心前移使鉆機提升穩(wěn)定性最差。所以本文只考慮最大變幅距離提鉆工況，并在該工況下對回轉(zhuǎn)平臺主體進(jìn)行有限元分析。

5 有限元模型的建立

轉(zhuǎn)臺的幾何模型根據(jù)零件的實際結(jié)構(gòu)和尺寸建立，并忽略不影響主體結(jié)構(gòu)強度的細(xì)節(jié)部分，去掉倒角及小孔等；假設(shè)焊縫無缺陷，各處焊接強度均能達(dá)到母材強度。轉(zhuǎn)臺所用材料為Q345鋼，彈性模量為206MPa；密度為7850kg/m3；泊松比為0.3；屈服強度σs=345MPa，安全系數(shù)n=1.25。采用自由網(wǎng)格劃分方法，并在應(yīng)力集中部位逐步細(xì)化網(wǎng)格，建立轉(zhuǎn)臺網(wǎng)格模型。

6 靜力學(xué)仿真結(jié)果分析

回轉(zhuǎn)平臺和鉆機底架通過回轉(zhuǎn)支承連接，在分析過程中將回轉(zhuǎn)支承設(shè)置為固定約束；左右拉桿、左右動臂油缸和動臂通過銷軸作用在回轉(zhuǎn)臺上的力是施加在銷軸表面的軸承載荷，由于鉆機在工作過程中要受到各種沖擊的影響，如在起始提鉆時，起升質(zhì)量產(chǎn)生的附加加速度會產(chǎn)生慣性力，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動應(yīng)力，在埋鉆或卡鉆時也會產(chǎn)生動應(yīng)力，故需對計算載荷乘以動載荷系數(shù)，參照《起重機設(shè)計規(guī)范》并結(jié)合實際經(jīng)驗，此處取為2；由于卷筒支座固定在轉(zhuǎn)臺的主卷揚支架上，所以將鋼絲繩拉力作用在主卷揚支架的上表面；轉(zhuǎn)臺自身重力由ANSYS Workbench自動計算得出。

經(jīng)計算，每個拉桿對轉(zhuǎn)臺的壓力為200kN，其方向與垂直方向成30.3°；每個動臂油缸對轉(zhuǎn)臺的壓力為490kN，其方向與垂直方向成17.2°；動臂對轉(zhuǎn)臺的作用力為X=-400kN，Z=380kN（以鉆機回轉(zhuǎn)中心為原點，鉆機前方為X軸正方向，鉆機右方為Y軸正方向，垂直向上的方向為Z軸正方向）；配重的重量為86kN；主卷揚自重為28kN；主卷揚鋼絲繩拉力取液壓系統(tǒng)所能提供的最大提升力，為230kN，與豎直方向成26.3°。用有限元軟件ANSYS Workbench對轉(zhuǎn)臺的兩種有限元模型進(jìn)行強度和剛度分析。

7 結(jié)語

在樁工機械技術(shù)領(lǐng)域，旋挖鉆機具有非常關(guān)鍵的應(yīng)用，具有較強的環(huán)保性、智能性和有效性。在本文的研究中，主要以某種型號鉆機為例，將轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ至航Y(jié)構(gòu)，簡化了施工環(huán)節(jié)，使焊接的數(shù)量不斷減少，在節(jié)省原材料的同時，提高了鉆機的性能。在減輕鉆機結(jié)構(gòu)自重的過程中，針對轉(zhuǎn)臺的實際情況，選擇合適的方式進(jìn)行優(yōu)化，在完善原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使自身的重量得到明顯降低，最后采取有效的方式進(jìn)行測試和確認(rèn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張慧斌.旋挖鉆機智能化鉆進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究[J].設(shè)備管理與維修，2017（11）.

[2]李云峰.旋挖鉆機兩種典型動臂的力學(xué)性能分析[J].黑龍江科技信息，2014（05）.

[3]高英，董仁儉.圓夢于此2個旋挖鉆機用戶的夢想故事[J].工程機械與維修，2013（08）.