黃曉林 ,耿曉西 ,吳金生

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,成都 611734;2.四川金地探礦機械有限公司,四川廣漢 618300)

0 引言

川藏鐵路建設(shè)的前期需要對擬建設(shè)的鐵路沿線進(jìn)行大量地質(zhì)勘察工作以查明地質(zhì)條件,但擬建設(shè)的鐵道線路多處于川藏高原深山峽谷,地理位置及地層情況比較特殊,長大隧道數(shù)量較多,采用從山頂、山坡布勘察孔,隧道頂部鉆孔深度大,取心勘察效果差,多數(shù)區(qū)域鉆探設(shè)備搬遷運輸困難。因此,高原山區(qū)的鐵路、公路等重大工程建設(shè)的地質(zhì)勘察孔設(shè)計為超長水平或近水平傾斜孔,可以減少勘察孔數(shù)量,避免密集布淺孔,可以減小對環(huán)境的破壞,實現(xiàn)高效快速鉆探,達(dá)到精準(zhǔn)查明工程地質(zhì)條件的目的。

為適應(yīng)此類國內(nèi)重大工程建設(shè)工程地質(zhì)勘察的需求,中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究與中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司聯(lián)合研發(fā)了一款GXD-5S型千米級水平巖心鉆機,該鉆機主要用于工程地質(zhì)勘察及固體礦藏取心鉆探工程,特別是鐵路、高速公路地質(zhì)勘察的超長水平孔鉆探取心作業(yè),適用金剛石繩索取心、普通金剛石回轉(zhuǎn)取心等多種鉆探工藝。GXD-5S型鉆機的動力頭適用于采用基于繩索水平鉆探的勘察技術(shù),在鐵路、公路等重大工程的隧道工程勘察中能很好地實現(xiàn)沿隧道軸心千米級水平取心,高效獲得目標(biāo)地層巖心,取得連續(xù)水平地層整合接觸信息。

1 動力頭總體方案設(shè)計

1.1 動力頭的設(shè)計要求

動力頭是桅桿式鉆機的核心部件,其主要功能是通過鉆桿給孔內(nèi)鉆具、鉆頭提供足夠的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,使孔底鉆頭能連續(xù)破碎巖石和延伸鉆孔深度,其結(jié)構(gòu)和性能必須滿足多種鉆進(jìn)工藝的要求[1],特別是需要具備處理孔內(nèi)復(fù)雜工況的能力。對動力頭的設(shè)計要求主要包括:

(1)動力頭的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足多種鉆進(jìn)工藝的需求。由于鉆進(jìn)過程中所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩是根據(jù)所用鉆頭直徑、所鉆巖層的性質(zhì)以及鉆進(jìn)方法的規(guī)程要求而變化的,因此,要求動力頭提供的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩是實時可調(diào)的,而且調(diào)節(jié)的范圍應(yīng)與所用的鉆進(jìn)工藝相適應(yīng)。

(2)動力頭應(yīng)具有反向旋轉(zhuǎn)的功能,以滿足卸扣、處理鉆孔事故和其他輔助工作的需求。

(3)動力頭主軸應(yīng)為中空結(jié)構(gòu)且其通孔直徑應(yīng)能通過多種鉆進(jìn)工藝相配套的鉆桿,以適應(yīng)從動力頭前后裝、卸鉆桿的需求。

(4)動力頭的回轉(zhuǎn)運動應(yīng)平穩(wěn),各零部件結(jié)構(gòu)安全可靠,其振動、噪聲、發(fā)熱均應(yīng)滿足7級傳動機械設(shè)計要求,且具有長壽命。

1.2 動力頭設(shè)計方案

通過對繩索取心長鉆孔工藝方案的調(diào)研發(fā)現(xiàn),鉆孔深度≥1500 m 時,需要采用多級鉆孔的結(jié)構(gòu),鉆孔孔徑可設(shè)定為122 mm、96 mm、76 mm 等口徑且逐級變小,設(shè)計孔深越深開孔口徑越大。

繩索取心工藝要求76～122 mm 不同孔徑的轉(zhuǎn)速為300～800 r/min,口徑越小需要轉(zhuǎn)速越高,以滿足鉆頭切削刃線速度的要求,因此,取動力頭最高輸出轉(zhuǎn)速為860 r/min。76 mm 口徑正常鉆進(jìn)轉(zhuǎn)矩一般需要≥400 N·m,設(shè)定可靠性系數(shù)為3,則動力頭的額定扭矩應(yīng)≥1200 N·m,預(yù)留處理鉆進(jìn)事故需要的轉(zhuǎn)矩≥4800 N·m(事故處理系數(shù)取4),因此取動力頭最大輸出扭矩為5600 N·m。

同時,根據(jù)千米級繩索水平取心鉆孔工藝要求,經(jīng)過計算并與國內(nèi)外同類鉆機性能參數(shù)做優(yōu)化比較,確定GXD-5S型千米級水平巖心鉆機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。設(shè)計其動力頭時以輸出轉(zhuǎn)速20～860 r/min、最大輸出轉(zhuǎn)矩5600 N·m 作為主參數(shù)開展各傳動副的設(shè)計計算。

表1 GXD-5S型鉆機的主要技術(shù)性能參數(shù)Table 1 Main technical performance parameters of GXD-5S drilling rig

根據(jù)動力頭的設(shè)計要求和輸出轉(zhuǎn)速、扭矩范圍,GXD-5S型鉆機動力頭的總體方案設(shè)計為以兩級機械變速箱結(jié)構(gòu)為主體,采用柱塞液控變量馬達(dá)驅(qū)動的兩級機械變速箱,液壓控制馬達(dá)排量與變速箱機械換擋相結(jié)合,實現(xiàn)20～860 r/mim 輸出轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)多擋位無級變速。動力頭主軸(輸出軸)采用大通徑中空結(jié)構(gòu),鉆桿柱能從其中通過,以實現(xiàn)快速起下鉆;主軸后端設(shè)置鉆桿卡盤,卡盤設(shè)計為往復(fù)液壓缸楔形夾緊卡瓦結(jié)構(gòu),卡瓦動作靈活,夾持鉆桿牢固可靠,液壓缸設(shè)置高壓油實時補償系統(tǒng),在卡瓦和鉆桿磨損的情況下能補償夾緊。

1.3 動力頭驅(qū)動馬達(dá)與傳動方案

以NQ(76 mm)繩索取心快速鉆進(jìn)時鉆機所能輸出的最高轉(zhuǎn)速860 r/min和扭矩1200 N·m 為基礎(chǔ),兼顧鉆機處理復(fù)雜孔內(nèi)事故時所需的大扭矩,在國內(nèi)外巖心鉆機常用液壓馬達(dá)類型中進(jìn)行選型,選擇46～160 mL/r排量可調(diào)的LY-A6V變量柱塞馬達(dá),該馬達(dá)帶有次級液力控制器,通過控制其先導(dǎo)油口X的壓力可以無級調(diào)節(jié)馬達(dá)的排量,可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速寬幅輸入的調(diào)節(jié)[2]。

LY-A6V變量柱塞馬達(dá)46～160 mL/r排量變化對應(yīng)的扭矩常數(shù)為7.33～25.44 N·m/MPa,最大排量時扭矩常數(shù)為25.44 N·m/MPa。在鉆機液壓系統(tǒng)設(shè)定的額定壓力為28 MPa時,當(dāng)馬達(dá)最大排量160 mL/r 狀態(tài)下,其最大輸出扭矩為712 N·m。在相同流量的情況下,馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速與其排量并非成線性關(guān)系,當(dāng)排量≤121 mL/r時,馬達(dá)最大輸出轉(zhuǎn)速限定為3500 r/min且輸出扭矩≤538.7 N·m;另外,馬達(dá)油道的大小限制了輸入流量,所以當(dāng)最大輸入流量下馬達(dá)排量>121 mL/r時,其最大輸出轉(zhuǎn)速將<3500 r/min,最大排量160 mL/r 狀態(tài)時,最高輸出轉(zhuǎn)速只有2650 r/min。

GXD-5S型鉆機動力頭初選傳動比i=4,不考慮傳動損失,則主軸最高輸出轉(zhuǎn)速為875 r/min,動力頭輸出扭矩可達(dá)到1220 N·m,能滿足常用口徑的繩索取心千米級深度鉆進(jìn)的要求和上述動力頭技術(shù)參數(shù)的要求。為了提升鉆機大口徑取心鉆進(jìn)的能力,增加鉆進(jìn)工藝適應(yīng)性和保證處理孔內(nèi)復(fù)雜事故的能力,增加一級變速擋位,擴大傳動比(i2=8.8),使動力頭具有兩擋可換傳動比?？紤]鉆機液壓系統(tǒng)能力和傳動效率,通過計算得大傳動比擋位動力頭可輸出最高轉(zhuǎn)速為398 r/min,額定輸出扭矩可以達(dá)到2700 N·m,最大輸出扭矩5600 N·m(馬達(dá)最大排量,低速狀態(tài))。

動力頭的傳動方案為設(shè)計為LY-A6V 變量柱塞馬達(dá)輸入功率經(jīng)過具有換擋功能的兩級減速箱減速后從主軸輸出,詳細(xì)傳動路線為:一擋,馬達(dá)—輸入軸—換擋輪—Z3—Z4—中間軸—Z5—Z6—主軸;二擋,馬達(dá)—輸入軸—換擋輪—Z1—Z2—中間軸—Z5—Z6—主軸,如圖1所示。

圖1 動力頭傳動方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of power head transmission scheme

2 動力頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 機械變速結(jié)構(gòu)設(shè)計

動力頭機械變速采用兩級傳動,第一級傳動設(shè)計成具有兩種傳動比的變速箱結(jié)構(gòu),第二級傳動設(shè)計成一對高強度直齒輪副減速箱結(jié)構(gòu)[3,4],液壓卡盤安裝在二級傳動輸出軸的頂端,如圖2所示。

圖2 GXD-5S型鉆機動力頭機械結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Mechanical structure of GXD-5S drill power head

第一級傳動的變速換擋結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)工藝成熟的滑動齒輪花鍵撥叉變速結(jié)構(gòu)形式,輸入軸兩端各設(shè)置一個大小不同的主動齒輪,兩個主動齒輪分別通過兩組薄壁深溝球軸承安裝在輸入軸上,軸中間采用花鍵結(jié)構(gòu)形式安裝一組撥叉擋位齒輪花鍵套;中間軸通過軸承支撐安裝在變速箱箱體上,從動大齒輪和從動小齒輪固定安裝在中間軸;變速箱箱體通過螺釘安裝在下一級減速箱箱體上,中間軸與減速箱的軸齒輪通過花鍵聯(lián)接。在擋位齒輪花鍵套設(shè)計一組撥叉,通過撥叉轉(zhuǎn)動使齒輪花鍵套上下滑移,選擇與大主動齒輪或小主動齒輪內(nèi)嚙合,將扭矩和轉(zhuǎn)速通過從動小齒輪或從動大齒輪傳遞給中間軸,從而傳遞給第二級傳動。

第二級傳動設(shè)計成簡潔的一級齒輪減速結(jié)構(gòu),齒輪軸通過深溝球軸承安裝在減速箱箱體中,主軸(輸出軸)通過兩組大載荷圓錐滾子軸承安裝在箱體上,主軸大齒輪以中間分布形式通過鍵固定在主軸上。該級傳遞扭矩較大,采用高強度硬齒面結(jié)構(gòu)齒輪。為了使傳動平穩(wěn)、改善齒輪受力情況、減小噪音,該級傳動可設(shè)計為斜齒輪傳動。

2.2 液壓卡盤的設(shè)計

在鉆孔施工中卡盤直接與鉆桿接觸,把動力頭所輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給鉆桿,卡盤的夾緊作用克服它們之間相對旋轉(zhuǎn)運動和軸向相對滑動兩種運動趨勢。

在鉆孔施工中若卡盤與鉆桿發(fā)生軸向相對滑動非常危險,很可能造成鉆孔事故。因此,液壓卡盤采用圖2所示的楔面?zhèn)髁A緊機構(gòu),液壓卡盤提供一定的(預(yù))夾緊力,夾緊的鉆桿若有向下滑動的趨勢時,楔面夾緊機構(gòu)將會自動補償徑向夾緊力夾住鉆桿,減小因液壓系統(tǒng)意外供壓不足或泄壓造成鉆桿向下滑動的幾率。

液壓卡盤的芯軸采用中空結(jié)構(gòu),能夠通過≥114 mm直徑的鉆桿,卡盤芯軸下端通過螺釘與動力頭主軸連接,卡盤芯軸中部設(shè)置一組環(huán)狀往復(fù)液壓缸,往復(fù)液壓缸上端通過深溝球軸承和推力球軸承與楔面卡瓦導(dǎo)向套連接,多個楔面式卡瓦均勻分布在卡盤芯軸上端的卡槽中,卡瓦導(dǎo)向套內(nèi)設(shè)置的楔面與卡瓦緊密貼合。環(huán)狀往復(fù)液壓缸在液壓油的作用下往復(fù)運動,當(dāng)高壓油進(jìn)入上腔時夾緊液壓缸向上運動,推動卡瓦導(dǎo)向套向上運動,因卡瓦軸向自由度被限制,此時卡瓦徑向向內(nèi)運動收縮夾緊鉆桿,夾緊力的大小與液壓油壓力大小正相關(guān),調(diào)節(jié)上腔壓力控制夾緊力大小,設(shè)定一個限定閥值,避免夾緊力過大把鉆桿夾變形;環(huán)形往復(fù)液壓缸下腔充液壓油時夾緊液壓缸向下運動,在環(huán)形卡瓦彈簧的作用下卡瓦徑向向外運動,松開鉆桿。

3 動力頭關(guān)鍵零件的有限元分析校核

鉆機的設(shè)計采用三維虛擬樣機技術(shù)能很大程度地提升設(shè)計效率,完成三維樣機的設(shè)計后,使用CAE技術(shù)能快速對所設(shè)計的零部件進(jìn)行仿真分析,分析結(jié)果清晰直觀,可以與傳統(tǒng)的機械設(shè)計校核公式所得結(jié)論相互印證。

首先采用SolidWorks軟件對GXD-5S型鉆機動力頭進(jìn)行設(shè)計與建模,形成三維虛擬樣機,如圖3所示。然后采用CAE 技術(shù)在SolidWorks軟件的Simulation環(huán)境中模擬動力頭工作的極端工況進(jìn)行分析校核,如處理可能遇到的鉆頭泥包、卡鉆、燒鉆等事故時動力頭的受力情況進(jìn)行安全分析。根據(jù)動力頭整體結(jié)構(gòu)的特點,主要針對傳遞扭矩較大、受力情況復(fù)雜的二級傳動的關(guān)鍵零部件進(jìn)行分析,如嚙合齒輪副、主軸和減速箱箱體的有限元分析。

圖3 GXD-5S型鉆機動力頭三維虛擬樣機Fig.3 3D virtual prototype of GXD-5S drill power head

3.1 動力頭二級減速箱齒輪副分析校核

3.1.1 仿真分析

使用SolidWorks軟件對二級傳動減速箱的大扭低速齒輪副進(jìn)行三維建模,按齒輪傳動特征進(jìn)行裝配,然后進(jìn)入其集成的有限元分析模塊Simulation環(huán)境中進(jìn)行齒輪嚙合傳動接觸應(yīng)力的分析。

該級減速傳動齒輪副設(shè)計為硬齒面?zhèn)鲃?材料選用20Cr Mn Ti,表面采取硬化處理,參考國標(biāo)GB/T 3480.1—2019規(guī)范中常用材料性能表讀取材料特性數(shù)值,通過相應(yīng)計算得此條件下齒輪表面的接觸疲勞許用應(yīng)力為1450 MPa,在Simulation分析的材料選項中填入傳動齒輪的材料參數(shù)。模擬齒輪嚙合傳動工作工況特點給齒輪添加約束,加載扭矩,劃分合適的網(wǎng)格,進(jìn)行分析運算,分析結(jié)果見圖4所示。該級減速傳動齒輪副等效應(yīng)力分布結(jié)果顯示,最大應(yīng)力為769 MPa,出現(xiàn)在中間嚙合的接觸面處,等效應(yīng)力分布顯示該處的應(yīng)變也是最大的,但在安全范圍內(nèi),結(jié)果顯示最小安全系數(shù)為1.89≥1[5]。

圖4 主軸齒輪嚙合有限元分析結(jié)果Fig.4 Finite element analysis results of spindle gear meshing

3.1.2 采用經(jīng)典公式校核

齒輪嚙合彈性力學(xué)Hertz公式:

式中:σH為接觸應(yīng)力,MPa;μ1、μ2分別為大小齒輪泊松比,取值μ1=μ2=0.3;E1、E2分別為大小齒輪彈性模量,取值E1=E2=2.06×105MPa;綜合曲率半徑按節(jié)圓處兩齒廓的曲率半徑計算

其中,i為齒數(shù)比,d1位小齒輪分度圓直徑,α為壓力角,α=20°。F n為齒輪嚙合法向力

其中,T1為小齒輪處扭矩,取值1400 N·m。

引入載荷系數(shù)K,取值1.1,代入相關(guān)數(shù)據(jù)計算可得σH=766.46 MPa,該數(shù)值小于安全系數(shù)為1時計算的接觸疲勞許用應(yīng)力1450 MPa,校核通過。

Solid Works軟件自帶的有限元分析模塊Simulation仿真結(jié)果與經(jīng)典計算公式校核結(jié)果的數(shù)值非常接近,且Solid Works軟件的有限元分析結(jié)果直觀明晰,在設(shè)計過程中可快速借鑒該功能分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計調(diào)整與優(yōu)化[6-9]。

3.2 動力頭主軸分析校核

在SolidWorks軟件中完成主軸三維建模,無縫導(dǎo)入有限元分析模塊Simulation環(huán)境中進(jìn)行快速靜態(tài)算例分析,主軸選用40Cr材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,其抗拉強度1000 MPa,彎曲疲勞極限485 MPa,屈服點785 MPa。模擬主軸工作工況給主軸添加約束,加載齒輪傳動徑向力、矩扭和起鉆軸向拉力,劃分合適網(wǎng)格,進(jìn)行分析運算,分析結(jié)果見圖5所示。

圖5 主軸有限元分析結(jié)果Fig.5 Finite element analysis results of spindle

主軸應(yīng)力分布結(jié)果顯示最大應(yīng)力為142 MPa,集中在鍵槽底部邊緣,小于主軸的失效屈服值且安全系數(shù)大于5.5,與傳統(tǒng)計算公式所得彎曲應(yīng)力校核、安全系數(shù)校核結(jié)果一致,校核通過。最大變形位移為0.046 mm,出現(xiàn)在鍵槽頂部邊緣,可以忽略,與傳統(tǒng)計算公式所得扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度校核結(jié)果一致,校核通過。

3.3 動力頭箱體分析校核

動力頭減速箱箱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,目前沒有有效的快速校核公式,采用SolidWorks軟件有限元分析模塊Simulation對其仿真分析,建立三維模型,簡化焊接部位,減速箱箱體材料采用Q345,其抗拉強度510 MPa,屈服強度352 MPa。模擬減速箱體工作工況給箱體添加約束,箱體主要受鉆孔所需的給進(jìn)與起拔力作用,最大起拔力216 k N,在箱體軸承固定端面加載該力,劃分網(wǎng)格,進(jìn)行分析運算,分析結(jié)果見圖6所示。等效應(yīng)力分布結(jié)果顯示,最大應(yīng)力為315 MPa,集中在箱體底板上面板的加強筋上端,區(qū)域面積較小,在許用安全范圍內(nèi)。等效變形位移圖顯示在最大受力情況下變形最大位移為0.7 mm,出現(xiàn)在上面板遠(yuǎn)離底板端,是相對于固定底板發(fā)生的變形,在允許范圍內(nèi)。

圖6 動力頭箱體有限元分析結(jié)果Fig.6 Finite element analysis results of power head box

4 結(jié)語

(1)GXD-5S型鉆機的動力頭采用液控變量柱塞馬達(dá)和機械換擋調(diào)速相結(jié)合的方式,很好地兼顧了高轉(zhuǎn)速輸出實現(xiàn)快速鉆進(jìn)和具有較強的事故處理能力這兩項功能。

(2)動力頭傳動方案成熟,變速箱與減速箱相結(jié)合,在變量馬達(dá)的排量控制的介入下變扭調(diào)速靈活,齒輪傳動可靠。

(3)液壓卡盤采用楔面?zhèn)髁A緊機構(gòu),向下具有自鎖功能,具有夾緊液壓壓力補償功能,工作可靠。

(4)動力頭結(jié)構(gòu)設(shè)計采用三維虛擬樣機技術(shù),在SolidWorks軟件環(huán)境中快速對零部件細(xì)化設(shè)計并進(jìn)行有限元分析校核,實時發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤及時改進(jìn)優(yōu)化,有效縮短設(shè)計周期,確保結(jié)構(gòu)安全有效。

(5)國內(nèi)外巖心鉆機的動力頭結(jié)構(gòu)形式多樣,建議今后的動力頭設(shè)計可借鑒各自優(yōu)點充分利用電液技術(shù)簡化動力頭結(jié)構(gòu),優(yōu)選動力頭設(shè)計方案。采用三維虛擬樣機技術(shù)快速設(shè)計建模,通過CAE 技術(shù)進(jìn)行仿真分析,建議進(jìn)行熱場分析和拓?fù)鋬?yōu)化,避免動力頭發(fā)熱升溫過高和結(jié)構(gòu)過冗余厚大。