旋挖鉆機工作性能分析及結構優化設計

劉德昌

（中北大學機械與動力工程學院，山西 太原 030051）

引言

在建設項目中，由于旋挖鉆機效率高、環保、成孔質量好等優點。大量的旋挖鉆機自2011年起已進入云南、貴州、四川等西南地區。在這些區域鉆機經常遇到巖石層，機械事故經常發生。特別是旋挖鉆機的主要工作裝置（動力頭，鉆桿，鉆斗等）無法適應艱苦條件下的運行要求，主要反映在重點位置的薄弱部位，使用壽命低等。因此，適用于鉆硬地層的旋挖鉆機優化設計，是一個重要的研究課題，具有重要的現實意義［1－2］。

1 分析常見故障及硬地層條件下的旋挖鉆機損壞原因

為了有效地實現對巖石層的鉆孔，旋挖鉆機必須具備大扭拒、大壓力的特點，有效傳輸大扭拒、大壓力，提高鉆頭工具切削齒的耐磨性。然而，由于受這兩個因素的限制，旋挖鉆機的施工效率很難提高。此外，巖石層鉆孔面臨著設備的高波動反向作用力和峰值，這使得設備和工作裝置等結構件疲勞損傷比較嚴重，機械故障率和鉆機維護成本提高［3］。主要體現在以下幾個方面。

1）傳動鍵磨損。旋挖鉆機動力頭扭矩傳遞主要是通過動力頭驅動鍵傳遞給鉆桿鉆斗進行鉆孔。當旋挖鉆機工作時，旋挖鉆機動力頭工作取決于雙方驅動鍵垂直方向底部受壓面，帶動鉆桿旋轉正和負方向及傳遞加壓力。長期加壓的結果就是旋挖鉆機動力頭的驅動鍵和加壓鍵磨損更快導致加壓失敗和驅動功能的減弱，這會影響旋挖鉆機的效率。因此，驅動鍵磨損是旋挖鉆機出現的常見問題。目前，在國內外以驅動鍵來實現旋挖鉆機動力傳動和加壓的旋挖鉆機制造商都采用了三個驅動鍵的設計，有焊接的和結構可拆卸的［4－5］。

2）動力頭箱油泄漏。動力頭油箱泄漏是旋挖鉆機動力頭最典型的問題，這主要體現在用于齒輪潤滑的齒輪箱從一個或幾個點之間的旋轉軸和旋轉密封件。漏油的原因主要有三點：旋轉密封件安裝不正確；加工精度不能滿足旋轉密封裝置的安裝要求；運行過程中，廢鐵銷在回轉軸承和齒輪箱的密封件處產生破壞，導致密封失效。

目前，動力頭箱的底部一般設計一個或兩個旋轉密封件用于密封齒輪油箱。為了確保潤滑油密封可以有效地形成，必須避免旋轉密封件表面的腐蝕、刮傷、空氣孔。在實際施工中，旋轉軸接收徑向沖擊，并有外界雜質如泥漿、砂、水等容易進入箱體，將導致旋轉軸與密封件油封接觸故障。為解決故障旋轉軸只能更換，因此成本提高，不被用戶接受。

3）減振器損壞。當旋挖鉆機的鉆孔深度比鉆桿的第一節長時，鉆桿法蘭盤落在動力頭的減震器上，而此刻，鉆桿的重量幾乎都落在動力頭的減震器上。鉆機向下打孔或起重對動力頭造成嚴重的沖擊，從而造成動力頭結構損壞。更嚴重的是，當鉆桿被鎖定，鉆桿從高處自由落體會損壞動力頭減震器。一旦發生這種情況，動力頭將承受強烈的沖擊。因此，動力頭頂部必須設計一個減震器避免沖擊，吸收沖擊動力頭的能量。否則，動力頭很容易被損壞，甚至下降成一個洞。

4）回轉支承裂紋。在有泥石流的情況下，鉆桿的工作條件非常惡劣，鉆桿長時間在泥漿中工作。當砂石鎖定兩鉆桿之間，或鉆桿鍵因為過大的扭矩發生彎曲，導致鉆桿鎖桿。當第二節鉆桿被鎖定，并且通過外鉆桿提出來了，就有可能干擾到回轉支承。由于連接鉆桿的旋轉管，回轉支承連接螺栓被逐漸磨損，直至回轉支承被嚴重磨損。此外，上下移動鉆桿，壓縮鉆桿底部的減震彈簧也會造成鉆桿和回轉軸承的干擾。一旦回轉軸承磨損，有必要關閉并維護保養，更重要的是，它也帶有安全隱患。

5）鉆桿關鍵壓力點開裂、磨損或斷裂。當鉆機工作在硬地層或機械師認為鉆井效率不理想時，他們往往會增加過多的壓力，造成桅桿后傾。第一節桿的外部驅動鍵厚度較薄時，沒有足夠的彎曲強度和承壓耐磨性。動力頭內鍵和鉆桿承壓點磨損嚴重，壓力軸承的應力使鉆桿會發生變化。這不是一個簡單的垂直應力，但它是一個力，不僅向下推，也壓迫鋼管，并產生彈性變形。高頻率的壓縮鋼管，很容易使鋼管的關鍵壓力點開裂、磨損或破裂［6］。如圖1所示。

圖1 鉆桿鋼管鍵條磨損

2 旋挖鉆機的結構改進及優化設計

根據工作裝置在硬地層中常見問題，經過總結與分析，提出了以下設計方案。

1）可移動驅動器組合鍵設計。如圖2所示，設計了旋挖鉆機動力頭可拆卸組合驅動鍵。單邊傳遞轉矩鍵和傳輸加壓鍵旨在可拆卸組合傳動鍵，并可以全部拆卸，從而可以快速更換，維護成本低。由于設計具有單傳動轉矩鍵和傳輸加壓鍵，目前，旋挖鉆機動力頭焊接驅動鍵是不可拆卸的，可拆卸式驅動鍵有效解決由于局部磨損需更換整體的麻煩。與此同時，三個傳遞動力的鍵按環形被設計成為一個整體，它可以通過關鍵驅動力傳輸和分散反作用于鉆桿加壓平臺，避免螺栓松動造成單驅動鍵承載壓力而彎曲，甚至破裂。

圖2 可拆卸組合驅動鍵的裝配圖

2）旋轉密封過渡裝置的設計。為了解決由旋轉軸斷裂引起的高維護成本和不便的問題，設計了旋轉密封過渡裝置。旋轉密封過渡裝置的局部放大視圖如下頁圖3所示，該裝置具有以下優點：一旦該裝置的表面被損壞，只需更換旋轉密封過渡裝置而不需要更換旋轉軸，可以降低成本，避免大麻煩的拆卸；在旋轉密封過渡裝置上設計了機油加注器和油槽，這可以使黃油在正常的雙層間隔。它不僅可以防止泥土，砂石，水等雜質進入變速箱，而且起到潤滑作用，有效保護旋轉外表面密封唇和旋轉密封過渡裝置。

3）減振器的優化設計。除了橡膠彈簧減震，第一級氮氣減震在壓力增加時可以起到一定的減震作用。氮氣彈簧是一種彈性功能部件，在一定容器內進行高壓氮氣密封，外力使氮氣通過柱塞壓縮杠桿。當外力被移除時，它可以通過高壓氮的膨脹得到一定的壓力。作為一個單個組件，它是被安裝在動力頭緩沖裝置的第三級減震，并且它是一個靈活的彈性功能部件，可以方便實現彈簧壓力恒定和延時操作。

4）回轉軸承保護裝置的設計。鉆桿回轉軸承保護裝置是完全隔離的，回轉支承從鉆桿的頂部增加法蘭盤，并且內圈的直徑比回轉支承內圈直徑小。在實際工作中，鉆桿與熱處理后的保護裝置直接接觸，避免了回轉支承頻繁磨損且節約成本。

5）鉆桿鍵的優化設計。鉆桿鍵包括內鍵和外鍵，內鍵和外鍵在施工中嚴重磨損，甚至開裂。嚴重影響鉆桿正常工作。優化改進如：為了保證鋼管與鍵接頭的全接觸，減少焊接后的拉應力，采用圓弧鍵；為了保證耐磨強度，需增加內鍵的厚度，內鍵采用全成型工藝及專用熱處理工藝；機鎖桿壓力平臺表面鑲嵌耐磨合金。

圖3 旋轉密封過度裝置局部放大圖

3 驗證工程案例

根據旋挖鉆機工作裝置的優化和改進，徐州徐工基礎工程機械有限公司制造出樣機，并進行了硬巖地層的生產性試驗。徐工XR280D型旋挖鉆機經過優化改進，在貴州省成功鉆出80m深度的巖石樁孔，鉆孔直徑為2.4m。在巨石、浮動石、溶洞和白云石砂巖等復雜地層，許多問題被成功地避免。

4 結語

通過綜合分析旋挖鉆機在硬地層施工過程中產生的機械問題，改進優化設計旋挖鉆機工作裝置的關鍵部件，包括可移動組合驅動鍵的設計，旋轉密封過渡裝置設計，減振器的優化設計，回轉軸承保護裝置的設計，鉆桿接頭的優化設計。生產試驗結果表明，施工效率和改進后的旋挖鉆機壽命明顯提高。

［1］ 張繼光，李曉亮，唐桂軍，劉永光，江波.旋挖鉆機在貴州地區的應用及推廣［J］.建筑機械化，2012（8）：30.

［2］ 裘然.新形勢下旋挖鉆機行業市場分析［J］.今日工程機械，2010（6）：20.

［3］ 丁吉.基于入巖速度和動力頭齒輪壽命的旋挖鉆機鉆進參數研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2012（5）：31－32.

［4］ Zhang Zhong－hai.Construction Mechanization［J］.2009（10）：12.

［5］ 黎中銀，王宏偉，解大鵬.大旋挖鉆機入巖機理及其工程應用［J］.建筑機械，2008（1）：23.

［6］ 陳智，黎中銀，黃樹濤.旋挖鉆機機鎖式鉆桿的有限元分析［J］.建筑機械，2010（6）：20.