長螺旋鉆機動力頭振動原因分析與解決方案

李 眾，祝 勇，吳 芳

（馬鞍山方圓回轉支承股份有限公司，安徽 馬鞍山 243041）

長螺旋鉆機動力頭振動原因分析與解決方案

李 眾，祝 勇，吳 芳

（馬鞍山方圓回轉支承股份有限公司，安徽 馬鞍山 243041）

針對采用三環減速機構的長螺旋鉆機動力頭振動分析原因，提出了增加同步傳動系統來解決振動問題的技術方案，并通過裝機試驗驗證,證明改進效果明顯。

長螺旋鉆機；動力頭；振動；齒環板；角速度；同步輪

長螺旋鉆機動力機構的動力頭分為三環減速機構動力頭、液壓動力頭和行星動力頭3種。由于液壓動力頭和行星動力頭造價及維護成本高，而三環減速機械動力頭更具可靠性，且維護成本相對較低，故三環減速機構是目前國內鉆機最理想的動力裝置。工作時2個電機通過聯軸器帶動三環減速機械高速轉動，將動力從低速軸通過法蘭帶動鉆桿轉動，實現鉆孔。目前，長螺旋鉆機能實現最大成樁孔直徑達1.2m，深度35m。由于鉆桿長38m，起鉆時，其上的動力頭通常位于大約40m高的機架上；在如此高的機架上的動力頭若有振動，就會帶動整個機架振動。當發生共振時，整個機架振動的非常厲害，造成對整機內的軸承和機架焊縫的破壞；使得樁機故障增多，壽命縮短，主機的安全可靠性大大降低。

1 動力頭振動原因分析

1）三環減速機構動力頭的結構 三環減速機構長螺旋鉆機動力頭由箱體、2個電機、2個輸入曲軸、3個齒環板、輸出主軸和大齒輪等主要零件所組成。每塊齒環板兩端的孔分別與各自的曲軸聯接，如圖1所示。

圖1 三環減速機構動力頭原理圖

2）動力頭的工作原理 三環減速機構動力頭的動力源是裝在箱體上的2臺55kW電機。2臺電機分別各自通過其同步曲軸傳動給裝在其曲軸上的3個相互平行的、嵌有內齒輪的3只環板，在空間作平面圓周往復運動，3個齒環板間歇推動裝在主軸上的中間大齒輪旋轉；轉動的大齒輪帶動裝在主軸上的螺旋鉆轉動。

3）振動源分析 長螺旋動力頭的各個零件經各項技術指標檢測均是合格的，各轉動部件也做了動平衡檢驗，不存在因不平衡而產生振動現象，可在使用中仍然有振動現象發生。從其結構和傳動路線分析中發現，由于是2個動力源電機，分別各自通過其同步曲軸，傳給同一塊齒環板兩端。當2個曲軸的動力源電機的旋轉受到電源參數的不同和阻力不同的影響時，輸入給2個曲軸的角速度就不實現同步。這時裝在曲軸上的齒環板兩端受到不同步角速度的扭矩時，就發生了不平衡傳動，引起了振動。

所以，造成振動的根本原因是2個需要提供同步角速度的曲軸在實際旋轉過程中未獲得同步角速度的動力。

2 解決振動問題的技術方案

造成振動的根源是2個曲軸在旋轉過程中不同步。為了保證2個曲軸在旋轉過程中同步，經分析，在不改變三環減速機構總體結構的基礎上，分別在2個曲軸輸入段通過鍵安裝上同步齒輪;這兩個同步齒輪的參數完全相同。中間主軸通過軸承安裝上過渡齒輪，如圖2所示。這3個齒輪，組成了一個同步傳動輪系；這個傳動系主要功能不是用來傳遞動力的，而是保證2個輸入曲軸的轉角同步;消除由于曲軸旋轉角速度不同步而產生的振動，實現減振的目的。

圖2 三環減速機構動力頭改造方案

3 同步齒輪主要參數的確定

1）同步齒輪模數的確定 同步齒輪模數的確定，不同于一般齒輪模數的確定，一般齒輪模數的確定主要考慮其強度；而同步齒輪在確定模數的時候，主要考慮分度，分度越小越好，也要考慮到齒的磨損。所以，在確定同步輪系中齒輪模數是按試驗結果得出的選擇原則：m同=m環×40%，m同是指同步傳動輪系中齒輪的模數，m環是指齒環板齒的模數。例如：580三環減速機，齒環板齒的模數是m環=10，那么同步傳動系統中齒輪的模數就是m同=10×40%=4。同步傳動系統中齒輪的模數選擇為m同=4比較適合。

2）同步齒輪的寬度確定 同步齒輪寬度的確定，主要是輪輻的厚度和齒寬的確定。由于不用來傳遞動力，這里不考慮其強度，只需考慮剛性。根據試驗，一般輪輻的厚度在20～25mm范圍內；齒寬在30～40mm范圍內。以580三環減速機為例，合理的輪輻的厚度為25mm，齒寬為35mm。

3）同步齒輪分度圓直徑的確定 在確定同步齒輪分度圓直徑時，首先考慮2個同步輪的直徑，按最大化考慮。因為同步輪的直徑越大，齒數越多，360°就分得越細，更有利于同步。根據箱體空間盡可能大的同步齒輪分度圓直徑；再根據中心距的尺寸確定過渡輪的分度圓直徑。如：580三環減速機同步輪分度圓最大可定為400mm；那么根據中心距580mm，過渡輪分度圓直徑為D=580×2-400/2×2=760mm。

4 結 論

由于在長螺旋樁機上采用了新型同步輪系結構三環減速機，三環減速機構動力頭的振動消除了，減速機的軸承壽命得到延長，樁機的故障頻率也有所降低，延長了長螺旋樁機的使用壽命，其穩定性和可靠性得到了提高。

（編輯 于 洋）

The analysis and solution of the vibration causes of long spiral drilling rig power head

LI Zhong, ZHU Yong, WU Fang

TU67

B

1001-1366(2015)01-0092-02

2014-11-21