T R 1 8 0旋挖鉆機動力頭結構設計

陳聰聰， 楊億

（株洲市九洲傳動機械設備有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

旋挖鉆機是一種適合建筑基礎工程中鉆孔作業的施工機械，具有作業速度快、成孔質量高、施工污染少、環境保護較好、行走方便、移位快捷等特點［1］。動力頭作為鉆機鉆孔作業的動力源，主要作用是驅動鉆桿及鉆頭回轉，并能提供鉆孔所需的加壓力、提升力，能滿足高速甩土和低速鉆進兩種工況［2］。動力頭驅動鉆桿、鉆頭回轉時能根據不同的土壤地質條件自動調整轉速與扭矩，以滿足不斷變化的工況。國內的動力頭為液壓驅動，齒輪減速，可實現雙向鉆進和拋土作業［3］。

1 動力頭設計

1.1 技術參數

TR180旋挖鉆機動力頭采用力士樂液壓馬達，液壓馬達輸出的轉矩和轉速通過減速機減速增扭后傳遞到齒輪箱，齒輪箱內的減速齒輪進行二次減速，輸出的大扭矩和低轉速驅動鉆桿和鉆頭回轉，并提供鉆孔所需的加壓力、提升力實現鉆孔作業。動力頭設計的主要技術參數如表1所示。

1.2 外形結構

TR180旋挖鉆機動力頭主要由齒輪箱傳動系統、滑動支架總成和緩沖裝置組成，結構如圖1所示。

1.3 齒輪箱傳動系統

齒輪箱傳動系統主要包括減速齒輪、傳動套、回轉支承等。動力頭部件中的齒輪傳動裝置在工作中主要傳遞低速重載扭矩，提高動力頭驅動齒輪的承載和過載能力是提高旋挖鉆機入巖旋挖能力的關鍵［4］。TR180減速主動齒輪材料選用20CrMnTi，從動齒輪選用40Cr。根據要求的齒輪傳動比，為保證主動齒輪的強度，利用專業齒輪設計軟件，通過粗選、精選、優化，選取一組合適的齒輪參數如表2所示。

表1 動力頭主要技術參數

圖1 動力頭結構組成

按ISO6336-5-2003《直齒輪和斜齒輪承載能力的計算》和GB/T 3480-1997《漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》規定的方法，對齒輪的承載能力進行校核，要求齒面的接觸強度安全系數SH>1.1，齒根的彎曲強度安全系數SF>1.25，校核結果如表3所示。

表2 TR180動力頭減速齒輪參數

動力頭傳動套為圓筒帶外部法蘭結構，主要由法蘭安裝的從動輪輸入功率，通過3根鍵條與鉆桿的接觸輸出功率。傳動套采用整體鑄造，材料選用ZG270-500，許用應力為270 MPa。利用ANSYS軟件模擬分析可知，傳動套的最大應力出現在法蘭與圓筒的過渡處，為61.371 MPa，小于材料的許用應力，計算結果見圖2。

表3 疲勞強度校核結果

圖2 傳動套應力圖

回轉支承主要承受傳動套齒輪的重量、鉆進時動力頭加壓的壓力及齒輪嚙合產生的徑向力。根據標準JB/T 2300-1999《回轉支承》及傳動套的尺寸，選用單排四點接觸球式、型號為010.30.710的回轉支承，并按承載角45°和60°兩種情況進行靜態選型，計算結果表明承載角45°的回轉支承滿足使用要求。

1.4 滑動支架總成

滑動支架的功能是支承齒輪箱重量，承受鉆桿沖擊力以及動力頭輸出的回轉扭矩，傳遞加壓力和提升力，并能沿導軌上下移動。滑動支架由滑動架和支架構成，見圖3。

圖3 滑動支架結構

動力頭通過滑動架上的滑架壓板在鉆桅導軌上滑動，滑架壓板通過螺栓和滑動架相連。滑架壓板屬于焊接結構件，選用材料時需考慮零件的強度，同時也要考慮材料的焊接性。為降低加工難度，同時提高滑動架的結構剛度，將滑動架的截面結構由折彎板設計為面板搭筋板的結構，改進后的滑動架結構如圖4所示。

圖4 改進后的滑動架結構

1.5 緩沖裝置

動力頭緩沖裝置位于齒輪箱的上方，通過傳動套與齒輪箱相連。緩沖裝置可以有效緩沖鉆桿在豎直方向對動力頭的沖擊，同時傳動套內的鍵條可以對鉆桿進行導向作用，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、導桿和彈簧及其他結構件。導桿與限位桿的材質及熱處理方式相同，限位桿的長度根據彈簧的試驗行程確定，限位桿頂端放置有限位墊，用以保護彈簧。本產品設計的限位桿長度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度、屈服強度、疲勞強度和沖擊韌度，并應具有良好的工藝性能。根據GB/T 23935-2009《圓柱螺旋彈簧設計計算》，選用60Si2MnA合金彈簧鋼絲，通過計算，確定彈簧的自由高度為240 mm，有效圈數為10.5。根據導桿外徑，同時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 緩沖裝置構架

2 動力頭結構強度校核

根據動力頭的實際使用情況：液壓馬達輸入，通過行星減速機→輸入齒輪軸→從動齒輪→傳動套→鉆桿的順序傳遞功率，輸出端承受的扭矩最終通過齒輪傳遞到輸入端。

動力頭結構受力計算按以下要求進行：對動力頭滑架壓板側施加固定約束，運行當中主動輪與從動輪的相互作用力，同時考慮軸向載荷分配，在各軸承座及行星減速機輸入端施加載荷，利用ANSYS軟件的Workbench模塊進行模擬加載、運算，對動力頭的外部結構進行強度校核，結果如圖6所示。

動力頭外部結構材料Q345的屈服強度為345 MPa，取安全系數為1，則許用應力為345 MPa，從分析結果來看，結構中應力集中的位置為行星減速機接口處及滑動架上的耳板位置，最大應力為118.72 MPa，小于材料的許用應力，因此動力頭外部結構的強度符合要求。

圖6 動力頭外部結構載荷施加及應力分布圖

3 結語

本文通過對TR180動力頭齒輪箱傳動系統，滑動架總成及緩沖裝置的研究和分析，成功完成了TR180旋挖鉆機動力頭的設計及試制。新開發的TR180動力頭將填補我公司動力頭系列產品的空白，從而更加豐富動力頭產品的型譜。

［1］ 宋雨.旋挖鉆機動力頭系統分析［D］.長春：吉林大學，2011.

［2］ 張士學，李浩雷，朱毅.旋挖鉆機主要功能件的研析［J］.建設機械技術與管理,2014（1）：116-118.

［3］ 張啟君，張忠海，陳以田，等.國內外旋挖鉆機結構特點的探討［J］.筑路機械與施工機械化，2004（10）：37-41.

［4］ 畢春長，彭修明，黃志明.旋挖鉆鉆機動力頭驅動齒輪可靠性最優化設計［C］//中國工程機械工業協會2008年施工機械化新技術交流會，珠海，2008：238-243.