牙輪鉆機塔架斜撐失效分析及設計改進

摘要：闡述DM75型牙輪鉆機塔架支撐的使用原理和操作方法，針對客戶在使用過程中塔架斜撐結構件撕裂問題進行分析，提出優化解決方案，消除因塔架支撐撕裂導致的牙輪鉆機塔架跌落的安全風險，整體提高了牙輪鉆機的使用可靠性，對其他鉆機的設計和改進具有一定的借鑒作用。

關鍵詞：塔架支撐;牙輪鉆機;設計改進;互鎖

0" "前言

2020年上半年，我們陸續接到一些客戶的反饋，DM75型牙輪鉆機在使用過程中出現塔架支撐斜撐撕裂的情況，如圖1所示。收到反饋信息，我們首先對整個塔架支撐做了有限元分析，結果顯示整個結構強度滿足要求。我們通過實地考察，并與當地操作員深入溝通，最終找出了塔架支撐出現撕裂的原因，并針對該問題，提出了相關的解決方案。

1" "牙輪鉆機塔架支撐工作原理

牙輪鉆機的塔架支撐，在斜撐上有7個預留孔，用于實現牙輪鉆機0°～30°的打孔作業。牙輪鉆機的塔架結構如圖2所示。牙輪鉆機的塔架支撐3下方通過4個鉸接點安裝在主車架2上，上方通過樞軸與塔架連接。塔架支撐主要用于支撐塔架1的質量以及改變鉆孔角度，從而實現不同的鉆孔作業。

打孔作業時，斜撐鎖銷5和垂直銷軸7必須鎖定。當要改變打孔角度時，首先要保證垂直鎖銷7處于鎖定狀態，讓塔架1和塔架支撐3的立柱形成一個整體，讓斜撐液壓缸4動作，縮回斜撐鎖銷5，解除斜孔鎖定狀態。然后在塔架舉升液壓缸的作用下，使塔架1和塔架支撐3形成的整體，沿著塔架支撐的斜撐滑動。當達到需要的角度（如10°），讓斜撐液壓缸4動作，使其推動斜撐鎖銷5插入預留孔，實現鎖定，這樣即可讓牙輪鉆機打10°的斜孔。

在調整的過程中，必須要保證垂直鎖銷7處于鎖定狀態，斜孔鎖銷5處于活動狀態。當塔架1從垂直位置到水平放置時，必須先將斜孔鎖銷5鎖定，然后讓垂直鎖銷液壓缸動作，縮回垂直鎖銷7。這樣可讓舉升液壓缸拉動塔架1繞塔架支撐3的樞軸旋轉，當舉升液壓缸完全收回后，塔架1將處于水平狀態。

2" "塔架支撐撕裂故障分析

針對客戶的反饋和實地考察，我們深入分析了可能產生問題的原因。鉆塔支撐有兩種操作模式，垂直鉆孔模式和角度鉆孔模式。

垂直鉆孔模式，是指當塔架處于水平放置情況下，需要把塔架調整到垂直狀態。此時，垂直鎖銷處于未鎖定狀態，塔架支撐的斜撐鎖銷必須處于鎖定狀體，在推動舉升液壓缸的活塞桿伸出時，塔架會繞著塔架樞軸旋轉90°，達到垂直狀態。如果此時斜撐鎖銷未鎖定，舉升液壓缸運動時，塔架有可能沿著斜撐滑動。這種多自由度的存在，易造成塔架運動的不確定性，使塔架跌落下來，從而引發安全風險。

角度鉆孔模式，是指在從打垂直孔改為斜孔時，如塔架傾斜80°孔，塔架需要傾斜10°。在這個過程中，垂直鎖銷必須鎖定，斜撐鎖銷完全收回，這樣舉升液壓缸才能動作，把鉆架支撐調整到所需角度。如果斜撐鎖銷沒有完全收回就動作舉升液壓缸，就會造成圖1所示的塔架斜撐撕裂。

3" "改進設計

針對上述原因，我們增加了垂直鎖銷和斜撐鎖銷縮回時的位置檢測，以確保垂直鎖銷或者斜撐鎖銷動作精準到位，避免再次產生塔架斜撐撕裂的問題。同時考慮到在極寒條件下，限位開關容易因雨雪天氣等造成限位開關被凍住，使限位開關失去檢測功能，我們將限位開關全部改為接近開關。

3.1" "垂直鎖銷設計更改

垂直鎖銷設計改進如圖3所示。垂直鎖銷液壓缸1和垂直鎖銷2仍然采用原有設計，新增加了接近開關3，將限位開關改為接近開關（4的位置），增加了垂直鎖銷液壓缸收回時的檢測板5，升級了接近開關4的安裝板。

當垂直鎖銷液壓缸1的活塞桿伸出，推動垂直鎖銷2向下運動時，若接近開關4檢測到信號，則說明垂直鎖銷2已經伸出到位;當垂直鎖銷液壓缸1的活塞桿縮回，垂直鎖銷2向上運動時，若接近開關3檢測到固定在液壓缸耳座上檢測板5的信號，則說明垂直鎖銷2已經完全縮回到位。

3.2" "塔架支撐斜撐設計更改

塔架支撐斜撐液壓缸1和斜撐鎖銷2仍然采用原有設計，新增加了接近開關3，將4的位置從限位開關改為接近開關，增加了檢測板5。其中接近開關3安裝在斜撐側板上，接近開關4通過安裝架6安裝在斜撐鎖銷的底部，如圖4所示。

當斜撐液壓缸1的活塞桿伸出，推動斜撐鎖銷2向下運動時，若接近開關4檢測到信號，則說明斜撐鎖銷2已經伸出到位。當斜撐液壓缸1的活塞桿縮回，斜撐鎖銷2向上運動時，若接近開關3檢測到固定在液壓缸耳座上檢測板5的信號，則說明垂直鎖銷2已經完全縮回到位。

3.3" "垂直鎖銷和斜撐鎖銷互鎖

在完成上述結構改進后，我們又從電氣方面做了升級，將垂直鎖銷和斜撐鎖銷做了互鎖，同時設置舉升液壓缸與垂直鎖銷和斜撐鎖銷的聯鎖。在操作斜撐液壓缸或者垂直液壓缸動作時，不需象以前一樣擔心，鎖銷動作不到位，造成塔架跌落或者斜撐撕裂的風險。垂直鎖銷和斜撐鎖銷互鎖原理如圖5所示。

垂直鎖銷和斜撐鎖銷在鎖定時，可以通過開關直接操作。但需要解除鎖定時，就會檢測接近開關的位置是否滿足條件。比如，要使垂直鎖銷解除鎖定，接近開關會檢測斜撐鎖銷是否鎖定，當檢測到斜撐鎖銷信號后，垂直鎖銷即可以解除鎖定。如果舉升液壓缸檢測不到垂直鎖銷收回到位的信號，舉升液壓缸則無法運動，直至檢測到信號，舉升液壓缸才會動作，將塔架旋轉90°，變為水平狀態。通過此電氣方式，避免了塔架跌落或者斜撐撕裂的情況，提高了牙輪鉆機的安全性。

4" "結語

文中所述的相關改進方案已經成功應用到新生產的機器上，至今設備使用狀態良好，未出現相關問題。未來，我們會將此改進方案推廣到在用牙輪鉆機上，消除斜撐撕裂或者塔架跌落相關的安全隱患，以提高牙輪鉆機的可靠性。