T R 1 8 0旋挖钻机动力头结构设计

2015-11-09陈聪聪杨亿

机械工程师 2015年3期

陈聪聪，杨亿

（株洲市九洲传动机械设备有限公司，湖南株洲 412000）

0 引言

旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中钻孔作业的施工机械，具有作业速度快、成孔质量高、施工污染少、环境保护较好、行走方便、移位快捷等特点［1］。动力头作为钻机钻孔作业的动力源，主要作用是驱动钻杆及钻头回转，并能提供钻孔所需的加压力、提升力，能满足高速甩土和低速钻进两种工况［2］。动力头驱动钻杆、钻头回转时能根据不同的土壤地质条件自动调整转速与扭矩，以满足不断变化的工况。国内的动力头为液压驱动，齿轮减速，可实现双向钻进和抛土作业［3］。

1 动力头设计

1.1 技术参数

TR180旋挖钻机动力头采用力士乐液压马达，液压马达输出的转矩和转速通过减速机减速增扭后传递到齿轮箱，齿轮箱内的减速齿轮进行二次减速，输出的大扭矩和低转速驱动钻杆和钻头回转，并提供钻孔所需的加压力、提升力实现钻孔作业。动力头设计的主要技术参数如表1所示。

1.2 外形结构

TR180旋挖钻机动力头主要由齿轮箱传动系统、滑动支架总成和缓冲装置组成，结构如图1所示。

1.3 齿轮箱传动系统

齿轮箱传动系统主要包括减速齿轮、传动套、回转支承等。动力头部件中的齿轮传动装置在工作中主要传递低速重载扭矩，提高动力头驱动齿轮的承载和过载能力是提高旋挖钻机入岩旋挖能力的关键［4］。TR180减速主动齿轮材料选用20CrMnTi，从动齿轮选用40Cr。根据要求的齿轮传动比，为保证主动齿轮的强度，利用专业齿轮设计软件，通过粗选、精选、优化，选取一组合适的齿轮参数如表2所示。

表1 动力头主要技术参数

图1 动力头结构组成

按ISO6336-5-2003《直齿轮和斜齿轮承载能力的计算》和GB/T 3480-1997《渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法》规定的方法，对齿轮的承载能力进行校核，要求齿面的接触强度安全系数SH>1.1，齿根的弯曲强度安全系数SF>1.25，校核结果如表3所示。

表2 TR180动力头减速齿轮参数

动力头传动套为圆筒带外部法兰结构，主要由法兰安装的从动轮输入功率，通过3根键条与钻杆的接触输出功率。传动套采用整体铸造，材料选用ZG270-500，许用应力为270 MPa。利用ANSYS软件模拟分析可知，传动套的最大应力出现在法兰与圆筒的过渡处，为61.371 MPa，小于材料的许用应力，计算结果见图2。

表3 疲劳强度校核结果

图2 传动套应力图

回转支承主要承受传动套齿轮的重量、钻进时动力头加压的压力及齿轮啮合产生的径向力。根据标准JB/T 2300-1999《回转支承》及传动套的尺寸，选用单排四点接触球式、型号为010.30.710的回转支承，并按承载角45°和60°两种情况进行静态选型，计算结果表明承载角45°的回转支承满足使用要求。

1.4 滑动支架总成

滑动支架的功能是支承齿轮箱重量，承受钻杆冲击力以及动力头输出的回转扭矩，传递加压力和提升力，并能沿导轨上下移动。滑动支架由滑动架和支架构成，见图3。

图3 滑动支架结构

动力头通过滑动架上的滑架压板在钻桅导轨上滑动，滑架压板通过螺栓和滑动架相连。滑架压板属于焊接结构件，选用材料时需考虑零件的强度，同时也要考虑材料的焊接性。为降低加工难度，同时提高滑动架的结构刚度，将滑动架的截面结构由折弯板设计为面板搭筋板的结构，改进后的滑动架结构如图4所示。

图4 改进后的滑动架结构

1.5 缓冲装置

动力头缓冲装置位于齿轮箱的上方，通过传动套与齿轮箱相连。缓冲装置可以有效缓冲钻杆在竖直方向对动力头的冲击，同时传动套内的键条可以对钻杆进行导向作用，有效地保证了钻杆的竖直度及成孔的直线度。

缓冲装置主要包括底板、限位杆、导杆和弹簧及其他结构件。导杆与限位杆的材质及热处理方式相同，限位杆的长度根据弹簧的试验行程确定，限位杆顶端放置有限位垫，用以保护弹簧。本产品设计的限位杆长度185 mm，限位垫尺寸φ40 mm×50 mm。

弹簧材料要求具有较高的抗拉强度、屈服强度、疲劳强度和冲击韧度，并应具有良好的工艺性能。根据GB/T 23935-2009《圆柱螺旋弹簧设计计算》，选用60Si2MnA合金弹簧钢丝，通过计算，确定弹簧的自由高度为240 mm，有效圈数为10.5。根据导杆外径，同时考虑连接螺栓的安装所需间隙，缓冲装置的排布方式如图5所示。