“有限元”旋挖钻机动力装置减速器分析

发布时间：

2015-11-27

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旋挖钻机是一种适合多种桩基础工程中成孔作业的施工机械。动力装置是旋挖钻机主要的工作机构，其性能好坏直接影响旋挖钻机整机性能的发挥。动力装置是旋挖钻机工作的动力源，它驱动钻杆、钻头回转，并能提供钻孔所需的加压力、提升力。动力装置驱动钻杆、钻头回转时应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。通常动力装置减速采用低速大扭矩运转方式，用于正常钻孔作业。　　一、动力装置结构分析　　

　　一、动力装置结构分析

　　动力装置由变量液压马达、减速机、减震器、减速箱、压盘、滑移架等组成（见图1）。

　　（1）减震器当钻孔深度超过第一层钻杆的长度时，钻机立柱上部的固定法兰搭放在动力头压盘焊接处，下钻或提钻时会冲击动力头，特别是卡钻等意外情况，对动力装置的冲击力更大，此时减震器可以缓解对动力装置的冲击，保护动力装置不被损坏。

　　（2）压船与轴套相连，当回转斗装满渣土上提时，与回转斗上的承撞体相撞，打开回转斗卸渣。

　　（3）滑移架动力头号的导向部件，通过联接板和销轴与动力箱固定，在加压钻井和起拔动力头工况时，沿立柱导轨为动力头进行导向。

　　（4）减速机构通过大小齿轮外啮合，为整机实现低速大扭矩钻进传递动力。

　　二、工作原理

　　旋挖钻机动力装置通常由一至三台液控变量马达分别带动行星减速机，驱动大小齿轮啮合，从而向伸缩式钻杆传递扭矩，通常采用一至三个小齿轮同时驱动中空大齿圈，使整机的总体布置转为紧凑，受力更合理。现有的旋挖钻机动力装置减速箱大齿圈采用回转支承连接。

　　三、动力装置的结构形式及三维模型

　　目前使用的动力装置减速器的驱动扭矩，欧洲生产的钻机可达120—760kN·m,而国内生产的钻机仅为50—400kN·m。传递这样在的扭矩的减速器必须采用大模数、宽齿面、高合金材料的齿轮；齿轮箱体一般采用焊接结构。在一般情况下，大扭矩对于本身来说是没有必要的。这主要是在贯入度较大的深土层、软岩层、节理性较强的碎岩层或为护筒旋压提供动力时使用。图2为目前辆常见的几种动力装置结构，均采用液压驱动。

　　四、三种结构的大小齿轮材料均采用42CrMo,具体性能参数见表1所示。齿轮为外啮合方式。大齿圈设为固定约束，小齿轮为固定铰链约束，加载重力载荷，单马达结构小齿轮加载100kN·m扭矩，又马达结构每个小齿轮加载25kN·m扭矩，三马达结构每个小齿轮加载135kN·m扭矩，分别进行计算。

　　经过上面的分析发现，三种减速器进无论是应力大小与分布还是变形量的大小都在允许的范围内，咸减速器都能较好地满足旋挖钻机钻井的要求。三种减速机构最大应力声发生在小齿轮处，最大应力分别为447.4Mpa、447.9Mpa、487.6Mpa。将安全系数取2，均小于材料的屈服强度930Mpa；由应变云图可知，小齿轮的变形最大，最大应变分别为0.25mm、0.32mm、0.74mm，最大变形量与齿轮的几何尺寸相比要小得多。由此可见，这几种减速器可以满足传递在扭矩的需要。

　　五、结论

　　本文通过SolidWords软件建模，结合Simulatiom有限元分析软件完成了对几种减速器结构进行静力仿真分析，从理论上分析减速器在正常钻孔作业工况下应力、应变的情况。通过上面分析可知，单马达减速方案扭矩最大可以传递100kN·m，双马达减速方案扭矩最大可以传递250kN·m，三马达减速方案扭矩最大可传递405kN·m。相对单马达动力装置方案，采用双马达或三马达同时驱动的减速器可以传递更大的扭矩，增强了动力装置减速器的可靠性。

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