旋挖鉆機(jī)工作性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉德昌

（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

引言

在建設(shè)項(xiàng)目中，由于旋挖鉆機(jī)效率高、環(huán)保、成孔質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。大量的旋挖鉆機(jī)自2011年起已進(jìn)入云南、貴州、四川等西南地區(qū)。在這些區(qū)域鉆機(jī)經(jīng)常遇到巖石層，機(jī)械事故經(jīng)常發(fā)生。特別是旋挖鉆機(jī)的主要工作裝置（動(dòng)力頭，鉆桿，鉆斗等）無法適應(yīng)艱苦條件下的運(yùn)行要求，主要反映在重點(diǎn)位置的薄弱部位，使用壽命低等。因此，適用于鉆硬地層的旋挖鉆機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，是一個(gè)重要的研究課題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［1－2］。

1 分析常見故障及硬地層條件下的旋挖鉆機(jī)損壞原因

為了有效地實(shí)現(xiàn)對巖石層的鉆孔，旋挖鉆機(jī)必須具備大扭拒、大壓力的特點(diǎn)，有效傳輸大扭拒、大壓力，提高鉆頭工具切削齒的耐磨性。然而，由于受這兩個(gè)因素的限制，旋挖鉆機(jī)的施工效率很難提高。此外，巖石層鉆孔面臨著設(shè)備的高波動(dòng)反向作用力和峰值，這使得設(shè)備和工作裝置等結(jié)構(gòu)件疲勞損傷比較嚴(yán)重，機(jī)械故障率和鉆機(jī)維護(hù)成本提高［3］。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）傳動(dòng)鍵磨損。旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭扭矩傳遞主要是通過動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)鍵傳遞給鉆桿鉆斗進(jìn)行鉆孔。當(dāng)旋挖鉆機(jī)工作時(shí)，旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭工作取決于雙方驅(qū)動(dòng)鍵垂直方向底部受壓面，帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)正和負(fù)方向及傳遞加壓力。長期加壓的結(jié)果就是旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭的驅(qū)動(dòng)鍵和加壓鍵磨損更快導(dǎo)致加壓失敗和驅(qū)動(dòng)功能的減弱，這會(huì)影響旋挖鉆機(jī)的效率。因此，驅(qū)動(dòng)鍵磨損是旋挖鉆機(jī)出現(xiàn)的常見問題。目前，在國內(nèi)外以驅(qū)動(dòng)鍵來實(shí)現(xiàn)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)和加壓的旋挖鉆機(jī)制造商都采用了三個(gè)驅(qū)動(dòng)鍵的設(shè)計(jì)，有焊接的和結(jié)構(gòu)可拆卸的［4－5］。

2）動(dòng)力頭箱油泄漏。動(dòng)力頭油箱泄漏是旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭最典型的問題，這主要體現(xiàn)在用于齒輪潤滑的齒輪箱從一個(gè)或幾個(gè)點(diǎn)之間的旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)密封件。漏油的原因主要有三點(diǎn)：旋轉(zhuǎn)密封件安裝不正確；加工精度不能滿足旋轉(zhuǎn)密封裝置的安裝要求；運(yùn)行過程中，廢鐵銷在回轉(zhuǎn)軸承和齒輪箱的密封件處產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致密封失效。

目前，動(dòng)力頭箱的底部一般設(shè)計(jì)一個(gè)或兩個(gè)旋轉(zhuǎn)密封件用于密封齒輪油箱。為了確保潤滑油密封可以有效地形成，必須避免旋轉(zhuǎn)密封件表面的腐蝕、刮傷、空氣孔。在實(shí)際施工中，旋轉(zhuǎn)軸接收徑向沖擊，并有外界雜質(zhì)如泥漿、砂、水等容易進(jìn)入箱體，將導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸與密封件油封接觸故障。為解決故障旋轉(zhuǎn)軸只能更換，因此成本提高，不被用戶接受。

3）減振器損壞。當(dāng)旋挖鉆機(jī)的鉆孔深度比鉆桿的第一節(jié)長時(shí)，鉆桿法蘭盤落在動(dòng)力頭的減震器上，而此刻，鉆桿的重量幾乎都落在動(dòng)力頭的減震器上。鉆機(jī)向下打孔或起重對動(dòng)力頭造成嚴(yán)重的沖擊，從而造成動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)損壞。更嚴(yán)重的是，當(dāng)鉆桿被鎖定，鉆桿從高處自由落體會(huì)損壞動(dòng)力頭減震器。一旦發(fā)生這種情況，動(dòng)力頭將承受強(qiáng)烈的沖擊。因此，動(dòng)力頭頂部必須設(shè)計(jì)一個(gè)減震器避免沖擊，吸收沖擊動(dòng)力頭的能量。否則，動(dòng)力頭很容易被損壞，甚至下降成一個(gè)洞。

4）回轉(zhuǎn)支承裂紋。在有泥石流的情況下，鉆桿的工作條件非常惡劣，鉆桿長時(shí)間在泥漿中工作。當(dāng)砂石鎖定兩鉆桿之間，或鉆桿鍵因?yàn)檫^大的扭矩發(fā)生彎曲，導(dǎo)致鉆桿鎖桿。當(dāng)?shù)诙?jié)鉆桿被鎖定，并且通過外鉆桿提出來了，就有可能干擾到回轉(zhuǎn)支承。由于連接鉆桿的旋轉(zhuǎn)管，回轉(zhuǎn)支承連接螺栓被逐漸磨損，直至回轉(zhuǎn)支承被嚴(yán)重磨損。此外，上下移動(dòng)鉆桿，壓縮鉆桿底部的減震彈簧也會(huì)造成鉆桿和回轉(zhuǎn)軸承的干擾。一旦回轉(zhuǎn)軸承磨損，有必要關(guān)閉并維護(hù)保養(yǎng)，更重要的是，它也帶有安全隱患。

5）鉆桿關(guān)鍵壓力點(diǎn)開裂、磨損或斷裂。當(dāng)鉆機(jī)工作在硬地層或機(jī)械師認(rèn)為鉆井效率不理想時(shí)，他們往往會(huì)增加過多的壓力，造成桅桿后傾。第一節(jié)桿的外部驅(qū)動(dòng)鍵厚度較薄時(shí)，沒有足夠的彎曲強(qiáng)度和承壓耐磨性。動(dòng)力頭內(nèi)鍵和鉆桿承壓點(diǎn)磨損嚴(yán)重，壓力軸承的應(yīng)力使鉆桿會(huì)發(fā)生變化。這不是一個(gè)簡單的垂直應(yīng)力，但它是一個(gè)力，不僅向下推，也壓迫鋼管，并產(chǎn)生彈性變形。高頻率的壓縮鋼管，很容易使鋼管的關(guān)鍵壓力點(diǎn)開裂、磨損或破裂［6］。如圖1所示。

圖1 鉆桿鋼管鍵條磨損

2 旋挖鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)工作裝置在硬地層中常見問題，經(jīng)過總結(jié)與分析，提出了以下設(shè)計(jì)方案。

1）可移動(dòng)驅(qū)動(dòng)器組合鍵設(shè)計(jì)。如圖2所示，設(shè)計(jì)了旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭可拆卸組合驅(qū)動(dòng)鍵。單邊傳遞轉(zhuǎn)矩鍵和傳輸加壓鍵旨在可拆卸組合傳動(dòng)鍵，并可以全部拆卸，從而可以快速更換，維護(hù)成本低。由于設(shè)計(jì)具有單傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩鍵和傳輸加壓鍵，目前，旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭焊接驅(qū)動(dòng)鍵是不可拆卸的，可拆卸式驅(qū)動(dòng)鍵有效解決由于局部磨損需更換整體的麻煩。與此同時(shí)，三個(gè)傳遞動(dòng)力的鍵按環(huán)形被設(shè)計(jì)成為一個(gè)整體，它可以通過關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力傳輸和分散反作用于鉆桿加壓平臺，避免螺栓松動(dòng)造成單驅(qū)動(dòng)鍵承載壓力而彎曲，甚至破裂。

圖2 可拆卸組合驅(qū)動(dòng)鍵的裝配圖

2）旋轉(zhuǎn)密封過渡裝置的設(shè)計(jì)。為了解決由旋轉(zhuǎn)軸斷裂引起的高維護(hù)成本和不便的問題，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)密封過渡裝置。旋轉(zhuǎn)密封過渡裝置的局部放大視圖如下頁圖3所示，該裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：一旦該裝置的表面被損壞，只需更換旋轉(zhuǎn)密封過渡裝置而不需要更換旋轉(zhuǎn)軸，可以降低成本，避免大麻煩的拆卸；在旋轉(zhuǎn)密封過渡裝置上設(shè)計(jì)了機(jī)油加注器和油槽，這可以使黃油在正常的雙層間隔。它不僅可以防止泥土，砂石，水等雜質(zhì)進(jìn)入變速箱，而且起到潤滑作用，有效保護(hù)旋轉(zhuǎn)外表面密封唇和旋轉(zhuǎn)密封過渡裝置。

3）減振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。除了橡膠彈簧減震，第一級氮?dú)鉁p震在壓力增加時(shí)可以起到一定的減震作用。氮?dú)鈴椈墒且环N彈性功能部件，在一定容器內(nèi)進(jìn)行高壓氮?dú)饷芊?，外力使氮?dú)馔ㄟ^柱塞壓縮杠桿。當(dāng)外力被移除時(shí)，它可以通過高壓氮的膨脹得到一定的壓力。作為一個(gè)單個(gè)組件，它是被安裝在動(dòng)力頭緩沖裝置的第三級減震，并且它是一個(gè)靈活的彈性功能部件，可以方便實(shí)現(xiàn)彈簧壓力恒定和延時(shí)操作。

4）回轉(zhuǎn)軸承保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)。鉆桿回轉(zhuǎn)軸承保護(hù)裝置是完全隔離的，回轉(zhuǎn)支承從鉆桿的頂部增加法蘭盤，并且內(nèi)圈的直徑比回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈直徑小。在實(shí)際工作中，鉆桿與熱處理后的保護(hù)裝置直接接觸，避免了回轉(zhuǎn)支承頻繁磨損且節(jié)約成本。

5）鉆桿鍵的優(yōu)化設(shè)計(jì)。鉆桿鍵包括內(nèi)鍵和外鍵，內(nèi)鍵和外鍵在施工中嚴(yán)重磨損，甚至開裂。嚴(yán)重影響鉆桿正常工作。優(yōu)化改進(jìn)如：為了保證鋼管與鍵接頭的全接觸，減少焊接后的拉應(yīng)力，采用圓弧鍵；為了保證耐磨強(qiáng)度，需增加內(nèi)鍵的厚度，內(nèi)鍵采用全成型工藝及專用熱處理工藝；機(jī)鎖桿壓力平臺表面鑲嵌耐磨合金。

圖3 旋轉(zhuǎn)密封過度裝置局部放大圖

3 驗(yàn)證工程案例

根據(jù)旋挖鉆機(jī)工作裝置的優(yōu)化和改進(jìn)，徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司制造出樣機(jī)，并進(jìn)行了硬巖地層的生產(chǎn)性試驗(yàn)。徐工XR280D型旋挖鉆機(jī)經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)，在貴州省成功鉆出80m深度的巖石樁孔，鉆孔直徑為2.4m。在巨石、浮動(dòng)石、溶洞和白云石砂巖等復(fù)雜地層，許多問題被成功地避免。

4 結(jié)語

通過綜合分析旋挖鉆機(jī)在硬地層施工過程中產(chǎn)生的機(jī)械問題，改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)旋挖鉆機(jī)工作裝置的關(guān)鍵部件，包括可移動(dòng)組合驅(qū)動(dòng)鍵的設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)密封過渡裝置設(shè)計(jì)，減振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)軸承保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，鉆桿接頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)。生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明，施工效率和改進(jìn)后的旋挖鉆機(jī)壽命明顯提高。

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