長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)動(dòng)力頭振動(dòng)原因分析與解決方案

李 眾，祝 勇，吳 芳

（馬鞍山方圓回轉(zhuǎn)支承股份有限公司，安徽 馬鞍山 243041）

長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)動(dòng)力頭振動(dòng)原因分析與解決方案

李 眾，祝 勇，吳 芳

（馬鞍山方圓回轉(zhuǎn)支承股份有限公司，安徽 馬鞍山 243041）

針對(duì)采用三環(huán)減速機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)動(dòng)力頭振動(dòng)分析原因，提出了增加同步傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)解決振動(dòng)問(wèn)題的技術(shù)方案，并通過(guò)裝機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證,證明改進(jìn)效果明顯。

長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)；動(dòng)力頭；振動(dòng)；齒環(huán)板；角速度；同步輪

長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)動(dòng)力機(jī)構(gòu)的動(dòng)力頭分為三環(huán)減速機(jī)構(gòu)動(dòng)力頭、液壓動(dòng)力頭和行星動(dòng)力頭3種。由于液壓動(dòng)力頭和行星動(dòng)力頭造價(jià)及維護(hù)成本高，而三環(huán)減速機(jī)械動(dòng)力頭更具可靠性，且維護(hù)成本相對(duì)較低，故三環(huán)減速機(jī)構(gòu)是目前國(guó)內(nèi)鉆機(jī)最理想的動(dòng)力裝置。工作時(shí)2個(gè)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)三環(huán)減速機(jī)械高速轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)力從低速軸通過(guò)法蘭帶動(dòng)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆孔。目前，長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)能實(shí)現(xiàn)最大成樁孔直徑達(dá)1.2m，深度35m。由于鉆桿長(zhǎng)38m，起鉆時(shí)，其上的動(dòng)力頭通常位于大約40m高的機(jī)架上；在如此高的機(jī)架上的動(dòng)力頭若有振動(dòng)，就會(huì)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)架振動(dòng)。當(dāng)發(fā)生共振時(shí)，整個(gè)機(jī)架振動(dòng)的非常厲害，造成對(duì)整機(jī)內(nèi)的軸承和機(jī)架焊縫的破壞；使得樁機(jī)故障增多，壽命縮短，主機(jī)的安全可靠性大大降低。

1 動(dòng)力頭振動(dòng)原因分析

1）三環(huán)減速機(jī)構(gòu)動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu) 三環(huán)減速機(jī)構(gòu)長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)動(dòng)力頭由箱體、2個(gè)電機(jī)、2個(gè)輸入曲軸、3個(gè)齒環(huán)板、輸出主軸和大齒輪等主要零件所組成。每塊齒環(huán)板兩端的孔分別與各自的曲軸聯(lián)接，如圖1所示。

圖1 三環(huán)減速機(jī)構(gòu)動(dòng)力頭原理圖

2）動(dòng)力頭的工作原理 三環(huán)減速機(jī)構(gòu)動(dòng)力頭的動(dòng)力源是裝在箱體上的2臺(tái)55kW電機(jī)。2臺(tái)電機(jī)分別各自通過(guò)其同步曲軸傳動(dòng)給裝在其曲軸上的3個(gè)相互平行的、嵌有內(nèi)齒輪的3只環(huán)板，在空間作平面圓周往復(fù)運(yùn)動(dòng)，3個(gè)齒環(huán)板間歇推動(dòng)裝在主軸上的中間大齒輪旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)動(dòng)的大齒輪帶動(dòng)裝在主軸上的螺旋鉆轉(zhuǎn)動(dòng)。

3）振動(dòng)源分析 長(zhǎng)螺旋動(dòng)力頭的各個(gè)零件經(jīng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)均是合格的，各轉(zhuǎn)動(dòng)部件也做了動(dòng)平衡檢驗(yàn)，不存在因不平衡而產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，可在使用中仍然有振動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生。從其結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)路線分析中發(fā)現(xiàn)，由于是2個(gè)動(dòng)力源電機(jī)，分別各自通過(guò)其同步曲軸，傳給同一塊齒環(huán)板兩端。當(dāng)2個(gè)曲軸的動(dòng)力源電機(jī)的旋轉(zhuǎn)受到電源參數(shù)的不同和阻力不同的影響時(shí)，輸入給2個(gè)曲軸的角速度就不實(shí)現(xiàn)同步。這時(shí)裝在曲軸上的齒環(huán)板兩端受到不同步角速度的扭矩時(shí)，就發(fā)生了不平衡傳動(dòng)，引起了振動(dòng)。

所以，造成振動(dòng)的根本原因是2個(gè)需要提供同步角速度的曲軸在實(shí)際旋轉(zhuǎn)過(guò)程中未獲得同步角速度的動(dòng)力。

2 解決振動(dòng)問(wèn)題的技術(shù)方案

造成振動(dòng)的根源是2個(gè)曲軸在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不同步。為了保證2個(gè)曲軸在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中同步，經(jīng)分析，在不改變?nèi)h(huán)減速機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分別在2個(gè)曲軸輸入段通過(guò)鍵安裝上同步齒輪;這兩個(gè)同步齒輪的參數(shù)完全相同。中間主軸通過(guò)軸承安裝上過(guò)渡齒輪，如圖2所示。這3個(gè)齒輪，組成了一個(gè)同步傳動(dòng)輪系；這個(gè)傳動(dòng)系主要功能不是用來(lái)傳遞動(dòng)力的，而是保證2個(gè)輸入曲軸的轉(zhuǎn)角同步;消除由于曲軸旋轉(zhuǎn)角速度不同步而產(chǎn)生的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)減振的目的。

圖2 三環(huán)減速機(jī)構(gòu)動(dòng)力頭改造方案

3 同步齒輪主要參數(shù)的確定

1）同步齒輪模數(shù)的確定 同步齒輪模數(shù)的確定，不同于一般齒輪模數(shù)的確定，一般齒輪模數(shù)的確定主要考慮其強(qiáng)度；而同步齒輪在確定模數(shù)的時(shí)候，主要考慮分度，分度越小越好，也要考慮到齒的磨損。所以，在確定同步輪系中齒輪模數(shù)是按試驗(yàn)結(jié)果得出的選擇原則：m同=m環(huán)×40%，m同是指同步傳動(dòng)輪系中齒輪的模數(shù)，m環(huán)是指齒環(huán)板齒的模數(shù)。例如：580三環(huán)減速機(jī)，齒環(huán)板齒的模數(shù)是m環(huán)=10，那么同步傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪的模數(shù)就是m同=10×40%=4。同步傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪的模數(shù)選擇為m同=4比較適合。

2）同步齒輪的寬度確定 同步齒輪寬度的確定，主要是輪輻的厚度和齒寬的確定。由于不用來(lái)傳遞動(dòng)力，這里不考慮其強(qiáng)度，只需考慮剛性。根據(jù)試驗(yàn)，一般輪輻的厚度在20～25mm范圍內(nèi)；齒寬在30～40mm范圍內(nèi)。以580三環(huán)減速機(jī)為例，合理的輪輻的厚度為25mm，齒寬為35mm。

3）同步齒輪分度圓直徑的確定 在確定同步齒輪分度圓直徑時(shí)，首先考慮2個(gè)同步輪的直徑，按最大化考慮。因?yàn)橥捷喌闹睆皆酱螅X數(shù)越多，360°就分得越細(xì)，更有利于同步。根據(jù)箱體空間盡可能大的同步齒輪分度圓直徑；再根據(jù)中心距的尺寸確定過(guò)渡輪的分度圓直徑。如：580三環(huán)減速機(jī)同步輪分度圓最大可定為400mm；那么根據(jù)中心距580mm，過(guò)渡輪分度圓直徑為D=580×2-400/2×2=760mm。

4 結(jié) 論

由于在長(zhǎng)螺旋樁機(jī)上采用了新型同步輪系結(jié)構(gòu)三環(huán)減速機(jī)，三環(huán)減速機(jī)構(gòu)動(dòng)力頭的振動(dòng)消除了，減速機(jī)的軸承壽命得到延長(zhǎng)，樁機(jī)的故障頻率也有所降低，延長(zhǎng)了長(zhǎng)螺旋樁機(jī)的使用壽命，其穩(wěn)定性和可靠性得到了提高。

（編輯 于 洋）

The analysis and solution of the vibration causes of long spiral drilling rig power head

LI Zhong, ZHU Yong, WU Fang

TU67

B

1001-1366(2015)01-0092-02

2014-11-21