大噸位旋挖鉆機的研發(fā)與創(chuàng)新

陳 曦，梁守軍

（北京中車重工機械有限公司，北京 102200）

自2009年起，中車北京重工相繼自主研發(fā)成功TR500、TR550、TR580大噸位旋挖鉆機，填補了國內(nèi)大噸位旋挖鉆機市場的空白。該類型大噸位旋挖鉆機整體集成了CAT390D可擴展式底盤和上車全套設(shè)備，液壓與傳動系統(tǒng)采用力士樂馬達與布雷維尼減速機，采用先進的負載反饋技術(shù)可使流量按需分配至系統(tǒng)各工作裝置，實現(xiàn)不同工況的最佳匹配，最大程度的節(jié)省了發(fā)動機功率，降低了油耗。

結(jié)構(gòu)方面進行了創(chuàng)新與突破，采用中置主卷揚、卷揚加壓、箱型截面鋼板焊接式下桅桿、桁架式上桅桿、桁架式吊錨架、可變配重結(jié)構(gòu)，軸式轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，減輕整機的重量，保證整體的可靠性及結(jié)構(gòu)的安全性。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件均采用細晶粒高強度鋼板制造，強度高、剛度好、重量輕，并結(jié)合有限元靜態(tài)及屈曲分析結(jié)果進行優(yōu)化設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)更加合理。采用先進的焊接技術(shù)，使得大噸位鉆機輕量化成為可能。

著重總結(jié)中車北京重工在500kN·m以上大噸位旋挖鉆機的研發(fā)成果以及解決的關(guān)鍵性技術(shù)難題。

1 大噸位旋挖鉆機的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

1.1 主卷揚雙減速機4馬達中置結(jié)構(gòu)

（1）傳統(tǒng)主卷揚結(jié)構(gòu)及其缺陷。

大型旋挖鉆機主卷揚結(jié)構(gòu)一般置于機體的后部，在車體配重與發(fā)動機液壓油箱部分之間的位置，即主卷揚后置，為雙減速機雙馬達結(jié)構(gòu)形式。

采用主卷揚后置結(jié)構(gòu)時，桅桿上部受力較大，重心向后偏移，會降低旋挖鉆機運行的穩(wěn)定性和安全性。雙減速機雙馬達方式，對馬達驅(qū)動力也要求相對較大，一對一的安裝形式從減速機的著力點來講相對單一，使減速機受力平衡不夠優(yōu)良，且馬達的成本也相對較高。

（2）新型主卷揚結(jié)構(gòu)及其優(yōu)勢。

中車大噸位旋挖鉆機主卷揚中置雙減速機4馬達結(jié)構(gòu)（見圖1、圖2），使桅桿油缸與整機構(gòu)成的三角形結(jié)構(gòu)的縱向豎直面的中心點與主卷揚重心、桅桿的幾何中心點位于同一個平面上，實現(xiàn)主卷揚結(jié)構(gòu)的中置結(jié)構(gòu)形式。

該主卷揚結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：①主卷揚結(jié)構(gòu)中置使得整機的結(jié)構(gòu)緊湊，提高了整機的安全穩(wěn)定性；②主卷揚結(jié)構(gòu)中采用雙減速機4馬達的結(jié)構(gòu)形式，使整機獲得了超大輸出扭矩，從而獲得所需的提升力；③雙減速機4馬達的安裝布置與鼓型齒輪組合相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式使傳動過程更加平穩(wěn)，延長了減速機的使用壽命，降低了生產(chǎn)維護成本；④采用單層螺旋線式主卷揚筒，從根本上解決了鋼絲繩的壓繩、咬繩現(xiàn)象。

圖2 雙減速機4馬達結(jié)構(gòu)形式

1.2 桁架式吊錨架結(jié)構(gòu)

吊錨架在旋挖鉆機桅桿的頂部，結(jié)構(gòu)件的設(shè)計既要滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的要求，重量又要盡可能的小，實現(xiàn)整機的輕量化。

（1）傳統(tǒng)吊錨架的結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)吊錨架一般為板式結(jié)構(gòu)，滑輪架是整個吊錨架中的支撐部件，為滑輪提供支撐。對于大型旋挖鉆機，2大滑輪的中心尺寸越大，大滑輪支撐板的尺寸也越大，鋼板厚度越大，整個吊錨架的重量就越大，對整車的穩(wěn)定性越不利。

（2）新型吊錨架的結(jié)構(gòu)。

為了減小大型旋挖鉆機吊錨架的重量，使整車的穩(wěn)定性更好，擬采用桁架式吊錨架（已申請國家專利），見圖3。桁架式吊錨架的結(jié)構(gòu)主要包括滑輪架、大小滑輪組成、大小滑輪導(dǎo)繩管，重量減輕20%。

針對桁架式吊錨架進行有限元靜態(tài)及屈曲分析，吊錨架經(jīng)過抽取中面處理和創(chuàng)建直線之后的幾何模型，如圖4所示；采用梁、4節(jié)點和3節(jié)點的板殼和剛性單元建立吊錨架有限元模型，如圖5所示，其中梁單元159個，板單元51305個，剛性單元32個。

圖3 桁架式吊錨架示意圖

圖4 吊錨架中面模型

圖5 吊錨架有限元網(wǎng)格

提取吊錨架等效應(yīng)力分布情況見圖6，吊錨架最大應(yīng)力值為381.45MPa，發(fā)生在前端主滑輪與法蘭連接螺栓孔處，且前后端主滑輪與法蘭連接處的應(yīng)力相對其他部位較大，分布在260～280MPa之間。

（3）實施效果。

在滑輪中心尺寸一樣的情況下，桁架式吊錨架能夠有效地減小重量，對整車的穩(wěn)定性和輕量化起到了積極的作用。

圖6 吊錨架等效應(yīng)力分布情況

1.3 新型軸式轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)

（1）目前大型旋挖鉆機常用轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)分析。

常用的轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)有2種：直立板轉(zhuǎn)盤和彎立板轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)。應(yīng)用到大型旋挖鉆機時，前者結(jié)構(gòu)上的局限性使得旋挖鉆機無法實現(xiàn)桅桿的前傾裝配或需增加立板長度；后者可實現(xiàn)桅桿的前傾裝配，但由于立板彎曲，產(chǎn)生應(yīng)力集中。

（2）新型軸式轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)。

軸式轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)可分為2大部分，轉(zhuǎn)盤體部分、轉(zhuǎn)盤桅桿上相應(yīng)結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 軸式轉(zhuǎn)盤示意圖

（3）承載方式分析。

根據(jù)軸式轉(zhuǎn)盤的有限元分析（如圖8所示），其承載能力得到了很大的提升，避免了彎立板在彎曲部位的應(yīng)力集中，降低了附加載荷；調(diào)整動臂軸套在轉(zhuǎn)盤上的位置，使桅桿可實現(xiàn)前傾裝配，增強了整車的穩(wěn)定性。

圖8 軸式轉(zhuǎn)盤有限元分析應(yīng)力云圖

（4）實施效果。

新型軸式轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)滿足了使用功能，并且使得大噸位旋挖鉆機的結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，性能更加穩(wěn)定，安全性更高。

2 大型旋挖鉆機模擬仿真分析

采用NASTRAN軟件對局部結(jié)構(gòu)及整機進行有限元靜態(tài)及屈曲分析，對整機進行4種危險工況的有限元靜態(tài)及屈曲分析，工況分別為：主卷揚提升、加壓鉆進、起拔和起桅。

2.1 提升工況分析

（1）邊界條件。

支架、主卷揚桁架底部固定約束。

（2）載荷。

自重+風(fēng)載+吊錨架，主滑輪座2端沿繩的方向施加最大提升力510kN。

①風(fēng)載計算。

非桁架長臂動力頭處載荷：自重+風(fēng)載；其他部分：自重+風(fēng)載。

②桁架段長臂。

按照設(shè)計規(guī)范，風(fēng)載計算公式

Pw—— 作用在鉆機桁架段的風(fēng)載荷，N；

C—— 風(fēng)力系數(shù)，查起重機規(guī)范，按照圓管結(jié)構(gòu)計算，取C=1.3；

Kh—— 風(fēng)壓高度變化系數(shù)，查起重機規(guī)范，工作狀態(tài)Kh=1；

q——計算風(fēng)壓，N/m2。

計算風(fēng)載為：1.3×480×5.86=3656N。

將風(fēng)載力按照線載荷均布施加到桁架上，根據(jù)擋風(fēng)面桁架長度和節(jié)點分布，作用在擋風(fēng)面桁架的節(jié)點集中力為4N。

③非桁架段長臂。

按計算風(fēng)壓施加均布載荷480N/m2，迎風(fēng)面施加均布風(fēng)載，背風(fēng)面不用施加。頂部繩索掛架，做動筒，底部轉(zhuǎn)臺和連接部分風(fēng)載忽略。

（3）提升工況應(yīng)力分析。

最大應(yīng)力發(fā)生在吊錨架區(qū)域，為部分集中應(yīng)力區(qū)域，達到500MPa，如圖9所示，由于模型處理中消除了設(shè)計時消除集中應(yīng)力倒角的幾何以及載荷和邊界條件處理等因素造成了此應(yīng)力集中現(xiàn)象，但絕大部分區(qū)域的應(yīng)力都分布在200～500MPa之間，不影響整體效應(yīng)對局部結(jié)構(gòu)的影響。

提取下桅桿局部應(yīng)力云圖，如圖10和11所示，最大應(yīng)力值為324.063MPa，發(fā)生在下桅桿前板與中桁架法蘭連接的支撐板部位。

提取底座桁架、大三角支撐和動臂子裝配體應(yīng)力云圖，如圖12所示，最大應(yīng)力為564.2MPa，發(fā)生在變幅油缸支座與動臂上蓋板連接處，大部分區(qū)域應(yīng)力分布在150MPa左右。

圖9 整車等效應(yīng)力分布情況

圖10 下桅桿等效應(yīng)力分布情況

圖11 下桅桿法蘭連接等效應(yīng)力分布情況

圖12 底座桁架等效應(yīng)力分布情況

提取上桁架和吊錨架應(yīng)力云圖，如圖13所示，截取600MPa云圖顯示上桁架和吊錨架應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，發(fā)生此應(yīng)力的區(qū)域在吊錨架與法蘭連接以及支撐架與上桁架支撐板連接處，其他區(qū)域應(yīng)力分布在200MPa左右。

圖13 上桁架和吊錨架等效應(yīng)力分布情況

2.2 加壓鉆進工況分析

（1）邊界條件。

支架、桁架底部固定約束。

（2）載荷。

自重+風(fēng)載+桅桿下部對應(yīng)動力頭的位置施加最大加壓力300kN+等效彎矩660kN·m+最大扭矩470kN·m，如圖14所示。

（3）加壓鉆進時應(yīng)力分析。

提取加壓鉆進工況板等效應(yīng)力云圖，如圖15所示，加壓鉆進工況時板最大等效應(yīng)力達到400MPa，在變幅油缸支座與動臂上蓋板連接的幾個點上，其他區(qū)域應(yīng)力分布在200MPa左右。

圖14 整車承載和邊界條件

圖15 整車等效應(yīng)力分布情況

截取500MPa應(yīng)力區(qū)域值段來查看整車應(yīng)力分布情況，大三角支撐主要承受加壓鉆進工況應(yīng)力分布，分布區(qū)域在300MPa左右，如圖16和圖17所示。

截取200MPa應(yīng)力區(qū)域值段來查看下桅桿、上下桁架和吊錨架應(yīng)力云圖，如圖18和圖19所示，下桅桿、上下桁架和吊錨架應(yīng)力都較小，在70MPa左右。

圖16 整車等效應(yīng)力500MPa以下情況（后）

圖17 整車等效應(yīng)力500MPa以下情況（前）

圖18 中桅桿等效應(yīng)力分布情況

圖19 上桅桿等效應(yīng)力分布情況

2.3 起桅工況分析

（1）起桅有限元模型。

將吊錨架、上下桁架、下桅桿和轉(zhuǎn)盤有限元模型組繞著動臂轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)86.55°，即旋挖鉆機起桅時最危險工況下的模型，重新建立桅桿油缸一維有限元模型，搭建起桅工況整車模型，如圖20所示。

圖20 起桅時整車約束情況

（2）起桅工況邊界條件。

支架、主卷揚桁架底部固定約束，油缸與下桅桿鉸點固定。

（3）起桅工況載荷。

自重（忽略風(fēng)載）。

（4）起桅時板的等效應(yīng)力分析。

提取整車板的等效應(yīng)力云圖。如圖21和圖22所示，整車在起桅時產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為232.13MPa，發(fā)生在下桅桿與中桁架法蘭連接的加強筋板處。

圖21 整車等效應(yīng)力分布情況

圖22 下桅桿與中桁架連接等效應(yīng)力分布情況

提取桅桿油缸支座的等效應(yīng)力結(jié)果，如圖23和圖24所示，桅桿油缸支座的等效應(yīng)力值在110MPa左右。

圖23 油缸大臂支座等效應(yīng)力分布情況

3 結(jié)束語

主要對提升、加壓鉆進和起桅3種較危險工況進行了有限元分析，從分析結(jié)果得到以下結(jié)論：

圖24 桅桿支座等效應(yīng)力分布情況

（1）510kN提升工況時，吊錨架右滑輪提升力臂較大，整車產(chǎn)生較大了X向位移，達到了0.21m。吊錨架與法蘭連接筋板產(chǎn)生較大的應(yīng)力，最大應(yīng)力為500MPa，發(fā)生此應(yīng)力的區(qū)域在吊錨架與法蘭連接以及支撐架與上桁架支撐板連接處。吊錨架局部分析后，確定其強度滿足要求。

（2）加壓鉆進工況整體最大位移為0.168m，最大分布在X向上，X向最大位移為0.165m。加壓鉆進時整車及各部分應(yīng)力值較小，多分布在300MPa以下。

（3）起拔工況整體最大位移為0.0378m，最大分布在Z向上，Z向最大位移為0.0116m。起拔時整車及各部分應(yīng)力值較小，多分布在200MPa以下。

（4）起桅時整車產(chǎn)生的最大整體位移為0.148m，由于重力作用最大位移發(fā)生在吊錨架主滑輪處。整車在起桅時產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為232.13MPa，發(fā)生在下桅桿與中桁架法蘭連接的加強筋板處。

（5）對整車3種工況分析結(jié)果進行比較，整車在提升時產(chǎn)生的整體應(yīng)力分布值較大，其中動臂、吊錨架和吊錨架與上桁架之間的法蘭連接部分產(chǎn)生的應(yīng)力較大，進行局部分析后，確定其強度滿足要求。

［1］ 黃志文. 大型旋挖鉆機設(shè)計中幾個問題的討論［J］. 建筑機械，2010，（8）：60-62，65.

［2］ 張啟君. 國內(nèi)外旋挖鉆機發(fā)展現(xiàn)狀與結(jié)構(gòu)特點分析［J］. 建筑機械設(shè)計與管理，2006，（4）：59-62.