旋挖鉆機回轉平臺的結構分析及優(yōu)化設計

劉威 王順利

摘 要：在旋挖鉆機中，轉臺是一個非常重要的構件，在整機重量中，轉臺的重量占據著很大的比例，為了使鉆機的整體性能充分發(fā)揮出來，需要不斷完善并優(yōu)化轉臺的結構。借助相關的力學原理，采取具有針對性的方式，在節(jié)省材料的同時，使轉臺重量明顯降低，降低共振發(fā)生的可能性，增強在實際工作中的效果。

關鍵詞：旋挖鉆機；回轉平臺；箱型結構；工字梁結構

旋挖鉆機回轉平臺為整體焊接式結構，由回轉平臺主體、左側梁和右側梁組成，其中左、右外側縱梁采用D形管型材制造，回轉平臺主體結構形式有兩種：“工字梁”型和箱型。本文以某型號旋挖鉆機轉臺主體的箱型結構和工字梁結構為研究對象，通過有限元分析，對工字梁結構進行優(yōu)化，使其在滿足力學性能的前提下，減輕轉臺重量、節(jié)約原材料。

1 旋挖鉆機簡介

1.1 旋挖鉆機的概念

近年來，受益于國家經濟持續(xù)發(fā)展的推動、固定資產投資的拉動、國家交通運輸業(yè)和建筑業(yè)發(fā)展的帶動，樁工機械行業(yè)迎來了一個蓬勃發(fā)展的時期。但是，隨著低碳經濟的發(fā)展、節(jié)能減排政策的實施、環(huán)保理念的加強，基礎施工受到的限制也越來越多。由于傳統(tǒng)的樁工設備（如沖擊鉆、正反轉循環(huán)鉆等）施工污染嚴重、鉆孔效率低下，已不能夠與新的施工技術要求相適應，即將淡出市場。旋挖鉆機則以優(yōu)于其他同類產品的性能，適應上述綜合發(fā)展的需求，在灌注樁施工機械中成為主流產品。

1.2 旋挖鉆機的特點

旋挖鉆機是樁工機械技術領域的高新技術產品，是市政建設、鐵路、公路、橋梁、飛機場、大型港口、深水碼頭等理想的基礎施工設備。它憑借以下優(yōu)點在樁工機械技術領域中贏得了廣闊的市場：

1）一機多用，適用性強。配備不同的鉆具旋挖鉆機可適用于巖層、土層、卵礫石等不同地質，實現(xiàn)“軟硬通吃”，適應我國幅員遼闊、方土異同的基本國情。旋挖鉆機不僅能夠進行旋挖鉆進，而且還可通過更換不同的工作裝置，實現(xiàn)長螺旋鉆進、套管鉆進以及挖掘地下連續(xù)墻等。

2）性能先進，自動化程度高。旋挖鉆機自動化、智能化、機電液一體化程度高。施工作業(yè)中可實現(xiàn)自動起立鉆桅，自行變幅，自動進行鉆桅調垂、監(jiān)測及報警，避免人為操作引起的誤差。可根據地層情況自行調整回轉扭矩，還可通過動力頭自行下埋井口護筒，可實現(xiàn)自動伸縮的鉆桿在鉆進過程中不用拆裝，降低人力勞動強度。

3）鉆進速度快，成孔效率高。傳統(tǒng)鉆機僅僅憑借鉆桿鉆具的自重對土層擠磨成孔，而旋挖鉆機鉆孔不僅可以借助動力頭的進給力，還可以借助加壓油缸加壓力，因此鉆進能力強，鉆頭取土速度快，鉆進速度是傳統(tǒng)正循環(huán)鉆鉆進速度的8～10倍，是傳統(tǒng)反循環(huán)鉆鉆進速度的4～6倍。針對不同的地質情況，旋挖鉆機可配置不同的鉆頭工作，提高了成孔速度和鉆進效率。

2 旋挖鉆工作原理

旋挖鉆機主要功能為上車鉆孔作業(yè)和下車移動行駛，兩部分通過換向閥互鎖。對于下車移動行駛作業(yè)，液壓主泵在發(fā)動機的驅動下供油，壓力油經過中心回轉體到達液壓行走馬達，行走馬達通過減速機帶動驅動輪旋轉，使底盤完成行走、轉向及制動等動作。通過調節(jié)底盤的伸縮油缸，隨時改變履帶的中心距，實現(xiàn)作業(yè)的穩(wěn)定性和運輸?shù)谋憬菪浴?/p>

對于上車鉆孔作業(yè)，通過調整變幅油缸調節(jié)桅桿與機體的距離，根據鉆桅角度監(jiān)測情況，通過調整立桅油缸調節(jié)桅桿的垂直度，使鉆頭對準鉆孔位置，達到鉆孔精度要求。主卷揚鋼絲繩通過提引器與鉆桿的上端相連，并通過動力頭的中心孔，由主卷揚控制鉆桿升降。鉆桿的下端采用方形接頭通過銷軸與鉆頭相連，實現(xiàn)動力頭扭矩從鉆桿傳遞到鉆頭。發(fā)動機通過液壓系統(tǒng)驅動動力頭馬達旋轉，進而將馬達輸出扭矩通過減速機傳遞給動力頭齒輪箱，齒輪箱帶動機械結構驅動鉆桿和鉆頭旋轉，并同時開啟主卷“自由下放”開關，在鉆頭和鉆桿的自重作用下實現(xiàn)鉆進，如果需要，還可配合加壓油缸進行加壓鉆進。鉆頭回轉旋挖切土，待鉆頭內裝滿渣土時，動力頭馬達停止運轉，主卷揚回轉，加壓油缸同時提升，當鉆頭提升至地面時，轉臺回轉至地面的卸土位置卸土。然后通過顯示屏使上車精確回轉到孔口位置，準備進行下一個作業(yè)循環(huán)。

3 旋挖鉆機回轉平臺主體結構及改進

某型號旋挖鉆機主要由底盤、回轉平臺、變幅機構、發(fā)動機系統(tǒng)、主副卷揚、鉆桅、動力頭、鉆桿、鉆具、駕駛室等部件組成。鉆機轉臺主體結構是由左右底板、左右縱梁、左右立板、左右上板、左右后側板、左右縱梁頂板和若干筋板等焊接而成的箱型結構結構所用板材較多，焊縫也較多。焊縫的增加不僅會加大工藝的復雜性，而且會影響結構的力學性能。因為焊接接頭中不僅有應力集中（如角焊縫、對接焊縫的焊趾處），而且在這些部位也易產生缺陷，存在焊接殘余應力；其次，缺陷可能造成提高整體應力水平、局部缺口效應、類裂紋缺陷等方面的影響；最后，焊接殘余應力的產生往往伴隨著焊接熱循環(huán)引起的材料性能變化，對強度尤其是動強度的影響不可忽略。

4 旋挖鉆機的工況分析與選擇

旋挖鉆機的工況復雜，主要包括鉆具下放工況、加壓鉆掘工況、鉆機提升工況、回轉卸土工況等。其中，鉆機提升工況是旋挖鉆機的主要工況，也是危險工況。當變幅動臂處于水平位置時，鉆具處于最大回轉半徑位置，也稱最大變幅距離提鉆工況，該工況由于整機重心前移使鉆機提升穩(wěn)定性最差。所以本文只考慮最大變幅距離提鉆工況，并在該工況下對回轉平臺主體進行有限元分析。

5 有限元模型的建立

轉臺的幾何模型根據零件的實際結構和尺寸建立，并忽略不影響主體結構強度的細節(jié)部分，去掉倒角及小孔等；假設焊縫無缺陷，各處焊接強度均能達到母材強度。轉臺所用材料為Q345鋼，彈性模量為206MPa；密度為7850kg/m3；泊松比為0.3；屈服強度σs=345MPa，安全系數(shù)n=1.25。采用自由網格劃分方法，并在應力集中部位逐步細化網格，建立轉臺網格模型。

6 靜力學仿真結果分析

回轉平臺和鉆機底架通過回轉支承連接，在分析過程中將回轉支承設置為固定約束；左右拉桿、左右動臂油缸和動臂通過銷軸作用在回轉臺上的力是施加在銷軸表面的軸承載荷，由于鉆機在工作過程中要受到各種沖擊的影響，如在起始提鉆時，起升質量產生的附加加速度會產生慣性力，對結構產生動應力，在埋鉆或卡鉆時也會產生動應力，故需對計算載荷乘以動載荷系數(shù)，參照《起重機設計規(guī)范》并結合實際經驗，此處取為2；由于卷筒支座固定在轉臺的主卷揚支架上，所以將鋼絲繩拉力作用在主卷揚支架的上表面；轉臺自身重力由ANSYS Workbench自動計算得出。

經計算，每個拉桿對轉臺的壓力為200kN，其方向與垂直方向成30.3°；每個動臂油缸對轉臺的壓力為490kN，其方向與垂直方向成17.2°；動臂對轉臺的作用力為X=-400kN，Z=380kN（以鉆機回轉中心為原點，鉆機前方為X軸正方向，鉆機右方為Y軸正方向，垂直向上的方向為Z軸正方向）；配重的重量為86kN；主卷揚自重為28kN；主卷揚鋼絲繩拉力取液壓系統(tǒng)所能提供的最大提升力，為230kN，與豎直方向成26.3°。用有限元軟件ANSYS Workbench對轉臺的兩種有限元模型進行強度和剛度分析。

7 結語

在樁工機械技術領域，旋挖鉆機具有非常關鍵的應用，具有較強的環(huán)保性、智能性和有效性。在本文的研究中，主要以某種型號鉆機為例，將轉臺結構轉變?yōu)楣ぷ至航Y構，簡化了施工環(huán)節(jié)，使焊接的數(shù)量不斷減少，在節(jié)省原材料的同時，提高了鉆機的性能。在減輕鉆機結構自重的過程中，針對轉臺的實際情況，選擇合適的方式進行優(yōu)化，在完善原有結構的基礎上，使自身的重量得到明顯降低，最后采取有效的方式進行測試和確認。

參考文獻

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