黄志文
北京中车重工机械有限公司 北京昌平 102200
摘要：旋挖钻机具有功率大、智能、高效、安全、环保等特点，是目前最先进的钻孔灌注桩设备。本文阐述了北京中车重工大吨位旋挖钻机主要部件的研发创新，利用pro-E三维软件设计模型，并通过ANSYS有限元分析软件进行仿真分析，得到部件在各工况下的受力状态，保证整机设备的安全使用要求。
关键词：旋挖钻机 北京中车重工 研发创新 有限元分析
1.前言
自2009年起，中车北京重工通过自主创新，研发生产36吨米以上的旋挖钻机，填补了民族品牌大吨位旋挖钻机市场的空白。该类型旋挖钻机整体集成了新款CAT345GC全电控底盘，为业内首创，高灵敏度操作，实现各工作的精准控制，施工效率提高20%。
CAT345GC可扩展式底盘和上车全套设备，液压与传动系统采用Rexroth马达与Brevini减速机，采用先进的负载反馈技术可使流量按需分配至系统各工作装置，实现不同工况的最佳匹配，最大程度的节省了发动机功率，油耗降低15%。
结构方面进行了创新与突破，采用后置主卷扬、双动臂变幅结构、板焊式桅杆、新式动力头，保证整体的可靠性及结构的安全性。关键结构件均采用细晶粒高强度钢板制造，强度高、刚度好、重量轻，并结合有限元静态及屈曲分析结果进行优化设计，使得结构更加合理。采用先进的焊接技术，使得大吨位钻机轻量化的愿望成为可能。
本文结合中车北京重工大型旋挖钻机的研发历程与现状，着重总结中车北京重工在TR368HC旋挖钻机的研发成果以及解决的关键性技术难题。
2.TR368HC大吨位旋挖钻机的结构创新
2.1主卷扬双减速机双马达后置结构
2.1.1 传统主卷扬结构及其缺陷
主卷扬结构为旋挖钻机主要的工作装置，包括液压马达、减速机、主卷扬机架、主卷扬筒等部件，实现提放钻杆及钻进过程中的浮动。
传统主卷扬结构一般置于下桅杆，单液压马达驱动。因受桅杆或变幅机构空间的限制，主卷扬机构多采用直径较小的卷筒。
此结构的卷筒只能采用多层钢丝绳缠绕，钢丝绳易出现跳绳、乱绳、咬绳等问题，钢丝绳的使用寿命缩短。单马达单减速机方式，对马达驱动力要求过大，使减速机受力平衡不够优良，且马达、减速机的成本相对较高。
2.1.3新型主卷扬结构及其优势
中车TR368HC旋挖钻机主卷扬后置双马达双减速机结构（图1），卷扬机架放置于底盘的后车架上，单层绕绳大卷筒。
该主卷扬结构的优点：（a）主卷扬结构中置使得整机的结构紧凑，减少了一部分配重，提高了整机的安全稳定性；（b）主卷扬结构中采用双马达双减速机的结构形式，使整机获得了超大输出动力，传动平稳，延长了减速机的使用寿命，降低了生产维护成本；（d）采用单层螺旋线式主卷扬筒，从根本上解决了钢丝绳的压绳、咬绳现象。
2.1.4主卷扬拉力计算
计算结果：F=375kN，满足设计要求。
2.2 新一代动力头
2.2.1 传统动力头结构及其缺陷
动力头是最重要的工作部件，该部件把液压能转化为机械能，达到旋挖施工的目的。传统动力头按驱动套结构可分为整体式和键条装配式两种类型，前者无法单独对键条进行不同的热处理，使用维修成本较高，磨损后需整体更换驱动套总成；后者制造精度要求高，使用中容易剪切螺栓，故障率较高，两者均影响旋挖钻机的工作效率，增加使用维护成本。
2.2.2新一代动力头结构及其优势
作为旋挖钻作业先锋，动力头全面升级换代（图2），转速提升，效率更高；并采用先进的多档位控制技术，既能提升工作效率，又最大程度的节省能耗；长导向技术确保钻孔的垂直度；五级减震缓冲系统，进一步提升了旋挖施工的安全防护能力。
2.2.4动力头输出扭矩计算
计算结果：T=373.89 kN·m，满足要求。
2.3 桁架式吊锚架结构
吊锚架在旋挖钻机桅杆的顶部，结构件的设计既要满足强度、刚度和稳定性的要求，重量又要尽可能的小，实现整机的轻量化。
2.3.1传统吊锚架的结构
传统的吊锚架一般为板式结构，滑轮架是整个吊锚架中的支撑部件，为滑轮提供支撑。对于大型旋挖钻机，两大滑轮的中心尺寸越大，大滑轮支撑板的尺寸也越大，钢板厚度越大，整个吊锚架的重量就越大，对整车的稳定性越不利。
2.3.2新型吊锚架的结构
为了减小大型旋挖钻机吊锚架的重量，使整车的稳定性更好，拟采用桁架式吊锚架（已申请国家专利）。桁架式吊锚架的结构主要包括滑轮架、大小滑轮组成、大小滑轮导绳管，重量减轻20%。
2.2.3实施效果
在滑轮中心尺寸一样的情况下，桁架式吊锚架能够有效地减小重量，对整车的稳定性和轻量化起到了积极的作用。
参考文献：
[1] 黄志文.大型旋挖钻机设计中几个问题的讨论[J].建筑机械，2010，（8）
论文作者:黄志文
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第17期
论文发表时间:2019/6/19
标签：钻机论文; 结构论文; 滑轮论文; 马达论文; 减速机论文; 重工论文; 动力论文; 《建筑模拟》2019年第17期论文;