中国中车大吨位旋挖钻机的研发与创新论文_黄志文

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

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