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TR500C旋挖钻机变幅机构设计分析
设计研究 Design & ResearchTR500C旋挖钻机变幅机构设计分析Design and analysis of the elevating system of TR500C rotary drill rig梁守军，秦华锋，王建怀，韩　侠，李　悦LIANG Shou-jun, QIN Hua-feng, WANG Jian-huai, HAN Xia, LI Yue （北京南车时代机车车辆机械有限公司，北京 102249）[摘要] 变幅机构是旋挖钻机的关键承载部件，旋挖钻机工况的多样性决定了变幅机构受载的复杂性，本 文从桅杆装配过程、桅杆竖直、工作钻进以及提升工况来分析TR500C旋挖钻机变幅机构的结构 强度和刚性，为变幅机构的可靠性设计提供参考依据。[关键词] 旋挖钻机；变幅机构；工况计算桩工机械及其工法的迅速发展，使得灌注桩 的优势越加明显。灌注桩提高了承载力与抗风、 抗震能力，防止下沉、倾斜、倒塌、滑坡等，大 型建筑物、闸墩、桥墩、码头、港口、仓库等的 基础已经广泛采用。 综合分析国内外旋挖钻机的发展情况可以看 出，旋挖钻机的大型化趋势非常明显，德国宝峨 公司已经成功推出BG48型480kNm旋挖钻机。 国内企业也迅速响应，推出了大吨位的旋挖钻 机。我公司在成功推出TR400C钻机的基础上， 推出了TR500C型钻机。TR500C钻机的结构与 TR400C有比较大的区别，除了整机吨位超大， 提供的工作扭矩更大，而且主卷扬的部分载荷直 接作用在变幅机构上，作为钻机关键承载部件的 变幅机构，其受载情况更加复杂。作扭矩，加压卷扬提供加压压力，扭矩通过桅杆 传递到动臂和大三角的支撑梁上，然后传递至回 转中心，最后传递至地面。动臂与大三角支撑的 作用载荷相互独立，单独传递，最终都汇集到回 转中心。另一条传递路径通过主卷扬钢丝绳传递 至主卷扬支撑平台，最终传递至回转中心。 1.2　结构组成 目前国内旋挖钻机的变幅机构一般采用两级 变幅油缸，主要有2种支撑结构。 1）“平行四边形连杆机构+三角形”的支撑 结构。桅杆油缸改变桅杆在垂直面里的角度，变幅 油缸驱动动臂改变工作装置的工作幅度。与前者的 区别在于变幅油缸驱动三角架使工作装置平移。文 献[4]对该机构的运动特性作了全面的分析。 2）大三角支撑结构，变幅油缸驱动动臂实现 工作装置的移动，桅杆油缸放置在大三角支撑的 横梁上，实现桅杆的调整。 我公司研发的TR500C型多功能旋挖钻机采 用大三角支撑结构，其结构简单，稳定性好，能 承受大扭矩，保证了工作过程的稳定性与可靠 性，如图1所示。1　变幅机构设计对于大型钻机，设备到达施工现场，钻桅 装配完成，行走至施工位置，下钻，动力头驱动 钻杆旋转钻进，切削土壤，动力头反转，提土起 拔，上车回转，旋转抛土，完成旋挖钻机的一个 工作周期。 1.1　力的传递过程 钻机在工作中，钻斗受到土壤的阻力和阻力 矩，然后通过钻杆传递到动力头，动力头提供工2　工况计算2.1　钻桅装配过程 超大型钻机运输到施工现场，吊锚架、副卷建筑机械化　2011(09)　39Design & Research 设计研究2.2　桅杆竖直，钻机行走 桅杆装配到位以后，钻机要行走至施工位 置，此时主卷扬钢丝绳将承受钻杆、钻斗的重 力，钢丝绳巨大拉力通过主卷扬一部分力作用在 钻机底盘上，另一部分力将直接作用在变幅机构 的大三角支撑上。桅杆竖立的受力分析如图3所 示。 以B点作为原点，根据力矩平衡可得 F拉l3+Fl2=G桅杆l6+G动力头l4+F拉l1 F拉=G钻杆+G钻斗 力，图1　变幅机构结构组成1-桅杆油缸；2-支撑横梁；3-主卷扬支撑点；4-固定支座； 5-大三角支撑；6-动臂油缸；7-动臂（5） （6）计算结果表明，F=-62kN，桅杆油缸为推 F x=0， F y=0，求得变幅机构的D点要承 受主卷扬的作用载荷，然后直接施加到模型位置 求解。 2.3　加压钻进 在加压钻进状态下，主卷扬钢丝绳受载为0， 动力头通过内部键槽将工作扭矩Tm和加压压力F加压 施加在钻杆上，这两个载荷驱动钻杆钻进工作。 钻进时，钻头的扭矩通过动力头传递到桅杆，大 三角变幅机构通过桅杆变幅油缸，动臂提供反扭 矩，使钻机能够稳定地工作。钻进工作受力分析 如图4所示。扬、加压卷扬已经装配到位，施工前需要将桅杆 拉起到垂直于地面的竖立状态。在桅杆竖立过程 中，与桅杆连接的变幅油缸将承受巨大的拉力， 同时变幅机构的动臂，将承受巨大的压力 。装配[3]过程桅杆油缸和动臂受力分析如图2所示。图2　钻桅装配过程受力简图以B点作为原点，根据力矩平衡可得 Fl1=Gl0 （1） （2）α +β +γ +θ =180°γ 、θ 已知，根据?ABC三角函数关系可以求得（3） 由计算结果可知，在钻桅装配过程中，桅杆 油缸拉力从1 421kN急剧下降到117.6kN，在起桅 初始状态下，桅杆油缸拉力最大，此时动臂所受 的力也最大。φ 是桅杆油缸与桅杆夹角，可以求得 B的受力情况FBx=Fcosφ 、FBy=Fsinφ 。 求得变幅机构的D点要承受主卷扬的作用载 荷，然后直接施加到模型位置求解。图3　竖立状态受力简图 图4　加压钻进状态受力简图40　2011(09)　CONSTRUCTION MECHANIZATION设计研究 Design & Research以G点作为原点，根据力矩平衡可得 Fl2+f反力l5＝G桅杆l6+G动力头l4 f反力＝F加压+G动力头 处受扭应满足 Tm+TAI＝TBJ TAI/h1＝TBJ/h2 （9） （10） （7） （8）况。主支撑梁的变形达到7.5mm，需要加筋，以 增加抗变形的刚度。 竖立行走状态与提升状态受载相似，提升状 态更为恶劣。提升状态下，最大应力位置在动臂 的外侧面油缸支座的内圈上达到386MPa，材料强 度700MPa，没有超出材料强度范围。动臂油缸， 以及动臂与回转轴连接处应力值达到240MPa，应 力分布较为合理，结构设计合理。最大变形位置 在动臂与桅杆转盘连接的位置，动臂承受了提升 过程中的压力，变形达到5mm，其结构性良好， 能够满足工作工况。 钻进状态，由于持续工作扭矩的作用，动臂 左右两侧受载反向，其应力表现为不对称，最大 应力位于动臂与销轴连接处为180MPa。由于持续 （11） 工作扭矩的存在使得支撑梁变形“S”状，三角支 撑梁的变形最大2mm，该位置需要加筋增加其刚 性，减少变形。变幅机构整体结构良好，可以满 足工作状态，机构仍然存在优化减重的空间。[参考文献] [1]　 康辉梅，何清华，朱建新．旋挖钻机变幅机构的动 力学建模与仿真[J]．中南大学学报，2010，(4)： 532-538． [2]　 黎中银．旋挖钻机与施工技术[M]．北京：人民交 通出版社，2010． [3]　 黎起富．TR400旋挖钻机各工况受力计算[C]． 2010桩工机械行业年会会刊，2010． [4]　 吴雪梅，赵伟民，李瑰贤，等．销轴连接的几种 有限元模型比较[J]．机械工程师，2004，(1)：6768.（编辑　贾泽辉）设三角架各点受力均匀，则铰点A、I、B、J变幅机构的D点要承受主卷杨自身的部分重 力，其值为25kN。以此作为边界条件，对变幅机 构作仿真计算。 2.4　提升状态 钻机钻进工作结束，动力头反转，主卷扬按 照最大起拔力起拔。主卷钢丝绳，桅杆总成为研 究对象。参见图2受力分析简图可得 F拉l3+Fl2＝G桅杆l6+G动力头l4+F拉l1 F拉＝510kN 提升力通过主卷扬部分载荷将直接作用在大 三角的支撑上D点，计算其分力，然后加载在有 限元模型的相应位置。3　仿真计算分析有限元模型：油缸、轴类采用beam189梁单 元，板材采用sheet43厚壳单元。 模型约束处理：①根据实际工作状况，销 轴、孔采用界面元法。在主节点和销轴孔内侧节 点之间生成界面单元，这种界面单元是一种只承 受压力的杆单元 [4]；②对焊接处进行耦合约束处 理，将这些自由度耦合在一起来模拟焊接情况； ③将理论计算所得的载荷直接加载到模型对应的 位置，尽量还原结构在实际中的真实约束和受力 情况。 起桅状态下，变幅机构应力最大值在主支撑 梁与三角臂连接的地方，达到431MPa。该位置 采用高强度钢材焊接，材料强度700MPa，而且该 载荷为静载，完全可以满足起桅过程中的危险工［中图分类号］TU67 ［文献标识码］B ［文章编号］11)09-0039-03 ［收稿日期］建筑机械化　2011(09)　41092011年第09期Vol.32，No.09，Serial No.269Contents18 Reliability in action for users With construction machinery market competition intensi?es, blindly sales will only make enterprise stay in the product promotion, can not satisfy the demands of enterprise that become bigger and stronger. To this, enterprise must be building a pervasive brand, shaping a good enterprise image, then win customer's reputation. When competition deepening, or the development of the industry in bottleneck, the enterprises those are more easily recognized by the users are easier to survive and develop in the market. Construction machinery production enterprises have been fully aware of the importance of enterprise brand. To enterprise image construction as the center, they take measures from quality, service, marketing and so on, strive to create their own brands.National parts and components for construction machinery should improve ourself At present, the domestic parts and components' independent innovation ability are weak,the long-term imbalance of market structure lead to a big difference in the high-end product market, restrict by foreign technical barriers and supporting. The product structure is irrational, cheap product capacity is excess but high grade product is insuf?cient. For a long time, it is the idea that value main engine plants and contempt parts hinder the development of parts. In addition, the raw material, production equipment and so on also cannot ignore.2839Design and analysis of the elevating system of TR500C rotary drill rig The luffing mechanism of model TR500C rotary drill rig is the key load-bearing unit, complexity and real law of loads on the elevating system is based on operation condition. This paper analyze the strength and stiffness of the luf?ng mechanism on the conditions of erecting mast, drilling work, and hoisting work, provide the reliability design on the model TR500C rotary drill rig.Research on controlling center line of shield tunnel in process of construction Controlling the center line of shield tunnel, which is seen as a key commodity necessary to guarantee the breakthrough of tunnel, is a key technology in process of construction, The causes of axis de?ection of shield tunnel are analyzed, and some operating skills for controlling the tunnel axis line are summarized, which can provide some references to the construction of the shield tunnel.5776 Hoisting technology of 300MW turbine-generator unit drum boiler This article analyzed of Dananhu Hami Xinjiang power plant, the hoisting construction scheme of drum boiler for 2×300MW unit installed, and its operating procedures and requirements. It has some guiding signi?cance on install of domestic similar drum boiler construction.4　2011(09)　CONSTRUCTION MECHANIZATION
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