劉威 王順利

摘 要：在旋挖鉆機(jī)中，轉(zhuǎn)臺(tái)是一個(gè)非常重要的構(gòu)件，在整機(jī)重量中，轉(zhuǎn)臺(tái)的重量占據(jù)著很大的比例，為了使鉆機(jī)的整體性能充分發(fā)揮出來，需要不斷完善并優(yōu)化轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)。借助相關(guān)的力學(xué)原理，采取具有針對(duì)性的方式，在節(jié)省材料的同時(shí)，使轉(zhuǎn)臺(tái)重量明顯降低，降低共振發(fā)生的可能性，增強(qiáng)在實(shí)際工作中的效果。

關(guān)鍵詞：旋挖鉆機(jī)；回轉(zhuǎn)平臺(tái)；箱型結(jié)構(gòu)；工字梁結(jié)構(gòu)

旋挖鉆機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)為整體焊接式結(jié)構(gòu)，由回轉(zhuǎn)平臺(tái)主體、左側(cè)梁和右側(cè)梁組成，其中左、右外側(cè)縱梁采用D形管型材制造，回轉(zhuǎn)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)形式有兩種：“工字梁”型和箱型。本文以某型號(hào)旋挖鉆機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)主體的箱型結(jié)構(gòu)和工字梁結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過有限元分析，對(duì)工字梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其在滿足力學(xué)性能的前提下，減輕轉(zhuǎn)臺(tái)重量、節(jié)約原材料。

1 旋挖鉆機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 旋挖鉆機(jī)的概念

近年來，受益于國(guó)家經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的推動(dòng)、固定資產(chǎn)投資的拉動(dòng)、國(guó)家交通運(yùn)輸業(yè)和建筑業(yè)發(fā)展的帶動(dòng)，樁工機(jī)械行業(yè)迎來了一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期。但是，隨著低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、節(jié)能減排政策的實(shí)施、環(huán)保理念的加強(qiáng)，基礎(chǔ)施工受到的限制也越來越多。由于傳統(tǒng)的樁工設(shè)備（如沖擊鉆、正反轉(zhuǎn)循環(huán)鉆等）施工污染嚴(yán)重、鉆孔效率低下，已不能夠與新的施工技術(shù)要求相適應(yīng)，即將淡出市場(chǎng)。旋挖鉆機(jī)則以優(yōu)于其他同類產(chǎn)品的性能，適應(yīng)上述綜合發(fā)展的需求，在灌注樁施工機(jī)械中成為主流產(chǎn)品。

1.2 旋挖鉆機(jī)的特點(diǎn)

旋挖鉆機(jī)是樁工機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域的高新技術(shù)產(chǎn)品，是市政建設(shè)、鐵路、公路、橋梁、飛機(jī)場(chǎng)、大型港口、深水碼頭等理想的基礎(chǔ)施工設(shè)備。它憑借以下優(yōu)點(diǎn)在樁工機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域中贏得了廣闊的市場(chǎng)：

1）一機(jī)多用，適用性強(qiáng)。配備不同的鉆具旋挖鉆機(jī)可適用于巖層、土層、卵礫石等不同地質(zhì)，實(shí)現(xiàn)“軟硬通吃”，適應(yīng)我國(guó)幅員遼闊、方土異同的基本國(guó)情。旋挖鉆機(jī)不僅能夠進(jìn)行旋挖鉆進(jìn)，而且還可通過更換不同的工作裝置，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)、套管鉆進(jìn)以及挖掘地下連續(xù)墻等。

2）性能先進(jìn)，自動(dòng)化程度高。旋挖鉆機(jī)自動(dòng)化、智能化、機(jī)電液一體化程度高。施工作業(yè)中可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起立鉆桅，自行變幅，自動(dòng)進(jìn)行鉆桅調(diào)垂、監(jiān)測(cè)及報(bào)警，避免人為操作引起的誤差?？筛鶕?jù)地層情況自行調(diào)整回轉(zhuǎn)扭矩，還可通過動(dòng)力頭自行下埋井口護(hù)筒，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)伸縮的鉆桿在鉆進(jìn)過程中不用拆裝，降低人力勞動(dòng)強(qiáng)度。

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

2 旋挖鉆工作原理

旋挖鉆機(jī)主要功能為上車鉆孔作業(yè)和下車移動(dòng)行駛，兩部分通過換向閥互鎖。對(duì)于下車移動(dòng)行駛作業(yè)，液壓主泵在發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下供油，壓力油經(jīng)過中心回轉(zhuǎn)體到達(dá)液壓行走馬達(dá)，行走馬達(dá)通過減速機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，使底盤完成行走、轉(zhuǎn)向及制動(dòng)等動(dòng)作。通過調(diào)節(jié)底盤的伸縮油缸，隨時(shí)改變履帶的中心距，實(shí)現(xiàn)作業(yè)的穩(wěn)定性和運(yùn)輸?shù)谋憬菪浴?/p>

對(duì)于上車鉆孔作業(yè)，通過調(diào)整變幅油缸調(diào)節(jié)桅桿與機(jī)體的距離，根據(jù)鉆桅角度監(jiān)測(cè)情況，通過調(diào)整立桅油缸調(diào)節(jié)桅桿的垂直度，使鉆頭對(duì)準(zhǔn)鉆孔位置，達(dá)到鉆孔精度要求。主卷?yè)P(yáng)鋼絲繩通過提引器與鉆桿的上端相連，并通過動(dòng)力頭的中心孔，由主卷?yè)P(yáng)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(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭扭矩從鉆桿傳遞到鉆頭。發(fā)動(dòng)機(jī)通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將馬達(dá)輸出扭矩通過減速機(jī)傳遞給動(dòng)力頭齒輪箱，齒輪箱帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)鉆桿和鉆頭旋轉(zhuǎn)，并同時(shí)開啟主卷“自由下放”開關(guān)，在鉆頭和鉆桿的自重作用下實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)，如果需要，還可配合加壓油缸進(jìn)行加壓鉆進(jìn)。鉆頭回轉(zhuǎn)旋挖切土，待鉆頭內(nèi)裝滿渣土?xí)r，動(dòng)力頭馬達(dá)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，主卷?yè)P(yáng)回轉(zhuǎn)，加壓油缸同時(shí)提升，當(dāng)鉆頭提升至地面時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)至地面的卸土位置卸土。然后通過顯示屏使上車精確回轉(zhuǎn)到孔口位置，準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)作業(yè)循環(huán)。

3 旋挖鉆機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)及改進(jìn)

某型號(hào)旋挖鉆機(jī)主要由底盤、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、變幅機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、主副卷?yè)P(yáng)、鉆桅、動(dòng)力頭、鉆桿、鉆具、駕駛室等部件組成。鉆機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)是由左右底板、左右縱梁、左右立板、左右上板、左右后側(cè)板、左右縱梁頂板和若干筋板等焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)所用板材較多，焊縫也較多。焊縫的增加不僅會(huì)加大工藝的復(fù)雜性，而且會(huì)影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。因?yàn)楹附咏宇^中不僅有應(yīng)力集中（如角焊縫、對(duì)接焊縫的焊趾處），而且在這些部位也易產(chǎn)生缺陷，存在焊接殘余應(yīng)力；其次，缺陷可能造成提高整體應(yīng)力水平、局部缺口效應(yīng)、類裂紋缺陷等方面的影響；最后，焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生往往伴隨著焊接熱循環(huán)引起的材料性能變化，對(duì)強(qiáng)度尤其是動(dòng)強(qiáng)度的影響不可忽略。

4 旋挖鉆機(jī)的工況分析與選擇

旋挖鉆機(jī)的工況復(fù)雜，主要包括鉆具下放工況、加壓鉆掘工況、鉆機(jī)提升工況、回轉(zhuǎn)卸土工況等。其中，鉆機(jī)提升工況是旋挖鉆機(jī)的主要工況，也是危險(xiǎn)工況。當(dāng)變幅動(dòng)臂處于水平位置時(shí)，鉆具處于最大回轉(zhuǎn)半徑位置，也稱最大變幅距離提鉆工況，該工況由于整機(jī)重心前移使鉆機(jī)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(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)主體進(jìn)行有限元分析。

5 有限元模型的建立

轉(zhuǎn)臺(tái)的幾何模型根據(jù)零件的實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸建立，并忽略不影響主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的細(xì)節(jié)部分，去掉倒角及小孔等；假設(shè)焊縫無缺陷，各處焊接強(qiáng)度均能達(dá)到母材強(qiáng)度。轉(zhuǎn)臺(tái)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(qiáng)度σs=345MPa，安全系數(shù)n=1.25。采用自由網(wǎng)格劃分方法，并在應(yīng)力集中部位逐步細(xì)化網(wǎng)格，建立轉(zhuǎn)臺(tái)網(wǎng)格模型。

6 靜力學(xué)仿真結(jié)果分析

回轉(zhuǎn)平臺(tái)和鉆機(jī)底架通過回轉(zhuǎn)支承連接，在分析過程中將回轉(zhuǎn)支承設(shè)置為固定約束；左右拉桿、左右動(dòng)臂油缸和動(dòng)臂通過銷軸作用在回轉(zhuǎn)臺(tái)上的力是施加在銷軸表面的軸承載荷，由于鉆機(jī)在工作過程中要受到各種沖擊的影響，如在起始提鉆時(shí)，起升質(zhì)量產(chǎn)生的附加加速度會(huì)產(chǎn)生慣性力，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)力，在埋鉆或卡鉆時(shí)也會(huì)產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)力，故需對(duì)計(jì)算載荷乘以動(dòng)載荷系數(shù)，參照《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，此處取為2；由于卷筒支座固定在轉(zhuǎn)臺(tái)的主卷?yè)P(yáng)支架上，所以將鋼絲繩拉力作用在主卷?yè)P(yáng)支架的上表面；轉(zhuǎn)臺(tái)自身重力由ANSYS Workbench自動(dòng)計(jì)算得出。

經(jīng)計(jì)算，每個(gè)拉桿對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的壓力為200kN，其方向與垂直方向成30.3°；每個(gè)動(dòng)臂油缸對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的壓力為490kN，其方向與垂直方向成17.2°；動(dòng)臂對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的作用力為X=-400kN，Z=380kN（以鉆機(jī)回轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)，鉆機(jī)前方為X軸正方向，鉆機(jī)右方為Y軸正方向，垂直向上的方向?yàn)閆軸正方向）；配重的重量為86kN；主卷?yè)P(yáng)自重為28kN；主卷?yè)P(yáng)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(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的兩種有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析。

7 結(jié)語

在樁工機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，旋挖鉆機(jī)具有非常關(guān)鍵的應(yīng)用，具有較強(qiáng)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(hào)鉆機(jī)為例，將轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ至航Y(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)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(shí)，提高了鉆機(jī)的性能。在減輕鉆機(jī)結(jié)構(gòu)自重的過程中，針對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際情況，選擇合適的方式進(jìn)行優(yōu)化，在完善原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使自身的重量得到明顯降低，最后采取有效的方式進(jìn)行測(cè)試和確認(rèn)。

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