旋挖钻机工作性能分析及结构优化设计

2015-03-19刘德昌

机械管理开发 2015年8期

刘德昌

（中北大学机械与动力工程学院，山西太原 030051）

引言

在建设项目中，由于旋挖钻机效率高、环保、成孔质量好等优点。大量的旋挖钻机自2011年起已进入云南、贵州、四川等西南地区。在这些区域钻机经常遇到岩石层，机械事故经常发生。特别是旋挖钻机的主要工作装置（动力头，钻杆，钻斗等）无法适应艰苦条件下的运行要求，主要反映在重点位置的薄弱部位，使用寿命低等。因此，适用于钻硬地层的旋挖钻机优化设计，是一个重要的研究课题，具有重要的现实意义［1－2］。

1 分析常见故障及硬地层条件下的旋挖钻机损坏原因

为了有效地实现对岩石层的钻孔，旋挖钻机必须具备大扭拒、大压力的特点，有效传输大扭拒、大压力，提高钻头工具切削齿的耐磨性。然而，由于受这两个因素的限制，旋挖钻机的施工效率很难提高。此外，岩石层钻孔面临着设备的高波动反向作用力和峰值，这使得设备和工作装置等结构件疲劳损伤比较严重，机械故障率和钻机维护成本提高［3］。主要体现在以下几个方面。

1）传动键磨损。旋挖钻机动力头扭矩传递主要是通过动力头驱动键传递给钻杆钻斗进行钻孔。当旋挖钻机工作时，旋挖钻机动力头工作取决于双方驱动键垂直方向底部受压面，带动钻杆旋转正和负方向及传递加压力。长期加压的结果就是旋挖钻机动力头的驱动键和加压键磨损更快导致加压失败和驱动功能的减弱，这会影响旋挖钻机的效率。因此，驱动键磨损是旋挖钻机出现的常见问题。目前，在国内外以驱动键来实现旋挖钻机动力传动和加压的旋挖钻机制造商都采用了三个驱动键的设计，有焊接的和结构可拆卸的［4－5］。

2）动力头箱油泄漏。动力头油箱泄漏是旋挖钻机动力头最典型的问题，这主要体现在用于齿轮润滑的齿轮箱从一个或几个点之间的旋转轴和旋转密封件。漏油的原因主要有三点：旋转密封件安装不正确；加工精度不能满足旋转密封装置的安装要求；运行过程中，废铁销在回转轴承和齿轮箱的密封件处产生破坏，导致密封失效。

目前，动力头箱的底部一般设计一个或两个旋转密封件用于密封齿轮油箱。为了确保润滑油密封可以有效地形成，必须避免旋转密封件表面的腐蚀、刮伤、空气孔。在实际施工中，旋转轴接收径向冲击，并有外界杂质如泥浆、砂、水等容易进入箱体，将导致旋转轴与密封件油封接触故障。为解决故障旋转轴只能更换，因此成本提高，不被用户接受。

3）减振器损坏。当旋挖钻机的钻孔深度比钻杆的第一节长时，钻杆法兰盘落在动力头的减震器上，而此刻，钻杆的重量几乎都落在动力头的减震器上。钻机向下打孔或起重对动力头造成严重的冲击，从而造成动力头结构损坏。更严重的是，当钻杆被锁定，钻杆从高处自由落体会损坏动力头减震器。一旦发生这种情况，动力头将承受强烈的冲击。因此，动力头顶部必须设计一个减震器避免冲击，吸收冲击动力头的能量。否则，动力头很容易被损坏，甚至下降成一个洞。

4）回转支承裂纹。在有泥石流的情况下，钻杆的工作条件非常恶劣，钻杆长时间在泥浆中工作。当砂石锁定两钻杆之间，或钻杆键因为过大的扭矩发生弯曲，导致钻杆锁杆。当第二节钻杆被锁定，并且通过外钻杆提出来了，就有可能干扰到回转支承。由于连接钻杆的旋转管，回转支承连接螺栓被逐渐磨损，直至回转支承被严重磨损。此外，上下移动钻杆，压缩钻杆底部的减震弹簧也会造成钻杆和回转轴承的干扰。一旦回转轴承磨损，有必要关闭并维护保养，更重要的是，它也带有安全隐患。

5）钻杆关键压力点开裂、磨损或断裂。当钻机工作在硬地层或机械师认为钻井效率不理想时，他们往往会增加过多的压力，造成桅杆后倾。第一节杆的外部驱动键厚度较薄时，没有足够的弯曲强度和承压耐磨性。动力头内键和钻杆承压点磨损严重，压力轴承的应力使钻杆会发生变化。这不是一个简单的垂直应力，但它是一个力，不仅向下推，也压迫钢管，并产生弹性变形。高频率的压缩钢管，很容易使钢管的关键压力点开裂、磨损或破裂［6］。如图1所示。

图1 钻杆钢管键条磨损

2 旋挖钻机的结构改进及优化设计

根据工作装置在硬地层中常见问题，经过总结与分析，提出了以下设计方案。

1）可移动驱动器组合键设计。如图2所示，设计了旋挖钻机动力头可拆卸组合驱动键。单边传递转矩键和传输加压键旨在可拆卸组合传动键，并可以全部拆卸，从而可以快速更换，维护成本低。由于设计具有单传动转矩键和传输加压键，目前，旋挖钻机动力头焊接驱动键是不可拆卸的，可拆卸式驱动键有效解决由于局部磨损需更换整体的麻烦。与此同时，三个传递动力的键按环形被设计成为一个整体，它可以通过关键驱动力传输和分散反作用于钻杆加压平台，避免螺栓松动造成单驱动键承载压力而弯曲，甚至破裂。

图2 可拆卸组合驱动键的装配图

2）旋转密封过渡装置的设计。为了解决由旋转轴断裂引起的高维护成本和不便的问题，设计了旋转密封过渡装置。旋转密封过渡装置的局部放大视图如下页图3所示，该装置具有以下优点：一旦该装置的表面被损坏，只需更换旋转密封过渡装置而不需要更换旋转轴，可以降低成本，避免大麻烦的拆卸；在旋转密封过渡装置上设计了机油加注器和油槽，这可以使黄油在正常的双层间隔。它不仅可以防止泥土，砂石，水等杂质进入变速箱，而且起到润滑作用，有效保护旋转外表面密封唇和旋转密封过渡装置。

3）减振器的优化设计。除了橡胶弹簧减震，第一级氮气减震在压力增加时可以起到一定的减震作用。氮气弹簧是一种弹性功能部件，在一定容器内进行高压氮气密封，外力使氮气通过柱塞压缩杠杆。当外力被移除时，它可以通过高压氮的膨胀得到一定的压力。作为一个单个组件，它是被安装在动力头缓冲装置的第三级减震，并且它是一个灵活的弹性功能部件，可以方便实现弹簧压力恒定和延时操作。

4）回转轴承保护装置的设计。钻杆回转轴承保护装置是完全隔离的，回转支承从钻杆的顶部增加法兰盘，并且内圈的直径比回转支承内圈直径小。在实际工作中，钻杆与热处理后的保护装置直接接触，避免了回转支承频繁磨损且节约成本。

5）钻杆键的优化设计。钻杆键包括内键和外键，内键和外键在施工中严重磨损，甚至开裂。严重影响钻杆正常工作。优化改进如：为了保证钢管与键接头的全接触，减少焊接后的拉应力，采用圆弧键；为了保证耐磨强度，需增加内键的厚度，内键采用全成型工艺及专用热处理工艺；机锁杆压力平台表面镶嵌耐磨合金。