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　　摘 要：進(jìn)給機構(gòu)設(shè)計是液壓錨桿鉆機研發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，本文對進(jìn)給機構(gòu)進(jìn)行了分析設(shè)計，并運用ANSYS Workbench軟件對桅桿部分進(jìn)行了有限元計算，結(jié)果表明，桅桿的強度、變形符合設(shè)計要求，進(jìn)給機構(gòu)設(shè)計合理。
　　關(guān)鍵詞：錨桿鉆機；進(jìn)給機構(gòu)；有限元計算

　　錨桿鉆機作為巖土錨固工程的關(guān)鍵設(shè)備，在深基坑支護(hù)、邊坡支護(hù)、隧道注漿鉆孔、地源地?zé)徙@孔、高壓旋噴等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前國產(chǎn)錨桿鉆機功能少、扭矩小、適用性低，而進(jìn)口鉆機雖然性能好，但價格昂貴。錨桿鉆機作為樁工機械的新寵越來越受到用戶的認(rèn)可，南車北京時代率先研制成功TAR12型多功能液壓錨桿鉆機，具備液壓履帶行走、液壓沖擊回轉(zhuǎn)、大扭矩的特點。能適應(yīng)各種巖土錨固工程施工需要，其性能接近國外先進(jìn)鉆機，且具有高性價比。錨桿鉆機進(jìn)給起拔機構(gòu)作為液壓錨桿鉆機的關(guān)鍵組成系統(tǒng)，起到向掘進(jìn)面提供鉆壓及起拔鉆具的關(guān)鍵作用。其性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接關(guān)系到整機性能的發(fā)揮。本文主要對錨桿鉆機進(jìn)給機構(gòu)及桅桿強度剛度進(jìn)行分析研究。
　　1 整機簡介
　　TAR12型錨桿鉆機示意圖如圖1所示。整機由履帶式行走機構(gòu)、上車平臺、變幅變角機構(gòu)、鉆桅和動力頭組成。擺動式履帶底盤上安裝一組自適應(yīng)油缸，可調(diào)節(jié)上車平臺相對于下車的角度，使得鉆機在不平整地面施工時通過自身調(diào)節(jié)使鉆機重心處于最佳位置；多根油缸控制的變幅變角機構(gòu)增強了鉆機的靈活性，可實現(xiàn)鉆進(jìn)系統(tǒng)的多方位旋轉(zhuǎn)或傾斜，保證了鉆機在各種工況下均能施工，極大地提高了鉆機對施工環(huán)境的適應(yīng)性。鉆桅是鉆機重要的工作裝置，由上桅桿、中桅桿、下桅桿、動鉗、靜鉗、動力頭小車組成，集成了加壓進(jìn)給、提升、動力頭滑移、鉆具固定卸扣等功能，保證了施工作業(yè)的穩(wěn)定性；具備回轉(zhuǎn)沖擊功能的動力頭最大扭矩達(dá)12.7KN·m，可以完成回轉(zhuǎn)跟管鉆進(jìn)、潛孔錘跟管鉆進(jìn)、偏心鉆進(jìn)等施工方案。
　　2 進(jìn)給機構(gòu)
　　進(jìn)給機構(gòu)安裝于中桅桿，是錨桿鉆機主要部件之一，其性能好壞直接影響整機的技術(shù)性能和施工質(zhì)量。設(shè)計進(jìn)給機構(gòu)要具備以下兩個主要功能：
　　a.加壓動力頭。鉆頭在掘進(jìn)的過程中，由于巖石具有彈性，巖石在鉆具切入、破碎之前會先產(chǎn)生彈性應(yīng)力狀態(tài)，這被稱為回彈現(xiàn)象?；貜棔?dǎo)致鉆頭與巖石脫離，所以為了使巖石與鉆頭保持良好的接觸，需要給鉆具施加一定的軸向力，同時軸向加壓也有利于鉆刃破碎巖石，從而實現(xiàn)高效成孔。施加在動力頭的壓力過大容易引起鉆具彎曲、鉆進(jìn)阻力過大、鉆刃磨損加劇等不良后果；壓力過小不能保證合理的切削破壞，鉆進(jìn)速度緩慢。加壓力的大小需要綜合巖土性質(zhì)、鉆孔深度、鉆進(jìn)速度等因素。
　　b.提升鉆具。起拔鉆具和減壓鉆進(jìn)時都需要提升鉆具。起拔鉆具時，進(jìn)給機構(gòu)要克服鉆具與巖土之間的摩擦力、鉆桿和動力頭的自重。一般地，鉆孔深度越大，需要的起拔力也越大。減壓鉆進(jìn)主要針對軟土層施工，即鉆進(jìn)需要的加壓力小于鉆桿和動力頭自重沿軸向的分力。這時，為了更好地成孔，需要給動力頭施加提升力。
　　進(jìn)給機構(gòu)多采用機械進(jìn)給機構(gòu)和液壓進(jìn)給機構(gòu)。機械進(jìn)給機構(gòu)依靠傳統(tǒng)的機械傳動裝置對動力頭施加運動所需要的力，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維修方便，缺點是勞動強度大、擴展功能少、可靠性較低。液壓進(jìn)給機構(gòu)目前比較常用，它是依靠油液壓力能驅(qū)動液壓件對動力頭做功，相較于機械進(jìn)給機構(gòu)，其優(yōu)點是可以對動力頭的運動進(jìn)行無級調(diào)速，通過對油液壓力的實時監(jiān)測了解工況，功能較多更加方便施工操作；缺點是價格較高、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、維修難度較大。
　　2.1 進(jìn)給機構(gòu)參數(shù)
　　進(jìn)給機構(gòu)的主要參數(shù)是衡量鉆機鉆進(jìn)及起拔性能的重要指標(biāo)，根據(jù)設(shè)計要求，進(jìn)給機構(gòu)主要參數(shù)擬定如表1所示。
　　2.2 進(jìn)給機構(gòu)方案
　　本機針對進(jìn)給機構(gòu)設(shè)計了三種方案，分別是“液壓馬達(dá)-鏈條”進(jìn)給機構(gòu)、“油缸-鏈條”倍速進(jìn)給機構(gòu)和“齒輪-齒條”進(jìn)給機構(gòu)。
　　a. “液壓馬達(dá)-鏈條”進(jìn)給機構(gòu)。如圖2所示，鏈條與動力頭小車形成閉合的回路，鏈條拉動小車在進(jìn)給梁上滑動，液壓馬達(dá)通過減速機將轉(zhuǎn)矩傳遞給鏈輪。馬達(dá)正轉(zhuǎn)則動力頭小車前進(jìn)，實現(xiàn)加壓鉆進(jìn)；馬達(dá)反轉(zhuǎn)則動力頭小車后退，實現(xiàn)鉆桿起拔；進(jìn)給力與起拔力相等。其優(yōu)點是：在設(shè)計過程中，進(jìn)給行程不受限制，且結(jié)構(gòu)比較簡單。
　　b. “油缸-鏈條”倍速進(jìn)給機構(gòu)。如圖3所示，油缸缸筒固定在桅桿上，缸桿推動滑輪組小車直線運動，兩根鏈條通過一定的纏繞方式和固定方式使得動力頭能夠上下運動?！　∠鄬τ谄胀ǖ囊簤焊走M(jìn)給機構(gòu)來說，它能夠讓動力頭的運動行程和速度達(dá)到油缸的兩倍，這樣的倍速進(jìn)給機構(gòu)設(shè)計有效地提高了鉆進(jìn)效率。其缺點為滑輪的數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜；優(yōu)點是成本較低。

圖3 “油缸-鏈條” 倍速進(jìn)給機構(gòu)方案圖

　　c. “齒輪-齒條”進(jìn)給機構(gòu)。如圖4所示，低速大扭矩馬達(dá)固定在動力頭滑架上，并通過齒輪與固定在鉆桅上的齒條嚙合，馬達(dá)正轉(zhuǎn)則動力頭前進(jìn)，馬達(dá)反轉(zhuǎn)則動力頭后退，且進(jìn)給力與起拔力相同。該方案優(yōu)點是行程不受限制，進(jìn)給力和起拔力較大，但成本較高。
　　考慮到該型號鉆機的實際進(jìn)給、起拔力需求及經(jīng)濟型，TAR12型液壓錨桿鉆機最終選擇“油缸-鏈條”倍速進(jìn)給機構(gòu)作為設(shè)計方案。
　　2.3 進(jìn)給機構(gòu)設(shè)計
　　“油缸-鏈條”倍速進(jìn)給機構(gòu)設(shè)計如圖5所示。鏈條的纏繞方式為：起拔鏈條一端連接動力頭，另一端繞過定滑輪和動滑輪后固定在桅桿上；鉆進(jìn)鏈條與起拔鏈條的纏繞方式相同。加壓鉆進(jìn)時，高壓液壓油進(jìn)入油缸有桿腔，缸桿縮回，鉆進(jìn)鏈條拉動動力頭前進(jìn)，起拔鏈條作跟隨運動，動力頭位移為油缸位移的兩倍；起拔鉆桿時，高壓液壓油進(jìn)入油缸無桿腔，缸桿伸出，起拔鏈條受力，動力頭后退。 　　加壓油缸設(shè)計如圖6所示。缸桿桿頭設(shè)計成螺柱可以有效避免缸桿的轉(zhuǎn)動對鏈條傳動的影響。油缸固定端設(shè)計在缸筒的前部，安裝距相比兩端固定方式減小了2 m，這能在很大程度上增強油缸的工作穩(wěn)定性。
　　鉆機進(jìn)給力理論計算公式：
　　通過計算可得，即進(jìn)給壓力理論最大值可達(dá)51.5 kN。
　　鉆機起拔力理論計算公式：
　　通過計算可得，即機構(gòu)起拔力理論最大值可達(dá)110 kN。
　　可以看出，機構(gòu)的進(jìn)給力和起拔力達(dá)到了設(shè)計要求。
　　3 桅桿有限元分析
　　中桅桿總成主要由中桅桿箱梁、進(jìn)給油缸、動滑輪組、定滑輪、板鏈組成。從結(jié)構(gòu)和受力來看，較大應(yīng)力容易集中在進(jìn)給油缸安裝孔、靜滑輪安裝孔、板鏈固定端、動力頭小車滑道等地方。對中桅桿進(jìn)行有限元分析有利于研究“油缸-鏈條”倍速進(jìn)給機構(gòu)的設(shè)計合理性，同時也有利于了解桅桿在極限工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況，有助于后期的優(yōu)化改進(jìn)。
　　3.1 工況及對應(yīng)邊界條件
　　(1)加壓鉆進(jìn)工況有限元計算
　　在這種工況，動力頭處于上限位處，鉆桿對動力頭的支反力為50 KN，動力頭施加的扭矩達(dá)到12.7 KN·m。加壓鉆進(jìn)加載如圖9所示。
　　(2)鉆具起拔工況
　　在這種工況，動力頭處于下限位處，鉆桿對動力頭的支反力為100 KN，動力頭施加的扭矩達(dá)到14.9 KN·m。鉆具起拔工況加載如圖12所示。
　　3.2分析與計算結(jié)果
　　(1) 幾何模型
　　中桅桿幾何模型如圖7所示。動力頭、滑輪、動滑輪小車等均以質(zhì)點簡化，忽略焊縫、小孔等對分析計算影響微小的部位。
　　幾何模型采用自動網(wǎng)格劃分，模型共生成123125個節(jié)點，124771個單元。結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖8所示。
　　(2) 加壓鉆進(jìn)工況分析結(jié)果
　　加壓鉆進(jìn)工況應(yīng)力分布云圖如圖10所示。最大應(yīng)力在鏈條-桅桿上板連接處，為230.27MPa，材料強度安全系數(shù)=345/230.27=1.5，達(dá)到了設(shè)計要求。
　　加壓鉆進(jìn)工況變形分布云圖如圖11所示。最大變形為33.84mm，位于動力頭小車滑道末端。中桅桿全長約6700mm，故最大變形量約為5‰，非常微小，滿足剛度要求。
　　(3) 鉆具起拔工況分析結(jié)果
　　鉆具起拔工況應(yīng)力分布云圖如圖13所示。最大應(yīng)力在鏈條-桅桿上板連接處，為199.08MPa，材料強度安全系數(shù)=345/199.08=1.7>1.5，達(dá)到了設(shè)計要求。
　　鉆具起拔工況變形分布云圖如14所示。最大變形為17.13mm，位于中桅桿與上桅桿連接處。中桅桿全長約6700mm，故最大變形量約為3‰，非常微小，滿足剛度要求。
　　4 結(jié)論
　　(1) 設(shè)計了3種進(jìn)給機構(gòu)方案，綜合各種因素后選擇“油缸-鏈條”倍速進(jìn)給機構(gòu)為設(shè)計方案，設(shè)計結(jié)果達(dá)到了功能要求。
　　(2) 利用有限元軟件對中桅桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強度剛度校核，結(jié)果表明，進(jìn)給機構(gòu)布置合理，中桅桿應(yīng)力變形合格。
　　參考文獻(xiàn)：
　　成大先.機械設(shè)計手冊（第5版）[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.