摘 要

螺杆桩机作为螺杆型混凝土灌注桩施工技术的专用机具，因螺杆桩具有承载力强、节约混凝土等优点而在高层建筑、高铁桥梁的基础工程中得到较为广泛的应用。螺杆桩机中，为钻具提供并输送动力的动力头部分尤为重要，其零部件分布密集且工作时受载复杂。一旦在施工中出现失效问题，不仅耗费大量经济时间检修，而且严重降低施工效率。因此动力头部分必须合理设计保证其具有较高的安全系数避免发生事故。

本文针对一台由于原设计不合理而在远未达到设计寿命时动力头部分失效的螺杆桩机，通过传统强度计算方法与有限元静力分析方法，对该螺杆桩机的动力头减速器中的第二级行星轮系和定轴轮系零部件及箱体等特殊零件进行了静强度计算分析，最后找出了强度不足以及配置不合理之处并分别进行了强度增强与优化设计。此外本文对增强与优化方案进行了经济性与环保性分析，不仅使螺杆桩机动力头强度合格达到设计寿命还减少了成本，实现了适用性和经济性的统一。

关键词：行星减速器；强度分析；有限元静力分析

Abstract

As a special machine for the construction technology of screw-type concrete pouring piles, screw pile machine is widely used in the foundation engineering of high-rise buildings and high-speed railway bridges because of its strong bearing capacity and saving concrete. In the screw pile machine, the power head part that supplies and transmits power to the drilling tool is particularly important, and the parts are densely distributed and the force is complicated when operation. Once a failure problem occurs during construction, it not only consumes a lot of economic time for maintenance, but also seriously reduces construction efficiency. Therefore, the power head part must be reasonably designed to ensure a high safety factor to avoid accidents.
In this paper, for a screw pile machine got failure of the power head due to the unreasonable original design when its using time is far to the design life. Through the traditional strength calculation method and the finite element static analysis method is used for the power head reducer of the screw pile machine ,and the static strength calculation and analysis were carried out for the special components such as the second-stage planetary gear train and the fixed-shaft gear components and the box body. Finally, the strength and the unreasonable configuration were found and the strength enhancement and optimization design were respectively carried out. In addition, the paper analyzes the economic and environmental protection of the reinforcement and optimization scheme, which not only makes the strength of the screw pile machine power qualified to reach the design life but also reduces the cost, and achieves the unification of applicability and economy.

Key words:planetary reducer；strength analysis；finite element static analysis

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外相关研究现状 2

1.2.1疲劳研究现状 2

1.2.2减速器研究现状 3

1.3研究目的 4

1.4研究意义 4

1.5研究的基本内容 4

第2章 强度计算 6

2.1功率和扭矩计算 6

2.2齿轮强度计算与校核 8

2.2.1第二级行星轮系强度校核 8

2.2.1.1行星轮系太阳轮与行星轮强度校核 8

2.2.1.2行星轮系行星轮与内齿圈强度校核 12

2.2.2第三级平行定轴斜齿轮轮系强度校核 15

2.3高速轴强度计算与校核 19

2.3.1轴受力分析 20

2.3.2弯矩图和转矩图 21

2.3.3轴的强度校核 22

2.4有限元强度分析 25

2.4.1许用应力计算 25

2.4.2输出轴强度校核 25

2.4.3低速端行星架强度校核 28

2.4.4箱体强度校核 31

2.5标准件强度计算与校核 35

2.5.1低速轴普通平键计算与强度校核 35

2.5.2低速轴矩形花键计算与强度校核 35

2.5.3低速轴上提时轴承强度校核 36

2.5.4低速轴下钻时轴承强度校核 39

2.5.5螺栓强度校核 41

第3章强度优化与校核计算 44

3.1初步计算结果分析 44

3.2强度增强优化及校核计算 45

3.2.1定轴轮系中齿轮旋向优化 45

3.2.2低速轴上轴承配置优化 46

3.2.3定轴轮系大齿轮弯曲强度增强 46

3.2.4低速轴普通平键增强 47

3.2.5箱体与箱盖轴承座增强 49

3.3改进设计汇总 50

第4章 经济与环保性分析 52

4.1经济性分析 52

4.2环保性分析 53

第5章 总结与展望 54

5.1总结 54

5.2展望 54

参考文献 55

致谢 56

第1章 绪论

1.1研究背景

螺杆桩技术即螺杆形混凝土灌注桩施工技术，是一种施工建筑基础桩的新技术。螺杆桩不仅承载力比一般的钻孔灌注桩高出一倍以上，而且用料方面还能节省30%的混凝土，经济效益明显。螺杆桩适用于高层建筑、高铁桥梁等基础工程，使用范围大，行业中认可度高。螺杆桩在施工过程中要采用专用的螺杆桩机钻孔。成桩时，动力头在直流电机控制下带动螺杆钻具旋转运动，同时在链条的拉力下沿主塔轨道做竖直上下移动。下钻时，动力头正钻，挤压土体形成螺杆桩圆柱段及螺纹段孔。当设计深度较长时由于钻具长度不足，需提钻至一定高度后才能继续下钻并反复多次直至达到设计深度，提钻时，动力头反转，链条带动钻具及动力头上升，采用同步技术，通过电气控制系统控制动力头转速与链条速度实现钻头旋转过程与提升过程完全同步化，成孔后提升钻杆至地面，在提钻同时管内泵压混凝土灌注，最后放入钢筋笼成桩^[2]。由于恶劣的工作环境和复杂的受力情况，螺杆桩机的钻具及动力头中零部件容易出现疲劳断裂、弯曲变形等问题，一旦出现问题，不仅需耗费大量经济时间成本检查维修，同时严重降低施工效率、耽误工程进度。因此为避免再次发生事故，必须针对失效原因进行分析并找出解决方法^[3]。图1.1为本设计中需要增强的某型号失效螺杆桩机的动力头外形部分。

图1.1螺杆桩机动力头外形图

螺杆桩机动力头部分包括提供动力的两个同步电机以及由两级NGW型行星轮系及一个定轴轮系组成的减速器部分。各级轮系参数如下表1.1～1.3所示：

表1.1第一级行星轮系设计参数

表1.2第二级行星轮系设计参数

表1.3第三级定轴斜齿轮轮系设计参数

其中第一级行星轮系及电机输入端转速较高扭矩较小强度足够，因此强度分析与增强设计的重点在第二级行星轮系与定轴轮系部分。为了得到较为准确地分析结果，须对减速器中的各齿轮、轴、轴承、行星架等零件、标准件及减速器箱体等逐一进行强度校核计算。

1.2国内外相关研究现状

1.2.1疲劳研究现状

国外早在19世纪初就有早期的金属疲劳损伤方面的研究，且自20世纪二十年代以来对疲劳的研究发展迅速。史上疲劳研究的奠基人是德国的A.woler，他最早于19世纪五十到六十年代就得到了代表疲劳性能的应力——寿命曲线。国外疲劳研究学者通常将齿轮疲劳寿命分为裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命两部分，两者叠加得到齿轮最终的疲劳寿命^[4]。近年来疲劳方面相关研究实验也有较大进展。2005年，Deepak malgar， N.G.S.Udupa建立齿轮三维模型并运用有限元分析方法对齿轮轮齿的齿根弯曲疲劳强度进行了分析，发现齿轮最大弯曲应力会随着轮齿齿根圆角半径的增大而减小，齿轮寿命也相应随之延长^[5]。2013年，S.Netpu和其同事Panya Srichandr对泰国发电站一个失效的斜齿轮进行研究，通过对齿轮材料微观结构的详细检查与测试以及使用电镜等设备对断裂失效表面的宏观、微观检测，最后发现了裂纹的产生位置和发展过程并找到了疲劳失效的原因^[6]。同年，B.Echard，N.Gayton及其同事研究并对比疲劳分析方法中的频域法以及应力强度法，提出了一种新的可靠性较高的疲劳分析方法，其可以较为精确的评估研究对象失效的概率^[7]。2014年，C.Roux X.Lorang、H.Maitournam等人通过相关研究，提出了一种复杂动载荷作用下的火车轮疲劳评估、优化方法，该方法结合有限元分析计算方法以及疲劳等效原则对研究的火车轮进行了疲劳评估，最后得出结论即火车轮的疲劳失效概率由局部的疲劳等效应力和总体的疲劳强度分布共同影响得到^[8]。

相比于国外相关方面早有研究的发达国家，我国对机械疲劳的研究起步晚而研究水平不高，一般只是为处理工厂生产中实际遇到的问题才会进行相关方面的少量研究。直到上世纪八十年代后，国内一些科研院及部分高校研究人员开始系统地对材料的疲劳性能进行研究，其中我国航空航天部门的相关研究成果最为突出。近年来我国的科研人员持续对疲劳进行了大量研究工作并取得了长足的进步，填补了疲劳研究方面的大片空白。 2011年，林晓斌及其同事进行大量研究分析金属疲劳失效的原因，提出并总结得到金属疲劳分析的三种典型方法，并解释了金属疲劳的耐久性概念^[9]。随着近年国内计算机辅助工程技术的发展、应用，王国军，闫清东，陈赛克等学者采用有限元方法来分析齿轮疲劳寿命，首先分析齿轮齿根的静应力，然后结合材料弯曲疲劳特性与疲劳设计准则，最后计算得出齿轮的疲劳寿命，从而避免了材料疲劳特性数据不足而导致应力、寿命计算不准确的问题。王威强及其同事分析处理了大量齿轮疲劳实验数据，得到了有限寿命下齿轮的极限应力分布以及不同可靠度情况下的应力-寿命曲线^[10]。

1.2.2减速器研究现状

减速器通常置于原动机和执行机构之间用于匹配转速、传递扭矩，在大力发展工业化、自动化的现代社会得到越来越广泛的应用。无论国内外，减速器当下普遍存在重量大、体积大、噪音、泄露、机械效率较低等问题，而更好的解决这些问题即是减速器产品一直以来乃至以后的发展趋势^[11]。减速器生产制造领域中，由于在获取优质原材料、先进制造工艺方面占据优势，德国、日本和丹麦等国居于领先地位，其生产的减速器使用寿命较长，工作可靠性较好，但由于基础的传动方式不变仍以定轴轮系传动为主因而在控制减速器体积、重量方面难以取得较大进展。因此各国减速器研究设计领域除在不断提高工艺水平、发展高精度生产设备、探索改进材料品质外，开始考虑在基础的传动原理和结构方面进行改革创新，电机与减速器连体结构、平动齿轮传动原理都是这方面探索的优秀成果^[10]。目前国外较为较为先进的齿轮减速器有美国Alan-Newton公司研制出的X-Y式减速器以及与其传动结构相仿的日本住友重工研制的FA型高精度减速器。由于微型机器人、小型医疗器械、生物工程等领域的急迫需求，纳米级微型发动机已在美国和荷兰研制成功，如果能配以纳米级的减速器，其将具有十分辽阔的前景，但这对减速器的微型化提出了较高的要求^[12]。

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