CN103711880A - 隧道钻机冲击齿轮箱 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钻机的冲击齿轮箱，属于工程机械领域。公开了一种隧道钻机冲击齿轮箱，包括箱体、箱体内的传动机构、外部动力输入，所述传动机构包括输出轴组成、中间轴组成、输入轴组成。外部动力输入包括箱体后端面联接的液压冲击锤、与输入轴组成相联的液压马达。该齿轮箱功能特征在于冲击+回转的动力输出。齿轮传动采用平行轴的传动方式，检修方便。输出轴齿轮与输出轴的旋转功率通过多个圆柱销传递，结构简单可靠，利于输出轴轴向滑动。旋转功率采用双边输入（见图5）和各传动轴径向支撑轴承采用满滚子轴承的布置方式，有效的缩小了齿轮箱的高度尺寸，进而减小了齿轮箱的体积，齿轮箱体采用整体焊接型式，结构刚度较好，制造方便。

Description

隧道钻机冲击齿轮箱
技术领域
本发明涉及钻机的冲击齿轮箱，属于工程机械领域。
背景技术
由于受制于液压马达和液压冲击锤的体积，该类型的行星传动的齿轮箱轴向尺寸较大，液压马达和液压冲击锤必须进行轴向错位安装，不适应大功率容量的齿轮箱。
目前的钻机冲击齿轮箱主要依靠进口，多数齿轮箱的冲击部分与旋转部分的联接采用渐开线花键连接，比如瑞典阿特拉斯.柯普科ROC D7露天钻机冲击钻用齿轮箱即采用渐开线花键联接。采用渐开线花键联接的特点：连接部分较为紧凑。适合大批量制造。采用渐开线花键联接的不足之处：加工方面：公花键采用铣削加工，母花键一般采用花键拉刀或插齿加工（短花键），需要配置专业机床和专用刀具，小批量制造成本较高，质量难于保证。由于输出轴联接部分同时承受扭矩和轴向高频冲击，因此要求联接部分同时具有较高的强度和耐磨性，制造成倍较高，不适合大冲击功的要求。由于采用渐开线花键联接，花键的公、母部分分别为输出齿轮和输出轴，当花键有所损坏，需更换齿轮或输出轴，维修成本较高。国外部分功率等级较低的齿轮箱齿轮传动采用行星齿轮传动（径向体积较小）。采用行星齿轮传动的特点：齿轮箱径向结构紧凑。适合大批量制造。采用行星齿轮传动的不足：由于结构紧凑，不便于作业现场的检修。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供了一种隧道钻机冲击齿轮箱，采用旋转+冲击工作模式，双边旋转功率驱动、平行轴传动方式，减小轴向尺寸，输出轴的扭矩部分和冲击功部分通过简单可靠的圆柱销联接，可同时传递旋转力矩和轴向冲击能，结构简单可靠、传递的冲击功较大。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
隧道钻机冲击齿轮箱，包括箱体、箱体内部设置传动机构，所述传动机构包括输出轴组成、中间轴组成、输入轴组成、外部动力输入装置。该齿轮箱性能特征在于冲击+回转的动力输出，回转功率采用双边输入，齿轮传动采用平行轴模式，回转功率最后一级传动采用可滑动圆柱销型式，齿轮箱体采用整体焊接型式，冲击部件与箱体设有缓冲弹簧，各传动轴径向支撑轴承采用满滚子轴承。外部动力输入包括箱体后端面联接的液压冲击锤、与输入轴组成相联的液压马达（两组），该齿轮箱功能特征在于冲击+回转的动力输出。齿轮箱采用轴向安装，无水平分箱面，整体刚度较好。回转功率的传递采用双边输入的模式，齿轮传动采用平行轴传动型式。为平衡该齿轮箱的受力状态，最大限度的降低高度尺寸，该齿轮箱的旋转功率（扭矩+转速）输入采用双边输入型式，液压马达采用双边输入的方式，除平衡齿轮箱的受力的考虑外，还可有效的降低齿轮箱的整体高度。与行星传动相比，齿轮传动采用结构简单的平行轴传动模式，检修方便。输出轴齿轮与输出轴的旋转功率（扭矩+转速）采用新颖的多个圆柱销传递，由于接触面为圆弧，因此应力集中较低，便于与其配合的输出轴滑动，其可靠性比传统的花键高（如矩形键和渐开线花键），适应在轴向有滑动的工况下传递较大扭矩、变形小，并最大限度的减少轴向冲击对齿轮传动的影响，应力集中较小。同时还具有加工方便的特点，采用普通精度的钻床即可完成配对加工，适合小批量和专机制造，成本可控。由于设置了圆柱销为易损件，当联接部分出现损害时，只需更换圆柱销，维修成本较低。
作为优选，该齿轮箱功能特征在于冲击+回转的动力输出。
作为优选，旋转功率（扭矩+转速）采用双边输入模式：其一，有利于平衡齿轮箱的整体受力状态，其二，最大限度的减小了输入部分的体积。
作为优选，该齿轮箱回转功率最后一级的传递（输出轴齿轮至输出轴）采用可滑动的圆柱销传递的方式，所述圆柱销直径为范围15-70mm，数量范围4-15。
作为优选，所述齿轮箱体为整体焊接式。齿轮箱体采用整体焊接型式，结构刚度较好，有利于齿轮传动。更加鉴于该功率等级的冲击+旋转的工程钻机批量较小，据业内专家专家测算，全国需求量不及100台，且目前主要由国外品牌垄断，该冲击齿轮箱体不适合采用铸造模式批量生产制造，因此，该齿轮箱体采用焊接方式。
作为优选，在输出轴和箱体之间设置有缓冲弹簧，提高齿轮箱体的抗冲击能力。
作为优选，各轴径向支撑轴承均为满滚子轴承。满滚子轴承的轴承内径和外径差值较小，最大限度减少各轴的径向尺寸，间接地提高了齿轮箱体的整体刚度。
按照本发明的技术方案的隧道钻机专用冲击齿轮箱，该齿轮箱可同时输出回转功率（扭矩+转速）和轴向冲击功，其回转功率由2个液压马达提供，冲击功由箱体后端面联接的液压冲击锤提供。由于该齿轮箱同时传递大扭矩和大冲击功，要求齿轮箱体具有较高的整体刚度，满足齿轮传动的要求，所以该齿轮箱采用整体模式，齿轮箱各传动轴采用轴向组装的模式，由于没有采用水平分箱，在整体刚度提高的同时，整体体积也有所减少（取消了水平分箱面紧固件所占用的空间）。
附图说明
图1为隧道钻机专用冲击齿轮箱的结构示意图。
图2为圆柱销简化计算模型。
图3为圆柱销变形云图。
图4为圆柱销应力云图。
图5为冲击箱轴侧图。
图6为齿轮箱体的结构示意图。
其中，1-液压冲击锤，2-液压马达，3-输入轴齿轮，4-输入轴组成，5-中间轴齿轮A，6-中间轴组成，7-输出轴组成，8-输出轴，9-缓冲弹簧，10-圆柱销，11-输出轴齿轮，12-中间轴齿轮齿轮B，13-齿轮箱体，14-箱体前端面，15-箱体安装座，16-箱体后端面。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
隧道钻机冲击齿轮箱，所述齿轮箱体13为整体焊接式，箱体内部设置传动机构，所述传动机构包括输出轴组成7、输入轴组成4（2组）、中间轴组成6（两组）。
该齿轮箱的动力输入为箱体后端面16连接的液压冲击锤1、与输入轴组成4相联的液压马达2（两组）。
输出轴组成7的结构为本发明的主要特征点之一，输出轴8通过4-15个直径为15-70mm的圆柱销10与输出轴齿轮11连接。
中间轴组成6用于回转功率（扭矩和转速）的传递过渡，输入轴组成4与液压马达2连接，承担齿轮箱回转功率（扭矩和转速）的输入，各轴径向支撑轴承均为满滚子轴承。
该冲击齿轮箱回转功率传递路线为：液压马达2（数量2）---输入轴组成4（经输入轴齿轮3与中间轴齿轮齿轮B12啮合）---中间轴组成6（经中间轴齿轮A5和输出轴齿轮11啮合）---输出轴组成7（输出轴齿轮11经圆柱销10连接）---输出轴8。
该冲击齿轮箱冲击功传递路线为：液压冲击锤1----输出轴8。
由于采用旋转功率的双边输入（见图5）和各传动轴径向支撑轴承采用满滚子轴承的布置方式，有效的缩小了齿轮箱高度尺寸。
齿轮箱体的焊接结构（见图6），有利于小批量齿轮箱的生产成本的降低。
齿轮箱体的整体无水平分箱面的结构（见图6），有利于提高齿轮箱体的承载能力，箱体内装配零件均从箱体前端面14孔内装入，箱体安装座15横贯箱体整个宽度，附带强化了箱体的整体刚度。
回转功率（扭矩+转速）最后一级传递（输出齿轮11至输出轴8）采用圆柱销10的可滑动的联接方式，最大限度的隔离了冲击对齿轮箱内各传动轴的影响，提高了齿轮箱运动件的可靠性。
输出轴组成7上的缓冲弹簧9，有效的隔离了液压冲击锤1对齿轮箱体13的冲击，提高了该冲击齿轮箱的可靠性。
针对本发明的齿轮箱，进行如下验证。
设计输入参数如表1：
表1：钻机动力头主要技术参数
最大扭矩（N.m） 8000
最高输出转速(r/min) 80
最大冲击功(J) 780±10%可调
每分钟最大冲击次数 2200可调(36.7Hz)
设计计算过程：
齿轮强度计算：对该齿轮箱所有齿轮进行了弯曲强度和接触强度进行了校核计算，接触强度安全系数S接触＞1.25，弯曲强度S弯曲＞1.5。
轴承计算：参照所选用轴承样本进行了齿轮箱所有轴承的寿命校核，所有轴承使用寿命均＞10,000小时。
参照国内外近似类型的齿轮箱（附带冲击），确定了齿轮箱的厚度。
由于我们在输出轴和输出轴齿轮之间创造性的使用圆柱销连接方式，未查阅到相关计算案例，这部分我们采用了有限元计算方式，简略计算过程如下。
模型简化：
为加快有限元计算的运算速度，我们将输出齿轮简化为一个圆柱套，简化模型见图2，对输出轴8前段进行固定约束（位置B），对输出轴齿轮11进行轴向约束（位置A），在输出齿轮11（位置C）加载扭矩M=8000N.m，得出计算结果，分别见图3和图4。
由计算图3和计算图4可以看出，圆柱销在传递8000N.m的情况下，最大变形仅为0.17mm，最大应力σ（等效应力）33.19MPa，远小于滑动状态下钢对钢动态冲击状态下的许用比压（[σp]=60-90MPa）的要求，通过设计计算。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (6)

1.隧道钻机冲击齿轮箱，包括箱体、箱体内部设置的传动机构、外部动力输入装置，其特征在于：该齿轮箱性能特征在于冲击+回转的动力输出，回转功率采用双边输入，齿轮传动采用平行轴模式，回转功率最后一级传动采用可滑动圆柱销型式，齿轮箱体采用整体焊接型式，冲击部件与箱体设有缓冲弹簧，各传动轴径向支撑轴承采用满滚子轴承。
2.根据权利要求1所述的隧道钻机冲击齿轮箱，其特征在于：回转功率的传递采用双边输入的模式，齿轮传动采用平行轴传动型式。
3.根据权利要求1所述的隧道钻机冲击齿轮箱，其特征在于：回转功率最后一级的传递、输出轴齿轮至输出轴，采用可滑动的圆柱销传递的方式，所述圆柱销直径为范围15-70mm，数量范围4-15。
4.根据权利要求1所述的隧道钻机冲击齿轮箱，其特征在于：所述齿轮箱体为整体焊接式。
5.根据权利要求1所述的隧道钻机冲击齿轮箱，其特征在于：在输出轴和箱体之间设置有缓冲弹簧。
6.根据权利要求1所述的隧道钻机冲击齿轮箱，其特征在于：各轴径向支撑轴承均为为满滚子轴承。
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