阅读说明：本技术 旋挖钻机动力头合流差速减速器及相应的旋挖钻机动力头 (Converging differential speed reducer of power head of rotary drilling rig and corresponding power head of rotary drilling rig ) 是由 王云根 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种旋挖钻机动力头合流差速减速器及相应的旋挖钻机动力头,其中,所述的合流差速减速器包括主马达、至少一个差速马达、数量与所述的差速马达对应的差速传动机构及输出传动机构；所述的主马达与所述的输出传动机构相连接,各个所述的差速马达通过对应的所述差速传动机构与所述的输出传动机构相连接；包括该减速器的旋挖钻机动力头可根据实际工况选择是否将差速马达提供的副动力传递至所述的输出传动机构。采用该种结构的旋挖钻机动力头合流差速减速器及相应的旋挖钻机动力头可满足不同工况的工作需要,有效提高施工效率,能够轻松实现旋挖钻机的工作需求,更好地保护设备、延长核心元件使用寿命的同时实现环保、节能。(The invention relates to a confluence differential speed reducer of a power head of a rotary drilling rig and the power head of the rotary drilling rig correspondingly, wherein the confluence differential speed reducer comprises a main motor, at least one differential motor, differential transmission mechanisms and output transmission mechanisms, and the number of the differential transmission mechanisms corresponds to that of the differential motors; the main motor is connected with the output transmission mechanism, and each differential motor is connected with the output transmission mechanism through the corresponding differential transmission mechanism; the rotary drilling rig power head comprising the speed reducer can select whether to transmit the auxiliary power provided by the differential motor to the output transmission mechanism according to actual working conditions. The power head confluence differential speed reducer of the rotary drilling rig and the corresponding power head of the rotary drilling rig with the structure can meet the working requirements of different working conditions, effectively improve the construction efficiency, easily realize the working requirements of the rotary drilling rig, better protect equipment, prolong the service life of core elements and simultaneously realize environmental protection and energy conservation.)

旋挖钻机动力头合流差速减速器及相应的旋挖钻机动力头

技术领域

本发明涉及机械领域，尤其涉及机械传动领域，具体是指一种旋挖钻机动力头合流差速减速器及相应的旋挖钻机动力头。

背景技术

青藏铁路建设拉开了国产旋挖钻机的序幕，旋挖钻机最关键执行部件之一动力头也经历了从测绘模仿到为适应国内大规模建设工程而进行的持续改进、完善。其中动力头减速器也经历了二个时期：从开始到2008年左右模仿采用国外进口的双速行星减速器和此后的单速行星减速器，并延续至今，另外即使个别较大规格的进口旋挖钻机采用所谓的三档速度的行星减速器，实际应用其可靠性也差强人意，同时维护困难、备件周期长，价格昂贵，导致很多用户把双速或三速减速器当作单速用或直接置换成国内常规使用的单速减速器，原来良好的设计意图荡然无存。

旋挖钻机动力头由于安装空间及布置要求，所需要的减速器必须采用单级或二级行星串联的传动形式，动力由液压马达输入，其结构可参阅图1所示，图1中动力头主要由滑动架总成1、液压马达2、减速器3、缓冲装置4、连接板与托架5、动力头箱体总成6、压盘总成7等组成。其中马达减速器有三组。

旋挖钻机液压动力站通常按恒功率输出，额定输出转矩时通常动力头转速6-10r/min，空载输出在21-38r/min，根据钻机规格大小有所不同。在施工过程中常常会遇到卸土困难，尤其是粘性泥土一旦挤密在钻具内，唯一卸土的办法是频繁正反转，操纵钻杆来回磕碰动力头让钻具中的泥土掉出来；另外对于地质条件较好的地层，往往需要较高的动力头输出转速(输出转矩并不重要)，但由于动力头减速器为单一固定速比，无法实现高效操作，相反当面对地层很硬，如花岗岩等需要动力头最大输出转矩(输出转速并不重要)时，只能按系统设计要求进行，常常打一根入岩桩费时很长，而且消耗很大，如油耗、截割刀齿等。这样带来如下几方面的弊端：

1.钻杆、钻具连同钻具内部泥土，对中大型旋挖钻机来说其重量从十几吨到二十多吨，或更大，频繁正反转磕碰动力头，巨大的冲击惯量对动力头乃至旋挖整机均遭受无规则的双向冲击载荷，首先使动力头正常轴承游隙、齿轮啮合间隙等过早被破坏，动力头内各旋转构件的回转精度得不到保证并由此产生振动、噪音、漏油甚至断齿等各种失效形式，其次在施工过程中产生巨大的冲击噪音，这对城市建设，尤其是对城区建设工程所造成的环境影响更大；

2.目前旋挖动力头减速器通常为单一固定速比减速器，为提高旋挖动力头空载转速，人为非理性单独调整马达设定参数来提高马达轻载运转转速，这种简单人为扩大动力头转矩-转速输出特性很有限而且输出特性很软，无法满足旋挖钻机对不同工况条件下的输出要求，因此造成马达或减速器使用寿命缩短，增加用户的维护、运行成本；

3.严重影响工程施工效率和进度，增加了工程施工成本。

发明内容

本发明为了克服至少一个上述现有技术的缺点，提供了一种性能好、适应强的旋挖钻机动力头合流差速减速器。

为了实现上述目的，本发明的旋挖钻机动力头合流差速减速器如下：

该旋挖钻机动力头合流差速减速器，其主要特点是，所述的合流差速减速器包括主马达、至少一个差速马达、数量与所述的差速马达对应的差速传动机构及输出传动机构；

所述的主马达与所述的输出传动机构相连接，各个所述的差速马达通过对应的所述差速传动机构与所述的输出传动机构相连接；

所述的主马达将主动力传递至所述的输出传动机构，各个所述的差速马达通过对应的差速传动机构选择性地将对应的副动力传递至所述的输出传动机构。

较佳地，各个所述的差速传动机构均包括差速输入轴、离合器及差速齿轮副；

各个所述的差速马达依次通过对应的所述差速输入轴、离合器、差速齿轮副与所述的输出传动机构相连接；

通过对所述的离合器进行控制，将所述的差速马达提供的对应副动力选择性地传递至所述的输出传动机构。

更佳地，所述的输出传动机构包括输入花键轴、第一行星组件、第二行星组件及输出底座；

所述的主马达依次通过所述的输入花键轴、第一行星组件、第二行星组件与所述的输出底座相连接；

各个所述的差速传动机构通过该差速传动机构中的所述差速齿轮副与所述的输入花键轴相连接。

进一步地，所述的第一行星组件包括第一级太阳轮、第一级行星轮及差速齿圈；

所述的输入花键轴依次通过所述的第一级太阳轮、第一级行星轮及第一级齿圈与所述的第二行星组件相连接。

进一步地，所述的第二行星组件包括第二级太阳轮、第二级行星轮及第二级齿圈；

所述的第一行星组件依次通过所述的第二级太阳轮、第二级行星轮及第二级齿圈与所述的输出底座相连接。

较佳地，当所述的减速器进行普通传动时，仅通过所述的主马达将主动力传递至所述的输出传动机构；并通过控制与各个所述的差速马达对应的所述差速传动机构，使得对应的所述差速马达不将副动力传递至所述的输出传动机构；

当所述的减速器仅通过部分差速马达进行差速传递时，通过所述的主马达将主动力传递至所述的输出传动机构；通过控制与提供副动力的差速马达对应的各个差速传动机构，使得各提供副动力的差速马达将副动力传递至所述的输出传动机构，并通过控制与各不提供副动力的差速马达对应的差速传动机构，使得各不提供副动力的差速马达不将副动力传递至所述的输出传动机构；

当所述的减速器通过所有差速马达进行差速传递时，通过所述的主马达将主动力传递至所述的输出传动机构；并通过控制与各个所述的差速马达对应的所述差速传动机构，使得对应的所述差速马达将副动力传递至所述的输出传动机构。

较佳地，所述的主马达为自动变量马达。

该旋挖钻机动力头，其主要特点是，所述的旋挖钻机动力头包括上述旋挖钻机动力头合流差速减速器。

本发明的旋挖钻机动力头合流差速减速器包括主马达、至少一个差速马达、数量与所述的差速马达对应的差速传动机构及输出传动机构；所述的主马达与所述的输出传动机构相连接，各个所述的差速马达通过对应的所述差速传动机构与所述的输出传动机构相连接；包括该减速器的旋挖钻机动力头可根据实际工况选择是否将差速马达提供的副动力传递至所述的输出传动机构。采用本发明的旋挖钻机动力头合流差速减速器可以使的旋挖钻机满足不同工况的工作需要，有效提高施工效率，能够轻松实现旋挖钻机的工作需求，更好地保护设备、延长核心元件使用寿命的同时实现环保、节能。

附图说明

图1a为现有技术中的旋挖钻机动力头的结构示意图。

图1b为现有技术中的旋挖钻机动力头的侧视图。

图1c为现有技术中的旋挖钻机动力头的俯视图。

图2a为一实施例中本发明的旋挖钻机动力头合流差速减速器的剖视图。

图2b为图2a中的A向的主马达的结构示意图。

图2c为图2a中的旋挖钻机动力头合流差速减速器的传动原理图。

图3a为一实施例中本发明的旋挖钻机动力头合流差速减速器的剖视图。

图3b为图3a中的旋挖钻机动力头合流差速减速器的传动原理图。

附图标记

1 滑动架总成

2 液压马达

3 减速器

4 缓冲装置

5 连接板与托架

6 动力头箱体总成

7 压盘总成

8 差速马达

9 主马达

10 输入花键轴

11 第一级太阳轮

12 第一级行星轮

13 差速齿圈

14 第二级太阳轮

15 第二级行星轮

16 第二级齿圈

17 输出底座

18 差速齿轮副

19 离合器

20 差速输入轴

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

如图2a至图3b所示，本发明的旋挖钻机动力头合流差速减速器包括主马达9、至少一个差速马达8、数量与所述的差速马达8对应的差速传动机构及输出传动机构；

所述的主马达9与所述的输出传动机构相连接，各个所述的差速马达8通过对应的所述差速传动机构与所述的输出传动机构相连接；

所述的主马达9将主动力传递至所述的输出传动机构，各个所述的差速马达8通过对应的差速传动机构选择性地将对应的副动力传递至所述的输出传动机构。

在该实施例中，各个所述的差速传动机构均包括差速输入轴20、离合器19及差速齿轮副18；

各个所述的差速马达8依次通过对应的所述差速输入轴20、离合器19、差速齿轮副18与所述的输出传动机构相连接；

通过对所述的离合器19进行控制，将所述的差速马达8提供的对应副动力选择性地传递至所述的输出传动机构。可通过控制阀对该离合器19进行控制，使的副马达只能与主马达9旋向一致；控制时，启动副马达时必须由先导控制提前打开该具备制动功能的离合器19，才能启动副马达；正常运转副马达处于停止状态，制动器处于制动状态；该具备制动功能的离合器19传递功率较大，可以到600kW，适用于重型装备。

其中，该实施例中的离合器19实际是具备制动功能的，在正常状态下需要克服对应的反力矩，而不是简单的离合功能。

在该实施例中，所述的输出传动机构包括10、第一行星组件、第二行星组件及输出底座17；

所述的主马达9依次通过所述的10、第一行星组件、第二行星组件与所述的输出底座17相连接；

各个所述的差速传动机构通过该差速传动机构中的所述差速齿轮副18与所述的10相连接。

在该实施例中，所述的第一行星组件包括第一级太阳轮11、第一级行星轮12及差速齿圈13；

所述的10依次通过所述的第一级太阳轮11、第一级行星轮12及第一级齿圈与所述的第二行星组件相连接。

在该实施例中，所述的第二行星组件包括第二级太阳轮14、第二级行星轮15及第二级齿圈16；

所述的第一行星组件依次通过所述的第二级太阳轮14、第二级行星轮15及第二级齿圈16与所述的输出底座17相连接。

在该实施例中，当所述的减速器进行普通传动时，仅通过所述的主马达9将主动力传递至所述的输出传动机构；并通过控制与各个所述的差速马达8对应的所述差速传动机构，使得对应的所述差速马达8不将副动力传递至所述的输出传动机构；

当所述的减速器仅通过部分差速马达8进行差速传递时，通过所述的主马达9将主动力传递至所述的输出传动机构；通过控制与提供副动力的差速马达8对应的各个差速传动机构，使得各提供副动力的差速马达8将副动力传递至所述的输出传动机构，并通过控制与各不提供副动力的差速马达8对应的差速传动机构，使得各不提供副动力的差速马达8不将副动力传递至所述的输出传动机构；

当所述的减速器通过所有差速马达8进行差速传递时，通过所述的主马达9将主动力传递至所述的输出传动机构；并通过控制与各个所述的差速马达8对应的所述差速传动机构，使得对应的所述差速马达8将副动力传递至所述的输出传动机构。

在该实施例中，所述的主马达9为自动变量马达。

在一实施例中，旋挖钻机动力头包括上述旋挖钻机动力头合流差速减速器。

采用该旋挖钻机动力头合流差速减速器的旋挖钻机动力头具有较宽的转矩-转速输出特性，这样可以满足不同地质条件下的应用工况，使设备在正常操作规范下高效运转，这对提高施工效率、降低生产成本非常有意义。该实施例中的旋挖钻机动力头合流差速减速器及其控制具备如下特点：

1、在地质条件较好的状态下，动力头输出转矩并不重要，而较高的输出转速可以显著提高施工效率，这时需要较小的减速比；

2、对一般地质条件，动力头输出转矩和转速能自动匹配到对应的钻进取土载荷；

3、对硬地层，尤其是弱风化一类的硬岩地层，则需要旋挖钻机有足够额定的输出转矩带动合适的切削刀具破岩，而此时输出转速通常并不重要；

4、在任何状态下旋挖钻机都能具有4-5倍额定载荷下的空载输出转速，这样不仅施工效率大大提高，而且很轻松实现真正意义上的快速缷土功能，在保护设备、延长核心元件使用寿命的同时实现环保、节能。

即采用本发明的旋挖钻机动力头合流差速减速器的旋挖转机可实现合流差速驱动，其根据旋挖钻机额定输出参数：额定最大、最小输出转矩-转速特性确定减速器速比范围，采用合流差速驱动旋挖钻机动力头合流差速减速器来实现是最佳的方式，这样可以完全确保动力头输出特性可以满足上述要求，再结合马达的最优控制方式，旋挖钻机的动力头输出性能将跃升一个台阶。

如图2a至2c所示，在一实施例中，所述的减速器包括一差速马达8和一差速传动机构。

在该实施例中，当所述的减速器进行普通传动时，仅通过所述的主马达9将主动力传递至所述的输出传动机构；并通过控制所述的差速传动机构，使的所述的差速马达8不将副动力传递至所述的输出传动机构；

当所述的减速器进行差速传动时，通过所述的主马达9将主动力传递至所述的输出传动机构；并通过控制所述的差速传动机构，使得所述的差速马达8将副动力传递至所述的输出传动机构。

从图2a看出，该实施例中旋挖钻机动力头合流差速减速器包括一级差速行星——第一级太阳轮11、第一级行星轮12及差速齿圈13，一级定轴齿轮副——差速齿轮副18及一级常规行星——第二级太阳轮14、第二级行星轮15及第二级齿圈16；

从图2c可以看出该实施例中的旋挖钻机动力头合流差速减速器由二路功率流输入，分别为由主马达9提供的主动力及差速马达8提供的副动力；

主马达9通过10将主动力(即主功率流)传递给第一级太阳轮11；

图2c中T1为主马达9的输入转矩、N1为主马达9的输入转速，T2为差速马达8的输入转矩，N2为差速马达8的输入转速，Za1为第一级太阳轮11，Zg1为第一级行星轮12，Zb1为差速齿圈13，Za2为第二级太阳轮14，zg2为第二级行星轮15，Zb2为第二级齿圈16，Z1与Z2分别为差速齿轮副18中的两个齿轮。

普通传动时：

由离合器19来实现差速马达8的零输入，此时只有一路主马达9提供的功率流输入，经过第一级太阳轮11、第一级行星及差速齿圈13(固定状态)传递到第二级太阳轮14、第二级行星及齿圈，减速器通过其输出底座17与动力头联接。减速器输出即由第二级行星输出转矩和转速，总速比为普通二级行星组成。从图2C中可以看出，该情况下的减速器的传动比i如下式所示：

i＝i1×i2＝(1+Zb1/Za1)×(1+Zb2/Za1)，

减速器输出转矩：Tout＝T1×i

减速器输出转速：Nout＝N1/i

其中，i1等于(1+Zb1/Za1)，i2等于(1+Zb2/Za1)，Za1为第一级太阳轮11的齿数，Zb1为差速齿圈13的齿数，Zb2为第二级齿圈16的齿数，T1为主马达9的输入转矩、N1为主马达9的输入转速。

差速传动时：

该减速器除了具备主马达9提供的功率流(即输出转矩T1及输入转速N1)输入外，在离合器19的控制下，还通过差速马达8提供功率流(即输出转矩T2及输入转速N2)输入，此时，离合器19打开：通过安装在差速输入轴20上的差速齿轮副18：齿轮Z1与齿轮Z2带动差速齿圈13，该功率流与主马达9功率流在第一级行星传动合成输入第二级太阳轮14，第二级行星及第二级齿圈16输出。此时经过推导可以得到减速器输出转速Nout：

Nout＝[N1/i1+N2×Zb1/(Za1+Zb1)Z2/Z1]/i2；

其中调速部分就是后半部分；

减速器最终输出转矩Tout：

Tout＝-(T1×N1+T2×N2)/[N1/i1+N2×Zb1/(Za1+Zb1)Z2/Z1]i2；

其中，i1等于(1+Zb1/Za1)，i2等于(1+Zb2/Za1)，T1为主马达9的输入转矩、N1为主马达9的输入转速，T2为差速马达8的输入转矩，N2为差速马达8的输入转速，Za1为第一级太阳轮11的齿数，Za2为第二级太阳轮14的齿数，Zb1为差速齿圈13的齿数，Zb2为第二级齿圈16的齿数，Z1为齿轮Z1的齿数，Z2为齿轮Z2的齿数；

由此可见：当差速马达8与主马达9同时输入时，减速器可以实现较宽的输出转矩和转速特性，这个特性刚好能满足上述要求。

如图3a与3b所示，所述的减速器包括二个差速马达8和二差速传动机构。该减速器为一种多级合流差速驱动旋挖钻机动力头合流差速减速器。

旋挖钻机为一个完整的系列产品，并在持续发展完善中，为实现优良的旋挖钻机关键动力头输出特性，多级合流差速驱动旋挖钻机动力头合流差速减速器可以满足特殊规格要求的旋挖钻机。

该实施例中的减速器可根据某些特殊规格旋挖钻机对动力头输出特性的要求，同时达到减速器与动力头的合理尺寸匹配，多级差速功率流合流输入的方式将是最恰当的选择，该实施例中采用了二组差速马达8，在其他实施例中，也可以包括三组或以上减速器。其传动比的算法可参阅上述实施例中的算法。

在该实施例中，当所述的减速器进行普通传动时，仅通过所述的主马达9将主动力传递至所述的输出传动机构；并通过控制与各个所述的差速马达8对应的所述差速传动机构，使得对应的所述差速马达8不将副动力传递至所述的输出传动机构；

当所述的减速器仅通过一差速马达8进行差速传递时，通过所述的主马达9将主动力传递至所述的输出传动机构；通过控制与提供副动力的差速马达8对应的差速传动机构，使得该提供副动力的差速马达8将副动力传递至所述的输出传动机构，并通过控制与不提供副动力的差速马达8对应的差速传动机构，使得该不提供副动力的差速马达8不将副动力传递至所述的输出传动机构；

当所述的减速器通过二差速马达8进行差速传递时，通过所述的主马达9将主动力传递至所述的输出传动机构；并通过控制与各个所述的差速马达8对应的所述差速传动机构，使得对应的所述差速马达8将副动力传递至所述的输出传动机构。

图3中T1为主马达9的输入转矩、N1为主马达9的输入转速，T2为差速马达8的输入转矩，N2为差速马达8的输入转速，Za1为第一级太阳轮11，Zg1为第一级行星轮12，Zb1为差速齿圈13，Za2为第二级太阳轮14，zg2为第二级行星轮15，Zb2为第二级齿圈16，Z1与Z2分别为差速齿轮副18中的两个齿轮。

马达匹配可采用以下方式进行选择：

根据目前旋挖钻机使用要求，通常主马达9采用自动变量马达构成，而差速马达8可以采用自动变量马达或定量马达，根据对主机动力头输出特性的要求来实现：

⑴主马达、差速马达均为自动变量马达：可以实现旋挖钻机动力头自适应外载荷的输出特性，即根据外载荷自动调整动力头输出转矩和转速，为智能操作旋挖钻机打开新局面；

⑵主马达采用自动变量马达，差速马达采用定量马达：可以实现有限或单一操作档位，对某些特殊规格和功能的旋挖钻机将特别有用，如针对200以下规格的小型旋挖钻机，往往考核的指标是其施工效率，此时旋挖钻机是否具有长期稳定可靠的高速缷土功能是最关键的指标，也是无数用户长期盼望的功能。

⑶主马达、差速马达均为定量马达：这种配置对旋挖钻机目前液压系统并不合适。

本发明中的旋挖钻机动力头合流差速减速器及相应的旋挖钻机动力头可开启一个对庞大存量和在制旋挖钻机使用高效施工、高效卸土功能的先河，符合国家环保、节能方向。该旋挖钻机动力头合流差速减速器中的差速构件是第一级内齿圈(即差速齿圈13)，采用第一级太阳轮11和第一级行星轮12进行合流，第二行星组件中的第二级太阳轮14、第二级行星轮15构成正常的2k-H行星传动；第二级齿圈16固定，第二级太阳轮14输入、第二级行星轮15输出，主、副马达均为正传动，需要差速驱动时二个马达为同方向旋转。

旋挖钻机动力头通常有一个以上马达驱动，通常有2台、3台、4台马达同时驱动，如旋挖钻机动力头采用本发明的旋挖钻机动力头合流差速减速器，则还有对应增加的副马达，因此对旋挖钻机来说，需要同时控制多台主副马达：同步、功率平衡，因此旋挖钻机动力头具备一控制系统对马达进行控制，差速减速器配套使用。

本发明的旋挖钻机动力头合流差速减速器包括主马达、至少一个差速马达、数量与所述的差速马达对应的差速传动机构及输出传动机构；所述的主马达与所述的输出传动机构相连接，各个所述的差速马达通过对应的所述差速传动机构与所述的输出传动机构相连接；包括该减速器的旋挖钻机动力头可根据实际工况选择是否将差速马达提供的副动力传递至所述的输出传动机构。采用本发明的旋挖钻机动力头合流差速减速器可以使的旋挖钻机满足不同工况的工作需要，有效提高施工效率，能够轻松实现旋挖钻机的工作需求，更好地保护设备、延长核心元件使用寿命的同时实现环保、节能。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。