顶驱钻机主要由机械系统、液压系统、水循环系统、电气系统、运输系统等组成。
顶部驱动减速器是机械系统的动力部件，动力齿轮轴与增速齿轮轴将外界动力源传输作用于旋转主轴并驱动动力刀头旋转切割作业。
动力齿轮轴在外交变载荷作用下承受扭矩，易产生断裂失效。
基于外部动力源运行参数、强度校核、受力分析等完成动力齿轮轴组结构及齿轮参数设计，采用渗碳、空冷、高回、淬火、冰冷、二次回火渗碳淬火工艺，实现降低心部硬度、减小淬火应力、提高齿面硬度与冲击韧性的目标，解决其易断裂问题。
引 言
在矿山治理与开采领域，钻机是最有效、最直接的钻探设备，在情况复杂且多变的沉积岩、火山岩及火成岩石工况，钻机在动力系统的旋转作用下钻凿坚硬的矿石，充分发挥其钻头坚硬耐磨的特点。
钻机采用耐磨耐冲击钻头旋转勘钻机械破岩，对环境、地质破坏小，尤其适用于复杂地质条件下的小直径深孔机械破岩勘测。
钻机钻孔开采与探测，是开采矿石最有效、最直接、最经济、破坏最小、最好修复的工艺。
顶部驱动减速器直接为顶驱钻机提供动力输出，顶部驱动减速器驱动方式主要有电机驱动和液压驱动。
驱动系统(动力头装置)固定于支撑井架、顶驱系统与绞车拖车系统联接，利用拖车的绳索将顶驱钻机动力头装置拉升与下降，实现下钻和升钻；
顶驱钻机动力头装置在井架空间正上方悬挂安装，在井架导轨上上下滑动，顶部驱动减速器驱动动力刀头旋转切割钻探岩石。
顶部驱动减速器设计
顶部驱动减速器驱动动力头装置用于钻孔与破碎岩石，顶部驱动减速器设计为齿轮传动，主要由动力齿轮轴组、增速齿轮轴组、旋转主轴、齿轮箱体组成，如图1所示。
电机/液压马达与顶部驱动减速器的动力齿轮轴组和增速齿轮轴组齿轮轴花键联接，电机/马达旋转带动动力齿轮轴、增速齿轮轴转动与主轴齿轮啮合，旋转主轴与浮动套花键联接。
动力齿轮轴带动动力刀头旋转切割岩石。
图 1 顶部驱动减速器组成示意图
1. 动力齿轮轴组 2. 主轴 3. 增速齿轮轴组
齿轮箱体通常采用铸造结构，但铸造齿轮箱体存在铸造缺陷、外观较差，精加工过程易出现铸造砂眼，通常铸造齿轮箱体返修率在30%以上。
为了在满足箱体强度前提下降低成本、缩短制造时间，齿轮箱体结构采用焊接形式。
动力齿轮轴、增速齿轮轴与外部输入源联接属于高速输入，工作时在外界交变载荷的作用下，承载扭力、弯矩与扭矩。
顶部驱动减速器输入轴要能够抵抗长时间循环荷载产生的疲劳断裂，为了使其平稳传动，其材料应具有较高的韧性，工作时不能产生裂纹与扭断，在高频振动、重复载荷、交变载荷作用 下，时刻保持材料结构的完整性。
在80℃循环液体周围工作，具备抗热膨胀能力，不易发生断裂和变形。
根据工作特点，轴的材料需要表面硬度高、耐磨性强，在传动时整体需要较高的强度与韧性，轴心部需保持较高的强度和韧性，故选用高速重载齿轮材料18CrNiMo7-6，并采用渗碳热处理。
齿轮轴组设计
电机/液压马达为顶部驱动减速器提供动力来源，外部动力源功率为2×75kW，转速1500r/min，顶部驱动减速器采用立式圆柱结构，动力齿轮轴组、 增速齿轮轴组与旋转主轴齿轮啮合为动力刀头旋转切割提供动力。
齿轮强度校核:动力齿轮轴组、增速齿轮轴组主要由齿轮轴与 轴承组成，增速齿轮轴齿轮部位与动力齿轮轴齿轮部位相同，增速齿轮轴的设计可参考动力齿轮轴设计。
（1）动力齿轮轴最小直径
式中
根据18CrNiMo7-6材料特性及轴常用几种材料的[τp]，A0的范围为97～112。
当A0=97时，dmin≥φ35.74mm；当A0=112时，dmin≥φ41.26mm。
动力齿轮轴最小直径按φ75mm设计，φ75mm＞φ41.26mm， 故满足要求。
（2）动力齿轮轴的结构设计
动力齿轮轴结构如图2所示，动力齿轮轴的齿轮模数m1=8 mm、齿数Z1=17、齿形角为α1=20°、螺旋角β=10°、右旋。
外花键模数m2=2.1mm、齿数Z2=32、压力角α2=30°。
图 2 动力齿轮轴结构
（3）动力齿轮轴受力分析
动力齿轮轴在工作时受到轴承的作用力、向心力、 扭矩及啮合齿轮的作用力与扭矩，如图3所示。
图 3 动力齿轮轴受力图
T. 输入转矩FNV1、FNV2.轴承水平面上的反力Fr.齿轮上的径向力Ft.齿轮齿形面传动力FNH1、FNH2.轴承垂直面上的反力v.转速L1、L2.轴承与齿轮中线距离L.轴承间距
（4）计算轴承反力
电机/液压马达作用于齿轮花键上的转矩(输入转矩)
齿轮齿形面传动力
式中
计算在水平面上的反力：
其中，L1=129mm，L2=134mm，L=L1+L2=263mm。计算在垂直面上的反力
（5）计算弯矩
计算水平面上的弯矩：
计算垂直面上的弯矩：
计算合成弯矩：
按第三强度理论公式计算截面当量弯矩
式中
输入轴的载荷分析如图4所示。
图 4 输入轴的载荷图
（6）危险截面
根据工作状态与性质，动力齿轮轴在驱动旋转主轴时，旋转为单向旋转，属于脉动循环变应力，取a=0.59，动力齿轮轴的应力
式中
齿轮轴材料18CrNiMo7-6钢经调质、渗碳热处理，调质处理参数：淬火850～880℃，回火550～650℃，查表得轴的许用弯曲应力[σ-1]=60 MPa，σ＜[σ-1]故安全。
动力齿轮轴花键强度校核:电机/液压马达最大输出功率P=75 kW，动力齿轮轴输入扭矩T=477.5N·m，动力齿轮轴输入花键采用的是德标花键，齿数Z2=32，模数m2=2.1mm，压力 角α2=30°。
有效啮合长度(花键有效长度)L3=56mm，材质为 18CrNiMo7-6。
挤压应力
式中
挤压应力σp=5.04MPa，18CrNiMo7-6许用挤压应力[σ]=45MPa，σp＜[σ]，花键强度满足使用要求。
18CrNiMo7-6 动力齿轮轴热处理研究
动力齿轮轴在旋转啮合过程中承载交变载荷作用，载荷较大时最小直径处易发生断裂。
18CrNiMo7-6材料核心技术为渗碳淬火工艺，齿轮、齿轮轴在渗碳淬火时容易受热膨胀和受冷收缩不均匀，产生残余应力，内部组织转变产生组织应力，造成扭曲与形状畸变，局部产生裂纹。
通过合理的淬火时间、温度、 碳势控制获得较优良的渗层组织及淬透层深度。
动力齿轮轴要求渗碳淬火渗层深度1.4～1.8mm、齿面硬度58～62HRC，心部硬度36～43HRC。
为获得其优异性能，工艺渗层1.7～2.1mm。18CrNiMo7-6动力齿轮轴渗碳淬火温度以820℃、840℃进行相应渗碳淬火。
动力齿轮轴渗碳淬火:
（1）试验一
淬火温度 820℃/840℃，增加预冷3min淬火、降低冷却强度，工艺参数及渗碳淬火试样金相组织如表1所示。
表 1 淬火温度 820 ℃、840 ℃ 工艺参数及渗碳淬火试样金相组织
结果分析：第1炉马氏体及残余奥氏体级别虽然合格，但等级为4级，没有发挥出其优势，可能为冷却速度太慢造成；
针对性对第2炉淬火温度提高，淬火温度由820℃提高至840℃，缓冷时间由30min延长至40min，通过缓冷改变冷却速度，得到的渗碳金相组织相对较好；
基于第2炉的经验，对第3炉提高油温，油温由60℃提高至70℃，可以有效降低淬火前的心部温度，减小淬火应力，均温时间由30min延长至60min，缓冷时间缩短至20min，金相组织呈现马氏体及残余奥氏体组织，晶粒度为4级，预冷处理降低了齿部的淬火温度，对轴部及渗碳淬火组织没有起到积极的作用；
第4炉取消预冷工序，降低油温，马氏体及残余奥氏体为4级。
下一步方案：
①降低淬火温度为820℃，从而降低轴部淬火硬度；
②取消预冷，增加短时强冷淬火，缩短缓冷淬火时间，将齿部、轴部终冷温度控制在80~150℃，利用自回火减小淬火应力。
（2）试验二
淬火温度820℃，取消预冷，增加短时强冷3min，缩短缓冷时间为20min，油温60℃，工艺参数及结果如表2所示。
表 2 淬火温度 820 ℃、油温 60 ℃ 工艺参数及渗碳淬火试样金相组织
结果分析：从第5、6炉金相分析，金相组织比试验一有了明显提升。
第6炉虽然组织好，但内部组织存在较大应力，在后续加工键槽时有开裂。
通过测量淬火返热温度、切片硬度发现第5炉冷却时间较合理，但仍可缩短。
对直径φ120mm渗碳淬火切片检测，存在未淬透、心部硬度不均匀，820℃淬火后硬度降低，存在一定硬度梯度。
下一步方案：
①淬火温度820℃，保留强冷工序，时间依据模数大小或轴部表层硬度区域要求试验，延长保温时间，进一步减小淬火热应力。
②根据淬火后齿部硬度情况，论证取消冰冷处理的可行性，减小应力。初步确定强冷时间控制在3min以内。
（3）试验三
淬火温度820℃，延长均温时间，控制强冷时间在3min以内，油温60℃，依照出油温度确定缓冷时间，工艺参数及渗碳淬火随炉试样金相组织如表3所示。
表 3 淬火温度 820 ℃、强冷 3 min、油温 60 ℃ 工艺参数及渗碳淬火随炉试样金相组织
结果分析：渗碳均温时间延长至3~4h，轴心部可降低到均温温度，保温时间较长，生产制造成本提高。
淬火后测量轴终冷温度，第7炉齿部温度为120~140℃，轴部为100~120℃，第8炉齿部温度为100~120℃，轴部为110~150℃，冷却时间的计算方法合理。
从切片硬度看，直径φ120mm试验切片表层5mm以内硬度比试验二降低1~2HRC，心部硬度比试验二降低1～3HRC，心部硬度不大于35HRC，试验二、试验三冷却参数接近，硬度存在差异。
未冰冷处理的样块马氏体+残奥为4级，如过程稍微波动，则组织级别超差。
因此，依照冷却(强冷时间控制在3min以内)参数，无论从硬度、组织的控制角度都需要冰冷处理。
动力齿轮轴渗碳淬火参数固化:在淬火温度820℃进行渗碳淬火工艺参数固化验证，均温30min，强冷30min，缓冷30min，油温50℃，试验参数及固化试验工艺渗碳淬火金相组织如表4 所示。
表 4 820 ℃ 渗碳淬火参数及固化试验工艺渗碳淬火金相组织
在820℃均温30min，强冷30min，缓冷30min，油温50℃下试块金相组织马氏体及残余奥氏体、碳化物、心部组织为1级，性能较好，无裂纹产生。
使用淬火温度820℃均温30min，强冷30min，缓冷30min，油温50℃的工艺程序，相关设备及工艺程序号为36#+37#进行批量试验，工艺参数及渗碳淬火金相组织如表5所示。
表5 36#+37# 工艺参数及渗碳淬火金相组织
采用渗碳+空冷+高回+淬火(淬火时强冷30min缓冷30min)+冰冷+二次回火的工艺(36#+37#工艺)， 渗碳曲线波动正常，组织也符合要求。
表层车削检验裂纹，每次车削1mm，车削直至表层5mm处，车削一层观察一层，未发现裂纹。放置几个月后，也并未发现裂纹，36#+37#工艺满足动力齿轮轴渗碳淬火要求。
结 语
顶部驱动减速器的设计与研制主要应用于煤层顶板水害治理、矿山救援等矿山安全方面。
在煤炭矿山开采领域中顶部驱动减速器为更深煤层安全开采提供了动力输出保障。
本文设计的顶部驱动减速器具备更大扭矩，配备动力刀头可实现1000m以上的竖直钻探。
在石油天然气开采、地质勘探、矿山治理等领域具有广阔的应用前景。
参考文献：略。
来源：煤矿机械