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大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目 錄 第1章 概述 1 1.1 引言 1 1.2 旋挖鉆機(jī)發(fā)展概況及國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)的情況 1 1.3 旋挖鉆機(jī)發(fā)展趨勢(shì) 3 1.4 本章小結(jié) 4 第2章 旋挖鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 2.1 LXW80輪式旋挖鉆機(jī)方案的確定 5 2.2 輪式旋挖鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 2.3 本章小結(jié) 15 第3章 旋挖鉆機(jī)的計(jì)算與分析 16 3.1 動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)計(jì)算 16 3.2 起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 18 3.3 本章小結(jié) 23 第4章 主要零部件的分析 24 4.1 滑輪架的分析計(jì)算 24 4.2 桅桿的設(shè)計(jì)與分析 26 4.3 本章小結(jié) 33 第5章 整機(jī)穩(wěn)定性分析 34 5.1 整機(jī)穩(wěn)定性校核 34 5.2 整機(jī)穩(wěn)定度分析 37 5.3 本章小結(jié) 39 第6章 液壓系統(tǒng)回路原理設(shè)計(jì) 40 6.1 主要執(zhí)行元件的選取 40 6.2主要回路的供油原理設(shè)計(jì) 41 6.3 本章小結(jié) 42 結(jié) 論 43 參考文獻(xiàn) 44 致 謝 45 49 第1章 概述 1.1 引言 旋挖鉆機(jī)屬機(jī)電一體化設(shè)備，技術(shù)含量高，使用技術(shù)和設(shè)備保養(yǎng)要求嚴(yán)格,也是一種多功能、高效率的灌注樁成孔設(shè)備。其采用無(wú)循環(huán)工藝施工鉆孔灌注樁，該工藝方法具有鉆進(jìn)速度快、成孔深度深、質(zhì)量好、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于高層建筑、鐵路公路橋梁、水利工程和城市交通建設(shè)等樁基礎(chǔ)工程的施工。 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程還在加快。老城市改造和新城市建設(shè)中新增的樁基礎(chǔ)工程將大幅度增加。目前,旋挖鉆機(jī)的產(chǎn)品大都是200kNm級(jí),成孔直徑為2 m,鉆孔深度為60 m,而據(jù)建筑施工單位的反饋,國(guó)內(nèi)80%的樁基礎(chǔ)成孔直徑都在1.2 m以下,深度不超過40 m。因此,針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)實(shí)國(guó)情,開發(fā)研制小型化、功能少、價(jià)格適宜的特種作業(yè)型機(jī)型,滿足不同地域樁基需求。 1.2 旋挖鉆機(jī)發(fā)展概況及國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)的情況 旋挖鉆機(jī)是在回轉(zhuǎn)斗鉆機(jī)和全套管鉆機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。第二次世界大戰(zhàn)前，美國(guó)CALWELD公司首先研制出回轉(zhuǎn)斗、短螺旋鉆機(jī)，二十世紀(jì)五十年代，法國(guó)BENOTO將全套管鉆機(jī)應(yīng)用于樁基礎(chǔ)施工中（如圖1.2所示），而后由歐洲各國(guó)將其組合并不斷完善，發(fā)展成為今天的多功能組合模式。圖1-2美國(guó)CALWELD回轉(zhuǎn)斗鉆機(jī)圖1-3法國(guó)BENOTO全套管裝置。意大利土力公司首先將安裝在載重汽車上和附著在履帶起重機(jī)上的鉆機(jī)從美國(guó)引入歐州。但是，這種鉆機(jī)的動(dòng)力頭為固定式，不能自行安裝套管，難以適應(yīng)硬質(zhì)土層施工。 1984年天津探礦機(jī)械廠首次從美國(guó)RDI公司引進(jìn)車載式旋挖鉆機(jī)；1988年北京城建工程機(jī)械廠仿制了土力公司1.5m直徑的附著式旋挖鉆機(jī)；1994年鄭州勘察機(jī)械廠引進(jìn)英國(guó)BSP公司附著式旋挖鉆機(jī)； 2003年后，三一重機(jī)、山河智能等多家生產(chǎn)廠家的旋挖鉆機(jī)陸續(xù)下線。但是，由于諸多原因，這一先進(jìn)技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展比較緩慢。直到20世紀(jì)90年代末期，我國(guó)旋挖鉆機(jī)的擁有量也僅僅100臺(tái)左右，而這為數(shù)不多的鉆機(jī)由于運(yùn)行成本高等原因也并未完全用于生產(chǎn)施工。最近幾年，國(guó)家建設(shè)管理部門逐步意識(shí)到旋挖鉆機(jī)的諸多優(yōu)勢(shì)，并制定了一些鼓勵(lì)政策，這些政策對(duì)設(shè)計(jì)、監(jiān)理和施工單位產(chǎn)生了層層影響。在這種大背景下，原有的成孔設(shè)備因其效率低下、噪音大、環(huán)保較差等原因?qū)⒅鸩奖惶蕴?，而旋挖鉆機(jī)憑借其明顯優(yōu)勢(shì)——高效、環(huán)保、安全等，已逐步成為大批重點(diǎn)工程業(yè)主的指定施工設(shè)備。此時(shí)，國(guó)外的旋挖鉆機(jī)制造商紛紛看好中國(guó)這一巨大的市場(chǎng)，向中國(guó)宣傳、銷售其旋挖鉆機(jī)。國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)也通過引進(jìn)、消化、吸收國(guó)外技術(shù)，開始制造旋挖鉆機(jī)。 圖1-1美國(guó)回轉(zhuǎn)斗鉆機(jī) 圖1-2法國(guó)全套管裝置 表1-1 國(guó)外旋挖鉆機(jī)主要生產(chǎn)廠家及其產(chǎn)品如下 德國(guó) BAUER、LIEBHERR、DELMAG、WIRTH、MGF 意大利 SOILMEC、MAIT、CMV、IMT、CASAGRANDE、ENTEGO 日本 日本車輛、日立、住友、加藤 芬蘭 JUTTAN、TAMROCK 美國(guó) APE、Ingersoll-Rand 西班牙 LLAMADA5 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用的旋挖鉆機(jī)有十幾個(gè)廠家的幾十個(gè)型號(hào)產(chǎn)品。如德國(guó)利勃海爾、寶峨（如圖1-4所示）、MGF，意大利意馬、邁特（如圖1-5所示）、天銳、土力、CMV，日本日立建機(jī)等；國(guó)內(nèi)北京三一重機(jī)（如圖1-6所示）、徐州徐工科技、北京經(jīng)緯巨力、河北石家莊煤機(jī)、內(nèi)蒙古北方重汽、河南宇通重工等。在這些旋挖鉆機(jī)中，有整機(jī)從國(guó)外直接進(jìn)口的，如意馬的AF系列、天銳的TR5VE系列、土力的R系列等；有部件在國(guó)外制造后到國(guó)內(nèi)組裝的，如德國(guó)寶峨的BG系列；也有國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的，如北京三一重機(jī)的SR系列、北京經(jīng)緯巨力的ZY系列等，但鉆機(jī)的關(guān)鍵部件仍是從國(guó)外進(jìn)口，以保證其良好的可靠性。 圖1-3寶峨鉆機(jī) 圖1-4邁特鉆機(jī) 圖1-5三一鉆機(jī) 圖1-6徐工鉆機(jī) 表1-2 幾種常見鉆機(jī)技術(shù)性能參數(shù) 鉆機(jī)型號(hào) BG18 R618HD NSR220 XR220 生產(chǎn)廠家 寶峨 土力MEC 南車時(shí)代 徐工 最大輸出轉(zhuǎn)矩/kN/m 176 182 220 200 最大鉆孔深度/mm 60 66 65 54 最大加壓力/kN 1800 1800 2000 2000 最高工作轉(zhuǎn)速(/r/min) 36 25 27 22 主卷?yè)P(yáng)最大拉力/kN 160 184 200 180 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào) 康明斯 6CT-C CAT3306TA C-9 康明斯 M11-C330 整機(jī)質(zhì)量 70 65 65 68 目前可供選擇的旋挖鉆機(jī)范圍非常廣泛，鉆孔直徑通常在1.5m～2.0m之間，而鉆孔灌注樁的最常用的樁徑一般為1.0m～1.5m，考慮到安全儲(chǔ)備系數(shù)，鉆機(jī)對(duì)于這種樁徑施工是非常適合的。同時(shí)，有些廠家生產(chǎn)的鉆機(jī)鉆孔直徑非常大，小型的最大鉆孔直徑為1m，大型鉆機(jī)孔徑可達(dá)到3m。隨著鐵路線等重點(diǎn)工程不斷上馬，旋挖鉆機(jī)的市場(chǎng)需求量在節(jié)節(jié)攀升，這對(duì)于國(guó)內(nèi)旋挖鉆機(jī)生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說，預(yù)示著非常好的市場(chǎng)前景，昭示著旋挖鉆進(jìn)技術(shù)在我國(guó)的巨大發(fā)展前景。 1.3 旋挖鉆機(jī)發(fā)展趨勢(shì) （1）由電動(dòng)式向液壓式方向發(fā)展 （2）向多功能鉆機(jī)方向發(fā)展鉆機(jī)的多功能化，即鉆機(jī)使用的是多用途模塊式設(shè)計(jì)。 （3）大都采用電液比例伺服控制系統(tǒng)具有鉆孔深度、鉆桅垂直度自動(dòng)化檢測(cè)、熒屏顯示，提高了定位鉆孔精 （4）機(jī)電一體化控制、智能化作業(yè)在鉆桅控制、自動(dòng)垂直調(diào)平、回轉(zhuǎn)倒土控制、發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)控、鉆孔深度量及車身工作狀態(tài)動(dòng)畫顯示及虛擬儀表顯示、故障檢測(cè)、報(bào)警及信息顯示等方面逐步實(shí)現(xiàn)智能化控 制。 （5）安全保護(hù)。鉆機(jī)的設(shè)計(jì)充分考慮駕駛?cè)藛T的安全，并采取了一些措施：駕駛室前窗有FOPS（防墜物保護(hù)）；卷?yè)P(yáng)的高度限位；駕駛室內(nèi)操作臺(tái)安全控制；發(fā)機(jī)、液壓等參數(shù)顯示、報(bào)警等。 （6）上、下車獨(dú)特的水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)。鉆機(jī)的上車與下車的連接機(jī)構(gòu)采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)形式，通過左右兩個(gè)液缸，可進(jìn)行上下車傾斜調(diào)節(jié)，當(dāng)下車底盤傾斜時(shí)（施工場(chǎng)地為斜面時(shí)），上駕駛室仍為水平，此功能既保證了鉆孔時(shí)的垂直度，又可使操作者在舒適的置長(zhǎng)時(shí)間工作而不會(huì)感到疲倦。 （7）動(dòng)力頭采用MCS系統(tǒng)—套管鉆進(jìn)增扭裝置增加套管鉆進(jìn)增扭系統(tǒng)，可減少擺管機(jī)的應(yīng)用，大幅度降低使用成本 1.4 本章小結(jié) 綜上所述,旋挖鉆機(jī)及旋挖鉆進(jìn)技術(shù)具有一系列的優(yōu)點(diǎn),雖然其推廣應(yīng)用存在一些制約因素,但無(wú)論從我國(guó)目前的基礎(chǔ)工程施工市場(chǎng)形勢(shì)及要求、旋挖鉆機(jī)生產(chǎn)規(guī)模、配套工具的生產(chǎn)、基礎(chǔ)施工企業(yè)的體制等各方面來(lái)看,我國(guó)旋挖鉆進(jìn)技術(shù)全面、快速發(fā)展的時(shí)期已經(jīng)到來(lái)。今后的幾年內(nèi),將推動(dòng)我國(guó)基礎(chǔ)工程施工設(shè)備向機(jī)械化、自動(dòng)化方向發(fā)展,同時(shí)將使我國(guó)基礎(chǔ)工程施工技術(shù)邁上一個(gè)新臺(tái)階。 第2章 旋挖鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 LXW80輪式旋挖鉆機(jī)方案的確定 根據(jù)旋挖鉆機(jī)的底盤、支撐結(jié)構(gòu)、桅桿及鉆桿結(jié)構(gòu)的不同大致可將旋挖鉆機(jī)分為以下種類型。 2.1.1根據(jù)旋挖鉆機(jī)的底盤分類 底盤由行走機(jī)構(gòu)、履帶張緊裝置和左右梁組成;底盤可分為專用底盤、履帶液壓挖掘機(jī)底盤、履帶起重機(jī)底盤、步履式底盤、汽車底盤等組成。 汽車載式旋挖鉆機(jī)提高機(jī)動(dòng)性，主要在城區(qū)或要求快速施工的場(chǎng)合使用的，如MA仃、CMV、SOILMEC等但其效率與功率相對(duì)較低不適合挖直徑與深度較大孔。履帶式功率大、污染小、效率高、整機(jī)穩(wěn)定性和適應(yīng)性較好等優(yōu)點(diǎn)。但其設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，制造成本高等缺點(diǎn)。 車載式旋挖鉆機(jī) 履帶式旋挖鉆機(jī)圖 圖2-1按底盤分類 2.1.2 根據(jù)旋挖鉆機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)分類 目前，從外觀形式看旋挖鉆機(jī)可主要分為獨(dú)立式和起重機(jī)附著式兩種。獨(dú)立式旋挖鉆機(jī)的鉆挖支撐系統(tǒng)主要有三種形式，一種為平行四邊形小三角結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是變幅范圍大，可整機(jī)放倒、折疊，降低運(yùn)輸高度和長(zhǎng)度。缺點(diǎn)是底盤前方重量偏重，穩(wěn)定性稍差，不能承受超大扭矩。另一種為大三角結(jié)構(gòu)，以BAUER為代表，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，能承受大扭矩。缺點(diǎn)是運(yùn)輸時(shí)要拆開，費(fèi)時(shí)，需要輔助起重設(shè)備。第三種以西班牙LLAMADA公司、意大利ENTEGO為代表，雖然也是大三角支承結(jié)構(gòu)，由于裝有輔助起架油缸，整機(jī)也能放倒折疊，具有以上兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)新穎，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。 圖2-2支撐結(jié)構(gòu) 國(guó)內(nèi)旋挖鉆機(jī)的支撐機(jī)構(gòu)一般采用兩級(jí)調(diào)整油缸，桅桿調(diào)整油缸和變幅調(diào)整油缸，配以平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)等，使鉆桅在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)變幅。旋挖鉆機(jī)的鉆架采用平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)+三角形的支撐結(jié)構(gòu)，非常適合城市狹窄場(chǎng)地的施工。 2.1.3 根據(jù)旋挖鉆機(jī)的桅桿結(jié)構(gòu)分類 桅桿屬于細(xì)長(zhǎng)空間桿件，根據(jù)不同需要，其結(jié)構(gòu)形式主要可以分為3類：整體式桅桿、分段式桅桿和伸縮式桅桿。箱型截面桅桿具有良好的剛性和穩(wěn)定性,是動(dòng)力頭號(hào)和鉆桿的附著體,無(wú)需拆卸的可折疊式結(jié)構(gòu),減少整機(jī)運(yùn)輸長(zhǎng)度; 采用箱形結(jié)構(gòu)，剛性好，重量輕。滑道多采用耐磨方形無(wú)縫管，便于傳遞大扭矩。 整體式桅桿 伸縮式桅桿 分段式桅桿 圖2-3按桅桿分類 2.1.4 確定設(shè)計(jì)方案 目前,旋挖鉆機(jī)的產(chǎn)品大都是200kNm級(jí),成孔直徑為2 m,鉆孔深度為60 m,而據(jù)建筑施工單位的反饋,國(guó)內(nèi)80%的樁基礎(chǔ)成孔直徑都在1.2 m以內(nèi)并且城區(qū)內(nèi)使用情況較多。因此根據(jù)國(guó)內(nèi)使用情況，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)缺點(diǎn)以及城區(qū)運(yùn)輸?shù)南拗疲Y(jié)構(gòu)方案確定為：底盤采用輪式底盤自行設(shè)計(jì)，采用H型支腿，變幅機(jī)構(gòu)采用平行四邊形+三角形機(jī)構(gòu)，由動(dòng)臂、支撐桿、變幅油缸、立桅油缸等部件組成。分段可折疊式桅桿。鉆桿自行設(shè)計(jì)，動(dòng)力頭采用雙馬達(dá)雙減速機(jī)，鉆頭可配短螺旋鉆鉆頭、回轉(zhuǎn)斗鉆頭、巖心鉆鉆頭。 由SolidWorks建立三維模型如下： 圖2-4 LXW80旋挖鉆機(jī)主要結(jié)構(gòu)圖 LXW80輪式旋挖鉆機(jī)初步總體設(shè)計(jì)方案 發(fā)動(dòng)機(jī)功率 133kw@2300rpm 額定扭矩 80kNm 最大成孔直徑 600-1200mm 最大成孔深度 35m 主卷?yè)P(yáng)最大拉力 120kN@（60m/min） 主卷?yè)P(yáng)最大速度 76m/min 副卷?yè)P(yáng)最大拉力 60kN 副卷?yè)P(yáng)速度 70m/min 動(dòng)力頭最大轉(zhuǎn)速 25rpm 加壓油缸推拉力 100/100kN 行駛速度 0-70km/h 爬坡能力 24％ 側(cè)前后角 5/5/7/90 整機(jī)重量 25t（帶鉆桿） 2.2 輪式旋挖鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.2.1 底盤 采用類似輪式起重機(jī)底盤的結(jié)構(gòu)，使其適應(yīng)城區(qū)或要求快速施工的場(chǎng)合。底盤是支承、安裝各部件，形成機(jī)車的整體造型，并接受發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，使機(jī)車產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。底盤由傳動(dòng)系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和制動(dòng)系四部分及H型支腿組成。 傳動(dòng)系 由離合器、變速器、萬(wàn)向傳動(dòng)裝且.主減速器、差速器和半軸等組成。行駛系由汽車的車架、車橋車輪和懸架等組成。轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱等組成。制動(dòng)系統(tǒng)采用伺服制動(dòng)系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)裝在上車，采用全液壓傳動(dòng)，車架采用整體式箱形梁。 輪式旋挖鉆機(jī)工作時(shí)重力很大，輪胎不能承受。因此需要用支腿來(lái)支撐。 支腿有以下五種形式： （1）蛙式支腿 這種支腿的活動(dòng)支腿鉸接在固定支腿上，其展開動(dòng)作由液壓缸完成。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量較輕，但支腿跨度不大。 （2）H型支腿 這種支腿有兩個(gè)液壓缸。活動(dòng)支腿伸出后，工作時(shí)垂直支腿撐地，形如H而得名。特點(diǎn)是支腿跨距較大，對(duì)場(chǎng)地適應(yīng)性較好。 （3）X型支腿 這種支腿工作時(shí)，支腿呈X型，離地間隙小，在撐腳著地的過程中有水平位移發(fā)生，當(dāng)其為小幅度時(shí)，重物活動(dòng)的空間比H型支腿的要大，因此常和H型支腿混合使用，形成前H、后X的型式。 （4）輻射式支腿 以轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心為中心，從車架的盆形架向下呈輻射狀向外伸出4個(gè)支腿。特點(diǎn)是穩(wěn)定性好。在起重作業(yè)時(shí)，全部載荷不經(jīng)過車架而是直接作用在支腿上。因此，可減輕車架自重并降低整機(jī)重心高度，保護(hù)底盤不受損壞。主要應(yīng)用在一些特大型的起重機(jī)上。 （5）擺動(dòng)支腿 擺動(dòng)支腿也叫鉸接式支腿，這種支腿在起重作業(yè)時(shí)，支腿在液壓缸的作用下能擺動(dòng)到與車架縱向軸線相垂直的位置上；非工作狀態(tài)時(shí)，可平行地固定在車架的兩側(cè)。特點(diǎn)是重量輕，但由于受空間大小的限制，支腿不能太長(zhǎng)，所以橫向支撐的距離較小。 比較五種支腿，結(jié)合旋挖鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)工況，對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性要求較高，故選擇跨距較大的H型支腿。 底盤參數(shù) 外形尺寸（長(zhǎng)寬高）5895×2496×1370 軸距 1330、2000 接近角/離去角 18/20 最小離地間隙 500 最大允許質(zhì)量 30000 輪胎規(guī)格 11.00R20/10 底盤支腿尺寸 5535×5700 回轉(zhuǎn)支承型號(hào) JB/T2300-1999 014.45.1250. 圖2-5 LXW80輪式旋挖鉆機(jī)底盤 下車工作原理： 安裝在上車的發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵相連，動(dòng)力通過液壓傳動(dòng)到下車的液壓馬達(dá)，再由液壓馬達(dá)將動(dòng)力傳到底盤的傳動(dòng)系統(tǒng)，由離合器、變速器、萬(wàn)向傳動(dòng)裝置、.主減速器、差速器和半軸等實(shí)現(xiàn)減速、變速、倒車、中斷動(dòng)力、輪間差速和軸間差速等功能。再由行駛系接受傳動(dòng)系的動(dòng)力，通過驅(qū)動(dòng)輪與路面的作用產(chǎn)生牽引力，使機(jī)車正常行駛。 2.2.2 變幅機(jī)構(gòu) 變幅機(jī)構(gòu)是旋挖鉆機(jī)一個(gè)非常重要的裝置，在整個(gè)旋挖鉆機(jī)中起到支撐，調(diào)節(jié)桅桿的工作幅度或運(yùn)輸狀態(tài)，調(diào)節(jié)桅桿相對(duì)地面的角度，快速平動(dòng)調(diào)整對(duì)準(zhǔn)孔位，連接桅桿和底盤使整機(jī)合理布置，起承上啟下的均載作用，其機(jī)構(gòu)對(duì)整機(jī)的布局和操縱穩(wěn)定性影響較大。 考慮到本旋挖鉆機(jī)的實(shí)際情況，以及對(duì)比國(guó)內(nèi)外各種旋挖鉆機(jī)采用的變幅機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，LXW80輪式旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)采用平行四邊形+三角形機(jī)構(gòu)，由大臂、撐桿、變幅油缸、桅桿油缸等部件組成，通過液壓油缸的作用，可以使桅桿遠(yuǎn)離或靠近機(jī)體，改變桅桿的角度，使其機(jī)動(dòng)靈活、施工效率高。也可以調(diào)節(jié)桅桿的工作幅度和運(yùn)輸狀態(tài)桅桿的高度。使其運(yùn)輸高度低于3.5米，使其適合城市狹窄場(chǎng)地的施工。變幅角度范圍在0°～75.8°，本機(jī)定在有利角度75°。 圖2-6 變幅機(jī)構(gòu) 變幅機(jī)構(gòu)工作原理： 變幅機(jī)構(gòu)由液壓泵驅(qū)動(dòng)液壓缸，液壓缸實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)，通過液壓油缸的作用，可以使桅桿遠(yuǎn)離或靠近機(jī)體，改變桅桿的角度，實(shí)現(xiàn)變幅運(yùn)動(dòng)。還可以調(diào)節(jié)桅桿的工作幅度和運(yùn)輸狀態(tài)桅桿的高度。 2.2.3 桅桿 桅桿是為鉆具提供運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向、位置調(diào)整、動(dòng)力傳遞的依托部件，鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)動(dòng)力裝置所承受的扭矩、加壓時(shí)加壓油缸所受的反作用力、提鉆時(shí)滑輪架滑輪所承受的壓力等均作用在桅桿上。動(dòng)力頭和隨動(dòng)架可沿其導(dǎo)軌滑行，為了提高鉆進(jìn)效率在中桅桿上設(shè)有加壓油缸，加壓油缸的一端固定在桅桿上，另一端連接動(dòng)力頭上的滑移架，通過動(dòng)力頭和鉆桿可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆具的加壓作用。旋挖鉆機(jī)下桅桿起導(dǎo)向延伸作用，也是主卷?yè)P(yáng)機(jī)的支承座。 根據(jù)以往對(duì)立柱形狀及運(yùn)輸狀況優(yōu)缺點(diǎn)考慮，桅桿桅桿采用三段可折疊式，采用箱形結(jié)構(gòu)，剛性好，重量輕。滑道多采用耐磨方形無(wú)縫管，便于傳遞大扭矩。桅桿由滑輪架、上桅桿、中桅桿、下桅桿、加壓油缸等部件組成，它是鉆桿、動(dòng)力頭的安裝支承部件及其工作進(jìn)尺的導(dǎo)向。 圖2-7 桅桿主要結(jié)構(gòu)圖 桅桿是為鉆具提供運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向、位置調(diào)整、動(dòng)力傳遞的依托部件，鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)動(dòng)力裝置所承受的扭矩、加壓時(shí)加壓油缸所受的反作用力、提鉆時(shí)滑輪架滑輪所承受的壓力等均作用在桅桿上。行駛時(shí)，將上、下桅桿折疊安裝，同時(shí)折疊滑輪架，以減少運(yùn)輸狀態(tài)整機(jī)長(zhǎng)度。 2.2.4 主副卷?yè)P(yáng)機(jī) 主副卷?yè)P(yáng)機(jī)是旋挖鉆機(jī)起升機(jī)構(gòu)的重要組成部分，主卷?yè)P(yáng)是在鉆進(jìn)過程中通過卷?yè)P(yáng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)完成鉆桿和鉆頭下放和起升等功能的機(jī)構(gòu)。副卷?yè)P(yáng)的主要功能是完成附屬物品的起吊。 圖2-8 主卷?yè)P(yáng)機(jī) 卷?yè)P(yáng)機(jī)工作原理：卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)主要由液壓馬達(dá)、內(nèi)藏式卷?yè)P(yáng)減速器、卷?yè)P(yáng)筒、鋼絲繩、壓繩器、排繩器等組成。卷?yè)P(yáng)減速器內(nèi)部自帶片式摩擦片液壓制動(dòng)器，主要功能是停車制動(dòng)。馬達(dá)與減速器馬達(dá)與減速器采用德國(guó)力士樂公司產(chǎn)品，卷筒根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)以及旋挖鉆機(jī)在工作時(shí)所需要的最大提升力進(jìn)行自行設(shè)計(jì)。 發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)變量泵通過液壓傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給液壓馬達(dá)，再由液壓馬達(dá)帶動(dòng)滾筒的旋轉(zhuǎn)，動(dòng)過變量泵及一系列控制閥實(shí)現(xiàn)快慢控制和上提下放功能。 2.2.5 鉆桿 鉆桿可以分為摩擦鉆桿和機(jī)鎖鉆桿兩大類。 圖2-9 摩擦式鉆桿 1、扁頭 2、一桿擋環(huán) 3、第一節(jié)鉆桿 4、第二節(jié)鉆桿 5、第三節(jié)鉆桿 6、第四節(jié)鉆桿7、第五節(jié)鉆桿 8、減振器總成 9、一桿外鍵 10、一桿內(nèi)鍵 11、彈簧座（托盤） 12、鉆桿彈簧 13、方頭 14、銷軸 圖2-10 多點(diǎn)連續(xù)加壓式機(jī)鎖式鉆桿 1、扁頭 2、一桿擋環(huán) 3、第一節(jié)鉆桿 4、第二節(jié)鉆桿 5、第三節(jié)鉆桿 6、第四節(jié)鉆桿7、減振器總成 8、一桿外鍵 9、一桿內(nèi)鍵 10、彈簧座（托盤） 11、鉆桿彈簧 12、方頭 13、銷軸 圖2-11 六邊形摩擦式鉆桿 摩擦鉆桿是指鉆桿上的鍵主要傳遞轉(zhuǎn)矩，靠摩擦面?zhèn)鬟f鉆壓的鉆桿。機(jī)緊鉆桿是指鉆桿之間通過加壓平臺(tái)可以鎖成一個(gè)剛性體對(duì)地層加壓鉆進(jìn)的鉆桿。 摩擦鉆桿主要適用于軟地層，機(jī)鎖鉆桿不但可用于軟地層，也可用于較硬地層施工。與所設(shè)計(jì)鉆機(jī)主要用于城市以及建筑工地軟底層所以設(shè)計(jì)摩擦式鉆桿。 該鉆桿是根據(jù)以往典型圓柱型鉆桿改進(jìn)的新型六邊形摩阻式鉆桿該鉆桿有著獨(dú)特的六邊形可以在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)充當(dāng)花鍵的作用省掉了以往圓柱型鉆桿在內(nèi)部焊花鍵，只需要在兩端焊接加強(qiáng)板就可以。采用摩阻式鉆桿不但可用于軟地層，也可用于較硬地層施工。摩阻式鉆桿制成4節(jié)，1～3節(jié)桿每節(jié)鋼管長(zhǎng)10米。鉆孔深度可達(dá)35米左右。 根據(jù)不同的地質(zhì)條件可選用不同的鉆頭，本機(jī)可以配用短螺旋鉆頭、回轉(zhuǎn)斗、巖心鉆頭、巖心回轉(zhuǎn)斗鉆頭。 鉆桿工作原理： 鉆桿鉆桿第一節(jié)（最外）采用六邊形的邊與動(dòng)力頭相配合，以傳遞扭矩和壓力，上端通過回轉(zhuǎn)支承連接架和導(dǎo)軌連接，使之上下滑動(dòng)，同時(shí)能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)部各節(jié)鉆桿也利用其獨(dú)特的六邊形棱與其外面一節(jié)鉆桿相配合，當(dāng)邊與鋼板擠壓時(shí)能傳遞扭矩和壓力，牙邊與鋼板面離時(shí)，各節(jié)鉆桿可以自由伸縮，最里面一節(jié)鉆桿上端通過萬(wàn)向節(jié)與鋼絲繩連接，當(dāng)鉆桿回縮時(shí)，通過鋼絲繩來(lái)提升，下端與鉆頭連接。 2.2.6 動(dòng)力頭 動(dòng)力頭是旋挖鉆機(jī)的關(guān)鍵工作部件，其性能好壞直接影響鉆機(jī)整機(jī)性能的發(fā)揮。動(dòng)力頭是鉆機(jī)工作的動(dòng)力源，它驅(qū)動(dòng)鉆桿、鉆頭回轉(zhuǎn)，并能提供鉆孔所需的加壓力、提升力，能滿足高速甩土和低速鉆進(jìn)兩種工況。動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)鉆桿、鉆頭回轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)能根據(jù)不同的土壤地質(zhì)條件自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速與扭矩，以滿足不斷變化的工況。 因?yàn)閯?dòng)力頭為鉆桿的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，在實(shí)際施工中經(jīng)常會(huì)受到鉆桿的巨大沖擊作用。為了緩解這種沖擊，動(dòng)力頭上安裝了彈簧緩沖裝置，它的核心元件是套在減震油缸上的彈簧，利用彈簧受壓吸收能量以及減震油缸吸收能量來(lái)避免動(dòng)力頭被破壞。 動(dòng)力頭現(xiàn)有抗振機(jī)構(gòu)及效果在工程機(jī)械設(shè)備中，緩沖裝置是一種被用來(lái)緩解沖擊，提高產(chǎn)品抗沖穩(wěn)定性的機(jī)構(gòu)，同時(shí)也能夠緩解產(chǎn)品的磨損，提高產(chǎn)品或零部件的使用壽命動(dòng)力頭是旋挖鉆機(jī)重要的工作部件，它直接驅(qū)動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鉆孔的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力頭的抗振是通過緩沖裝置來(lái)完成的，液壓減振裝置，這兩種裝置能緩沖并吸收鉆桿對(duì)動(dòng)力頭的沖擊以及鉆桿的沖擊，保證鎖緊式鉆桿的使用安全。 動(dòng)力頭是鉆機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)，他由減速機(jī)、液壓馬達(dá)、減速齒輪箱、減振防護(hù)裝置等組成；馬達(dá)和減速器分別選用德國(guó)力士樂公司產(chǎn)品。 圖2-12 動(dòng)力頭 動(dòng)力頭工作原理： 工作原理為泵提供壓力油給馬達(dá)，經(jīng)減速機(jī)和齒輪兩級(jí)減速后，以低速大扭矩的形式通過獨(dú)特的六邊形驅(qū)動(dòng)套傳遞給鉆桿扭矩與壓力。 2.3 本章小結(jié) 本章主要介紹了各種旋挖鉆機(jī)，通過對(duì)比最終確定了旋挖鉆機(jī)的方案，借鑒其他旋挖鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)確定要設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式；確定了車載旋挖鉆機(jī)的底盤、支腿方案、鉆桅的支撐機(jī)構(gòu)、鉆桅的結(jié)構(gòu)、鉆桿的結(jié)構(gòu)、鉆頭的選配類型。其次介紹了旋挖鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及其工作原理。 第3章 旋挖鉆機(jī)的計(jì)算與分析 3.1 動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)計(jì)算 動(dòng)力頭為液壓驅(qū)動(dòng)，齒輪減速，可實(shí)現(xiàn)雙向鉆進(jìn)和拋土作業(yè)，主要由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及支撐機(jī)構(gòu)等組成。 動(dòng)力頭主要包括托架和驅(qū)動(dòng)器，托架用以支承驅(qū)動(dòng)器使之在導(dǎo)軌上運(yùn)行，并傳遞油缸壓力，驅(qū)動(dòng)器主要包括液壓馬達(dá)、減速機(jī)、齒輪、驅(qū)動(dòng)套管等。 泵變量馬達(dá)系統(tǒng)，可根據(jù)土壤地質(zhì)不同自動(dòng)改變其扭矩和鉆進(jìn)。采用恒功率泵與變量液壓馬達(dá)配合，使動(dòng)力頭可根據(jù)地質(zhì)條件自動(dòng)改變其排量和壓力，從而改變了輸出扭矩及轉(zhuǎn)速，即動(dòng)力頭具有土壤自適應(yīng)特性。 根據(jù)設(shè)定的參數(shù)要求最大轉(zhuǎn)速為25rpm以及最大輸出扭矩為10000N/m選擇德國(guó)力士樂公司液壓減速機(jī)GFB26T2，其最大輸出扭矩為12000N/m，馬達(dá)選用力士樂公司A2FE56。動(dòng)力頭選用兩個(gè)馬達(dá)和兩個(gè)減速器。 根據(jù)輸入功率與輸出功率相等 (3-1) 則： 2 ，又已知 (3-2) 由以上公式可推出： (3-3) 由所選減速機(jī)的轉(zhuǎn)速比 以及所選馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為5000rpm。則減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為： (3-4) 為了達(dá)到最高輸出轉(zhuǎn)速則齒輪減速箱的減速比為： (3-5) 因?yàn)檫x用兩個(gè)馬達(dá)與減速器因此每個(gè)小齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 傳遞功率 P=56(kW) 傳遞轉(zhuǎn)矩 T=5000(N·m) 齒輪1轉(zhuǎn)速 n1=107.7(rpm) 齒輪2轉(zhuǎn)速 n2=25(rpm) 傳動(dòng)比 i=4.31 則根據(jù)原動(dòng)機(jī)載荷特性為中等振動(dòng)，工作機(jī)載荷特性中等振動(dòng)。預(yù)定壽命 H=8000(h)。結(jié)構(gòu)形式為閉式，齒輪布置形式都為對(duì)稱布置。則大齒輪采用圓柱形直齒齒輪，材料選用S17Cr2Ni2Mo（表面淬火）硬度：（56～62）。采用硬齒面嚙合形式。小齒輪材料也選用S17Cr2Ni2Mo（表面淬火）硬度：（56～62）。齒輪精度都選擇7級(jí)精度。 由起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)查得本機(jī)器為中型機(jī)器。 初定齒輪模數(shù)Mn=12 齒輪1齒數(shù) Z1=19 齒輪1變位系數(shù) X1=0.500 齒輪1齒寬 B1=120(mm) 則齒輪2的相關(guān)參數(shù)定為： 齒輪2齒數(shù) Z2=Z1i=82 齒輪2齒寬 B2=125(mm) 齒頂高系數(shù)=1.00,頂隙系數(shù)=0.25,壓力角=20°，則根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得： 齒輪的中心距 A0=606(mm) 齒輪1分度圓直徑 d1=228(mm)，齒頂圓直徑 da1=264(mm)，基圓直 db1=214(mm)，齒頂高 ha1=18(mm)，齒根高 hf1=9(mm)。 齒輪2分度圓直徑 d2=984(mm)，齒頂圓直徑 da2=996(mm)，齒根圓直徑 df2=942(mm)，基圓直徑 db2=924(mm)，齒頂高 ha2=6(mm)，齒根高 hf2=21(mm)。 齒頂高系數(shù) ha*=1.00,頂隙系數(shù) c*=0.25,壓力角=20(度) 強(qiáng)度校核： 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得使用系數(shù) Ka=1.100，動(dòng)載系數(shù) Kv=1.02，材料的彈性系數(shù) ZE=189.800，接觸強(qiáng)度重合度系數(shù) Z=0.904，齒向載荷分布系數(shù) K =1.000，齒間載荷分布系數(shù) KFα=1.100，復(fù)合齒形系數(shù) Yfs1=3.92330，Yfs2=4.03096，應(yīng)力校正系數(shù) Ysa1=1.78417，Ysa2=1.59353。 計(jì)算載荷系數(shù)K。 (3-6) 由公式： (3-7) 及查得：σFE1=520.0(MPa)，σFE2=480.0(MPa)，彎曲強(qiáng)度用安全系數(shù) SFmin=3。 可計(jì)算得齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度許用值： [σF]1=241.6(MPa) （3-8） 齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度許用值： [σF]2=223.0(MPa) （3-9） 齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度校核可得： ≤ （3-10） 齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度校核可得： ≤ （3-11） 通過校核兩齒輪都滿足設(shè)計(jì)要求。 3.2 起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.2.1 主卷?yè)P(yáng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 1.卷?yè)P(yáng)機(jī)最大拉力及卷繩速度的計(jì)算 參考其他廠家已經(jīng)生產(chǎn)投入使用的旋挖鉆機(jī)的卷?yè)P(yáng)機(jī)提升速度，將本機(jī)的提升速度定位60(m/min)以內(nèi)。參考CZX-12型旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭扭矩120（kNm）,主卷?yè)P(yáng)機(jī)140kN的最大靜拉力，副卷?yè)P(yáng)機(jī)60KN的最大靜拉力。在工作時(shí)的提升阻力約為120kN。 LXW80輪式旋挖鉆機(jī)的鉆桿重量為4.6t，動(dòng)力頭重量為1.5t，回轉(zhuǎn)斗的重量約為0.6t。動(dòng)力頭的最大扭矩為80(),將提升阻力定位100，總的提升阻力約為： （3-12） =46+15+6+10 =167(kN) 將卷?yè)P(yáng)機(jī)的最大靜拉力定位120，加壓油缸的提升力100。根據(jù)所需拉力與卷?yè)P(yáng)機(jī)的提升速度選擇德國(guó)力士樂公司GFT 17 W2型減速機(jī)。 表3-1 輸出轉(zhuǎn)矩/T Nm 可選馬達(dá)型號(hào) 減速比/i 12500 A2FE45 66.96 A2FE56 79.36 A2FE63 116.55 根據(jù)卷?yè)P(yáng)機(jī)的輸出放卷繩速度選擇馬達(dá)。已知ｖ=60(m/min),各個(gè)馬達(dá)對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)速為： V1=5600/66.69=83.63（rpm） （3-13） V2=5000/79.36=63.00（rpm） （3-14） V1=5000/116.55=42.9（rpm） （3-15） 則由公式： V=nπD （3-16） 可以得到最接近所需轉(zhuǎn)速的馬達(dá)為A2FE63 v=3.140.4442.9 （3-17） =60（rpm） 因此所選擇的馬達(dá)為A2FE63。 3.2.2鋼絲繩的選擇 鋼絲繩在起升機(jī)構(gòu)中用作承載繩，它是撓性件，具有強(qiáng)度高、自重輕、柔性好、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)無(wú)噪音、極少驟然斷裂等優(yōu)點(diǎn)，是輪式旋挖鉆機(jī)的重要零件之一。有時(shí)還用來(lái)捆扎貨物。鋼絲繩經(jīng)常是與滑輪和卷筒配套使用，所以鋼絲繩在工作時(shí)總是要進(jìn)出滑輪槽和卷筒槽。這時(shí)，鋼絲上的受力是相當(dāng)復(fù)雜的，拉力、彎曲、擠壓和扭轉(zhuǎn)同時(shí)存在。實(shí)踐表明，鋼絲繩的破壞，首先表現(xiàn)在外層鋼絲的斷裂，主要原因是由于反復(fù)彎曲和反復(fù)磨損造成的金屬疲勞所致。隨著斷絲數(shù)的增多，破壞的速度加快，達(dá)到一定限度后，若再繼續(xù)使用，將會(huì)引起整根鋼絲繩完全斷裂。 鋼絲繩隨著載荷的增加會(huì)有微量的伸長(zhǎng)，當(dāng)載荷超過彈性極限時(shí)，鋼絲繩可能斷裂。通常把鋼絲繩承受的靜載荷控制在斷裂載荷的1/10～1/5，此為安全負(fù)荷。安全負(fù)荷表示的是鋼絲繩允許承受的額定靜載荷。但鋼絲繩實(shí)際上往往處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，鋼絲繩在工作時(shí)除了要承受貨物、吊具、自重等靜載荷外，還要受到因加速度和沖擊引起的動(dòng)載荷，因彎曲引起的附加載荷，因摩擦引起的阻力載荷等等，由此可見，當(dāng)靜載荷以外的其它載荷增多時(shí)，實(shí)際的安全系數(shù)就降低了，鋼絲繩往往由此而引起過載。過載的鋼絲繩即使不發(fā)生斷裂事故，也會(huì)大大地縮短其使用壽命。在這里我們選取安全系數(shù)。 計(jì)算鋼絲繩繞入卷筒分支的最大靜拉力。 最大額定起升載荷時(shí)繞入卷筒的鋼絲繩最大靜拉力為: （3-18） 式中 ——額定起升載荷, N； ——起升裝置重力,N； ——滑輪組倍率，； 吊具重量估算為: (N) 將己知的數(shù)據(jù)代入上式得: (N) （3-19） 按安全系數(shù)確定鋼絲繩直徑: （3-20） 式中 ——選取鋼絲繩的整繩的破斷拉力(N)； ——安全系數(shù)，機(jī)構(gòu)工作級(jí)別取n =6； 代入數(shù)據(jù)得: (N) （3-21） 由計(jì)算得到的鋼絲繩直徑查上海力福玎鋼絲繩產(chǎn)品性能表確定應(yīng)選取的鋼絲繩最小直徑22mm。 確定選用的鋼絲繩為：鋼絲繩6×24SW+FC光-右交GB 1102-74。 鋼絲繩的固定方式采用Y13-50繩卡固定。 3.2.3卷筒的設(shè)計(jì) 卷筒是起升機(jī)構(gòu)和牽引機(jī)構(gòu)中卷繞鋼絲繩的部件，它用來(lái)收放和儲(chǔ)存鋼絲繩，把驅(qū)動(dòng)裝置提供的驅(qū)動(dòng)力傳遞給鋼絲繩，并將驅(qū)動(dòng)裝置的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)鋼絲繩在卷筒上卷繞的層數(shù)分單層繞卷筒和多層繞卷筒。根據(jù)鋼絲繩卷入卷筒的情況分單聯(lián)卷筒（一根鋼絲繩分支繞入卷筒）和雙聯(lián)卷筒（兩根鋼絲繩分支同時(shí)繞入卷筒）。單聯(lián)卷筒可以單層繞或多層繞，雙聯(lián)卷筒一般為單層繞。多層繞卷筒可以減小卷筒長(zhǎng)度，使機(jī)構(gòu)常湊，但鋼絲繩磨損加快。在設(shè)計(jì)時(shí)卷筒采用多層繞，用Q345鋼板彎卷焊接經(jīng)機(jī)加后制成。 1.卷筒主要尺寸的確定 卷筒的主要尺寸有直徑、長(zhǎng)度和壁厚。 (l)卷筒直徑 為保證鋼絲繩有足夠的使用壽命，卷筒的計(jì)算直徑不宜太小。但從傳動(dòng)裝置和受力方面分析，卷筒直徑小些更為有利。在起重負(fù)荷和起升速度不變時(shí)，卷筒直徑小，可使減速器尺寸和傳遞扭矩減小。鑒于上述兩個(gè)原因，卷筒的名義直徑(卷筒的槽底直徑)為: (mm) （3-22） 式中 ——根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別M5選?。? ——為鋼絲繩直徑。 (2)繩槽半徑： （3-23） (3)繩槽深度： （3-24） (4)繩槽節(jié)距： （3-25） (5)卷筒計(jì)算直徑： （3-26） (6)卷筒上有螺旋槽部分長(zhǎng)度： （3-27） 式中 ——固定鋼絲繩圈數(shù)，?。? ——最大起升高度； m——滑輪組倍率； (7)卷筒的長(zhǎng)度與繩偏折角 卷筒長(zhǎng)度主要是由容繩量大小來(lái)決定，容繩量為60米，卷繞2.5層，為正確地卷繞鋼絲繩，要求偏折角α維持在允許的極限之內(nèi)，如圖3-1所示。 繩的偏折角α不應(yīng)小于，以防止鋼絲繩在端部擋盤處堆積并確保它安全地進(jìn)入下一層。 繩的偏折角α不應(yīng)大于，以防止鋼絲繩從繩槽中脫出，且當(dāng)卷繞幾層時(shí)，確保卷筒被正確地裝滿直到端部擋盤。 在旋挖鉆機(jī)中滑輪在卷?yè)P(yáng)機(jī)的正斜上方，因此兩側(cè)的偏折角度α相等。 由公式： （3-28） 利用反余玄函數(shù)可得： （3-29） 因此所求的的卷繞長(zhǎng)度符合要求。 圖3-1卷?yè)P(yáng)機(jī)工作偏折角范圍 (8)卷筒壁厚 在卷筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其壁厚可先按下列經(jīng)驗(yàn)公式初步計(jì)算，然后再根據(jù)強(qiáng)度條件進(jìn)行驗(yàn)算。 鋼卷筒壁厚 (mm) 材料選用Q345，強(qiáng)度符合要求，鋼絲繩在卷筒上的采用楔塊固定。 圖3.2卷筒應(yīng)力云圖 其中紅色區(qū)域?yàn)殇摻z繩所受應(yīng)力，其余部分均滿足要求。由分析可知卷筒的強(qiáng)度滿足要求。 3.2.4滑輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 滑輪的直徑（名義）： （3-30） 滑輪槽底部： （3-31） 平衡滑輪： （3-32） （3-33） 根據(jù)鋼絲繩的直徑： 可得： （3-34） （3-35） 取。 其他尺寸數(shù)據(jù)根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)選取?；唭?nèi)軸承選擇圓柱滾子軸承NU2214E，滑輪用球墨鑄鐵鑄造而成。 3.3 本章小結(jié) 本章在查閱了大量資料的基礎(chǔ)上，選擇設(shè)計(jì)了旋挖鉆機(jī)的動(dòng)力頭卷?yè)P(yáng)起升機(jī)構(gòu)，并對(duì)卷筒進(jìn)行了校核，通過一系列的計(jì)算使我對(duì)卷?yè)P(yáng)起升機(jī)構(gòu)有了更深一層的了解，為后續(xù)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 第4章 主要零部件的分析 4.1 滑輪架的分析計(jì)算 滑輪架位于上桅桿的頂部，主要作用是承受主副卷?yè)P(yáng)鋼絲繩的壓力載荷，因此在工作時(shí)總是處于受力狀態(tài)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)材料選用Q345。 滑輪架的受力最大工況有兩個(gè)：一是直接提鉆工況，二是鉆孔已完成副卷?yè)P(yáng)起吊附屬物品放進(jìn)孔內(nèi)工況。滑輪架的三維模型如圖所示： 4.1.1 滑輪架起吊附屬物工況況分析 為了考慮滑輪架在工作時(shí)受到更大的力在分析時(shí)將其受力加大，使其具有更高的安全度。本工況副卷?yè)P(yáng)起吊附屬物品放進(jìn)孔內(nèi)工況，此時(shí)主滑輪鋼絲繩承受鉆桿重力和鉆斗重力，而副滑輪上鋼絲繩達(dá)到最大力，即50kN時(shí)。 的滑輪架滑輪架的受力簡(jiǎn)化圖如下圖4-1所示。在分析時(shí)將其利用SolidWorks軟件中有限元分析過程如下。 1．滑輪架的受力與約束 圖4-1滑輪架受力與約束圖 2．實(shí)體網(wǎng)格劃分 圖4-2滑輪架網(wǎng)格劃分結(jié)果 3．算例結(jié)果 有限元分析結(jié)果如下圖4-3所示，變形比例取1?？梢娀喖茉谄鸺芄r下的最大應(yīng)力小于Q345的許用應(yīng)力，滿足要求。測(cè)得滑輪架底面反作用力，記錄下來(lái)，再將滑輪架的前后兩個(gè)銷軸孔的反作用力的大小記錄下來(lái)，用來(lái)對(duì)鉆桅上節(jié)加載，實(shí)現(xiàn)載荷的傳遞。 表4-1反作用力 選擇組 單位 總和 X 總和 Y 總和 Z 合力 整個(gè)實(shí)體 N 10.9456 -3.03894 -297763 297763 表4-2滑輪架起吊附屬物分析結(jié)果 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 應(yīng)力1 VON:von Mises 應(yīng)力 0.00107992 N/mm^2 (MPa) 節(jié): 32918 (864.683 mm, 70.9191 mm, -298.863 mm) 157.175 N/mm (MPa) 節(jié): 21106 (-267.279 mm, 589.982 mm, -190.261 mm) 位移1 URES:合位移 0 m 節(jié): 93 (-171 mm, 603.308 mm, 0 mm) 0.000903954 m 節(jié): 3049 (-872.775 mm, 607.779 mm, -504.35 mm) 應(yīng)變1 ESTRN :對(duì)等應(yīng)變 4.50458e-009 單元: 17381 (-926.921 mm, 58.0578 mm, -553.295 mm) 0.000583292 單元: 16351 (202.394 mm, 331.009 mm, -28.7542 mm) 圖4-3滑輪架起吊附屬物應(yīng)力云圖 4.1.2 滑輪架提鉆工況 當(dāng)旋挖鉆機(jī)進(jìn)行起鉆工況時(shí)，此時(shí)滑輪架主滑輪鋼絲繩承受鉆桿重力、鉆斗重力、土壤重力和鉆斗與土壤之間的粘滯阻力，主卷?yè)P(yáng)最大提升力達(dá)到120kN，即滑輪架主滑輪上鋼絲繩受力為120kN，而副滑輪不受力。 本工況也采用與上一種工況相同的分析步驟，加力與約束、劃分實(shí)體網(wǎng)格，利用SolidWorks進(jìn)行分析。分析結(jié)果如下圖所示。 圖4-4滑輪架起鉆工況應(yīng)力云圖 經(jīng)以上兩種工況的分析，所設(shè)計(jì)的滑輪架滿足要求。 4.2 桅桿的設(shè)計(jì)與分析 桅桿是旋挖鉆機(jī)的重要部件，工作過程中各種載荷最終都作用于桅桿。桅桿的整體剛度直接影響到旋挖鉆機(jī)能否正常施工，如果桅桿出現(xiàn)彎曲將使動(dòng)力裝置無(wú)法沿導(dǎo)軌滑動(dòng)，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致安全事故。桅桿出現(xiàn)故障后的維修周期長(zhǎng)、成本高，提高桅桿整體剛度是提高鉆機(jī)性能的迫切需求。中桅桿是桅桿中最重要的一段，它將鉆桿、鉆具連接于車體上，并且承受鉆具鉆進(jìn)時(shí)所產(chǎn)生的彎矩作用，容易受到破壞。因此需要選者合理的桅桿截面形式，桅桿的截面的形狀有很多種，直角箱形截面、大圓角箱形截面、圓形、凹箱形等為最常用的桅桿截面形式。下面對(duì)這幾種最常見截面進(jìn)行分析如下： 直角箱形截面受扭應(yīng)力云圖 直角箱形截面受扭位移云圖 大圓角箱形截面受扭應(yīng)力云圖 大圓角箱形截面受扭位移云圖 凹箱形截面受扭應(yīng)力云圖 凹箱形截面受扭位移云圖 圓形箱形截面受扭應(yīng)力云圖 圓形箱形截面受扭位移云圖 圖4-5桅桿截面受扭應(yīng)力與位移云圖 通過對(duì)各種形式截面的抗彎和抗扭能力的分析比較，可以得出以下結(jié)論:大圓角箱形桅桿截面，具有矩形和圓形截面的混合特征，其抗扭剛度較大，抗彎能力強(qiáng)，具有良好的剛性和穩(wěn)定性，重量輕，外形美觀，但造價(jià)較高，不利布置加壓油缸;直角箱形立柱截面，抗壓彎能力較強(qiáng)，具有較好的剛性和穩(wěn)定性，但在截面角接處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，其抗扭剛度較小，不利布置加壓油缸;凹箱形立柱截面，其抗扭剛度小，抗壓彎能力差，自重大，對(duì)布置加壓油缸有利;圓形立柱截面的慣性半徑最大，承載能力大，抗扭剛度也大，但抗壓彎能力差，對(duì)加壓油缸的布置不利。因此選用大圓角箱形桅桿截面。 因桅桿有許多危險(xiǎn)工況如起架工況、鉆孔工況、提鉆工況、卸土工況、轉(zhuǎn)位工況等。其中對(duì)鉆桅影響大的是起架工況、鉆孔工況、提鉆工況。而本機(jī)在運(yùn)輸時(shí)鉆桿從桅桿上卸下，所以起鉆工況影響相對(duì)較小。下面對(duì)桅桿鉆孔工況與提鉆工況進(jìn)行分析。 4.2 提鉆工況 提鉆有兩種方式，一是直接提鉆，二是回轉(zhuǎn)提鉆。在直接提鉆工況下，鉆桅所受豎直方向的載荷主要有提鉆力和自重。提鉆力中包括鉆桿、鉆具等的重量及由于土的粘性阻力加上真空負(fù)壓等產(chǎn)生的提升阻力，為了保證所設(shè)計(jì)鉆桅的安全可靠，在此取提鉆力為設(shè)計(jì)要求的最大載荷主卷?yè)P(yáng)的最大拉力與加壓油缸的最大拉力。在回轉(zhuǎn)提鉆工況下，因回轉(zhuǎn)阻力矩很小，在此忽略。 4.2.1 上桅桿的受力分析 鉆桅在水平方向主要是風(fēng)載，計(jì)算時(shí)取風(fēng)壓P=250Pa，方向按最不利風(fēng)向的工況考慮，鉆桅上節(jié)受自身重力，計(jì)算重力時(shí)取g=10m/s2。將滑輪架傳給鉆桅上節(jié)的反作用力加載到鉆桅上節(jié)頂面上。將鉆桅上節(jié)的銷軸孔和連接用螺栓孔定義為鉸接約束?；喖苌蟽蓚€(gè)鉸接處的反作用力大小如圖4-6所示。 圖4-6滑輪架前鉸接孔處反作用力；滑輪架后鉸接孔處反作用力 材料選Q345進(jìn)行有限元分析。具體加載約束情況如圖4-7所示，網(wǎng)格劃分情況如圖4-8所示。 圖4-7上桅桿受力與約束圖 圖4-8上桅桿實(shí)體網(wǎng)格劃分圖 圖4-9上桅桿應(yīng)力云圖 由分析結(jié)果可知其最大受力點(diǎn)受力為249.8MPa小于材料許用應(yīng)力345Mpa，安全系數(shù)可達(dá)1.8。 4.2.2 下桅桿受力分析 下桅桿在提鉆時(shí)，只是受本身的重力與風(fēng)力的作用，風(fēng)力與上桅桿采用同一個(gè)數(shù)值，由于材料選用Q345，計(jì)算重力時(shí)取g=10m/s2利用SolidWorks軟件加載其重力，將風(fēng)載加在最危險(xiǎn)受力面上。下桅桿各銷軸連接與螺栓連接處的如圖所示。 圖4-10下桅桿受力與約束圖 圖4-11下桅桿實(shí)體網(wǎng)格劃分圖 圖4-12下桅桿應(yīng)力云圖 將重力與外載荷風(fēng)力加載在下桅桿，可見鉆桅下節(jié)在提鉆工況下的最大應(yīng)力小于Q345的許用應(yīng)力，滿足要求。測(cè)得鉆桅下節(jié)上底面反作用力如圖4-12所示，并且將各個(gè)螺栓聯(lián)結(jié)處的反作用力利用軟件測(cè)出來(lái)，并記錄下來(lái)。以用來(lái)對(duì)鉆桅中節(jié)加載，實(shí)現(xiàn)載荷的傳遞。 4.2.3中桅桿受力分析 將上桅桿與下桅桿由受力分析所測(cè)得的反作用力加載在中桅桿相應(yīng)的鉸點(diǎn)與螺栓位置，另外鉆桅中節(jié)還受自身重力，取g=10m/s2。將鉆桅上節(jié)傳給鉆桅中節(jié)的反作用力加載到鉆桅中節(jié)頂面上。將鉆桅下節(jié)傳給鉆桅中節(jié)的反作用力加載到鉆桅中節(jié)底面上。將P=300Pa的風(fēng)壓加載到最危險(xiǎn)的表面上。將100kN的加壓油缸拉力反作用力加載到鉆桅中節(jié)的加壓油缸軸承座處。將鉆桅中節(jié)的銷軸孔和用螺栓孔連接定義為鉸接約束，將鉆桅中節(jié)與轉(zhuǎn)板接觸的表面定義為固定約束。 中桅桿的材料為Q345，利用軟件進(jìn)行有限元分析。分析步驟：將上桅桿與下桅桿上各銷軸與螺栓連接處的反作用力加載在中桅桿相應(yīng)的連接處，力的加載與中桅桿固定如圖4-13所示，利用軟件進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分如圖4-14所示。 中桅桿有限元分析結(jié)果的應(yīng)力如圖4-15所示，變形比例取真實(shí)比例。中桅桿由下部到頂部應(yīng)力變化曲線如圖4-16所示，其應(yīng)力、應(yīng)變、位移如表4-1所示。 由分析可知鉆桅在提鉆工況時(shí)最大應(yīng)力均小于Q345的許用應(yīng)力，故桅桿的設(shè)計(jì)滿足要求。 圖4-13中桅桿載荷約束圖圖 4-14中桅桿網(wǎng)格劃分圖 圖4-15中桅桿應(yīng)力云圖 圖4-16中桅桿應(yīng)力變化圖解 表4-1中桅桿受力分析結(jié)果 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 應(yīng)力1 VON:von Mises 應(yīng)力 0.00107992 N/mm^2 (MPa) 節(jié): 32918 (864.683 mm, 70.9191 mm, -298.863 mm) 72.40 N/mm (MPa) 節(jié): 21106 (-267.279 mm, 589.982 mm, -190.261 mm) 位移1 URES:合位移 0 m 節(jié): 93 (-171 mm, 603.308 mm, 0 mm) 0.000603934 m 節(jié): 12041 (-872.775 mm, 607.779 mm, -504.35 mm) 應(yīng)變1 ESTRN :對(duì)等應(yīng)變 4.50458e-009 單元: 17381 (-926.921 mm, 58.0578 mm, -553.295 mm) 0.000393291 單元: 86361 (202.394 mm, 331.009 mm, -28.7542 mm) 其它工況如起架工況、鉆孔工況，轉(zhuǎn)位工況時(shí)桅桿的分析與以上分析步驟相同，分析結(jié)果表明，鉆桅滑輪架、鉆桅上節(jié)、鉆桅中節(jié)、鉆桅下節(jié)的最大應(yīng)力為72.4Mpa小于Q345的許用應(yīng)力，安全系數(shù)為5。可知鉆桅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇滿足要求。 4.3 本章小結(jié) 本章利用SolidWorksSimulation有限元分析軟件利用反作用力傳遞的方法對(duì)鉆桅裝配體分三個(gè)工況進(jìn)行了靜力學(xué)分析，了解了滑輪架及桅桿的在各工況時(shí)的受力情況，同時(shí)了解了桅桿在各個(gè)工況中各個(gè)部位的受力情況，為桅桿與滑輪架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，同時(shí)也為整機(jī)的設(shè)計(jì)確定了零部件的最終設(shè)計(jì)方案。 第5章 整機(jī)穩(wěn)定性分析 輪式旋挖鉆機(jī)由于其動(dòng)力頭傳遞的扭矩大、整機(jī)高度大、工況復(fù)雜等原因，對(duì)穩(wěn)定性要求較高。在此對(duì)鉆孔工況、提鉆工況和側(cè)向缷土工況采用平衡力矩法進(jìn)行穩(wěn)定性校核，對(duì)縱向工作工況、橫向工作工況、轉(zhuǎn)場(chǎng)行駛工況和運(yùn)輸行駛工況進(jìn)行穩(wěn)定度分析。 5.1 整機(jī)穩(wěn)定性校核 5.1.1 鉆孔工況下整機(jī)穩(wěn)定性校核 鉆孔工況時(shí)按最大鉆桅幅度計(jì)算，利用SolidWorks軟件中的測(cè)量將各有關(guān)重心位置測(cè)出并記錄。其關(guān)系尺寸圖如圖5-1所示。按最危險(xiǎn)工況計(jì)算，傾覆線取H型支腿的中心線。鉆孔阻力對(duì)旋挖鉆機(jī)產(chǎn)生一個(gè)傾覆力矩，風(fēng)載按最不利因素計(jì)算對(duì)整機(jī)產(chǎn)生一個(gè)傾覆力矩，整機(jī)重力對(duì)整機(jī)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定力矩。 圖5-1最大幅度位置關(guān)系圖 采用平衡法計(jì)算許用穩(wěn)定系數(shù)： n== （5-1） 式中：G——車載旋挖鉆機(jī)整機(jī)重力，G=4005.6×10=4056(N)； L1——車載旋挖鉆機(jī)整機(jī)重心距傾覆線的距離； FZ——鉆孔工況下土壤對(duì)鉆頭的豎直向上的阻力，此處按最大設(shè)計(jì)參數(shù)選取加壓油缸的最大推力，F(xiàn)Z=100kN； L2——整機(jī)重心距前H支腿中心線的距離； L3——鉆頭回轉(zhuǎn)中心線距蛙式支腿中心線的距離； FF——作用在車載旋挖鉆機(jī)鉆桅側(cè)迎風(fēng)面的風(fēng)載，F(xiàn)F=PA，P為風(fēng)壓，按8級(jí)風(fēng)計(jì)算，大小為184.9~267.8N/m2，取P=300 N/m2；A為鉆機(jī)右側(cè)迎風(fēng)面積，測(cè)得A=3.62m2，計(jì)算得FF =1086N； L4——風(fēng)載作用點(diǎn)距傾覆線的距離； 將各數(shù)值代入式中，計(jì)算得： n=1.83＞[n]=1.25 （5-2） 故滿足要求。 5.1.2 提鉆工況下整機(jī)穩(wěn)定性校核 提鉆工況按最大鉆桅幅度計(jì)算，位置關(guān)系尺寸圖如圖5.1所示。按最危險(xiǎn)工況計(jì)算，傾覆線取前H支腿的中心線。提鉆力對(duì)旋挖鉆機(jī)產(chǎn)生一個(gè)傾覆力矩，風(fēng)載按最不利因素計(jì)算對(duì)整機(jī)產(chǎn)生一個(gè)傾覆力矩，整機(jī)重力對(duì)整機(jī)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定力矩。 采用平衡法計(jì)算許用穩(wěn)定系數(shù)： n== （5-3） 式中：G——車載旋挖鉆機(jī)整機(jī)重力，G=45056×10=45056(N)； L2——整機(jī)重心距傾覆線的距離； L3——鉆頭回轉(zhuǎn)中心線距傾覆線的距離； FF——作用在車載旋挖鉆機(jī)鉆桅反側(cè)迎風(fēng)面的風(fēng)載； L4——風(fēng)載作用點(diǎn)距傾覆線的距離； FT——提鉆力，包括鉆桿、鉆具等的重量及由于土的粘性阻力加上真空負(fù)壓等產(chǎn)生的提