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1、 中南大學(xué) 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目 CFG25型長螺旋鉆機(jī) 液壓動(dòng)力頭設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 倚天 指導(dǎo)教師 羅老師 學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 機(jī)械07XX 完成時(shí)間 2011/06/05 中南大學(xué)本科生論文 目錄 摘要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 1 1.1 長螺旋鉆機(jī)概況 1 1.1.1 長螺旋鉆機(jī)的組成 1 1.1.2 長螺旋鉆機(jī)鉆進(jìn)原理 2 1.1.3 長螺旋鉆機(jī)的發(fā)展趨勢 2 1.2 長螺旋鉆機(jī)CFG樁工法及其特點(diǎn) 3 1.2.1 CFG工法的簡介 3 1.2.2 C

2、FG樁工法特點(diǎn) 4 1.3 動(dòng)力頭的技術(shù)現(xiàn)狀與展望 4 1.3.1 電機(jī)動(dòng)力頭 5 1.3.2 液壓動(dòng)力頭 5 1.4 本文設(shè)計(jì)要求和主要內(nèi)容 7 第2章 液壓動(dòng)力頭的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 2.1 液壓動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì) 8 2.1.1 液壓動(dòng)力源方案的設(shè)計(jì) 8 2.1.2 液壓驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 9 2.1.3 液壓動(dòng)力頭總體控制方案的設(shè)計(jì) 10 2.2 液壓系統(tǒng)元件的計(jì)算及選型 12 2.2.1 液壓執(zhí)行元件的計(jì)算選型 12 2.2.2 液壓動(dòng)力源的計(jì)算選型 13 2.2.3 液壓動(dòng)力頭控制元件選型 16 第3章 液壓動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 20 3.1 液壓動(dòng)力頭

3、總體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) 20 3.2 減速器齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 21 3.2.1 齒輪傳動(dòng)原理 21 3.2.2 齒輪傳動(dòng)的參數(shù)計(jì)算 21 3.3 箱體尺寸的確定 26 3.4 輸出軸的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 26 3.4.1 軸的基本參數(shù)計(jì)算 26 3.4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27 3.4.3 軸的校核 29 第4章 總結(jié) 34 參考文獻(xiàn) 35 致謝 36 附錄Ⅰ實(shí)習(xí)報(bào)告 37 附錄Ⅱ圖紙列表 40 附錄Ⅲ外文翻譯 41 摘要 近年來，隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，環(huán)保和節(jié)能已經(jīng)是工程建設(shè)中必須要慎重考慮的。隨著CFG工法的推廣，長螺旋鉆機(jī)憑借其成樁效率高，成

4、本低，施工環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，在樁基礎(chǔ)領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。目前，國內(nèi)的這種樁基鉆進(jìn)系統(tǒng)多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭，其啟動(dòng)性能差、對(duì)電網(wǎng)沖擊大、對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)差以及向大功率發(fā)展不方便。諸多動(dòng)力頭的原因嚴(yán)重影響了其進(jìn)一步的發(fā)展。本文通過對(duì)傳統(tǒng)長螺旋鉆機(jī)的鉆進(jìn)系統(tǒng)分析對(duì)比，確定了更加符合CFG工法的液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)參數(shù)方案。通過設(shè)計(jì)參數(shù)的確定之后，對(duì)其液壓系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)其動(dòng)力頭減速器進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)。主要對(duì)減速箱的齒輪傳動(dòng)和輸出軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和校核。其次，對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，對(duì)液壓元件進(jìn)行了合理的對(duì)比選型。本文全新的液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭方案，對(duì)長螺旋鉆機(jī)鉆進(jìn)系統(tǒng)的進(jìn)一步研究與開發(fā)具有

5、一定的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞：長螺旋鉆機(jī)、鉆進(jìn)系統(tǒng)、液壓動(dòng)力頭、減速器 II ABSTRACT In recent years,with the energy crisis and the environmental pollution increasingly serious, environmental protection and energy conservation are already in construction must be carefully considered. With CFG piles promotion, the continuous fligh

6、t auger into the pile with its high efficiency, low cost and environmental advantages of the construction, pile foundation has been widely used. At present, more than this pile drilling system uses motor-driven power head, the start-up performance is poor, big impact on the power grid, to adapt to p

7、oor geological conditions, the development of the power is not convenient. The power’s reason has seriously affected the further development. Based on the traditional long auger drilling system analysis and comparison, Determine the CFG construction method more in line with hydraulic drive power he

8、ad of the design parameters of the program. Through the determination of design parameters, the parameters of the hydraulic system of its calculated power head gear for its new design. Main gear of the gearbox and shaft design calculation and verification carried out. Secondly, hydraulic drive power

9、 head of the hydraulic system design and analysis of hydraulic components for a reasonable comparison of selection. This new program of hydraulic drive power head, long auger drilling system for further research and development has some reference value.. Key words: Continuous flight auger, Drilling

10、 system, Hydraulic power head, Reducer 第1章 緒論 1.1 長螺旋鉆機(jī)概況 在城市建設(shè)中，長螺旋鉆機(jī)是目前較為常用的工程樁工機(jī)械。該類鉆機(jī)是一種液壓步履行走、電控操縱升降、三環(huán)減速器驅(qū)動(dòng)、長螺旋鉆進(jìn)的新型樁基礎(chǔ)施工機(jī)械，適用于鉆孔灌注樁、擠擴(kuò)樁、軟地基處理的各種基礎(chǔ)工程，具有成孔效率高、質(zhì)量好、無振動(dòng)、無噪聲、無污染、耗用鋼材少、機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)。長螺旋鉆進(jìn)成孔的方法是樁基礎(chǔ)施工中廣泛應(yīng)用的一種工藝。該機(jī)包括液壓步履樁架和鉆進(jìn)系統(tǒng)兩部分。樁架采用液壓步履式底盤，自動(dòng)化程度高，可自行行走及360度回轉(zhuǎn)，設(shè)有四條液壓支腿及一條行走油缸以輔助行

11、走及回轉(zhuǎn)同時(shí)增加施工時(shí)的整機(jī)穩(wěn)定性，可整機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。立柱為可折疊式箱型立柱，法蘭連接方式，立柱采用兩塊高厚度蒙板并且用大型折彎機(jī)折彎技術(shù)，經(jīng)兩道焊縫焊接而成同時(shí)立柱內(nèi)部每隔60cm加焊四根加強(qiáng)筋固定，增加立柱抗扭抗彎性。立柱由兩條變幅液壓油缸控制其起降。鉆進(jìn)系統(tǒng)包括動(dòng)力頭與鉆具，動(dòng)力頭的輸出軸與螺旋鉆具為中空式，樁機(jī)采用長螺旋成孔，可通過鉆桿中心管將混凝土或泥漿進(jìn)行泵送混凝土CFG樁施工，即能鉆孔成孔一機(jī)一次完成，也可用于干法成孔、注漿置換改變鉆具后還可采取深層攪拌等多種工法進(jìn)行施工。 1.1.1 長螺旋鉆機(jī)的組成 長螺旋鉆進(jìn)施工的機(jī)械主要是長螺旋鉆機(jī)。長螺旋鉆機(jī)由樁架與鉆進(jìn)系統(tǒng)兩部分組

12、成[13]。 樁架主要由立柱、斜撐、起架裝置、底盤、行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)組成[13]。立柱為折疊式，采用箱形截面結(jié)構(gòu)型式，法蘭連接方式。立柱兩側(cè)配有圓形或方形滑道作為動(dòng)力頭、鉆桿上下運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向和抗扭。此種鉆機(jī)配備的箱形可折疊式立柱利用液壓缸進(jìn)行起降，方便快捷，運(yùn)輸時(shí)也不需拆卸。立柱下部與上盤鉸接，中后部與斜撐桿鉸接，立柱頂部有滑輪組，用來完成對(duì)動(dòng)力頭、鋼筋籠和注漿導(dǎo)管等的起降。動(dòng)力頭可沿滑道上下滑動(dòng)托運(yùn)時(shí)可拆卸。 鉆進(jìn)系統(tǒng)主要由兩大部分組成，一部分是鉆孔驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一部分是送鉆系統(tǒng)[13]。鉆孔驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)鉆具工作切土、輸土、成孔的功能。主要包括動(dòng)力頭、鉆具及其附件

13、。由動(dòng)力頭產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)，在自重力作用下將鉆頭壓入土壤實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。送鉆系統(tǒng)主要控制鉆具進(jìn)刀量和孔底鉆壓。主要包括操縱控制系統(tǒng)、卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)和滑輪組等。由操縱機(jī)構(gòu)控制卷揚(yáng)釋放鋼絲繩，一般卷揚(yáng)機(jī)繩速較高且輸出力不夠大，必須通過滑輪組減速通過滑輪組減速控制鉆頭鉆進(jìn)的速度和孔底鉆壓。 樁架主要起固定鉆孔執(zhí)行裝置、鉆進(jìn)導(dǎo)向及行走移動(dòng)、機(jī)身調(diào)平的功能。鉆進(jìn)系統(tǒng)主要起切土、輸土、成孔的功能[13]。鉆進(jìn)時(shí)由動(dòng)力頭原動(dòng)機(jī)經(jīng)過減速驅(qū)動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)切土．主卷揚(yáng)經(jīng)過動(dòng)滑輪組用鋼絲繩拉柱動(dòng)力頭與鉆具組合，通過釋放卷揚(yáng)使動(dòng)力頭鉆具組合在自重的作用下向下深入土層中。在兩者的共同配合下，最終完成鉆孔作業(yè)過程

14、。 1.1.2 長螺旋鉆機(jī)鉆進(jìn)原理 長螺旋鉆進(jìn)的原理與麻花鉆相似，由鉆頭和擁有連續(xù)螺旋葉片的鉆桿組成鉆具。鉆頭上有切削刃，依靠鉆具自重(或加壓)插入土壤中，依靠驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)作用切削土壤。被切削下來的泥土沿螺旋鉆桿葉片在離心力、摩擦力和各種阻力作用下上升，排到地面上，從而使鉆具不斷向下移動(dòng)，完成鉆進(jìn)過程[1]。一般鉆桿軸線是垂直于地面的。長螺旋鉆孔成樁是一種無泥漿循環(huán)干作業(yè)環(huán)保型施工技術(shù),主要適應(yīng)于地下水位以上的粘性土層、砂土層和小粒徑卵礫石地層。長螺旋鉆孔是以連續(xù)切削和輸送方式進(jìn)行取土成孔作業(yè)的，因而施工效率比其它灌注樁施工機(jī)械高。一般情況下，一個(gè)臺(tái)班可鉆成直徑600mm、孔深10

15、m的孔。 1.1.3 長螺旋鉆機(jī)的發(fā)展趨勢 事實(shí)上，長螺旋鉆機(jī)還有很大的發(fā)展空間，比如鉆機(jī)動(dòng)力頭可以由單速向多速發(fā)展，以適合不同樁徑和深度的要求，提高施工效率，節(jié)約成本；提高輸出軸轉(zhuǎn)矩，增強(qiáng)鉆機(jī)適應(yīng)性。長螺旋鉆孔機(jī)是鉆孔灌注樁施工機(jī)械的主要機(jī)種，由于其具有連續(xù)輸土，施工效率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)這種鉆機(jī)施工無振動(dòng)、無噪聲污染的環(huán)保優(yōu)勢，所以在各種成孔灌注樁施工機(jī)械中，它最被人們所看中。因此即使施工場地處于鬧市區(qū)內(nèi)，對(duì)居民正常生活亦無干擾。由于施工速度快，作業(yè)人員少，所以其施工成本較其他成孔方法低。成孔后可以從孔口直接傾倒混凝土進(jìn)行灌注，質(zhì)量隱患通常比水下灌注少。憑借這些優(yōu)點(diǎn)，長螺旋鉆進(jìn)施工方法在

16、城市建筑中獲得了廣泛的運(yùn)用。這種機(jī)器最早是美國在1940年前后開發(fā)成功的，前蘇聯(lián)，德國其后也開始使用。日本在1950年以后從美國引進(jìn)施工技術(shù)，進(jìn)行了有效的推廣。我國的長螺旋鉆孔機(jī)在20世紀(jì)70年代開始起步，但一直發(fā)展緩慢，直到最近幾年才得到大規(guī)模的應(yīng)用，這與國家的大環(huán)境有關(guān)。近年來，由于現(xiàn)今人們環(huán)保意識(shí)的提高，過去基礎(chǔ)施工經(jīng)常使用的柴油錘，振動(dòng)錘受到了限制，而在大中城市使用的也越來越少；特別是超流態(tài)工法CFG樁基礎(chǔ)工樁方法的推廣，更加促進(jìn)了長螺旋鉆機(jī)在我國迅速發(fā)展。 1.2 長螺旋鉆機(jī)CFG樁工法及其特點(diǎn) 1.2.1 CFG工法的簡介 CFG樁工方法是水泥、粉煤灰、碎石樁施工方法的英

17、文縮寫。樁具有碎石樁對(duì)地基的置換作用，其強(qiáng)度較高，能有效將地荷載傳遞到深處土層，確保對(duì)地基的加固作用。水泥粉煤灰碎石樁是在素混凝土樁基工藝上發(fā)展起來的新型樁體，樁體材料主要由碎石、砂、粉煤灰，與適量水泥和水拌制而成。樁體與樁間土體共同作用，組成水泥粉煤灰樁復(fù)合地基。加固處理后地基承載力可達(dá)到設(shè)計(jì)地基承載力要求，具有施工簡單、加固效果好、節(jié)省材料、無污染等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于地基加固。目前以鉆孔管內(nèi)泵壓混合料灌注（超流態(tài)混凝土壓灌）成樁為主要工藝方法，該工法適用于粘性土、粉土、砂土以及對(duì)噪聲或泥漿污染要求嚴(yán)格的場地[1]。 使用長螺旋鉆機(jī)進(jìn)行這種樁基礎(chǔ)施工的方法一般被稱為“長螺旋鉆孔壓灌超流態(tài)砼樁

18、工藝”。這和國外稱為CFA工法的樁基礎(chǔ)施工比較相似?？蓾M足公路、鐵路、工業(yè)與民用建筑、海港碼頭、堤壩防滲等基礎(chǔ)施工的需要。更加具有成樁速度快、成樁質(zhì)量可靠、成孔垂直度高等技術(shù)特性。 1.2.2 CFG樁工法特點(diǎn) CFG樁工法之所以推廣迅速，是因?yàn)樗哂幸韵轮T多優(yōu)點(diǎn)[13]： 1）施工低噪聲、低振動(dòng)，不擾民。 2）進(jìn)度穩(wěn)定，控制措施完善，工期保證性強(qiáng)。 3）施工中振動(dòng)小，噪聲小，具有良好的社會(huì)效益。 4）施工作業(yè)簡便，機(jī)械設(shè)備容易解決。施工中不需泥漿護(hù)壁、不用排污、不需降水、有利于文明施工。施工操作較為簡便.。 5）以較小的投入即可達(dá)到理想的加固效果，成本低、效益高。 6）施工

19、簡便、可操作性強(qiáng)，施工質(zhì)量能夠很好的控制，滿足設(shè)計(jì)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求。經(jīng)多種外加劑配制成的超流態(tài)混凝土具有摩擦系數(shù)低、流動(dòng)性好、抗分散性好、細(xì)石能在混凝上中懸浮而不下沉、鋼筋籠放入容易、施工方便[3]。 1.3 動(dòng)力頭的技術(shù)現(xiàn)狀與展望 動(dòng)力頭是能實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并且有自動(dòng)工件循環(huán)的動(dòng)力部件。目前國內(nèi)長螺旋鉆機(jī)的生產(chǎn)廠家所用鉆機(jī)動(dòng)力頭幾乎都一樣：采用三環(huán)減速機(jī)加兩臺(tái)交流電機(jī)。電機(jī)功率一般為37KW×2、45KW×2和55KW×2，輸出軸轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)，同時(shí)受三環(huán)減速機(jī)的制約，輸出扭矩提高困難[1]。相比較在恒功率的條件下，液壓動(dòng)力頭工作更高效更快速也更加節(jié)能，而且其對(duì)于不同土質(zhì)的負(fù)載變化

20、能更好的適應(yīng)和挺高效率，松軟土質(zhì)下負(fù)載低，效率高，能耗小；硬質(zhì)土層，阻力大速度慢，能增加穿越硬土層能力。這樣機(jī)械施工能使效率達(dá)到最大化，還能避免電機(jī)燒壞。 目前我國和日本的長螺旋鉆孔機(jī)幾乎全部使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭，需要工地提供電源。而歐美等國家的長螺旋鉆孔機(jī)動(dòng)力頭多用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，液壓動(dòng)力源由樁架底盤的發(fā)動(dòng)機(jī)提供。比如意大利土力公司、德國寶峨公司等國外的鉆機(jī)專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)很早就把液壓技術(shù)運(yùn)用于長螺旋鉆機(jī)動(dòng)力頭上面，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鉆桿工作，其優(yōu)良的性能獲得了業(yè)界廣泛的認(rèn)可。雖然其具有優(yōu)越的性能，但由于其價(jià)格昂貴，至今國內(nèi)還未見引進(jìn)國外該類動(dòng)力頭進(jìn)行長螺旋鉆進(jìn)施工。所以對(duì)于長螺旋鉆機(jī)液壓動(dòng)力頭的設(shè)

21、計(jì)是我國工程機(jī)械設(shè)計(jì)必須進(jìn)行研發(fā)的。 1.3.1 電機(jī)動(dòng)力頭 電機(jī)動(dòng)力頭是由立式電機(jī)通過齒式聯(lián)軸器與行星變速機(jī)構(gòu)連接，再通過一級(jí)減速機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳給輸出油，輸出法蘭盤與輸出軸固定連接，下面與螺旋鉆具連接進(jìn)行長螺旋鉆孔施工。其輸出軸為中空式，上部配有回轉(zhuǎn)接頭和輸送彎頭設(shè)備，適宜于CFG樁的施工。長螺旋鉆機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭的最主要缺點(diǎn)[3]是： 1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆具轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不便。電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般只有一個(gè)鉆進(jìn)速度，而對(duì)于在淺土層和易鉆土層中，所用扭矩較小而輸出轉(zhuǎn)速不能改變，從而能耗高浪費(fèi)大。在深土層時(shí)，所用扭矩大而還是保持輸出轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，很容易卡鉆，對(duì)機(jī)器損害大。 2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)扭矩小。在施工中，

22、長螺旋鉆進(jìn)經(jīng)常會(huì)因某些原因在深層土壤中停鉆或卡鉆，再重新啟動(dòng)時(shí)需要的扭矩較大。實(shí)際中常用的自耦降壓啟動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭啟動(dòng)扭矩最高僅為額定扭矩的64%，所以經(jīng)常出現(xiàn)異常停鉆后不能啟動(dòng)的情況，造成很大的損失。 3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)電網(wǎng)沖擊大。電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭通常采用兩臺(tái)較大功率的交流電機(jī)，而且必須同時(shí)啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)沖擊極大。特別是在帶負(fù)載啟動(dòng)時(shí)更加惡劣，在施工中經(jīng)常出現(xiàn)電網(wǎng)不能承受的現(xiàn)象。 4）電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)地層條件的適應(yīng)能力差。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速不便，使其對(duì)于施工工地的地質(zhì)條件適應(yīng)性差。如果土層過硬則鉆進(jìn)時(shí)易對(duì)機(jī)器產(chǎn)生破壞。 5）質(zhì)量大，成本高(由于三環(huán)減速機(jī)為專利技術(shù)產(chǎn)品，價(jià)格很高)。 1.3

23、.2 液壓動(dòng)力頭 該機(jī)液壓動(dòng)力頭采用兩個(gè)液壓傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力頭可自適應(yīng)地層變化，根據(jù)不同的地質(zhì)情況調(diào)節(jié)鉆桿轉(zhuǎn)速，提高工作效率。輸入法蘭依次與聯(lián)接盤、螺旋桿，鉆頭聯(lián)接進(jìn)行鉆孔作業(yè)。該機(jī)動(dòng)力頭上可配超流態(tài)回轉(zhuǎn)接頭與注漿器，以適應(yīng)超流態(tài)砼施工與高壓注漿等施工工藝的要求。在同等體積下能比產(chǎn)生更多的動(dòng)力，在同等的功率下，液壓裝置曲體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊；液壓裝囂工作比較平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和頻繁的換向；能在較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；易于實(shí)現(xiàn)制動(dòng)化；易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。由于液壓傳動(dòng)的突出優(yōu)點(diǎn)，在各種機(jī)械上得到了廣泛的應(yīng)用。液壓馬達(dá)調(diào)速方便，自重也輕。所以我國的長螺旋鉆機(jī)在動(dòng)力頭上還有很大的發(fā)

24、展空間，比如鉆機(jī)動(dòng)力頭可以由單速向多速發(fā)展，提高施工效率，節(jié)約成本；提高輸出軸扭矩，增強(qiáng)鉆機(jī)適應(yīng)性。 長螺旋鉆機(jī)的動(dòng)力頭如果采用液壓驅(qū)動(dòng)，其與電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭相比具有非常大的優(yōu)勢和潛力，其主要優(yōu)點(diǎn)[3]有： 1）、液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速極為方便。在淺土層或易鉆土層中，所需扭矩低時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速小扭矩鉆進(jìn)，進(jìn)入深層土或難鉆土層需要扭矩高時(shí)可以實(shí)現(xiàn)低速大扭矩鉆進(jìn)。這樣可以提高施工效率和對(duì)地層的適應(yīng)性。 2）、液壓驅(qū)動(dòng)的啟動(dòng)扭矩大。在施工中，長螺旋鉆進(jìn)經(jīng)常會(huì)因某些原因在深層土壤中停鉆或卡鉆，再重新啟動(dòng)時(shí)需要的扭矩較大。而液壓驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力頭的啟動(dòng)扭矩達(dá)到額定扭矩的85％～90％，比起電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭顯然更加強(qiáng)

25、勁。 3）、液壓驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊小。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用多臺(tái)小功率電機(jī)，而且可以分別啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)沖擊相對(duì)較小。 4）液壓驅(qū)動(dòng)對(duì)于地質(zhì)條件適宜性高。由于液壓驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量輕，且其調(diào)速方便，使其對(duì)于地質(zhì)條件適應(yīng)跟強(qiáng)，硬土層可以低轉(zhuǎn)速高扭矩鉆進(jìn)，軟土層則高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，這樣可以達(dá)到最好效果 5）、液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭質(zhì)量輕。經(jīng)初步估算，質(zhì)量比電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭輕1.5t。由于動(dòng)力頭懸掛在約30米的高空，動(dòng)力頭質(zhì)量的減輕對(duì)整機(jī)的重心降低和機(jī)器的穩(wěn)定性有著及其重要的意義。 6）、液壓動(dòng)力頭價(jià)格相對(duì)低廉。液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭采用普通減速裝置即可實(shí)現(xiàn)，不需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭所用的擁有專利技術(shù)的三環(huán)減速機(jī)，系統(tǒng)成本相對(duì)

26、低廉。 7）、向大功率發(fā)展更加方便。電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭的電機(jī)在笨重的動(dòng)力頭上，向大功率發(fā)展比較困難。液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭可使能源系統(tǒng)移至機(jī)身，向大功率發(fā)展比較方便。 根據(jù)以上的對(duì)比分析，長螺旋鉆機(jī)采用CFG工法液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭具有非常明顯的實(shí)用意義和市場競爭優(yōu)勢。其研究開發(fā)的價(jià)格合理，適于現(xiàn)今基本國情的液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭對(duì)于提升我國長螺旋鉆機(jī)的性能和市場競爭力具有非常重要的意義。 1.4 本文設(shè)計(jì)要求和主要內(nèi)容 本文的課題是CFG25長螺旋鉆機(jī)液壓動(dòng)力頭設(shè)計(jì)，要求對(duì)于480型液壓動(dòng)力頭整體結(jié)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要求是設(shè)計(jì)液壓動(dòng)力頭整體結(jié)構(gòu)，采用低速大扭矩馬達(dá)經(jīng)一級(jí)減速裝置驅(qū)動(dòng)鉆桿進(jìn)行回轉(zhuǎn)

27、，以及對(duì)液壓動(dòng)力頭的液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)液壓參數(shù)的計(jì)算和元件的選型。 本文的主要工作內(nèi)容是對(duì)于動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行了系統(tǒng)型的分析對(duì)比，確定了液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭的優(yōu)勢。因此，本文著重對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭方案進(jìn)行了分析計(jì)算。其中重點(diǎn)對(duì)于液壓動(dòng)力頭減速器進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和分析校核，包括齒輪傳動(dòng)和輸出軸的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核；以及對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析和液壓系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算，對(duì)于液壓元件進(jìn)行了計(jì)算選型。 51 第2章 液壓動(dòng)力頭的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1 液壓動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì) 2.1.1 液壓動(dòng)力源方案的設(shè)計(jì) 由于工程機(jī)械的裝機(jī)容量非常大，為了節(jié)約能源和提高效率，

28、在其主傳動(dòng)液壓控制系統(tǒng)中應(yīng)該盡量避免功率損失嚴(yán)重的節(jié)流調(diào)速，節(jié)流調(diào)速效率較低，只適合負(fù)載變化不大的回路。而長螺旋鉆機(jī)鉆進(jìn)系統(tǒng)負(fù)載受土層變化和地質(zhì)條件的不同而不同，變化較大，不適宜節(jié)流調(diào)速。而目前能在大功率機(jī)械上運(yùn)用的液壓系統(tǒng)主要有恒流量和準(zhǔn)恒功率液壓系統(tǒng)兩種。 其中，恒流量液壓系統(tǒng)采用定量液壓泵來提供系統(tǒng)所需壓力油，流量是固定不變的。在恒流量液壓系統(tǒng)中，由于定量泵的流量固定，不能在負(fù)荷壓力p的變化使做出相應(yīng)的變化(見圖2-2)，負(fù)荷小時(shí)不能提高作業(yè)速度，功率得不到充分利用，從而浪費(fèi)了資源也不利于效率的提高。 a）流量特性 b）

29、功率特性 圖2-2 定量泵特性曲線 在恒功率液壓系統(tǒng)中，恒功率變量泵的柱塞壓力和流量近似的按照恒功率關(guān)系變化，負(fù)載的變化引起的泵工況改變時(shí)不會(huì)影響原動(dòng)機(jī)的工況，使原動(dòng)機(jī)仍可高效率的運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠充分的發(fā)揮原動(dòng)機(jī)的功率，并且提高了低負(fù)載時(shí)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度。 因此，恒功率泵配備較小的原動(dòng)機(jī)也可同樣的得到最大流量和最高壓力，只是壓力和流量的最大值不是同時(shí)出項(xiàng)的。所以其大量應(yīng)用在工程建設(shè)機(jī)械上。 a) 流量特性 b）功率特性 圖2-3 壓力補(bǔ)償泵特性曲線 根據(jù)上圖對(duì)比信息可知，壓力補(bǔ)償變量泵[

30、6]的壓力和流量變化如ABCD線段所示，其中CD直線由系統(tǒng)調(diào)定壓力決定。AB段有液壓泵最大擺角限定，BC段為恒功率特性曲線，對(duì)應(yīng)圖2-3 b的EF段，在此范圍內(nèi)壓力P和流量Q的乘積理論上是常數(shù)。由此可知，恒功率系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： (1) 鉆進(jìn)速度與鉆進(jìn)壓力之間可以自動(dòng)調(diào)節(jié)。外負(fù)荷小時(shí)，可以增大泵出口流量，減小鉆進(jìn)壓力，增大鉆進(jìn)速度，減少能量浪費(fèi)，提高鉆進(jìn)效率；外負(fù)荷大時(shí)，可以減小流量，降低速度，增大鉆進(jìn)壓力，提高穿越土層能力，克服較大的負(fù)荷。 (2) 恒功率變量液壓泵經(jīng)常在滿負(fù)荷狀態(tài)下工作，原動(dòng)機(jī)功率利用更加充分。 (3) 與恒流量系統(tǒng)相比，對(duì)于同等級(jí)機(jī)器來說，恒功率系統(tǒng)的裝機(jī)功率可以

31、選得較小。 經(jīng)過以上兩種液壓系統(tǒng)動(dòng)力元件的流量和功率特性的分析對(duì)比，可知在鉆機(jī)的動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)中，采用恒功率的壓力補(bǔ)償變量泵為動(dòng)力元件具有更大的優(yōu)勢。 2.1.2 液壓驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 通過對(duì)于不同型號(hào)不同品牌的長螺旋鉆機(jī)的對(duì)比觀察，其動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)多以電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭為主，都是使用兩臺(tái)交流電機(jī)安裝在三環(huán)減速機(jī)上，通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，在帶動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)。由于電機(jī)的輸出扭矩小，所以必須要用大減速比的三環(huán)減速機(jī)才能保證工作扭矩。近年來，隨著液壓技術(shù)不斷的發(fā)展以及工程技術(shù)上的應(yīng)用，液壓傳動(dòng)技術(shù)以其在大型工程技術(shù)項(xiàng)目上應(yīng)用的優(yōu)越性，受到了非常大的重視。 通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)性能對(duì)比，可以知道采

32、用液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭的鉆進(jìn)性能比電機(jī)驅(qū)動(dòng)更好更高，也更加容易向大功率系統(tǒng)的大機(jī)型發(fā)展。所以液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭的市場推廣和前景都是非常廣闊的，采用液壓來驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭的驅(qū)動(dòng)方案是完全合理可行的。 為了簡化結(jié)構(gòu)和節(jié)省成本以及保證液壓驅(qū)動(dòng)需求，液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭減速機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備采用一級(jí)直齒輪減速器來實(shí)現(xiàn)。而且減速比不能取得太大，否則會(huì)導(dǎo)致減速機(jī)體積龐大，且其重量太重，從而不利于鉆進(jìn)過程的穩(wěn)定。其減速比初步定在6以下。要實(shí)現(xiàn)鉆孔所需的最大扭矩輸出，則原動(dòng)機(jī)的輸出扭矩應(yīng)當(dāng)比較大。設(shè)計(jì)參數(shù)要求最大輸出扭矩不低于45 KN·m。液壓執(zhí)行元件中能輸出大扭矩的元件主要有低速大扭矩液壓馬達(dá)和液壓傳動(dòng)裝置。 由于國產(chǎn)的低速大扭矩液

33、壓馬達(dá)在材質(zhì)及制造工藝上技術(shù)比較欠缺，未能達(dá)到要求，且可靠性及使用壽命方面不是十分令人滿意。進(jìn)口的低速大扭矩液壓馬達(dá)雖然故障率低、壽命長，但是其價(jià)格很高，在我國現(xiàn)有市場條件下不利于推廣。在同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)性和可靠性的要求，決定采用同意那個(gè)能輸出大扭矩的液壓傳動(dòng)裝置，因?yàn)閷?duì)于液壓傳動(dòng)裝置，國內(nèi)的制造工藝已非常成熟，可靠性和價(jià)格方面都比較令人滿意，所以采用液壓傳動(dòng)裝置來當(dāng)執(zhí)行元件。 2.1.3 液壓動(dòng)力頭總體控制方案的設(shè)計(jì) 由于本系統(tǒng)主油路流量較大，壓力較高，使用換向閥直接控制會(huì)造成較大的壓力損失。而插裝閥通流量大，壓力損失小，所以插裝閥常用于高壓大流量的液壓系統(tǒng)中。為了減少本系統(tǒng)的功率損失，

34、所以采用4個(gè)二通插裝閥與一個(gè)小通徑的三位四通換向閥組成先導(dǎo)式插裝閥控制系統(tǒng)，作為液壓系統(tǒng)主油路換向的控制元件。鉆進(jìn)系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭的液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)如圖4-1。 B1、B2、B3、B4—壓力補(bǔ)償泵，D1、D2、D3、D4—單向閥，W—先導(dǎo)換向閥 Z1、Z2、Z3、Z4—插裝閥，M1、M2—液壓傳動(dòng)裝置，E—溢流閥 圖2-4 液壓動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)原理圖 此液壓系統(tǒng)中先導(dǎo)換向閥W中位機(jī)能為Y型。當(dāng)換向閥處于中位時(shí)4個(gè)插裝閥Z的控制腔均通壓力油，在控制油液的作用下強(qiáng)迫插裝閥芯關(guān)閉，主油路無油液流動(dòng)。當(dāng)換向閥W處于W1位的時(shí)候，Z1和Z3號(hào)插裝閥的控制腔繼續(xù)通入壓力油液，閥芯仍然關(guān)閉，而

35、Z2和Z4號(hào)插裝閥的控制腔通油箱，閥芯打開，主油路通流，液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)鉆桿正轉(zhuǎn)。當(dāng)換向閥處于W2位的時(shí)候，Z2和Z4號(hào)插裝閥的控制腔通入壓力油液，閥芯仍然關(guān)閉，而Z1和Z3號(hào)插裝閥的控制腔通油箱，閥芯打開，主油路通流，液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)鉆桿反轉(zhuǎn)。這樣通過先導(dǎo)換向閥W的先導(dǎo)控制插裝閥Z實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓馬達(dá)M的正反轉(zhuǎn)控制。 其中，二位二通閥X先導(dǎo)控制主油路的溢流閥E來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的卸荷功能。在主油路不工作時(shí) 閥X不通電，溢流閥E的先導(dǎo)油口直接接通油箱，系統(tǒng)處于卸荷狀態(tài)。當(dāng)主油路需要工作時(shí)，X通電，溢流閥E的先導(dǎo)油口封閉，油液不能從溢流閥E通過，系統(tǒng)產(chǎn)生壓力進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 2.2 液壓系統(tǒng)元件的計(jì)算

36、及選型 2.2.1 液壓執(zhí)行元件的計(jì)算選型 液壓傳動(dòng)裝置作為整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行元件，在選擇時(shí)要考慮的因素有工作壓力、轉(zhuǎn)速范圍、堵轉(zhuǎn)扭矩、運(yùn)行扭矩、總效率、容積效率、滑差特性、壽命等機(jī)械性能以及在機(jī)械設(shè)備上的安裝條件和外觀等。在選取中，對(duì)多種驅(qū)動(dòng)元件方案進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)元件的性能比較結(jié)果見表2-1[13]。 表2-1 各種型號(hào)液壓傳動(dòng)裝置性能特性 型號(hào) 額定壓力 減速比 流量 轉(zhuǎn)速 范圍 鉆桿最大轉(zhuǎn)速 電機(jī)及泵數(shù)量 價(jià)格 可靠性 IHM11-1300 高 大 大 大 大 多 貴 低 XQM16-2400 低 小 大 大 大 多

37、貴 低 IYH3-5900 較低 小 大 大 大 多 貴 高 IQJM32-1.6 較高 較大 較小 較大 大 少 便宜 低 IY3-2250 較低 小 較小 較小 小 少 便宜 高 通過上表對(duì)比綜合分析的結(jié)果，可以看出在這樣的一個(gè)液壓系統(tǒng)中，選擇IY3-2250型液壓傳動(dòng)裝置是性能最為合理的。決定采用IY3-2250型液壓傳動(dòng)裝置作為CFG250長螺旋鉆機(jī)鉆進(jìn)系統(tǒng)液壓動(dòng)力頭的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。要保證動(dòng)力頭最大工作扭矩不小于45 KN·m，鉆桿最高鉆速不大于25 r/min，鉆桿最低鉆速不低于18 r/min。查詢IY3-2250型液壓傳動(dòng)

38、裝置的技術(shù)參數(shù)[13]，其參數(shù)如表2-2。 表2-2 IY3—2250液壓傳動(dòng)裝置的主要參數(shù) 參數(shù)項(xiàng)目 出軸排量（ml/r） 額定扭矩（N·m） 馬達(dá)進(jìn)出口壓差(MPa) 轉(zhuǎn)速范圍(r/min) 參數(shù)值 2260 5562 18 0-112 液壓傳動(dòng)裝置的參數(shù)說明：其中出軸排量是指液壓馬達(dá)排量乘以所配行星減速器的傳動(dòng)比；馬達(dá)進(jìn)出口壓差是指傳動(dòng)裝置在額定工作狀態(tài)下馬達(dá)所需的進(jìn)出口壓力差。 為滿足最大輸出扭矩的要求，確定減速機(jī)的傳動(dòng)比為： 式[10]中，為初步計(jì)算減速比；——液壓傳動(dòng)裝置額定扭矩N·m；減速機(jī)的機(jī)械效率。 小齒輪設(shè)計(jì)為26個(gè)齒，為了使各相嚙合

39、對(duì)磨損均勻，傳動(dòng)平穩(wěn)，Z2與Z1 一般應(yīng)該互為質(zhì)數(shù)，所以大齒取107。 則實(shí)際減速比為： 其基本符合低速大扭矩液壓傳動(dòng)裝置的需求。 當(dāng)達(dá)到最大鉆桿轉(zhuǎn)速 由此可以看出，液壓執(zhí)行元件選擇IY3-2250型液壓傳動(dòng)裝置是合理可行的。 2.2.2 液壓動(dòng)力源的計(jì)算選型 一、電機(jī)的計(jì)算選型 根據(jù)給定設(shè)計(jì)參數(shù)動(dòng)力頭最大工作扭矩不小于45 KN·m，鉆孔最高鉆速為25 r/min，鉆孔最低鉆速不低于18 r/min。通過對(duì)其工作過程分析可知，其在低速大扭矩時(shí)，所需理論功率達(dá)到最大值。 則其實(shí)際所需功率為： 根據(jù)實(shí)際所需功率值選擇 4臺(tái)Y200L-4(30KW，1480

40、r／ min)電機(jī)組成的總額定功率為120kW電機(jī)組向液壓鉆進(jìn)系統(tǒng)提供動(dòng)力。其轉(zhuǎn)速則是根據(jù)系統(tǒng)所需的最大流量供應(yīng)來選擇的。 二、液壓泵的計(jì)算及選型 液壓泵是液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，其作用是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，指液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。要選用能適應(yīng)執(zhí)行元件所要求的壓力發(fā)生回路的泵，同時(shí)要充分考慮的因素有工作壓力、流量、轉(zhuǎn)速、定量或變量、變量方式、容積效率、總效率、壽命、原動(dòng)機(jī)的種類、噪聲、自吸能力等，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性、維修性。這些因素一般已寫在產(chǎn)品樣本或技術(shù)資料里，要仔細(xì)研究，不明確的地方最好詢問制造廠。 液壓泵的輸出壓力應(yīng)是執(zhí)行元件所需壓力與配管的壓力

41、損失和控制閥的壓力損失之和。它不得超過樣本上的額定壓力。強(qiáng)調(diào)安全性、可靠性時(shí)，還應(yīng)留有較大的余地。樣本上的最高工作壓力是短期沖擊時(shí)允許的壓力。如果每個(gè)循環(huán)中都發(fā)生沖擊奪力，泵的壽命會(huì)顯著縮短，甚至損壞。 液壓泵的輸出流量應(yīng)包括執(zhí)行元件所需流量（有多個(gè)執(zhí)行元件時(shí)求出其總流量）、溢流閥的最小溢流量、各元件的泄漏量的總和，根據(jù)上述給定設(shè)計(jì)參數(shù)動(dòng)力頭最大工作扭矩不小于45 KN·m，鉆孔最高鉆速為25 r/min，鉆孔最低鉆速不低于18 r/min，確定所設(shè)計(jì)的液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)的泵的型號(hào)選擇為：4臺(tái)80YCYl4-IB壓力補(bǔ)償變量泵；80YCYl4—1B壓力補(bǔ)償變量泵的主要參數(shù)見表2-3。

42、表2-3 80YCYl4-1B壓力補(bǔ)償變量泵主要參數(shù) 參數(shù)項(xiàng)目 額定壓力(MPa) 理論排量(ml/r) 額定轉(zhuǎn)速(r/min) 理論扭矩(N·m) 理論功率（kW） 參數(shù)值 31.5 80.7 1500 421 72.1 液壓泵出口到液壓傳動(dòng)裝置入口之間總的管路壓力損失取為=1MPa，在變流量時(shí)認(rèn)為其為恒定值。所以在馬達(dá)出口的背壓計(jì)為0.5MPa時(shí)，在輸出最大扭矩時(shí)，泵的出口壓力為 19.5MPa。 此時(shí)泵組輸出的理論流量為： 式[4]中，——在最大調(diào)定壓力下的泵供理論流量，即低轉(zhuǎn)速下的泵組理論流量L／min；為四臺(tái)原動(dòng)機(jī)總功率；KW；——在液壓傳

43、動(dòng)裝置輸出額定扭矩時(shí)的系統(tǒng)壓力，即調(diào)定最大壓力；。 則鉆桿最低轉(zhuǎn)速為： 式中，——鉆桿最低轉(zhuǎn)速；r／min 在此狀態(tài)下的輸出扭矩為45 kN·m。 最大轉(zhuǎn)速=24 r/min時(shí)，且在全功率輸出狀態(tài)下的輸出扭矩和泵出口壓力值求取。 鉆桿輸出總功率： 鉆桿輸出扭矩： 液壓傳動(dòng)裝置的輸出扭矩： 此時(shí)的馬達(dá)進(jìn)出口壓差： 從而得到這種狀態(tài)下泵組的出口壓力： 此時(shí)的泵組最大流量的實(shí)際值為： 此即為系統(tǒng)實(shí)際最大流量值。 當(dāng)鉆桿轉(zhuǎn)速最小時(shí)，其輸出扭矩處于最大值： 而此時(shí)的液壓傳動(dòng)裝置的輸出扭矩處于最大值： 此時(shí)馬達(dá)的進(jìn)出口壓差為： 可知在

44、此狀態(tài)下的泵組輸出壓力： 則可算出此時(shí)的泵組最小流量值為： 對(duì)比上述結(jié)果可知，最大流量值342.6L/min小于447L/min，最大實(shí)際出口壓力為20.4MPa也小于31.5MPa。所以此系統(tǒng)壓力補(bǔ)償泵的選擇是合理的。 2.2.3 液壓動(dòng)力頭控制元件選型 選定液壓控制元件時(shí)，要考慮的因素有壓力、流量、工作方式、連接方式、節(jié)流特性、控制性、穩(wěn)定性、油口尺寸、外形尺寸、重量等，但價(jià)格、壽命、維修性等也需考慮。液壓控制元件的容量要參考制造廠樣本上的最大流量值及壓力損失值來確定。閥的規(guī)格，根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和實(shí)際通過此閥的最大流量，選擇有定型產(chǎn)品的閥件。 一、換向閥的選型 換

45、向閥使用時(shí)的壓力、流量不要超過制造廠樣本的額定壓力、額定流量，否則液壓卡緊現(xiàn)象往往引起動(dòng)作不良。尤其在液壓回路中，壓力損失對(duì)液壓系統(tǒng)的回路效率有很大影響，所以確定閥的通徑時(shí)不僅考慮換向閥本身，而且要綜合考慮回路中所有閥的壓力損失、油路塊的內(nèi)部阻力和管路阻力等。換向閥的中位滑閥機(jī)能關(guān)系到執(zhí)行元件停止?fàn)顟B(tài)下位置保持的安全性，必須考慮內(nèi)泄漏和背壓情況，從回路上充分論證。另外，最大流量值隨滑閥機(jī)能的不同會(huì)有很大變化，應(yīng)予注意。 此液壓動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)中，電磁換向閥W是用來控制液壓泵對(duì)于液壓傳動(dòng)裝置的進(jìn)油方向，達(dá)到對(duì)鉆桿的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制。根據(jù)系統(tǒng)最大工作壓力20.4MPa和最大流量為342.6L/min

46、，以及出于對(duì)經(jīng)濟(jì)性和可靠性考慮，主油路控制電磁換向閥用上海東方34BY-H6B-T型三位四通電磁換向閥[13]。三位四通電磁換向閥的參數(shù)如下表2-4。 表2-4 34BY-H6B-T換向閥參數(shù) 參數(shù)項(xiàng)目 公稱通徑（mm） 公稱壓力（MPa） 公稱流量（L/min） 參數(shù)值 6 31.5 40 型號(hào)為34BY-H6B-T型的電磁換向閥型號(hào)代碼依次為：B-濕式交流型；Y-滑閥機(jī)能為Y型；B-板式連接型；T-彈簧復(fù)位及對(duì)中型。通過上述參數(shù)對(duì)比可知其公稱壓力完全符合系統(tǒng)要求的值，三位四通換向閥的選型是合理的。 二、單向閥的選型 單向閥的開啟壓力取決于內(nèi)裝彈簧的剛度。一般來說

47、為減小流動(dòng)力可使用開啟壓力低的單向閥。當(dāng)流過單向閥的流量遠(yuǎn)小于額定流量時(shí)，單向閥有時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。流量越小，開啟壓力越高，油中含氣越多，則越容易振動(dòng)。此四個(gè)直通單向閥都是用在泵的排油口上，用來防止系統(tǒng)中的液壓油回流沖擊液壓泵。根據(jù)系統(tǒng)最大工作壓力20.4MPa和最大流量為342.6L/min選擇直通單向閥用上海東方DIF-S型直通單向閥螺紋式連接裝在管路中。其單個(gè)單向閥的通過最大流量為: Q=342.6 MPa/4=85.6 MPa 其直通單向閥的型號(hào)參數(shù)[13]如下表2-5。 表2-5 DIF-L32Ha-S型單向閥參數(shù) 參數(shù)項(xiàng)目 公稱通徑（mm） 公稱壓力（MPa） 公稱流量（

48、L/min） 正向開啟壓力（MPa） 參數(shù)值 32 21 200 0.035 型號(hào)DIF-L32Ha-S型的直通單向閥的型號(hào)代碼依次為：DIF-直通單向閥代號(hào)；L-螺紋式連接；S-上海型。通過上述參數(shù)對(duì)比與系統(tǒng)計(jì)算的參數(shù)對(duì)比，可知其公稱壓力和流量都符合系統(tǒng)壓力和流量的要求的需求，所以四個(gè)單向閥的選型是合理的。 三、溢流閥的選型 溢流閥有直動(dòng)式和先導(dǎo)式。一般說來直動(dòng)式響應(yīng)較快，宜用作安全閥，先導(dǎo)式啟閉特性較好，宜用作調(diào)壓閥。啟閉特性是選用溢流閥時(shí)要考慮的重要因素。如果啟閉特性太差，則負(fù)載壓力低于設(shè)定壓力時(shí)溢流閥開始溢流，隨著壓力升高溢流流量加大，執(zhí)行元件速度減慢，達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)

49、執(zhí)行元件停止。因此，執(zhí)行元件速度在負(fù)載力大時(shí)變得不穩(wěn)定，回路效率也顯著降低。溢流閥的動(dòng)態(tài)特性是很重要的。在負(fù)載激烈變化下，希望溢流閥既響應(yīng)快又穩(wěn)定。 溢流閥的調(diào)壓范圍可通過更換調(diào)壓彈簧改變，但所用的彈簧的設(shè)定壓力可能改變啟閉特性。?控制閥的流量一般要選得比實(shí)際通過的流量大一些，必要時(shí)也允許有20%以內(nèi)的短時(shí)間過流量。 根據(jù)系統(tǒng)最大工作壓力20.4MPa和最大流量為342.6L/min流選擇，溢流閥用上海東方Y(jié)F -S型板式連接溢流閥。先導(dǎo)溢流閥的型號(hào)參數(shù)[13]如下表2-6。 表2-6 YF-B50H4-S型板式連接溢流閥參數(shù) 參數(shù)項(xiàng)目 公稱通徑（mm） 公稱壓力（MPa） 公稱

50、流量（L/min） 調(diào)壓范圍（MPa） 參數(shù)值 50 21 500 7～21 型號(hào)YF-B50H4-S型板式溢流閥的型號(hào)代碼依次代表：YF-溢流閥代號(hào)；B-板式連接；S-上海型。通過上述選取的溢流閥參數(shù)與系統(tǒng)計(jì)算的參數(shù)對(duì)比，可知其公稱壓力和流量都符合系統(tǒng)所需要求，溢流閥的選型是合理的。 四、插裝閥的選型 X—先導(dǎo)油口，A、B—調(diào)口 圖2—5插裝閥 插裝閥是一種用小流量控制油來控制大流量工作油液的開關(guān)式。它是把作為主控元件的錐閥插裝于油路塊中，故此得名插裝閥。該閥不僅能實(shí)現(xiàn)普通液壓閥的各種要求，而且具有以下顯著特點(diǎn)： 1）通流面積大、內(nèi)阻小，適應(yīng)大流量工作； 2）閥

51、芯動(dòng)作靈敏，響應(yīng)快； 3）閥口采用錐面密封，密封性能好，泄露??； 4）結(jié)構(gòu)簡單，相對(duì)其他易于制作，且工作可靠，標(biāo)準(zhǔn)化程度高； 5）便于液壓系統(tǒng)集成，可以減少管路連接。 此液壓系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)最大工作壓力20.4MPa和最大流量為342.6L/min流選擇插裝閥為榆次油研LD32型插裝閥。其參數(shù)如下表2-7。 表2-7 榆次油研LD32型插裝閥參數(shù) 參數(shù)項(xiàng)目 公稱通徑（mm） 額定流量（L/min） 最高使用壓力（MPa） 主閥面積比 參數(shù)值 32 500 31.5 2:1 通過參數(shù)對(duì)比可知，選擇榆次油研LD32型插裝閥的額定流量和最高使用壓力都符合系統(tǒng)的最大工

52、作壓力和最大流量要求，所以選擇榆次油研LD32型插裝閥是合理的。 第3章 液壓動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 液壓動(dòng)力頭總體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)參數(shù)要求動(dòng)力頭額定最大工作扭矩不低于45kN?m，且采用低速大扭矩驅(qū)動(dòng)裝置經(jīng)一級(jí)減速裝置驅(qū)動(dòng)鉆桿進(jìn)行回轉(zhuǎn)，本系統(tǒng)的減速機(jī)決定采用雙驅(qū)式一級(jí)圓柱直齒輪減速器傳動(dòng)系統(tǒng)。采用雙驅(qū)式可以使傳動(dòng)更加具有效率，傳動(dòng)比可以保證限定值，更便于軸的受力平穩(wěn)。其液壓動(dòng)力頭總體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。 1—液壓傳動(dòng)裝置，2—小齒輪軸，3—小齒輪軸透蓋，4—大齒輪，5、8—鍵 6—輸出軸，7—箱蓋，9—法蘭盤，10—箱體 圖3-1 液壓動(dòng)力頭總體結(jié)構(gòu)簡圖 其工

53、作原理是：由兩臺(tái)對(duì)稱布置的液壓傳動(dòng)裝置1通過與兩個(gè)小齒輪軸2軸端花鍵連接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)小齒輪轉(zhuǎn)；小齒輪軸2通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)中間的大齒輪4轉(zhuǎn)動(dòng)；大齒輪4通過鍵5與中間的軸6固定帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；而軸6通過鍵與法蘭盤9固定，法蘭盤9則將軸6與鉆桿固定；由軸6帶動(dòng)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，完成鉆進(jìn)工作，達(dá)到工作要求。 3.2 減速器齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.2.1 齒輪傳動(dòng)原理 1—液壓傳動(dòng)裝置，2—法蘭盤，3—減速箱箱體 4—小齒輪軸，5—大齒輪，6—鉆桿 圖3-2 液壓動(dòng)力頭齒輪傳動(dòng)簡圖 雙驅(qū)式一級(jí)圓柱直齒輪減速箱傳動(dòng)系統(tǒng)由兩個(gè)液壓傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)小齒輪軸,帶動(dòng)中間大齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng),從而在通過聯(lián)軸器帶動(dòng)中空輸出軸的

54、部件轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)鉆具進(jìn)行工作。圖3-2所示,此為液壓動(dòng)力頭傳動(dòng)簡圖.其中液壓傳動(dòng)裝置（1）， 通過法蘭（2）帶動(dòng)減速箱（3）內(nèi)的小齒輪（4）轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)大齒輪（5）轉(zhuǎn)動(dòng)；而大齒輪通過法蘭盤固定連接鉆桿（6），從而帶動(dòng)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行鉆進(jìn)工作，從而達(dá)到工作的要求。 3.2.2 齒輪傳動(dòng)的參數(shù)計(jì)算 為滿足最大輸出扭矩的要求，確定減速機(jī)的傳動(dòng)比為： ic=Tmax2×Te×ηj=45kN?m2×5562N?m×0.98=4.13 選取小齒輪的齒數(shù)為26，則大齒輪齒數(shù)為z2=z1×i=26×4.13=107.38，為了使各相嚙合對(duì)磨損均勻，傳動(dòng)平穩(wěn)，z2與z1 一般應(yīng)該互為質(zhì)數(shù)取z

55、2=107；小齒輪轉(zhuǎn)速取液壓傳動(dòng)裝置的最大值r=112r/min。 由表可查,選取小齒輪材料為40 Cr (調(diào)質(zhì)),硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS,二者硬度差為40HBS。 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式[8]進(jìn)行試算，即 d1t≥2.323KtT1?d?i±1i?(ZEσH)2 1）確定公式內(nèi)的各個(gè)計(jì)算值 （1）試選載荷系數(shù)為Kt=1.3 （2）計(jì)算小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩 （3）查表選取齒寬系數(shù)為?d=1 （4）由表查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.98 MPa1/2 （5）按齒面硬度計(jì)算查的小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim1=600

56、 MPa，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim2=550 MPa； （6）查的接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.90;KHN2=0.95 （7）計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力 取失效概率為0.01，安全系數(shù)為S=1，由式得 σH1=KHN1?σHlim1S=0.9×600=540 MPa σH2=KHN2?σHlim2S=0.95×550=522.5 MPa 2）計(jì)算 （1）試算小齒輪分度圓直徑d1t，帶入數(shù)值得 d1t≥2.323KtT1?d?i±1i?ZEσH2 =2.32×31.3×42.63×1051×5.134.13×189.98522.52=224.68 mm （2）計(jì)算

57、圓周速度 ν=π?d1t?n160×1000=π×224.68×11260×1000=1.32 m/s （3）計(jì)算齒寬b b=?d?d1t=1×224.68=224.68 mm （4）模數(shù) m t=d1t/z1=224.68/26=8.64 齒高 h=2.25 m t=2.25×8.64=19.44 mm b/h=224.68/19.44=11.57 （5）計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)圓周速度查的動(dòng)載系數(shù)kv=1.12； 直齒輪，查表得kHα=kFα=1.2；使用系數(shù)kA=1 查得小齒輪非對(duì)稱布置時(shí)，kHβ=1.12+0.181+0.6?d2?d2+0.23×10-3b， 帶入數(shù)據(jù)

58、得kHβ=1.45；故載荷系數(shù)為 k=kA?kv?kHα?kHβ=1.948 （6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由公式得 d1=d1t3kkt=224.68×31.9481.3=257.14 mm （7）計(jì)算模數(shù) m m=d1/z1=257.14/26=9.89，圓整取m=10 2.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由課本可知,彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式[8]為 m≥32?K?T1?d?Z12?(YFa?YSaσF) 1) 確定公式內(nèi)各個(gè)計(jì)算數(shù)值 (1) 由課本圖表查得小齒輪的彎曲疲勞極限σFE1=500 MPa;大齒輪的彎曲疲勞極限σFE2=380 MPa; (2) 由課本圖表查

59、得彎曲疲勞壽命系數(shù)kFN1=0.85; KFN2=0.88; (3) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)為s=1.4;由公式得 σF1=kFN1σFE1S=0.85×5001.4=303.57 MPa σF2=kFN2σFE2S=0.88×3801.4=238.86 MPa (4) 計(jì)算載荷系數(shù) K K=K KAV?kFα?kFβ=1×1.12×1.2×1.35=1.814 (5) 查取齒形系數(shù) 由課本表格可得, YFa1=2.85;YFa2=2.21 (6) 查取應(yīng)力校正系數(shù) 由課本表格可知, YSa1=1.54;YSa2=1.77 (7) 計(jì)算大小齒輪的YFaY

60、SaσF并加以比較 YFa1YSa1σF1=2.85×1.54303.57=0.014457 YFa2YSa2σF2=2.21×1.77238.86=0.01637 其中比較可知,大齒輪的數(shù)值大 2) 設(shè)計(jì)計(jì)算 m≥32?K?T1?d?Z12?YFa?YSaσF=32×1.814×42.63×1051×192×0.01644 mm=8.89 mm 對(duì)比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算模數(shù)m大于由齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算得模數(shù),由于齒輪模數(shù)m的大小取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力.而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān),可取彎曲強(qiáng)度算的模數(shù)m=8.89 mm,并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=

61、10 mm,按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=257.14 mm,可算得小齒輪的齒數(shù)為 z1=d1m=257.1410=25.714,取齒數(shù)為26 則大齒輪齒數(shù)為z2=4.13×26=107.38,取z2=107 3）幾何尺寸的計(jì)算 （1）計(jì)算分度圓直徑 d1=z1m=26×10=260 mm d2=z2m=109×10=1070 mm （2）計(jì)算中心距 a=d1+d22=260+1070×0.5=665 mm （3）計(jì)算齒輪寬度 b=?d?d1=1×260=260 mm 取B2 =260 mm,B1=270 mm 4) 驗(yàn)算 Ft=2T1d1=2×42.63×105

62、260=25792.3 N KAFtb=1×25792.3260=99.2 N/mm<100 N/mm 驗(yàn)算可知，選擇是合格的。 3.3 箱體尺寸的確定 通過對(duì)齒輪減速箱內(nèi)部齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算，根據(jù)傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)簡圖和計(jì)算得來的齒輪直徑、中心距，參考同類減速器圖紙[11]，對(duì)減速箱的外形尺寸進(jìn)行估計(jì)，合理對(duì)減速箱進(jìn)行布局。 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)[10]等資料，對(duì)液壓動(dòng)力頭減速箱的箱體尺寸[9]進(jìn)行確定，其中a為中心距a=665 mm，各個(gè)箱體部位尺寸列于下表3-1。 表3-1 液壓動(dòng)力頭減速箱箱體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表 名稱 符號(hào) 尺寸（mm） 箱座壁厚 δ=0.025a+

63、?，?=3 20 箱蓋壁厚 δ1=0.02a+? 18 箱座凸緣厚度 b=1.5δ 30 箱蓋凸緣厚度 b1=1.5δ1 27 箱底座凸緣厚度 b2=2.5δ 50 箱座加強(qiáng)肋厚 m=0.85δ 17 箱蓋加強(qiáng)肋厚 m1=0.85δ1 15 3.4 輸出軸的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 3.4.1 軸的基本參數(shù)計(jì)算 1)軸上的基本參數(shù) 功率p p=p1?η=92×0.97=89.24 kW 其中 p1為鉆桿理論輸出功率kW； η為軸承效率; 轉(zhuǎn)速n 通過前面計(jì)算可知,鉆桿最大轉(zhuǎn)速為24 r/min,最小轉(zhuǎn)速為 18.5 r/min. 轉(zhuǎn)矩T T=

64、9 550 000pn=35.5×105 N?mm 2)軸上作用力的分析 因已知大齒輪的分度圓直徑為 d2=mtz2=10×107=1070 mm Ft=2Td2=2×35.5×1051070=7894.4 N 由于此為直齒輪傳動(dòng)減速箱,則徑向力Fr Fr=Ft?tanα=7894.4×tan23.22°=2873.5 N 軸向力為Fa Fa=Ftcosα=7894.4cos23.22°=8398.3 N 其中α為齒輪嚙合角 3)初步確定軸上最小徑 先按相關(guān)資料[8]查詢公式初步估算軸的最小直徑.選取軸的材料為40Cr,根據(jù)課本表格選取A0=112,于是得 dmin=A

65、03pn=112×389.2424=173.5 mm 式中，P為軸所傳遞的功率，kW；N為軸的轉(zhuǎn)速，r/min；A0為由材料的許用扭矩應(yīng)力所確定的系數(shù)，其值機(jī)械設(shè)計(jì)[8]內(nèi)相關(guān)表格查找。 3.4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在初算軸徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。為滿足軸上零件的定位、緊固要求和便于軸的加工和軸上零件的裝拆，通常將軸設(shè)計(jì)成階梯軸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是合理確定階梯軸的形狀和全部結(jié)構(gòu)尺寸。 (1)擬定軸上零件的裝配方案[10]如圖3-3。 1—輸出軸，2—法蘭盤，3—密封圈，4、6、8、10—套筒，5、9—圓柱滾子軸承，7—大齒輪軸 圖3-3 軸的結(jié)構(gòu)與裝配 （2）根據(jù)軸

66、向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 A）軸上裝有大齒輪7、法蘭盤2處的直徑，如圖4-1中的DE和BC段的直徑應(yīng)該取標(biāo)準(zhǔn)值，其中DE段的直徑為d=270mm，其長度則應(yīng)取安裝尺寸，長度定為l=280mm，而其中的BC段是法蘭盤，則其取標(biāo)準(zhǔn)直徑為d=235mm，必須要經(jīng)前面的套筒定位，在組合法蘭盤的長度尺寸可取其長度為l=340mm。 b）軸上裝有密封元件3和軸承元件5處得直徑如CD、EF、BC段直徑，則應(yīng)該與密封元件和軸承元件的內(nèi)孔徑尺寸一致，以保證能選取標(biāo)準(zhǔn)值的標(biāo)準(zhǔn)件。否則不能達(dá)到最佳的配合，選用的標(biāo)準(zhǔn)密封元件和軸承也起不到相應(yīng)的作用，而自制的元件代價(jià)太高，也不合理。其中CD、EF段都有軸承，應(yīng)盡量采用相同型號(hào)，便于軸承座孔的加工。所以CD和EF段的直徑選用d=240mm，其中CD段的長度應(yīng)該考慮到軸承和箱體配合尺寸，所以其軸承定位的套筒6和套筒8的尺寸尤為重要，綜合考慮選取長度l=380mm，而EF段也有類似的問題，都要考慮到安裝尺寸，所以EF段選取長度l=100mm。 c）而最后的FG段是應(yīng)該與混凝土輸送管道配合的，需要相當(dāng)精密的密封和配合，這樣才能既達(dá)成配合大眾化的泵送機(jī)，