LXW80轮式底盘旋挖钻机设计【石油】【12张CAD图纸和说明书】
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目 录
第1章 概述 1
1.1 引言 1
1.2 旋挖钻机发展概况及国内外生产企业的情况 1
1.3 旋挖钻机发展趋势 3
1.4 本章小结 4
第2章 旋挖钻机结构设计 5
2.1 LXW80轮式旋挖钻机方案的确定 5
2.2 轮式旋挖钻机的结构设计 9
2.3 本章小结 15
第3章 旋挖钻机的计算与分析 16
3.1 动力头的设计计算 16
3.2 起升机构的设计计算 18
3.3 本章小结 23
第4章 主要零部件的分析 24
4.1 滑轮架的分析计算 24
4.2 桅杆的设计与分析 26
4.3 本章小结 33
第5章 整机稳定性分析 34
5.1 整机稳定性校核 34
5.2 整机稳定度分析 37
5.3 本章小结 39
第6章 液压系统回路原理设计 40
6.1 主要执行元件的选取 40
6.2主要回路的供油原理设计 41
6.3 本章小结 42
结 论 43
参考文献 44
致 谢 45
第1章 概述
1.1 引言
旋挖钻机属机电一体化设备，技术含量高，使用技术和设备保养要求严格,也是一种多功能、高效率的灌注桩成孔设备。其采用无循环工艺施工钻孔灌注桩，该工艺方法具有钻进速度快、成孔深度深、质量好、噪声低等优点。被广泛应用于高层建筑、铁路公路桥梁、水利工程和城市交通建设等桩基础工程的施工。
随着国民经济的发展，城镇化进程还在加快。老城市改造和新城市建设中新增的桩基础工程将大幅度增加。目前,旋挖钻机的产品大都是200kNm级,成孔直径为2 m,钻孔深度为60 m,而据建筑施工单位的反馈,国内80%的桩基础成孔直径都在1.2 m以下,深度不超过40 m。因此,针对国内现实国情,开发研制小型化、功能少、价格适宜的特种作业型机型,满足不同地域桩基需求。
1.2 旋挖钻机发展概况及国内外生产企业的情况
旋挖钻机是在回转斗钻机和全套管钻机的基础上发展起来的。第二次世界大战前，美国CALWELD公司首先研制出回转斗、短螺旋钻机，二十世纪五十年代，法国BENOTO将全套管钻机应用于桩基础施工中（如图1.2所示），而后由欧洲各国将其组合并不断完善，发展成为今天的多功能组合模式。图1-2美国CALWELD回转斗钻机图1-3法国BENOTO全套管装置。意大利土力公司首先将安装在载重汽车上和附着在履带起重机上的钻机从美国引入欧州。但是，这种钻机的动力头为固定式，不能自行安装套管，难以适应硬质土层施工。
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目 录第 1章 概述 .11.1 引言 11.2 旋挖钻机发展概况及国内外生产企业的情况 11.3 旋挖钻机发展趋势 31.4 本章小结 4第 2章 旋挖钻机结构设计 .52.1 LXW80轮式旋挖钻机方案的确定 .52.2 轮式旋挖钻机的结构设计 92.3 本章小结 .15第 3章 旋挖钻机的计算与分析 163.1 动力头的设计计算 .163.2 起升机构的设计计算 .183.3 本章小结 .23第 4章 主要零部件的分析 244.1 滑轮架的分析计算 .244.2 桅杆的设计与分析 .264.3 本章小结 .33第 5章 整机稳定性分析 345.1 整机稳定性校核 .345.2 整机稳定度分析 .375.3 本章小结 .39第 6章 液压系统回路原理设计 406.1 主要执行元件的选取 .406.2主要回路的供油原理设计 416.3 本章小结 .42I结 论 43参考文献 .44致 谢 450第 1 章 概述1.1 引言旋挖钻机属机电一体化设备，技术含量高，使用技术和设备保养要求严格,也是一种多功能、高效率的灌注桩成孔设备。其采用无循环工艺施工钻孔灌注桩，该工艺方法具有钻进速度快、成孔深度深、质量好、噪声低等优点。被广泛应用于高层建筑、铁路公路桥梁、水利工程和城市交通建设等桩基础工程的施工。随着国民经济的发展，城镇化进程还在加快。老城市改造和新城市建设中新增的桩基础工程将大幅度增加。目前,旋挖钻机的产品大都是 200kNm级,成孔直径为 2 m,钻孔深度为 60 m,而据建筑施工单位的反馈,国内 80%的桩基础成孔直径都在 1.2 m以下,深度不超过 40 m。因此,针对国内现实国情,开发研制小型化、功能少、价格适宜的特种作业型机型,满足不同地域桩基需求。1.2 旋挖钻机发展概况及国内外生产企业的情况旋挖钻机是在回转斗钻机和全套管钻机的基础上发展起来的。第二次世界大战前，美国 CALWELD公司首先研制出回转斗、短螺旋钻机，二十世纪五十年代，法国BENOTO将全套管钻机应用于桩基础施工中（如图 1.2所示） ，而后由欧洲各国将其组合并不断完善，发展成为今天的多功能组合模式。图 1-2美国 CALWELD回转斗钻机图 1-3法国 BENOTO全套管装置。意大利土力公司首先将安装在载重汽车上和附着在履带起重机上的钻机从美国引入欧州。但是，这种钻机的动力头为固定式，不能自行安装套管，难以适应硬质土层施工。1984年天津探矿机械厂首次从美国 RDI公司引进车载式旋挖钻机；1988 年北京城建工程机械厂仿制了土力公司 1.5m直径的附着式旋挖钻机；1994 年郑州勘察机械厂引进英国 BSP公司附着式旋挖钻机； 2003年后，三一重机、山河智能等多家生产厂家的旋挖钻机陆续下线。但是，由于诸多原因，这一先进技术在我国的发展比较缓慢。直到 20世纪 90年代末期，我国旋挖钻机的拥有量也仅仅 100台左右，而这为数不多的钻机由于运行成本高等原因也并未完全用于生产施工。最近几年，国家建设管理部门逐步意识到旋挖钻机的诸多优势，并制定了一些鼓励政策，这些政策对设计、监理和施工单位产生了层层影响。在这种大背景下，原有的成孔设备因其效率低下、噪音大、环保较差等原因将逐步被淘汰，而旋挖钻机凭借其明显优势高效、环保、安全等，已逐步成为大批重点工程业主的指定施工设备。此时，国外的旋挖钻机制造商纷纷看好中国这一巨大的市场，向中国宣传、销售其旋挖钻1机。国内的一些企业也通过引进、消化、吸收国外技术，开始制造旋挖钻机。图 1-1 美国回转斗钻机 图 1-2 法国全套管装置表 1-1 国外旋挖钻机主要生产厂家及其产品如下德国 BAUER、LIEBHERR、DELMAG、WIRTH、MGF意大利 SOILMEC、MAIT、CMV、IMT、CASAGRANDE、ENTEGO日本 日本车辆、日立、住友、加藤芬兰 JUTTAN、TAMROCK美国 APE、Ingersoll-Rand西班牙 LLAMADA5据不完全统计，目前在国内市场上应用的旋挖钻机有十几个厂家的几十个型号产品。如德国利勃海尔、宝峨（如图 1-4所示） 、MGF，意大利意马、迈特（如图 1-5所示） 、天锐、土力、CMV，日本日立建机等；国内北京三一重机（如图 1-6所示） 、徐州徐工科技、北京经纬巨力、河北石家庄煤机、内蒙古北方重汽、河南宇通重工等。在这些旋挖钻机中，有整机从国外直接进口的，如意马的 AF系列、天锐的TR5VE系列、土力的 R系列等；有部件在国外制造后到国内组装的，如德国宝峨的BG系列；也有国内企业生产的，如北京三一重机的 SR系列、北京经纬巨力的 ZY系列等，但钻机的关键部件仍是从国外进口，以保证其良好的可靠性 。1图 1-3 宝峨钻机 图 1-4 迈特钻机2图 1-5 三一钻机 图 1-6 徐工钻机表 1-2 几种常见钻机技术性能参数钻机型号 BG18 R618HD NSR220 XR220生产厂家 宝峨 土力 MEC 南车时代 徐工最大输出转矩/kN/m 176 182 220 200最大钻孔深度/mm 60 66 65 54最大加压力/kN 1800 1800 2000 2000最高工作转速(/r/min) 36 25 27 22主卷扬最大拉力/kN 160 184 200 180发动机型号 康明斯6CT-CCAT3306TA C-9 康明斯M11-C330整机质量 70 65 65 68目前可供选择的旋挖钻机范围非常广泛，钻孔直径通常在 1.5m2.0m 之间，而钻孔灌注桩的最常用的桩径一般为 1.0m1.5m，考虑到安全储备系数，钻机对于这种桩径施工是非常适合的。同时，有些厂家生产的钻机钻孔直径非常大，小型的最大钻孔直径为 1m，大型钻机孔径可达到 3m。随着铁路线等重点工程不断上马，旋挖钻机的市场需求量在节节攀升，这对于国内旋挖钻机生产企业来说，预示着非常好的市场前景，昭示着旋挖钻进技术在我国的巨大发展前景。1.3 旋挖钻机发展趋势（1）由电动式向液压式方向发展（2）向多功能钻机方向发展钻机的多功能化，即钻机使用的是多用途模块式设计。（3）大都采用电液比例伺服控制系统具有钻孔深度、钻桅垂直度自动化检测、荧屏显示，提高了定位钻孔精3（4）机电一体化控制、智能化作业在钻桅控制、自动垂直调平、回转倒土控制、发动机的监控、钻孔深度量及车身工作状态动画显示及虚拟仪表显示、故障检测、报警及信息显示等方面逐步实现智能化控制。（5）安全保护。钻机的设计充分考虑驾驶人员的安全，并采取了一些措施：驾驶室前窗有 FOPS（防坠物保护） ；卷扬的高度限位；驾驶室内操作台安全控制；发机、液压等参数显示、报警等。（6）上、下车独特的水平调节系统。钻机的上车与下车的连接机构采用独特的设计形式，通过左右两个液缸，可进行上下车倾斜调节，当下车底盘倾斜时（施工场地为斜面时） ，上驾驶室仍为水平，此功能既保证了钻孔时的垂直度，又可使操作者在舒适的置长时间工作而不会感到疲倦。（7）动力头采用 MCS系统套管钻进增扭装置增加套管钻进增扭系统，可减少摆管机的应用，大幅度降低使用成本 21.4 本章小结综上所述,旋挖钻机及旋挖钻进技术具有一系列的优点,虽然其推广应用存在一些制约因素,但无论从我国目前的基础工程施工市场形势及要求、旋挖钻机生产规模、配套工具的生产、基础施工企业的体制等各方面来看,我国旋挖钻进技术全面、快速发展的时期已经到来。今后的几年内,将推动我国基础工程施工设备向机械化、自动化方向发展,同时将使我国基础工程施工技术迈上一个新台阶。4第 2 章 旋挖钻机结构设计2.1 LXW80 轮式旋挖钻机方案的确定根据旋挖钻机的底盘、支撑结构、桅杆及钻杆结构的不同大致可将旋挖钻机分为以下种类型。2.1.1 根据旋挖钻机的底盘分类底盘由行走机构、履带张紧装置和左右梁组成;底盘可分为专用底盘、履带液压挖掘机底盘、履带起重机底盘、步履式底盘、汽车底盘等组成。汽车载式旋挖钻机提高机动性，主要在城区或要求快速施工的场合使用的，如MA仃、CMV、SOILMEC 等但其效率与功率相对较低不适合挖直径与深度较大孔。履带式功率大、污染小、效率高、整机稳定性和适应性较好等优点。但其设计周期长，制造成本高等缺点。车载式旋挖钻机 履带式旋挖钻机图图 2-1 按底盘分类2.1.2 根据旋挖钻机的支撑结构分类目前，从外观形式看旋挖钻机可主要分为独立式和起重机附着式两种。独立式旋挖钻机的钻挖支撑系统主要有三种形式，一种为平行四边形小三角结构，其特点5是变幅范围大，可整机放倒、折叠，降低运输高度和长度。缺点是底盘前方重量偏重，稳定性稍差，不能承受超大扭矩。另一种为大三角结构，以 BAUER为代表，其特点是结构简单，稳定性好，能承受大扭矩。缺点是运输时要拆开，费时，需要辅助起重设备。第三种以西班牙 LLAMADA公司、意大利 ENTEGO为代表，虽然也是大三角支承结构，由于装有辅助起架油缸，整机也能放倒折叠，具有以上两种结构的优点，结构新颖，经济实用 。3图 2-2 支撑结构国内旋挖钻机的支撑机构一般采用两级调整油缸，桅杆调整油缸和变幅调整油缸，配以平行四边形连杆机构等，使钻桅在一定范围内实现变幅。旋挖钻机的钻架采用平行四边形连杆机构+三角形的支撑结构，非常适合城市狭窄场地的施工。2.1.3 根据旋挖钻机的桅杆结构分类桅杆属于细长空间杆件，根据不同需要，其结构形式主要可以分为 3类：整体式桅杆、分段式桅杆和伸缩式桅杆。箱型截面桅杆具有良好的刚性和稳定性,是动力6头号和钻杆的附着体,无需拆卸的可折叠式结构,减少整机运输长度; 采用箱形结构，刚性好，重量轻。滑道多采用耐磨方形无缝管，便于传递大扭矩。整体式桅杆 伸缩式桅杆 分段式桅杆图 2-3 按桅杆分类2.1.4 确定设计方案目前,旋挖钻机的产品大都是 200kNm级,成孔直径为 2 m,钻孔深度为 60 m,而据建筑施工单位的反馈,国内 80%的桩基础成孔直径都在 1.2 m以内并且城区内使用情况较多。因此根据国内使用情况，根据不同结构类型的优缺点以及城区运输的限制，结构方案确定为：底盘采用轮式底盘自行设计，采用 H型支腿，变幅机构采用平行四边形+三角形机构，由动臂、支撑杆、变幅油缸、立桅油缸等部件组成。分段可折7叠式桅杆。钻杆自行设计，动力头采用双马达双减速机，钻头可配短螺旋钻钻头、回转斗钻头、岩心钻钻头。由 SolidWorks建立三维模型如下：图 2-4 LXW80 旋挖钻机主要结构图LXW80轮式旋挖钻机初步总体设计方案发动机功率 133kw2300rpm额定扭矩 80kNm最大成孔直径 600-1200mm最大成孔深度 35m主卷扬最大拉力 120kN（60m/min）主卷扬最大速度 76m/min副卷扬最大拉力 60kN副卷扬速度 70m/min动力头最大转速 25rpm加压油缸推拉力 100/100kN行驶速度 0-70km/h爬坡能力 24侧前后角 5/5/7/90整机重量 25t（带钻杆）2.2 轮式旋挖钻机的结构设计82.2.1 底盘采用类似轮式起重机底盘的结构，使其适应城区或要求快速施工的场合。底盘是支承、安装各部件，形成机车的整体造型，并接受发动机的动力，使机车产生运动。底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系四部分及 H型支腿组成。传动系 由离合器、变速器、万向传动装且.主减速器、差速器和半轴等组成。行驶系由汽车的车架、车桥车轮和悬架等组成。转向操纵机构主要由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。制动系统采用伺服制动系统。发动机装在上车，采用全液压传动，车架采用整体式箱形梁 。4轮式旋挖钻机工作时重力很大，轮胎不能承受。因此需要用支腿来支撑。支腿有以下五种形式：（1）蛙式支腿这种支腿的活动支腿铰接在固定支腿上，其展开动作由液压缸完成。特点是结构简单、重量较轻，但支腿跨度不大。（2）H 型支腿这种支腿有两个液压缸。活动支腿伸出后，工作时垂直支腿撑地，形如 H 而得名。特点是支腿跨距较大，对场地适应性较好。（3）X 型支腿这种支腿工作时，支腿呈 X 型，离地间隙小，在撑脚着地的过程中有水平位移发生，当其为小幅度时，重物活动的空间比 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）辐射式支腿以转台的回转中心为中心，从车架的盆形架向下呈辐射状向外伸出 4 个支腿。特点是稳定性好。在起重作业时，全部载荷不经过车架而是直接作用在支腿上。因此，可减轻车架自重并降低整机重心高度，保护底盘不受损坏。主要应用在一些特大型的起重机上。（5）摆动支腿摆动支腿也叫铰接式支腿，这种支腿在起重作业时，支腿在液压缸的作用下能摆动到与车架纵向轴线相垂直的位置上；非工作状态时，可平行地固定在车架的两侧。特点是重量轻，但由于受空间大小的限制，支腿不能太长，所以横向支撑的距离较小。比较五种支腿，结合旋挖钻机的回转工况，对整机稳定性要求较高，故选择跨距较大的 H 型支腿。底盘参数外形尺寸（长宽高）589524961370轴距 1330、2000接近角/离去角 18/209最小离地间隙 500最大允许质量 30000轮胎规格 11.00R20/10底盘支腿尺寸 55355700回转支承型号 JB/T2300-1999 014.45.1250. 图 2-5 LXW80 轮式旋挖钻机底盘下车工作原理：安装在上车的发动机与液压泵相连，动力通过液压传动到下车的液压马达，再由液压马达将动力传到底盘的传动系统，由离合器、变速器、万向传动装置、.主减速器、差速器和半轴等实现减速、变速、倒车、中断动力、轮间差速和轴间差速等功能。再由行驶系接受传动系的动力，通过驱动轮与路面的作用产生牵引力，使机车正常行驶。2.2.2 变幅机构变幅机构是旋挖钻机一个非常重要的装置，在整个旋挖钻机中起到支撑，调节桅杆的工作幅度或运输状态，调节桅杆相对地面的角度，快速平动调整对准孔位，连接桅杆和底盘使整机合理布置，起承上启下的均载作用，其机构对整机的布局和操纵稳定性影响较大。考虑到本旋挖钻机的实际情况，以及对比国内外各种旋挖钻机采用的变幅机构的优缺点，LXW80 轮式旋挖钻机变幅机构采用平行四边形+三角形机构，由大臂、撑杆、变幅油缸、桅杆油缸等部件组成，通过液压油缸的作用，可以使桅杆远离或靠近机体，改变桅杆的角度，使其机动灵活、施工效率高。也可以调节桅杆的工作幅度和运输状态桅杆的高度。使其运输高度低于 3.5米，使其适合城市狭窄场地的施10工。变幅角度范围在 075.8，本机定在有利角度 75 。5图 2-6 变幅机构变幅机构工作原理：变幅机构由液压泵驱动液压缸，液压缸实现伸缩运动，通过液压油缸的作用，可以使桅杆远离或靠近机体，改变桅杆的角度，实现变幅运动。还可以调节桅杆的工作幅度和运输状态桅杆的高度。2.2.3 桅杆桅杆是为钻具提供运动导向、位置调整、动力传递的依托部件，钻机钻进时动力装置所承受的扭矩、加压时加压油缸所受的反作用力、提钻时滑轮架滑轮所承受的压力等均作用在桅杆上。动力头和随动架可沿其导轨滑行，为了提高钻进效率在中桅杆上设有加压油缸，加压油缸的一端固定在桅杆上，另一端连接动力头上的滑移架，通过动力头和钻杆可以实现对钻具的加压作用。旋挖钻机下桅杆起导向延伸作用，也是主卷扬机的支承座。根据以往对立柱形状及运输状况优缺点考虑，桅杆桅杆采用三段可折叠式，采用箱形结构，刚性好，重量轻。滑道多采用耐磨方形无缝管，便于传递大扭矩。桅杆由滑轮架、上桅杆、中桅杆、下桅杆、加压油缸等部件组成，它是钻杆、动力头11的安装支承部件及其工作进尺的导向 。6图 2-7 桅杆主要结构图桅杆是为钻具提供运动导向、位置调整、动力传递的依托部件，钻机钻进时动力装置所承受的扭矩、加压时加压油缸所受的反作用力、提钻时滑轮架滑轮所承受的压力等均作用在桅杆上。行驶时，将上、下桅杆折叠安装，同时折叠滑轮架，以减少运输状态整机长度。2.2.4 主副卷扬机主副卷扬机是旋挖钻机起升机构的重要组成部分，主卷扬是在钻进过程中通过卷扬机的正反转来完成钻杆和钻头下放和起升等功能的机构。副卷扬的主要功能是完成附属物品的起吊。图 2-8 主卷扬机卷扬机工作原理：卷扬机构主要由液压马达、内藏式卷扬减速器、卷扬筒、钢丝绳、压绳器、排绳器等组成。卷扬减速器内部自带片式摩擦片液压制动器，主要功能是停车制动。马达与减速器马达与减速器采用德国力士乐公司产品，卷筒根据起重机设计手册以及旋挖钻机在工作时所需要的最大提升力进行自行设计。发动机带动变量泵通过液压传动将动力传递给液压马达，再由液压马达带动滚12筒的旋转，动过变量泵及一系列控制阀实现快慢控制和上提下放功能。2.2.5 钻杆钻杆可以分为摩擦钻杆和机锁钻杆两大类。图 2-9 摩擦式钻杆1、扁头 2、一杆挡环 3、第一节钻杆 4、第二节钻杆 5、第三节钻杆 6、第四节钻杆 7、第五节钻杆 8、减振器总成 9、一杆外键 10、一杆内键 11、弹簧座（托盘） 12、钻杆弹簧 13、方头 14、销轴 图 2-10 多点连续加压式机锁式钻杆 1、扁头 2、一杆挡环 3、第一节钻杆 4、第二节钻杆 5、第三节钻杆 6、第四节钻杆 7、减振器总成 8、一杆外键 9、一杆内键 10、弹簧座（托盘） 11、钻杆弹簧 12、方头 13、销轴图 2-11 六边形摩擦式钻杆摩擦钻杆是指钻杆上的键主要传递转矩，靠摩擦面传递钻压的钻杆。机紧钻杆是指钻杆之间通过加压平台可以锁成一个刚性体对地层加压钻进的钻杆。13摩擦钻杆主要适用于软地层，机锁钻杆不但可用于软地层，也可用于较硬地层施工。与所设计钻机主要用于城市以及建筑工地软底层所以设计摩擦式钻杆。该钻杆是根据以往典型圆柱型钻杆改进的新型六边形摩阻式钻杆该钻杆有着独特的六边形可以在转动时充当花键的作用省掉了以往圆柱型钻杆在内部焊花键，只需要在两端焊接加强板就可以。采用摩阻式钻杆不但可用于软地层，也可用于较硬地层施工。摩阻式钻杆制成 4节，13 节杆每节钢管长 10米。钻孔深度可达 35米左右。根据不同的地质条件可选用不同的钻头，本机可以配用短螺旋钻头、回转斗、岩心钻头、岩心回转斗钻头。钻杆工作原理：钻杆钻杆第一节（最外）采用六边形的边与动力头相配合，以传递扭矩和压力，上端通过回转支承连接架和导轨连接，使之上下滑动，同时能自由转动。内部各节钻杆也利用其独特的六边形棱与其外面一节钻杆相配合，当边与钢板挤压时能传递扭矩和压力，牙边与钢板面离时，各节钻杆可以自由伸缩，最里面一节钻杆上端通过万向节与钢丝绳连接，当钻杆回缩时，通过钢丝绳来提升，下端与钻头连接 。72.2.6 动力头动力头是旋挖钻机的关键工作部件，其性能好坏直接影响钻机整机性能的发挥。动力头是钻机工作的动力源，它驱动钻杆、钻头回转，并能提供钻孔所需的加压力、提升力，能满足高速甩土和低速钻进两种工况。动力头驱动钻杆、钻头回转时应能根据不同的土壤地质条件自动调整转速与扭矩，以满足不断变化的工况。因为动力头为钻杆的旋转提供动力，在实际施工中经常会受到钻杆的巨大冲击作用。为了缓解这种冲击，动力头上安装了弹簧缓冲装置，它的核心元件是套在减震油缸上的弹簧，利用弹簧受压吸收能量以及减震油缸吸收能量来避免动力头被破坏。动力头现有抗振机构及效果在工程机械设备中，缓冲装置是一种被用来缓解冲击，提高产品抗冲稳定性的机构，同时也能够缓解产品的磨损，提高产品或零部件的使用寿命动力头是旋挖钻机重要的工作部件，它直接驱动钻杆旋转，实现钻孔的旋转钻进运动。动力头的抗振是通过缓冲装置来完成的，液压减振装置，这两种装置能缓冲并吸收钻杆对动力头的冲击以及钻杆的冲击，保证锁紧式钻杆的使用安全。动力头是钻机的主要工作机构，他由减速机、液压马达、减速齿轮箱、减振防护装置等组成；马达和减速器分别选用德国力士乐公司产品。14图 2-12 动力头动力头工作原理：工作原理为泵提供压力油给马达，经减速机和齿轮两级减速后，以低速大扭矩的形式通过独特的六边形驱动套传递给钻杆扭矩与压力 。82.3 本章小结本章主要介绍了各种旋挖钻机，通过对比最终确定了旋挖钻机的方案，借鉴其他旋挖钻机的优点来确定要设计的结构形式；确定了车载旋挖钻机的底盘、支腿方案、钻桅的支撑机构、钻桅的结构、钻杆的结构、钻头的选配类型。其次介绍了旋挖钻机的结构组成及其工作原理。15第 3 章 旋挖钻机的计算与分析3.1 动力头的设计计算动力头为液压驱动，齿轮减速，可实现双向钻进和抛土作业，主要由回转机构、动力驱动机构及支撑机构等组成。动力头主要包括托架和驱动器，托架用以支承驱动器使之在导轨上运行，并传递油缸压力，驱动器主要包括液压马达、减速机、齿轮、驱动套管等。泵变量马达系统，可根据土壤地质不同自动改变其扭矩和钻进。采用恒功率泵与变量液压马达配合，使动力头可根据地质条件自动改变其排量和压力，从而改变了输出扭矩及转速，即动力头具有土壤自适应特性。根据设定的参数要求最大转速为 25rpm以及最大输出扭矩为 10000N/m选择德国力士乐公司液压减速机 GFB26T2，其最大输出扭矩为 12000N/m，马达选用力士乐公司 A2FE56。动力头选用两个马达和两个减速器 。9根据输入功率与输出功率 相等10(3-1)出入 P则：2 ，又已知 (3-2)出入 510.92PTn由以上公式可推出：(3-3)21nT由所选减速机的转速比 以及所选马达的转速为 5000rpm。则减速机的4.61i输出转速为：(3-4)7.102./5011 in为了达到最高输出转速则齿轮减速箱的减速比为：(3-5)3.4/212i因为选用两个马达与减速器因此每个小齿轮的设计参数如下：传递功率 P=56(kW)传递转矩 T=5000(Nm)齿轮 1转速 n 1=107.7(rpm)16齿轮 2转速 n 2=25(rpm)传动比 i=4.31则根据原动机载荷特性为中等振动，工作机载荷特性中等振动。预定寿命 H=8000(h)。结构形式为闭式，齿轮布置形式都为对称布置。则大齿轮采用圆柱形直齿齿轮，材料选用 S17Cr2Ni2Mo（表面淬火）硬度：（5662） 。采用硬齿面啮合形式。小齿轮材料也选用 S17Cr2Ni2Mo（表面淬火）硬度：（5662） 。齿轮精度都选择 7级精度。由起重机设计手册查得本机器为中型机器。初定齿轮模数 Mn=12齿轮 1齿数 Z 1=19齿轮 1变位系数 X 1=0.500齿轮 1齿宽 B 1=120(mm)则齿轮 2的相关参数定为：齿轮 2齿数 Z 2=Z1 i=82齿轮 2齿宽 B 2=125(mm)齿顶高系数 =1.00,顶隙系数 =0.25,压力角 =20，则根据以上数据可得：*ah*c*a齿轮的中心距 A 0=606(mm)齿轮 1分度圆直径 d 1=228(mm)，齿顶圆直径 da 1=264(mm)，基圆直 d b1=214(mm)，齿顶高 ha 1=18(mm)，齿根高 h f1=9(mm)。齿轮 2分度圆直径 d2=984(mm)，齿顶圆直径 da2=996(mm)，齿根圆直径 df2=942(mm)，基圆直径 d b2=924(mm)，齿顶高 h a2=6(mm)，齿根高 h f2=21(mm)。齿顶高系数 ha*=1.00,顶隙系数 c*=0.25,压力角 =20(度)*强度校核：由机械设计手册查得使用系数 Ka=1.100，动载系数 Kv=1.02，材料的弹性系数 ZE=189.800，接触强度重合度系数 Z =0.904，齿向载荷分布系数 K =1.000，齿 F间载荷分布系数 KF=1.100，复合齿形系数 Yfs1=3.92330，Yfs 2=4.03096，应力校正系数 Ysa 1=1.78417，Ysa 2=1.59353。计算载荷系数 K。(3-6)1.34avFa由公式：(3-7)FNFEKS17及查得：FE 1=520.0(MPa)，FE 2=480.0(MPa)，弯曲强度用安全系数 SFmin=3。可计算得齿轮 1弯曲疲劳强度许用值：F 1=241.6(MPa) （3-8）齿轮 2弯曲疲劳强度许用值： F 2=223.0(MPa) （3-9）齿轮 1弯曲疲劳强度校核可得： （3-10 ）1F1齿轮 2弯曲疲劳强度校核可得： （3-11）2F2通过校核两齿轮都满足设计要求。3.2 起升机构的设计计算3.2.1 主卷扬机的设计计算 1.卷扬机最大拉力及卷绳速度的计算参考其他厂家已经生产投入使用的旋挖钻机的卷扬机提升速度，将本机的提升速度定位 60(m/min)以内。参考 CZX-12型旋挖钻机动力头扭矩 120（kN m）,主卷扬机 140kN的最大静拉力，副卷扬机 60KN的最大静拉力。在工作时的提升阻力约为120kN。LXW80轮式旋挖钻机的钻杆重量为 4.6t，动力头重量为 1.5t，回转斗的重量约为 0.6t。动力头的最大扭矩为 80( ),将提升阻力定位 100 ，总的提升阻力kNm kN约为：（3-123FGF12）=46+15+6+10=167(kN)将卷扬机的最大静拉力定位 120 ，加压油缸的提升力 100 。根据所需拉kNkN力与卷扬机的提升速度选择德国力士乐公司 GFT 17 W2型减速机。表 3-1输出转矩/T N m可选马达型号 减速比/iA2FE45 66.9612500 A2FE56 79.3618A2FE63 116.55根据卷扬机的输出放卷绳速度选择马达。已知=60(m/min),各个马达对应的输出转速为：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）则由公式：V=nD （3-16）可以得到最接近所需转速的马达为 A2FE63v=3.14 0.44 42.9 （3-17）=60（rpm）因此所选择的马达为 A2FE63。3.2.2 钢丝绳的选择钢丝绳在起升机构中用作承载绳，它是挠性件，具有强度高、自重轻、柔性好、运动平稳无噪音、极少骤然断裂等优点，是轮式旋挖钻机的重要零件之一。有时还用来捆扎货物。钢丝绳经常是与滑轮和卷筒配套使用，所以钢丝绳在工作时总是要进出滑轮槽和卷筒槽。这时，钢丝上的受力是相当复杂的，拉力、弯曲、挤压和扭转同时存在。实践表明，钢丝绳的破坏，首先表现在外层钢丝的断裂，主要原因是由于反复弯曲和反复磨损造成的金属疲劳所致。随着断丝数的增多，破坏的速度加快，达到一定限度后，若再继续使用，将会引起整根钢丝绳完全断裂 。1钢丝绳随着载荷的增加会有微量的伸长，当载荷超过弹性极限时，钢丝绳可能断裂。通常把钢丝绳承受的静载荷控制在断裂载荷的 1/101/5，此为安全负荷。安全负荷表示的是钢丝绳允许承受的额定静载荷。但钢丝绳实际上往往处于运动状态，钢丝绳在工作时除了要承受货物、吊具、自重等静载荷外，还要受到因加速度和冲击引起的动载荷，因弯曲引起的附加载荷，因摩擦引起的阻力载荷等等，由此可见，当静载荷以外的其它载荷增多时，实际的安全系数就降低了，钢丝绳往往由此而引起过载。过载的钢丝绳即使不发生断裂事故，也会大大地缩短其使用寿命。在这里我们选取安全系数 。6n计算钢丝绳绕入卷筒分支的最大静拉力 。 最大额定起升载荷时绕入卷筒的钢S丝绳最大静拉力为:（3-18）mqQS019式中 额定起升载荷, N；0Q01Q起升装置重力,N；q滑轮组倍率， ；mm吊具重量估算为: (N)67将己知的数据代入上式得: (N) （3-80S19）按安全系数 确定钢丝绳直径 :nd（3-Sn绳20）式中 选取钢丝绳的整绳的破断拉力(N)；绳S安全系数，机构工作级别取 n =6；n代入数据得: (N) （3-52068700SnF21）由计算得到的钢丝绳直径 查上海力福玎钢丝绳产品性能表确定应选取的钢丝d绳最小直径 22mm。确定选用的钢丝绳为：钢丝绳 624SW+FC光-右交 GB 1102-74。钢丝绳的固定方式采用 Y13-50绳卡固定。3.2.3 卷筒的设计卷筒是起升机构和牵引机构中卷绕钢丝绳的部件，它用来收放和储存钢丝绳，把驱动装置提供的驱动力传递给钢丝绳，并将驱动装置的回转运动转换成直线运动。根据钢丝绳在卷筒上卷绕的层数分单层绕卷筒和多层绕卷筒。根据钢丝绳卷入卷筒的情况分单联卷筒（一根钢丝绳分支绕入卷筒）和双联卷筒（两根钢丝绳分支同时绕入卷筒） 。单联卷筒可以单层绕或多层绕，双联卷筒一般为单层绕。多层绕卷筒可以减小卷筒长度，使机构常凑，但钢丝绳磨损加快。在设计时卷筒采用多层绕，用Q345钢板弯卷焊接经机加后制成。1.卷筒主要尺寸的确定卷筒的主要尺寸有直径 、长度 和壁厚 。DL(l)卷筒直径20为保证钢丝绳有足够的使用寿命，卷筒的计算直径不宜太小。但从传动装置和受力方面分析，卷筒直径小些更为有利。在起重负荷和起升速度不变时，卷筒直径小，可使减速器尺寸和传递扭矩减小。鉴于上述两个原因，卷筒的名义直径(卷筒的槽底直径)为:(mm) （3-40821edD22）式中 根据机构的工作级别 M5选取 ；e 1e为钢丝绳直径。d(2)绳槽半径：（3-13245.0.dRm23）(3)绳槽深度：（3-924375.0.dh24）(4)绳槽节距：（3-284dpm25）(5)卷筒计算直径：（3-432080dD26）(6)卷筒上有螺旋槽部分长度：（3-6492431010max0 PzHL m27）式中 固定钢丝绳圈数，取 ；1z1z最大起升高度；maxHm滑轮组倍率；(7)卷筒的长度与绳偏折角卷筒长度主要是由容绳量大小来决定，容绳量为 60米，卷绕 2.5层，为正确地卷绕钢丝绳，要求偏折角 维持在允许的极限之内，如图 3-1所示。21绳的偏折角 不应小于 ，以防止钢丝绳在端部挡盘处堆积并确保它安全地5.0进入下一层。绳的偏折角 不应大于 ，以防止钢丝绳从绳槽中脱出，且当卷绕几层时，.1确保卷筒被正确地装满直到端部挡盘。在旋挖钻机中滑轮在卷扬机的正斜上方，因此两侧的偏折角度 相等。由公式：（3-023.197/642tan0hL28）利用反余玄函数可得：（3-3.129）因此所求的的卷绕长度符合要求。图 3-1 卷扬机工作偏折角范围(8)卷筒壁厚22在卷筒结构设计时，其壁厚 可先按下列经验公式初步计算，然后再根据强度条件进行验算。钢卷筒壁厚 (mm)24d材料选用 Q345，强度符合要求，钢丝绳在卷筒上的采用楔块固定。图 3.2 卷筒应力云图其中红色区域为钢丝绳所受应力，其余部分均满足要求。由分析可知卷筒的强度满足要求。3.2.4 滑轮的设计计算滑轮的直径（名义）：（3-edD030）滑轮槽底部：（3-dR)6.054.(31）平衡滑轮：（3-08.6D）（平32）（3-453233）根据钢丝绳的直径： d可得：23（3-)(4320mD34）（3-14.96.124)6.5.( R35）取 。4520D其他尺寸数据根据起重机设计手册选取。滑轮内轴承选择圆柱滚子轴承NU2214E，滑轮用球墨铸铁铸造而成。3.3 本章小结本章在查阅了大量资料的基础上，选择设计了旋挖钻机的动力头卷扬起升机构，并对卷筒进行了校核，通过一系列的计算使我对卷扬起升机构有了更深一层的了解，为后续设计奠定了基础。24第 4章 主要零部件的分析4.1 滑轮架的分析计算滑轮架位于上桅杆的顶部，主要作用是承受主副卷扬钢丝绳的压力载荷，因此在工作时总是处于受力状态，因此在设计时材料选用 Q345。滑轮架的受力最大工况有两个：一
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