DNXW100铁路公路两用旋挖钻机设计【11张CAD图纸和说明书】
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共46页)
编号：10400512
类型：共享资源
大小：6.76MB
格式：RAR
上传时间：2018-08-08
上传人：俊****计
认证信息
个人认证
束**（实名认证）
江苏
IP属地：江苏
40
积分
- 关 键 词：
-
dnxw100
铁路
公路
两用
钻机
设计
11
十一
cad
图纸
以及
说明书
仿单
- 资源描述：
-
目 录
第1章 概述 1
1.1 引言 1
1.2 国内外旋挖钻机的发展状况 2
1.3 铁路、公路两用旋挖钻机的优越性 5
1.4 本章小结 5
第2章 铁路公路两用旋挖钻机结构设计 6
2.1 铁路公路两用旋挖钻机方案的确定 6
2.2 铁路公路两用旋挖钻机的总体设计 13
2.3 本章小结 15
第3章 铁路公路两用旋挖钻机主要部分的计算与分析 16
3.1 轨道行驶机构的设计计算 16
3.2 主卷扬部分设计计算 17
3.3 钻桅部分的设计计算及有限元分析 20
3.4 动臂部分的静力学分析 26
3.5 本章小结 28
第4章 整机稳定性计算 29
4.1 整机稳定性校核 29
4.2 整机稳定度分析 32
4.3本章小结 33
第5章 液压系统设计 34
5.1 液压系统设计 34
5.2 液压系统图 35
5.3 重要液压元件的选型 35
5.4 本章小结 37
结论 38
参考文献 39
致 谢 40
第1章 概述
1.1 引言
随着全球经济的高速发展，基本建设范围的持续拓宽，以人为本和保护环境的理念及至相关法津法规实施的不断强化，使桩基础特别是现浇混凝土灌注桩基础几乎取代了其他基础，得到了广泛的应用空间。旋挖钻机因其效率高、污染少、功能多的特点，适应上述综合发展的需求，在国内外的现浇混凝土灌注桩施工中得到了广泛应用。
旋挖钻机（如图1-1），除配置各种回转斗作业外，也要配置短螺旋和长螺旋钻进，安装套管护壁钻进，配合摇管装置和冲抓斗等进行会套管施工；配合伸缩式导杆抓斗进行地下连续墙施工，配合潜孔锤进行硬岩破碎施工；更换作业装置后也可进行旋喷施工和正循环施工；也可以配置液压锤、振动锤、柴油锤等进行其他形式桩基础进行施工[1]。
图1-1 旋挖钻机
旋挖钻机一般适用于粘土，粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层。对于具有大扭矩动力头和自动内锁式伸缩钻杆的钻机，可以适应微风化岩层。为了满足施工要求，旋挖钻机底盘和工作装置的配置具有装机功率大、输出扭矩大、机动灵活、多功能、施工效率高等特点。目前，旋挖钻机的最大钻孔直径为3m，最大钻孔深度达120m，主要集中在40m以内，最大钻孔扭矩620kNm。
“十一五”期间我国将投巨资进行铁路、公路、电力、城市公共设施等的建设，桩基础施工机械必将有一个大的发展。而为应对2008年爆发的经济危机，国家扩大内需，决定今后三年投资3.5万亿用于铁路建设，这对工程机械公司必将是个难得的机遇，旋挖钻机主要应用于桥梁和高速铁路，是此次工程机械行业中受益最为直接的产品。有机械研究员表示，已经开工的京沪高铁项目总投资为1300多亿元，将于2010年投入运营。高速铁路桩基工程若同时全面开工2000公里，需新增300～500台旋挖钻机。未来2～3年旋挖钻机国内每年的市场需求将达600～800台，以450万元一台的单价计，其市场容量高达27亿～36亿元。
而“十一五”期间铁路建设目标，是拉动旋挖钻机业务的另一引擎。其间，我国将建设铁路新线1.7万公里。而我国正在进行的大规模城市化建设也为旋挖钻机提供了广阔市场需求。据此预计，旋挖钻机未来3年仍将保持40%以上的增长。
国内旋挖钻机底盘多为履带式底盘，铁路公路两用旋挖钻机目前还是空白，但鉴于国家大力发展铁路建设，铁路公路两用旋挖钻机将会得到广泛应用，市场前景相当乐观[2]。
- 内容简介：
-
0第 1 章 概述1.1 引言随着全球经济的高速发展，基本建设范围的持续拓宽，以人为本和保护环境的理念及至相关法津法规实施的不断强化，使桩基础特别是现浇混凝土灌注桩基础几乎取代了其他基础，得到了广泛的应用空间。旋挖钻机因其效率高、污染少、功能多的特点，适应上述综合发展的需求，在国内外的现浇混凝土灌注桩施工中得到了广泛应用。旋挖钻机（如图 1-1） ，除配置各种回转斗作业外，也要配置短螺旋和长螺旋钻进，安装套管护壁钻进，配合摇管装置和冲抓斗等进行会套管施工；配合伸缩式导杆抓斗进行地下连续墙施工，配合潜孔锤进行硬岩破碎施工；更换作业装置后也可进行旋喷施工和正循环施工；也可以配置液压锤、振动锤、柴油锤等进行其他形式桩基础进行施工 1。 图 1-1 旋挖钻机1旋挖钻机一般适用于粘土，粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层。对于具有大扭矩动力头和自动内锁式伸缩钻杆的钻机，可以适应微风化岩层。为了满足施工要求，旋挖钻机底盘和工作装置的配置具有装机功率大、输出扭矩大、机动灵活、多功能、施工效率高等特点。目前，旋挖钻机的最大钻孔直径为 3m，最大钻孔深度达 120m，主要集中在 40m 以内，最大钻孔扭矩 620kNm。“十一五”期间我国将投巨资进行铁路、公路、电力、城市公共设施等的建设，桩基础施工机械必将有一个大的发展。而为应对 2008 年爆发的经济危机，国家扩大内需，决定今后三年投资 3.5 万亿用于铁路建设，这对工程机械公司必将是个难得的机遇，旋挖钻机主要应用于桥梁和高速铁路，是此次工程机械行业中受益最为直接的产品。有机械研究员表示，已经开工的京沪高铁项目总投资为1300 多亿元，将于 2010 年投入运营。高速铁路桩基工程若同时全面开工 2000 公里，需新增 300500 台旋挖钻机。未来 23 年旋挖钻机国内每年的市场需求将达 600800 台，以 450 万元一台的单价计，其市场容量高达 27 亿36 亿元。而“十一五”期间铁路建设目标，是拉动旋挖钻机业务的另一引擎。其间，我国将建设铁路新线 1.7 万公里。而我国正在进行的大规模城市化建设也为旋挖钻机提供了广阔市场需求。据此预计，旋挖钻机未来 3 年仍将保持 40%以上的增长。国内旋挖钻机底盘多为履带式底盘，铁路公路两用旋挖钻机目前还是空白，但鉴于国家大力发展铁路建设，铁路公路两用旋挖钻机将会得到广泛应用，市场前景相当乐观 2。1.2 国内外旋挖钻机的发展状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（如图 1-2 所示） ，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 1-3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。2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。1960 年德国维尔特和盖尔茨盖特公司同时开发了可动式动力头。1975 年德国宝峨公司研制了配有伸缩钻杆的 BG7 型钻机。该钻机直接从底盘提供动力，配置可锁式钻杆实现加压钻孔，钻孔扭矩增大，可实现在紧密砂砾层和岩层的钻孔。日本于 1960 年从美国引进 CALWELD 公司生产的旋挖钻机，同年加藤制作所开发了 15-H 型钻机，以后开发了可配套摇管装置和抓斗的钻机。1965 年日立建机研制了利用挖掘机底盘装有液压加压装置的钻机；1974 年开发了利用液压马达驱动液压履带起重机底盘的钻机。1981 年日立建机与土力公司合作开发了为提高单桩承载力的扩底钻头，日本车辆之后也开发了扩底钻头，使旋挖钻机进入了钻孔扩底灌注桩的施工领域。德国宝峨的加入和日立建机与住友建机的联盟进一步促进了旋挖钻机技术在日本的发展。目前国外的旋挖钻机主要生产厂家如表 1-1 所示:表 1-1 国外旋挖钻机主要厂家德国 BAUER、LIEBHERR、DELMAG、WIRTH、MGF意大利 SOILMEC、MAIT、CMV、IMT、CASAGRANDE、ENTEGO日本 口本车辆、口立、住友、加藤芬兰 JUTTAN、TAMROCK美国 APE、Ingersoll-Rand西班牙 LLAMADA1984 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；1987 年在北京展览馆首次展出了意大利土力公司（SOILMEC ）产品；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；1995 年宝峨公司在天津成立了独资子公司宝峨天津机械工程有限公司，组装适合中国市场的宝峨 BG20 型旋挖钻机；1998年徐工集团开始自主开发研制 RD18 旋挖钻机，于次年试制成功并投入生产，同3年上海金泰股份有限公司与宝峨合作组装 BG15 型旋挖钻机；1999 年哈尔滨四海工程机械公司和徐州工程机械股份公司先后开发了附着式旋挖钻机和独立式旋挖钻机；2001 年经纬巨力第一台旋挖钻机试制成功；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。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，口本口立建机等；国内北京三一重机、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 TRSVE 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。 3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 lm，大型钻机孔径可达到 3m。随着青藏铁路、奥运场馆、哈大线、京沪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。而铁路、公路两用旋挖钻机因其运输的灵活性也即将成为旋挖钻机家族的新4星，但因国内旋挖钻机发展历史较短，所以铁路、公路两用旋挖钻机在国内尚属空白。图 1-4 宝峨钻机 图 1-5 迈特钻机 51.3 铁路公路两用旋挖钻机的优越性旋挖钻机作为新型深基础桩孔施工设备，与传统的工程钻机相比，具有高效率、低噪音、低污染等特点。旋挖工法已经成为重要的桩孔施工手段，它对加快建设速度、保证工程质量、降低工程成本、提高作业效率、保护环境具有重要的意义。其优点如下:（1）铁路、公路两用旋挖钻机为车载式旋挖钻机改造而来（如图 1-6） ，运输方便，既可公路运输又可铁路运输。从公路到铁路的转换可在任何铁道侧进行，只要邻近有一块平地即可。汽车把两用车倒退到铁道用车架上，随后轨道行驶机构液压缸伸出，顶起汽车轮，这样就能利用铁路运输。（2）钻进速度快，成孔时间短，极大地提高了成孔速度缩短了施工工期。（3）作业占地面积小。普通钻机成孔配有相应的泥浆池，增加了工作量和作业面积，为安全生产及下部施工带来了隐患，特别是城市桥梁施工中不宜采用。而旋挖 工法，当地层为勃土时可以不用泥浆护壁，采用无水钻进，将泥土取出运走；当地层 图 1-6 车载式旋挖钻机为砂层时，可以边钻进，边注入清水，浇注时，孔内泥浆可以用泵抽走，水车运走，不必设置泥浆池，减少了作业面积，特别适用于城市桩基施工。（4）成孔质量高，费用低，且保护周围环境。由于旋挖钻机在桩孔施工中钻进速度快，周期缩短，定位准确，保证了钻孔质量，且不用泥浆护壁，减少了人工及相应的机械费用，提高了工作效率，降低了成本，保护了周围环境。1.4 本章小结本章主要介绍了旋挖钻机在工程基础建设中起到越来越大的作用，随着国家“十一五”计划的实施以及今后三年对铁路建设的巨大投资，铁路公路两用旋挖钻机的巨大市场及难得的发展机遇，以及国内外旋挖钻机的发展情况和铁路、公路两用旋挖钻机的优越性，为本次设计的旋挖钻机提供了行业应用基础。6第 2 章 铁路公路两用旋挖钻机结构设计2.1 铁路公路两用旋挖钻机方案的确定旋挖钻机是一种适合建筑基础土程中成孔作业的施土机械，广泛用于市政建设、公路桥梁、高层建筑等地基施工工程，此次设计的铁路公路两用旋挖钻机主要用于铁路桥梁的地基施工工程。旋挖钻机可配合不同钻具，适应于干式（短螺旋）、湿式（回转斗）及岩层（岩心钻）的成孔作业。旋挖钻机具有扭矩大、机动灵活、施土效率高及多功能的特点，适于我国大部分地区的土壤地质条件，使用范围较广，土作环境温度在2040 。旋挖钻机的结构主要有底盘、钻桅、变幅机构、主副卷扬、动力头、钻杆、钻头、转台、发动机系统、驾驶室、覆盖件、配重、液压系统、电气系统等。以下结合目前国内外的旋挖钻机及铁路公路两用车结构，对铁路、公路两用旋挖钻机主要结构设计进行探讨。2.1.1 底盘铁路公路两用旋挖钻机可采用把车载式旋挖钻机进行铁路化改造的方案，汽车底盘可向国内专业汽车生产商购买。在汽车底盘的基础上，为适应铁路上运输的需要，应加装轨道行驶机构。国内外已有铁路公路两用车的成熟产品，如铁路公路两用起重机（如图 2-1）和铁路公路两用多用途车（如图 2-2） ，这里可以参照。而为了满足旋挖钻机工作时性能要求，须加装液压支腿。图 2-1 铁路公路两用起重机7图 2-2 铁路公路两用多用途车2.1.1.1 轨道行驶机构汽车底盘上安装的火车轮应具备升降功能，当车载钻机在公路上行驶时，火车轮为收缩状态，钻机靠底盘胶轮行驶。当在火车轨上运输时，火车轮伸出，行驶时动力来源为牵引。国内外的铁路、公路两用车的轨道行驶机构有许多形式。例如，弧形伸缩式（图 2-3）和上下直线伸缩式（图 2-4） 。图 2-3 弧形伸缩式轨道行驶机构8图 2-4 直线伸缩式轨道行驶机构2.1.1.2 底盘支腿形式 钻机工作时，需要有支腿支撑，所以还需加装支腿。支腿的作用是，在不增加钻机宽度的条件下，为钻机工作时提供较大的支承跨度，从而在不降低钻机机动性的前提下，提高其支撑特性。支腿的形式有：（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，目前已被广泛采用。 （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，在作业时，全部载荷不经过车架而是直接作用在支腿上，回此，可减轻车架自重并降低整机重心高度，保护底盘不受损坏。9（5）摆动支腿 这种支腿在作业时，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。 2.1.2 钻桅桅杆是动力头和钻杆的附着体，现多采用折叠式，有圆形、矩形截面两种。桅杆顶部装有滑轮组，用来完成对动力头、钢筋笼和注浆导管的起降。桅杆前面两侧配有矩形导轨，作为动力头上下运动的导向。桅杆上依次装有滑轮架、加压油缸及动力头。桅杆采用液压缸进行起降，方便快捷，运输时不用拆卸。2.1.3 变幅机构变幅机构常用形式有两种，分别为平行四边形和三脚架的两级变幅机构（如图 2-5）和大三角形变幅机构（如图 2-6） 。图 2-5 平行四边形变幅机构 图 2-6 大三角形变幅机构 平行四边形两级变幅机构由动臂、三角形联结体、支撑杆、变幅缸、桅杆缸部件组成。动臂下端、支撑杆下端、变幅缸下端分别铰接于回转平台前端，上端分别铰接于三角形联接体的两个角端。三角形联接体另一角通过转盘和中桅杆下端铰接在一起。通过其上大臂油缸的作用，可使桅杆远离机体或靠近机体。通过桅杆角度的调整，可实现对桅杆工作幅度、运输状态桅杆高度以及桅杆相对地面角度的调节，使其动作机动灵活，提高工作效率 3。钻架采用的这种“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。大三角形变幅机构可以加大变幅油缸安装距离，增大钻桅的稳定性。但也使转台的设计变得复杂，且升高了运输时的整车高度。国外车型中也仅有宝峨公司10一家使用此结构。2.1.4 主副卷扬主卷扬用以提升和下放钻杆，卷扬驱动方式为液压驱动。主卷扬是在钻进过程当中完成钻杆和钻头下放和提升等功能的机构，而副卷扬的主要功能是完成工地上所需的焊机钻头等附属物品的起吊。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；液压马达上带有液压制动阀。2.1.5 动力头动力头（如图 2-7）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、牙嵌式套管等，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牙嵌式套管传递给钻杆。动力头一级齿轮箱采用循环油润滑，一级齿轮箱采用油浴润滑。动力头下部有冲撞体，作用是用回钻斗时，打开钻斗底门卸土。该部件控制系统采用了变量泵变量马达系统，可根据土壤地质不同自动改变其扭矩和钻进。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 图 2-7 动力头钻机工作的动力源，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。国内的动力头为液压驱动，齿轮减速，可实现双向钻进和抛土作业，主要由回转机构、动11力驱动机构及支撑机构等组成。回转机构主要由齿轮与钻杆互锁的套管、回转支承、密封件等组成。另外，支撑机构由滑槽、支座上盖与油缸连接件等组成，均为焊接结构件，应充分考虑其内部润滑，并应有润滑油高度显示 4。2.1.6 钻杆根据钻孔时采用的钻进加压方式不同，钻杆分为三种类型：摩擦加压式钻杆（简称：摩擦杆） 、机锁加压式钻杆（简称：机锁杆，又称：凯式钻杆）和组合加压式钻杆（简称：组合杆） 。摩擦式钻杆（如图 2-8）一般用于较软底层的钻孔施工，可钻进淤泥层、泥土、 （泥）砂层、卵石层、强风化岩层等。摩擦式钻杆一般制成 5 节，14 节杆每节钢管长 13 米。钻孔深度可达 60 米左右。图 2-8 摩擦式钻杆 机锁式钻杆（如图 2-9）不但可用于软底层，也可用于较硬底层施工。比如，可钻进强风化岩层、中风化岩层和弱风化岩层等。机锁式钻杆一般制成 4 节，13 节杆每节钢管长 13 米。钻孔深度可达 50 米左右。图 2-9 机锁式钻杆12组合式钻杆（如图 2-10）是近年来出现的一种机锁杆（如 1、2、3 节杆）和摩擦杆（如 4、5 节杆）组合在一起的钻杆。该钻杆在孔深 030 米范围可钻较硬底层，在孔深 3060 米范围可用于软地层钻孔施工。该钻杆特别适用于上硬下软较深桩孔的钻孔施工。图 2-10 组合式钻杆2.1.7 钻头目前国内外旋挖钻机的钻头有 3 种常用的结构：短螺旋钻头（如图 2-11） 、回转斗钻头（如图 2-12） 、岩心钻钻头（如图 2-13） 。如 8622HD 旋挖钻机的钻头有短螺旋钻头、单层底旋挖钻斗、双层底旋挖钻斗共 4 个。目前国内外旋挖钻机的钻头的 3 种常用的进土结构如下。（1）短螺旋钻头旋挖钻头以短螺旋钻头为主，它主要靠螺旋叶片之间的间隙来容纳从孔底切削下来的土、砂砾等，这种钻头结构简单、造价低。地层较好时，使用它也可达到好的效果，如果地下砂砾石较多或含水较多时，在提钻时很容易掉块，钻进效率低，甚至不能成孔。（2）单层底旋挖钻斗在地下水位较高或含砂砾较多的地层，多数旋挖钻机采用钻斗钻进，用静压泥浆护壁，这种钻孔土艺明显优十短螺旋钻头钻孔。最早的旋挖钻斗是单层底，在底下方有对称的 2 扇仅可向斗内方向打开的合页门。当钻斗钻进时，孔底切削下来的土、砂经合页门压入斗内；在提钻时，在斗内土砂的重力作用下，两扇门向下关闭，以阻止砂土漏回孔内。由十这种重力作用不是十分可靠，常发生合页门关闭不严，造成砂土漏回孔内，降低了钻进效率，影响孔底清洁度。（3）双层底旋挖钻斗自 90 年代以来，国外的一些公司在原单层底钻斗的基础上，开发出双层底的旋挖钻斗。其特点是 2 层底可以相对回转一个角度，以实现斗底进土口的打开与关闭。即在顺时针旋转切削时，底部的进土口为开放状态，当钻完一个回次后，将钻斗逆时针旋转一个角度，致使进土口强行关闭，从而使13切削物完整地保存在斗内。实践表明，在复杂地层中，双层底钻斗的钻进效率及孔底清洁度明显优于单层底钻斗。图 2-11 短螺旋钻头 图 2-12 回转斗钻头 2-13 岩心钻钻头2.1.8 确定设计方案根据国内外旋挖钻机的不同结构及优缺点，确定本次设计方案为：底盘采用汽车底盘改造，底盘经过选择，决定采用中国重汽 ZZ3257M3841 型改装车底盘。轨道行驶机构根据底盘空间，决定布置成弧形收缩式，支腿采用蛙形支腿；又因钻孔深度较浅，为减少准备时间，提高运输效率，钻桅不采用折叠式，并且采用平行四边形和三脚架的两级变幅机构支撑；主副卷扬安装在上车上；钻杆采用摩擦式钻杆；配有短螺旋、回转斗、岩心钻三种钻头。2.2 铁路公路两用旋挖钻机的总体设计2.2.1 铁路公路两用旋挖钻机设计参数此次设计的铁路公路两用旋挖钻机的设计参数如表 2-1表 2-1 铁路公路两用旋挖钻机设计参数表项目 单位 数值最大钻孔直径 mm 1800最大钻孔深度 m 30最大名义扭矩 kN/m 100最大钻孔速度 rpm 43甩土速度 rpm 178主卷扬最大提升力 kN 102副卷扬最大提升力 kN 41卡车底盘载重 ton 25142.2.2 铁路公路两用旋挖钻机总体布置根据设计参数和确定的方案，通过用 Solidworks 平面布局分析，确定了铁路公路两用旋挖钻机的总体布置。铁路公路两用旋挖钻机布置方案如图 2-14 所示，其由钻杆、动力头、钻具、主卷扬、副卷扬、钻桅、变幅机构、上车部分、汽车底盘、液压支腿、轨道行驶机构等组成 6。1、钻杆 2、动力头 3、钻具 4、钻桅 5、变幅机构 6、上车部分 7、汽车底盘 8、液压支腿 9、轨道行驶机构图 2-14 铁路公路两用旋挖钻机布置总图152.3 本章小结本章主要介绍对比了旋挖钻机各个部分的各种形式，确定各种形式的优缺点，最终确定了铁路公路两用旋挖钻机的方案，并对其进行了总体设计，合理布置了各部分的位置。16第 3 章 铁路公路两用旋挖钻机主要部分的计算与分析3.1 轨道行驶机构的设计计算3.1.1 轨道行驶机构的初步设计轨道行驶机构主要由液压缸、火车轮、火车轮支撑杆、固定支座组成。其中，火车轮、液压缸为外购件，所以主要设计的是火车轮支撑杆。车载钻机在火车轨道上行驶时，动力靠牵引，本身不提供动力行驶。此次设计的轨道行驶机构采用弧形收缩式，主要优点是节省空间，液压缸受力小，能采用较小缸径的液压缸，而且与汽车底盘配合也更紧密，不会引起长度和宽度方向上的增加。火车两轨之间距离是 1435mm，支撑杆与火车轴为整体，是铸钢件。设计完后底盘模型如图 3-1（收缩状态）和图 3-2（伸出状态） 。图 3-1 轨道行驶机构收缩状态图 3-2 轨道行驶机构伸出状态173.1.2 火车轮支撑杆的有限元分析火车支撑杆的有限元分析如图 3-3图 3-3 火车轮支撑杆有限元分析云图所用铸钢的钢号为 ZG50Mn2，其屈服强度为 445MPa，由图 3-3 可以看出，最大应力为 226MPa，取安全系数为 2，则此件满足设计要求。3.2 主卷扬部分设计计算3.2.1 钢丝绳钢丝绳是挠性件，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，而成为旋挖钻机的重要零件之一。主卷扬钢丝绳在旋挖钻机工作时起承受钻杆、钻具、泥土和粘滞阻力作用，副卷扬钢丝绳在钻孔时起辅助作用，例如安装动力头或吊钢丝笼。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。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18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 8。在这里我们选取安全系数 。5n在设计参数中主卷扬的最大提升拉力为 102kN，则可知主卷扬钢丝绳最大拉力 : S（N）102S按安全系数 确定钢丝绳直径 :nd（3-nF03）式中 选取钢丝绳的整绳的破断拉力（N） ；0F安全系数，机构工作级别取 。n 5n代入数据得: （N）101020Sn由计算得到的钢丝绳直径 查钢丝绳产品性能表确定应选取的钢丝绳最小直d径 mm。5.2d确定选用的钢丝绳为：绳 6X（31）25.52000 光右交 GB 1102-74 钢丝绳的固定方式采用 Y13-50 绳卡固定。3.2.2 卷筒的设计计算 1.卷筒的类型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。 2.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19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）5.43.218）（）（ deD式中 根据机构的工作级别选取 ；ee为钢丝绳直径。d（2）绳槽半径 （mm） .5.3.05.R（3-5）（3）绳槽深度 （mm ） 7.62dh（3-6）（4）绳槽节距 （mm） 2845.4）（）（p（3-7）（5）卷筒计算直径 （mm） 45930 dD（3-8）（6）卷筒上有螺旋槽部分长度（mm） 61745.2.481510max0 pzDHL（3-9）式中 固定钢丝绳圈数，取 。1z1z（7）卷筒长度卷筒长度是由容绳量大小来决定。而容绳量又取决于起升高度和滑轮祖倍率。多层绕卷筒旋转时收放钢丝绳的数量（即容绳量）为: （mm ） 3265.846901.1. ndDlpL（3-10 ）式中 多层卷绕钢丝绳总长度；l多层卷绕圈数；n （mm） 。 p 295.).1()2.1( d（8）卷筒壁厚在卷筒结构设计时，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） 5.2d3.卷筒的强度验算卷筒在钢丝绳的拉力作用下，产生压缩，弯曲和扭转剪应力，其中压缩应力最大。当 时，弯曲和扭转的合成应力不超过压缩应力为 10%15%，只计DL20算压应力即可。当 时，要考虑弯曲应力。对尺寸较大，壁厚较薄的卷筒DL3还须对筒壁进行抗压稳定性验算。由于 卷筒筒壁的最大压应力出现在筒壁DL3的内表面，压应力 按下式计算:e（3-eepSAmax2112）式中 卷筒壁压应力（MPa） ；e钢丝绳最大静拉力（N） ；maxS卷筒壁厚（mm） ；绳槽节距（mm） ；P应力减小系数，在绳圈拉力作用下，筒壁产生径向弹性变形，1A使绳圈紧度降低，钢丝绳拉力减小，一般取 ；75.01A多层卷绕系数，取 ；2 2A许用压应力，对钢 = ， 为钢的屈服极限。eessee MPapSA 7.14029.50.127.max21材料选用 Q345，强度符合要求，钢丝绳在卷筒上的采用压绳销固定。卷筒的结构如图 3-4 所示。图 3-4 卷筒的结构 213.3 钻桅部分的设计计算及有限元分析钻桅是旋挖钻机的主要承力构件，对整机的安全作业起着重要作用。钻桅为动力头和钻杆等提供支承和导向，抗冲击、振动，应具有良好的刚性和稳定性 9。普通履带式旋挖钻机钻桅由滑轮架、上节、中节、下节组成，主截面采用大圆角箱形截面，通过钢销连接成可折叠式结构，以减少运输状态整机长度和高度。加压油缸的缸体前端铰接于钻桅上，油缸活塞杆铰接于动力头托架上。通过加压油缸的伸缩，可以实现动力头对钻杆钻孔时的进给压力。加压油缸上装有平衡阀，在不向加压油缸供油的情况下，可将动力头可靠地锁定在任意位置上。钻桅起落油缸铰接于钻桅和三角架之间，通过钻桅起落油缸的伸缩，可以使钻桅处于作业或转场状态，也可调节钻桅的作业角度。本次设计的铁路公路两用旋挖钻机因钻孔深度较浅，所以桅杆可做成一节，把上节、中节和下节合在一起，这样对于提高运输效率和增强桅杆受力状况都是有利的。钻桅的有限元分析可以分为两个步骤：一、对滑轮架进行分析，然后列举处滑轮架固定部分的反作用力。二、将列举出的反作用力加到桅杆上 10。3.3.1 滑轮架的有限元分析滑轮架主要作用是承受主副卷扬钢丝绳的载荷，其危险工况有两个：一是直接提钻工况。此时滑轮架主滑轮钢丝绳承受钻杆重力、钻斗重力、土壤重力和钻斗与土壤之间的粘滞阻力，主卷扬最大提升力达到 102kN，即滑轮架主滑轮上钢丝绳受力为 102kN，而副滑轮不受力。二是钻孔已完成，副卷扬吊钢丝笼放进孔内工况。此时主滑轮钢丝绳承受钻杆重力和钻斗重力，而副滑轮上钢丝绳达到最大力，即 43kN。工况一：工况一时滑轮架有限元分析云图如图 3-522图 3-4 滑轮架直接提钻工况下有限元分析云图工况一下滑轮架有限元分析结果如表 3-1。表 3-1 工况一下滑轮架有限元分析结果表名称 类型 最小 位置 最大 位置应力VON:von Mises 应力8.19953e-005 N/mm2 （MPa）节: 23107（313.572 mm， 25 mm，-269.954 mm）104.872 MPa节: 1842（-110.221 mm， 873.247 mm， -3.13037 mm）位移 URES:合位移0 mm节: 1（170.835 mm，0 mm， 479.364 mm）0.186752 mm 节:1322（-82.12 mm， 1249.85 mm， -59.8281 mm）滑轮架所用材料为 Q345B，其材料属性如表 3-2。表 3-2 Q345B 材料属性表属性名称 数值 单位 数值类型弹性模量 2.06e+011 N/m2 恒定泊松比 0.28 NA 恒定抗剪模量 7.9e+010 N/m2 恒定质量密度 7850 kg/m3 恒定张力强度 4.7e+008 N/m2 恒定屈服强度 3.45e+008 N/m2 恒定热扩张系数 1.3e-005 /Kelvin 恒定热导率 44 W/（m.K） 恒定比热 460 J/（kg.K） 恒定由图 3-4、表 3-1 和表 3-2 可知，工况一时滑轮架最大应力为 104.9MPa，而材料 Q345B 的屈服强度为 345MPa，取安全系数为 2，104.9MPa345MPa/2，即在此工况下，滑轮架满足要求。23工况二：工况二时滑轮架有限元分析云图如图 3-5图 3-5 滑轮架副卷扬最大提升力工况下有限元分析云图工况二下滑轮架有限元分析结果如表 3-3。表 3-3 工况二下滑轮架有限元分析结果名称 类型 最小 位置 最大 位置应力VON:von Mises 应力6.49556e-005 MPa节: 8673（330.835 mm， 25 mm， -241.145 mm）51.5582 MPa节: 1846（-110.238 mm， 873.298 mm， -3.13119 mm）位移URES:合位移0 m节: 1（170.835 mm，0 mm ， 479.364 mm）0.000100138 m节: 21500（-428.253 mm，335.832 mm， 549.273 mm）由图 3-5、表 3-2 和表 3-3 可知，工况二时滑轮架最大应力为 51.56MPa，而材料 Q345B 的屈服强度为 345MPa，取安全系数为 2，51.56MPa345MPa/2，即在此工况下，滑轮架满足要求。3.3.2 桅杆的有限元分析桅杆也采用在 Solidworks Simulation 里单独分析，桅杆的有许多工况例如起架工况、钻孔工况、提钻工况、卸土工况、转位工况等，对钻桅影响大的是钻孔工况、提钻工况、副卷扬受力工况，均属于危险工况。若是直接提钻工况与副卷扬受力工况，其上所加的力为分析滑轮架时的反作用力。若是钻孔工况，其上所加的力来自动力头的扭矩。24（1）钻孔工况下桅杆的静态有限元分析：此工况下，桅杆主要受力来自动力头的扭矩，应把动力头扭矩转化成桅杆两导轨处所受的力。已知动力头上扭矩最大为 100kN/m，桅杆宽为 540mm，所以转化到导轨上的力为 NF3702/54.10而且此力应加在离转台极远处，此处力引起的桅杆变形最大，最大应力也出现在此种工况下。钻孔工况下桅杆有限元分析云图（图 3-6）如下：图 3-6 钻孔工况下桅杆的有限元分析云图钻孔工况下桅杆有限元分析结果如表 3-4。表 3-4 钻孔工况下桅杆有限元分析结果名称 类型 最小 位置 最大 位置应力VON:von Mises 应力0.013207 MPa 节:32314（167.548 mm，-18.245 mm， 9523.75 mm）253.941 Mpa 节: 31735（206.005 mm， -57.4737 mm， 3478.68 mm）位移 URES:合位移0 m节: 292（-1.31501e-012 mm， -27.8317 mm，726.8 mm）0.00417172 m节: 3193（1245.35 mm， -209.927 mm， 9552.87 mm）由图 3-6、表 3-2 和表 3-4 可知，桅杆最大应力为 253.9MPa，但最大应力点出现在起架油缸的铰点销轴上，此处加销轴是为分析方便，所以此最大应力点可以忽略。通过 ISO 剪切（如图 3-7）发现，超过桅杆上应力超过 170MPa 处只有极少数部分。而材料 Q345B 的屈服强度为 345MPa，取安全系数为 2，桅杆上应力只25要不超过 170MPa 的都是安全的，所以可以说在此工况下，桅杆已基本满足要求。图 3-7 钻孔工况桅杆有限元云图的 ISO 剪切（2）直接提钻工况下桅杆的静态有限元分析：在此工况下，桅杆受力主要来自滑轮架，利用列举滑轮架分析中的反作用力作为桅杆分析的受力，此工况下桅杆有限元分析云图（图 3-8）如下：26图 3-8 提钻工况下桅杆的有限元分析云图由图 3.3.2-3 可知桅杆大部分应力都在 170MPa 以下，所以在钻孔工况下，桅杆符合要求。（3）副卷扬最大提升力工况下桅杆的静态有限元分析：此工况下分析步骤与直接提钻工况相同，也是利用在副卷扬最大提升力工况下列举滑轮架的反作用力来作为此时桅杆的受力。副卷扬
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号