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湘潭大学 兴湘学院 毕业论文（设计）任务书 论文（设计）题目： 45 吨旋挖钻机伸缩式履带行走装置设计 学号： 2006183816 姓名： 胡浚哲 专业： 机械设计制造及自动化 指导教师： 周友行 系主任： 一、主要内容及基本要求 1、对液压旋挖钻机伸缩式履带行走装置进行了结构、功能上的分析。 2、行走装置方案的确定。 3、确定发动机的功率。 4、根据受力情况对行走装置进行结构设计。 5、用 进行三维建模。 6、绘制工程图。 二、重点研究的问题 利用 参数化建模，对伸缩式履带行走架进行受力分析，确定各个零件的尺寸，并进行校核。 三、进度安排 序号 各阶段完成的内容 完成时间 1 完成资料检索 3 月 8 日 3 月 18 日 2 行走架尺寸数据 库的建立与分组分析 3 月 19 日 3 月 26 日 3 行走架 的参数化建模 3 月 27 日 3 月 29 日 4 行走 方案的确立 3 月 30 日 4 月 8 日 5 行走架 的设计与分析 4 月 9 日 4 月 19 日 6 三维建模设计与结构优化 4 月 20 日 5 月 8 日 7 论文撰写 5 月 9 日 5 月 16 日 8 英文翻译 5 月 17 日 5 月 20 日 四、应收集的资料及主要参考文献 1周建钊主编 M. 北京 ：国防工业出版社 . 2周良德、朱泗芳主编 M南科学技术出版社 3罗迎社主编 M汉理工大学出版社 4孔德文等 M. 北京：化学工业出版社 . 5赵克利等 M. 北京：化学工业出版社 6濮良贵，纪名刚 七版） M 西北工业大学机械原理及机械零件教研室，高等教育出版社 ， 2000 7孙恒，陈作模 六版） M：高等教育出版社， 2001. 8带式推土机总成 . 北京：机械科学研究院 9吴宗泽 ,罗圣国 M北京 :高等教育出版社 , 2006. 10诸文农主编 M，北京：机械工业出版社， 湘潭大学 兴湘学院 毕业设计说明书 题 目： 45 吨旋挖钻机伸缩式履带行走装置设计 专 业： 机械设计制造及自动化 学 号： 2006183816 姓 名： 胡 浚 哲 指导教师： 周 友 行 完成日期： 2010 年 06 月 3 日 1 to do is on of do it do to be a of of in of a is of a It is of or or s on of on on an in or to of On to be in a to in of is is in a on at of It a of at it of a in a of to a be at a of 8 in a on be by to An is to a or of a is on it is of in or a be of of be be of A on of a 2 in An on be on of to is is a 1 6 in be in of by of a of a is by is as is of be on a It is on is be in of be in on in 05 10 2 4 10 219 4 8 up 270 0 up 6582 a 30 13 in to be on a on a or of on is 0% of In a is in of s is by in to or of is of in 2 ne of in of is to C, is of of is to to 3 of of of of a C a to a to be it be a as a to of it C to of in C a of an of to of an so NC in of C in 950s by In NC to a to be to a of to a up is in to be to 959 of is a C to of PT a in on to be by A to 4 on of a in of a of C at in A of It to or a by a on a to be If it to 00 of a it to 00 of a of to of a as a in as a of of it of it or to on To in a of it to a It to as as to be a C of a as by as In a to a in to an a it is to as on a to of 3 he of a of in 5 in s by a of as of of on a on on of be in of an on by a In an be be of a a In 00 00 it is to In on a of of of a in of a of an in of on on of be if is is on be on In in be on be On is a is on of 6 机械加工介绍 1、车床 车床主要是为了进行车外圆、车端面和镗孔等项工作而设计的机床。车削很少在其他种类的机床上进行，而且任何一种其他机床都不能像车床那样方便地进行车削加工。由于车床还可以用来钻孔和铰孔，车床的多功能性可以使工件在一次安装中完成几种加工。因此，在生产中使用的各种车床比任何其他种类的机床都多 。 车床的基本部件有：床身、主轴箱组件、尾座组件、溜板组件、丝杠和光杠 床身是车 床的基础件。它能常是由经过充分正火或时效处理的灰铸铁或者球墨铁制成。它是一个坚固的刚性框架，所有其他基本部件都安装在床身上。通常在床身上有内外两组平行的导轨。有些制造厂对全部四条导轨都采用导轨尖朝上的三角形导轨（即山形导轨），而有的制造厂则在一组中或者两组中都采用一个三角形导轨和一个矩形导轨。导轨要经过精密加工以保证其直线度精度。为了抵抗磨损和擦伤，大多数现代机床的导轨是经过表面淬硬的，但是在操作时还应该小心，以避免损伤导轨。导轨上的任何误差，常常意味着整个机床的精度遭到破坏 。 主轴箱安装在内侧导轨的固定位 置上，一般在床身的左端。它提供动力，并可使工件在各种速度下回转。它基本上由一个安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮(类似于卡车变速箱 )所组成。通过变速齿轮，主轴可以在许多种转速下旋转。大多数车床有 812 种转速，一般按等比级数排列。而且在现代机床上只需扳动 24 个手柄，就能得到全部转速。一种正在不断增长的趋势是通过电气的或者机械的装置进行无级变速 由于机床的精度在很大程度上取决于主轴，因此，主轴的结构尺寸较大，通常安装在预紧后的重型圆锥滚子轴承或球轴承中。主轴中有一个贯穿全长的通孔，长棒料可以通过该孔 送料。主轴孔的大小是车床的一个重要尺寸，因此当工件必须通过主轴孔供料时，它确定了能够加工的棒料毛坯的最大尺寸尾座组件主要由三部分组成。底板与床身的内侧导轨配合，并可以在导轨上作纵向移动。底板上有一个可以使整个尾座组件夹紧在任意位置上的装置。尾座体安装在底板上，可以沿某种类型的键槽在底板上横向移动，使尾座能与主轴箱中的主轴对正。尾座的第三个组成部分是尾座套筒。它是一个直径通常大约在 517623 英寸）之间的钢制空心圆柱体。通过手轮和螺杆，尾座套筒可以在尾座体中纵向移入和移出几个英寸 。 车床的规格用两个 尺寸表示。第一个称为车床的床面上最大加工直径。这是在车床上能够旋转的工件的最大直径。它大约是两顶尖连线与导轨上最近点之间距离的两倍。第二个规格尺寸是两顶尖之间的最大距离。车床床面上最大加工直径表示在车床上能够车削的最大工件直径，而两顶尖之间的最大距离则表示在两个顶尖之间能够安装的工件的最大长度 。 7 普通车床是生产中最经常使用的车床种类。它们是具有前面所叙的所有那些部件的重载机床，并且除了小刀架之外，全部刀具的运动都有机动进给。它们的规格通常是：车床床面上最大加工直径为 3056101224 英寸）；但是 ，床面上最大加工直径达到 127050 英寸）和两顶尖之间距离达到 3658车床也并不少见。这些车床大部分都有切屑盘和一个安装在内部的冷却液循环系统。小型的普通车床 车床床面最大加工直径一般不超过 33013 英寸） 床身安装在工作台或柜子上 。 虽然普通车床有很多用途，是很有用的机床，但是更换和调整刀具以及测量工件花费很多时间，所以它们不适合在大量生产中应用。通常，它们的实际加工时间少于其总加工时间的 30%。此外，需要技术熟练的工人来操作普通车床，这种工人的工资高而且很难雇到。 然而，操作工人的大部分时间却花费在简单的重复调整和观察切屑过程上。因此，为了减少或者完全不雇用这类熟练工人，六角车床、螺纹加工车床和其他类型的半自动和自动车床已经很好地研制出来，并已经在生产中得到广泛应用 。 2、数字控制 先进制造技术中的一个基本的概念是数字控制（ 在数控技术出现之前，所有的机床都是由人工操纵和控制的。在与人工控制的机床有关的很多局限性中，操作者的技能大概是最突出的问题。采用人工控制是，产品的质量直接与操作者的技能有关。数字控制代表了从人工控制机床走出来的第一步 。 数字控制意味着采用预 先录制的、存储的符号指令来控制机床和其他制造系统。一个数控技师的工作不是去操纵机床，而是编写能够发出机床操纵指令的程序。对于一台数控机床，其上必须安有一个被称为阅读机的界面装置，用来接受和解译出编程指令 。 发展数控技术是为了克服人类操作者的局限性，而且它确实完成了这项工作。数字控制的机器比人工操纵的机器精度更高、生产出零件的一致性更好、生产速度更快、而且长期的工艺装备成本更低。数控技术的发展导致了制造工艺中其他几项新发明的产生 ： 电火花加工技术、激光切割、电子束焊接 。 数字控制还使得机床比它们采用有人工操的前 辈们的用途更为广泛 。 一台数控机床可以自动生产很多类的零件，每一个零件都可以有不同的和复杂的加工过程。数控可以使生产厂家承担那些对于采用人工控制的机床和工艺来说，在经济上是不划算的产品生产任务 。 同许多先进技术一样，数控诞生于麻省理工学院的实验室中。数控这个概念是 50年代初在美国空军的资助下提出来的。在其最初的价段，数控机床可以经济和有效地进行直线切割 。 然而，曲线轨迹成为机床加工的一个问题，在编程时应该采用一系列的水平与竖直的台阶来生成曲线。构成台阶的每一个线段越短，曲线就越光滑。台阶中的每一个线 8 段都必须经过计算 。 在这个问题促使下，于 1959 年诞生了自动编程工具（ 言。这是一个专门适用于数控的编程语言，使用类似于英语的语句来定义零件的几何形状，描述切削刀具的形状和规定必要的运动。 言的研究和发展是在数控技术进一步发展过程中的一大进步。最初的数控系统下今天应用的数控系统是有很大差别的。在那时的机床中，只有硬线逻辑电路。指令程序写在穿孔纸带上（它 后来被塑料带所取代），采用带阅读机将写在纸带或磁带上的指令给机器翻译出来。所有这些共同构成了机床数字控制方面的巨大进步。然而，在数控发展的这个阶段中还存在着许多问题。 一个主要问题是穿孔纸带的易损坏性。在机械加工过程中，载有编程指令信息的纸带断裂和被撕坏是常见的事情。在机床上每加工一个零件，都需要将载有编程指令的纸带放入阅读机中重新运行一次。因此，这个问题变得很严重。如果需要制造 100 个某种零件，则应该将纸带分别通过阅读机 100 次。易损坏的纸带显然不能承受严配的车间环境和这种重复使用 。 这就导致了一种专门的 塑料磁带的研制。在纸带上通过采用一系列的小孔来载有编程指令，而在塑料带上通过采用一系列的磁点眯载有编程指令。塑料带的强度比纸带的强度要高很多，这就可以解决常见的撕坏和断裂问题。然而，它仍然存在着两个问题。 其中最重要的一个问题是，对输入到带中指令进行修改是非常困难的，或者是根本不可能的。即使对指令程序进行最微小的调整，也必须中断加工，制作一条新带。而且带通过阅读机的次数还必须与需要加工的零件的个数相同。幸运的是，计算机技术的实际应用很快解决了数控技术中与穿孔纸带和塑料带有关的问题。 在形成了直接数字控制（ 个概念之后，可以不再采用纸带或塑料带作为编程指令的载体，这样就解决了与之有关的问题。在直接数字控制中，几台机床通过数据传输线路联接到一台主计算机上。操纵这些机床所需要的程序都存储在这台主计算机中。当需要时，通过数据传输线路提供给每台机床。直接数字控制是在穿孔纸带和塑料带基础上的一大进步。然而，它敢有着同其他信赖于主计算机技术一样的局限性。当主计算机出现故障时，由其控制的所有机床都将停止工作。这个问题促使了计算机数字控制技术的产生。 微处理器的发展为可编程逻辑控制器和微型计算机的发展做好了准备。这两种 技术为计算机数控（ 发打下了基础。采用 术后，每台机床上都有一个可编程逻辑控制器或者微机对其进行数字控制。这可以使得程序被输入和存储在每台机床内部。它还可以在机床以外编制程序，并将其下载到每台机床中。计算机数控解决了主计算机发生故障所带来的问题，但是它产生了另一个被称为数据管理的问题。同一个程序可能要分别装入十个相互之间没有通讯联系的微机中。这个问题目前正在解决之中，它是通过采用局部区域网络将各个微机联接起来，以得于更好地进行数据管理。 3、车削加工 9 普通车床作为最早的金属切削机床的一种，目前 仍然有许多有用的和为人要的特性和为人们所需的特性。现在，这些机床主要用在规模较小的工厂中，进行小批量的生产，而不是进行大批量的和产。 在现代的生产车间中，普通车床已经被种类繁多的自动车床所取代，诸如自动仿形车床，六角车床和自动螺丝车床。现在，设计人员已经熟知先利用单刃刀具去除大量的金属余量，然后利用成型刀具获得表面光洁度和精度这种加工方法的优点。这种加工方法的生产速度与现在工厂中使用的最快的加工设备的速度相等。 普通车床的加偏差主要信赖于操作者的技术熟练程度。设计工程师应该认真地确定由熟练工人在普通车床上加 工的试验件的公差。在把试验伯重新设计为生产零件时，应该选用经济的公差 。 六角车床 对生产加工设备来说，目前比过去更注重评价其是否具有精确的和快速的重复加工能力。应用这个标准来评价具体的加工方法，六角车床可以获得较高的质量评定 。 在为小批量的零件（ 100200 件）设计加工方法时，采用六角车床是最经济的。为了在六角车床上获得尽可能小的公差值，设计人员应该尽量将加工工序的数 目减至最少。 自动螺丝车床 自动螺丝车床通被分为以下几种类型：单轴自动、多轴自动和自动夹紧车床。自动螺丝车床最初是被用来对螺钉和类似的带 有螺纹的零件进行自动化和快速加工的。但是，这种车床的用途早就超过了这个狭窄的范围。现在，它在许多种类的精密零件的大批量生产中起着重要的作用。工件的数量对采用自动螺丝车床所加工的零件的经济性有较大的影响。如果工件的数量少于 1000 件，在六角车床上进行加工比在自动螺丝车床上加工要经济得多。如果计算出最小经济批量，并且针对工件批量正确地选择机床，就会降低零件的加工成本。 自动仿形车床 因为零件的表面粗糙度在很大程度上取决于工件材料、刀具、进给量和切削速度，采用自动仿形车床加工所得到的最小公差一定是最经济的公 差 。 在某些情况下，在连续生产过程中，只进行一次切削加工时的公差可以达到 于某些零件，槽宽的公差可以达到 孔和休用单刃刀具进行精加工时，公差可达到 希望获得最大主量的大批量生产中，进行直径和长度的车削时的最小公差值为 经济的 。 湘潭大学 兴湘学院 毕业论文（设计）评阅表 学号 2006183816 姓名 胡浚哲 专业 机械设计制造及自动化 毕业 论文（设计）题目： 45 吨旋挖钻机伸缩式履带行走装置设计 评价项目 评 价 内 容 选题 现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的； 量是否适当 ； 生产、科研、 社会 等实际 相 结合 。 能力 合归纳资料的能力； 识的能力； 究方法和手段的运用能力； 论文 （设计）质量 述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸 是否完备、整洁、正确，引文是否规范； 无观点提炼，综合概括能力如何； 无创新之处。 综 合 评 价 论文选题符合培养目标要求，能体现学科专业特点，达到了综合训练的目的。该生具有较强的文献查阅、资料综合归纳整 理的能力，能在设计中熟练运用所学知识，设计方案可行，工作量尚可。 同意参加答辩。 评阅人： 2010 年 6 月 6 日 目 录 第一章 绪 论 . 2 挖钻机的介绍 . 2 挖钻机发展概况 . 2 外发展概况 . 2 内发展概况 . 3 . 5 第二章 履带行走架的介绍 . 6 . 6 . 6 . 7 . 9 . 10 . 10 . 10 . 10 . 11 . 11 第三章 履带行走架的设计计算 . 12 . 12 . 12 . 13 . 16 核 . 17 . 19 . 20 第四章 基于 伸缩式履带行走装置的建模 . 23 4 1 的简介 . 23 4 2 支撑架的建模 . 25 第五章 结 论 .考文献 . 30 - 1 - 45吨旋挖钻机伸缩式履带行走装置设计 摘要 ： 旋挖钻机施工工艺在我国是近几年才推广使用的一种较先进的桩基施工工艺。广泛应用于我国的公路、铁路、桥梁和大型建筑的基础桩施工 。 本次设计主要对履带式液压旋挖钻机伸缩式履带行走装置分析与设计。首先通过比较旋挖钻机的两种行走装置方案的特点，确定行走装置方案， 其次根据旋挖钻机的行走阻力，确定发动机的功率，再次根据受力情况 对行走装置进行结构设计 ，最后完成其 三维建模。本设计中应用了 三维建模， 减少了设计周期和 设计失误，提高了设计效率；从而 降低了设计成本，具有可行性 。 关键词： 伸缩式履带行走架 ； 支撑梁； 三维建模 5 he of is a of in in It is in of by of to to to 3d 3d in my in to of is of 3d - 2 - 第一章 绪 论 挖钻机的介绍 旋挖钻机是一种适合在建筑基础工程中进行成孔作业的施工机械，具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、一机多用、机动灵活、施工效率高及环境污染小等特点，能够适应我国大部分地区的土壤地质条件，使用范围较广，其工作环境温度一般在20 C 40 C 之间。配合不同钻具，可适应于干式（短螺旋）、湿式（回转斗）及岩层（岩心钻）条件下的成孔作业。对干硬性黏土层采用无稳定液护壁的干式旋挖工法，而一般的覆盖层则采用静态泥浆护壁的湿式旋挖工法，旋挖钻机广泛应用于铁路、公路桥梁、市政建设、 高层建筑等地基基础钻孔灌注桩工程。 挖钻机发展概况 外发展概况 旋挖钻机在二战以前首先在美国卡尔维尔特公司问世，二战之后在欧洲得到发展，欧洲的旋挖钻机首先是意大利土力公司从美国引入安装在载重汽车上和履带式起重机上的钻机，但这种钻机的动力头是固定式的，而且不能自行设置套管且难以适应硬质土层。 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，之后德国宝峨公司于 1975 年研制了配有伸缩钻杆的 钻机。该钻机不仅易于配套摇管装置和直接从底盘提供动力，而且其可锁式钻杆能可 靠地实现钻杆加压，在增大钻机扭矩后能适应紧密砂砾层和岩层钻进，由于该钻机具有以上优点，得到了广大用户的认可，进而促进了旋挖钻机的发展。后来随着技术进步和作业功能的扩大，旋挖钻机特别是配置可动式动力头的旋挖钻机在灌注桩施工机械中成为主流产品，因此生产的厂家也越来越多。独立式的主要生产厂家有：德国的宝峨、维尔特、德尔马克、利勃海尔、 ，意大利的土力、卡萨格兰特、意马、迈特、 ；生产附着于履带起重机上的钻机主要有德国的利勃海尔、宝峨公司，意大利的土力、卡萨格兰特公司和英国的 前欧洲的旋挖钻 机一般都设有摇管装置以及由两个或三个液压马达驱动的大扭矩动力头（可配备套管连结器）和采用恒功率变量自动控制的液压系统，还有自动内锁互扣钻杆及先进的监控仪表（如发动机和液压系统自动监测和报警系统、钻孔深度显示、立柱自动测斜纠偏装置）等，同时也配有各种保险装置（如防止带负载起动装置，卷扬机超高限位装置等），但各家公司的旋挖钻机都有自己的结构特点。 旋挖钻机在日本被称为土钻，最早于 1960 年从美国卡尔威特公司引入日本并进行施工。同年加藤制作所开发了 15旋挖钻机，以后又研制了可以配套摇管装置和抓 - 3 - 斗的多功能钻机 。日立建机于 1965年利用挖掘机开发了装有液压加压装置的旋挖钻机，1974 年又利用液压履带起重机研制了液压马达驱动的钻机。到 80 年代，住友建机开始与意大利土力公司合作。 1981年日立建机公司为提高单桩承载力研制了扩底钻头，随后日本车辆公司等也开发了扩底钻头，这样使旋挖钻机进入了钻孔扩底灌注桩施工领域，以后德国宝峨公司的进入和日立建机与住友建机的结盟又促进了旋挖钻机技术的进一步发展。目前在日本生产的旋挖钻机有两种类型，一种是以日本土力和日本宝峨生产的欧洲流行的方型立柱加连杆机构的独立式旋挖钻机；一类为日本车辆 ，日立建机和住友建机等公司生产的以履带起重机为主的附着式旋挖钻机。他们的特点是作业范围相对较大，并具有一机多用功能，钻孔直径一般为 m（扩底达 钻孔深度最大为65钻机扭矩比欧洲类型的低，例如日立 住友重机公司最新推出的超低噪声旋挖钻机，钻孔直径 大钻深 48m，最大扭矩 机采用伸缩式履带和箱型两节伸缩臂，特制的动力头支持方式可减少钻杆轴向和径向摆动，采用常闭式变量马达以达到小负荷时速度快、大负荷时产生足够的扭矩的目的，液压油泵为功率自调变 量，以保证恒定功率输出，同时整机机动性好，能在城市或狭小场地施工。日本的生产厂商主要有日本日立、日本日车、日本神钢等。 内发展概况 20世纪 80年代末至 90年代初，国内一些施工企业看到了旋挖钻进技术在基础施工中体现出的巨大优势，逐渐从国外引进旋挖钻机。此时，一些国外的旋挖钻机制造商也纷纷在中国设立办事处，向中国的基础工程施工行业宣传旋挖钻机及旋挖钻进施工技术。我国在 80年代初从日本引进过工作装置，并配装在 津探矿机械厂于 1984 年引进美国 司的旋挖钻机并对其进 行了消化吸收。 1987 年在北京展览馆首次展出了意大利土力公司（ 品， 1988 年北京城建机械厂根据土力公司的样机开发了 径的履带起重机附着式旋挖钻机。 1994 年郑州勘察机械厂引进了英国 司附着式旋挖钻机的生产技术，但没有形成批量生产。宝峨公司1992 年在中国北京设立了代表处，开始对华的业务，并于 1995 年在天津成立了独资子公司 装适合中国市场的宝峨 旋挖钻机。 1998年宝峨公司又在上海成立了中德合资上海宝峨金泰工程机械股份有限公司，生产组装然如此但由于种种原因，旋挖钻进技术在我国的发展一直比较缓慢，到 90年代末期，我国旋挖钻机的拥有量也就 100 台左右，而且就是这为数不多的钻机，也没有完全用于生产施工，许多企业购置施挖钻机后，由于运行成本较高，并未用于生产施工中，仍然采用一些传统的方法进行施工。 最近几年来，随着我国基础工程行业的投资不断加大，市场竞争不断加剧，基础工 - 4 - 程施工行业逐渐认识到了旋挖钻进技术的优越性，使得这一技术在我国的发展非常迅速。国家建设管理部门也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 、监理和施工单位等产生了层层影响。在这种大背景下，原有的成孔设备因其低效、高噪、不环保等因素将逐步被淘汰，而旋挖钻机凭借作业时的明显优势（效率高、环保、安全等），已成为大批重点工程业主的指定施工设备。仅 2001 年一年，某国外旋挖钻机制造商在我国就销售了近二十台旋挖钻机，而在前几年，其每年的销售数量只有几台；某国内旋挖钻机生产企业也销售了十几台，这一数量对于刚刚起步的国内旋挖钻机生产企业来说，预示着非常好的前景。在上海浦东八百伴大厦基础灌注桩工程中全部采用了旋挖成孔法施工并取得成功，这在国内起到了推动作用；在 北京五环路的基础施工中，旋挖钻机已占了绝大多数，最多时达到了几十台。国家重点工程青藏铁路大规模施工于 2001 年正式启动，在青藏铁路格拉段施工段，地层多是永冻的土层、砂砾、不规则泥页岩，还有软硬互层灰岩，有的冻土厚度达到百米以上，在这种情况下中铁集团采用了旋挖钻进施工工艺。从 2002 年 3 月开始，大量的旋挖钻机进入青藏铁路线施工，最多时有 120 台旋挖钻机同时在进行桥桩施工。青藏铁路旋挖钻机的大量使用引起了施工和生产制造企业的格外关注，这无疑推动了旋挖钻机及旋挖施工技术的开发和应用。 2000 年徐工集团 钻 机研制成功，最大成孔直径 2m、最大钻深 60m，有多台分别在青藏铁路和北京的工程中使用。 2001 年北京经纬巨力工程机械有限公司研制成功 旋挖钻机，参加了青藏铁路建设的施工。 2003 年 3月三一重工研制成功履带可伸缩的 旋挖钻机，先后在青藏铁路、北京银泰大厦、鞍钢高炉、天津、南京等工地接受了施工考验。 2003 年 6月杭州天锐机械有限公司 大成孔直径 2m、最大钻深 62m，应用于青藏铁路建设。 2003 年 9月石家庄煤矿机械有限责任公司与芬兰永腾公司 合作生产出 旋挖钻机，在山东淄博胶济快速铁路工程中施工。 2004年在北京奥运国家体育馆建设工地一次使用各厂家旋挖钻机 16 台。由于受青藏铁路、北京奥运、上海世博会工程的拉动，给旋挖钻机提供了一个巨大的发展空间，近三年我国的旋挖成孔法的大量采用，旋挖钻机使用量增加，特别是 2003 年许多厂家的旋挖钻机相继研制成功，大大地推动了旋挖钻机的生产和应用。目前，国内各种型号旋挖钻机市场拥有总量约为 500多台，其中国产旋挖钻机占 15左右，国外二手旋挖钻机约为 20。由此可见，旋挖钻进技术在我国的发展前景是非常广阔 的，据有关人员预测，在今后几年内，我国旋挖钻机的拥有量将达到目前的 3倍以上。在如此大好前景下，国外的旋挖钻机制造商纷纷看好中国这一巨大市场，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，使得最近几年我国旋挖钻机技术取得了快速发展。目前可供选择的旋挖钻机性能范围非常大，就最主要的性能参数 孔径而言，各个厂家主导产品的最大钻孔直径均在 间，而钻孔灌注桩的最常用桩径一般为 虑到安全储备系 - 5 - 数，这类孔径的钻机对于施工这种桩径是非常适合的 。另外，有些厂家生产的钻机孔径范围非常大，小型的有最大钻孔直径为 1m 的，大型钻机孔径可达到 3m，为用户提供了一个非常宽的选择范围，适应了不同工程的需要。各厂家钻机采用的加压方式也各不相同，各有优势，主要体现在钻杆的形式上：摩阻式伸缩钻杆在软土层钻进效率较高；机锁式钻杆适于钻进硬岩层，但对操作的要求较高，需找到加压点加压；自锁铠式钻杆，可随时加压，传递扭矩效果好。 国内目前生产旋挖钻机的厂商有十余家，主要有徐工科技、三一重工、北京经纬巨力、河北石家庄煤机、湖南山河智能、杭州天锐、北方重汽、哈尔滨四海、郑州金牛 、连云港黄海、兰州通用、新河钻机等 。 本文以长沙三一重工有限公司的 液压旋挖钻机整机为研究平台，针对 伸缩式履带行走架 这一子项目 为研究对象。课题组在广泛调研的基础上，瞄准国际知名液压旋挖钻机的技术水平，结合具体国情，吸收国内外同类液压钻机的优点，研制开发出先进、可靠、实用、具有竞争能力的液压旋挖钻机 。在设计的过程中，我利用互联网向知名生产工厂详细地了解了液压挖机的工作状态、工作环境和使用要求，对现有的液压 挖机状况摸底，查阅有关资料 。 本课题采用计算机辅助设计的技术，利用 参数化建模，进一步缩短了设计周期，降低了设计成本，有助于促进了设计工作的规范化、系列化和标准化，从而提高该产品设计开发能力。 本课题的主要内容是设计伸缩式履带行走架，对履带架的支撑梁经行静力分析，设计其尺寸大小，并经行校核。 - 6 - 第二章 履带行走架的介绍 点 （ 1）支承面积大，接地比压小。例如，履带推土机接地比压为 轮式推土机的接地比压一般为 此，履带推土机适合 在松软或泥泞场地进行作业，下限度小，滚动阻力也小，通过性能较好。 （ 2）履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引 附性能好，有利于发挥较大牵引力。 （ 3）结构复杂，质量大，运动惯性大，减振功能差，使得零件易损坏。因此，行驶速度不能太高，机动性能差。 履带行走装置是整台机器的支承底座 ,用来支承钻机的所有机构 ,承受工作装置工作过程中所产生的力 ,并可以作短距离转场行走。履带式行走装置如图 1 所示 ,由履带、行走减速机、驱动轮、行走架、支重轮、托链轮、张紧装置、引导轮等组成。行走装置的动力由行走液压马达经行走减速机传到驱动轮 ,带动履带使整个行走装置运行。当运行一段时 间后 ,履带由于磨损而伸长时 ,可由张紧装置调整其松紧度。如调整后仍然较松时 ,可拆掉一节履带再调整。 图 1履带行走装置结构图 1履带 ;2行走减速机 ;3驱动轮 ;4行走架 ;5支重轮 ;6托链轮 ;7张紧装置 ;8引导轮 - 7 - 走架 行走架是履带行走装置的承重结构 ,一般由底架和履带架组成 ,通常由高强度钢板焊接而成。工程钻机用履带行走装置的行走架通常有组合式和整体式两种。 (1)组合式行走架 组合式行走架底架为框架结构 ,横梁一般为焊接的箱形梁 ,履带架通常采用下部敞开的“门”形截面 ,下面安装支重轮 ,一 端安装行走减速机和驱动轮 ,另一端安装引导轮。组合式行走架可做成可伸缩式履带行走装置。 可伸缩式履带行走装置一般应用于 10 吨米以上的旋挖钻机 ,大型挖掘机、履带式起重机、地下连续墙抓槽机等大型设备 ,这些设备要求作业时稳定性要好 ,需要将履带向外伸出增大支承面 ,提高作业稳定性 ,运输时将履带收回减小运输尺寸 ,有的特大型设备运输时还需要将两个履带架拆下 ,以减小运输尺寸和单件运输重量。 组合式行走架形式有多种 ,但主要应用的有两种 :一种是将横梁与行走架底架焊接为一体 ,履带架上出方孔 ,将横梁插入履带架方孔中 ,通过伸缩油缸实现 履带伸缩 ,见图 2。国内三一重工、宇通重工、福田重工、南车时代重工、滨州锻压等生产的旋挖钻机均采用这种履带行走装置 ;抚挖、三一重工、徐工等生产的履带式起重机亦采用这种履带行走装置。另一种是将横梁分别焊接在左右履带架上 ,行走架底架上出方孔 ,将横梁插入方孔中 ,通过伸缩油缸实现履带伸缩 ,见图 3。国内徐工、山河智能 ,国外意大利土力、卡萨格兰地等生产的旋挖钻机均采用这种形式。此种形式又有多种结构。如 ,前后伸缩式和大小套筒伸缩式等。 图 2 履带架上出方孔的行走架 - 8 - 图 3 行走架底架上出方孔的行走架 (2)整体式行走 架 目前工程钻机常用的整体式行走架有 型两种 ,根据使用要求的不同 ,又有带回转支承和不带回转支承之分 ,见图 4、图 5。 图 4 H 型行走架结构简单 ,成本低 ,制造容易 ,但相对承载能力较小 ,一般用在对承载力要求不高 ,尤其只作为辅助行走之用 ,钻机钻孔时行走架不受力或受力较小的钻机。 - 9 - 图 5 X 型行走架结构复杂 ,制造难度大 ,材料利用率低 ,成本高 ,但行走架承载能力大。一般用在对承载要求高的钻机 ,尤其由履带底盘承受工作载荷的钻机。 带 目前常用的履带主要有整体式履带、组合式履带 和橡胶履带 3种。 (1)整体式履带 整体式履带是在履带板上带啮合齿 ,直接与驱动轮啮合 ,履带板本身即为支重轮等轮子的滚动轨道 ,履带板之间用销轴连接。这种履带一般在大型挖掘机和履带式起重机上应用较多。整体式履带的履带板大多数为铸造履带板 ,其特点是制造方便 ,拆装容易。 (2)组合式履带 组合式履带由链轨、履带板、销子和衬套等组成。链轨和履带板用螺栓连接。其特点是使用寿命高 ,履带节距小 ,绕转性好 ,不会因履带板损坏、衬套开裂或连接螺栓剪断而中止行走。此外 ,组合式履带零部件通用化程度高 ,制造成本低 ,维修方便 ,维修成本低 。缺点是连接螺栓易折断。组合式履带的履带板有三筋式、两筋式和单筋式 3 种 ,工程钻机目前主要使用三筋履带板。 (3)橡胶履带 橡胶履带的特点是噪音低、振动小、不损坏路面、接地比压小、速度快、重量轻。它主要应用在经常在城市施工和经常在公路上行走的设备。近几年在国内工程机械、农林机械、工程钻机、筑路机械方面得到了广泛应用 ,如小型挖掘机、农机、小型钻机等。其缺点是维修成本高 ,一旦履带损坏需要更换整条履带。因此在使用橡胶履带设备时应特别注意。 - 10 - 重轮 支重轮 (图 6)主要承受钻机的重力以及工作装置对钻机产生的外 力。在行走时还要承受由于路面不平而产生的冲击 ,而且工作环境恶劣 ,经常在泥水或尘土中行走。因此 ,要求支重轮密封可靠 ,承载能力大 ,表面耐磨。目前支重轮常用浮动油封来密封 ,其结构简单 ,密封效果好 ,使用寿命长 ,通常在一个大修期内不需加油 ,减少可维护保养的工作量。 图 6 支重轮结构图 导轮 引导轮的作用是在行走时引导履带正确绕转 ,防止履带跑偏和脱轨。引导轮一般布置在在钻机的前部 ,其密封形式一般也采用浮动油封密封。 动轮 驱动轮的主要作用是将行走减速机的动力传递给履带 ,带动履带行走。对驱动轮 的主要要求是啮合平稳 ,即使在履带因销套磨损时仍能很好啮合。驱动轮通常放在钻机的后部 ,这样既可缩短履带驱动段的长度 ,减少功率损失 ,又可提高履带的使用寿命。驱动轮有整体铸造、齿圈和轮体分开铸造及锻造 3 种形式。后两种由于制造较为复杂 ,且成本高 ,通常较少使用 ,目前主要使用整体铸造驱动轮。 链轮 托链轮主要用于托起上部履带 ,防止履带过度下垂。托链轮的结构与支重轮类似 ,但其所受载荷要比支重轮小得多。因此 ,在托链轮数量的布置上要比支重轮少得多 ,一般每条履带布置 1相邻两个托链轮之间的距离一般为链轨 节距的 6 - 11 - 紧装置 张紧装置 (图 7)的主要功能是保持履带具有一定的张紧度 ,减小行走时的冲击载荷和额外的功率消耗。张紧装置通常与引导轮一起使用 ,其形式多种多样。但目前常用的主要是液压张紧 ,通过手摇泵对张紧装置压注黄油 ,由油缸和柱塞对导向轮位 置进行调节来达到履带的张紧。 张紧装置的弹簧在预紧后要有适当的缓冲行程 ,以便当石块等硬物夹于轨链、引导轮、驱动轮之间产生过大张紧力时 ,可以压缩弹簧 ,使履带松弛 ,起到保护装置的作用。如果履带太紧 ,可拧开注油嘴 ,从油缸中放出部分黄油进行调整。设计时 ,应使引导轮 前后调整的距离大于履带节距的一半 ,以便在履带伸长较多时可以拆掉一节履带仍能连接起来。在选择张紧装置时 ,应考虑张紧装置的预紧力与行走减速机的驱动力相匹配。预紧力既不能过大 ,也不能过小。预紧力过大起不到缓冲作用 ,预紧力过小 ,在行走时容易出现抖动而造成行走不稳定 ,而且容易在履带张紧时将弹簧压死。 图 7 张紧装置结构图 本文设计了两种行走架的方案。 方案一：此方案选用整体式行走架，履带架和底盘是一个整体，这个方案的特点为行走架结构简单 ,成本低 ,制造容易 ,但相对承载能力较小 ,一般 用在对承载力要求不高 ,尤其只作为辅助行走之用 ,钻机钻孔时行走架不受力或受力较小的钻机。 方案二：此方案选 用组合式行走架，组合式行走架可分为伸缩式行走架和非伸缩式行走架。可伸缩式履带行走装置一般应用于 10 吨米以上的旋挖钻机 ,大型挖掘机、履带式起重机、地下连续墙抓槽机等大型设备 ,这些设备要求作业时稳定性要好 ,需要将履带向外伸出增大支承面 ,提高作业稳定性 ,运输时将履带收回减小运输尺寸 ,有的特大型设备运输时还需要将两个履带架拆下 ,以减小运输尺寸和单件运输重量。 由于三一的 液压旋挖钻机总的工作重量为 45T，属于较重的车型，又根据运输的需要和实际工作情况的需要，故选择伸缩式履带行走架。 - 12 - 第三章 履带行走架的设计计算 算接地比压 履带行走装置的尺寸和接地比压的确定 ,主要考虑的是钻机工作质量、行走时的工作条件、行走速度等。由于工程钻机的行走大多是辅助功能 ,行走速度较慢 ,一般在选择或设计履带行走装置时主要考虑钻机的质量和驱动能力。在确定钻机的接地比压时主要考虑钻机行走的地层条件 ,再根据接地比压确定履带行走装置的尺寸。目前 ,工程钻机主要考虑的是平均接地比压 ,其计算公式为 : 2中： p 履带平均接地比压 ( m 钻机的工作质量 ( b 履带的宽度 (m); L 履带的接地长度 (m); g 重力加速度 (g=m/ 钻机的工作质量 m=45000带的宽度 b=带的接地长度 L= 2 4 5 0 0 0 9 . 8 0 . 12 0 . 7 3 . 1 5 M P a 最大接地比压的计算， 根据图 8,一条履带上所受的载荷为 G,偏心距为 e,则履 带两端的最大比压为：m a b L L。履带两端的最小接地比压为：m a b L L - 13 - 图 8 最大接地比压计算简图 m a b L L式中： G 钻机的工作重量 b 履带的宽度 (m); L 履带的接地长度 (m); e 重力的偏心距（ m） m a 0 0 0 9 . 8 6 0 . 610 . 7 3 . 1 5 3 . 1 5P 走牵引力的计算 （ 1）总牵引力 由式 3600得 - 14 - 1 2 0 0 . 8 5 3 6 8 . 2 31 0 0 0 1 / 3 6 0 0T 式中 P 发动机功率， P=120 传动到驱动轮的总效率， ； 行走速度， ； 泵或马达的变量系数（如采用定量泵和定量 马达，则取）。 （ 2）履带行走阻力的确定 1）由于挤压土壤造成的运行阻力 在坡道上时： c o sd s dF m g式中 d 运行比阻力系数， ； m 机器的工作质量， m=45000 预设的爬坡 角度， =30。 所以 45000 =平道时： d45000 8200N 2)坡道阻力 sF=45000 =220500N 3)风载荷造成的阻力 wF=中 q 风压， q=250 A 迎风面积， A=m 。 50 625N 4）不稳定运动时的惯性阻力 45000 410N 所以，坡道行驶外部阻力为 sF+wF+ 15 - 20500+1625+4410=302道行驶外部阻力为 wF+8200+1625+4410=943)内阻力的计算 1)驱动轮与履带的啮合阻力11 d=d为履带板与驱动轮啮合效率。 1（ =)驱动轮、导向轮轴与轴套的摩擦阻力2 挖土机前进时 20F） 中 0F 对于履带上分支悬垂所造成的张力，取0F= 轴颈中的摩擦系数， = d 驱动轮和导向轮的轴颈直径， d= D 驱动轮的节圆直径， D= 2 )履带轴销的摩擦阻力3轮驱动，前进行驶） 3,01( 3 ) 式中 d 履带销轴直径， d = 1 履带销轴中的摩擦系数，1= Z 驱动轮的齿数， Z=27； t 履带板的节距， t=20 3( 1 8 4 . 1 3 1 8 . 4 ) 0 . 2 5 4 . 4 52 7 2 0 =- 16 - 4)支重轮滚动阻力和轴颈摩擦阻力4 40( 2 ) = 45000 ( 0 . 0 8 1 0 . 2 2 0 . 0 5 ) =中 m 整机工作质量， m=45000 2 轴颈的摩擦系数，2= f 滚动摩擦系数。 f= 0d 支重轮轴颈的直径，0d= 0D 支重轮直径，0D= 两条履带的内阻力总和为 2 3 42 ( )n n n F F =2 （ =634)履带行走装置牵引力验算。 1)在坡道上行驶的总阻力 sF=es 302+63=365)在平道上行走的总阻力 4+63=157计算结果可知，上坡行驶65牵引力满足条件。 重轮数量的计算 由公式得 m a x 1 2m a L l 式中 k 对支重轮重量的修正系数， k= 履带的接地长度（ m） 1l、2l 最后端的支重轮轴与驱动链轮轴及导向轮轴之间的距离 地面的最大允许比压 - 17 - 履带节距（ m） 桩机既可使用于密实的干黄土，也可用于普通粘土，根据这些条件，地面的最大允许比压为 了保证旋挖钻机不下陷，取 1 . 3 0 . 4 3 . 1 5 0 . 6 7 0 . 60 . 6 0 . 2 0 3n 圆整为 7，所以支重轮的个数为 7个。 在实际情况中履带架伸缩梁的受力情况十分复杂，这里将其简化为向下的压力与扭矩，受力情况如下图所示 ，由图可知，该梁的一端焊接在履带架上，一端是悬空的，方便插入底盘内，故可以将其简化为悬臂梁的模型，如图 9所示。 图 9 简化模型 - 18 - 图 10 剪力、弯矩、扭矩图 旋挖钻机的上半车身重量为 28t，假设质量作用在底盘的几何中心上，每根梁承担的重力为 上半车身重量的四分之一。 由扭矩的计算公式 T 得： 式中： F 作用在梁上的力， X 梁到底盘中 心垂线的距离。 F= 328 10 =68600N X=以 6 8 6 0 0 0 =34300。 经受力分析得该梁的剪力 Q=G=68600N，弯矩为 M=的剪力图、弯矩图如图所示。 由图 10可知，危险截面在梁的焊接处，故对此处进行校核。 由式 221 0 . 7 5得： 式中： W 截面图形的抗弯截面模量， M 力对梁的产生的弯矩， - 19 - T 受力的作用梁产生的扭矩。 26，该梁的 b=h= 所以 20 =8600 =75460 将个数据带入公式得 221 7 5 4 6 0 0 . 7 5 3 4 3 0 00 . 0 0 1 3 =了保证梁的安全性，由上述计算的结果，选择高锰钢做为梁的材料。 螺 纹连接的受力情况可分为两种，一种是受横向的剪切力，一种是受轴向的作用力。旋挖钻机履带架下的螺纹连接用于连接支重轮和履带架，故受到以轴向作用为主的力。 旋挖钻机的总的工作质量为 45T，每一边的履带架上有 7个支重轮，总的支重轮数为 14个，故 每个支重轮承受的力为 1 4514T。旋挖钻机工作时有不稳定的载荷，所以残余预紧力1F=（ F。 螺栓受到的总力为21F F F式 中：1F 残余预紧力 ； F 螺栓承受的工作载荷。 F= 1 4514T=2141500N， 取1F=F=1500 =25200N 故螺栓受到的总力为21F F F=25200+31500=56700N 式中：2F 螺栓的总拉力； d 螺栓的直径 ， d=22 - 20 - 考虑到螺栓在总拉力2将总拉力增加 30%以考虑扭转切应力的影响。 2F = 2F + 230%F =56700+30% 56700 =82710N 21 2 7 1 00 24 =据此结果选择中碳钢做为螺栓的材料。 栓的校核 螺栓的最大应力计算安全系数为 1 m i nm i 式中：1 螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限， 见表 1， 试件的材料常数，即循环应力中平均应力的 折算系数，对于碳素钢，=于合金钢，= K 拉压疲劳强度综合影响系数，如忽略加工方法的影响，则 ，此处k 为有效应力集中系数， 见表 2， 为尺寸系数，见表 3； S 安全系数，见表 4 最小拉应力为 04式中：0F 预紧力； d 螺栓的直径。 02 ，式中 取 0 5 6 7 0 0 0 . 3 3 1 5 0 0F =47250N m i n 2472500 24 =124- 21 - 应力幅为 22ba C C d = 22 3 1 5 0 00 2 =12 1螺纹连接件常用材料的疲劳极限 材料 疲劳极限 /料 疲劳极限 /11110 5 160220 170220 220300 120150 120160 170220 45 4050340 320440 190250 240340 其中 k=6K = 2 材料的B/00 600 800 1000 k 3螺纹连接件的尺寸系数 直径 d/ 16 20 24 28 32 40 48 56 64 72 80 1=200= 2 2 0 0 5 . 1 3 0 . 2 1 2 45 . 1 3 0 . 2 2 1 2 1 2 4 =以此螺栓安全。 - 22 - 表 4 螺纹连接 的安全系数 S 受载类型 静载荷 变载荷 松螺栓连接 螺栓连接 受轴向及横向载荷的普通螺栓连接 不控制预紧力的计算 16 30 60 16 30 60 碳钢 5 4 4 碳钢 金钢 5 合金钢 1010 控制预紧力的计算 制孔用螺栓连接 刚： S=2.5，铁： S=5.0，铁：- 23 - 第四章 基于 伸缩式履带行走装置的建模 4 1 的简介 美国 司的产品，于 1988 年问世。 10 多年来，经历 20 余次的改版，已成为全世界及中国地区最普及的 3D 统的标准软件，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航天、家电、玩具等行业。 是全方位的3相关软件 型设计）、 能仿真），集合了零件设计、产品装配、模具开发、加工制造、钣金件设计、铸造件设计、工业设计、逆向工程、自动测量、机构分析、有限元分析、产品数据库管理等功能，从而使用户缩短了产品开发的时间并简化了开发的流程；国际上有 27000 多企业采用了件系统，作为企业的标准软件进行产品设计。下面就 特点进行简单的介绍。 （ 1） 主要特性全相关性： 所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动 更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。基于特征的参数化造型： 用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按