毕业设计（论文）-YZY40全液压桩机的纵向行走设计

南京工业大学毕业设计论文 毕 业 设 计 论 文课题名称： YZY40全液压桩机的纵向行走设计 学生姓名： 学 号： 所在学院： 机械与动力工程学院 专 业： 机械工程及自动化 指导教师： 前言 怀者接受挑战的心理；带着探求知识的渴望以及满腔热情，终于迎来了我们的毕业设计。早就从上几届师兄师姐和老师们口中得知，毕业设计对我们本科生来说非常重要，这是四年本科中我们的最后一件与学习有关的事情；这是把以前的理论知识加以融会贯通并综合运用的有效方式；这是能让我们学到很多有用的专业知识的课程；这是体现一个人的工作能力的特殊途径；这是一个从学校踏入社会的过渡桥梁；这是一个体现智慧与团队合作的Way很高兴能和这些优秀的同学成为组员，更为能有像郑老师这样出色的教授指导而感到荣幸，于是，我在心底下定决心：一定要好好完成这次毕业设计，给自己四年的大学生活画上一个圆满的句号，为自己以后走上工作岗位打下良好的基础。我们这次的毕业设计课题是YZY400全液压静力压桩机的设计，这是一个非常有挑战性的课题，尤其是对我们这些只学了有限的理论知识的“本科生”们，因为这个课题涉及到很广的知识面，几乎包括了我们大学四年学的所有课程，特别是我们的专业课如：互换性与公差技术、机械设计、机械原理、液压与气压传动等知识内容，还有不太熟悉的电气自动化及其控制方面的内容，也正是因为有这些困难，它才激起了我们要克服它、战胜它的欲望，给了我们学习新知识的动力与源泉。虽然曾经有过金工实习、有过绿洲机械厂、南京汽车集团有限公司等的现场参观实习，但是对桩工机械的陌生还是让我们感到了面临的困难重重。于是，我们每天奔波于网吧与图书馆之间，查找网上有关桩工机械的最新信息，翻阅图书馆的相关资料，当一周下来，终于对桩工机械有了一定的感性认识之后，郑老师趁热打铁，又把我们带领到河西的奥体中心施工现场，给我们讲解静压桩工机械的机构与工作原理，终于让我们对桩工机械从感性上升到理性，对其有了全新、全面的认识，这对我们的毕业设计有很大的帮助。每一个人都付出了艰辛的劳动、流下了辛勤的汗水，看着自己设计出来的作品，大家的脸上都挂着笑容，这不仅仅是我们四年所学知识的体现，而且，我们在做毕业设计的过程中还学到了很多做人的道理，懂得了无论是工作还是做人都要认真负责、踏踏实实、一步一个脚印，只有这样才能走的更好、更远。我也知道，这是我们的“处女作”，由于知识有限、经验不足，所以毕业设计中会出现一些错误与不足，希望各位指导老师能够谅解，并予以帮助，提出您们的宝贵意见，以助我更好地完善我的毕业设计，在此谢谢各位老师。毕业设计教给我们的不仅是专业知识，还有以后工作时的做事方法；毕业设计带给我们的不仅是成功的喜悦，还有和团队一起工作的欢笑与好心情；毕业设计赐予我们的不仅仅是一些工作伙伴，更是好的朋友；毕业设计赋予我们的不仅是一位老师，更是一生难求的益友。从毕业设计中，我学到了宝贵的知识，这些知识值得我用一生来回味，一生来珍惜。 谯怡岑 2005-5-22 目录摘 要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 行走机构的零件设计计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.1 长船的尺寸设计计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 液压缸的设计计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1 长船行走时液压缸的载荷计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2 长船液压缸主要结构尺寸的设计计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.1 确定纵移液压缸的活塞及活塞杆直径 . . . . . . . . . . . . . . 122.2.2 长船液压缸的流量计算：. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.3 长船液压缸的力的计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.4 长船液压缸的安装联结尺寸 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3 顶升液压缸的机构设计计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.1 顶升液压缸的载荷计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.2 顶升液压缸的活塞直径计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.3.3 顶升液压缸的流量计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.3.4 顶升液压缸的力的计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4 液压缸技术规格 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.5 液压缸的校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.5.1 长船液压缸活塞杆稳定性校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.5.2 顶升液压缸活塞杆稳定性校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 行走机构的零件设计计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.1 小车组件的计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2 小车车轮的计算与校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2.1 小车车轮的载荷计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2.2 车轮接触强度校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.3 小车轴的设计计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.4 小车联结轴的校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.5 选定轴承并加以校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.5.1 基本额定动载荷的计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.5.2 基本额定静载荷的计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.5.3 初选轴承型号 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.5.4 轴承寿命校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 轨道的设计计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.1 钢轨的计算设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.2 铁路钢轨的参数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 球头螺栓强度校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 螺栓螺纹部分的强度校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 7 液压缸耳套的连接部分设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 小车构架的焊接校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37YZY400全液压静力压桩机的设计 摘 要我国桩工机械起步于较晚，由于历史原因，发展一直较为缓慢、落后的桩工机械和桩基础施工技术已不能适应目前快速发展的大型基础设计建设需要。国内桩工机械行业正面临整体实力不高和国外进口产品冲击的双重压力。桩工机械主要用于各种桩基础、地基改良加固、地下连续墙及其他特殊地基基础等工程的施工。随着城市的发展，对噪声及泥浆污染进行越来越严格的限制，静压桩机必将越来越受到市场的重视因此，我们设计了一种YZY400全液压静力压桩机。为了保证在施工过程中桩机能灵活移动和避免沉陷，一般工程机械的履带行走机构不能满足要求，综合履带行走和预铺轨道的工作原理，我们设计出了一种新型步履行走机构，这种机构操作方便灵活，能很好地适应城市中复杂地地基情况下的压桩基础施工。本实用新型的目的是提供一种能满足大吨位液压静力压桩机要求的步履式行走机构。纵移行走机构包括两个纵移液压缸、四个行走轮架，长船和浮动液压缸。希望此设计能够合理、方便地通过纵向移动机构和横向移动回转机构来实现这些运动；并能安全快速地转移场地与拆装，由于静压桩机自重很大，无法整体搬运，只能拆散后运往新工地再进行拼装。拆装运输应尽量简便合理，使拼装工作量减到最低限度。同时，在设计时要注意横向行走、纵向行走的短船长船以及大身之间的配合。关键词: 桩工机械、全液压静力压桩机、液压缸Abstractin our nation, the development of pile labor machinery is very late. by the reason of historical, The development continuously slower, the backward pile labor machinery and the pile foundation construction technology has not been able to meet the present fast development large-scale foundation design construction need. The domestic pile labor mechanical profession is facing the overall strength not to be high and the over seas import product impact dual pressure. The pile labor machinery mainly uses in each kind of project the and so on pile foundation, ground improve cement enforcement, underground continual wall and other special ground foundation construction. Along with city development, Carries on the more and more strict limit to the noise and the mud pollution, The static pressure pile machine will certainly more and more to receive the market the value. Therefore, we have designed one kind of YZY400 entire hydraulic pressure static forcing pile machine.In order to guarantee the pile function nimbly moves in the construction process and avoids caving in, The general engineering machinery caterpillar band walks the organization not to be able to answer the purpose, The comprehensive caterpillar band walks with the pre- shop track principle of work, We designed one kind of new step to walk the organization, This kind of organization ease of operation is flexible, Can adapt in well the city complex in the ground situation pressure pile foundation construction. This practical new goal is provides one kind to be able to satisfy the great tonnage hydraulic pressure static forcing pile machine request the step type to walk the organization. Vertical divides and hyphenates a word at the end of a line the organization to move the hydraulic cylinder including two, four walks a turn of frame, Long ship and fluctuation hydraulic cylinder. Hoped this design can be reasonable, conveniently realizes these movements through the longitudinal shift organization and the derailing rotation organization; And can safely fast shift the location with to disassemble and assemble, Because the static pressure pile machine is self-possessed very in a big way, Is unable the whole transporting, After only can break up transports to the new work site to carry on assembling again. Disassembles and assembles on assembling again. Disassembles and assembles the transportation to be supposed as far as possible simple to be reasonable, Causes the assembling work load to reduce to the threshold. At the same time, When design must pay attention to short captain which crosswise walks, longitudinally walks between the ship as well as the big body coordination. Keyword： Pile labor machinery, entire hydraulic pressure static forcing pile machine, hydraulic cylinder设计参数每次纵向行走最大行程2每次前进速度 1.41.5每次后退速度 2.62.8每次左移速度 1.4每次右移速度 2.8接地比压 0.13设计计算1 行走机构的零件设计计算1.1 长船的尺寸设计计算 静压桩机的机身总重量： （吨）为了考虑压桩机额定压桩吨位的要求，该压桩机应设计成吨位为： （吨） 长船着地时的工作比压： 长船的总工作面积： 把、代入上式得： 平均到每个长船上的工作面积是： 取长船的长 ，宽2 液压缸的设计计算2.1 长船行走时液压缸的载荷计算 在露天条件下工作的打桩机,当沿着有一定坡度的轨道行走时,存在以 下阻力：摩擦阻力：； 坡度阻力：； 风阻力：； 惯性阻力：；（1） 摩擦阻力摩擦阻力包括车轮的滚动摩擦阻力、车轮轴承中的摩擦阻力、以及车轮轮缘与轨道之间的滑动摩擦阻力。为了简化设计，假定静压打桩机的全部载荷都作用于同一个车轮上，当车沿着轨道滚动时，其受力情况如下图所示，沿铅垂方向有载荷重力以及支反力，当车轮在驱动力矩的作用下开始转动，由于车轮轨道的微小变形，支反力将偏离载荷的作用线一个距离。 图 1 ：摩擦阻力计算图 对车轮由平衡条件有： = = = T = + = + = = 车轮轮缘与轨道侧面的摩擦引起的附加摩擦阻力，一般用增加附加阻力摩擦系数 来考虑，得： = 式中 驱动力矩 轴径摩擦阻力矩 变形引起的滚动阻力矩 附加阻力系数 静压桩机自重 轴承摩擦系数，查机械设计手册 车轮滚动阻力系数，查机械设计手册 小车车轮的直径 小车轴径由设计数据，确定各个系数值： = 480 1000 9.8 = 4704000（）= 4.7410（） = 0.02，车轮轴为滚子轴承 = 0.003，轨道为钢轨，平头，车轮为钢材料 = 0.3 = 0.15 = 1.3，有车辕的柱面车轮，圆锥滚子轴承将以上数据带入式中计算： = = 4.7410（0.020.15/0.3 + 20.003/0.3）1.3 = 183（）（2） 行走风阻力 行走风阻力主要指风作用在静压打桩机上引起的阻力，按下式计算： = 式中 C 风力系数，查手册，取 C = 1.2 风压高度变化系数，查手册，取 = 1.0 q 计算风压（ ），查手册，取 q = 150 A 静压打桩机的迎风面积，（），取 A = 3.394.43 = 45 = = 1.21.015045 = 8.1 （）（3） 轨道坡度阻力 当静压打桩机沿着具有一定坡度的轨道行驶时，由于静压打桩机自重 沿轨道坡度的分力引起的运动阻力由下式确定： = 式中 轨道倾斜角 （） = = = 410 （） 图 2 ： 坡度阻力计算图（4） 惯性阻力 惯性阻力主要指小车运动时起动惯性阻力，按下式计算： = 式中 小车运行速度 V = 2.8 = 0.047 小车起动时间 t。= ； 取 t。= 0.094 = = (48010009.8)9.80.0470.094 = 240（）（5） 载荷力的确定 静压打桩机行走时，由于四个油缸提供动力，考虑到四支液压缸提供 的动力不一定和理论设计时认为的是一组平行力，且大小相等，故单个油 缸取2/3大小的阻力。 = 183 + 8.1 + 410 + 240 = 841（） 单个油缸受力： 式中： 单支油缸工作时的作用力 四支油缸同时工作的作用力 由设计数据确定、的值： = = 841（） = 将、的值代入式中得： 2.2 长船液压缸主要结构尺寸的设计计算2.2.1 确定纵移液压缸的活塞及活塞杆直径 YZY400型 静压打桩机属于大型的工程机械，根据机械设计手册，初步确定行走机构的系统压力为25MPa 图 3 ： 液压缸的行走状态图 向行走时， B口进油； A 口出油 向行走时， A口进油； B口出油 计算如下： 向 （） 式中： 活塞杆直径，（） 液压缸的理论推力， 系统压力，查手册取 查机械设计手册取D = 200 取速度比： 查机械设计手册取 = 1402.2.2 长船液压缸的流量计算： 式中 液体的运动速度 活塞的面积 确定纵向行走液压缸的型号 液压缸的型号说明： 双作用单活塞杆液压缸结构尺寸代号（液压缸直径/活塞杆直径） 活塞杆型式代号2.2.3 长船液压缸的力的计算 （1）推力计算 式中 液压缸推力 工作压力 活塞的作用面积 （2）拉力计算 式中 液压缸拉力 工作压力 活塞直径 活塞杆直径 液压缸有杆腔作用面积 2.2.4 长船液压缸的安装联结尺寸 图 4 ： 长船液压缸的安装联结尺寸表 1 液压缸的安装联结尺寸缸径200 长船液压缸的长度为：行程 图 5 ： 液压缸的安装联结部件 表 2 液压缸的安装联结部件尺寸缸径20090901201001001102.3 顶升液压缸的机构设计计算 2.3.1 顶升液压缸的载荷计算静压桩机的顶升，靠四个垂直固定在桩机大身上的液压缸提供动力，油缸只要克服静压桩机自身的重量即可。由几何学原理：三点即可确定一个平面，虽然有四个顶升油缸提供动力，但实际上很多时候真正工作的只有三个油缸。因此，载荷力为： 顶 2.3.2 顶升液压缸的活塞直径计算 （） 式中 顶升油缸所受外载荷 =1568 系统压力 查机械设计手册，取 = 280 取速度比： 查机械设计手册，取 2.3.3 顶升液压缸的流量计算： 式中 液体的运动速度 活塞的面积 确定顶升液压缸的型号 液压缸的型号说明： 双作用单活塞杆液压缸结构尺寸代号（液压缸直径/活塞杆直径） 活塞杆型式代号2.3.4 顶升液压缸的力的计算 （1）推力计算 式中 顶升液压缸推力 工作压力 活塞的作用面积 （2）拉力计算 式中 液压缸拉力 工作压力 活塞直径 活塞杆直径 液压缸有杆腔作用面积 2.4 液压缸技术规格 表 3 液压缸技术规格 名称缸径AL(mm)活塞杆直径MM(mm)工作压力25MPa最大行程S(mm)速度比=2推力（KN）拉力（KN）长船行走液压缸2001407854002000顶升液压缸2802001537.5753.6 2.5 液压缸的校核2.5.1 长船液压缸活塞杆稳定性校核一般情况，当受拉杆件的应力达到屈服极限时，将引起塑性变形或断裂。细长杆件受压时，却表现出与强度失效全然不同的性质。当压力逐渐增加，但小于某一极限值时，杆件一直保持直线形状的平衡，这种平衡是稳定的。当压力逐渐增加到某一极限值时，压杆的直线平衡为不稳定，将转变为曲线形状的平衡，如果再继续加微小的侧向力使其发生弯曲，当干扰力解除后，它将保持曲线形状的平衡，不能恢复原有的直线形状。压杆丧失其直线形状的平衡而过渡为曲线平衡，称为失稳，也称屈曲。杆件失稳后压力的微小增加将引起弯曲变形的显著增大，杆件已经丧失了承载能力。图 6 ： 活塞杆失稳活塞杆失稳时，应力不一定是很大，甚至可能会小于比例极限，按下式进行校核： 细长比： 式中 长度系数 =1 截面的惯性半径 杆件的长度即活塞杆的行程 = 将各值代入式得： 压杆稳定的极限值： 式中 材料的弹性模量，查机械设计手册，= 206 比例极限，查机械设计手册，=200将以上各数据代入式计算得： 长船活塞杆不属于大柔度杆，不能使用欧拉公式计算临界压力，因此，采用以实验结果为依据的直线公式： 式中 屈服极限，查机械设计手册取，=235、 直线公式系数，查机械设计手册取， 将以上各值代入上式得： 长船液压缸活塞杆属于小柔度压杆，受压时不会像大柔度压杆那样出现弯曲变形，主要因为应力达到屈服极限（塑性变形）或强度极限（脆性变形）而失效，应按强度来进行校核。 式中 临界应力 活塞杆受力 ， =701 活塞杆横截面积 将以上各值代入上式得： 长船液压缸活塞杆满足稳定性要求2.5.2 顶升液压缸活塞杆稳定性校核同理可得：图 7 ： 活塞杆失稳活塞杆失稳时，应力不一定是很大，甚至可能会小于比例极限，按下式进行校核： 细长比： 式中 长度系数 =1 截面的惯性半径 杆件的长度即活塞杆的行程 = 将各值代入式得： 压杆稳定的极限值： 式中 材料的弹性模量，查机械设计手册，= 206 比例极限，查机械设计手册，=200将以上各数据代入上式计算得： 顶升液压缸活塞杆不属于大柔度杆，不能使用欧拉公式计算临界压力，因此，采用以实验结果为依据的直线公式： 式中 屈服极限，查机械设计手册取，=235、 直线公式系数，查机械设计手册取， 将以上各值代入上式得： 顶升液压缸活塞杆属于小柔度压杆，受压时不会像大柔度压杆那样出现弯曲变形，主要因为应力达到屈服极限（塑性变形）或强度极限（脆性变形）而失效，应按强度来进行校核。 式中 临界应力 活塞杆受力 ， = 701 活塞杆横截面积 将以上各值代入上式得： 顶升液压缸活塞杆满足稳定性要求3 行走机构的零件设计计算3.1 小车组件的计算静压打桩机的行走，由四只小车提供支撑力。由几何学原理：三点即可确定一个平面，虽然有四只小车提供支撑力，但实际上很多时候真正工作的只有三只小车。因此，小车的受力按下式进行计算：车式中 桩机正常工作时，小车的最大受力 桩机正常工作时，小车的最小受力由设计数据确定、的值 将以上各值代入上式得：车 3.2小车车轮的计算与校核小车车轮属于静压桩机的行走部件，在静压桩机的运行机构件均采用轮缘柱面车轮。通常情况下，车轮轮缘的高度约为2025，且轮缘具有一定的倾斜，一般情况下斜度为1：5。车轮的强度按车轮轮面接触强度来计算，车轮的接触强度与它的材料、轨道接触情况、车轮踏面等因素有关。为了计算车轮的接触应力，需要先计算出车轮的载荷3.2.1 小车车轮的载荷计算 其中 车 车 3.2.2 车轮接触强度校核 式中 速度系数，查机械设计手册，取=1.17 工作级别系数，查机械设计手册，取=1.12 曲率半径，取两个接触体中较大的值，=400 由轨道头与车轮曲率半径之比所确定的系数，=0.430 与材料有关的许用点接触应力常数，将以上各值代入式计算得： 车轮满足强度要求3.3 小车轴的设计计算静压桩机的行走小车均采用两根联结轴。每根轴的受力为： 图 8： 轴的受力图 图 9： 轴的剪切图 图 10： 轴的弯矩图 轴选用钢，调质处理，查机械设计手册， 轴的弯曲强度条件为： 轴与轴承采用基孔制配合，查机械设计手册，取 3.4 小车联结轴的校核小车联结轴在联结结合面处受剪，同时与被联结件孔壁相互挤压，破坏联结的主要形式有：轴被剪断、轴被压溃、孔壁被压溃。轴受的剪力为其强度条件为： 即： 联结轴材料选用钢，调质处理 查机械设计手册， 查机械设计手册，取 校核联结轴的强度条件为： 式中 轴的受压高度 轴的许用挤压应力 查机械设计手册， 初定联结轴的受压高度为 因此 联结轴满足联结的强度要求3.5 选定轴承并加以校核对缓慢摆动或低速旋转的轴承，应分别计算额定动载荷和额定静载荷，然后根据条件选择轴承。 3.5.1基本额定动载荷的计算 式中 基本额定动载荷计算值 当量动载荷 寿命系数，查机械设计手册定轴承使用寿命为，查机械设计手册取=1.815 速度系数，查机械设计手册，取=1.435 力矩载荷因数，力矩载荷较小时=1.5；力矩载荷较大时=2；取=1.5 冲击载荷因数，查机械设计手册，取=1.0 温度因数，查机械设计手册，取=1.0 轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定动载荷当量动载荷的计算 式中 冲击载荷系数，取=1.8 径向载荷，取 轴向载荷，=0 径向动载荷系数，取=0.4 轴向动载荷系数，取=0 将各数据代入式 3.5.2基本额定静载荷的计算当量静载荷：两式中取大值式中 径向静载荷系数， 轴向静载荷系数， 径向载荷，取 轴向载荷，=0 按额定静载荷选择轴承，其基本公式为：式中 基本额定静载荷，N； 径向基本额定静载荷，查机械设计手册，取N； 当量静载荷，N； 安全系数，查机械设计手册，取 满足静载荷强度要求针对小车的负载情况，选用单列圆锥滚子轴承作为支撑体，可以承受以径向载荷为主，径向较大而轴向稍小的载荷，具有较好的支撑刚度和旋转精度。3.5.3初选轴承型号：30316 查机械设计手册，校核轴承寿命查机械设计手册，轴径，运动速度 3.5.4轴承寿命校核 轴承满足强度要求4 轨道的设计计算轨道要承载桩机的全部载荷，包括桩机自重和附加配重，是保证桩机正常定向运动的支撑零件。静压桩机的轨道通常采用P型铁路钢轨。为了保证机身的稳定，可增大与基础的接触面积。