机械综合应用设计-旋挖钻机钻桅举升装置设计

机械综合应用设计 周 刚 20097711 旋挖钻机桅杆举升装置设计1 机械综合应用设计 题目：旋挖钻机钻桅举升装置设计 班班 级级 09 机机 电电 二二 班班 学学 号号 2 0 0 9 7 7 1 1 姓姓 名名 周周 刚刚 指指 导导 教教 师师 温亚莲温亚莲 机械综合应用设计 周 刚 20097711 旋挖钻机桅杆举升装置设计2 目录目录 1.题目简介题目简介 .1 1.1 设计题目简介.1 .2 设计目的.2 1.3 设计要求.2 1.4 设计数据与要求.2 2 旋挖钻机简介旋挖钻机简介 .2 2.1 旋挖钻机的运用领域.2 2.2 旋挖钻机的分类.3 2.3 工作原理分析.3 3 旋挖钻机桅杆设计旋挖钻机桅杆设计 .5 3.1 桅杆的结构和功用.5 3.2 桅杆的方案选择.6 3.2.1 整体竖立式桅杆.6 3.2.2 分段式桅杆.6 3.2.3 分段折叠式桅杆.7 3.2.4 分段式不可折叠桅杆.7 3.2.5 伸缩式桅杆.8 3.3 桅杆截面形式.8 3.4 设计要求.9 3.5 旋挖钻机桅杆结构设计计算.10 3.5.1 旋挖钻机整机参数.10 3.5.2 旋挖钻机桅杆结构图.11 3.5.3 旋挖钻机桅杆强度校核.11 4 旋挖钻机模型的建立旋挖钻机模型的建立 .14 4.1 旋挖钻机车身建模.14 4.2 旋挖钻机钻杆的建模.15 4.3 旋挖钻机的桅杆建模.15 4.4 旋挖钻机装配图.16 5 运动仿真运动仿真 .17 6 个人总结个人总结 .18 7 参考文献参考文献 .19 机械设计 1 1.题目简介题目简介 1.1 设计题目简介设计题目简介 大型旋挖钻机是我国近年来引进、发展的桩工机械,逐步取代了对环境污染 严重、效率低下的其它建筑工程桩孔施工机械。旋挖钻机的钻桅变幅机构对整 机布局和操纵稳定性影响很大,它是实现钻孔位置变化及改变钻桅位置状态的关 键部件。钻桅是旋挖钻机主执行机构的重要支撑,其为钻具、调整机构、加压系 统等提供结构支撑,整个桅杆对于保证整机的正常运行和工作质量起着至关重要 的作用。 机械设计 2 .2 设计目的设计目的 机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递 方式、各个零件的材料和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算，并将其转 化为制造依据的工作过程。 机械设计是机械产品生产的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过 程蕴涵着创新和发明。 为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题， 使所学知识进一步巩固和加深，我们参加了此次的机械原理课程设计。 1.3 设计要求设计要求 a.依据设计参数绘出机构运动简图，并进行运动分析，确定实现起吊点轨迹的机构类 型 b.依据提供的设计数据对四连杆起吊机构进行尺度综合，确定满足使用要求的构件尺 寸和运动副位置； c.用软件（VB、MATLAB、ADAMS 或 SOLIDWORKS 等均可）对执行机构进行运动仿真，并 画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。 d. 编写说明书，其中应包括设计思路、计算及运动模型建立过程以及效果分析等。 e.在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。 1.4 设计数据与要求设计数据与要求 发动机功率：246kW 动力头最大扭矩：70kN m； 最高工作转速：21r/min 最高甩土速度：135r/min 最大钻深：40m， 最大钻孔直径：1200mm， 主卷扬最大单绳拉力：200kN, 钢丝绳直径 30mm 付卷扬最大单绳拉力：80kN， 钢丝绳直径 18mm 行驶速度：1.0km/h， 爬坡度：40%， 整机重量：45T（含钻杆） 动力头油缸推/拉力：200/140kN 2 旋挖钻机简介旋挖钻机简介 2.1 旋挖钻机的运用领域旋挖钻机的运用领域 砂土、粘性土、粉质土等土层施工，在灌注桩、连续墙、基础加固等多种地基基础施 机械设计 3 工中得到广泛应用，旋挖钻机的额定功率一般为 125450kW，动力输出扭矩为 120400kNm，最大成孔直径可达 1.54m，最大成孔深度为 6090m，可以满足各类 大型基础施工的要求。该类钻机一般采用液压履带式伸缩底盘、自行起落可折叠钻桅、伸 缩式钻杆、带有垂直度自动检测调整、孔深数码显示等，整机操纵一般采用液压先导控制、 负荷传感,具有操作轻便、舒适等特点。主、副两个卷扬可适用于工地多种情况的需要。该 类钻机配合不同钻具,适用于干式（短螺旋）或湿式（回转斗）及岩层（岩心钻）的成孔作 业,还可配挂长螺旋钻、地下连续墙抓斗、振动桩锤等，实现多种功能，主要用于市政建设、 公路桥梁、工业和民用建筑、地下连续墙、水利、防渗护坡等基础施工。国内的专家认为： 旋挖钻机在国内今后几年仍有很大的市场。 2.2 旋挖钻机的分类旋挖钻机的分类 选择旋挖钻机的原则应该是能满足用户目前的主要工程需求，兼顾今后可能发生的工 程需求。旋挖钻机根据其主要工作参数：扭矩、发动机功率、钻孔直径、钻孔深度及钻机 整机质量可以分为三种类型： 小型机小型机 扭矩 100kNm。发动机功率 170kW，钻孔直径 0.51m，钻孔深度 40m 左右，钻机 整机质量 40t 左右。小型机的应用市场定位： （1）各种楼座的护坡桩； （2）楼的部分承重结构桩； （3）城市改造市政项目的各种小于 1m 的桩； （4）适用于其他用途的桩。小型机的市场工作量覆盖比例达到 30%以上。 中型机中型机 扭矩 180kNm，发动机功率 200kW，钻孔直径 0.81.8m，钻孔深度 60m 左右，钻机 整机质量 65t 左右。中型机的应用市场定位： （1）各种高速公路、铁路等交通设施桥梁的桥桩； （2）大型建筑、港口码头承重结构桩； （3）城市内高架桥桥桩； （4）其他适用桩。中型机的市场工作量覆盖比例达到 90%以上。 大型机大型机 扭矩 240kNm，发动机功率 300kW，钻孔直径 12.5m，钻孔深度 80m。钻机整机质 量 100t 以上。大型机的应用市场定位： （1）各种高速公路、铁路桥梁的特大桥桩； （2）其他大型建筑的特殊结构承重基础桩。大型机的市场工作量覆盖比例达到 10%以上。 机械设计 4 2.3 工作原理分析工作原理分析 对于机械产品而言，其用途或所具有的工作能力称为机械产品的功能。在实际工作中， 要设计的机械产品往往复杂，难以直接满足功能原理的方案，因为在确定机械系统的总功 能和约束之后，必须用系统分解的原则进行功能分解，将总功能分解成多个功能单元。采 用功能分析法可以简化实现机械产品的总功能的原理方案设计。功能原理法设计的主要步 骤和各个阶段如图 2-1 所示。 图 2-1 功能分析法 旋挖钻机主要是针对灌注桩施工，其主要功能为钻孔。目前采用的钻孔法式分为冲击 钻孔、冲抓钻进、反正循环钻进、冲击回转钻进和旋挖钻进，其中旋挖钻进是灌注桩施工 中世 界最先进的技术。相对于其它钻进方式旋挖钻机的优点有以下几点。 1.钻井效率高 与常规钻机相比，旋挖钻机回转扭矩大，并可以更具地层自动调节速度， 钻头直接从孔中提取岩土，钻进速度快，在土层、沙层速度可以达到 10m/h，是普通钻机 的 35 倍。 2.成孔质量好 旋挖钻进对地层扰动小，孔壁泥皮薄，形成的孔壁为粗糙型，有利于增 加桩基的摩擦阻力，保证桩基的承载力。 3.环境污染小 旋挖钻机为干式或无循环泥浆钻进，因此施工现场整洁，对环境污染小。 不同的钻孔工艺就对应不同执行机构。根据功能原理分析，旋挖钻机可以分解为动力 源，传动方式、行走方式、定位方式、取土方式和提钻方式六个功能元，功能元分解功能 树如图 2-2 所示。 图 2-2 旋挖钻机功能分解功能树 根据功能原理分析建立了旋挖钻机的形态学矩阵见表 2-1 所示 通过功能原理分析，旋挖钻机的工作流程可以分解为对孔、下钻、钻进、 提钻、回转、卸土，六个工作步骤，对孔过程中为了保证钻桅的垂直度，采用 了平行四边形平动机构，并结合上车回转机构完成孔的定位。下钻时由于钻具 质量较大，所以要控制下降速度，将钢丝绳与钻杆通过回转接头连接，采用卷 机械设计 5 扬提升系统钻具的升降。钻钭触地时卷扬马达自由下放浮动功能开启，已实现 随重跟钻，防止出现放绳与钻进速度不同步而产生的绕绳现象。钻进过程中动 力头驱动扭矩通过动力头的驱动套键传递给钻杆，钻杆最终将扭矩传递到钻钭 以实现钻进。 旋挖钻机整体结构 1 钻具 2 连杆 3 动力头 4 加压油缸 5 钻杆 6 钻桅 7 钻桅变幅油缸 8 三角架 9 动臂 10 动臂变幅油缸 11 驾驶室 12 主卷扬 13 回转平台 14 底盘 3 旋挖钻机桅杆设计旋挖钻机桅杆设计 3.1 桅杆的结构和功用桅杆的结构和功用 旋挖钻机桅杆作为钻机主执行机构的重要支撑和受力构件是钻机工作的重要组成部分， 与其相关的一般包括顶部的两套导向滑轮机构（又称鹅头） ，桅杆主体立柱，动力头导向 滑轨，动力头加压油缸，动力头限位块，各连接铰耳等部件（见图 2-1） 。 其功能主要包括： 1)为钻具、调整机构、加压机构（一部分机型还包括安装在桅杆立柱上的卷扬机（具体 见 2.5 卷扬的安放分类） ）等提供结构支撑； 机械设计 6 2)为钻具的工作进尺提供导向作用； 3)为卷扬机提供吊臂； 4)为液压管道、照明设备等提供附着支架； 5)桅杆下部的缓冲橡胶块金属下限位挡板可以控制动力头上下运动的范围。 3.2 桅杆的方案选择桅杆的方案选择 根据满足工程需要，桅杆的种类有很多，根据其结构形式，主要可以分为：整体竖立 式桅杆，分段式桅杆，伸缩式桅杆 3.2.1 整体竖立式桅杆整体竖立式桅杆 整体竖立式桅杆，顾名思义，是指桅杆各部分采用焊接或螺栓连接的形式构成一 个整体，无论是工作状态还是运输状态，各部分之间均不发生位置的相对变化。加压 油缸固定在桅杆的前端面（旋挖钻机作业状态） ，其缸筒的头部铰接在桅杆前盖板的支 耳中，缸筒的尾部与桅杆前盖板的另一支耳浮动连接，油缸活塞杆的头部与动力头支 耳通过销轴连接，动力头两侧的滑块支架扣在桅杆导轨上，其间有滑块相隔。旋挖钻 机作业时，加压油缸推动动力头在桅杆上移动，滑块随动力头沿着桅杆导轨表面上下 运动。整体式桅杆根据其柱体形式可以分为整体箱形桅杆（见图 2-1）和整体格构式 桅杆（见图 2-2） 。 机械设计 7 3.2.2 分段式桅杆分段式桅杆 旋挖钻机是目前灌注桩成孔工艺中的主要施工设备之一，随着国民经济的发展，越来 越多高层建筑甚至超高层建筑不断拔地而起，同时也有越来越多的复杂工况需要面对，因 此对钻孔深度和动力需求提出越来越高的要求。随着钻孔深度的不断加大，必然导致钻杆 和作为钻杆支撑架的桅杆高度和重量的增加，如果此时仍旧使用整体式桅杆，在运输过程 中，钻机整机运输尺寸大，移动稳定性差，而单独拆卸桅杆运输又费时费力，因此严重影 响钻机的移动，进而影响施工进度，尤其是在狭窄有障碍的工地。为此，人们设计了各种 方法解决这一问题，采用分段式桅杆就是其中之一。根据其放倒方式，可以分为后倾放倒 式和前伏式。 3.2.3 分段折叠式桅杆分段折叠式桅杆 这种桅杆是目前市面上最为流行的一种桅杆形式，尤其是国内厂商，本次论文研究 对象也是针对这种桅杆形式进行的研究。 桅杆主体分为三段，分别为上段桅杆（包含两套滑轮机构组成的鹅头，简称上桅） ， 中桅（加压油缸所在桅段）和下桅。上桅和下桅一般较短，与中桅之间采用可折叠结 构，工作状态时，三段桅杆展开以满足钻挖需要，钻机移动时，无需拆卸，上桅和下 桅即可向中桅折回，减少了整机运输尺寸，通过起落机构向后放倒，即可移动运输 （见图 2-3） 。 3.2.4 分段式不可折叠桅杆分段式不可折叠桅杆 此种桅杆主体立柱部分一般分为主桅杆和桅杆延伸节两段，延伸节较长，加压油缸 机械设计 8 安装在桅杆延伸节上（见图 2-4） ，运输过程中桅杆一般采取前倾式放倒，也有一部分 厂家采用后倾放倒，在此处桅杆延伸节无法折向主桅杆一侧，所以为了减少整机运输 尺寸和提高整机的稳定性，在运输条件下，尤其是上下较陡的坡道和遭遇高空障碍电 线等情况下，需将延伸节桅杆拆卸后单运。其起竖时需利用辅助起重机协助起吊，比 较麻烦，起竖调整机构为结构较为简单大三角支撑。 3.2.5 伸缩式桅杆伸缩式桅杆 伸缩式桅杆也是一种基于提高钻机运输性能而采用的方案，他的主立柱是由一组 矩形、梯形或其它形状的对称截面相互套装而成（见图 2-5） ，最大的一段在桅杆立柱 的底部可称其为根桅，截面积最小的一段在桅杆立柱的顶部，可称其为顶桅， 机械设计 9 3.3 桅杆截面形式桅杆截面形式 桅杆截面形式多样，除格构式桅杆，钢制箱形截面形式最常用的为矩形截面和圆形截面， 目前又出现了一种截面，如图 2-6 所示. 2-6 箱型桅杆常见截面形式 3.4 设计要求设计要求 旋挖钻机的设计要求既是设计生产试验鉴定验收的依据,同时又是用户衡量的尺度,因 此在设计前必须对所设计的机械产品提出详细明确的设计要求。 1.功能要求 旋挖钻机是一种新型灌注桩钻孔施工设备,融合了现代液压新技术和钻孔新工艺,主要 机械设计 10 用于灌注桩施工。 2.性能要求 旋挖钻机要求动作迅速快速启动和准确制动,机械支撑系统具有足够的强度刚度和稳定 性等。 3.工作效率 旋挖钻机的工作原理不同于传统的正反和冲击钻,采用钻孔直接从孔内提取岩土,故其 钻进速度快。 4.安全和可靠性 旋挖钻机工作时高度接近 20m,要求工作状态具有较高的安全性,确保钻机不发生侧翻, 钻机设计时应具有较大的安全系数,另外钻机应配有电子监控设备,当钻机接近倾翻角一定 范围内,自动报警并停止工作。由于液压系统工作压力较高,一旦系统出现爆管,发动机应自 动熄火一减小损失和危险。主卷场装有过载保护回路确保部件的安全性和可靠性。关键部 件的寿命要达到设计要求。 5. 总体布置 总体布置应从保证其主要性能出发,它对钻机的总体性能使用和制造等方面都将产生非 常重要的影响。总体布置应满足功能、性能、机构、工艺和使用等方面要求。图 2-3 为旋 挖钻机的工作和运输状态: 机械设计 11 3.5 旋挖钻机桅杆结构设计计算旋挖钻机桅杆结构设计计算 3.5.1 旋挖钻机整机参数旋挖钻机整机参数 发动机功率：246kW 动力头最大扭矩：70kN m； 最高工作转速：21r/min 最高甩土速度：135r/min 最大钻深：40m， 最大钻孔直径：1200mm， 主卷扬最大单绳拉力：200kN, 钢丝绳直径 30mm 付卷扬最大单绳拉力：80kN， 钢丝绳直径 18mm 行驶速度：1.0km/h， 爬坡度：40%， 整机重量：45T（含钻杆） 动力头油缸推/拉力：200/140kN 材料特性: 材料为Q345B 材料密度: 7850kg/m3 , 弹性模量E =206 GPA , 泊松比u=0.3 机械设计 12 3.5.2 旋挖钻机桅杆结构图旋挖钻机桅杆结构图 3.5.3 旋挖钻机桅杆强度校核旋挖钻机桅杆强度校核 桅杆在作业时，固定桅杆的两油缸作用在桅杆上的侧向推力平衡，相互抵消。但将两油 缸合力作为桅杆一支撑力，三角形架为桅杆另一支撑力。由于桅杆受轴向载荷较大，因此 对于桅杆主要进行轴向力校核。同时，本论文还将对桅杆的稳定性、刚度进行校核以及在 弯曲与扭转、压缩与弯曲作用力结合下、动力头在桅杆上滑动产生动应力、扭转应力进行 校核。 桅杆受力及其应力计算桅杆受力及其应力计算 （1）当旋挖机钻进时，钻进力）当旋挖机钻进时，钻进力 F=10T，绳拉力，绳拉力 T=0。 取桅杆最上端面 A-A，此处 N=0，=0 取截面 B-B。以及 C-C，D-D，E-E，F-F 研究这些截面的受力情况，计算出他们的应 力分布，这里用到了材料力学公式应力=Fa/L 距原点距 离 X(mm) 0843274839016970969510500 机械设计 13 应力 （mpa ） 0-0.16-4.2-8.960.842.90 （2）当旋挖机钻进时，钻进力）当旋挖机钻进时，钻进力 F=0，绳拉力，绳拉力 Tmax=20T。 取桅杆最上端面 A-A，此处 N=0，=0 取截面 B-B F=0 N-F=0 N=G=2T=40T（G 可忽略不计） N=-NN=-40T =-N/A=-40T/20896=-19.1MPa 取截面 C-C F=0 N=F+G+G1=40T+0.338.78T+1T=43.89T N=-NN=-43.89T 取截面 D-D(中桅杆滑轮架 x=7930mm 处) 解之得 TA=20.8T Nx=8.1T Ny1=68.9 Ny1=-Ny1Ny1=-68.9T =-Ny1/A=-68.9T/20896=-33.0MPa =-Nx/A=-8.12T/20896=-3.88MPa 取截面 E-E(桅杆油缸支架 x=13350mm 处) 解之得 TBy=317.8T TBx=8.1T Ny2=-249.9T Ny2=-Ny2Ny2=249.9T =Ny2/A=249.9T/20896=119.6MPa =-Nx/A=-8.1T/12800=-3.885MPa 取截面 F-F(三角架支点 x=16040mm 处)， 。 解之得 TC=-181.7T Ny3=-78.2T TCx=101.6T Ny3=-Ny3Ny3=78.24T =Ny3/A=78.24T/20896=37.4MPa =-Nx/A=-101.6T/20896=-48.7MPa 距原点距 离 X(mm) 0843274839016970969510500 应力0-6.9-7.7-14.6130.637.40 机械设计 14 （mpa ） 由图表可以看出：当旋挖钻机在钻进时， 最大压应力位置是中桅杆滑轮架处，最大值为 压 max=14.6MPa； 最大拉应力位置是桅杆油缸支架处，最大值为 拉 max=130.6MPa。 2、应力校核、应力校核 已知：桅杆材料 16Mns=270340MPab=470510MPa 对于旋挖钻机在工作状态时 拉 max=52.6MPa拉=235255MPa； 压 max=24.6MPa压=135170MPa 对于旋挖钻机提升钻杆和工作装置时 拉 max=119.6MPa拉=235255MPa； 压 max=33MPa压=135170MPa 由此应力校核可以得出结论：桅杆设计符合轴向应力要求，且剪切应力较小， 可以不予校核。 3. 桅杆稳定性计算桅杆稳定性计算 已知：弹性模量 E=1.96108MPa；安全系数取 n=6； 截面轴惯性矩 I=12.8108mm4(由平行移轴公式 Iy=Iyc+a2A 计算) 1、当旋挖钻机钻进时：临界载荷 Pcr=EI/L12=4.1361.961012.8108/125652=6.5105(T)（稳定系数 取 4.136） 桅杆稳定的许用载荷 P 许=Pcr/n=6.5105T/6=1.08105(T) 此时桅杆实际最大受力为 P=F+G=44.18(T) PP 许=1.08105(T) 2、当旋挖钻机吊钻杆及工作装置时， 临界载荷 Pcr=EI/L2L2 =3.5251.9610812.8108/187402=2.5105(T)（稳定系数 取 3.525） 桅杆稳定的许用载荷 P 许=Pcr/n=2.5105T/6=0.42105(T) 此时桅杆实际最大受力为 P=2T+G=64.18(T) PP 许=0.42105(T) 由此可见，桅杆设计符合稳定性要求。 4 桅杆刚度校核桅杆刚度校核 已知：桅杆材料 16Mn；弹性模量 E=1.96108MPa； 截面轴惯性矩 I=12.8108mm4 1、 当旋挖钻机钻进时： 机械设计 15 所受弯矩：M=(F+G3)(a2+a-c2)+G1(a/2-c2) =(20+1)(190+560-150)+8.78(280-150)=1.4108(Nmm) 2、当旋挖钻机吊钻杆及工作装置时： 桅杆所受弯矩：M=T(a+a1-c2)-T(C4+C2)+G1(a/2-c2）=20(560+850-150)-20(280+150) +8.78(280-150)=3.49108(Nmm) 比较 1、2 结果，在这里取最大值 M=3.49108Nmm 进行计算 桅杆上端转角：=-M(l+3a)/3EI=3.49108 (2690+313350)/31.9610812.8108=1.9810-5 rad=(1.1310-3) 桅杆最大挠度：f=-Ma(2l+3a)/6EI=3.49108 13350(22690+313350)=/61.9610812.8108=0.14mm 已知旋挖钻机最大倾角为 4，则 4； 同时参照起重机许用挠度f=0.00116040=16(mm)， 则 f=0.14mm16mm 所以根据选挖钻机工况，桅杆在符合以上许用转角及许用挠度情况下，其结 构符合刚度要求。 4 旋挖钻机模型的建立旋挖钻机模型的建立 4.1 旋挖钻机车身建模旋挖钻机车身建模 机械设计 16 4.2 旋挖钻机钻杆的建模 机械设计 17 4.3 旋挖钻机的桅杆建模旋挖钻机的桅杆建模 4.4 旋挖钻机装配图 机械设计 18 5 运动仿真运动仿真 通过 ADAMA 建模，画出仿真图形，分别测出速度和加速度位移如下图： 机械设计 19 6 个人总结个人总结 本文在充分了解和掌握国内外灌注桩施工方式中的旋挖钻进技术现状及发展趋势的基 机械设计 20 础上，结合灌注桩施工工艺和要求，提出了全液压旋挖钻机的设计方案。根据主要技术参 数和相关技术指标完成了旋挖钻机的总体设计。借助 ADAMA 对模型进行了动力学仿真。结 果证明了设计的强度和刚度满足旋挖钻机的设计要求。 在真正开始设计这个机构之前，我们曾经有过很多想法，有些很幼稚，甚至不能算是机 械专业的学生设计的方案，有些又过于复杂，只能想出来，却很难实现。这次课程设计， 是我们第一次将本学期机械设计这门课程中所学的知识综合运用到实际中，另外对于 机械设计也有了初步的认识。这次课程设计，我们用