毕业设计（论文）-TR280型旋挖钻机液压系统设计（全套图纸）.doc

目录前言11 国内外旋挖钻机发展状况及前景31.1 国外旋挖钻机发展状况31.2 国内旋挖钻机发展状况52 旋挖钻机结构组成与工作原理研究72.1 旋挖钻机主要结构整机布置72.1.1 行走装置72.1.2 回转平台82.1.3 变幅装置82.1.4 卷扬机构82.1.5 工作装置82.1.6 桅杆92.2 整机参数92.3液压系统设计要求93 旋挖钻机执行机构工况分析113.1钻进工况分析113.1.1 被动土压力产生的阻力矩113.1.2 滑移面上的摩擦力产生的阻力矩123.1.3 沿切削刀面的摩擦力产生的阻力矩143.1.4 切削刀侧面剪切土体的阻力产生的阻力矩153.1.5 切削刀背面切入土体的摩擦力产生的阻力矩163.1.6 钻斗与孔壁表面摩擦产生的阻力矩173.1.7 钻头钻杆回转的惯性阻力矩183.1.8 土体在钻斗内的回转阻力矩183.1.9 钻进速度分析203.2 卷扬机构工况分析203.2.1 主卷扬工况分析与计算203.3 变幅机构工况分析223.4 回转机回转机构工况分析233.4.1 回转阻力矩分析233.4.2 回转阻力矩计算233.5 行走装置的工况分析254 旋挖钻机液压工作原理设计274.1 液压系统简介274.2 主要液压回路设计274.2.1 泵控回路274.2.2 动力头回转回路284.2.3 加压回路284.2.4 主、副卷扬回路294.2.5 变幅回路314.2.6 上车回转回路314.2.7 行走回路325 液压系统参数计算与主要液压元件选型345.1 动力头马达参数计算345.2 主卷扬马达参数计算355.3 副卷扬马达参数计算355.4 上车回转马达参数计算365.5 行走马达参数计算375.6 液压缸的设计计算375.6.1 加压油缸设计计算385.6.2 动臂变幅油缸设计计算395.6.3 钻杆变幅油缸设计计算405.7 液压泵的流量压力计算415.7.1 系统工作压力的确定415.7.2 泵的流量确定415.8 主油管管径的确定425.9 油箱容量的确定435.10 主要液压元件选型436 液压系统验算446.1 系统功率损失验算456.2 系统温升验算457 技术和经济分析478 结论48致谢49参考文献50附录A51附录B61全套图纸，加153893706辽宁工程技术大学毕业设计（论文）前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基他基础，得到了广泛的应用空间。旋挖钻机是一种专门的灌注桩成孔作业施工机械，广泛用于市政建设、公路和铁路桥梁、高层建筑等基础施工，配合不同的钻头，适应于适用粘土，粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层等各种地质的成孔作业，可以适应微风化岩层的施工，适用于我国大部分地区的土壤及地质条件。近年来，旋挖钻机作为钻孔灌注桩施工中一种较为先进的施工机械，因其适应桩径范围广、桩位定位准确、成孔质量好、自动化程度高、移动灵活方便等优点，特别是其具有高环保性和工作效率，在城市高层建筑基础及高速公路桥梁桩基施工中，显示出明显的优越性，其工作状态如图1所示。图1 旋挖钻机工作状态图Fig.1 Rotary drilling rig working state diagram青藏铁路、北京奥运等大型工程的建设，推动着我国基建对于旋挖钻机的需求进一步扩大，而我国各地高速公路、铁路、机场、城市地铁和高层建筑的建设发展，推动着我国旋挖钻机行业的进一步发展，特别是近年来，随着我国高铁，城市地铁等项目的进入“井喷式”发展的高速期，我国的基础设施建设正掀起了一个新的高潮，更是进一步推动我国旋挖钻机行业的高速发展。市场需求的高涨吸引了国内大型工程机械企业的争相进入，三一、徐工、中联重科和山河智能等纷纷涉足，并迅速抢占了市场份额。2005年后，国内品牌旋挖钻机已基本替代了国外品牌，2006年以来，旋挖钻销量更是连年呈现跨越式增长。据有关数据统计，国内旋挖钻销量在2009年达到1200台，2010年突破1700台， 2011年达到1800台左右。据初步统计，目前国内约50个品牌数百个型号旋挖钻机市场总量约为9000台，其中国产占90%左右，国外二手旋挖钻也有一定比例，约为5%。而作为目前国产旋挖钻机的关键部分液压系统仍然是制约旋挖钻机发展的瓶颈，液压系统成为制约国产旋挖钻机发展的重要因素之一，本文以国产某型旋挖钻机为基础，借鉴国外先进旋挖钻机液压系统设计理念，结合我国旋挖钻机液压技术发展现状，探索大型旋挖钻机液压系统的设计方法。1 国内外旋挖钻机发展状况及前景1.1 国外旋挖钻机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，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。意大利土力公司首先从美国将安装在载重汽车上和附着在履带起重机上的钻机引入欧洲，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，可实现在紧密砂砾和岩层的钻孔。日本于1960年从美国引进CALWELD旋挖钻机，同时加藤制作所开发了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年开发了利用液压履带起重机底盘由液压马达驱动的钻机。1980年日立建机与土力公司合作开发了为提高单桩承载力和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。日本的旋挖钻机扭矩比欧洲的同类产品小。目前国外的旋挖钻机主要生产厂家为：德国：BAUER、LIEBHERR、Delmag、WIRTH、MGF，意大利SoilMec、MAIT、CMV、CASAGRANDE、IMT、ENTEGO；西班牙：LLAMADA。日本：日车车辆、HITACHI、住友、加藤；芬兰：JUNTTAN、TAMROCK；美国：APE、Ingersoll-Rand；英国：BSP等。国外的旋挖钻机一般都设有摇管装置由2个或3个液压马达驱动的大扭矩动力头(可配套管连结器)。液压系统采用恒功变量自动控制、自锁互扣钻杆、先进的监控仪表(发动机和液压系统自动监测和报警系统、钻孔深度显示、钻桅自动测斜纠偏装置)。同时配有各种保险装置（如防止带负载起动和卷扬机超高限位等) 但各家公司的旋控钻机都有自己的技术特点。具体分析如下：德国宝峨公司其产品系列为BG12BG25：在天津设有一家独资企业宝峨公司钻机的立柱调整采用大三角形支撑结构。遮设计可以加大变幅油缸安装距，增大钻桅的稳定性。但他也使转台的设计变的复杂，且升高了运输时的整车高度。国外车型中也仅有BAUER公司一家使用此结构。另一个特点是主副卷扬都安装在钻桅上，节省了回转平台上的安装空间，便于转台的布置。这一结构使其整机外形较小，特别是回转平台与底盘显得小，外观上显得前重后轻。动力头可根据负荷自动调节回转速度，具有弹簧、液压两级减振以及大型钻机为达到套管设置深度的要求而增设的变矩器。MAlT公司目前已开发定型的大口径系列旋挖钻机中EB12、HR45、HR100、HR110为单一钻机功能设计HR 1 3 0、H R1 3060、HR 1 80、HR260、HR300-570、HR240800均为多功能设计，即该系列钻机在具有钻孔桩的功能外，通过更换不同的工作装置，还同时具有长螺旋(CFA)、地连墙、预制桩、切割桩、全套管等施工的性能。在最近几年研制的中、小口径系列旋挖钻机，BABYDRILL、MINIDRILL、MIDIDRILL主要适合于城市建筑物内部及铁道、交通等一些狭窄地段施工，直径为250800 mm桩径。该系列钻机也具有多功能性能，配置不同的工作装置可进行80 m钻深微型桩 L、斜孔、高压旋喷等施工。在MAlT公司系列旋挖钻机中，集国外钻机最大输出扭矩与最小机型为一身机型HR240800钻机，最大钻进扭矩为790 kN m，最大钻径3 m， 最大钻深110 m， 最小机型BABYDRILL钻机，最小钻径250 mm。MAIT公司采用自行设计的多功能底盘，稳定性好，重量轻，可配预留装置实现多功能，并具有上下车水平调整系统可进行倾斜调节。钻机的立柱采用平行连杆-角形支撑型式，液压系统为多泵独立回路，动力头配有套管钻进增扭装置。钻机的摩擦钻杆驱动键的宽度和厚度大，自锁式钻杆为短键嵌人式可保证快速加锁和解锁，而且钻杆的材料采用专利配方，同时配有钻杆支架，另外卷扬机客绳量大、单绳缠绕可达到绳速高、提升力恒定和减少磨损。除此以外，MAlT系列旋挖钻机设置了功率及扭矩输出分级系统，扭矩输出有3挡，即大扭矩低转数、低扭矩高转数和中扭矩中转数，功率输出有高、低2挡。用户可根据施工地质情况，设置不同的“扭矩转数”挡位和“功率”挡位，满足各种类型地质条件快速施工的需要，达到高效节能的目的。意马公司采用卡特彼勒履带底盘，钻杆配有导向滑轮架以防止钻孔偏斜，动力头装有油浴式润滑、冷却系统和清洗泵，液压系统主油路采用双路传递功率设计，整机液压系统为先导负反馈恒功率变量自动控制系统，主卷扬机具有钻杆触地自停和动力头随动装置以防止乱绳和损坏钢丝绳。NCB公司的钻机配自制底盘动力头采用恒功率控制和多功率传递的设计，整机液压系统为先导负反馈恒功率变量自动控制。自锁式钻丰千壁较厚，加焊有凹凸导向条以增加刚性和减少挠性变形，动力头有减振装量和清洗泵。卷扬机具有过载保护和限位保护装置，另外在长螺旋钻孔施工时，由电脑控制混凝土灌人量。CMV公司的钻机为了能在保证稳定性和垂直度的情况下改变工作半径以及穿越空中障碍物，采用平行连杆机构加三角形支撑型式，动力头可按土层自动调整扭矩和转速。11.2 国内旋挖钻机发展状况1984年天津探矿机械厂首次从美国RDI企业引起车载式旋挖钻机，1988年北京城建工程机械厂仿制土力企业1.5m直径附着式旋挖钻机，1994年郑州勘察机械厂引进英国BSP企业附着式旋挖钻机，1998年上海市金泰股份有限公司与宝峨合作组装bg15，1999年哈尔滨四海工程机械企业和徐州工程机械股份公司先后开发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、山河智能等多家生产厂家的旋挖钻机陆续下线，产销两旺。目前，国内的旋挖钻机主要生产厂家为：湖南山河智能、湖南三一、徐工、中联重科、徐州东明、北京巨力、天津宝峨、石家庄煤机、连云港黄海、哈尔滨四海、内蒙古北方重汽、宇通重工、南车时代、山东鑫国、郑州勘察等。我国最近几年开发的旋挖钻机技术水平起点高，但品种少，还不能满足不断发展的基础施工市场的需要。目前国内旋挖钻机生产厂家一般是在参考国外同娄型产品技术的基础上开发设计的，有的甚至是引进国外技术生产。所选用关键件一般为进口件，技术水平基本上达到了国外同类产品的先进水平。但品种较少，基本上属于动力头扭矩在180220 kN m之间，最大钻孔直径2 m，最大钻深60 m的产品，有待进一步向两头发展，开发最大钻孔直径1 2 m和3m左右的旋挖钻机，以满足市场需要。国内主要生产产品的技术现状分析如下。徐工集团主要产品有RD15 RD18、RD22三种旋挖钻孔机，是国内较早专业生产大口径液压旋挖钻机的厂家。该系列钻机是在广泛吸收国外同类产品先进技术的基础上设计开发的商新技术产品，主要性能指标达到了当代国际同类产品的先进水平，液压件等美键零部件采用国际化配套，保证整机的可靠性。整机采用液压伸缩式履带底盘，自行起落折叠式钻桅、伸缩式自锁钻杆，采用国际先进的PLC智能控制技术，CAN总线控制系统+具有钻孔定位自动对正、钻桅垂直度自动控制、孔深自动检测显示、钻孔速度扭矩自适应系统、故障诊断等多种智能化功能。采用彩色屏翻屏显示，优化了界面，方便人工揉作，控制器、传感器等主要电气元件采用进口件，提高了产品可靠性。采用液压先导控制，操作方便舒适。该系列钻机采用进口CUMMINS系列发动机，RD22还采用了电喷发动机，最大扭矩250 kN m，最大成孔直径2500 mm，具有充足的功率储备，完全可以满足在中国高原地区的施工。徐工钻机目前主要采用进口钻杆，整机具有主副卷扬防过卷安全保护、变幅安全限位、驾驶室内先导控制切断等可靠的安全保护装置。操纵室视野开阔，装有冷暖空调并最犬限度地满足操作人员的舒适要求，整机外型美观大方，主要结构件采用高强度低台金结构钢焊接而成，机械强度高、刚度太，工作安全可靠。北京经纬巨力工程机械有限公司是香港中国基础工程有限公司(CFC)10O 投资控股企业。生产的产品主要有ZY120、ZY160、ZY200等机型，其产品主要元件采用进口件，包括钻杆在内的结构件均为自制件，功能及技术性能与国内外同类产品相似，动力头采用双速减速机及单级平行轴齿轮减速增扭，所选发动机功率较大，可在高原等恶劣条件下作业。河北石家庄煤矿机械公司最新推出的XZ一20旋挖钻机是该公司在引进芬兰永腾公司技术的基础上，采用技贸结合的方式生产的新产品。该机动力头、钻杆等均从永腾公司进口，制造成本较高，因此售价大大高于国内同类产品机型，市场竞争力有待提高。内蒙古北方重型汽车股份有限公司经过缜密的市场调研，与吉林大学联合研制了ZY-200型旋挖钻机，该机底盘选用卡特彼勒公司履带底盘，发动机选用美国cuMMfNs发动机，可以旋挖直径2 m，钻深60m的桩孔。天津宝峨公司是德国宝峨公司设在天津的一家独资企业。主要组装宝峨BG系列旋挖钻机和连续墙施工设备，并提供在中国所有宝峨公司产品的售后服务。主要机型为BG20旋挖钻机。该机最大的特点是动力头为双级扭矩输出，当小扭矩输出时，最大钻进速度可达到60 dmin，大大提高了施工效率。该机可配5种自锁式或摩擦式6键钻杆，长度范围为3058 m，发动机额定功率为145 kW，耗油量小，主要适合于在平原施工。三一重机主要产品是SR220C型，最大扭矩220 kNm，最大成孔直径2 000 mm。该机配置特点是底盘车体采用进口卡特彼勒可扩展底盘：动力头采用双马达双减速机结构，液压系统采用力士乐元件：整机结构布置与IMT公司机型类似。因该机采用进口底盘，成本较高。宇通重工新推出机型是YTR230。该机型配置基本和三一重工的SR220C相同，主参数也基本相同。这是该公司首次涉足旋挖钻机领域在技术上有待进一步完善。山河智能公司的SWDM20钻机和徐州东明公司TRM200钻机均采用自制底盘国产化钻杆，动力头为国内同一家公司生产，技术水平相差无几。12 旋挖钻机结构组成与工作原理研究2.1 旋挖钻机主要结构整机布置钻机主要结构由行走装置、回转平台、变幅装置、卷扬机构、工作装置 、桅杆构成。旋挖钻机总体布置应从保证其主要工作性能出发，它对钻机的性能、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、结构、工艺和使用等方面要求。工作状态采用立式布置，旋挖钻机钻孔作业时孔的定位和卸土，钻机采用了上下车的回转形式，即通过回转支承使上车绕回转中心自由转动。三角形机构实现了钻桅的自动升降，工作需要移动位置或运输时，通过钻桅的支承油缸使钻桅收放到水平状态，传统钻机必须借助吊车来完成钻具的拆装，这样不但浪费时间而且也增加了施工的辅助费用，本钻机采用的平行四边形机构和三角形机构的变幅机构，使钻桅自行起落，在行走过程和运输时无需拆卸钻桅。这样布置的增加了钻机的稳定性和使用的安全性。图2-1为钻机的工作和运输状态。1. 钻具总成 2.动力头总成 3.钻桅总成 4.变幅机构总成5.卷扬总成 6.上车回转总成 7.行走总成图2-1 工作和运输状态图Fig.2-1 Work and transport state diagram2.1.1 行走装置TR280型钻机采用的是专用的履带底盘结构，主要功用是把发动机传到驱动轮上的驱动扭矩转变为钻机在地面上的行走移动，如图2-2所示，其结构主要由引导轮、托链轮、行走架、支重轮、驱动轮、履带、马达、减速机等组成，四轮一带均采用进口卡特比勒原装产品，具有可靠度高、刚性好、承载力大、稳定性好等特点。1.引导轮 2.拖链轮 3.行走架 4.支重轮 5.履带 6.驱动轮 7.马达减速机图2-2 行走装置图Fig.2-2 The walking device2.1.2 回转平台回转平台主要由回转减速机、回转马达、回转支承、发动机系统、液压系统、燃油液压油箱、机架等组成，其作用是承载工作体重量，并使之随回转平台按要求回转，且回转速度的快慢可以通过液压手柄的比例阀进行有效调节和控制。2.1.3 变幅装置TR280型钻机采用目前最流行的平行四边形机构，各部件之间采用销轴联接，拆装方便，联接可靠，可实现桅杆090自动无级调节，以适应工作和运输状态的快速转换以及钻孔位的快速找正。2.1.4 卷扬机构TR280型钻机布置主、副两个卷扬，主卷扬起提升钻杆、钻具上下运动的作用，其最大提升力约吨；副卷扬为施工起重辅助设备，用于起吊钢筋笼，下放套管等施工作业，最大提升力约吨。两卷扬均采用进口减速机和马达，其使用寿命和可靠性得到很大保证。主卷扬布置于桅杆下部，不仅有利于操作人员实时对主卷扬的工作状况进行监控，还能大大降低工作时桅杆承受的弯矩，从而使桅杆重量更轻、结构更合理、使用寿命更长，进而降低整机稳定性的设计难度。2.1.5 工作装置TR280型钻机的工作装置主要由动力头、钻杆、钻斗等组成，液压泵输出的高压液压油带动动力头上的个液压马达，经行星减速机和动力头齿轮箱两级减速后，以低速大扭矩的形式通过动力头键套传递给钻杆，钻杆带动钻斗旋转，此工作装置对摩阻式和机锁式两种钻杆均适用。动力头采用的减速机和马达均采用进口产品，钻杆和钻斗由国内钻具专业生产厂家进行定制生产。2.1.6 桅杆桅杆是工作装置的安装支撑部件，也是工作装置上下滑移的导向结构。TR280型钻机的桅杆根据盈利分析和疲劳测试，使用瑞典原装进口钢材特质的大截面箱型结构桅杆，不仅能有效防止开裂，还能满足最佳寿命的期望值。2.2 整机参数根据实际工况要求，结合已有旋挖转机产品性能，TR280型旋挖钻机的主要技术参数表见表2-1。表2-1主要技术参数表Tab.2-1 Main parameters design主要性能参数最大输出扭矩280 KNm最大钻孔直径2500 m最大钻孔深度85 m钻孔转速623 r/min主卷扬提升力240 KN副卷扬提升力110 KN主卷扬最大提升速度63 r/min最大加压力180 KN最大起拔力200 KN加压行程6000mm整机重量76.22T2.3液压系统设计要求由TR280型旋挖钻机实际工况特点可知，TR280型旋挖钻机与其他工程机械一样，要求液压系统和元件能耐冲击、耐振动、工作平稳可靠，使用寿命长，容积效率高，系统沿程和局部损失少，散热系统能保证在满载持续工况下油温或温升，配备良好的防尘、密封、过滤装置，液压元件和管路震动小、噪声低；液压系统与发动机在各种工况条件下有良好的功率匹配，使执行机构和发动机的工作点接近各自的最佳稳定工况，在作业循环中尽量充分利用发动机的功率。除此之外，液压系统还必须有如下要求：（1）对卷扬回路的要求由于提钻时，孔内对钻具产生巨大的吸附力，所以TR280型旋挖钻机主卷扬液压回路中液压马达必须具备足够的输出扭矩，满足最大提升力的要求，液压马达还必须具有良好的启动性能，以便克服静力矩和惯性力矩。卷扬马达必须满足提升速度的需，必须具有良好的调速性能，要求调速范围大，平稳且可靠，操作方便，微调性好。必须设置限速回路，防止重物超速下降。必须设置制动器，在提钻时，必须保证液压马达具有一定扭矩后，制动器才打开，避免钻杆在空中再次提升时产生滑降。为保证卷扬提升速度，有时需要双泵合流。(2) 对动力头回转回路的要求钻孔作业是通过动力头液压马达的旋转实现的，因此，动力头液压液压马达必须具有足够的驱动力矩，以克服钻孔阻力矩。此外，动力头还需要回转急停或快速抛土，为保证这些需求，需要动力头液压回路有相当灵敏的控制系统和缓冲装置，还需满足快速旋转要求。 （3）对上车回转液压回路的要求由于TR280型旋挖转机上车回转惯性负载大，启动制动频繁，所以，上回转回需要设置制动、缓冲补油和防反转回路，达到制动平稳，防止倾翻。（4）行走机构需要有完善的防滑坡限速、行走制动装置。（5）钻杆变幅调垂直回路需要有过载保护，防止倾翻。（6）为满足加压回路快压和慢压功能，需设置平衡阀。（7）在钻孔时，要求行走和回转平台必须不能动作，避免钻偏或扭断钻杆。（8）行走和回转回路必须能互锁，保证钻机平稳性。3 旋挖钻机执行机构工况分析3.1钻进工况分析旋挖钻机动力头驱动钻具钻进时，钻具在孔底掘削作业，在钻具自重和加压作用下一边回转切削土体，一边装载，钻杆和钻具及钻具装载的砖渣在泥浆内回转，所要克服的阻力矩包括切削刀具所受的阻力矩以及钻杆钻头的回转阻力矩，切削刀具所受的的土壤阻力主要有切削土体产生的阻力矩，包括：被动土压力产生的阻力矩； 滑移面上的摩擦力产生的阻力矩；沿切刀面的摩擦力产生的阻力矩；切削刀侧面的剪切土体的阻力产生的阻力矩；切削刀背面切入土体的摩擦力产生的阻力矩。而钻杆钻头回转的阻力矩主要包括：钻头与孔壁表面摩擦产生的阻力矩；钻头钻杆回转的惯性阻力矩；土体在钻斗内的回转阻力矩。3.1.1 被动土压力产生的阻力矩如图所示为切削刀所受的朗肯被动土压力F，将一小块土体取出，其所受的应力如图3-1所示，土体的破坏在与所决定的平面内产生，当增大到时，土体产生破坏，则 (3-1)图3-1朗肯土压力（左）、土体应力图（右）Fig.3-1 The Rankine soil pressure (left), soil stress (right)土体竖直方向所受应力由三部分组成：一部分为钻头上表面的覆土产生的重力，一部分为孔内灌入泥浆产生的重力，另一部分为旋挖钻机钻进时的轴向压力。假设钻斗内即将装满土，则垂直主应力为 (3-2)式中：H旋挖钻进深度（m）； l旋挖钻斗的高度（m）； 钻孔内泥浆的容重（）； 土壤的容重（）； T钻进的轴向压力（kn）； S轴向承压面积（）；则有 (3-3)所以任一把切削刀上的朗肯土压力为 (3-4)式中：切削刀的宽度（mm）； 切削刀的切削深度（m）。所以切削刀因朗肯土压力所受的阻力矩为 (3-5)式中：m切削刀的数量； 第i个切削刀的切削半径。3.1.2 滑移面上的摩擦力产生的阻力矩如图3-2所示，切削刀切削下来的土体将沿着与水平呈角度的滑移面滑移。滑移面上的摩擦力是土与土之间的摩擦，土体要克服主应力和在滑移面上产生的运动摩擦阻力的作用而上移。滑移面作用的正压力 (3-6)滑移面上的摩擦阻力为 (3-7)式中：土壤的内摩擦系数； 滑移面的长度，。将滑移面的摩擦阻力分解为水平分力和竖直分力，则有 (3-8) (3-9)则切削刀因为土壤滑移面摩擦阻力所受的阻力矩为 (3-10)图3-2土壤滑移面的摩擦阻力Fig.3-2 Soil sliding friction resistance3.1.3 沿切削刀面的摩擦力产生的阻力矩如图3-3所示切削刀切削下来的土体将沿着切削刀具的前角鞋面上移，进入钻斗容腔内。刀具前角斜面上土体要克服主应力和产生的运动摩擦阻力的作用。图3-3切削刀面的摩擦阻力Fig.3-3 The cutting surface friction resistance切削刀前角斜面作用的正应力为 (3-11)切削刀前角斜面上产生的摩擦阻力为 (3-12)式中：土壤与刀具的摩擦系数； 切削刀前角斜面入土的长度，； 切削刀具的切削角。将前角斜面上的摩擦阻力分解为水平分力和竖直分力，则有 (3-13) (3-14)切削刀因为土壤滑移面摩擦阻力所受的阻力矩为 (3-15)3.1.4 切削刀侧面剪切土体的阻力产生的阻力矩如图3-4所示切削刀切削土体时，切削刀面与土体发生剪切作用，阻碍切削刀的切入。图3-4 切削刀侧面剪切土体的阻力Fig.3-4 Cutting side shear resistance of the soil则侧刀面剪切土体面积为 (3-16)剪应力为 (3-17)对于砂土 (3-18)对于黏性土 (3-19) (3-20)式中： 切削刀的后角； 刀尖角。切削刀剪断土体时的阻力为 (3-21)切削刀侧面剪断土体时的阻力矩为 (3-22)3.1.5 切削刀背面切入土体的摩擦力产生的阻力矩如图3-5所示，作用在切削刀背面的法向反力是由水平反力所产生，水平反力在刀背面上形成的正压力为 (3-23)图3-5切削刀背面的摩擦阻力Fig.3-5 Cutting back friction resistance切削刀背面上产生的摩擦阻力为 (3-24)将切削刀背面上的摩擦阻力分解为水平分力和竖直分力，则有 (3-25) (3-26)切削刀切入的运动摩擦阻力矩为 (3-27)3.1.6 钻斗与孔壁表面摩擦产生的阻力矩钻斗在切削土的过程中，由于钻杆的稳定性因素的影响，与孔壁之间存在摩擦，由于摩擦力产生的摩擦阻力矩可以采用朗肯主动土压力理论来求解。图3-6 钻斗与孔壁作用力分析Fig.3-6 Drill pipe and hole wall force analysis根据极限平衡条件有 (3-28)式中：P钻抖的侧压； 主动土压力系数，由图3-6可知， (3-29)则作用在钻斗圆柱表面的回转摩擦阻力为 (3-30)这时作用在钻斗上的回转阻力矩为 (3-31)由于钻斗的扰动以及钻斗与孔壁之间存在一定的间隙用于泥浆的流动，可以视钻斗和孔壁是在混合摩擦的作用下，因此需要对上式进行修正。 (3-32) (3-33)式中：考虑到钻斗与孔壁存在一定的间隙时侧压修正系数，； 考虑到钻斗与孔壁混合摩擦时摩擦力修正系数，。3.1.7 钻头钻杆回转的惯性阻力矩动力头驱动钻杆需要消耗扭矩，按苏联瓦西里也夫经验公式经换算求得扭矩为 (3-34)式中：经验系数，一般取； 钻杆长度（m），按设计孔深计30m； 钻杆外径（cm），; 钻杆转速（r/min）。3.1.8 土体在钻斗内的回转阻力矩钻斗的装载机构为斗的内腔，钻斗一边靠切削刀切削土体，一边将切剩下来的土块装入斗内，并跟随钻斗的回转而回转。假设钻斗即将充满土，由图3-7所知，钻斗的斗容量为V为 (3-35)图3-7钻斗的回转阻力矩示意图Fig.3-7 Drill rotary resistance moment bucket figure钻斗圆柱体部分回转所消耗的阻力和阻力矩为 (3-36) (3-37)斗内土重为 (3-38)则土体作用在斗底面的正压力为 (3-39)钻斗斗底面上产生的摩擦阻力为 (3-40)故斗底圆锥体部分的阻力矩为 (3-41)因此旋挖钻机钻进的总阻力矩为 (3-42)令土壤容重，泥浆容重，土壤内聚力，土壤内摩擦角，钻进深度,土与钢板之间的摩擦系数，土壤内摩擦系数，钻斗直径，斗齿宽，压轴力，斗高，斗齿平均插入深度，钻斗转速，切削刀具的切削角，切削刀具的后角，切削刀具的刀尖角，切削刀数，。带入上述参数，可以算出： 则可得旋挖钻进阻力矩为所以TR280型旋挖钻机动力头钻进总阻力矩（TR280型旋挖钻机设计最大输出扭矩）。3.1.9 钻进速度分析旋挖钻机钻孔作业时，由液压泵供油驱动动力头马达，经减速机和驱动齿轮的两级减速后，以低速大扭矩的形式输出驱动钻具进行钻孔作业。钻具的钻孔速度根据TR280型的设计参数要求，钻孔速度为623r/min。3.2 卷扬机构工况分析旋挖钻机配置的主卷扬主要实现钻杆、钻头的提升下放，副卷扬完成施工过程中的某些辅助吊装作业，如吊装钻斗、钢筋笼等，作为旋挖钻机的辅助起重设备，由于副卷扬不直接参与施工的钻进过程，其负载小且较为稳定，根据TR280型旋挖钻机的设计主参数，副卷扬最大提升力为110kN，由一般设计经验，设定副卷扬的提升速度，因此，副卷扬机构工况不再具体分析。3.2.1 主卷扬工况分析与计算旋挖钻机主卷扬提升系统的受力分析简图如图3-8所示，系统的负载主要有：钻杆重量、钻斗（含满斗渣土）重量；提升时，泥浆、孔壁等对钻杆、钻斗上升的阻力、滑轮组摩擦力；卷扬突然启动与停止时，钻杆及钻斗（含满斗渣土）产生的惯性力。系统的负载全部依靠主卷扬提供的拉力F克服，但当施工为静浆护壁时，由于钻斗及部分钻杆位于泥浆液面以下，所以泥浆对系统提供一个与惯性负载作用方向相反的浮力，而当钻杆、钻斗提出泥浆液面时，不产生浮力。图3-8主卷扬提升系统受力分析简图Fig.3-8 Analysis of stress of hoisting system of main hoist令钻杆质质量、钻斗（含满斗渣土）质量为，泥浆密度则： (3-43) (3-44) (3-45) (3-46)由于卷扬机构滑轮组摩擦阻力与其他负载相比较小，可以忽略不计。此外，当主卷扬不受泥浆浮力作用时，主卷扬负载最大，即： (3-47) 带入参数，令，（2500mm截齿双底捞砂斗，带满斗土，2500mm为TR280型旋挖钻机最大施工孔径），（即在0.5s内钻杆、钻斗由加速到），主要考虑到抽吸压力、泥浆约束力，取，则计算得：所以主卷扬最大阻力（主卷扬设计最大提升力），所以主卷扬的设计最大提升力满足工作要求。根据设计任务书，TR280型旋挖钻机主卷扬的最大提升速度为63 r/min。3.3 变幅机构工况分析变幅机构由平行四边形机构和三角形机构两个部分构成，工作时，动臂变幅油缸和桅杆变幅油缸交替动作，平行四边形机构通过动臂变幅油缸的伸缩通过平行四边形机构使桅杆远离机体或靠近机体，桅杆变幅油缸的伸缩通过三角形机构作用改变桅杆的角度，以调节桅杆相对水平面的角度，以钻机平行四边形机构在支撑杆水平状态工作时为例进行力学分析，受力分析图如图3-9所示。图3-9 四边形机构受力分析图Fig.3-8 Force diagram of parallelogram mechanism把三角形，桅杆油缸，桅杆以及工作装置看为一体，设其重心为图示点，且重力方向垂直向下，变幅油缸对铰点作用力为，作用力方向与水平线夹角为，动臂对铰点作用力为，支撑杆对铰点作用力为。以动臂与变幅油缸公共铰点为受力分析点，可得下式： (3-48) (3-49) (3-50)令，带入计算得：所以动臂变幅油缸最大负载。根据旋挖钻机一般设计经验，结合整机稳定性等安全考虑，动臂液压缸的推进速度设定为。桅杆变幅油缸与动臂变幅油缸负载相近，不做区分分析，其推进速度设定为。3.4 回转机回转机构工况分析3.4.1 回转阻力矩分析旋挖钻机在回转时受到的阻力矩有回转摩擦阻力矩、回转风阻力矩、由于停机面倾斜所引起的回转坡度阻力矩、回转启动时的回转惯性阻力矩，因此，旋挖钻机的回转阻力矩可按下式计算： (3-51)式中：回转摩擦阻力矩； 回转风阻力矩； 由于停机面倾斜所引起的回转坡度阻力矩； 回转启动时的回转惯性阻力矩。旋挖转机工作时上车的回转角度为，惯性阻力矩是回转过程的主要阻力矩，其他则为次要阻力矩，此外，旋挖钻机在实际工作中由于风载产生的阻力矩相对较小，所以忽略风载对钻机回转的影响。3.4.2 回转阻力矩计算（1）回转惯性阻力矩： (3-52)式中：旋挖钻机回转角速度（r/min）； 钻斗内所盛物料的质量（Kg）； 物料中心道回转中心的距离（m）； 转台上各部件和工作装置对回转中心轴的转动惯量。（2）回转摩擦阻力矩： (3-53)式中：当量摩擦系数，见表3-1； 回转支撑的滚道中心直径（m）； 由于外载荷和M的作用，在滚动体上产生的法向压力绝对值总和（N）； 由于外载荷的作用，在滚动体上产生的法向压力绝对值的总和（N）；表3-1 当量摩擦系数表Tab.3-1 The equivalent friction coefficient table工况滚球式轴承交叉滚珠式轴承正常回转0.0080.01回转启动时0.0120.015（3）回转坡度阻力矩： (3-54)式中：停机工作面的斜角； 工作装置总重（N）； 转台上部（除工作装置外）自重（N）； 回转斗内物料重（N）； 物料重心到回转中心轴线的距离（m）； 工作装置重心到回转中心轴线的距离（m）； 转台上部（除工作装置外）重心到回转中心轴线的距离（m）。带入数据，令钻杆重量13.5T，动力头重量5T，桅杆重量8.7T，平行四边形机构重量3.3T，连接体重量2.1T，上车工作装置重量10.6T，整车重量76.223T，物料中心道回转中心的距离，回转支撑的滚道中心直径。经计算得：所以，上车回转最大阻力矩为。由于上车回转机构惯性大，回转行程小，其回转速度过大影响整机稳定性及安全，结合一般设计经验，其回转速度设定为。 3.5 行走装置的工况分析TR280型旋挖钻机行走部分设计上采用全液压履带行走装置，采用低速大扭矩液压马达经行走减速器驱动履带驱动轮行走，驱动轮为履带后轮。其行走装置运行时所发出的牵引力必须克服下列阻力：履带的内阻力、土壤变形等的运行阻力、坡度阻力和转弯阻力等。在这四种运行阻力中，以坡度阻力和转弯阻力最大，在旋挖钻机行走阻力中往往占到总阻力的2/3，尤其旋挖钻机的原地转弯阻力比机械式的绕一条履带转弯阻力更大，但转弯和爬坡不是同时进行的。因此旋挖钻机行走负载最大时发生在旋挖钻机爬坡运行或原地转弯时，即： (3-55)或 (3-56)式中：土壤变形对履带行走装置在运行时的阻力； 坡度阻力； 履带式运行装置转弯时所受的阻力； 履带运行的内阻力。旋挖钻机行走运行阻力的计算，有经验公式得： (3-57) (3-58) (3-59) (3-60)其中：运行比阻力，此值选取与道路种类有关，见表3-2； 旋挖钻机自