毕业设计（论文）-旋挖钻机钻桅及提升卷扬机构的设计【全套图纸】.doc

I 摘摘 要要 旋挖钻机是一种多功能 高效率的灌注桩成孔设备 被广泛应用于水利工程 高层 建筑 城市交通建设 铁路公路桥梁等桩基础工程的施工 桅杆作为旋挖钻机主执行机 构的重要支撑和受力构件 是旋挖钻机工作的重要组成部分 对于保证钻机的正常运行 和工作质量起着重要作用 旋挖钻机的卷扬有主副卷扬2种 卷扬的结构采用卷扬减速机 具有卷扬 下放 制动功能 主卷扬应具有自由下放功能 且实现快 慢双速控制 副 卷扬用以提升钻具 吊放护筒 下钢筋笼等 是旋挖钻机进行正常工作的辅助起重设备 为了防止副卷扬钢丝绳上升时自桅杆顶部脱出 在桅杆顶部设有防过卷开关 将开关信 号引到电磁阀 通过控制先导油路来控制主阀副卷扬联动作 从而控制副卷扬马达的回 转 主 副卷扬应配有压绳器 液压系统是钻机的能源转换系统 也是钻机各职能部件 的控制系统 关键词关键词 旋挖钻机 马达 钻桅 轴承 全套图纸 加全套图纸 加 1563893706 II III Abstract Rotary drilling rig is an equipment which can pour into hole It is multifunction and high efficiency Rotary drilling rig is widely used in primary engineering buildings that are water conservancy projects heigh rise buildings urban transport constructions railway bridges and other road constructions The important supports and force structures of rotary drilling rig are masts which are main execution structures Masts play important roles in assuring rotary drilling rig on control and the working qualities There are two kinds of winches in rotary drilling rig They are the main and the secondary The structure of winch uses winch reducer having winching moving down and brake The main winch should have moving down freely and it also can bring about two speed controls fast and slow The secondary winch uses in promoting drilling tool hanging pile casing and putting reinforcing cage The secondary winch is accessorial hoisting apparatus when rotary drilling rig is working In order to prevent the rising secondary winch s rope from emerging the top of masts It s equipped with an over wind switch on the top of masts So that it can send signal to solenoid pilot actuated valve Main valve of the secondary winch is linkaging through controlling previous oilpassage so that can control the turning of the secondary winch The main winch and the secondary winch should have knotters Hydraulic circuit is power source changing transform system of rotary drilling rig and it s also the control system of each parts function for rotary drilling rig Keywords Rotary Drilling Rig motor drilling masts Bearing IV 目目 录录 1 绪论 1 1 1 概论 1 1 2 旋挖钻机的三种类型 1 1 2 1 小型机 1 1 2 2 中型机 1 1 2 3 大型机 2 1 3 旋挖钻机的发展 2 1 3 1 国内产品发展现状 2 1 3 2 国内主要生产产品的技术现状分析 2 1 4 国内外旋挖钻机结构特点的探讨 5 2 卷筒及防跑偏装置 8 2 1 钢丝绳的确定 8 2 1 1 旋挖钻机钢丝绳的使用工况及技术要求 8 2 1 2 钢丝绳分类 8 2 2 钢丝绳的计算 9 2 3 钢丝绳长度的优选 9 2 4 影响钢丝绳寿命的主要原因 10 2 4 1 钢丝绳的润滑性能和表面特性 10 2 4 2 钢丝绳与卷扬机的联结状况 10 2 4 3 导向轮的运转灵活程度 11 2 4 4 定滑轮的磨损程度及润滑 11 2 5 卷筒 11 2 5 1 卷筒直径计算 11 2 5 2 卷筒技术条件 14 2 6 防跑偏装置 16 2 6 1 引言 16 2 6 2 压绳器原理及工作过程 16 3 液压马达 18 3 1 液压马达的分类及特点 18 3 2 液压马达的工作原理 18 V 3 2 1 叶片式液压马达 18 3 2 2 径向柱塞式液压马达 19 3 3 液压马达的主要技术参数 19 3 4 液压马达的选择 19 3 4 1 液压马达的计算 19 3 4 2 液压马达的特征 21 4 轴承的计算与润滑 23 4 1 滚动轴承 23 4 1 1 主滑轮轴承的计算 23 4 1 2 副滑轮轴承的计算 25 4 2 滚动轴承的润滑 27 4 3 滚动轴承的密封 29 5 桅杆 30 5 1 桅杆 30 5 2 各部件与钻桅的装配关系 31 5 3 钻桅计算工况的选择 32 5 4 桅杆强度计算 33 6 液压系统 36 6 1 液压系统 36 6 2 电液比例技术 36 6 3 主卷扬工作原理 38 6 4 液压控制阀的确定 39 6 4 1 液压阀选择的总体原则 39 6 4 2 方向控制阀的选用 39 6 4 3 压力控制阀的选用 40 6 4 4 流量控制阀选用 40 结论 41 致谢 42 参考文献 43 附录 44 附录 1 44 英文资料 44 VI 中文翻译 60 1 1 绪论 1 1 概论 旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械 主要适于砂土 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工中得到广泛应用 旋挖钻机的额定功率一般为 125 450kW 动力输出扭矩为 120 400kN m 最大成孔直 径可达 1 5 4m 最大成孔深度为 60 90m 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 故对旋挖钻机现状与结构特点分析有着十分重要的意义 1 2 旋挖钻机的三种类型 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 1 2 1 小型机 扭矩 100kN m 发动机功率 170kW 钻孔直径 0 5 1m 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 1 2 2 中型机 扭矩 180kN m 发动机功率 200kW 钻孔直径 0 8 1 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 2 1 2 3 大型机 扭矩 240kN m 发动机功率 300kW 钻孔直径 1 2 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 1 3 旋挖钻机的发展 1 3 1 国内产品发展现状 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 1948 年意大利迈特公司首先开始研制 接着意大利 德国开始发展 到了 70 80 年代在 日本得到快速发展 当时日本称之为回转斗成桩 也叫阿司特利工法 EarthDriII 在 德国 日本这类工法相当普遍 我国在 80 年代初从日本引进过工作装置 配装在 KH 125 型履带起重机上 1984 年 天津探矿机械厂引进美国 RDI 公司的旋挖钻机并进行消化吸 收 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 建机械厂根据土力公司的样机开发了 1 5m 直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英国 BSP 公司附着式旋挖钻孔机的生产技术 但都没有 形成批量生产 1992 年宝峨公司在中国北京设立了代表处 开始了对华业务 并于 1995 年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 年在上海又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 BG15 型 BG24 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 99 年试制成功并投入批量生产 最近几年我国旋挖钻机取得了快速发展 后来 北京经纬 巨力 三一重机等也纷纷涉足旋挖钻机的生产 目前国内外生产旋挖钻孔机厂商有近二 十家 1 3 2 国内主要生产产品的技术现状分析 徐工科技 徐工科技主要产品有 RD15 RD18 RD20 RD22 三种旋挖钻机 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高新技术产品 主要性能指标达到了当代国际同类产品的先进水平 液压等关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 3 智能化功能 采用彩色屏翻屏显示 优化了界面 方便人工操作 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 250kN m 最 大成孔直径 2500mm 具有充足的功率储备 完全可以满足在我国高原地区的施工 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 装有冷暖空调并最大限度 的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合金结构钢 焊接而成 机械强度高 刚度大 工作安全可靠 北京经纬巨力工程机械有限公司 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 100 投资控股企业 生产的产品主要有 ZY120 ZY160 ZY200 三种 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 河北石家庄煤矿机械公司最新推出的 XZ 20 旋挖钻孔机 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 钻杆等均从进口永腾公司进口 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 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 ZY 200 型旋挖钻机底盘选用卡特 彼勒公司履带底盘 发动机选用美国康明斯发动机 可以旋挖直径 2m 深 60m 的桩孔 是一种技术密集 资金密集的高新技术产品 天津宝峨公司 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 60r min 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 长度从 30 58m 发动机额定功率为 145kW 耗油量小 主要适于在平原施工 三一重机 三一重机主要产品是 SR220C 机型 最大扭矩 220kN m 最大成孔直径 2000mm SYR220 旋挖钻机选用了 CATERPILLAR330C 底盘 C 9 电喷发动机 内藏式液压 可伸缩履带结构 宽履带提供较低的接地比压 提高施工时整机稳定性和适应性 且便 于施工和运输 SYR220 旋挖钻机电子控制系统主要由发动机和泵电子控制系统 桅杆垂 直度自动调平系统 PLC 功能控制系统等部分组成 卡特彼勒 C 9 电喷柴油发动机 是目 前国际上最先进的动力装置 发动机和泵电子控制系统可以控制主泵的输出流量 发动 机和泵控制器会根据发动机转速和转速旋钮位置向控制主泵输出的比例电磁铁发出电信 号 指导主泵最佳输出 让液压负载与发动机转速相配 从而利用发动机的最大可用功 率 发动机转速自动控制 AEC 在负荷较小或无负荷时 系统自动降低发动机转速 减 4 少油耗 该发动机噪音低 振动小 废气排放量小 环保高效 性能稳定可靠 桅杆垂 直度自动调平系统 能对桅杆进行实时监控 可实现手动和自动切换 在一定的角度范 围内 自动调整角度 保证施工中桩孔的垂直度要求 提高施工质量 PLC 功能控制系统 还可实现钻孔深度监测调整 回转自动定位 功能模式切换 工作装置自动限位等功能 液压系统是钻机的能源转换系统和钻机各职能部件的控制系统 发动机发出的动力 通 过液压系统 将其转换为推动钻机各职能部件运动的驱动力 并对各职能部件的运动规 律进行有效的控制 液压系统关键部分沿用卡特彼勒液压系统主控回路 先导控制回路 其精髓在于使用了先进的负载反馈技术 可使流量按需分配到系统各个工作装置 实现 不同工况下的最佳匹配 先导控制使操作更加灵活 安全 舒适 精确 系统独立散热 泵 马达 阀 油管及管接头全采用进口产品 确保系统的高可靠性 SYR220 旋挖钻机 司机室大面积成型玻璃宽敞明亮 内设大功率绿色冷暖风空调 拥有可调式豪华减振司 机座椅 使司机人员有一个舒心的工作环境 轻巧灵活的人性化设计的操纵手柄分立两 旁 正面触摸屏和右侧的监控器显示系统状态参数 还提供非正常状态报警项目和故障 确认消除等一目了然 仪表台上的压力表还可为操作司机提供更为直观的工作状态 整 机启动前还具备预先自动检测功能 SYR220 旋挖钻机桅杆采用大箱形截面 为动力头和钻杆提供导向作用 具有良好的 刚性和稳定性 抗冲击 耐振动 无需拆卸的可折叠式结构能减少整机长度和高度 便 于运输 采用流行的平行四边形结构 通过其上油缸的作用 可以使桅杆远离机体或靠 近机体 改变桅杆的角度 以调节桅杆的工作幅度或运输状态桅杆的高度 以及桅杆相 对地面的角度 使其动作机动灵活 施工效率高 动力头采用双变量液压马达驱动小齿 轮 由小齿轮啮合大齿轮带动键套与钻杆配套 可根据不同的地质条件自动无级改变旋 转速度和输出扭矩 高品质双速减速机还可实现高速甩土功能 动力头有独立的润滑 冷却和换速液压系统 确保动力头能可靠高效地工作 SYR220 旋挖钻机还可配套长 短 螺旋钻具 普通钻斗 捞沙钻斗 筒式岩石钻头等钻具以适应粘土层 沙砾层 卵石层 和中风化泥岩不同的施工要求 宇通重工 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 技术上有待进一步完善 山河智能公司的 SWDM 20 钻机和徐州东明公司的 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 中联 中联 ZR200 旋挖钻机技术特点是采用了卡特彼勒 330C 专用可拓展履带底盘 C 9 增压 中冷 电控发动机 内藏式液压可伸缩履带结构 发动机和泵自动控制系统能 最大限度地提高燃油效率 电子控制模块 ECM 汇集所有发动机燃油 空气 冷却液和 排气系统的传感器 存储并传递如转速 油耗及故障诊断等状态信息 能自动地与不同 的施工环境相匹配 即使在极端条件下也能稳定地输出最大扭矩 防止发动机熄火 冷 却系统能保证机器在 20 40 外部环境温度下安全运转 CAT330C 驾驶室 能有效地 5 阻隔噪音 驾驶室和操纵台的设计符合人机工程学 驾驶员可轻松触到驾驶室内所有的 开关 表盘和操纵手柄 自动控制的空调能自动调节室温和空气流量 滑移式遮阳板保 护驾驶员免受阳光直射 电子控制系统为 PLC 功能控制系统和桅杆垂直度自动调平系统 PLC 功能控制系统在基于嵌入式真彩 LCD 显示屏的基础上 应用 CANBUS 技术和虚拟仪表 技术 配合独特的传感器 来实现钻机的精确控制 在作业中能动态显示各控制元件的 状态 钻进过程孔深自动记录 数字和动画双显示 上车回转数字和图形双引导 快速 自动找回 逻辑功能模块可防止驾驶员误操作 且具有功能模式切换 整机运行状态监 控 工作装置自动限位等 桅杆垂直度自动调平系统 能对桅杆进行实时监控 可实现 手动和自动的切换 在一定的角度内可自动调整桅杆的垂直度 保证施工中桩孔的垂直 度要求 提高施工质量 液压系统采用先导操纵的主 副双回系统 各部件的运动速度 可以通过控制手柄位移的大小来控制 主泵系统采用分功率 负控制 且与发动机泵电 子控制系统相连 使机器在各档油门位置都能实现发动机转速的自动控制 副回路采用 了负荷传感技术 独特的动力头润滑系统保证机器可靠运行 双液压马达变量驱动的动 力头 可根据地质条件的不同自动地无级改变动力头的转速和扭矩 双速减速机通过动 力换档可实现高速甩土功能 钻机为伸缩式钻杆 钻杆的下端装有弹簧减振器 有两种 型号可供用户选择 且两种钻杆可互换 一种为摩阻式 5X13m 五节钻杆 有效钻深为 60m 另一种为内锁式 4X13m 有效深度为 48m 可配 800 2000mm 不同规格和各种用 途的钻具 如长 短螺旋钻具 普通钻斗 捞沙钻斗 筒式岩石钻头等以满足不同施工 要求 1 4 国内外旋挖钻机结构特点的探讨 钻头的结构 钻头是决定旋挖钻机能否较好适应复杂地层 提高工效的重要部件 目前国内外旋挖钻机的钻头共分 3 种常用的结构 短螺旋钻头 600 2500mm 回 转斗钻头 800 2500mm 和岩心钻钻头 800 2500mm 如 R622 HD 旋挖钻机 的钻头有 短螺旋钻头 单层底旋挖钻头 双层底旋挖钻头工 4 个 900 1000 800 1500 目前国内外旋挖钻机钻头的 3 种常用的进土结构如 下 1 短螺旋钻头 旋挖钻头主要以短螺旋钻头为主 他主要靠螺旋叶片之间的间 隙来容纳从孔底切削下来的土 沙砾等 这种钻头结构简单 造价低 地层较好时 使 用他也可达到好的效果 如果低沙砾石较多或含水较多时 在提钻时很容易掉块 钻进 效率低 甚至于不能成孔 2 单层底旋挖钻头 在地下水位较高 或含沙砾较多的地 层 木多数旋挖钻机均采用钻头钻进 用静压泥浆护壁 这种钻孔工艺已明显优于短螺 旋钻头钻孔 最早的旋挖钻头是单层底 在底下方有对称的 2 擅仅可向头内方向打开的 合页门 当钻头钻进时 孔底切削下来的土 砂经合页门压入头内 在提钻时 在头内 土砂的重力作用下 两扇门向下关闭 以阻止砂土漏回孔内 由于这种重力作用不是十 分可靠 时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 还会影响孔 6 底清洁度 3 双层底旋挖钻头 自 20 世纪 90 年代以来 国外的一些钻机制造公司 在原单层底钻头的基础上 开发出双层底的旋挖钻头 其特点是 2 层底可以相对回转一 个角度 以实现头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 将钻头逆时针旋转一个角度 致使进土口强行关闭 从而 使切削物完整地保存在头内 实践表明 才复杂地层中 双层底钻头的钻进效率及孔底 清洁度明显优于单层底钻头 卷扬的结构 国内外旋挖钻机的卷扬有主副卷扬 2 种 卷扬的结构采用卷扬减速机 具有卷扬 下放 制动功能 卷筒自行设计 主卷扬应具有自由下放功能 且实现快 慢双速控制 主 副卷扬应配有压绳器 液压电器系统 意大利 德国制造的各类旋挖钻机的机 电 液一体化高度集中 结构紧凑 操纵灵活方便 自动化程度高 他采用伸缩式钻杆 节省了人力和加接钻杆 的时间 施工中只需一人即可操纵整台钻机 工人劳动强度低 钻架上装有垂直度检测 仪 可以检测和显示钻架的偏斜度 并可通过钻机的 微动 系统调整钻架的垂直度 驾驶室控制面板上装有孔深和钻架垂直度显示仪以及反映发动机 液压系统工作状态的 仪表 显示屏及报警装置 有的还装有全电脑操作系统 使操作手能实时掌握钻进深度 钻架垂直度 保证钻孔准确到达设计深度和良好的垂直度 旋挖钻机的电液比例伺服控制系统 国内外旋挖钻机采用电液比例伺服控制系统 PLC CAN 总线控制等 提高了定位钻孔精度 具有钻孔深度的自动化检测 荧光屏显示 功能等 当钻桅发生倾斜时 钻机会自动报警 并进行自动调整 采用能显示多种信息 的多功能液晶显示器 能进行起钻桅控制 自动垂直调平 回转倒土控制 发动机的监 钻孔深度测量及显示 车身工作状态动画显示及虚拟仪表显示 故障检测与报警等信息 的显示 安全保护 国内外钻机的设计充分考虑操作人员的安全 并采取了一些措施 例如 驾驶室前窗配有 FOPS 防坠物保护 卷扬的高度限位 驾驶室内操作台安全控制 发动机 液压等参数显示 报警等 国外旋挖钻机的主要特点 意大利 德国等制造的各类旋挖钻机虽然能力大小有别 结构上略有差异 但总体性能和质量都比较先进 可靠 具有以下特点 1 机 电 液一体化高度集中 结构紧凑 操纵灵活方便自动化程度高 采用伸缩式钻杆 节省了 人力和加接钻杆的时间 2 可自行移动 自立桅杆 整个工作机构可在履带底盘上做 3600 回转 因而现场转移 对孔位灵活方便 辅助时间少 3 与施工能力相同的常 规钻机相比 回转扭矩大 并可根据地层情况自动调整 4 钻架采用 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 5 履带底盘可伸缩 6 钻架上装有垂直度检测仪 可以检测和显示钻架的偏斜度 并可通过钻机的 微动 系统调整钻架的垂直度 7 驾驶室控制面板上装有孔深和钻架垂直度显示仪 以及反 映发动机 液压系统工作状态的仪表 显示屏及报警装置 有的还装有全电脑操作系统 使操作手能实时掌握钻进深度 钻架垂直度 保证钻孔准确到达设计深度和良好的垂直 7 度 实时掌握各系统工作情况 便于及时采取维修措施 保证钻机正常运转 8 可实 现多工艺钻进 能适应不同地层 不同桩基础处理方法施工的需要 一般类型的旋挖钻 机除能进行旋挖钻进外 通过更换工作装置 还可实现根管钻进和长螺旋钻进 8 2 卷筒及防跑偏装置 2 1 钢丝绳的确定 要合理优选旋挖钻机的钢丝绳 首先必须对旋挖钻机钢丝绳的施工情况以及当前国 产钢丝绳的种类和特点进行分析和研究 然后 根据不同厂家 不同型号旋挖钻机和设 备额定提升能力确定钢丝绳的最小直径和类型 以保证设备在施工过程中的安全 2 1 1 旋挖钻机钢丝绳的使用工况及技术要求 旋挖钻机使用的钢丝绳一端固定于卷扬机的卷筒上 中间通过一个定滑轮和一个导 向轮 将另一端固定于钻杆上端的提引器上 由于没有安装动滑轮设计 所以钢丝绳单 绳拉力较大 才能保证提引器能在钢丝绳反扭力的作用下自由旋转 以保障起下钻杆的 安全与可靠 因此 旋挖钻机的钢丝绳主要起提升钻杆和钻具的作用 旋挖施工过程中 提升和下降钻杆时 作用在钢丝绳的力是一个交变载荷 钢丝绳 开始提升时 由于旋挖钻斗与地层之间的握裹力及上覆泥浆的静压力 加上钻具自重 钢丝绳上承受的负荷最大 一旦将旋挖钻斗提离钻孔底部的瞬间 作用在钢丝绳上的负 荷突然变小 此时 旋挖钻斗与地层之间的握裹力消失 孔内的泥浆对旋挖钻斗产生向 上的浮动 作用在钢丝绳上的拉力最小 阻力为重力加上侧摩阻力 以后由于浮力越来 越小 作用在钢丝绳上的拉力逐渐增大 当旋挖钻斗底部离开钻孔泥浆液面的瞬间 作 用在钢丝绳上的拉力第二次达到最大 钢丝绳的最大拉力为钻具的自重 旋挖钻斗的自 重 钻桶内渣土的重力之和 通过以上论述可以看出 旋挖钻机施工需要频繁提升 下 降钻具 因此要求钢丝绳耐磨性好 强度高 2 1 2 钢丝绳分类 表 2 1 分类依据钢丝绳类别优点 缺点 点接 触式 钢丝与钢丝间接触应力 大 使用寿命短 按钢丝绳 中钢丝与 钢丝的接 触状态分 线接 触式 钢丝绳与钢丝绳之间呈 线状接触 消除了点接 触的二次弯曲应力 降 低了钢丝绳工作时的总 弯曲应力 耐疲劳性能 价格较高 9 好 面接 触式 能承受较大的横向力 多用于索道承载索 旋挖钻机很少 使用 有机芯 麻芯 或棉芯 扰性和弹性较高 不能承受横向压力 不宜缠绕在卷 筒上 耐高温辐射性差 纤维芯弹性和扰性较高 不能承受横向压力 不宜缠绕在卷 同上 耐高温性差 石棉芯 弹性和扰性较高 耐高 温型较好 不能承受横向压力 按钢丝绳 中绳芯分 钢芯 强度较高 能承受高温 和横向压力 适宜受冲 击负荷 热 挤压条件 下工作 扰性较差 钢丝绳新标准为 GB T8919 1996 优质钢丝绳 它适用于机械 建筑 船舶 渔业 林业 矿业 钻井 索道及缆车等用途使用的各种圆股钢丝绳和异型股钢丝绳 但不包 括航空钢丝绳和电梯钢丝绳 2 2 钢丝绳的计算 式 2 1 max 1 2 9 8FG 50001 2 9 8 kgN kg 58800N 式中 G 提升力 1 2 为安全系数 根据机械设计手册 一般选 1 2 按 GB T3811 1983 计算 计算方法如下 式 2 2 max dc F 0 09658800 23 28mm d 钢丝绳直径 根据 新版机械设计手册 2 中 表 8 1 8 查得 机构工作级别 M5 最小安全系数 5 0 096 cmmN 根据 新版机械设计手册 2 选钢丝绳直径为 24mm 10 2 3 钢丝绳长度的优选 旋挖钻机钢丝绳长度的选择需要注意以下两个因素 一是当钻具提出孔口缷渣时 钻具中心线 定滑轮 导向轮 钢丝绳位于卷扬的位置应在同一竖直平面内 二是在保 障安全的情况下 钢丝绳越短越好 由于当钢丝绳全部缠绕在卷扬机上 当钢丝绳第一 层缠绕满后 跳到第二层时 钢丝绳自身有一个相互摩擦的过程 在钢丝绳跳跃的地方 钢丝绳磨损最快 因此 若钻孔深度不是很深时 卷筒上钢丝绳不宜超过两层 钢丝绳 总长度为孔深 钻机高度之和 在剩余 15 20m 比较适合 2 4 影响钢丝绳寿命的主要原因 旋挖钻机与起重机的承载情况不同 卷扬系统不能使用多倍率滑轮组 既要高速牵 引又要承受大载荷 因此钢丝绳和卷筒的工况很恶劣 有必要针对旋挖钻机的特殊工况 研究专用的卷扬机和耐磨性好 强度高的钢丝绳 导向滑轮 立柱顶部滑轮要保证钢丝 绳所需的较大曲率半径 导向滑轮的设置应满足立柱受力和钢丝绳与卷扬之间相对位置 的要求 应设置卷扬的高度限位 过载保护和钻杆触地自停及动力头随动装置 防止钢 丝绳重叠乱绳 滑脱挤压和磨损损坏 延长工作寿命 2 4 1 钢丝绳的润滑性能和表面特性 首先 由于钢丝绳在定滑轮上移动 将与定滑轮产生一定的摩擦 如果钢丝绳没有 润滑 将产生较大的摩擦阻力 不但钢丝绳容易损坏 而且有可能破坏定滑轮 造成机 械事故 因此 钢丝绳的润滑性能和表面特性直接影响钢丝绳的使用寿命 保持钢丝绳 润滑良好 清洁 表面不能有泥土 砂砾及铁屑等杂物 并且消除钢丝绳内部张力 通常 俗语叫 泄劲 是不能忽视的 2 4 2 钢丝绳与卷扬机的联结状况 这是影响钢丝绳使用寿命的一个非常重要的因素 2000 年 5 月 北京某工地的一台 新到旋挖钻机就出现类似情况 由于装钢丝绳时没有仔细检查 固定钢丝绳的螺栓穿过 卷筒侧壁进入卷筒内 进入部分不到 2 mm 结果只钻进 20 延米 一根新的进口钢丝绳 即被螺栓刮坏 因此 组装钢丝绳时必须检查卷筒内壁及卷轴是否光滑 绳槽是否规整 排 绳器工作是否可靠 此外 钢丝绳与提引器的联结状况直接关系到设备的安全程度 也是影响钢丝绳使 用寿命的一个关键因素 钢丝绳与提引器的连接应该可以考虑以下几个问题 一是绳卡 的位置及方向 绳卡的规格 数量和间距等 必须按规定要求使用 正确的绳卡布置和 方向如图 1 所示 二 提引器充分润滑 旋转自由灵活 三是提引器上端通过销轴与索 具套相联结 且通过定滑轮轮槽铅垂而下的钢丝绳与提引器的轴线处放同一铅垂线上 联结 且通过定滑轮轮槽铅垂而下的钢丝绳与提引器的轴线处在同一铅垂线上 11 图 2 1 钢丝绳夹的正确布置方法 2 4 3 导向轮的运转灵活程度 当卷筒内钢丝绳由左向右排绳时 导向轮应随钢丝绳左右摆动 避免钢丝绳与导 向轮轮槽之间的相互摩擦 造成钢丝绳过早的磨损 2 4 4 定滑轮的磨损程度及润滑 使用新滑轮时 钢丝绳与滑轮之间的接触面较小 摩擦阻力较小 随着滑轮的磨损 钢丝绳与滑轮之间的接触面逐渐增加 摩擦阻力增大 当旧滑轮的磨损量超过钢丝绳直 径的一半时 钢丝绳与滑轮之间的摩擦阻力达到极限 钢丝绳在滑轮中移动非常容易被 损坏 因此就应该尽快更换滑轮 同时 滑轮的润滑也关系到钢丝绳的磨损速度 目前 旋挖钻机的滑轮形式有 2 种 一种是设计有用于加润滑油的黄油嘴 通过黄油嘴将润滑 油注入到轴承中进行润滑 这种润滑方式简单 方便 实用 便于设备维护人员定期对 滑轮润滑 另一种是安装时预先将润滑油加在轴承中 滑轮运行时自润滑 这种润滑方 式必须定期将滑轮中的轴承拆卸出来 增添润滑油 对施工单位和设备维护人员来说 滑轮保养不方便 在这里使用黄油嘴 这种润滑方式简单 方便 实用 便于对滑轮定 期润滑 2 5 卷筒 2 5 1 卷筒直径计算 12 旋挖钻机的卷扬有主 副卷扬两种 卷扬的结构采用卷扬减速机 具有卷扬 下方 制动功能 主卷扬是旋挖钻机的关键部位 应具有自由下方功能 且实现快 慢双速控 制 根据旋挖钻机的施工特点 在钻机每个工作循环 主卷扬的结构和功能都非常重要 钻孔效率高低 钻孔事故发生的几率 钢丝绳寿命的长短都与主卷扬有密切的关系 正 常情况下 副卷扬用以提升钻具 吊放护筒 下钢筋笼等 是旋挖钻机进行正常工作的 辅助起重设备 为了防止副卷扬钢丝绳上升时自桅杆顶部脱出 在桅杆顶部设有防过卷 开关 将开关信号引到电磁阀 通过控制先导油路来控制主阀副卷扬联动作 从而控制 副卷扬马达的回转 工作原理与主卷扬工作原理基本相同 图 2 2 卷筒最小直径 min D 式 2 3 min Dhd 其中 d 钢丝绳直径 根据 新版机械设计手册 2 由表 8 1 16 查得 h 18mm min 18 24D 432mm 13 由 新版设计手册 2 表 8 1 48 查得卷筒直径 450mm min D 卷筒名义直径 D 式 2 4 0 DDd 450 24 426mm 其中 卷筒最小直径 0 D min D d 钢丝绳直径 图 2 3 绳槽半径 R R 0 53 0 56 d 式 2 5 0 53 24 12 72mm 根据 新版机械设计手册 2 由表 8 1 49 查得 R 13mm 绳槽深度 标准槽 h 0 25 0 4 d 式 2 6 0 25 24 6mm 绳槽节距 P d 2 4 式 2 7 24 2 26mm 14 卷筒长度 mm 式 2 8 max 1 11 1Hlp L nDndnDnd 496 其中 最大提升距离 max H 滑轮倍组率 卷筒壁厚 式 2 9 0 0 026 10D 0 02 450 8 17mm 卷筒强度计算 且为多层卷绕3LD 式 2 10 12max 1 p A AF 0 75 1 8 58800 1327 N mmmm 226 5Mpa 由 新版机械设计手册 2 一般取 A1 0 75 由表 8 1 62 查得 1 8 2 A 球墨铸铁 5 b b b 球墨铸铁抗拉强度极限 QT 500 7 的抗拉强度为 500Mpa 由 机械设计手册 5 byb 根据 机械设计手册 400Mpa 5 by b 1b 满足要求 2 5 2 卷筒技术条件 材料 铸造卷筒的材料球墨 QT500 7 球墨铸铁的力学性能比灰口铸铁高的多 抗拉 强度一般为 400 900MPa 接近于铸钢 铸铁是含碳量大于 2 11 的铁碳合金 工业上常用的铸铁一般在 2 5 4 0 的范围 内 此外还有硅 锰 硫 磷等元素 铸铁和钢比 虽然力学性能较抵 但具有优良的 15 铸造性能和切削加工性能 生产成本低廉 并且具有耐压 耐磨和减震等性能 所以广 泛的应用 如按质量百分比计算 它在汽车 拖拉机中的应用约占 30 50 铸铁中的 碳主要以渗碳体和石墨两种形式存在 根据碳存在的形式不同 铸铁可以分为白口铸铁 灰铸铁和麻口铸铁三种 白口铸铁的碳主要以渗碳体的形式存在 其断口呈现白色 它 又脆又硬 很难进行切削加工 所以很少直接用来制造机器零件 灰铸铁的碳大部或全 部以石墨形式存在 其断口呈现灰色 它是目前工业生产中应用最广泛的一种铸铁 麻 口铸铁的碳大部分以渗碳体的形式存在 少部分以石墨形式存在 断口出现灰白色这种 铸铁有较大的脆性 工业上很少使用 将球化剂加入溶化的铁水中 使石墨呈现球状析出 经这样处理的铸铁叫球墨铸铁 由于球状石墨对基体的割裂作用小 所以通过热处理改变球墨铸铁的基本组织 对提高 力学性能有重要作用 常用的热处理工艺有以下几种 退火 退火的主要目的是为了得 到铁素体基体的球墨铸铁 以提高球墨铸铁的塑性和韧性 改善切削加工性能 消除内 应力 正火 正火的目的是为了得到珠光体基体的球墨铸铁 从而提高其强度和耐磨性 调质 调质的目的是为了获得回火索式体基体的球墨铸铁 从而获得良好的综合力学性 能 等温淬火 等温淬火是为了得到下贝式基体的球墨铸铁 从而获得高强度 高硬度 高韧性的综合力学性能 表面质量卷筒不得有裂纹 成品卷筒的表面上不得有影响使用性能和有损外观的显 著缺陷 如气孔 疏松 夹渣等 尺寸公差和表面粗糙度同一卷筒上左右螺旋槽的底径 即卷筒直径 D 差 不得超过 GB T1801 1999 中规定 h12 加工表面未注公差尺寸的公差等级应按 GB T 1804 中的 m 级 中等级 未注加工表面粗糙度 Ra值应按 GB T 1031 中 12 5 m 零件表面经加工后 看起来很光滑 若用放大镜观察 则会看到表面有明显高低不 平的粗糙痕迹 这种零件加工表面上所存在的较小间距的峰谷组成的微观几何特性称为 表面粗糙度 表面粗糙度反映了零件表面的质量 它对零件的装配 工作精度 疲劳强 度 耐磨 抗蚀和外观等都有影响 对于不同的表面粗糙度需采用不同的加工方法达到 因此 零件的表面粗糙度应根据零件的作用恰当地选择 从而在保证机器性能要求的前 提下 尽量降低生产成本 评定表面粗糙度的参数有三项 既轮廓算术平均偏差 Ra 微观不平度十点高度 Rz 轮廓最大高度 Ry 允许的尺寸变动量称为尺寸公差 简称公差 公差是一个没有正 负号的绝对值 且不能为零 基本偏差是上偏差和下偏差这两个极限偏差中的一个 用于确定公差带相 对于零件的位置 基本偏差一般是指靠近零线或绝对值较小的那个极限偏差 公差与配 合的选择是机械设计与制造中至关重要的一环 公差与配合的选择是否恰当 对机械的 使用性能和制造成本都有很大影响 有时甚至起决定性作用 公差与配合的原则可以这 样概括 保证机械产品的性能优良 制造经济可行 或者说 公差与配合的选择应使机 16 械产品的使用价值与制造成本的综合经济效果最好 公差与配合的选择方法有类比法 计算法与试验法三种 2 6 防跑偏装置 2 6 1 引言 排绳器的作用是把钢丝绳均匀的布置在卷筒上 解决的是偏角过大的问题 防止乱绳 但其不可避免的对钢丝绳产生一个作用力 有磨损钢丝绳的坏处 但关键是看那个因素更 重要 如果由于乱绳产生的摩擦更大 则选择排绳器是不错的选择 因为 可以在滚轮上想 一定的办法 让磨损减小 压绳器的作用是保证钢丝绳排列紧密 或者说一般的起重机都 是带重起升 一般问题不大 而假如空钩起升比较多 并且在高位吊重下降 容易因为空钩 卷筒排列不紧密而产生夹绳现象 故设置压绳器的作用就是给一定的张紧力 当绳索传动 时 发生传动松动 压紧绳索 保持良好的传动 防止打滑而引起的无摩擦传动 旋挖钻机工作时 钢丝绳在卷筒上绕制常常发生错乱 这样 钢丝绳相互挤压 磨 损严重 缩短了钢丝绳的使用寿命 同时 当挖斗工作时 由于液压马达还在继续工作 卷筒带动钢丝绳继续工作 这时的钢丝绳比较松垮 当提升挖斗时 钢丝绳会出现打乱 现象 为了克服以上缺点 在旋挖钻机上附加了一种机构 介绍如下 设计方法一 加传感器 通过安装传感器 发出信号 使液压马达改变转向 从中 可使钢丝绳不会出现打乱现象 但是 由于工作条件不允许 电线不好排 所以这种方 法不实际 就不考虑了 设计方法二 压绳器 通过研究相关的资料 觉得可以在旋挖钻机上安装这个装置 下面就介绍下工作原理 2 6 2 压绳器原理及工作过程 压绳器由压轮总成 支架总成 支座 拉座 支座 拉簧组成 其中 压轮总成由 支架 轴套 压轮 轴 轴套 螺母 挡圈 轴承等组成 支架总成由板 管 弯板 销座等组成 基板是一块长方形的钢板 它上端的两侧与旋挖钻机的支架固定 它中间 两侧与两个弹簧的一端相连 两个弹簧的另一端分别与板的一端相连 板的的另一端分 别与旋挖钻机的压轮相连 板的下端沿着其高度的方向上装有一个拉座 由于使其结构 大为简化 因此 本实用新型的滚筒旋挖钻机压绳器具有结构简单 外型尺寸较小 维 修简单 制造成本低等优点 压绳器的工作原理 如图 4 压绳器由压轮总成 1 支架总成 2 支座 3 拉座 4 支座 5 拉簧 6 组成 其中 压轮总成由支架 轴套 压轮 轴 轴套 螺母 挡圈 轴 承等组成 支架总成由板 管 弯板 销座等组成 基板是一块长方形的钢板 它上端 的两侧与旋挖钻机的支架固定 它中间两侧与两个弹簧的一端相连 两个弹簧的另一端 17 分别与板的一端相连 板的的另一端分别与旋挖钻机的压轮相连 板的下端沿着其高度 的方向上装有一个拉座 首先随着液压马达带动减速机运动 减速机又带动卷筒 使卷 筒转动 主动件卷筒旋转 钢丝绳不断地缠绕在了卷筒上面 使得滚筒直径变大 此时 使得图中与之相接触的卷筒向下压 在支座 3 的作用下 由杠杆原理 支架总成 2 底端 拉动拉簧 6 使得拉簧拉伸 图 2 4 压绳器 18 3 液压马达 3 1 液压马达的分类及特点 从能量转换的观点来看 液压泵与液压马达是可逆工作的液压元件 向任何一种液 压泵输入工作液体 都可使其变成液压马达工况 反之 液压马达的主轴由外力矩驱动 旋转时 也可变为液压泵工况 因为他们具有相同的基本结构要素 密封而又可以周期 变化的容积和相应的配油机构 液压马达按其结构类型来分可以分为齿轮式 叶片式 柱塞式和其他形式也可以按 液压马达的额定转速分为高速和低速两大类 额定转速高于 500r min 的属于高速液压马 达 额定转速低于 500r min 的属于低速液压马达 高速液压马达的基本形式有齿轮式 螺杆式 叶片式和轴向柱塞式等 它们的主要特点是转速较高 转动惯量小 便于起动 和制动 调节 调速及换向 灵敏度高 通常高速液压马达输出转矩不大 仅几十 牛 米到几百牛 米 所以又称为高速小转矩液压马达 低速液压马达的基本形式是径 向柱塞式 此外在轴向柱塞式 叶片式和齿轮式中也有低速的结构形式 低速液压马达 的主要特点是排量大 体积大 转速低 有时可达每分钟几转甚至零点几转 因此可直 接与工作机构连接 不需要减速装置 使传动机构大为简化 通常低速液压马达输出转 矩较大 可达几千牛 米到几万牛 米 所以又称低速大转矩液压马达 3 2 液压马达的工作原理 常用的液压马达的结构与同类型的液压泵很相似 下面以叶片式和径向柱塞式液 压马达为例对其工作原理作简单介绍 3 2 1 叶片式液压马达 当压力油入压油腔后 在叶片 1 3 上 一面作用有压力油 另一面为低压油 由于 叶片 3 伸出的面积大于叶片 1 伸出的面积 因此作用于叶片 3 上的总液压力大于作用于 叶片 1 上的总液压力 其作用原理同上 叶片 2 6 两面同时受压力油作用 受力平衡对 转子不产生作用转矩 叶片式液压马达的输出转矩与液压马达的排量和液压马达进出油 口之间的压力差有关 其转速由输入液压马达的流量大小来决定 由于液压马达一般都要求能正反转 所以叶片式液压马达的叶片要径向放置 为了 使叶片根部始终通有压力油 在回 压油腔通入叶片根部的通路上应设置单向阀 为了 叶片式液压马达在压力油通入后能正常起动 必须使叶片顶部和定子内表面紧密接触 以保证良好的密封 因此在叶片根部应设置预紧弹簧 19 叶片式液压马达体积小 转动惯量小 动作灵敏 可适用于换向频率较高的场合 但泄漏量较大 低速工作时不稳定 因此叶片式液压马达一般用于转速高 转矩小和动 作要求灵敏的场合 3 2 2 径向柱塞式液压马达 当压力油经固定的配油轴 4 的窗口进入缸体 3 内柱塞 1 的底部时 柱塞向外伸出 紧紧