TR280D旋挖钻机总体设计.doc

TR280D旋挖钻机总体设计摘要: 旋挖钻机是一种适合于建筑基础工程中成孔作业的施工机械，在本文中详细介绍了TR280D型旋挖钻机结构、技术参数，分析了该型钻机动力传动系统和电气系统。对影响设备主要性能参数的各单元进行分析计算，特别对该型钻机具有代表性的主承力单元的平行四边形机构进行力学分析计算，并在最后对影响施工安全性能的整机稳定性校和过程进行了论述。关键词:旋挖钻机;总体设计;分析计算;钻机稳定性旋挖钻机是一种适合于建筑基础工程中成孔作业的施工机械，具有噪声低、振动小、转矩大、多功能、成孔速度快、施工效率高、多种速度调节、电子自动监控等特点，因此被广泛应用于铁路、公路桥梁等城市交通建设及高层建筑等桩基础工程的施工。当时国产旋挖钻机扭矩在200kNm级别上下的产品比例高达75%以上，作为填补系列化级别空白的TR280D旋挖钻机具有很大的市场前景。同时TR280D旋挖钻机的整体构成是在原有TR250D的基础上进行优化升级，并采用部分已批量生产产品的结构模块，充分考虑自身的特点，进行重新整合设计后，研发的系列化产品型号，经济成本和使用风险得到大幅度降低。1 TR280型旋挖钻机主要结构和性能参数 钻机主要性能参数如表1钻机主要结构如图1所示，（1.行走装置 2.回转平台 3.变幅装置 4.卷扬机构 5.工作装置 6.桅杆）.行走装置 型钻机采用的是专用的履带可伸缩式底盘结构，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，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、减速机等组成见图，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。.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。.变幅装置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。.卷扬机构型钻机布置主、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。.工作装置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。.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。型钻机的桅杆采用高强度低合金锰钢焊接而成，采用传统“凹”字型截面，保证了设备整体布局的紧凑性，同时也可以提供较高的抗扭和抗弯强度。三段式结构的桅杆设计不仅有利于在保证桅杆强度和刚度的前提下降低加工难度，而且更有利于钻机的拆装和运输。型钻机动力传动系统型钻机动力系统采用卡特比勒电喷涡轮增压发动机，原装随机液压泵。动力系统采用全液压式传动，系统最大工作压力a，辅助泵、阀、胶管等均选用进口产品。.动力头参数计算动力头扭矩：（）马达最大排量(cm3) Vg = 200马达数量及减速机数量(对) 2动力头大小齿轮减速比 id = 4.8减速机减速比 i = 32.6马达计算压差(bar) p = 310液压马达机械液压效率 my = 0.92动力头最大扭矩:= 283.83KNm动力头转速：（） 动力头马达采用变量柱塞马达，马达排量可以在最大排量和设定最小排量之间转换马达排量(cm3) Vg =200/78马达数量及减速机数量(对) 2减速机减速比 in = 32.6.动力头大小齿轮减速比 id = 4.8马达容积效率 v = 0.95系统流量(L/min) Q = 560动力头工作输出最低转速:= 8.5 (rpm) 动力头工作输出最高转速：= 21.8 (rpm) 经验算，此两种工作状态马达均未超速，在正常工作范围内。.主卷扬参数计算最大提升力：（）马达排量(cm3) Vg = 165卷扬减速机减速比 I = 115.4马达计算压差(bar) p = 320液压马达机械液压效率 my = 0.95马达容积效率 v = 0.95第一层卷筒直径 Dw = 700主卷扬最大提升力= 249.8 KN提升速度：（）马达排量(cm3) Vg = 165卷扬减速机减速比 I = 115.4马达计算压差(bar) p = 320液压马达机械液压效率 my = 0.95马达容积效率 v = 0.95第一层卷筒直径 Dw1 = 752.9第二层卷筒直径 Dw2 = 700系统流量(L/min) Q = 560第一层钢丝绳提升速度:= 61.44 m/min第二层钢丝绳提升速度:=66.0 m/min.副卷扬参数计算最大提升力：按式（）马达排量(cm3) Vg = 75卷扬减速机减速比 I = 75.5马达计算压差(bar) p = 320液压马达机械液压效率 my = 0.95马达容积效率 v = 0.95第一层卷筒直径 Dw = 452副卷扬的最大提升力= 116.3 KN提升速度：按式（）马达排量(cm3) Vg = 75卷扬减速机减速比 I = 75.5马达计算压差(bar) p = 320液压马达机械液压效率 my = 0.95马达容积效率 v = 0.95卷筒直径 Dw1 = 452系统流量(L/min) Q = 560副卷扬提升速度:= 132.82 m/min. 电气控制系统R280D型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。卡特比勒C9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。. 力学分析计算 TR280D型钻机的各个组成零部件的设计都是经过严谨的计算和验证的，在这里以其代表性结构变幅装置的平行四边形结构为例进行分析。如图3所示（.桅杆油缸 .动臂.变幅油缸.支撑杆.三角形），在此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，受力分析图如图所示。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：（）（）（）由以上式并结合各部分重量及重心位置可以得到：.代入计算书进行验证如表通过如上验证，说明在此状态下，构成平行四边形结构的各单元能够满足要求。. 整机稳定性校核型钻机的整机稳定性校核计算，采用了国内通用安全系数法和欧洲使用的稳定角安全标准（）两种方法。鉴于履带在展开状态横向仍然比纵向尺寸较小，且钻机在横向和纵向都可能为工作状态，故在此选取施工条件更差的横向状态进行校核。此外，变幅装置的调整也影响钻机工作稳定性，一般情况变幅升起越高，稳定状况越好，在此选取桅杆刚刚能够满足回转要求的最差工作状态进行校核，如图所示：方法一：安全系数法首先计算构成钻机各单