45T旋挖钻机桅设计【10张图纸】【优秀Word+CAD全套设计】
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第1章 绪 论...1
1.1 旋挖钻机简介4
1.1.1结构简介4
1.1.2工作原理4
1.1.3旋挖钻机的分类5
第2章 旋挖钻机桅杆的设计6
2.1 桅杆的结构和功用简介6
2.2 桅杆的方案选择6
2.3桅杆截面的方案选择10
2.4卷扬的安放10
2.5旋挖钻机桅杆结构特征分析12
2.6旋挖钻机桅杆结构设计计算12
2.6.1 45T选挖钻机整机参数12
2.6.2 45T旋挖钻机桅杆强度校核14
1）桅杆受力及应力计算14
2）桅杆稳定性计算19
3）桅杆刚度校核19
第3章 旋挖钻机桅顶设计19
3.1 桅顶工作原理分析21
3.2钢丝绳的选取21
3.3 桅顶的设计计算22
3.3.1滑轮尺寸的确定22
3.3.2销轴的计算22
3.3.3支架形状等强度设计计算25
3.3.4轴承的设计计算26
3.4 桅顶的结构设计28
3.4.1支架的结构设计28
3.4.2滑轮的结构设计28
3.4.3销轴的结构设计29
致谢30
参考文献31
英文翻译32
45T旋挖钻机桅设计
摘要：旋挖钻机是一种功能多、效率高、污染少的灌注桩成孔设备。桅杆为钻具提供运动导向、位置调整、动力传递，且承受钻机钻进时的各种载荷。桅杆中的中桅杆、滑轮架以及钻挖系统中的动力头是旋挖钻机的关键部件，中桅杆是钻挖系统和车体的联接件，承受钻具工作时产生的巨大弯矩作用；滑轮架安装于旋挖钻机的最高位置，且质量较大，为主、副卷扬钢丝绳的运动进行导向；动力头驱动钻杆旋转工作，承受载荷且工况复杂。
关键词：旋挖钻机，中桅杆，滑轮架，动力头
45T Rotary drill mast design
Abstract：Rotary drilling rig is a multi-function,high efficiency and less pollution into the pile hole equipment.As rotary drilling rig's key part,the mast is to provide drill-oriented campaign,position adjustments,and power transmission.The mast is bearing the loads when drilling;pulley yoke is to guide wire rope of the main and auxiliary winch.The pulley yoke is weighty,but installed at the highest position.The power drive drives the kelly bar,but it only has one buffer device.
Keywords:rotary drilling rig，middle-mast，pulley-yoke，power drive
第1章绪论
1.1旋挖钻机简介
1.1.1结构简介
旋挖钻机一般由行走机构（履带底盘）、工作机构（主副卷扬、桅杆总成、伸缩式钻杆等）、回转机构、动力机构（回转动力头）、操作控制机构组成（具体结构如图1-1所示），其工作的核心元件是动力头、钻杆和钻头。这些机构集中配装到履带底盘的机身上，通过液压系统将动力分配到回转动力头、主副卷扬机、履带与监控转台中的马达，以及分配到给进和立放桅杆的油缸中。
图1-1旋挖钻机结构组成
1.1.2工作原理
- 内容简介：
-
1 目 录 第 1 章 绪 论 . . 1 1.1 旋挖钻机简介 . 4 1.1.1结构简介 . 4 1.1.2工作原理 . 4 1.1.3旋挖钻机的分类 . 5 第 2 章 旋挖钻机桅杆 的 设 计 . 6 2.1 桅杆的结构和功用 简介 . 6 2.2 桅杆 的方案选择 . 6 2.3桅杆截面 的方案选择 . 10 2.4卷扬的安放 . 10 2.5旋挖钻机桅杆结构特征分析 . 12 2.6旋挖钻机桅杆结构设计计算 . 12 2.6.1 45T 选挖钻机整机参数 . 12 2.6.2 45T 旋挖钻机桅杆强度校核 . 14 1）桅杆受力及应力计算 . 14 2）桅杆稳定性计算 . 19 3）桅杆刚度校核 . 19 第 3 章 旋挖钻机 桅顶设 计 . 19 3.1 桅顶工作原理分析 . 21 3.2钢丝绳的选取 . 21 3.3 桅顶的设计计算 . 22 3.3.1滑轮尺寸的确定 . 22 3.3.2销轴的计算 . 22 3.3.3支架形状等强度设计计算 . 25 3.3.4轴承的设计计算 . 26 3.4 桅顶的结构设计 . 28 3.4.1支架的结构设计 . 28 3.4.2滑轮的结构设计 . 28 3.4.3销轴的结构设计 . 29 致谢 . 30 nts 2 参考文献 . 31 英文翻译 . 32 nts 3 nts 4 45T 旋挖钻机桅设计 摘要 ： 旋挖钻机是一种功能多、效率高、污染少的灌注桩成孔设备。桅杆为钻具提供运动导向、位置调整、动力传递，且承受钻机钻进时的各种载荷。桅杆中的中桅杆、滑轮架以及钻挖系统中的动力头是旋挖钻机的关键部件，中桅杆是钻挖系统和车体的联接件，承受钻具工作时产生的巨大弯矩作用；滑轮架安装于旋挖钻机的最高位置，且质量较大，为主、副卷扬钢丝绳的运动进行导向；动力头驱动钻杆旋转工作，承受载荷且工况复杂。 关键词 ： 旋挖钻机，中桅杆， 滑轮架，动力头 45T Rotary drill mast design Abstract： Rotary drilling rig is a multi-function,high efficiency and less pollution into the pile hole equipment.As rotary drilling rigs key part,the mast is to provide drill-oriented campaign,position adjustments,and power transmission.The mast is bearing the loads when drilling;pulley yoke is to guide wire rope of the main and auxiliary winch.The pulley yoke is weighty,but installed at the highest position.The power drive drives the kelly bar,but it only has one buffer device. Keywords:rotary drilling rig， middle-mast， pulley-yoke， power drive nts 5 第 1章 绪论 1.1旋挖钻机简介 1.1.1 结构简介 旋挖钻机一般由行走机构（履带底盘）、工作机构（主副卷扬、桅杆总成、伸缩式钻杆等）、回转机构、动力机构（回转动力头）、操作控制机构组成（具体结构如图 1-1所示），其工作的核心元件是动力头、钻杆和钻头。这些机构集 中配装到履带底盘的机身上，通过液压系统将动力分配到回转动力头、主副卷扬机、履带与监控转台中的马达，以及分配到给进和立放桅杆的油缸中。 图 1-1旋挖钻机结构组成 1.1.2 工作原理 旋挖钻机 主要功能分为上车钻孔作业和下车移动行驶，两部分通过换向 阀互锁。下车行驶工作由马达带动减速机实现底盘的行走、转向、制动等功能，通过控制底盘的伸nts 6 缩油缸用以改变履带中心距。旋挖钻机钻孔作业时，钻杆通过钢丝绳回转接头与主卷扬的钢丝绳相连，并通过动力头的中心孔，由主卷扬控制其升降。每节钻杆的外表面都焊有导向键，动力头的扭矩通过其内花键传递给外层钻杆及其它各层钻杆和钻头。芯部钻杆底部有方形接头，通过销子同钻头上相 配合的箱插接 。这样，动力头的扭矩就通过钻杆传递给了钻头，在钻头和钻杆的自重压力下实现钻进，如果需要，还可配合加压油缸进行加压钻进。钻头回转切入地层进尺，将钻屑装满一斗后，通过主卷扬将钻头提升到地面卸土。旋挖钻机移动运输时，桅杆可下放至水平位置，并将鹅头部分和下端动力头折叠（根据不同情况亦可将配重拆下）以减小运输长度，此时履带横向缩回至最小距离，这样钻机即可自行进行运输。 1.1.3 旋挖钻机的分类 按旋挖钻机工作参数和施工能力等，旋挖钻机可分为大、中、小三种类别： 小型旋挖钻机 扭矩 100kN.m，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左右的旋挖钻机为小型旋挖钻机。其主要适用于各种楼 座的护坡桩，楼的部分承重结构桩，城市改造市政项目等各种小于 1m的桩。 中型旋挖钻机 扭矩 180 kN.m，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左右的旋挖钻机为中型旋挖钻机。其主要应用于各种 高速公路、铁路等交通设施桥梁的桥桩，大型建筑、港口码头承重结构桩，城市内高架桥桥桩，其它适用桩。 大型旋挖钻机 扭矩 240kN.m，发动机功率 300kW，钻孔直径 12.5m，钻孔深度 80m， 钻机整机质量在 100t 以上的旋挖钻机为大型旋挖钻机。其主要应用于各种高速 公路、铁路桥梁的特大桥桩，其它大型建筑的特殊结构承重基础桩。 nts 7 第 2 章旋挖钻机桅杆 设计 2.1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； 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。 2.2 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 1418。 1） 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）。 对于这两种桅杆形式，由于箱形桅杆体积小，刚度强度好，加之 近年来开发出的起落机构与之相配合，使其不需借助任何其它辅助设备即可自行起落，运输方便，所以应用比较广泛。但随着钻机钻挖能力的提升，桅杆高度和重量也需相应加大，因此落桅后运输过程中对于整机尺寸的要求导致了整体式桅杆一般多应用于小型机，中大型旋挖钻机则多采用以下介绍的折叠式桅杆；格构式桅杆虽然重量轻，但体积也相应增大，而且大部分机型起吊仍需辅助起重设备，所以并没有过多推广，多为起重机底盘改装的格构式旋挖钻机，也有一部分汽车底盘改装的格构式旋挖钻nts 8 机。2） 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） 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。 此种桅杆一般采用钢制，截面为大箱形截面，刚性好，重量轻，截面形式多为矩形，也有使用圆形截面和梯形截面的。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nts 9 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）。 上桅可以侧向折回，也可以前后折叠，目前比较流行的多为侧向折回。与折叠式桅杆相配合，起落装置采用流行的“三角形平行四边形”调整机构，在钻机运输或转场组装时，无需要任何辅助设备即实现了桅杆的自行起落和方便灵活的运输，降低了客户的使用成本，降低了设备装卸运输的时间，提高了稳定性和通过性，也有利于提高 施工效率。但也应注意，折臂铰点的存在，使得此处容易发生应力集中。 4） 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。 nts 10 5） 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，两段桅杆之间根据钻机设计要求仍然可以套装一段或多段的桅杆，可称为第一中间段，第二中间段等（目前由于旋挖钻机发展年限比较短，而这种伸缩式桅杆又并没有普及，所以也没有统一的术语。），但不易过多，目前市面上可见的多为两段和三段，也有部分四段的。 当桅杆处于钻进或提升等工作工况时，桅杆各段桅杆呈伸展状态，当处于运输状态时则可将各级桅杆收缩，以有效减少整机运输长度，有利于整机运输的稳定性，提高钻机通过性，同 时也为选配不同型号、直径、深度的钻杆与钻具提供了充分的选择空间。各级桅杆（根桅除外）的伸展与收缩均由若干液压油缸完成，这些油缸称为伸缩油缸。 nts 11 图 2-5伸缩式桅杆伸缩油缸安装在各段桅杆内，工作时油缸外伸 则各级桅杆伸展，运输液压油缸伸缩，各级桅杆缩至根桅内。虽然此种桅杆形式有利于钻机的运输，但也要注意，这种桅杆各段之间的伸缩是靠滑垫、导向滑块或滚柱支撑，使用中，特别是在尘土很多的环境，运动部件之间的磨损会使各级桅杆之间的间隙增大，造成不同程度的松动，这种 松动随着钻机的使用会不断在各级桅杆内积累起来，最终就有 可能导致事故的发生，所以要定期进行检查，而且这种桅杆相对于其它旋挖钻机的桅杆形式结构更为复杂，精度要求也更高。 2.3 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 （ 1）目前市 面上常见类型旋挖钻机桅杆的相关知识。根据 其结构形式，桅杆主要可分为：整体竖立式桅杆，分段式桅杆，伸缩式桅杆。本次选择分段式桅杆是根nts 12 据设计的要求且在小中型旋挖钻机设计应用比较广泛。 （ 2） 这次方案选择桅杆截面形式是图 2-6中的最后一种截面，这种截面设计节省材料可以减轻本身重量且 刚度较好应用也比较广。 2.4 卷扬的安放 一般有两种处理方案： 1、后置于回转平台上，位置在驾驶室与后部配重之 间（具体可参见图 2-3），主要用于采用专用旋挖钻机底盘的机型； 2、前置于 桅杆下部或动臂三角架上（具体可参见图 2-4），一般适用 于由相近的起重机、 挖掘机或履带吊底盘经改造而成的旋挖钻机机型。早期使用经其它工程机械的底盘改造的旋挖钻机底盘，车体上没有卷扬安置位置，故只能将卷扬安置在桅杆上。随着旋挖钻机的不断发展，此种结构也保留了下来，因为卷扬安装在桅杆上，不但方便操作人员随时观察卷扬机工作第 2章旋挖钻机桅杆结构简介 状态，工作过程中发现问题及时停机解决，也节省了回转平台上的安装空间，便于转台的布置，使得整机外形尺寸较小，特别是回转平台和底盘显得比较小但这样也就增加了车体前部的重量，使整机工作重心前移，外观上看起来前重后轻，降低了整机行走 的稳定性。卷扬机后置的旋挖钻机一般采用专门的旋挖钻机履带式底盘，这样的布置使得整机结构布置更加合理，整机工作稳定性好但缺点是不利于操作人员随时观察到主卷扬机的工作状况。上海三凰工程设备有限公司新研制的SH645 型旋挖钻机桅杆与主机之间采用 U 型连接方式（见图 2-7），主卷扬机放置于操作手的右方视野内 U形凹中，解决了操作人员对于主 卷扬机工作状况的观察，结构简单实用。 nts 13 2.5 45T 旋挖钻机桅杆结构特征分析 旋挖钻机是一种机、电、液一体化的高效率、多用途的灌注桩成孔设备，具有成孔快、质量好、噪声低、环境污染 小等特点，综合效益高，代表着桩工机械发展的方向，是一种很有前途的桩工机械。 国产的旋挖钻机由于考虑桩孔施工工艺的特殊要求（如要求一次成孔连续注浆并插入钢筋笼），要求桅杆必须具有足够的高度。又考虑到运输条件的限制，长度不能过长、重心应尽量降低；同时受到运输条件的限制，因此国产旋挖钻机设计一般都要将桅杆、钻杆等拆卸下来运输。基于以上的几点因素，旋挖钻机的桅杆总成采用分段式可折迭式结构，主要由四部分组成 :下桅杆总成、中桅杆总成、上桅杆总成和滑轮架总成。各部分之间通过螺栓相连接，运输时需拆卸开来，使用时再重新组装。 桅杆总成在工作状态时总高度为 10.5m，在顶段、底段拆翻后桅架放倒时的总长度减至 6m。各段桅杆杆身分上、下两部分，这两部分对接焊组成截面是梯形的腔体杆身，腔体内部按一定的排列方式布置加强筋板，以增强桅杆的刚度和强度。 2.6 旋挖钻机桅杆结构设计计算 2.6.1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 nts 14 如图 2.8旋挖钻机桅杆受力分析图 nts 15 2.6.2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。 桅杆的结构简图及其受力分析图 2.5。 已知条件如下表 1： 桅杆重量 G1=3.5T 钢丝绳重量 G2=0.5T 动力头油缸重量 G3=1T 动力头重量 G4=2.5T 钻具重量 G6=1T 钻杆重量 G5=3.5T 钢丝绳拉力 TMAX=10T 动力头钻进力 F=10T L1=3170mm L2=2572 L3=3040mm L4=2578mm L=12600m a1=1206mm a2=125mm a=437mm b=460mm T=8mm c1=124mm c2=167mm c3=167mm c4=638mm 桅杆截面积 A=28785mm 2 =21 1） 桅杆受力及其应力计算 1 、 当 钻 机 钻 进 时 ， 钻 进 力 F=10T ，绳拉力 T=0 ， 受 力 分 析 如 下 ：（ 1） nts 16 取桅杆最上端面 A-A，此处 N=0， =0 取截面 B-B(x=843mm 处 )，受力如图 (1)。 F=0 N-G=0 N=G=0.45T (1) N=-N N =-0.45T =-N /A=-0.45T/28785=-0.16 mpa 取截面 C-C(x=2748mm处 )， 受力如图 (2)。 (2) F=0 N=F+G+G1=10T+0.33x3.5T+1T=23.9T N=-N N =-12.2T =-N/A= -12.2T/28785=-4.2MPa 取截面 D-D(中桅杆滑轮架 x=3901mm处 )， (3) 受力如图 (3)。 解之得 TA=11.8T Nx=4.2T Ny1=25.5T Ny1=-Ny1Ny1= -25.5T =-Ny1/A= -25.5/28785=-8.9MPa =-Nx/A= -4.2T/28785=-1.5MPa 取截面 E-E(桅杆油缸支架 x=6970mm处 ) nts 17 受力如图 (4)。 (4) 解之得 TBy=200T TBx=4.2T Ny2=-175T Ny2=-Ny2Ny2=110T =Ny2/A= 175T/28785=60.8MPa =-Nx/A= -4.2T/28785=-1.5MPa 取截面 F-F(三角架支点 x=9695mm处 )，受力 如图 （ 5） （ 5） 解之得 TC=-11.7T Ny3=-123.5T nts 18 Ny3=-Ny3Ny3= 123.5T =Ny3/A= 123.5T/28785=42.9MPa =-Nx/A= -4.2T/28785=-1.6MP 取桅杆最下端面 G-G，此处 N=0， =0 综上计算，在钻进时桅杆应力分布见图 （ 1） 和表 2.2 图 （ 1） 表 2.2 距原点距离X(mm) 0 843 2748 3901 6970 9695 10500 应力 （ mpa） 0 -0.16 -4.2 -8.9 60.8 42.9 0 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，即压 max=22.7MPa； 最大拉应力位置是桅杆油缸支架处，即拉 max=52.6MPa。 2、当旋挖钻机主卷扬起吊钻杆和工作钻杆装置时， 转进力 F=0，绳拉力 Tmax=20T，受力分析如下： 取桅杆最上端面 A-A，此处 N=0， =0 取截面 B-B(x=1500mm处 )，受力如图 (6)。 （ 6） nts 19 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(x=6270mm 处 )，受力如图 (7)。 F=0 N=F+G+G1=40T+0.338.78T+1T=43.89T N=-NN= -43.89T (7) =-N/A= -43.89T/20896=-21MPa 取截面 D-D(中桅杆滑轮架 x=7930mm处 )， 受力如图 (8) 解之得 TA=20.8T Nx=8.1T Ny1=68.9 Ny1=-Ny1Ny1= -68.9T (8) =-Ny1/A= -68.9T/20896=-33.0MPa nts 20 =-Nx/A= -8.12T/20896=-3.88MPa 取截面 E-E(桅杆油缸支架 x=13350mm处 )， 受力如图 (9)。 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 (9) 取截面 F-F(三角架支点 x=16040mm处 )， 受力如图 。 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 取桅杆最下端面 G-G，此处 N=0， =0 综上计算，在钻进时，桅杆应力分布见表 2.3 和图 （ 2 ） nts 21 图（ 2） 表 2.3 距原点距离X(mm) 0 843 2748 3901 6970 9695 10500 应力 （ mpa） 0 -6.9 -7.7 -14.6 130.6 37.4 0 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=37.4MPa； 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 已知：桅杆材料 16Mns=270 340MPab=470 510MPa 许用拉应力拉 =b/nb =235 255MPa（安全系数取 2） 许用压应力压 =s/ns=135 170MPa 对于旋挖钻机在工作状态时 拉 max=52.6MPa 拉 =235 255MPa； 压 max=24.6MPa 压 =135 170MPa 对于旋挖钻机提 升钻杆和工作装置时 拉 max=119.6MPa 拉 =235 255MPa； nts 22 压 max=33MPa 压 =135 170MPa 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。 2） 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=4.1361.9610 12.8108/125652=6.5 105(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) P P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/L2 L2 =3.5251.96108 12.8108/187402=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) P P许 =0.42105(T) 由此可见，桅杆设计符合稳定性要求。 3） 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： 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： (受力参考图 2.1） 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)/31.96108 12.8108=1.9810 -5 rad=(1.1310 -3) 桅杆最大挠度： f=-Ma(2l+3a)/6EI=3.49108 13350(22690+31335 0)=/61.96108 12.8108=0.14mm nts 23 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=0.14mm 16mm 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。 nts 24 第 3 章 旋挖钻机桅顶设计 3.1 桅顶工作原理分析 当旋挖钻机钻 头 工作完成，需要由桅顶的滑轮带动钢丝绳提起钻头、钻杆、桅杆以及钻头上所带泥土。桅顶由两组滑轮构成，一组滑轮 用于提升钻杆和钻头 ， 一边连接桅杆另一边连接主卷扬 ； 另外一组滑轮用于 在使用前组装好桅杆， 连接副卷扬 。 滑轮结构如下： 图 1 滑轮示意图 3.2 钢丝绳的选取 3.2.1 钢丝绳类型的选取 。 旋挖钻机属于桅顶滑轮在工作中起到提升重物作用且需要绕过滑轮，查表，选用起升变幅用钢丝绳，选取 e=D/d 20，三角股钢丝绳， 选用钢丝绳型号 6V 21，GB8918-88.其截面如下图： 图 2 钢丝绳截面图 3.2.2 钢丝绳直径的选取 . （ 1） 钢丝绳 1（连接主卷扬和桅杆） ： 承受最大载荷为 78KN 即最大工作拉力为78KN,钢丝绳直径的选取需要考虑安全系数和最大 工作拉力。 F0=nSmax。 F0为整根钢丝绳的破裂拉力， n 钢丝绳的安全系数， Smax 钢丝绳的最大工作拉力。 nts 25 因为是起升类起重机， 用于起升用的起重机安全系数不得小于 5，这里 选取 5 级精度， 经查表得即选取安全系数 n=5，计算 F0=78 5=390KN,查表选取钢丝绳直径d=28mm。 （ 2）钢丝绳 2(连接副卷扬 ) ：承受最大载荷为 62KN 即最大工作拉力为60KN,F0=nSmax=5 62=310KN,考虑实际情况， 查表得 d=20mm。 3.3 桅顶设计计算 3.3.1滑轮尺寸的确定 （ ZBJ80006.1-87） (1）第一组滑轮直径：第一组滑轮连接主卷扬和桅杆，该组钢丝绳直径为 28mm，滑轮卷扬直径 D0 e2d，旋挖钻机为中级起升起重机，查表得， 5级精度，选取推荐值 e 2=18，所以计算 D0=18 28=494，这里我们选取 500mm。这里 D 350mm，一般要铸成福板上带孔和筋的结构，材料选取 QT450-10.查表得钢丝绳直径 d=28mm 的滑轮关尺寸如下：D1=500 ， R=15, H=40, B1=75,E=53, R1=22 ， 40 60 R2=18,R3=4,R4=6, M=16,N=3.0,S=16. (2)第二组滑轮直径：该组钢丝绳直径 d=20mm，计算得 D e2d=18 20=360，取D2=400.查表得 :R=11,H=35,B1=60, E=44,R3=3.0 ,R4=5.0 ,S=14 滑轮结构如下： nts 26 图 3 滑轮相关尺寸示意图 nts 27 3.3.2 销轴的 计算 （ 1）第一组销轴：钢丝绳拉力 78KN，销轴受到剪力作用，桅顶支架壁厚为 30mm，于是计算出需要的销轴的截面直径 d，受力分析如下 F n n m m F /2 F /2 F /2 m m F Q nts 28 图 4 销轴受力分析图 式中： A为剪切面的面积； u 为极限切应力 ,说选材料为 45，查表得到 =155Mpa,所以， =0.5 78（ d/2） 2 155，解得 d 0.056 10-3m=56mm，这里我们取 60mm 所以计算所得销轴直径为 60mm。 （ 2）第二组销轴： 式中： A为剪切面的面积； u 为极限切应力 ,说选材料为 45，查表得到 =155Mpa,所以， =0.5 60（ d/2） 2 155，解得 d 0.056 10-3m=49mm，这里我们取 50mm.所以计算所得销轴直径为 50mm。 3.3.3 支架 形状等强度设计计算（等强度计算） 将滑轮 支架 两边当作一个整体，因为 支架 厚 30mm，所以简支梁宽度 b=60mm，而高度 h在满足等强度要求下是变化的。 满足 max=M(x)/W(x)= ，或者 W(x)= M(x) / =Fx/ =bh2(x)/6,得出 h（ x） =(3Fx/b )1/2， 对于连接钻杆的一端： 分别取 x1=606,x2=100,计算 得 h1=635.37mm,h2=258mm。 对于连接卷扬的一端：分别取 x1=344,x2=100,计算得 h1=595.37mm,h2=321mm。 AFQ AFQnts 29 立体图如下： 图 6 桅顶立体图 3.3.4 轴承的 设计 计算 1)轴承分析与选择 因为 旋挖钻机桅顶滑轮较 简单，选用滑动轴承。滑动轴承特点：滑动轴承结构简单，成本低廉，运动平稳，寿命长，抗振动性能好，可以在强冲击和重载下工作。 旋挖钻机桅顶对轴承的工作要求不高，并且作低速间隙回转，所有选择类型：低速重载轴承、非液体摩擦轴承、径向轴承。同时，桅顶轴承只受径向载荷，所以选择径向滑动轴承。 2)滑动轴承结构形式 因为旋挖钻机 桅顶滑轮工作特性是：低速、重载、间隙运动，所以选用整体式结构。 3)滑动轴承材料的选择 与 桅顶 滑轮连接的主副卷扬的提升速度为 70m/min， 拉力分别为 78KN和 60KN,所以 属于中速 重载，查表得， 选用轴承材料为 ZCuSn10P1（ 10-1锡青铜）。 4)滑动轴承的润滑 旋挖钻机桅顶难以经常供油，选用脂润滑，中速重载， 轴颈 周转速度为70m/min=1.17m/s 1m/s， 工作温度范围为 -200 1200查表得， 润滑材料为 ： 2号通用锂基润滑脂。 5)轴瓦 及其轴套尺寸确定 选择 整体式 径向轴瓦， 卷制轴套式。 前面选了轴瓦材料为 ZCuSn10P1（ 10-1锡青铜），查表得，许用值为： p=15MPa， v=10m/s， pv=15 MPa. m/s nts 30 销轴 1（主卷扬对应）直径为 d1=60mm， 查 轴瓦 表 得 ： 轴瓦 壁厚 eT=2mm，轴瓦 外 经为 DL=62mm。 (GB12613-90) 查轴套表得： 轴 套外经 D=67mm， 壁厚 t=3mm,C=1.2,C1=0.6。 (GB12613-90) 查表得， 起重机中 B/d取 1.0 2.0， 据表得 B=70mm。 （ GB2931-82） 销轴 2（对应副卷扬）直径 d2=50mm， 查 轴瓦 表得， 轴瓦壁厚 eT=2mm，轴瓦外经为 DL=52mm。 (GB12613-90) 查轴套表得， 轴 套 外经为 D=56mm,轴瓦壁厚 t=3mm， C=1.2,C1=0.6 (GB12613-90) 查表得，起重 机中 B/d取 1.0 2.0，据表得 B=60mm。（ GB2931-82） 6)轴承验算 许用值为： p=15MPa， v=10m/s， pv=15 MPa. m/s 压强 p 验算 Pmax=Fmax/dB pMPa 式中 : Fmax-轴承所受的最大径向载荷 N， d-轴颈的直径 mm， B-轴颈的工作宽度 mm， p-压强的许用值 MPa 。 对轴承 1（主卷扬对应） ： Pmax= Fmax/dB=78000/（ 67 70） =14.31 15 对轴承 2（副卷扬对应）： Pmax= Fmax/dB=60000/（ 56 60） =14.57 15 滑动速度 V 验算 V= dn/（ 60 1000） v 式中： d-轴颈的直径 mm， n-轴颈转速 r/min， v-许用滑动速度 m/s， 对轴承 1： V= dn/（ 60 1000） =3.14 67 2300/（ 60 1000） =8.06 10 对轴承 2： V= dn/（ 60 1000） =3.14 56 2300/（ 60 1000） =6.74 10 Pv值验算 Pv=Fn/19100B pv F-轴所受到的平均径向载荷 N, n-轴颈转速 r/min ， B-轴颈的平均工作宽度， nts 31 pv-pv许用值 MPa。 对轴承 1： Pv=Fn/19100B=78000 230/（ 19100 70） =13.4 15 对轴承 2： Pv=Fn/19100B=60000 230/（ 19100 60） =12.0 15 7)轴颈与轴瓦配合 轴颈与 轴承之间必须有必要的间隙，平均间隙为 0.001d，所以对轴 承 1（与主卷扬对应） 与销轴 1 的 间隙为 0.001 60=0.06mm；轴承 2(与副卷扬对应 )与销轴 2之间的 0.001 50=0.05mm。配合选用 选用 8 级精度 ， H8/e7。 3.4 桅顶结构设计 3.4.1.支架 结构设计 尺寸 已经在上章计算了，其结构如下： 图 7 支架零件图 3.4.2滑轮的结构设计 采用有轮辐的结构，其结构图如下 ： 图 8.滑轮示意图结构图 nts 32 桅顶立体图 3.4.3 销轴的结构设计 因为桅顶销轴用于连接作用，且两端需要固定，选择带孔销轴。销轴的直径已经在第四章计算出，销轴 1， d=60mm；销轴 2， d=50mm。 销轴 1（ d=60） dk =8mm，孔直径 d1=10mm；销轴 2（ d=50） dk=7mm，孔直径 d1=10mm。根据 支架 设计尺寸，设计销轴长 l1=l2=225mmm nts 33 其结构设计如下： 销轴 1（ 60）： 图 9 销轴 1 示意图 销轴 2（ 50） ： 图10销轴2零件图 nts 34 致 谢 本文是在周友行老师的悉心指导下完成的。承蒙周老师的亲切关怀和精心指导，虽然他工作极其繁忙，但仍抽出时间给予我学术上的指导和帮助，特别是对于我的毕业设计提出了宝贵建议，使我获益不浅。周老师平易近人的性格、广博的知识、深刻的思想和丰富的人生智慧对我产生了极大的影响。在此，谨向周老师致以深深的敬意和由衷的感谢。 感谢我的父母，他们在大学生活上给予我很大的支持和鼓励，是他们给予我努力学习的信心和力量。 如果说这篇论文是我几个月研究的结晶，那么它所折射的光芒中更多的是我身边诸位家人、朋友的殷殷 期望之情和拳拳关爱之心。感谢所有关心我、支持我和帮助过我的同学、朋友和亲人，在这里，我仅用一句话来表明我无法言语的心情，感谢你们！ 感谢各位百忙之中抽空来帮助完成论文答辩和指导的老师们 ! 感谢一路陪我走来的每一位良师、挚友 ! nts 35 参考文献 1孔德文等 .液压挖掘机 M. 北京：化学工业出版社 . 2007.1 2赵克利等 .底盘结构与设计 M. 北京：化学工业出版社 .2007.1 3濮良贵，纪名刚 .机械设计（第七版） M.北京 ： 西北工业大学机械原理及机械零件教研室，高等教育出版社 ， 2000 4哈尔滨工业大学理论力学教研室 .理论力学 M. 北京：高等教育出版， 2002. 5朱张校 .工程材料（第三版） M.北京：清华大学出版社， 2001 6朱冬梅 .画法几何及机械制图第五版 M.北京：高等教育出版社， 2000.12 7同济大学 .液压挖掘机 M北京：中国建筑工业出版社， 1986. 8JB/T59-1999,液压挖掘机支重轮 . 北京：中国标准出版社 .2009.4 9孙恒，陈作模 .机械原理（第六版） M.北京：高等教育出版社， 20 nts 36 模具中钻孔的一 般算法 摘要 ： 使用标准的 G-code,提供一种程序设计方法的封闭循环的运动时的轴数控机床完成重复性的加工操作。然而，标准的封闭循环在数量上和容量上是有限的。因为这个原因，现代数控单元能够为不同的加工操作创造相似的周期，称为用户定义的周期。用户定义周期的创造不是个简单的任务，它需要大量的技术经验和努力。本论文以简易的方式描述了一项调查，这项调查是发展模具中的钻孔的一般算法。这种算法可以用于创建用户定义周期或者用于普通模具中，交错的模具中，单排及柱中钻孔的子程序。这种程序设计算法对于加工样板，鼓，特拉梅尔屏 幕和隔板非常有用。通过测试这些算法的性能，许多工件都取得了令人满意的结果。 这里展示了这种工件的样板。发达算法节省了 99%的时间去准备项目，另外还减少了程序设计错误。 关键字 ：数控机床，数控编程算法，封闭循环，用户定义周期 1.介绍 数控机床一次在工业中出现大约是在 1957 年。机床工具的性能和许多相关计算机技术的
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