旋挖钻机桅杆设计.doc

机械原理课程设计题目：旋挖钻机钻桅举升装置设计B班 级 09 机 电 一 班 学 号 2 0 0 9 7 6 8 7 姓 名 郑 伟 指 导 教 师 温亚莲 目录第一章 绪论 1.1 设计题目简介 1.2 设计目的 1.3 设计要求第二章 旋挖钻机的总体设计 2.1工作原理分析 2.2机构总体设计2.2.1设计要求2.2.2主要技术参数2.2.3总体布置2.3运动分析 2.3.1钻孔运动2.3.2升降运动2.3.3变幅运动2.3.4上车回转运动2.4动力分析2.4.1旋挖钻钭2.4.2上车回转机构2.4.3变幅机构第三章 旋挖钻机的结构设计 3.1 主要元件的选择3.2 动力头机构3.3 变幅机构3.4 卷扬机构3.5主要支承件设计3.6钻桅设计 第四章 虚拟仿真 4.1 4.2 结论参考文献第一章1.1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。1- 三脚架 2-钻桅变幅油缸 3-钻桅 4-动臂 5-连杆 6-动臂变幅油缸变幅机构结构示意图.2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。第二章 旋挖钻机的总体设计2.1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所示表2-1 旋挖钻机的形态学矩阵由此可以组合的方案数种方案。由于旋挖钻机输出功率较大，三种动力源之中液压马达以体积小、能量密度高、运行稳定等特点成为旋挖钻机最佳动力源。传动方式中链传动不易于高速、重载，带传动传动底速性能不好、径向尺寸大、效率低寿命短。涡轮传动平稳、振动小、噪音小，但是传动效率低、价格昂贵。而齿轮传动效率高、传动比准确、承载能力大、使用寿命长、可靠性高、价格合理、机构紧凑成为旋挖钻机最佳的传动方案。行走方式轨道式机动性差剔除，可选择轮胎式或履带式，轮胎式机动性比履带式好，但承载能力不如履带式。定位方式若采用行走定位钻机本身设计简单，但每次卸土都要移动位置严重影响工作效率，回转变幅组合方式定位可以在下车不动的状态下完成回转卸土和定位，这种设计是钻机机构变得复杂，但是工作效率明显提高且操作简单。钻深数十米采用液压缸或连杆机构显然不合适，采用钢绳卷扬系统为最理想的升降方式。分析得出以下两种方案：方案1为，即全液压轮胎式旋挖钻机；方案2为，即全液压履带式旋挖钻机。因本课题设计的是大型旋挖钻机其最大输出扭矩为285KN/m,整车质量为70t, ,因此选择方案2。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。2.2机构总体设计总体设计是机械产品设计的关键，它对产品的技术性能、经济指标和社会性能具有决定性意义。总体设计应始终贯彻功能要求原则、可靠性原则、安全 原则、力学原则、经济性原则等。2.2.1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.自动化程度钻机具备自动起升桅杆,根据土层自动调节钻孔深度,电液集成系统钻孔深度速度数字化显示,实时显示孔深动力头扭矩和主卷场牵引力等。钻孔垂直度实时调整并有手动自动两种调节方式,回转卸土自动对孔功能。5.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。6.环境适应性由于施工地点不同,旋挖钻机应能适应不同的环境及气候。2.2.2主要技术参数主要技术参数指能够直接影响机械系统功能和工作性能的一些参数,它是机械系统结构总体设计和主要零部件设计的依据。本课题旋挖钻机参数如表2-2:表2-2 旋挖钻机技术参数2.2.3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:2.3运动分析从运动学的角度上看机械系统主要是机械运动和生成传递与变换。由原动机、传动机构、执行机构以及控制系统组成。在旋挖钻机系统中主要是将原动机输出的运动传递到相应的执行末端件。旋挖钻机运动简图如图2-4所示,旋挖钻机的运动可分为钻孔运动、提钻运动、变幅运动和回转运动。下面将分别对旋挖钻机进行运动分析。图2-4旋挖钻机运动示意图2.3.1钻孔运动 钻孔运动主要靠钻钭的回转完成的，动力头主要作用驱动钻杆，液压系统采用电控变量与恒功率控制使的排量在整个范围内可以调节，实现无级调速控制特点，根据扭矩与排量和压力之间的关系可知，当系统压力达到设定压力时变量马达开始通过增大排量来增加扭矩，动力头采用变量马达时可以通过改变马达排量来增加动力头无极调速区间。动力头采用结构紧凑的双马达驱动，以减小动力头的径向尺寸。传动原理如下图2-5所示，液压马达3输出扭矩通过行星减速机2减速后，将动力传给小齿轮1，小齿轮将动力头传递给回转支承6外环，回转支承外环与动力头驱动套4固连，通过驱动套内键将扭矩传递到钻杆5驱动钻具回转。动力头输出转速n可以表示为式中：为液压马达流量,;马达排量, mL ; 为行星减速比;齿轮副减速比。1- 小齿轮;2-行星减速机;3-马达;4-驱动套;5-钻杆;6-回转支承图2-5动力头传动原理2.3.2升降运动升降运动主要是指在钻钭下钻和装满岩土提到地面的过程,升降运动靠钻机的提升系统完成。在钻机每个工作循环中旋挖钻机要经过孔定位、下钻、钻进、提钻、回转、卸土六个工序,提升系统主要功能是控制钻杆下降和提升速度,为了避免钻杆触地后卷场继续放绳而引起乱绳损坏钢丝绳的现象发生。提升系统传动原理如下图2-6所示。主要参数有提钻加速时间t，钻杆提升速度v，启动加速度。则钻杆提升速度v可以表示为式中：Q为马达流量，L/min;r滚筒半径，m；马达排量，mL。 图2-6提升系统传动原理2.3.3变幅运动变幅机构由平行四边形机构和三角形机构两个部分组成，平行四边形机构通过变幅油缸的伸缩使桅杆远离机体或靠近机体，三角形机构作用是通过立桅油缸的伸缩改变桅杆的角度，以调节桅杆相对水平面的角度。变幅机构在钻孔时改变钻头位置，在下车不移动的工况下实现对孔定位，变幅机构运动简图如下图2-7所示：因为在变幅过程中钻具、动力头等部件固定在钻桅杆上，所以在机构分析中只分析钻桅运动特性。变幅机构共有8个活动构件，2个移动副和9个转动副，自由度为2。图2-7变幅机构运动图变幅机构随油缸伸出长度的不同，其角度和受力都会变化。通过姿态角的引入，分析运动情况。变幅机构中铰点A、F与转台固定铰链，变幅姿态角为变幅壁中心的连线与水平面成角，立桅姿态角为钻桅与三角架和立桅油缸两铰点连线与水平面成角，为转台倾角，为三角架BD与水平面夹角，为立桅油缸与水平负方向的夹角，为工作装置重心与铰点CD构成的三角形夹角，、分别为变幅油缸立桅油缸长度，G表示工作装置，包括钻桅总成、动力头、钻具等。（1）变幅机构工作时，在平行四边形ABEF中，AF为固定机架，四杆机构属于双摇杆机构，上臂AB和下壁EF为摇杆，其运动特性相同，质心分别用 和表示，质心距各自回转中心距离为和表示，当变幅油缸运动时，AB、EF绕机架转动。则上臂AB质心速度可表示为： 式中：为变幅角，rad：“”对时间的导数。变幅油缸BF的长度与变幅姿态角之间关系可表示为：对时间t求导，变幅油缸活塞运动速度可表示为：三角架与工作装置做平动，运动特性与下臂E点相同，其运动方程为：（2）立桅杆油缸工作时，在三角形机构BCD中，工作装置的重心G,回转半径用表示，则工作装置转速可表示为:立桅油缸BC长度与姿态角之间关系可表示为：将对时间t求导，立桅油缸活塞杆运动速度可表示为：2.3.4上车回转运动 回转机构主要是驱动上车绕回转中心周回转，回转机构是支承旋挖机构钻机上车的自重及钻机提钻过程中的垂直载荷作用。由回转平台和回转驱动机构两个部分组成。回转部分的主要运动参数有回转角速度和启动时间和制动时间t。回转机构由液压机构马达、回转减速机和回转支承组成。传动原理如下图所示，旋挖钻机的最大回转速度为，回转角速度为。则上车回转速度为：式中：为流量，；马达排量，；为行星减速机减速比；回转支承齿轮副减速比。1回转支承；2液压马达；3回转减速机；4小齿轮轴回转机构传动原理2.4动力分析由于旋挖钻机质量大，输出扭矩大，所以对旋挖钻机的色主要部件进行力学分析是十分重要的，下面主要对旋挖钻机钻钭钻进过程、回转机构运动和变幅机构变幅过程进行动力分析。2.4.1旋挖钻钭钻钭在钻土过程中，可将钻钭的掘削机构分为切削机构、装载机构和摩擦机构，则动力头钻钭回转时切削阻力矩为：式中：为掘削比阻力，；斜齿的切削刃后角，度；钻钭齿数；钻钭一次掘削深度，；刀刃与土之间摩擦角，度；回转钭半径，；回转钭顶尖半径，；为切削角，度。钻钭的装载机构为钻钭的内腔，一边靠切削刀切削，一边把切削下的土装入钭内。钻钭圆柱部分所消耗的阻力矩为：式中：土与钢的摩擦系数；土的比重，；斗体的高度，；主动图压系数。钻钭在掘削土过程中，由于受钻杆的稳定性等因素的影响，钻钭与孔壁之间产生摩擦阻力矩，这个阻力矩可以利用朗肯主动土压理论来求解，摩擦阻力矩为：式中：钻钭半径，；钻钭高度，；为土内部摩擦角，度；土侧压力，。钻钭受到中的阻力矩为：2.4.2上车回转机构回转过程的阻力矩包括风载阻力矩、坡阻力矩、摩擦阻力矩和惯性阻力矩构成。由于风载阻力矩相对较小，所以忽对钻机回转的影响略风载。根据刚体绕定轴转动微分方程，则惯性阻力矩为：式中：为启动时间，；为回转角速度，；为转动惯量，；为回转角，。是中：分别为钻桅、动力头、钻杆、钻斗、上车转台、变幅机构质量，；为相应的回转半径，。摩擦阻力矩可以表示为：式中：为回转阻力系数；滚到平均半径，；为回转支承手中压力，。坡阻力矩可以表示为：式中：为坡道角度，度。钻机回转总的阻力矩可以表示为：设启动安全系数为K启动力矩为：制动力矩为：式中：为减速机效率；液压马达效率；回转支承效率。2.4.3变幅机构变幅机构作为钻机重要支承机构，以工作装置为研究对象，受力如图2-9所示，对D点力矩,列平衡方程式中：为G点到D点距离，m：为钻桅与水平面夹角，度：为立桅油缸与钻桅夹角，度：为工作装置重心与铰点C、D构成的三角形夹角，度。立桅杆受力表示为钻杆倾角为函数为 以三角架为研究对象，受力如图2-10所示。利用截面法计算下臂对三角架的作用力。相对于工作装置质量三角架自重忽略，对B点取，则的受力平衡方程为 由公式联合求出下臂对三角架的作用力。以上臂为研究对象受力如图2-11所示。对A点取力矩,则变幅油缸受力平衡方程为图2-11 上臂受力模型第3章 旋挖钻机的机构设计3.1主要元件的选择 旋挖钻机的各个工况中功率变化较大，为了提高液压系统的工作效率，选择变量泵系统。主泵选择力士乐变量泵，主阀选择为负载敏感式多路阀。本课题中采用告速马达和行星减速机构组成的驱动机构。选型根据运动参数和运力参数计算。根据前面计算，选择标准件如表3-1、表3-2所示表3-1 马达型号表3-2 减速机3.2 动力头机构动力头是旋挖钻机的关键工作部件，其性能好坏将直接影响钻机整机性能的发展。动力头主要作用是驱动钻杆带动钻头回转，并提供钻孔所需的加压力、辅助提升力，动力头能根据不同的土层硬度自动调整转速与扭矩，以满足不同的工况高效率钻进。动力头设计具体机构如图3-1所示。3.3 变幅机构变幅机构是旋挖钻机中重要的支承机构，承受钻桅、钻杆、钻具等重量，钻孔时还受来自动力头的扭转作用，变幅机构设计要求要有足够的强度，在极限工况下不发生破坏，要有足够的刚度保证极限工况下变形在许用范围内。变幅机构中各构件的连接铰点处受力较大，为了满足接触刚度要求，同时减小零件质量，连接头采用锻造件，上、下臂整体采用截面采用空心矩形，内部布置隔板以增加刚度，三角架采用空心截面设计，内部按强度布置隔板和筋板以保证三角架的刚度满足设计要求。材料选用高强度合金钢HQ70，屈服强度620MPz。变幅机构如图3-2所示。3.4 卷扬机构 卷扬主要功能是钻孔作业时提拉钻具，控制钻具下降速度和提升速度。钻孔效率的高低、钻孔事故发生的几率、钢丝绳寿命的长短都与卷扬有密切的关系。卷扬的结构和功能都非常重要。卷扬的主要结构由支承架和动力驱动装置构成，卷扬支承架采用焊接结构，滚筒为铸造件。驱动装置工作特性要求卷扬滚筒转速不随外载荷变化而变，即匀速提钻、下钻，由液压系统保证。驱动装置主要由内藏式减速机和插装式马达，减速机内置制动器，该装置具有结构紧凑、传递扭矩大、制动迅速等特点。卷扬结构如图3-3所示。3.5主要支承件设计支承件是指在机械系统中等起着支承和连接作用机件的统称。支承件作用是支承并连接着机械系统中各零部件和装置，承受着工作载荷、自身重量等各种类型载荷，保证零部件和装置之间的相互位置关系。其主要功能是保证机械系统中隔零部件和装置之间的相互位置和相对运动精度，使机械系统在工作载荷和自重等作用下，具有足够的强度、刚度、抗振性、热稳定性和耐用度等，确保机械系统的正常工作。1销钉；2底座；3中间体；4压力油杯；5套筒；6锁紧螺母；7上座；8钢丝绳卡套；9螺钉；10锁紧螺钉；11轴承；12压力轴承；13密封套；14挡圈回转接头图3-4 支承件3.6钻桅设计钻桅的主要作用是支承动力头、钻杆，钻桅为动力头提供导向作用。在钻孔过程受到动力头的巨大的扭矩作用，在提钻和加压过程受到极限压力和拉力作用。钻桅受弯矩、扭矩、拉力作用，所以在设计时要求质量强度、刚度有严格限制。另外受公路运输长度标准限制，桅杆采用结构简单可靠性高的大截面箱体的三段折叠式设计，以减小运输时车身长度。为了方便布置加压油缸，截面做成凹箱型，动力头滑轨采用高强度合金钢板式滑轨。钻桅形状如下图所示：图3-5钻桅总成调垂机构设计，由于钻孔过程中地面受压，可能导致车身水平角度发生变化，如果桅杆垂直度不可调的话，就会给钻孔带来垂直度误差，且随着孔深的增加误差越大，严重影响后期 施工的质量，难以保证工程质量，因此这就对钻孔过程提出了实