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DNXW100铁路公路两用旋挖钻机设计【11张图/18300字】【优秀机械毕业设计论文】

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DNXW100铁路公路两用旋挖钻机设计【】【优秀机械毕业设计论文】.rar

A0-公路运输状态总装图.dwg

A0-卷扬总装图.dwg

A0-工作状态时总装图.dwg

A0-支架.dwg

A0-桅杆.dwg

A0-液压图.dwg

A0-铁路运输状态总装图.dwg

A4-立板.dwg

A4-轴套1.dwg

A4-轴端支撑.dwg

三维示意图.dwg

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关键词：: dnxw100 铁路公路两用钻机设计优秀优良机械毕业设计论文

资源描述：

文档包括:
说明书一份,42页,18300字左右.
PPT答辩稿.ppt
任务书.doc
外文翻译.doc
开题报告.doc
摘要.doc
目录.doc
自查表.doc
说明书.doc

图纸共11张,如下所示
A0-公路运输状态总装图.dwg
A0-卷扬总装图.dwg
A0-工作状态时总装图.dwg
A0-支架.dwg
A0-桅杆.dwg
A0-液压图.dwg
A0-铁路运输状态总装图.dwg
A4-立板.dwg
A4-轴套1.dwg
A4-轴端支撑.dwg
三维示意图.dwg

（论文）任务书

题目 DNXW100铁路公路两用旋挖钻机
专业机制05-02班学号 050401140225 姓名许建刚
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
1、主要内容
铁路公路两用旋挖钻机的总体设计；
铁路公路两用旋挖钻机结构分析；
液压系统的设计分析；
进行整机稳定性分析。
2、基本要求
设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等，折合0号图纸5张；
设计计算书1.5万字；
外文资料翻译3000汉字。
3、主要参考资料
a、机械设计手册；
b、相关专业机械书籍；
c、相关专业机械文章、专利资料；
d、相关生产机械厂家样本、图纸等。
课题名称 DNXW100铁路公路两用旋挖钻机
课题来源牡丹江建机厂课题类型 A 指导教师姓名赵伟民
学生姓名许建刚学号 050401140225 专业机械设计制造及其自动化
开题报告内容：（调研资料的准备，设计目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段内容及时间安排；完成设计（论文）所具备的条件因素等。）
1、资料准备
设计手册，期刊文章。
2、设计目的
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其他基础，得到了广泛的应用空间。旋挖钻机因其效率高、污染少、功能多的特点，适应上述综合发展的需求，在国内外的现浇混凝土灌注桩施工中得到了广泛应用。
“十一五”期间我国将投巨资进行铁路、公路、电力、城市公共设施等的建设，桩基础施工机械必将有一个大的发展。而为应对2008年爆发的经济危机，国家扩大内需，决定今后三年投资3.5万亿用于铁路建设，这对工程机械公司必将是个难得的机遇，旋挖钻机主要应用于桥梁和高速铁路，是此次工程机械行业中受益最为直接的产品。有机械研究员表示，已经开工的京沪高铁项目总投资为1300多亿元，将于2010年投入运营。高速铁路桩基工程若同时全面开工2000公里，需新增300～500台旋挖钻机。未来2～3年旋挖钻机国内每年的市场需求将达600～800台，以450万元一台的单价计，其市场容量高达27亿～36亿元。
而“十一五”期间铁路建设目标，是拉动旋挖钻机业务的另一引擎。其间，我国将建设铁路新线1.7万公里。而我国正在进行的大规模城市化建设也为旋挖钻机提供了广阔市场需求。据此预计，旋挖钻机未来3年仍将保持40%以上的增长。
国内旋挖钻机底盘多为履带式底盘，铁路、公路两用旋挖钻机目前还是空白，但鉴于国家大力发展铁路建设，铁路、公路两用旋挖钻机将会得到广泛应用，市场前景相当乐观，为满足市场需求我们进行DNXW100铁路公路两用旋挖钻机设计。为满足市场需求我们进行DNXW100铁路公路两用旋挖钻机设计。
3、要求
铁路公路两用旋挖钻机的总体设计；
铁路公路两用旋挖钻机结构分析；
液压系统的设计分析；
进行整机稳定性分析。
4、任务完成阶段内容及时间安排：
3月31日～4月13日（2周）铁路公路两用旋挖钻机总体设计；
4月14日～5月04日（3周）钻桅、变幅机构结构设计；
5月05日～5月25日（3周）卷扬设计与分析；
5月26日～6月01日（1周）液压系统设计；
6月02日～6月15日（2周）配重平衡机构的设计；
6月16日～6月22日（1周）论文写作与整理，准备答辩。
5、预期成果
设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图等，折合0号图纸5张；
设计计算书1.5万字；
外文资料翻译3000字。
6、现有条件
具有部分相关图纸资料和样本；
具有相关三维设计与仿真软件；
指导教师对该领域非常熟悉。
摘要
旋挖钻机因其效率高、污染少、功能多等优点,应用于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，在国内外的桩施工中得到了广泛应用。车载旋挖钻机以其机动性好、转场速度快、动作灵活等特点，在城市改造、市政项目、城郊内高架桥建设中显示了其独特的优势。而为了运输方便，把车载旋挖钻机改成铁路公路两用，更突出了其机动性好的优点。
本设计在分析对比了目前存在的旋挖钻机的各组成机构的优缺点的基础上，完成了铁路公路两用旋挖钻机的底盘选型设计、支腿方案确定及结构设计、钻桅支撑机构确定及设计、钻杆结构设计。重点利用Solidworks Simulation有限元分析软件对轨道行驶机构和钻桅部分提钻、钻孔二种工况下分别进行了静力学分析强度校核及结构优化；运用Solidworks Motion软件对起架变幅机构进行了动力学分析，对动臂、支撑杆进行优化设计；对主卷扬部分进行了重点设计；对整机进行稳定性分析；对液压系统进行了设计。
关键词：旋挖钻机；铁路公路两用底盘；稳定性分析；液压系统；有限元分析

Abstract
Because of their high efficiency，less pollution,more functional advantages，Rotary Drilling Rigs are used for pile foundation especially for cast-in-place concrete piles which has replaced the basis of others＇foundation, and which has been widely used in the pile construction at home and abroad．Through its maneuverability，high-speed aroud the site and flexible action，Trucked Rotary Drilling Rig demonstrated their unique advantages under the transformation in the city， municipal projects，construction of the viaduct in the city outskirt．
On the basis of analysising of Rotary Drilling Rigs in the existing and comparatting the advantages with disadvantages of the various components，the design have a completion of the selection of the chassis for Rail and Road Rotary Drilling Rigs，the scheme of its outriggers and their structure design，the design of the drilling masts support agencies，the structural design of the drill pipe，the matching of bits．Mainly use Solidworks Simulation finite element analysis software to check the strength of drilling mast and have a structural optimization for the parts in each from it through the method of reactional force transfering under three conditions；use Solidworks Motion software to have a dynamic analysis of starting-range institutions and have an optimized design of boom and supporting bar on the basis of data-sharing technology，have a stability analysis of the whole Trucked Rotary Drilling Rig；complete the design of hydraulic systems．
Key words：Rotary Drilling Rig；Rail and Road chassis；Stability analysis；Hydraulic system；Finite element analysis

目录
第1章概述 1
1.1 引言 1
1.2 国内外旋挖钻机的发展状况 2
1.3 铁路、公路两用旋挖钻机的优越性 5
1.4 本章小结 5
第2章铁路公路两用旋挖钻机结构设计 6
2.1 铁路公路两用旋挖钻机方案的确定 6
2.2 铁路公路两用旋挖钻机的总体设计 13
2.3 本章小结 15
第3章铁路公路两用旋挖钻机主要部分的计算与分析 16
3.1 轨道行驶机构的设计计算 16
3.2 主卷扬部分设计计算 17
3.3 钻桅部分的设计计算及有限元分析 20
3.4 动臂部分的静力学分析 26
3.5 本章小结 28
第4章整机稳定性计算 29
4.1 整机稳定性校核 29
4.2 整机稳定度分析 32
4.3本章小结 33
第5章液压系统设计 34
5.1 液压系统设计 34
5.2 液压系统图 35
5.3 重要液压元件的选型 35
5.4 本章小结 37
结论 38
参考文献 39
致谢 40

DNXW100铁路公路两用旋挖钻机设计

内容简介：: 课题来源：牡丹江建机厂答辩学生：许建刚指导老师：赵伟民（教授） 1、概述旋挖钻机作为新型深基础桩孔施工设备，与传统的工程钻机相比，具有高效率、低噪音、低污染等特点。旋挖工法已经成为重要的桩孔施工手段，它对加快建设速度、保证工程质量、降低工程成本、提高作业效率、保护环境具有重要的意义。而铁路公路两用旋挖钻机因其运输的灵活性也即将成为旋挖钻机家族的新星，但因国内旋挖钻机发展历史较短，所以铁路、公路两用旋挖钻机在国内尚属空白。铁路公路两用旋挖钻机的优越性运输方便钻进速度快，成孔时间短作业占地面积小成孔质量高，费用低，且保护周围环境 2、车载旋挖钻机的方案确定及总体设计主要性能参数如下表：项目单位数值最大钻孔直径 800 最大钻孔深度 m 30 最大名义扭矩 kN/m 100 最大钻孔速度 3 甩土速度 78 主卷扬最大提升力 02 副卷扬最大提升力 1 卡车底盘载重 5 铁路公路两用旋挖钻机方案的确定旋挖钻机的结构主要有底盘、钻桅、变幅机构、主副卷扬、动力头、钻杆、钻头、转台、发动机系统、驾驶室、覆盖件、配重、液压系统、电气系统等。（ 1）、底盘铁路公路两用旋挖钻机可采用把车载式旋挖钻机进行铁路化改造的方案，汽车底盘可向国内专业汽车生产商购买。在汽车底盘的基础上，为适应铁路上运输的需要，应加装轨道行驶机构。而为了满足旋挖钻机工作时性能要求，须加装液压支腿。（ 2）钻桅（创新点）桅杆是动力头和钻杆的附着体，现多采用折叠式，有圆形、矩形截面两种。桅杆顶部装有滑轮组，用来完成对动力头、钢筋笼和注浆导管的起降。桅杆前面两侧配有矩形导轨，作为动力头上下运动的导向。桅杆上依次装有滑轮架、加压油缸及动力头。考虑到此次设计的结构要求，决定不采用折叠式，而把上、中、下节都合成一节。并且为减少整车高度，采用上面是矩形截面，而下面是矩形截面（ 3）变幅机构变幅机构常用形式有两种，分别为平行四边形和三脚架的两级变幅机构和大三角形变幅机构。平行四边形变幅机构大三角形变幅机构经比较两种形式的优缺点后决定选择平行四边形变幅机构（ 4）主副卷扬主卷扬用以提升和下放钻杆，卷扬驱动方式为液压驱动。主卷扬是在钻进过程当中完成钻杆和钻头下放和提升等功能的机构，而副卷扬的主要功能是完成工地上所需的焊机钻头等附属物品的起吊。卷扬机构主要由液压马达、内藏式卷扬减速器、卷扬筒、钢丝绳、压绳器等组成。（ 5）动力头动力头是钻机工作的动力源，它驱动钻杆、钻头回转，并能提供钻孔所需的加压力、提升力，能满足高速甩土和低速钻进两种工况。动力头驱动钻杆、钻头回转时应能根据不同的土壤地质条件自动调整转速与扭矩，以满足不断变化的工况。（ 6）钻杆根据钻孔时采用的钻进加压方式不同，钻杆分为三种类型：摩擦加压式钻杆（简称：摩擦杆）、机锁加压式钻杆（简称：机锁杆，又称：凯式钻杆）和组合加压式钻杆（简称：组合杆）（ 7）钻头目前国内外旋挖钻机的钻头有 3种常用的结构：短螺旋钻头、回转斗钻头、岩心钻钻头。回转斗钻头岩心钻钻头短螺旋钻头铁路公路两用旋挖钻机方案确定为：底盘采用汽车底盘改造，底盘经过选择，决定采用中国重汽道行驶机构根据底盘空间，决定布置成弧形收缩式，支腿采用蛙形支腿；钻桅采用不分三节，而把三节合为一节，并且采用平行四边形和三脚架的两级变幅机构支撑；主副卷扬安装在上车上；钻杆采用摩擦式钻杆；配有短螺旋、回转斗、岩心钻三种钻头。铁路公路两用旋挖钻机总体布置为： 1、钻杆 2、动力头 3、钻具 4、钻桅 5、变幅机构 6、副卷扬 7、主卷扬 8、上车部分 9、汽车底盘 10、蛙型支腿 11、轨道行驶机构 3、铁路公路两用旋挖钻机主要部分的计算与分析（ 1）轨道行驶机构的设计计算（创新点）火车支撑杆的有限元分析图：铸钢的钢号为屈服强度为 445大应力为226安全系数为 2，则此件满足设计要求。（ 2）钻桅部分的设计计算及有限元分析钻桅的有限元分析可以分为两个步骤：一、对滑轮架进行分析，然后列举处滑轮架固定部分的反作用力。二、将列举出的反作用力加到桅杆上。步骤一：滑轮架的有限元分析滑轮架主要作用是承受主副卷扬钢丝绳的载荷，其危险工况有两个：一是直接提钻工况。此时滑轮架主滑轮钢丝绳承受钻杆重力、钻斗重力、土壤重力和钻斗与土壤之间的粘滞阻力，主卷扬最大提升力达到 102滑轮架主滑轮上钢丝绳受力为 102副滑轮不受力。二是钻孔已完成，副卷扬吊钢丝笼放进孔内工况。此时主滑轮钢丝绳承受钻杆重力和钻斗重力，而副滑轮上钢丝绳达到最大力，即 43 滑轮架直接提钻工况下有限元分析云图滑轮架直接提钻工况下有限元分析云图工况一时滑轮架最大应力为足要求。步骤二：桅杆的有限元分析桅杆也采用在杆的有许多工况例如起架工况、钻孔工况、提钻工况、卸土工况、转位工况等，对钻桅影响大的是钻孔工况、提钻工况、副卷扬受力工况，均属于危险工况。若是直接提钻工况与副卷扬受力工况，其上所加的力为分析滑轮架时的反作用力。若是钻孔工况，其上所加的力来自动力头的扭矩。钻孔工况下桅杆的有限元分析云图提钻工况下桅杆的有限元分析云图副卷扬最大提升力工况下桅杆有限元分析云图（ 3）动臂部分的静力学分析作为变幅机构的主承载件，动臂也是整个旋挖钻机设计中需要特别分析的重要部件，根据对旋挖钻机各个工况的分析，很明显，动臂的危险工况出现在直接提钻工况下。但是，由于旋挖钻机的变幅机构能使旋挖钻机工作部分进行 0到化，得出动臂受力最大的点和力。所以进行动臂部分分析时得分为两个步骤：步骤一是在加上载荷情况下使变幅机构从0到化，求出动臂的最大受力。步骤二是根据求出的最大力进行动臂的静态有限元分析。动臂的受力曲线动臂的最大受力点在支撑杆为 0度的状态，为 988 动臂最大应力值为 229料为绝大部分的应力值都小于 170以动臂的设计符合要求。 4、整机稳定性计算车载旋挖钻机由于其动力头传递的扭矩大、整机高度大、工况复杂等原因，对稳定性要求较高。在此对钻孔工况、提钻工况和侧向缷土工况采用平衡力矩法进行稳定性校核，对纵向工作工况、横向工作工况和运输行驶工况进行稳定度分析。（ 1）整机稳定性校核平衡法公式纵向钻孔和提钻力矩图侧向卸土力矩图（ 2）整机稳定度分析稳定度是通过最不利倾覆线的垂直平面和通过整机重心与同一倾翻线的平面之间的夹角。夹角越大，稳定度越高。公路运输状态稳定度图铁路运输状态稳定度图 5、液压系统设计由于执行机构较多、工作环境恶劣、控制精度要求高等特点，铁路公路两用旋挖钻机的液压系统的设计应考虑多方面的要求。本旋挖钻机的工作装置全部采用液压驱动。液压执行件包括：液压动力头、主副卷扬、变幅油缸、起架油缸、加压油缸、回转马达、蛙型支腿液压缸和轨道行驶机构液压缸。感谢各位老师的评审！大庆石油学院毕业设计（论文）任务书题目路公路两用旋挖钻机专业机制 05 学号 050401140225 姓名许建刚主要内容、基本要求、主要参考资料等： 1、主要内容铁路公路两用旋挖钻机的总体设计；铁路公路两用旋挖钻机结构分析；液压系统的设计分析；进行整机稳定性分析。 2、基本要求设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等，折合 0 号图纸 5张；设计计算书字；外文资料翻译 3000 汉字。 3、主要参考资料 a、机械设计手册； b、相关专业机械书籍； c、相关专业机械文章、专利资料； d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限： 3 月 31 日 6 月 22 日指导教师签名：专业负责人签名： 2009 年 3 月 13 日 1 用岩石模量比率对钻机进行技术性能分析摘要利用不同研究者通过实验得出的原始数据可对岩石模量比率和旋转钻进或冲击钻进的钻机钻进速率之间的关系进行统计性的调查。我们发现在岩石模量比率和旋转式金刚石钻机的钻机速率之间存在一个相反的幂率。旋转式金刚石钻机的钻进速率随着岩石模量比率的增加而变小。但是，冲击钻机的钻机速率却随着岩石模量比率而变大。冲击钻机的钻进速率和岩石模量比率之间有显著的线性相关的关系。在冲击钻进的一个实验中显示，对于孔隙度低于岩石，冲击速率会随着岩石模量的变化显著变化。所以可以得出岩石模量比率也许是岩石可钻进性的一个代表测量量的结论。但是，要确定在别的种类的岩石中也能得出同样的方程式则需要做更多的研究。我们需要对孔隙度做更多的调查以确定它在岩石模量和钻进速率之间所起的作用。简介旋转钻机、金刚石钻机和冲击钻机已在采矿、采石和工程上有广阔的应用。对钻机的钻进速率的预期已经成为对岩石挖掘项目进行成本估计和制定施工计划的一项重要因素。岩石的模量比率，即压缩力弹性模数的比率，是一种重要的岩石性质，指示的岩石的可塑性。从不同研究者处得到的岩石性质和工作特性会在各自的列表中列出。在这篇文章中，利用从不同研究人员从实验中得到的原始数据对岩石模量比率和可钻性之间的关系进行统计性的分析。但是，现在没有一种已出版的资料能说明岩石模量比率与可钻性之间的关系。在这篇文章中，利用从不同研究人员从实验中得到的原始数据对岩石模量比率和可钻性之间的关系进行统计性的分析。从不同研究者处得到的岩石性质和工作特性会在各自的列表中列出。先前的岩石可钻性研究它也表明钻进速率在岩石的压缩力大于 173不再发生显著的变化。钻进速率与压缩力和抗张强度有密切的关系。 1966）用金刚石钻头分别在实验室的 7 种类型岩石和野外的 21 种岩石上进行可钻性研究 . 2 计性的分析了表面镶嵌钻头和金刚石钻头。结果表明影响表面镶嵌钻头钻进速率的因素是推力、旋转速度、压缩力、硬度和石英含量。对于金刚石钻头，最重要的影响因素是推力、杨氏模量、剪切模量、磨蚀性、石英含量和压缩力。 1986）用薄壁浸渍钻头研究可钻性和钻进速率与岩石性质之间的关系。但是，钻进速率与回弹仪的值和干燥的耐压强度关系却不大。钻进速率表现出与干燥潮湿程度、饱和速度、潮湿时的压缩力和岩石气孔率有很大关系。但是，钻进速率与回弹仪的值和干燥时的耐压强度关系却不大。 1995) 用们利用多元回归分析建造了模型。浸渍钻头模型包含两种硬度（莫氏硬度和肖式硬度），它的相关性也不强。混合钻头的模型表明主要影响因素为钻压、晶粒形状和莫氏硬度。结果表明影响钻进速率的主要因素为头上的钻压、旋转速度、冲蚀度和肖式硬度。 1968) 为旋转钻进钻机建立的一个模型，它的钻进速率与推力成正比而与单轴压缩强度成反比。但是， 1969) 表明压缩力不与切削型钻头的钻进速度有关系。 1984) 研究后六种岩石后表示岩石晶体数量、结构系数和旋转钻进的钻进速率有很大关系。在他们的研究中，单轴压缩强度成为了岩石性质中的决定因素。 1990）在 96 个不同地点以及土耳其煤炭公司的 16 个矿场进行研究后建立了曲线回归模型用以预测旋转钻进的钻进速率。 1991）从微型钻头凿岩试验中发现了钻进速率与压缩力、抗张强度、切变强度之间存在对数关系。 1999)利用野外观察经验建立了多次回归模型以预测旋转钻进的钻进速率。结果说明影响旋转钻进的主要因素是钻压、旋转速度、钻头直径和压缩力。通过研究压凹硬度试验中的力的透入性弧线， 2000）确定了一个新的可钻性指数，并且用这个指数创立了一个精确的钻进速率模型。它们也证明可钻性指数与压缩力、拉力、集中载荷指数、回弹仪的值、冲击强度、地震纵波速度、弹性模数和密度有关系。利用研究人员得到的原始数据， 2002 年统计性的调查了钻进速率与三种不同程度脆性的金刚石钻头之间的关系。研究表明钻进速率与金刚石钻头的脆性无关。但是，旋转钻头却与脆性值与其钻进速率有很大的关系。 2002) 则提出观点说一种新的脆性指数与旋转钻孔钻机的可钻进性有关系。他发现这种新的脆性指数与可钻进性指数有显著的关系。 2003)研究了在 14 种岩石和 8 个露天采矿场的旋转钻孔，确立了钻进速率和岩石性质之间的关系。他发现单轴压缩强度、集中载荷、回弹仪值、硬度和冲击强度与钻进速率之间有很大关系，而且还与抗张强度和锥构刻压仪有关。冲击钻孔 1962) 进行了跌落实验，并对应用于岩石阻力测量的行了描述。这个实验最后被 1969）、 1975）、 1980）和 3 1981）进行了修正。野外进行了冲击钻实验。在九个坚硬、磨蚀的岩石上的冲击钻实验显示单轴压缩强度、抗张强度、肖式硬度和静态杨氏模数对冲击钻进的影响不大，而有更大的影响。这说明预测钻进速率不能依靠单个岩石性质。它表明预测钻进速率上比其他岩石特性有更高的可靠性。用这个修改了的实验装置来确定岩石的冲击硬度值，并建立了一个同时适用于预测钻孔和风钻钻机的钻进速率的经验公式。这个公式使钻进速率和钻头工作负载、肖式硬度和岩石的冲击硬度值向关联起来。 1970) 在野外用带有冲击钻头的轻型岩凿设备进行了冲击钻实验。结果表明了钻进速度与关，而在钻孔过程中，岩石的硬度、强度、脆性和冲蚀度是重要因素。 1970) 在实验室中用9 块石头进行了冲击钻进实验。他们利用一台特制钻机证明钻进速度与压缩力、抗拉强度、肖式硬度、密度、静态和动态的杨氏模数、剪切模量、石英含量有关，并且建立了线性预测方程。他们说这个方程可以用来预测冲击钻的工作特性。 1972 年证明钻进速率与压缩力、抗拉强度、肖式硬度、密度、静态和动态杨氏模数、纵向速度、剪切速度和泊松比有关。他发现只有压缩力和那些特性与钻进速度密切相关，例如抗拉强度和杨氏模数。 1980) 通过在实验室五种不同石头上的的钻进研究确定了与钻进速率有关的几种岩石特性，并且阐述传统的岩石特性例如压缩力、抗张强度、具体功率、肖式硬度和莫氏硬度与冲击钻钻进速率都不是单一相关的。他们确定了与钻进速率有关的已系列岩石特性，但是之间的关系相当复杂。 1986）证明与钻进速率有关系的岩石特性有体积密度、潮湿时的压缩力、气孔率和潮湿时的纵向速度。但是，钻进速度与回弹仪的值和干燥时的压缩力却关系不大。而孔隙度却能影响可钻性，因为高的孔隙度可能利于形成断面路径以及使断面路径间形成网络。 1987）建立了测量岩石结构数量的方法结构系数，并且发现冲击钻钻进速率与岩石的结构系数之间有紧密的联系。这个发现表明具有高结构系数的岩石可钻性不好而它的压缩力也高。 1996)利用 20 15落锤测量钻进速率。他们确定了与钻进速率有观点的岩石特性并且得出了钻机钻机速率与压缩抗拉强度有很强的对数关系。为说明与可钻性之间的韧性，他们也引进了一种新的岩石特性，叫作破碎强度。破碎强度与可钻性之间是显著相关的。 4 of . he of of An of of an of an of In of of a a . It be be a of is to of of on to be in of of is in of is of to is a is no on In of 5 of in 1966) in 1 in It do a 73 et (1966) of of s et (1986) a 1995) in a at a of on DC on on 1968) a is to to 1969) is to of a 1984) a a of of a in As of 6 6 et (1990) 6 of of In as et (1991) a 1999) a of of of on et (2000) a of a 2002) of of of no of of 2002) a He 2003) in at 1962) of as a of of by et (1969), 1975), 1980, 1981). et on in 7 s of in A by no of a as a of an of RS in to an to to 1970) in a in as 1970) on in a s of of be of of 1972) s s He as s 1980) in as as do of a a of et (1986) is to 8 of 1987) a of a It a a a a 1996) 0 kW 5 kW 440 238 of of a to a 大庆石油学院学生开题报告表课题名称路公路两用旋挖钻机课题来源牡丹江建机厂课题类型 A 指导教师姓名赵伟民学生姓名许建刚学号 050401140225 专业机械设计制造及其自动化开题报告内容：（调研资料的准备，设计目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段内容及时间安排；完成设计（论文）所具备的条件因素等。） 1、资料准备设计手册，期刊文章。 2、设计目的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其他基础，得到了广泛的应用空间。旋挖钻机因其效率高、污染少、功能多的特点，适应上述综合发展的需求，在国内外的现浇混凝土灌注桩施工中得到了广泛应用。 “十一五”期间我国将投巨资进行铁路、公路、电力、城市公共设施等的建设，桩基础施工机械必将有一个大的发展。而为应对 2008 年爆发的经济危机，国家扩大内需，决定今后三年投资亿用于铁路建设，这对工程机械公司必将是个难得的机遇，旋挖钻机主要应用于桥梁和高速铁路，是此次工程机械行业中受益最为直接的产品。有机械研究员表示，已经开工的京沪高铁项目总投资为1300 多亿元，将于 2010 年投入运营。高速铁路桩基工程若同时全面开工 2000公里，需新增 300 500 台旋挖钻机。未来 2 3 年旋挖钻机国内每年的市场需求将达 600 800 台，以 450 万元一台的单价计，其市场容量高达 27 亿 36 亿元。而“十一五”期间铁路建设目标，是拉动旋挖钻机业务的另一引擎。其间，我国将建设铁路新线公里。而我国正在进行的大规模城市化建设也为旋挖钻机提供了广阔市场需求。据此预计，旋挖钻机未来 3 年仍将保持 40%以上的增长。国内旋挖钻机底盘多为履带式底盘，铁路、公路两用旋挖钻机目前还是空白，但鉴于国家大力发展铁路建设，铁路、公路两用旋挖钻机将会得到广泛应用，市场前景相当乐观，为满足市场需求我们进行路公路两用旋挖钻机设计。为满足市场需求我们进行路公路两用旋挖钻机设计。 3、要求铁路公路两用旋挖钻机的总体设计；铁路公路两用旋挖钻机结构分析；液压系统的设计分析；进行整机稳定性分析。 4、任务完成阶段内容及时间安排： 3 月 31 日 4 月 13 日（ 2 周）铁路公路两用旋挖钻机总体设计； 4 月 14 日 5 月 04 日（ 3 周）钻桅、变幅机构结构设计； 5 月 05 日 5 月 25 日（ 3 周）卷扬设计与分析； 5 月 26 日 6 月 01 日（ 1 周）液压系统设计； 6 月 02 日 6 月 15 日（ 2 周）配重平衡机构的设计； 6 月 16 日 6 月 22 日（ 1 周）论文写作与整理，准备答辩。 5、预期成果设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图等，折合 0 号图纸 5 张；设计计算书字；外文资料翻译 3000 字。 6、现有条件具有部分相关图纸资料和样本；具有相关三维设计与仿真软件；指导教师对该领域非常熟悉。指导教师签名：日期： 1、课题来源：课题来源分为结合实际课题和自拟课题两种，结合实际课题中来源于科研课题的要填写确切基金项目、企事业单位项目，不能写横向、纵向课题等。 2、课题类型： A 工程设计； B 科学实验； C 软件开发； D 理论研究； E 应用研究。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）摘要旋挖钻机因其效率高、污染少、功能多等优点 ,应用于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，在国内外的桩施工中得到了广泛应用。车载旋挖钻机以其机动性好、转场速度快、动作灵活等特点，在城市改造、市政项目、城郊内高架桥建设中显示了其独特的优势。而为了运输方便，把车载旋挖钻机改成铁路公路两用，更突出了其机动性好的优点。本设计在分析对比了目前存在的旋挖钻机的各组成机构的优缺点的基础上，完成了铁路公路两用旋挖钻机的底盘选型设计、支腿方案确定及结构设计、钻桅支撑机构确定及设计、钻杆结构设计。重点利用限元分析软件对轨道行驶机构和钻桅部分提钻、钻孔二种工况下分别进行了静力学分析强度校核及结构优化；运用件对起架变幅机构进行了动力学分析，对动臂、支撑杆进行优化设计；对主卷扬部分进行了重点设计；对整机进行稳定性分析；对液压系统进行了设计。关键词：旋挖钻机；铁路公路两用底盘；稳定性分析；液压系统；有限元分析大庆石油学院本科生毕业设计（论文） of of in at ig in of in On of in of a of of of of of of to of a in it of to a of an of on of a of ig；of 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） I 目录第 1章概述 . 错误 !未定义书签。言 . 错误 !未定义书签。内外旋挖钻机的发展状况 . 错误 !未定义书签。路、公路两用旋挖钻机的优越性 . 错误 !未定义书签。章小结 . 错误 !未定义书签。第 2章铁路公路两用旋挖钻机结构设计 . 错误 !未定义书签。路公路两用旋挖钻机方案的确定 . 错误 !未定义书签。路公路两用旋挖钻机的总体设计 . 错误 !未定义书签。章小结 . 错误 !未定义书签。第 3章铁路公路两用旋挖钻机主要部分的计算与分析 . 错误 !未定义书签。道行驶机构的设计计算 . 错误 !未定义书签。卷扬部分设计计算 . 错误 !未定义书签。桅部分的设计计算及有限元分析 . 错误 !未定义书签。臂部分的静力学分析 . 错误 !未定义书签。章小结 . 错误 !未定义书签。第 4章整机稳定性计算 . 错误 !未定义书签。机稳定性校核 . 错误 !未定义书签。机稳定度分析 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。第 5章液压系统设计 . 错误 !未定义书签。压系统设计 . 错误 !未定义书签。压系统图 . 错误 !未定义书签。要液压元件的选型 . 错误 !未定义书签。章小结 . 错误 !未定义书签。结论 . 错误 !未定义书签。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）考文献 . 错误 !未定义书签。致谢 . 错误 !未定义书签。大庆石油学院毕业设计（论文）学生自查表（中期教学检查用）学生姓名许建刚专业机械设计制造及其自动化班级机自 05导教师姓名赵伟民职称教授课题名称路公路两用旋挖钻机个人作息时间上午自 8 时至 11 时下午自 2 时至 4： 30 时晚间自 6 时至 10 时个人精力实际投入日平均工作时间 10 周平均工作时间 60 迄今缺席天数 0 出勤率 % 100 指导教师每周指导次数 10 每周指导时间（小时） 30 备注毕业设计（论文）工作进度（完成）内容及比重已完成主要内容 % 待完成主要内容 % 确定总体方案，基本完成旋挖钻机的钻桅、变幅机构、卷扬、建模，并进行液压系统原理的设计。 70 对各个机构进行分析、拆图、及绘制各部件的工程图和装配图；进行液压元件选取和准备答辩。 30 存在问题主要时有限元分析不熟悉，加载荷与固定方式还不太确定。另外，存在建模太粗糙、进度比较慢等问题。指导教师签名：年月日大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 1 第 1 章概述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其他基础，得到了广泛的应用空间。旋挖钻机因其效率高、污染少、功能多的特点，适应上述综合发展的需求，在国内外的现浇混凝土灌注桩施工中得到了广泛应用。旋挖钻机（如图 1除配置各种回转斗作业外，也要配置短螺旋和长螺旋钻进，安装套管护壁钻进，配合摇管装置和冲抓斗等进行会套管施工；配合伸缩式导杆抓斗进行地下连续墙施工，配合潜孔锤进行硬岩破碎施工；更换作业装置后也可进行旋喷施工和正循环施工；也可以配置液压锤、振动锤、柴油锤等进行其他形式桩基础进行施工 1。图 1旋挖钻机大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 2 旋挖钻机一般适用于粘土，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。对于具有大扭矩动力头和自动内锁式伸缩钻杆的钻机，可以适应微风化岩层。为了满足施工要求，旋挖钻机底盘和工作装置的配置具有装机功率大、输出扭矩大、机动灵活、多功能、施工效率高等特点。目前，旋挖钻机的最大钻孔直径为 3m，最大钻孔深度达 120m，主要集中在 40大钻孔扭矩 620 “十一五”期间我国将投巨资进行铁路、公路、电力、城市公共设施等的建设，桩基础施工机械必将有一个大的发展。而为应对 2008年爆发的经济危机，国家扩大内需，决定今后三年投资亿用于铁路建设，这对工程机械公司必将是个难得的机遇，旋挖钻机主要应用于桥梁和高速铁路，是此次工程机械行业中受益最为直接的产品。有机械研究员表示，已经开工的京沪高铁项目总投资为 1300多亿元，将于 2010 年投入运营。高速铁路桩基工程若同时全面开工 2000 公里，需新增 300 500 台旋挖钻机。未来 2 3 年旋挖钻机国内每年的市场需求将达600 800台，以 450万元一台的单价计，其市场容量高达 27亿 36亿元。而“十一五”期间铁路建设目标，是拉动旋挖钻机业务的另一引擎。其间，我国将建设铁路新线公里。而我国正在进行的大规模城市化建设也为旋挖钻机提供了广阔市场需求。据此预计，旋挖钻机未来 3年仍将保持 40%以上的增长。国内旋挖钻机底盘多为履带式底盘，铁路公路两用旋挖钻机目前还是空白，但鉴于国家大力发展铁路建设，铁路公路两用旋挖钻机将会得到广泛应用，市场前景相当乐观 2。内外旋挖钻机的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，美国司首先研制出回转斗、短螺旋钻机（如图 1 ，二十世纪五十年代，法国全套管钻机应用于桩基础施工中（如图 1 ，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。图 1国转斗钻机图 1国套管装置大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 3 意大利土力公司首先将安装在载重汽车上和附着在履带起重机上的钻机从美国引入欧州。但是，这种钻机的动力头为固定式，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，可实现在紧密砂砾层和岩层的钻孔。日本于 1960 年从美国引进司生产的旋挖钻机，同年加藤制作所开发了 15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 年开发了利用液压马达驱动液压履带起重机底盘的钻机。 1981 年日立建机与土力公司合作开发了为提高单桩承载力的扩底钻头，日本车辆之后也开发了扩底钻头，使旋挖钻机进入了钻孔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。目前国外的旋挖钻机主要生产厂家如表 1 表 1国外旋挖钻机主要厂家德国大利本口本车辆、口立、住友、加藤芬兰国班牙 984年天津探矿机械厂首次从美国司引进车载式旋挖钻机； 1987年在北京展览馆首次展出了意大利土力公司（产品； 1988 年北京城建工程机械厂仿制了土力公司 1994年郑州勘察机械厂引进英国司附着式旋挖钻机； 1995 年宝峨公司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 1998年徐工集团开始自主开发研制次年试制成功并投入生产，同年上海金泰股份有限公司与宝峨合作组装 1999年哈尔滨四海工程机械公司和徐州工程机械股份公司先后开发了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，三一重机、山河智能等多家生产厂家的旋挖钻机陆续下线。但是，由于诸多原因，这一先进技术在我国的发展比较缓慢。直到 20世纪 90年代末期，我国旋挖钻机的拥有量也仅仅 100 台左右，而这为数不多的钻机由于运行成本高等原因也并未完全用于生产施工。最近几年，国家建设管理部门逐步意识到旋挖钻机的诸多优势，并制定了一些鼓励政策，这些政策对设计、监理和施工单位产生了层层影响。在这种大背景下，原有的成孔设备因其效率低下、噪大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 4 音大、环保较差等原因将逐步被淘汰，而旋挖钻机凭借其明显优势高效、环保、安全等，已逐步成为大批重点工程业主的指定施工设备。此时，国外的旋挖钻机制造商纷纷看好中国这一巨大的市场，向中国宣传、销售其旋挖钻机。国内的一些企业也通过引进、消化、吸收国外技术，开始制造旋挖钻机。据不完全统计，目前在国内市场上应用的旋挖钻机有十几个厂家的几十个型号产品。如德国利勃海尔、宝峨（如图 1 、大利意马、迈特（如图 1 、天锐、土力、本口立建机等；国内北京三一重机、徐州徐工科技、北京经纬巨力、河北石家庄煤机、内蒙古北方重汽、河南宇通重工等。在这些旋挖钻机中，有整机从国外直接进口的，如意马的列、天锐的列、土力的部件在国外制造后到国内组装的，如德国宝峨的列；也有国内企业生产的，如北京三一重机的列、北京经纬巨力的列等，但钻机的关键部件仍是从国外进口，以保证其良好的可靠性。 3 目前可供选择的旋挖钻机范围非常广泛，钻孔直径通常在钻孔灌注桩的最常用的桩径一般为虑到安全储备系数，钻机对于这种桩径施工是非常适合的。同时，有些厂家生产的钻机钻孔直径非常大，小型的最大钻孔直径为型钻机孔径可达到 3m。随着青藏铁路、奥运场馆、哈大线、京沪线等重点工程不断上马，旋挖钻机的市场需求量在节节攀升，这对于国内旋挖钻机生产企业来说，预示着非常好的市场前景，昭示着旋挖钻进技术在我国的巨大发展前景。而铁路、公路两用旋挖钻机因其运输的灵活性也即将成为旋挖钻机家族的新星，但因国内旋挖钻机发展历史较短，所以铁路、公路两用旋挖钻机在国内尚属空白。图 1峨钻机图 1特钻机大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 5 路公路两用旋挖钻机的优越性旋挖钻机作为新型深基础桩孔施工设备，与传统的工程钻机相比，具有高效率、低噪音、低污染等特点。旋挖工法已经成为重要的桩孔施工手段，它对加快建设速度、保证工程质量、降低工程成本、提高作业效率、保护环境具有重要的意义。其优点如下 : （ 1）铁路、公路两用旋挖钻机为车载式旋挖钻机改造而来（如图 1运输方便，既可公路运输又可铁路运输。从公路到铁路的转换可在任何铁道侧进行，只要邻近有一块平地即可。汽车把两用车倒退到铁道用车架上，随后轨道行驶机构液压缸伸出，顶起汽车轮，这样就能利用铁路运输。（ 2）钻进速度快，成孔时间短，极大地提高了成孔速度缩短了施工工期。（ 3）作业占地面积小。普通钻机成孔配有相应的泥浆池，增加了工作量和作业面积，为安全生产及下部施工带来了隐患，特别是城市桥梁施工中不宜采用。而旋挖工法，当地层为勃土时可以不用泥浆护壁，采用无水钻进，将泥土取出运走；当地层图 1载式旋挖钻机为砂层时，可以边钻进，边注入清水，浇注时，孔内泥浆可以用泵抽走，水车运走，不必设置泥浆池，减少了作业面积，特别适用于城市桩基施工。（ 4）成孔质量高，费用低，且保护周围环境。由于旋挖钻机在桩孔施工中钻进速度快，周期缩短，定位准确，保证了钻孔质量，且不用泥浆护壁，减少了人工及相应的机械费用，提高了工作效率，降低了成本，保护了周围环境。章小结本章主要介绍了旋挖钻机在工程基础建设中起到越来越大的作用，随着国家“十一五”计划的实施以及今后三年对铁路建设的巨大投资，铁路公路两用旋挖钻机的巨大市场及难得的发展机遇，以及国内外旋挖钻机的发展情况和铁路、公路两用旋挖钻机的优越性，为本次设计的旋挖钻机提供了行业应用基础。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 6 第 2 章铁路公路两用旋挖钻机结构设计路公路两用旋挖钻机方案的确定旋挖钻机是一种适合建筑基础土程中成孔作业的施土机械，广泛用于市政建设、公路桥梁、高层建筑等地基施工工程，此次设计的铁路公路两用旋挖钻机主要用于铁路桥梁的地基施工工程。旋挖钻机可配合不同钻具，适应于干式（短螺旋）、湿式（回转斗）及岩层（岩心钻）的成孔作业。旋挖钻机具有扭矩大、机动灵活、施土效率高及多功能的特点，适于我国大部分地区的土壤地质条件，使用范围较广，土作环境温度在 20 40 。旋挖钻机的结构主要有底盘、钻桅、变幅机构、主副卷扬、动力头、钻杆、钻头、转台、发动机系统、驾驶室、覆盖件、配重、液压系统、电气系统等。以下结合目前国内外的旋挖钻机及铁路公路两用车结构，对铁路、公路两用旋挖钻机主要结构设计进行探讨。盘铁路公路两用旋挖钻机可采用把车载式旋挖钻机进行铁路化改造的方案，汽车底盘可向国内专业汽车生产商购买。在汽车底盘的基础上，为适应铁路上运输的需要，应加装轨道行驶机构。国内外已有铁路公路两用车的成熟产品，如铁路公路两用起重机（如图 2铁路公路两用多用途车（如图 2这里可以参照。而为了满足旋挖钻机工作时性能要求，须加装液压支腿。图 2路公路两用起重机大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 7 图 2路公路两用多用途车道行驶机构汽车底盘上安装的火车轮应具备升降功能，当车载钻机在公路上行驶时，火车轮为收缩状态，钻机靠底盘胶轮行驶。当在火车轨上运输时，火车轮伸出，行驶时动力来源为牵引。国内外的铁路、公路两用车的轨道行驶机构有许多形式。例如，弧形伸缩式（图 2上下直线伸缩式（图 2 图 2形伸缩式轨道行驶机构大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 8 图 2线伸缩式轨道行驶机构盘支腿形式钻机工作时，需要有支腿支撑，所以还需加装支腿。支腿的作用是，在不增加钻机宽度的条件下，为钻机工作时提供较大的支承跨度，从而在不降低钻机机动性的前提下，提高其支撑特性。支腿的形式有：（ 1）蛙式支腿这种支腿的活动支腿铰接在固定支腿上，其展开动作由液压缸完成，特点是结构简单、重量较轻，但支腿跨度不大。（ 2）这种支腿有两个液压缸。活动支腿伸出后，工作时垂直腿撑地，形如点是支腿跨距较大，对场地适应性较好，目前已被广泛采用。（ 3）这种支腿工作时，支腿呈地间隙小，在撑脚着地的过程中有水平位移发生，当其为小幅度时，重物活动的空间比 H 型支腿要大，因此常和 H 型支腿混合使用，形成前 H、后（ 4）辐射式支腿以转台的回转中心为中心，从车架的盆形架向下呈辐射状向外伸出 4个支腿。特点是稳定性好，在作业时，全部载荷不经过车架而是直接作用在支腿上，回此，可减轻车架自重并降低整机重心高度，保护底盘不受损坏。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 9 （ 5）摆动支腿这种支腿在作业时，支腿在液压缸的作用下能摆动到与车架纵向轴线相垂直的位置上；非工作状态时，可平行地固定在车架的两侧。特点是重量轻，但由于受空间大小的限制，支腿不能太长，所以横向支撑的距离较小。桅桅杆是动力头和钻杆的附着体，现多采用折叠式，有圆形、矩形截面两种。桅杆顶部装有滑轮组，用来完成对动力头、钢筋笼和注浆导管的起降。桅杆前面两侧配有矩形导轨，作为动力头上下运动的导向。桅杆上依次装有滑轮架、加压油缸及动力头。桅杆采用液压缸进行起降，方便快捷，运输时不用拆卸。幅机构变幅机构常用形式有两种，分别为平行四边形和三脚架的两级变幅机构（如图 2大三角形变幅机构（如图 2 图 2平行四边形变幅机构图 2三角形变幅机构平行四边形两级变幅机构由动臂、三角形联结体、支撑杆、变幅缸、桅杆缸部件组成。动臂下端、支撑杆下端、变幅缸下端分别铰接于回转平台前端，上端分别铰接于三角形联接体的两个角端。三角形联接体另一角通过转盘和中桅杆下端铰接在一起。通过其上大臂油缸的作用，可使桅杆远离机体或靠近机体。通过桅杆角度的调整，可实现对桅杆工作幅度、运输状态桅杆高度以及桅杆相对地面角度的调节，使其动作机动灵活，提高工作效率 3。钻架采用的这种“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。大三角形变幅机构可以加大变幅油缸安装距离，增大钻桅的稳定性。但也使转台的设计变得复杂，且升高了运输时的整车高度。国外车型中也仅有宝峨公司大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 10 一家使用此结构。副卷扬主卷扬用以提升和下放钻杆，卷扬驱动方式为液压驱动。主卷扬是在钻进过程当中完成钻杆和钻头下放和提升等功能的机构，而副卷扬的主要功能是完成工地上所需的焊机钻头等附属物品的起吊。卷扬机构主要由液压马达、内藏式卷扬减速器、卷扬筒、钢丝绳、压绳器等组成。卷扬减速器内部自带片式摩擦片液压制动器，主要功能是停车制动；液压马达上带有液压制动阀。力头动力头（如图 2要包括托架和驱动器，托架用以支承驱动器使之在导轨上运行，并传递油缸压力，驱动器主要包括液压马达、减速机、齿轮、牙嵌式套管等，工作原理为泵提供压力油给马达，经减速机和齿轮两级减速后，以低速大扭矩的形式通过牙嵌式套管传递给钻杆。动力头一级齿轮箱采用循环油润滑，一级齿轮箱采用油浴润滑。动力头下部有冲撞体，作用是用回钻斗时，打开钻斗底门卸土。该部件控制系统采用了变量泵变量马达系统，可根据土壤地质不同自动改变其扭矩和钻进。动力头是旋挖钻机的关键工作部件，其性能好坏直接影响钻机整机性能的发挥。动力头是图 2力头钻机工作的动力源，它驱动钻杆、钻头回转，并能提供钻孔所需的加压力、提升力，能满足高速甩土和低速钻进两种工况。动力头驱动钻杆、钻头回转时应能根据不同的土壤地质条件自动调整转速与扭矩，以满足不断变化的工况。国内的动力头为液压驱动，齿轮减速，可实现双向钻进和抛土作业，主要由回转机构、动力驱动机构及支撑机构等组成。回转机构主要由齿轮与钻杆互锁的套管、回转支大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 11 承、密封件等组成。另外，支撑机构由滑槽、支座上盖与油缸连接件等组成，均为焊接结构件，应充分考虑其内部润滑，并应有润滑油高度显示 4。杆根据钻孔时采用的钻进加压方式不同，钻杆分为三种类型：摩擦加压式钻杆（简称：摩擦杆）、机锁加压式钻杆（简称：机锁杆，又称：凯式钻杆）和组合加压式钻杆（简称：组合杆）。摩擦式钻杆（如图 2般用于较软底层的钻孔施工，可钻进淤泥层、泥土、（泥）砂层、卵石层、强风化岩层等。摩擦式钻杆一般制成 5 节， 1 4 节杆每节钢管长 13米。钻孔深度可达 60米左右。图 2擦式钻杆机锁式钻杆（如图 2但可用于软底层，也可用于较硬底层施工。比如，可钻进强风化岩层、中风化岩层和弱风化岩层等。机锁式钻杆一般制成 4节， 13节杆每节钢管长 13米。钻孔深度可达 50 米左右。图 2锁式钻杆大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 12 组合式钻杆（如图 2近年来出现的一种机锁杆（如 1、 2、 3 节杆）和摩擦杆（如 4、 5 节杆）组合在一起的钻杆。该钻杆在孔深 0 30 米范围可钻较硬底层，在孔深 30 60 米范围可用于软地层钻孔施工。该钻杆特别适用于上硬下软较深桩孔的钻孔施工。图 2合式钻杆头目前国内外旋挖钻机的钻头有 3种常用的结构：短螺旋钻头（如图 2、回转斗钻头（如图 2岩心钻钻头（如图 2如 8622 挖钻机的钻头有短螺旋钻头、单层底旋挖钻斗、双层底旋挖钻斗共 4 个。目前国内外旋挖钻机的钻头的 3种常用的进土结构如下。（ 1）短螺旋钻头旋挖钻头以短螺旋钻头为主，它主要靠螺旋叶片之间的间隙来容纳从孔底切削下来的土、砂砾等，这种钻头结构简单、造价低。地层较好时，使用它也可达到好的效果，如果地下砂砾石较多或含水较多时，在提钻时很容易掉块，钻进效率低，甚至不能成孔。（ 2）单层底旋挖钻斗在地下水位较高或含砂砾较多的地层，多数旋挖钻机采用钻斗钻进，用静压泥浆护壁，这种钻孔土艺明显优十短螺旋钻头钻孔。最早的旋挖钻斗是单层底，在底下方有对称的 2 扇仅可向斗内方向打开的合页门。当钻斗钻进时，孔底切削下来的土、砂经合页门压入斗内；在提钻时，在斗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。由十这种重力作用不是十分可靠，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，影响孔底清洁度。（ 3）双层底旋挖钻斗自 90 年代以来，国外的一些公司在原单层底钻斗的基础上，开发出双层底的旋挖钻斗。其特点是 2 层底可以相对回转一个角度，以实现斗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，将钻斗逆时针旋转一个角度，致使进土口强行关闭，从而使大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 13 切削物完整地保存在斗内。实践表明，在复杂地层中，双层底钻斗的钻进效率及孔底清洁度明显优于单层底钻斗。图 2螺旋钻头图 2回转斗钻头 2岩心钻钻头定设计方案根据国内外旋挖钻机的不同结构及优缺点，确定本次设计方案为：底盘采用汽车底盘改造，底盘经过选择，决定采用中国重汽改装车底盘。轨道行驶机构根据底盘空间，决定布置成弧形收缩式，支腿采用蛙形支腿；又因钻孔深度较浅，为减少准备时间，提高运输效率，钻桅不采用折叠式，并且采用平行四边形和三脚架的两级变幅机构支撑；主副卷扬安装在上车上；钻杆采用摩擦式钻杆；配有短螺旋、回转斗、岩心钻三种钻头。路公路两用旋挖钻机的总体设计路公路两用旋挖钻机设计参数此次设计的铁路公路两用旋挖钻机的设计参数如表 2 2路公路两用旋挖钻机设计参数表项目单位数值最大钻孔直径 800 最大钻孔深度 m 30 最大名义扭矩 kN/m 100 最大钻孔速度 3 甩土速度 78 主卷扬最大提升力 02 副卷扬最大提升力 1 卡车底盘载重 5 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 14 路公路两用旋挖钻机总体布置根据设计参数和确定的方案，通过用面布局分析，确定了铁路公路两用旋挖钻机的总体布置。铁路公路两用旋挖钻机布置方案如图 2由钻杆、动力头、钻具、主卷扬、副卷扬、钻桅、变幅机构、上车部分、汽车底盘、液压支腿、轨道行驶机构等组成 6。 1、钻杆 2、动力头 3、钻具 4、钻桅 5、变幅机构 6、上车部分 7、汽车底盘 8、液压支腿 9、轨道行驶机构图 2铁路公路两用旋挖钻机布置总图大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 15 章小结本章主要介绍对比了旋挖钻机各个部分的各种形式，确定各种形式的优缺点，最终确定了铁路公路两用旋挖钻机的方案，并对其进行了总体设计，合理布置了各部分的位置。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 16 第 3 章铁路公路两用旋挖钻机主要部分的计算与分析道行驶机构的设计计算道行驶机构的初步设计轨道行驶机构主要由液压缸、火车轮、火车轮支撑杆、固定支座组成。其中，火车轮、液压缸为外购件，所以主要设计的是火车轮支撑杆。车载钻机在火车轨道上行驶时，动力靠牵引，本身不提供动力行驶。此次设计的轨道行驶机构采用弧形收缩式，主要优点是节省空间，液压缸受力小，能采用较小缸径的液压缸，而且与汽车底盘配合也更紧密，不会引起长度和宽度方向上的增加。火车两轨之间距离是 1435支撑杆与火车轴为整体，是铸钢件。设计完后底盘模型如图 3缩状态）和图 3出状态）。图 3道行驶机构收缩状态图 3道行驶机构伸出状态大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 17 车轮支撑杆的有限元分析火车支撑杆的有限元分析如图 3 3车轮支撑杆有限元分析云图所用铸钢的钢号为屈服强度为 445图 3以看出，最大应力为 226安全系数为 2，则此件满足设计要求。卷扬部分设计计算丝绳钢丝绳是挠性件，具有强度高、自重轻、柔性好、运动平稳无噪音、极少骤然断裂等优点，而成为旋挖钻机的重要零件之一。主卷扬钢丝绳在旋挖钻机工作时起承受钻杆、钻具、泥土和粘滞阻力作用，副卷扬钢丝绳在钻孔时起辅助作用，例如安装动力头或吊钢丝笼。钢丝绳经常是与滑轮和卷筒配套使用，所以钢丝绳在工作时总是要进出滑轮槽和卷筒槽。这时，钢丝上的受力是相当复杂的，拉力、弯曲、挤压和扭转同时存在。实践表明，钢丝绳的破坏，首先表现在外层钢丝的断裂，主要原因是由于反复弯曲和反复磨损造成的金属疲劳所致。随着断丝数的增多，破坏的速度加快，达到一定限度后，若再继续使用，将会引起整根钢丝绳完全断裂。钢丝绳随着载荷的增加会有微量的伸长，当载荷超过弹性极限时，钢丝绳可能断裂。通常把钢丝绳承受的静载荷控制在断裂载荷的 1/10 1/5，此为安全负荷。安全负荷表示的是钢丝绳允许承受的额定静载荷。但钢丝绳实际上往往处于运动状态，钢丝绳在工作时除了要承受货物、吊具、自重等静载荷外，还要受到因加速度和冲击引起的动载荷，因弯曲引起的附加载荷，因摩擦引起的阻力载荷等等，由此可见，当静载荷以外的其它载荷增多时，实际的安全系数就降低了，钢丝绳大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 18 往往由此而引起过载。过载的钢丝绳即使不发生断裂事故，也会大大地缩短其使用寿命 8。在这里我们选取安全系数 5n 。在设计参数中主卷扬的最大提升拉力为 102可知主卷扬钢丝绳最大拉力S : 102000S （ N）按安全系数 n 确定钢丝绳直径 d : 0（ 3 式中 0F 选取钢丝绳的整绳的破断拉力（ N）； n 安全系数，机构工作级别取 5n 。代入数据得 : 51000051020000 N）由计算得到的钢丝绳直径 d 查钢丝绳产品性能表确定应选取的钢丝绳最小直径 d 确定选用的钢丝绳为：绳 6X（ 31） 2000 光右交 102钢丝绳的固定方式采用卡固定。筒的设计计算卷筒是起升机构和牵引机构中卷绕钢丝绳的部件，它用来收放和储存钢丝绳，把驱动装置提供的驱动力传递给钢丝绳，并将驱动装置的回转运动转换成直线运动。根据钢丝绳在卷筒上卷绕的层数分单层绕卷筒和多层绕卷筒。根据钢丝绳卷入卷筒的情况分单联卷筒（一根钢丝绳分支绕入卷筒）和双联卷筒（两根钢丝绳分支同时绕入卷筒）。单联卷筒可以单层绕或多层绕，双联卷筒一般为单层绕。多层绕卷筒可以减小卷筒长度，使机构常凑，但钢丝绳磨损加快。在设计时卷筒采用多层绕，用板弯卷焊接经机加后制成。卷筒的主要尺寸有直径 D 、长度 L 和壁厚。（ l）卷筒直径为保证钢丝绳有足够的使用寿命，卷筒的计算直径不宜太小。但从传动装置和受力方面分析，卷筒直径小些更为有利。在起重负荷和起升速度不变时，卷筒直径小，可使减速器尺寸和传递扭矩减小。鉴于上述两个原因，卷筒的名义直径（卷筒的槽底直径）为 : ）（）（式中 e 根据机构的工作级别选取 18e ；大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 19 d 为钢丝绳直径。（ 2）绳槽半径（ 3 （ 3）绳槽深度（ 3 （ 4）绳槽节距 284 ）（）（（ 3 （ 5）卷筒计算直径（ 3 （ 6）卷筒上有螺旋槽部分长度 6174 1 5 0 0 0410m a （ 3 式中 1z 固定钢丝绳圈数，取 21 z 。（ 7）卷筒长度卷筒长度是由容绳量大小来决定。而容绳量又取决于起升高度和滑轮祖倍率。多层绕卷筒旋转时收放钢丝绳的数量（即容绳量）为 : （ 3式中 l 多层卷绕钢丝绳总长度； n 多层卷绕圈数； p 。（ 8）卷筒壁厚在卷筒结构设计时，其壁厚可先按下列经验公式初步计算，然后再根据强度条件进行验算。钢卷筒壁厚 d （卷筒在钢丝绳的拉力作用下，产生压缩，弯曲和扭转剪应力，其中压缩应力最大。当时，弯曲和扭转的合成应力不超过压缩应力为 10%15%，只计算压应力即可。当时，要考虑弯曲应力。对尺寸较大，壁厚较薄的卷筒还须对筒壁进行抗压稳定性验算。由于卷筒筒壁的最大压应力出现在筒壁的内表面，压应力e按下式计算 : ee m a 3 式中 e 卷筒壁压应力（；钢丝绳最大静拉力（ N）；大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 20 卷筒壁厚（； P 绳槽节距（； 1A 应力减小系数，在绳圈拉力作用下，筒壁产生径向弹性变形，使绳圈紧度降低，钢丝绳拉力减小，一般取 A ； 2A 多层卷绕系数，取 22 A ； e 许用压应力，对钢 e = 2s ， s 为钢的屈服极限。 P 345，强度符合要求，钢丝绳在卷筒上的采用压绳销固定。卷筒的结构如图 3示。图 3筒的结构桅部分的设计计算及有限元分析钻桅是旋挖钻机的主要承力构件，对整机的安全作业起着重要作用。钻桅为动力头和钻杆等提供支承和导向，抗冲击、振动，应具有良好的刚性和稳定性 9。普通履带式旋挖钻机钻桅由滑轮架、上节、中节、下节组成，主截面采用大圆角箱形截面，通过钢销连接成可折叠式结构，以减少运输状态整机长度和高度。加压油缸的缸体前端铰接于钻桅上，油缸活塞杆铰接于动力头托架上。通过加压油缸的伸缩，可以实现动力头对钻杆钻孔时的进给压力。加压油缸上装有平衡阀，在不向加压油缸供油的情况下，可将动力头可靠地锁定在任意位置上。钻桅起落油缸铰接于钻桅和三角架之间，通过钻桅起落油缸的伸缩，可以使钻桅处于作业或转场状态，也可调节钻桅的作业角度。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 21 本次设计的铁路公路两用旋挖钻机因钻孔深度较浅，所以桅杆可做成一节，把上节、中节和下节合在一起，这样对于提高运输效率和增强桅杆受力状况都是有利的。钻桅的有限元分析可以分为两个步骤：一、对滑轮架进行分析，然后列举处滑轮架固定部分的反作用力。二、将列举出的反作用力加到桅杆上 10。轮架的有限元分析滑轮架主要作用是承受主副卷扬钢丝绳的载荷，其危险工况有两个：一是直接提钻工况。此时滑轮架主滑轮钢丝绳承受钻杆重力、钻斗重力、土壤重力和钻斗与土壤之间的粘滞阻力，主卷扬最大提升力达到 102滑轮架主滑轮上钢丝绳受力为 102副滑轮不受力。二是钻孔已完成，副卷扬吊钢丝笼放进孔内工况。此时主滑轮钢丝绳承受钻杆重力和钻斗重力，而副滑轮上钢丝绳达到最大力，即 43 工况一：工况一时滑轮架有限元分析云图如图 3 3轮架直接提钻工况下有限元分析云图工况一下滑轮架有限元分析结果如表 3 表 3况一下滑轮架有限元分析结果表名称类型最小位置最大位置应力力 2 （节 : 23107 （ 25 : 1842 （位移位移 0 : 1 （ 0 1322 （大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 22 滑轮架所用材料为材料属性如表 3 表 3345B 材料属性表属性名称数值单位数值类型弹性模量 11 N/m2 恒定泊松比 A 恒定抗剪模量 10 N/m2 恒定质量密度 7850 kg/m3 恒定张力强度 08 N/m2 恒定屈服强度 08 N/m2 恒定

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