题目 SLZ600双轴螺旋钻孔机
专业机自05-02班学号 050401140227 姓名吕晓志
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
1、主要内容
双轴螺旋钻孔机的总体设计；
双轴螺旋钻孔机的结构分析与设计；
液压系统的设计分析；
整机稳定性的计算。
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。
开题报告表

课题名称 SLZ600双轴螺旋钻孔机

一、调研资料的准备
经过两周的调研，已经收集了大量国内外有关长螺旋钻孔机的期刊文摘，为接下来的毕业设计作好了充分的资料准备。同时，在查阅这些期刊文摘以及有关专业书籍和手册时，对长螺旋钻孔机也有了初步的认识，对目前国内外长螺旋钻孔机发展现状及其特点有所了解。

二、设计目的
长螺旋钻孔机因其效率高、污染少、能够连续钻进等优点,应用于桩基础,特别是在浇混凝土灌注桩基础领域几乎取代了其他基础，在国内外的桩施工中得到了广泛应用。而此次设计的履带底盘式双轴螺旋钻孔机是在长螺旋钻孔机基础上进行的改进，以其机动性好、动作灵活，功率分配合理、工况适应性强等特点，在城市改造、市政项目、城市内高架桥建设中必将显示其独特的优势。

三、设计要求
充分运用大学以来所学的机械专业知识，查阅世界各地有关长螺旋钻孔机的资料，了解当前国内外长螺旋钻孔机的发展状况，分析双轴螺旋钻孔机的改进优点，熟练运用SolidWorks进行钻孔机的实体建模，并能运用COSMOS对双轴螺旋钻孔机进行分析等。
具体要求如下：
双轴螺旋钻孔机的总体设计；
双轴螺旋钻孔机的结构分析与设计；
液压系统的设计分析；
整机稳定性的计算。

四、设计思路
1.查阅国内外有关长螺旋钻孔机的资料，以及长螺旋钻孔机的发展状况，分析我国双轴螺旋钻孔机与长螺旋钻孔机的不同。
2.整理资料，提出可行的总体设计方案；
3.根据设计方案，运用SolidWorks对双轴螺旋钻孔机进行实体建模；
4.动力头设计及齿轮强度校核；
5.运用simulation对双轴螺旋钻孔机的支撑机构进行有限元分析；
6.根据实体建模与有限元分析得出的结果数据，分析设计方案的可行性；
7.整体稳定性计算并设计液压系统；

五、设计预期成果
1.完成双轴螺旋钻孔机整体建模；
2.实现双轴螺旋钻孔机构的创新设计——双动力头的设计；
3.完成0号图纸五张，说明书一本。

六、时间安排
6～8周，收集资料，讨论确定方案；
9～11周，总体设计；
6～8周，双轴螺旋钻孔机支撑机构分析计算与设计；
9～11周，双动力头设计；
12～13周，论文写作，修改；编写答辩提纲；
14周，参加毕业答辩。

七、完成设计所具备的条件因素
对机械设计、制造、机电液综合控制等全方位有充分的认识，有查各种专业手册、期刊等资料的能力，较高的实践动手能力，充分认识长螺旋钻孔机的构造、运动、工作等，有敏锐的创新意识，熟练运用设计时所需的软件，如SolidWorks、simulation、AutoCAD等软件。

摘要
长螺旋钻孔机因其效率高、污染少、能够连续钻进等优点,应用于桩基础,特别是在浇混凝土灌注桩基础领域几乎取代了其他基础施工，在国内外的桩施工中得到了广泛应用。而此次设计的履带底盘式双轴螺旋钻孔机以其机动性好、动作灵活，功率分配合理、工况适应性强等特点，在城市改造、市政项目、城市内高架桥建设中必将显示其独特的优势。
本设计在分析对比了目前存在的长螺旋钻孔机的各组成机构的优缺点的基础上，完成了SLZ600双轴螺旋钻孔机的整体设计，主要包括：底盘选型、双动力头的创新设计、立柱支撑机构确定及设计、卷扬的设计以及滑轮、钢丝绳的设计和选型。重点对双动力头进行的结构设计和齿轮强度校核；利用simulation有限元分析软件采用反作用力传递法对鹅头和上立柱在提钻、钻孔两种工况下进行了静力学分析强度校核及结构优化；对整机进行稳定性分析；对液压系统进行了设计。

关键词：双轴螺旋钻孔机；双动力头；有限元分析；稳定性分析；液压系统

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．The Double Rotary Drilling Rig which based on track chassis will demonstrate their unique advantages under the transformation in the city， municipal projects，construction of the viaduct in the city outskirts．
On the basis of analysising of Rotary Drilling Rigs in the existing and comparatting the advantages with disadvantages of the various components，to complet the whole design of SLZ600 Double Rotary Rig.Including the selection of the chassis for Double Rotary Drilling Rigs，the innovative disinge of the double rotary drive ,scheme of its outriggers and their structure design，design of the winch and chain wheel and the selection of rope. Mainly design the double rotary driling and strenth checking of gear;use simulation finite element analysis software to check the strength of drilling mast and have a structural optimization for these parts through the method of reactional force transfering under two conditions；have a stability analysis of the whole Rotary Drilling Rig；complete the design of hydraulic systems．

Key words：Double Rotary Drilling Rig；double rotary drive;finite element analysis； stability analysis; hydraulic systems

目录
第1章概述 1
1.1 引言 1
1.2 国内外长螺旋钻孔机的发展状况及发展趋势 1
1.3 SLZ600双轴螺旋钻孔机工作简介 2
本章小结 3
第2章SLZ600双轴螺旋钻孔机结构设计 4
2.1 SLZ600双轴螺旋钻孔机方案的确定 4
2.2 SLZ双轴螺旋钻孔机工作原理 8
本章小结 9
第3章 SLZ600双轴螺旋钻孔机计算与分析 10
3.1 起升机构设计计算 10
3.2动力头的设计计算 14
3.3额头和立柱的有限元分析 17
本章小结 25
第4章稳定性分析 26
4.1稳定性及计算方法 26
4.2接地比压计算 27
本章小结 28
第5章液压系统设计 29
5.1 液压系统设计 29
本章小结 28
结论 32
参考文献 33
致谢 34

SLZ600双轴螺旋钻孔机

内容简介：: 课题来源：哈尔滨工程机械厂指导教师：赵伟民答辩人：吕晓志概述近年来，我国对交通、能源等基础设施建设的加大投入，带动了我国桩工机械行业不断向前发展。尤其是金融危机爆发后我国 4万亿元的经济刺激方案中大部分投在了基建行业。给桩工机械的发展带来前所未有的机遇。螺旋钻孔机以其效率高、污染少、能够连续钻进等优点而得到广泛应用。本次设计的双轴螺旋钻孔机则是在长螺旋钻孔机的基础上改进的性能更加优越的桩基础设备。双轴螺旋钻孔机运输状态钻孔机方案确定及总体设计主要性能参数参数单位数值最大钻孔直径 00 最大钻孔深度 m 15 最大提钻力 80 压钻力 0 副卷扬最大提升力 00 钻头转速 4 钻头扭矩 2 螺旋转速 0 螺旋扭矩 8 支撑系统结构形式目前，从外观形式看长螺旋钻孔机可主要分为独立式和起重机附着式两种。独立式长螺旋钻孔机的钻挖支撑系统主要有三种形式： 1、平行四边形小三角结构。其特点是变幅范围大，可整机放倒、折叠，降低运输高度和长度。缺点是底盘前方重量偏重，稳定性稍差，不能承受超大扭矩。 2、大三角结构。其特点是结构简单，稳定性好能承受大扭矩。缺点是运输时要拆开，费时，需要辅助起重设备。 3、大三角支承结构加辅助起架油缸。整机也能放倒折叠，具有以上两种结构的优点，结构新颖，经济实用。平行四边形小三角结构大三角结构加辅助油缸立柱截面结构形式立柱截面的形状有很多种，直角箱形截面、大圆角箱形截面、圆形、凹箱形等为几种常用的立柱截面形式。（一）大圆角箱形立柱截面，抗弯能力强，具有良好的刚性和稳定性，外形美观 ; （二）直角箱形立柱截面，抗弯能力较强，具有较好的刚性和稳定性，但在截面角接处易产生应力集中，其抗扭刚度较小；（三）凹箱形立柱截面，其抗扭刚度小，抗压弯能力差；（四）圆形立柱截面，承载能力大，抗扭刚度也大，但抗压弯能力差。比较后选择大圆角箱型截面双动力头的结构设计 (创新点 ) 现有长螺旋钻孔机螺旋与钻头一起旋转，由于钻头切削所需要的转速很低，切削下的土输送到螺旋叶片后不能自动上升。另外，由于土壤被切削后体积膨胀，土在螺旋叶片上被压紧，使得输土扭矩加大。对于土层结构复杂的土层，可能会出现螺旋对下层土壤运输速度大于上层土壤的运输速度。如不能及时将上层土壤运出，还会出现蹩车状况。双动力头上述情况都会加大螺旋的受力情况，造成不必要的功率损失，甚至会对设备造成损坏。所以本设计将钻头与螺旋叶片拆分开来分别驱动，这样可以使钻头、螺旋获得不同的转速，能很好的解决以上问题 1 2 3 45 6 7 8 圆锥滚子轴承螺旋动力头内部结构钻头动力头内部结构双轴螺旋钻孔机计算与分析。鹅头与立柱是支撑钻具与动力头的关键部件，其强度在钻孔的各种工况中都应满足要求。由于在上中下三节立柱中，上立柱只靠螺栓和铰耳与中立柱连接，受力情况最差，所以这里只分析鹅头与上立柱。提钻工况分析：鹅头提钻工况网格划分鹅头提钻工况应力分布图材料为服强度为 345里最大应力为 172安全系数为 2时，满足要求。上立柱上立柱提钻工况应力分布图钻孔工况：钻孔工况网格分布图钻孔工况应力分布图稳定性分析螺旋钻孔机在定点作业过程中抵抗倾覆的能力称为整机稳定性。这里涉及的稳定性校核主要是指钻孔后的提钻稳定性。 044113322 履带底盘的双轴螺旋钻孔机作业条件比较恶劣，因此计算接地比压十分重要。大部分螺旋钻孔机实际接地比压往往不是均匀分布的，这是由于螺旋钻孔机的重心通常不在履带接地长度的中央，并且在提钻工况下，重心发生了偏移。可用公式表示为： )61(2 式中 P 公称接地比压， G 机器的总重力， N； L 履带接地长度， b 履带宽度，液压系统设计架机构、动力头变速机构、行走机构。回转机构。在设计液压系统过程中要考虑各机构的工作原理和特点，针对这些进行液压原理设计。液压原理图此外，本次设计中还作了如下工作：车的建模 ; 轮设计以及卷扬卷筒的设计 ; 速器的选择，齿轮强度校核等。非常感谢各位老师的评阅敬请老师们多提宝贵意见大庆石油学院毕业设计（论文）任务书题目轴螺旋钻孔机专业机自 05 学号 050401140227 姓名吕晓志主要内容、基本要求、主要参考资料等： 1、主要内容双轴螺旋钻孔机的总体设计；双轴螺旋钻孔机的结构分析与设计；液压系统的设计分析；整机稳定性的计算。 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 日大庆石油学院学生开题报告表课题名称轴螺旋钻孔机课题来源研究室课题课题类型 A 导师赵伟民学生姓名吕晓志学号 050401140227 专业机械设计制造及其自动化一、调研资料的准备经过两周的调研，已经收集了大量国内外有关长螺旋钻孔机的期刊文摘，为接下来的毕业设计作好了充分的资料准备。同时，在查阅这些期刊文摘以及有关专业书籍和手册时，对长螺旋钻孔机也有了初步的认识，对目前国内外长螺旋钻孔机发展现状及其特点有所了解。二、设计目的长螺旋钻孔机因其效率高、污染少、能够连续钻进等优点 ,应用于桩基础 ,特别是在浇混凝土灌注桩基础领域几乎取代了其他基础，在国内外的桩施工中得到了广泛应用。而此次设计的履带底盘式双轴螺旋钻孔机是在长螺旋钻孔机基础上进行的改进，以其机动性好、动作灵活，功率分配合理、工况适应性强等特点，在城市改造、市政项目、城市内高架桥建设中必将显示其独特的优势。三、设计要求充分运用大学以来所学的机械专业知识，查阅世界各地有关长螺旋钻孔机的资料，了解当前国内外长螺旋钻孔机的发展状况，分析双轴螺旋钻孔机的改进优点，熟练运用行钻孔机的实体建模，并能运用双轴螺旋钻孔机进行分析等。具体要求如下：双轴螺旋钻孔机的总体设计；双轴螺旋钻孔机的结构分析与设计；液压系统的设计分析；整机稳定性的计算。四、设计思路螺旋钻孔机的资料，以及长螺旋钻孔机的发展状况，分析我国双轴螺旋钻孔机与长螺旋钻孔机的不同。出可行的总体设计方案；用双轴螺旋钻孔机进行实体建模；双轴螺旋钻孔机的支撑机构进行有限元分析；析设计方案的可行性；五、设计预期成果轴螺旋钻孔机整体建模；轴螺旋钻孔机构的创新设计双动力头的设计；号图纸五张，说明书一本。六、时间安排 6 8 周，收集资料，讨论确定方案； 9 11 周，总体设计； 6 8 周，双轴螺旋钻孔机支撑机构分析计算与设计； 9 11 周，双动力头设计； 12 13 周，论文写作，修改；编写答辩提纲； 14 周，参加毕业答辩。七、完成设计所具备的条件因素对机械设计、制造、机电液综合控制等全方位有充分的认识，有查各种专业手册、期刊等资料的能力，较高的实践动手能力，充分认识长螺旋钻孔机的构造、运动、工作等，有敏锐的创新意识，熟练运用设计时所需的软件，如软件。指导教师签名：日期： 1、课题来源：课题来源分为真实课题和自拟课题两种，真实课题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 技术开发； C 软件工程； D 理论研究。摘要长螺旋钻孔机因其效率高、污染少、能够连续钻进等优点 ,应用于桩基础 ,特别是在浇混凝土灌注桩基础领域几乎取代了其他基础施工，在国内外的桩施工中得到了广泛应用。而此次设计的履带底盘式双轴螺旋钻孔机以其机动性好、动作灵活，功率分配合理、工况适应性强等特点，在城市改造、市政项目、城市内高架桥建设中必将显示其独特的优势。本设计在分析对比了目前存在的长螺旋钻孔机的各组成机构的优缺点的基础上，完成了轴螺旋钻孔机的整体设计，主要包括：底盘选型、双动力头的创新设计、立柱支撑机构确定及设计、卷扬的设计以及滑轮、钢丝绳的设计和选型。重点对双动力头进行的结构设计和齿轮强度校核；利用限元分析软件采用反作用力传递法对鹅头和上立柱在提钻、钻孔两种工况下进行了静力学分析强度校核及结构优化；对整机进行稳定性分析；对液压系统进行了设计。关键词：双轴螺旋钻孔机；双动力头；有限元分析；稳定性分析；液压系统 of of in at ig on in of in On of in of to of of of of of of to of a of a of of I 目录第 1章概述 . 1 言 . 1 内外长螺旋钻孔机的发展状况及发展趋势 . 1 . 2 本章小结 . 3 第 2章 . 4 案的确定 . 4 . 8 本章小结 . 9 第 3章 . 10 升机构设计计算 . 10 . 14 . 17 本章小结 . 25 第 4章稳定性分析 . 26 . 26 . 27 本章小结 . 28 第 5章液压系统设计 . 29 压系统设计 . 29 本章小结 . 28 结论 . 32 参考文献 . 33 致谢 . 34 注 1：评分等级分为： A、 B、 C、 D 四等，等级系数分别为 2： A， B， C为结构分的权重系数，各单位按本专业毕业设计（论文）大纲执行。答辩委员会（小组）负责人签字：年月日答辩委员会负责人签字：年月日大庆石油学院毕业设计（论文）答辩评审表课题名称轴螺旋钻孔机学生姓名吕晓志学号 050401140227 指导教师姓名赵伟民职称教授评审项目评分标准满分得分 A（等级系数 C（等级系数选题题型（ 5 分）能体现专业培养目标和综合训练要求，难度份量适中。工科：工程设计或科研课题；文科：结合科研或有一定应用价值。基本体现专业培养目标，难度份量过大或过小。基本符合专业训练要求。 5 解决问题能力（ 10 分）文献检索 10 篇以上，（其中外文 2 篇）；译文翻译准确且内容贴近课题，译文字数5000 字以上。文献检索 7 篇以上，（其中外文 1 篇）；译文基本准确，字数 4000 字以上。 5 设计、实验方案论证、收集资料、综合总结、计算机应用、社会调查及经济分析等解决实际问题能力强。有一定的设计、实验，计算机应用、经济分析、社会调查等能力。 5 设计（论文）质量（ 35 分）内容符合撰写要求、规范，图纸标准整洁。内容 70以上符合撰写要求。 5 理论与分析正确、论述条理清晰、文理通顺、数据详实，结论严谨。理论与分析基本正确、论述基本清晰、通顺。 10 理工类字，文科类 1 万字，摘要 300 字；摘要、结论能确切地体现主要内容及成果。理工类 1 万字，文科类字，摘要 300 字；摘要、结论基本上体现主要工作内容及成果。 10 有重大改进或有独立见解或有实用价值的创新点。某方面有见解或总结。 10 答辩报告（ 25 分）提纲整洁清楚，时间安排得当，条理清晰、技术用语准确、概念正确提纲、时间安排及报告内容基本符合要求，技术用语和概念基本正确。 10 方案设计合理、计算分析正确、论据充分，成果有应用价值及指导意义。方案设计基本合理，论据较充分，成果有一定意义。 15 回答问题（ 25 分）能准确回答问题，条理清楚，有理有据。基本上能回答主要问题。 25 答辩总分毕业设计（论文）成绩及评语结构分指导教师评分 A%+评阅教师评分 B%+答辩总分 C 成绩：评语： 1 8 f 007 : of FA of is a to to a to is in of FA to a to be is to at of of FA of of of to FA is .1 is by a at of be by a is of on in 3 5 3,000 0,000 2 5,000 of is at of of of so of is to as a is of is a as 2 In 0 20 15,000 0,000 in 7 0 20,000 6,000 of up 50 18 00 24 at of of FA on a 0 30,000 be be to a of to be or 3 in in 0 00 66,000 00,000 a of up 70 60,000 .3 .4 of 50 mm ,200 18 8 a 00 00 24 6 8 m (90 be as on 25 4 to be an of or to in to ig 5 A of be to on .5 .6 of be FA in to a to of is a an in of .5 of se 6 of .7 a is by in of is FA as of as a of a) b) he or a in of to be a is as a to of of to a If is in a it is to or to of a FA in a) b) c) 7 he or is a to by FA or is to of to at of at of D of of he be at of In is of so do a so a be of to of A is of a or of is or as it is by if or In is no be If to be of to by is be a as as be in it is on to be as to be or be to an no in by be in or in to up as it is is in of 8 as be of of to 0024 in a a to a of a 5560024 on m (10 in of in of a to As of on a a to a is he be a of at of up 350 0 0 0.4 of be of of is to to an is 3 00 2.5 in 0 0 m (100 00 on to be by a a of 10 so a to It is an to In a a to 00 4 of or If is in to a of a a) b) 9 (c) d) 1 土力工程通函（通用电气）第 8 号长螺旋钻孔桩的最后设计和施工 2007 年 4 月第四章：施工技术和材料言本章提供详细的用于建造长螺旋钻孔桩的项目施工技术以及材料和建议的做法。该指南规范包括第 8 章中的以实际工况为基础的规范这本手册，为承包商在安装桩的基础能力提供所需选择的设备，材料和技术。本章因此以实际工况为基础的宗旨所写。许多类型的长螺旋钻孔设备都有所涉及，其中有些是专有的，这已难以适应传统的设计投标时建设项目交付的方法。使用以实际工况为基础的规范说明将使这些系统被认为是承包商投标提供的桩，从而无论什么桩型都能在最少的成本满足性能规格。工设备本章说明各种钻探设备已被用于建造长螺旋钻孔桩，并提供详细信息的工具，灌浆 /混凝土设备。对不同类型钻机的优点和局限性，特别是对扭矩的能力进行了讨论。机一个典型的起重机装长螺旋钻孔机的数字在图到说明。长螺旋钻孔机的螺旋是由位于其上方的液压变速箱驱动。可以采用这种变速箱系统总重量钻削土层。钻削任何土壤所需要的扭矩都在在 13 千牛和 45 千牛之间（ 3,000 和10,000 磅），而且通常是约 22 千牛（ 5000 磅）。螺旋钻杆的上部分被放入上方的变速箱。在螺旋旋转的顶部自由端与灌浆 /混凝土管连接，以便能够在完钻后进行灌浆安置。螺旋中空作为管道浇筑灌浆 /混凝土。灌浆并不是通过特别的设备，而是是较常见的这种类型的钻机平台，并由柱塞泵经注浆管提供灌浆，如图图典型起重机式长螺旋钻孔机 2 目前在美国的做法，起重机附加设备的抗扭能力范围从 20 至 120 千牛顿米（ 15,00090,000 磅） ;范围在 27 至 50 千牛顿米（ 20,000 至 36,000）为最常见的私营作业。螺旋直径在 450 毫米（ 18 英寸）是最常见的这些设备，但直径为600 毫米（ 24 英寸）多为起重机式在大的扭矩范围的钻孔平台。对于用于交通运输项目的长螺旋钻孔桩，建议最低扭矩能力为 40 千牛顿米（ 30,000 英尺磅）。这个值可能不满足挖掘一些长度和直径和土壤条件的桩。在以实际工况为基础的项目完成形式，承包商将负责选择适当扭矩能力的钻机，以确保桩的准确安装和碎屑。上述建议最低抗扭能力可能会较小的轻型项目，包括小探测桩或真空条件。图起重机附加长螺旋钻孔系统液压钻机常见于欧洲的做法，并很快被美国接受。这些设备通常具有扭矩能力为 90 至 400 千牛米（ 66,000 300,000 磅），并能适用扭矩高达 270 千牛米（ 60,000 磅）。该钻孔平台的数字显示在图典型例证。在欧洲的做法与这种类型的设备，桩直径可能会是从 450 毫米到 1200 毫米（ 18 至 48 英寸）之间，在 600 至 900 毫米（ 24 至 36 英寸）之间是最常见的。长度通常小于 3 28 米（ 90 英尺），当然长的管会被安装上去用以功能扩展，如图示。图液压钻机钻在英格兰高速公路钻液压用于驱动螺旋可以很容易地测量，并显示适用的扭矩或加压力。因此，这些钻塔容易用计算机监测和控制。除了更先进的内置的控制，常规起重机有提供扭矩和加压力的优势能力，用以满足较大桩和钻屑控制的发展趋势。图压长螺旋钻孔机与功能扩展 4 旋和钻具根据土壤条件的难易程度可用各种螺旋类型钻桩。图示一些可用于长螺旋钻孔桩的螺旋类型。在钻削粘土时需要的较大的螺旋倾角以举升钻头钻下的土壤（图。选择正确的螺旋角度是重要的，因为给定土壤类型，一个过大的间距可能导致钻削桩周围土。图些形式的螺旋图旋用于钻削粘土与清洁附件双旋钻削系统的则是又一类设备（图。这些设备包括一个完整的外壳，这是较先进的，一般旋转套管在相反方向的螺旋。这项技术是特别有用使用长螺旋钻孔机钻松软土壤连续墙，作为由套管系统提供稳定的洞，可以进行快速 5 钻孔，而不需要钻井液，并增加了垂直桩的垂直度。而外壳本身作为一种核心套筒采用超硬材料，套管使系统包括二次校正桩孔相当稳固。（ a）移动式驱动器（ b ）固定双驱动图双旋转套管钻孔桩双旋转可以有独立的可移动旋转驱动器（图或固定的双驱动器（图。可移动驱动系统更象是常规钻探井，这两个驱动马达可以相互独立，从而使钻头可以从套管中被移走。钢筋和混凝土这个时候被放进套筒，然后撤回套管。该系统的优点是像加固混凝土浇筑前安置一个钻轴。如果桩终止在含水区，有必要加水或钻井液稳定基础后开挖，然后使用导管定位。双回转套管钻孔系统的生产和销售在美国的（一）切削头（二）混凝土浇筑（三）提钻图双旋转固定驱动系统备的混凝土 /注浆加固安置混凝土或泥浆通常是从一家预拌混凝土厂和站点的卡车运输。对于大多数非洲 6 灌注桩施工，在混凝土或砂浆泵的压力下，通过泵顶端的螺旋顶端并通过螺旋杆到达钻头并在钻头出释放。有些种类的桩在没有压力作用条件下则有连接到顶部的大口径螺旋工具旋柱塞泥浆排放点应该低于钻头切削齿的底部。在大多数情况下，泥浆排放点是面向远离前缘刀头，这样高压不在钻削过程中就不会作用在螺旋插头上。一些钻头都配备居于中心的插头，这样一个单一的插头也可以准确是放在通过螺旋的中心。一般来说，中心栓通常是由棒铁或一些其他硬质材料制成。一般非定心的栓最常见的为软木或塑料。如果插件不出来或插件出来过早土壤添进柱塞，柱塞（或“邦” ，因为它有时被称为承包者）就发生了问题。在任何情况下，通过注浆泵注浆已不再可能，必须放弃并重新钻探。如果桩需要放弃，承包商必须转换的旋转方向以保持土壤消除土壤坍塌。排除问题之后（例如，清除排放点），桩孔将被重新钻探。只要桩布局允许，可以重新离前一个孔最近的距离钻孔。另外，桩可以重新钻在同一地点，但随后桩实际工况将出现由于土壤扰动出现一些不利的影响。根据不同的条件下，重新钻孔可能是可以实施的，也可能需要将其加深，或需要更大的桩径去满足桩孔的需要。一些承包商已成功地使用了没有插柱塞而在钻头钻探过程中通过泵入压缩空气的方法。空气压力对于在一些坚硬的土壤或者较复杂的工况下，帮助防止土壤进入螺旋和破碎土层很由帮助。这种技术成功地用于该国的一些有较强粘性土壤的地方，如德克萨斯州和乔治亚州北部。土壤条件，较容易在钻探过程中发生松散，如在清砂方面，可能不适合使用在柱塞处安装压缩空气装置的方法。佛罗里达州东北部一个使用压缩空气来完成 600 毫米（ 24 英寸）直径桩在进行能力测试中显示与没有安装压缩空气装置的相比表现较低的性能。承包商在（ 55英尺）长， 600 毫米（ 24 英寸）直径桩中一个安装带有压缩空气一个没有安装空气压缩装置。在两桩上不到三米处进行静态测试。安装有空气压缩装置的单位抗剪切能力时没有安装空气压缩装置的一半左右。包括土壤相对清洁，细沙较坚定的粘土砂层表现较差。在许多技术指标下，使用压缩空气应考虑到可能产生的对桩性能的影响。一个以实际工况为基础的规范，承包商可以选择使用安装空气压缩装置的钻孔设备，但试桩成功负载测试和桩性能应该符合要求的性能。浆泵设备灌浆泵设备的应该是一个很好的替代高达帕（ 350 磅）的压力泵设备。典型的灌浆泵往复活塞，每个每冲程提供约 10 至 30 升泥浆（ 1 立方英尺每冲程）。泵的尺寸及性能必须适合桩孔的实施。几个例子如图示。最常见的，灌浆泵是邻近打桩钻机与注浆绳运行的平台的（图。灌浆绳直径通常是大约 63 至 100 毫米（ 4 英寸），长度可以延长 30 至 60 米（ 100 至 200 英尺）。某些承包商的泵直接安装在钻机，使泵能被操作员控制操 7 作（图。灌浆泵平台运行图括一个旋转空间，使现场有一个一个满负荷装有灌浆 /混凝土约 800 立方米（十立方码）的卡车能进入这个空间，并能返回工厂。（ a）（ b）（ c）（ d）图型的灌注泵设备重要的是，泵每冲程不提供过多灌浆量，这将导致运营商难以控制桩灌浆作业。一般情况下，每冲程泵应提供量，相当于约 100 毫米（ 4 英寸）桩容量或更少的体积。如果每冲程的量相对于桩径太大，就不能维持一个稳定的泵浆过程也不能很好的完成桩。如果每冲程的容量相对于桩径太小，施工就会变慢而降低效率。大庆石油学院毕业设计（论文）学生自查表（中期教学检查用）学生姓名吕晓志专业机械设计与制造及其自动化班级机自 05 指导教师姓名赵伟民职称教授课题名称轴螺旋钻孔机个人作息时间上午自 8 时 30 分至 11 时下午自 1时 30 分至 4 时 30 分晚间自 6 时 30 分至 9 时个人精力实际投入日平均工作时间 8 小时周平均工作时间 48 小时迄今缺席天数 0 出勤率 % 100 指导教师每周指导次数 3 次每周指导时间（小时） 9 小时备注毕业设计（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 % 总体设计，动力头建模、校核，立柱建模 50% 底盘，上车，立柱及鹅头静力学分析，整车装配，出二维图 50% 存在问题各零部件的规格与技术要求，钻孔机各零部件在工作时的受力情况分析与安全要求。指导教师签字： 2009 年 5 月 10 日大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 1 第 1 章概述言近年来，我国对交通、能源等基础设施建设的加大投入，以及奥运场馆等重点工程的开工建设，带动了我国桩工机械行业不断向前发展。我国高速铁路建设中的四纵四横和三个城际客运线相继开工， “ 十一五 ” 期间，仅京沪高铁就投入2000多亿元，相当于一个三峡工程。京沪高铁全长 1320公里，其中桥梁 846座，约长 709公里，占全线总长的 53%，架梁将用 2万余桩。目前世界经济金融危机日趋严峻，我国政府也采取灵活审慎的扩大内需宏观经济政策应对复杂多变的形势。国务院总理温家宝 2008 年 11 月 5 日主持召开国务院常务会议，研究部署进一步扩大内需促进经济平稳较快增长的措施。十大拉动内需措施中的六项措施都是有关住房、公路、铁路、污水处理、校舍、医院等工程建设。初步匡算，实施上述工程建设，到 2010年底约需投资 4万亿元。工程桩基机械的发展迫在眉睫，这也是桩基机械前所未遇的机遇。据专家介绍，在建筑工程中，从工程造价和施工工期看，基础工程占全部工程相当大的比例。一般桥梁、码头等水下基础要占全部工程的 1/3 至 1/2，有些工业与民用建筑的地基基础工程占全部工程的 1/3，因此，桩工机械是建筑工程机械中不可或缺的组成部分。随着国家对环保法规的制定，柴油锤和反循环钻孔机由于噪声、振动、油烟和泥浆污染，在城市施工中将越来越受到严格限制，产品的发展空间不大。但是低公害的环保桩工机械，如长螺旋钻孔机，由于其在施工中噪声小，对周围的环境公害少，发展异常迅速。螺旋钻孔机是钻孔灌注桩施工机械中的佼佼者，随着高层建筑基础大、重、深化的趋势，也向大直径、大功率、超深度、多功能发展，可适用于各种不同土层和岩层，可遥控和自动化管理。而且，高铁建设对路基的要求很高，因此对用于加固地基的长螺旋钻孔机等设备有大量的需求。而本设计的双轴螺旋钻孔机则是在长螺旋钻孔机的基础上改进的性能更加优越灌注桩工设备。内外长螺旋钻孔机的发展状况及发展趋势长螺旋钻机在基础施土领域，以其高效率成孔、成桩、低震动、低噪声、低大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 2 污染文明施土的独特优点，得以迅速发展。 1986 年以前，长螺旋钻机的施土只限十地下水位以上，以北京地区为代表，孔深下，随着后压浆施工工艺的诞生，以哈尔滨、沈阳为主的东北地区，地下水位较高，地质条件复杂，在这个时期采用长螺旋施土的钻机以履带底盘悬挂式的螺旋钻机为主，钻孔深度在 25 配套成本和土程造价均较高。 1996年诞生的长螺旋钻机泵送混凝土成桩土艺，它是以长螺旋钻机为主，再配合泵送混凝土一次成桩的土艺，施土速度快，污染小，适应地层能力强，它一出现就得到了市场的认可，发展迅速，据不完全统计，应用这一技术的有 :北京、天津、江苏、浙江、河北、河南、山西、山东、陕西、安徽、湖北、广东、广西、黑龙江、辽宁、云南、吉林等 23 个省、市、自治区，复合地基从 80 年代末、 90 年代初在高层建筑的地基处理，以其造价低、土期快、适应性强等特点，应用越来越广泛，特别是在北京地区已形成地基处理的一个主流，在市政建设中，螺旋钻机有取代 1势 1。的迅速发展，也给长螺旋钻机发展带来了商机，用于的长螺旋以步履钻机为主，深度 18 25m。欧美应用螺旋钻孔工法较早，所用螺旋钻孔机均由液压马达驱动，适用于砂土、粉土、粘土土层的施工，其施工桩径为 0. 3m 1. 5m，桩长小于等于 30m，工效 150 200m/d。欧洲近期开发的挤压式管螺旋钻孔机等非排土型灌注桩施工机械使用了末端桩施工法，可将土压入桩的周围，以达到改良土层、提高桩的侧摩擦力的作用。日本的螺旋钻孔机多由电动机驱动，在其发明了喷浆拌土桩工法后，又设计出可用于漂石层的凿岩螺旋钻孔机，单孔式孔径可达 2m，钻杆最大扭矩为260m，套管式螺旋钻孔机的钻孔孔径可达 1. 8m，钻杆最大扭矩为 135m 2。今后长螺旋钻机的发展多采用履带底盘，开发液压无级变速动力头，满足钻深 30m，引入自动控制技术等。轴螺旋钻孔机工作简介轴螺旋钻孔机的工作原理及结构大体相似，下面以长螺旋钻孔机引入介绍。长螺旋钻孔机是桩工机械中能连续钻进的钻孔设备。钻头与螺旋同时旋转。钻头钻进切削土壤，螺旋通过旋转将切削下的土壤输送到地面。长螺旋钻孔机在施工过程中遇到粘土时，极易粘附在叶片上，影响施工效率。往往采用卸土装置将粘土刮掉。结构如图 1 采用注桩法后，能一次性成桩，并且噪声小，污染少，成桩质量高。当达到钻孔深度后，边提钻边通过中空的钻柱注入混凝土，不但可防止提升螺旋时由于真空作用而塌孔，而且还可以一次成桩。提钻结束后用钻孔机副卷扬快速将钢筋笼压入孔中，完成灌注桩。如图 1 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 3 图 1螺旋钻孔机图 1注桩法如上所述，螺旋叶片与钻头同时设置在钻杆上，在输土环节会出现一些不理想工况，如由于钻头切削所需要的转速很低，切削下的土送到螺旋叶片后不能自动上升，而是靠后面切削的土推上去的；另外，由于土壤被切削后体积膨胀，土在螺旋叶片上会被压紧，使得输送土需要的扭矩加大；再者，对于土层结构复杂的工地，由于螺旋叶片对粘土和沙土的运输速度不同，可能会出现螺旋对下层土壤运输速度大于上层土壤的运输速度 3。如不能及时将上层土壤运出，还会出现蹩车状况。上述情况都会加大螺旋的受力情况，造成不必要的功率损失，甚至会对设备造成损坏。所以本设计将钻头与螺旋叶片拆分开来分别驱动，这样可以使钻头与螺旋获得不同的转速，能很好的解决以上问题。本章小结本章主要介绍了长螺旋钻孔机在桩基建设中起到越来越大的作用，国内外长螺旋钻孔机的发展情况及目前的发展趋势。并对随着经济的发展，国家公路铁路的大规模建设，尤其是经济危机在即，为拉动我国内需而大大加大的工程类项目，轴螺旋钻孔机的应用市场巨大，为本次设计的双轴螺旋钻孔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） 4 第 2 章轴螺旋钻孔机结构设计轴螺旋钻孔机方案的确定盘结构结构形式长螺旋钻孔机通常由钻具和底盘桩架两部分组成，底盘桩架主要有履带式和步履式。步履式底盘结构简单，价格低廉。但行走缓慢，不能连续，接四个支架支起的时候接地比压较大，只适合于路面比较平整、土质较硬的工地施工。且操作人员的操作室过于简单，人机工程方面设计过少 4。如图 2 履带式底盘结构更加简单，底盘可以直接在生产厂家选取。行走方便，机动性好容易较精确的定位。接地比压小，适合于工地复杂的地形。不需要支撑机构。能够在近距离快速转场 5。如图 2 图 2履式底盘图 2带式底盘撑系统结构形式目前，从外观形式看长螺旋钻孔机可主要分为独立式和起重机附着式两种。独立式长螺旋钻孔机的钻挖支撑系统主要有三种形式，一种为平行四边形小三角大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 5 结构，如图 2其特点是变幅范围大，可整机放倒、折叠，降低运输高度和长度。缺点是底盘前方重量偏重，稳定性稍差，不能承受超大扭矩。另一种为大三角结构，其特点是结构简单，稳定性好，能承受大扭矩。缺点是运输时要拆开，费时，需要辅助起重设备。第三种以西班牙司、意大利代表，虽然也是大三角支承结构，由于装有辅助起架油缸，整机也能放倒折叠，具有以上两种结构的优点，结构新颖，经济实用 6，如图 2 图 2行四边形小三角结构图 2三角结构加辅助油缸柱截面结构形式在力学中，当组成杆件的壁的厚度远小于断面的宽度和高度，而且长度又远大于断面尺寸时，这样的杆件称为薄壁杆件，其断面称为薄壁断面。在外载荷作用下，薄壁杆件主要形态是弯曲和扭转，当外载荷达到一定数值时，还有可能发生屈曲、失稳现象。从几何上看，立柱正是典型的薄壁杆件。在长螺旋钻孔机起架、钻进、提钻工况中，立柱主要受载为偏心压弯和扭转。立柱截面设计的好坏，不仅与其本身的刚度、强度、可靠性相关，还关系到了钻具的施工效率国内、外的旋挖钻机在设计开发时，因考虑钻具的布置、与底盘的匹配、整机的稳定性等各种因素，立柱截面的形状有很多种，直角箱形截面、大圆角箱形截面、圆形、凹箱形等为儿种常用的立柱截面形式。各种截面形式如图2中 a 为大圆角箱形立柱截面，图文） 6 形立柱截面，图图 2柱的截面形式通过对各种形式截面的抗弯和抗扭能力的分析比较，可以得出以下结论 :大圆角箱形立柱截面，具有矩形和圆形截面的混合特征，其抗扭刚度较大，抗弯能力强，具有良好的刚性和稳定性，重量轻，外形美观，但造价较高，不利布置加压油缸 ;直角箱形立柱截面，抗压弯能力较强，具有较好的刚性和稳定性，但在截面角接处易产生应力集中，其抗扭刚度较小，不利布置加压油缸；凹箱形立柱截面，其抗扭刚度小，抗压弯能力差，自重大，对布置加压油缸有利；圆形立柱截面的惯性半径最大，承载能力大，抗扭刚度也大，但抗压弯能力差，对加压油缸的布置不利。动力头的结构形式长螺旋钻孔机的动力头驱动系统多采用液压马达和交流电动机。如果采用电机驱动则需要施工现场有大功率电网，或大功率发电机，给施工带来很大不便。相对电动机，液压传动系统则有在同等功率情况下，液压执行元件体积小，重量轻、结构紧凑，工作平稳，易于实现快速启动、制动，实现大范围无机调速（调速范围达 2000： 1）等优点。由于设计需要内钻杆与螺旋杆同时不等速度旋转，所以采用液压马达分别驱大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 7 动内钻杆和螺旋主轴减速器的形式，如图 2 1 2 3图 2动力头定设计方案根据不同类型长螺旋钻孔机的优缺点确定本次设计方案为：履带底盘，大三角支撑机构加辅助油缸，立柱截面采用大圆角箱型与直角箱型相结合的形式。卷扬安装在立柱上。结构如图 2 根据利勃海尔长轴螺旋钻孔机的基本参数，及工作要求确定钻机参数，如表2 表 2轴螺旋钻孔机基本参数参数单位数值最大钻孔直径 00 最大钻孔深度 m 15 最大提钻力 80 压钻力 0 副卷扬最大提升力 00 钻头转速 4 钻头扭矩 2 螺旋转速 0 螺旋扭矩 8 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 8 图 2轴螺旋钻孔机方案立体图轴螺旋钻孔机工作原理升机构工作原理起升机构由液压泵驱动液压马达，通过行星齿轮减速器减速后驱动卷扬机卷筒，然后带动钢丝绳绕过导向滑轮，从而实现吊钩的上升和下降。撑机构工作原理变幅机构由液压泵驱动液压缸，液压缸实现伸缩运动，最终使立柱能够绕铰支处旋转。在运输状态液压缸收缩，立柱放到，以使整车高度为降低到低于公路允许通过高度其的短距离专场时可以调整立柱角度，使整车有很好的稳定性。立柱工作原理立柱是支撑钻具、动力头、额头、卷扬的重要部件。立柱共上中下三节。钻孔时三节立柱用螺栓和铰耳连接成一根竖直的支撑杆。转场或长距离运输时立柱放倒，上立柱水平折叠回来，下立柱竖直下垂以缩短总车长度，如图大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 9 2 图 2输状态图本章小结本章主要介绍了长螺旋钻孔机各关键部位的形式，及双动力头的设计形式，通过对比最终确定了方案。其次介绍了钻孔机的结构组成及其工作原理。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 10 第 3 章轴螺旋钻孔机计算与分析升机构设计计算卷扬钢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，而成为钻孔机的重要零件之一。在起升机构和变幅机构中用作承载绳，在运行机构和回转机构中用做牵引绳，有时还用来捆扎货物。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 7。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 4。在这里我们选取安全系数 6n 。采用倍率 m=2 的滑轮组，钢丝绳绕入卷筒时，中间经过两个导向滑轮，滑轮的效率为，因此滑轮的总效率为 : 31 （ 3 计算钢丝绳绕入卷筒分支的最大静拉力 S 。最大提钻拉力时绕入卷筒的钢丝绳最大静拉力为 : （ 3 式中 0Q 额定起升载荷， 240 m 动滑轮倍率。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 11 将己知的数据代入上式得 : S （按安全系数 n 确定钢丝绳直径 d : （ 3 式中 0F 选取钢丝绳的整绳的破断拉力（； n 安全系数，机构工作级别取 n =6。代入数据得 : 选择力福订钢绳（上海）有限公司的威路配特种钢丝绳产品性能表确定应选取的钢丝绳最小直径 30d 其最小破断拉力为 878 轮的设计计算滑轮用于支撑钢丝绳，并能改变钢丝绳的走向，平衡钢丝绳分支的拉力。为减小钢丝绳的弯曲应力，提高钢丝绳的使用寿命，滑轮和卷筒直径与钢丝绳直径之间的关系必须满足如下条件 : 0（ 3 式中 0D 滑轮的名义直径， d 钢丝绳的直径， e 轮绳直径比系数，与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数，查起重机设计手册取 18e 。 54030180 取 5500 D（滑轮尺寸不大时做成实体的或铸造的，尺寸较大（一般大于 800 毫米）时，由轮缘、带肋板的轮幅和轮壳焊接而成者适宜于单件生产。所以这里采用铸造的滑轮。铸造滑轮的材料主要有一下几种：（ 1）铸铁（如滑轮的工艺性好，易于切削加工，而且对钢丝绳的损伤小，但因强度低且较脆，使用时易引起轮缘破裂；（ 2）球墨铸铁如滑轮的工艺性也好，有一定的强度和冲击韧性，使用时不易碎裂；（ 3）铸钢（如 5或 5）滑轮的强度和冲击韧性都较高，但工艺性稍差，而且由于绳槽表面硬度高，钢丝绳较易磨损。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 12 在轻级和中级工作类型起重机上可采用铸铁滑轮；在重级和特重级工作类型起重机上宜采用铸钢滑轮或球墨铸铁滑轮。这里采用滑轮结构如图 3 图 3轮卷扬的设计计算筒的类型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。筒主要尺寸的确定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 : 5103017)1( 取 540D （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） 13 d 为钢丝绳直径。（ 2）绳槽半径（ 3 （ 3）绳槽深度（ 3 （ 4）绳槽节距 344304 （ 3 （ 5）卷筒长度根据钻孔需要，要求绳长 50000l （又因 )( 2 （ 3 式中 z 每层有钢丝绳圈数； a 钢丝绳圈数。根据卷筒长度确定 10z ，带入公式 3求得 3a 。（ 6）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 30 d （筒的强度验算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）；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 A ；大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 14 e 许用压应力，对钢 e = 2s ， s 为钢的屈服极限。 ee 7 0 0 345B，强度符合要求，钢丝绳在卷筒上的采用楔块固定。力头的设计计算动力头的设计是本设计的核心部分，也是区别于其他长螺旋钻孔机的关键部位。在前面的章节已经对动力头的外部结构进行了介绍，下面先介绍一下螺旋动力头的内部结构，如图 3力头的动力来自相对于立柱对称的两个相同的液压马达，马达的将动力传递给与之配套的行星减速器。减速器通过小齿轮与大齿轮的啮合将动力传递给主轴。由于马达提供了高速低扭矩的动力，而行星减速器则能提供较大的变速比，所以由行星减速器进行一级变速再由大齿轮与小齿轮进行第二次变速。由于在钻进工况时需要一定压钻力，所以主轴需要承受向下的轴向载荷。在钻完孔之后需要将钻具提上来时，需要克服钻具、动力头自身的重力，螺旋侧面受的摩擦力及孔底端的真空负压力。主轴又受到巨大的向上的轴向力。所以在主轴安置了上下对称的圆锥磙子轴承，在下端安置了推力轴承。 1 2 3 45 6 7 8 圆锥磙子轴承图 3旋动力头内部结构大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 15 螺旋动力头的内部结构与钻头动力头的内部结构形式一致，这里主要介绍螺旋动力头的设计过程。力头马达及行星减速器的选取根据工况要求，主轴转速 801 n ，扭矩 81 。所以选择的马达需在减速后还能达到需要的扭矩。经查找有关资料，选择最大扭矩 4002 ，最高转速 0002 。由于是两个相同的马达同时工作，所以两个马达可提供 0 的扭矩，满足 8 扭矩要求。减速器选择博世力士乐公司的星减速器。减速器传动比 i 。那么小齿轮与齿轮的传动比的选取与螺旋动力头马达、减速器的选择方式同样，最终选择博世力士乐公司的速器为力士乐公司的齿轮的设计螺旋动力头齿轮的设计根据计算可得小齿轮转速 rp ，扭矩 42 。材料用渗碳处理。齿轮参数见表 3 表 3轮参数表参数大齿轮小齿轮模数（ m） 14 齿数（ Z） 41 18 齿宽（ b） 120 125 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 16 续表齿轮参数表中心距（0a） 413 压力角（） 20 重合度（）钻头动力头齿轮的设计根据与动力头相关联的尺寸要求及传动要求确定齿轮参数如表表面淬火处理。 3轮参数表参数大齿轮小齿轮模数（ m） 10 齿数（ Z） 45 18 齿宽（ b） 80 85 中心距（0a） 295 压力角（） 20 重合度（）齿轮的校核根据齿轮强度校核公式进行齿轮接触疲劳强度校核： 12（ 3 （ 3 式中： T 小齿轮传递的扭矩， 24000 ； 1d 小齿轮节圆直径，对标准齿轮即为分度圆直径，材料弹性系数，载荷系数，取 = H 接触疲劳强度 8；大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 17 H 许用疲劳强度，带入数值得： 9050H 接触疲劳强度符合要求。根据齿根弯曲疲劳强度校核公式校核疲劳强度：（ 3 式中：齿形系数，取校正系数，取 F 许用疲劳强度，取 620 其余参数同上面接触疲劳强度参数。带入数值得： F 91 齿根弯曲疲劳强度符合要求。力头齿轮的校核钻头动力头齿轮的校核过程与上节中螺旋动力头齿轮的过程相同。符合接触疲劳强度和弯曲疲劳强度要求。头和立柱的有限元分析鹅头与立柱是支撑钻具与动力头的关键部件，其强度在钻孔的各种工况中都应满足要求要求。由于在上、中、下三节立柱中，上立柱只靠螺栓和铰耳与中立柱连接，受力情况最差，所以这里只分析鹅头与上立柱，如图 3 分析可知，立柱主要载荷形式为偏心压弯和扭转。当钻进时，动力减速器回转，带动钻杆和钻具进行钻孔作业，钻具将掘削岩土所产生的阻力矩传给立柱 ;钻进的同时卷扬机释放钢妊绳，鹅头处载荷较小，一般情况下可以忽略，这时立柱的主要载荷为扭转。当提钻时，钻具一般不回转，只有卷扬机克服钻杆、钻具、掘削下的土重以及孔侧壁的摩擦阻力等，将钻具提升至孔外，这时立柱主要载荷大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 18 为偏心受压。这两种形变一般情况下不是同时存在的 9。图 3头与上立柱钻工况分析这里采用的行静力分析。由于将鹅头与上立柱装配起来分析，网格很难划分过去，所以首先分析鹅头的受力情况，再将鹅头对上立柱的支反力加载在上立柱上对上立柱进行分析。现介绍鹅头的分析的数据报告如下：在对对鹅头进行受力分析时，载荷应加最大提钻力280于动力头处有一个动滑轮，所以鹅头上滑轮销轴处沿钢丝绳方向的分力都为140鹅头与立柱接触的钢板约束为固定几何体，将铰耳约束为固定铰链，力的方向及约束情况如图 3 图 3钻工况受力示意图大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 19 分析报告列表为表 3表 3图 3鹅头提钻工况应力分布图，图 3鹅头提钻工况位移分布图。表 3料属性号数实体名称材料质量体积 1 鹅头表 3格信息网格类型 : 实体网格单元大小 : 差 : 质 : 高单元数 : 11265 节数 : 23343 表 3作用力选择组单位总和 X 总和 Y 总和 Z 合力整个实体 N 24152 24152 表 3由实体力选择组单位总和 X 总和 Y 总和 Z 合力整个实体 N 3由体力矩选择组单位总和 X 总和 Y 总和 Z 合力整个实体 0 0 1 3头提钻工况应力分布图大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 20 图 3头提钻工况位移分布图由分析报告列表及应力、位移分布图可以得出：屈服力s=安全系数为 2，材料屈服强度为 345 。满足性能要求。对鹅头分析完之后，拾取约束处的举升反力，作为载荷加在上立柱上，分析报告表如表 3 3 33别为此工况上立柱应力分布图和位移分布图。表 3料属性号数实体名称材料质量体积 1 鹅头 m3 表 3作用力选择组单位总和 X 总和 Y 总和 Z 合力整个实体 N 22527 422527 表 3由实体力选择组单位总和 X 总和 Y 总和 Z 合力整个实体 N 3由体力矩选择组单位总和 X 总和 Y 总和 Z 合力整个实体 0 0 1庆石油学院本科生毕业设计（论文） 21 图 3立柱布图图 3立柱提钻工况位移分布图大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 22 由位移分布图可以看到，最大位移只有符合要求的。由应力分布图可以看出立柱受到的最大应力为料是安全系数为 2，则符合要求。探测部分点的应力情况如图 33相应点的应力值。图 3测点应力分布图图 3测点的应力值大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 23 由探测点的应力值可以看出，立柱应力分布情况并不是逐渐变化，绝大多数位置的应力值都在 25右，铰耳处为 130右，只有极小区域为 260以断定此处为歧义点。所以在取安全系数为 2 后是满足强度要求的。孔工况分析钻孔时动力头导向架将扭矩传递给立柱的导轨，这里将扭矩转化成两个相等的力 1F 、 2F 加载在立柱上，如图 3矩 0124821 。图 3立柱在钻孔工况受力分析分析结果如表 3 3 3 表 3例结果名称类型最小位置最大位置应力 1 力节 : 61798 （节 : 53858 （位移 1 位移 0 : 1131 （ 192.5 : 61805 （应变 1 对等应变元 : 30238 （元 : 24103 （大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 24 图 3立柱钻孔工况应力图图 3立柱钻孔工况位移图对应力及应变结果分析可知，最大应力为最大位移为符合要求。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 25 本章小结本章根据总体设计要求，完成了根据螺旋钻孔机的实际情况和设计要求，设计了起升机构（包括滑轮、钢丝绳、滚筒等）、配重机构及变幅机构；对双动力头进行结构设计，马达、减速器的选型，以及齿轮的强度校核；对鹅头及上立柱进行了有限元分析，证明设计符合工作和强度要求。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 26 第 4 章稳定性分析定性及计算方法定性长螺旋钻孔机的稳定性是指在最不利的倾覆线上的稳定力矩之和大于或等于倾覆力矩之和。钻孔机的所有零部件、总成由于自重引起的力矩和配重外伸引起的力矩都作为稳定力矩。对于可以变更的或者可以移动的零部件、凡是对钻孔机稳定性有影响的重力，均要考虑其最不利的值和最不利的位置。倾覆力矩主要是由特殊工况的外力和钻具、立柱自重引起的 10。定性计算螺旋钻孔机的抗倾覆稳定性是关系到螺旋钻孔机能否安全作业的重要指标。螺旋钻孔机是一种流动钻孔机械，其工作情况和一般起重机差不多。除了定点作业外，还可以能带载行驶。因此螺旋钻孔机的稳定性应考虑以下几种情况。（ 1）行驶稳定性螺旋钻孔机在行驶过程中，由于受各种外载荷的作用和受各种地面、气候条件的影响，当超过某一限度时，可能发生倾覆失稳。由于螺旋钻孔机只是正向工作，螺旋钻孔机得行驶失稳主要是正向。正向失稳是指螺旋钻孔机在道路不平的时候中心前后移动导致的前后倾翻。（ 2）钻孔稳定性螺旋钻孔机在定点作业过程中抵抗倾覆的能力称为起重稳定性。这里涉及的稳定性校核主要是指钻孔后的提钻稳定性，选定计算载荷是稳定性校核中应着重考虑的问题。螺旋钻孔机起提钻定性计算按规范规定图 4矩分布图大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 27 的工况和方法进行。螺旋钻孔机在外载荷作用下，对倾覆轴线的力矩之和大于或等于零（ 0M ）时，则认为螺旋钻孔机是稳定的。计算时规定起稳定作用的力矩为正，使起重机倾覆的力矩为负。起重机设计规范规定的工况是针对各种流动起重机的，而这些起重机相互差异都很大，适应的工作条件也不同，因此计算时比较难于操作。对于螺旋钻孔机的稳定性计算可以参考起重机设计规范，下面我们只对在无风静载工况下进行计算。在钻孔 15荷为 28t 情况下，稳定性校核表达式为 :公式（ 4如图 4 044113322 4 即 044113322 （ 4 式中 m 负载质量， t； 1m 立柱、鹅头、及其附件装置质量， t； 2m 配重机构质量， t； 3m 车体质量， t； 4m 动力头及钻具重量， t。 44113322 所以在无风静载工况下螺旋钻孔机不会发生倾覆事故。地比压计算履带底盘的长螺旋钻孔机是在推土机基础上逐渐发展起来的。由于作业条件和环境比较恶劣，因此计算接地比压十分重要。接地比压，是指公称（平均）接地比压。它等于机器的总重力与两条履带接地面积的比值，用公式表示为 : （ 4 式中 P 公称接地比压， G 机器的总重力， N； L 履带接地长度， b 履带板宽度，大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 28 由式 4算的公称比压是理想的平均比压。大部分螺旋钻孔机实际接比压往往不是均匀分布的，这是由于螺旋钻孔机的重心通常不在履带接地长度 L 的中央，并且在提钻工况下，重心发生了偏移。螺旋钻孔机与地面接触产生接地比压，该接地比压中的最大值即最大接地比压决定了承载螺旋钻孔机的道路路面的表面硬度。螺旋钻孔机各组成部分均产生履带接地比压，而在工作过程中在履带纵方向引起重量偏载。据分析：履带最大接地比压只可能出现在螺旋钻孔机最大工作幅度时。所以履带最大接地比压时只需分析这个位置即可。用公式表示为 : )61(2 11 （ 4 式中 e 载荷偏心矩， 300。带入数据得 MP 120 130061(80041202 3 1 5 0 0 0 本章小结本章进行了稳定性计算，包括抗倾覆性计算和接地比压计算两部分。抗倾覆性计算需要稳定性力矩大于倾覆力矩，防止螺旋钻孔机在额定载荷作用下发生翻车事故。接地比压计算求出螺旋钻孔机在工作中的最大接地比压，来保证其工作过

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