ZPCXJ700型支盘成型机结构及加工工艺设计

ZPCXJ700型支盘成型机结构及加工工艺设计摘要：支盘成型机是20世纪八十年代末期，由张俊生先生发明的挤扩多分支承力盘混凝土灌注桩技术的施工设备，已由最初的分支器经过1994年、1998年两次改进发展成为液压挤扩支盘成型机，通过大量理论研究和工况分析，支盘桩具有经济效益好，适应性强，对环境破坏小，沉降量小、施工工艺简单、单桩承载能力高等优点，对工程中节约成本具有重要的现实意义。这次设计是在继承了以上支盘成型机基本结构的基础上，通过实际工况分析后进行多处改进而完成的。具有支盘挤扩力大、拆卸方便，质量轻等优点。关键词：支盘成型机，支盘桩，增力液压缸ZPCXJ700typeBranch-trayMachinestructureandprocessingtechnologydesignAbstract：Branch-trayMachineisacreationofMrzhangjunshengaboutBranch-trayPicketconstructionequipmentinthe80softhe20thcentury.Ithasimprovedonhydraulicpressurepress-enlargeequipmentthrough1994and1998frominitialbranchimplement.Throughalargenumbertheoreticalresearchandanalyze.Branch-trayPickethavemanyadvantageaboutgreateconomicalbenefit，adaptability，cutdownenvironmentaldestroy，littlesedimentation,easyinoperation,onepicketbeartheweightofbigetc.Thereisaimportantbenefitforreducecostinginengineering.ThedesignhavemanyimprovefrompracticalworkcircumstancesanalyzethoughcarryontheearlyBranch-trayMachinebasicstructure.Ithasmanyadvantageofbigpress-enlargeforce,convenientdismount,masslightetc.Keyword：Branch-trayMachine，Branch-trayPicket，Add-forceHydraulic-pressureUrn目录1前言.12支盘成型机绪论.22.1基本理论.22.2支盘成型机定义.32.3支盘成型机的组成.32.4支盘成型机在施工中的常见问题.42.4.1设备的“上浮”与“下串”现象.52.5支盘成型机的产生及发展前景.73方案设计.83.1设计方案的提出及要求.83.2设计原始基本技术参数的确定.93.3机身工臂工作机构参数的确定.93.3.1工臂工作机构的计算.103.4增力液压缸行程的确定.114增力液压缸设计.134.1增力液压缸的草图设计.134.2增力液压缸各缸体内、外径的设计.144.3增力液压缸推、拉力的计算.154.4增力液压缸的主要结构件尺寸设计.164.4.1最小导向长度的确定.164.4.2增力液压缸缸底壁厚的计算.174.4.3增力液压缸活塞杆直径的计算.174.5增力液压缸各连接结构件尺寸设计和校验.184.5.1增力液压缸活塞杆连接半环(半环90)结构尺寸设计及强度校验:.184.5.2增力液压缸活柱和导向套连接半环强度校验.194.6增力液压缸密封圈的选择.205机身及工臂工作机构的设计.215.1机身及工臂工作机构的草图设计.215.2机身及增力液压缸连接装置的设计及校验计算.22I5.2.1增力液压缸缸外壁大三半环及其连接结构尺寸设计及校验:.225.3机身及工臂工作机构主要结构尺寸的设计.235.3.1机身侧板的结构设计及其截面强度效验.235.3.2销轴的尺寸设计及强度校验.245.3.3机身顶板的结构设计.255.4机身及工臂工作机构其它连接结构件的尺寸设计.255.4.1机身压头与油缸活柱头连接处的半环结构设计及其强度效验.26结论.28参考文献.29致谢.30附录.3101前言支盘成型机是20世纪八十年代末期，由张俊生先生发明的挤扩多分支承力盘混凝土灌注桩技术的施工设备，随着岩土工程技术的不断发展，桩基础技术日趋成熟，其应用范围不仅仅局限于建筑领域，在路基、桥梁、港口、深海平台、地下支护等方面的应用也日渐广泛，特别是随着计算机技术的不断应用，使桩的设计、施工及监控技术数值化，桩基技术朝着信息化方向发展。通过大量理论研究和工况分析，支盘桩具有经济效益好，适应性强，对环境破坏小，沉降量小、施工工艺简单、单桩承载能力高等优点，对于土木建筑工程中节约成本具有重要的现实意义。本次支盘成型机设计是在北京俊华地基工程技术集团公司发明的分支器及第一代（夯击式挤扩支盘成型机）和第二代（液压挤扩支盘成型机）的基础上通过实际工况分析后进行多处改进而完成的。本次设计是在郭永生老师及其它各位带课老师的悉心指导下完成的，在此表示衷心的感谢。限于编者水平有限，文中错误或不足之处再所难免，恳请批评指正。1图2.1支盘桩的外形结构图2支盘成型机绪论2.1基本理论支盘成型机理论是建立在支盘桩的应用理论的基础上的，支盘桩是一种新的桩型，是在普通灌注桩的基础上，根据不同土层可以挤扩多节支盘，提高了桩的承载能力。支盘桩是有20世纪80年代后期，由张俊生先生发明的挤扩多分支支承盘混凝土桩，是我国在建筑桩技术史上为人类做出的又一重大贡献。支盘桩是在原有等截面钻孔灌注桩的基础上发展而来的.是一种新型结构的钢筋混凝土灌注桩，它是利用仿生学的原理，根据树根的原理想象出来的，用现有的施工机具钻（冲）孔后，再向孔内放入专用的液压机扩设备，通过地面液压站控制挤扩设备弓压臂的扩张和收缩，并根据地质构造在适宜土层中挤扩成承力盘及分支。由于挤扩是三维静压，经挤密的周围土体和空腔内灌注的混泥土与桩身紧密地结合为一体，形成了挤扩支盘桩，发挥了桩土共同承力的作用。其结构如图2.1所示，位于桩身最上部的承力盘，称为上支盘或顶盘；位于桩身最下端的承力盘，称为下支盘或底盘；而位于桩身中部的承力盘叫做中支盘或中盘；位于桩身最上端的分支称为上分支，如果上分支以下的桩身上还有分支，那么都将其称为中分支，桩的底部不设分支。挤扩支盘桩与普通灌注桩相比具有显著的优点：1.具有显著的经济效益。由工况分析来看，其单方混凝土的承载力为普通灌注桩的两倍以上，即在同等承载力要求下，挤扩支盘桩比普通直孔桩节约40%-70%材料，节省工程造价20%-30%。2.对土层的适应性强。它在内陆冲击和洪积平原及沿海、河口部位的海陆交替层及三角洲平原下的硬塑性粘土、密实粉土、粉细砂层和中粗砂层等均适合作支2盘的持力层，具有很强的适应性。而且不受地下水位高低的限制。3.可减少对环境的破坏。在同等承载力的情况下与普通直孔灌注桩相比可大大减少泥浆排放量。由于采用液压挤压具有低噪音，无震动的优点，适合于人口稠密区的施工作业。4.沉将量小。由于支盘桩特殊的结构，支盘的存在分担了桩的大部分的竖直载荷，使桩底承受的应力大大减少。桩的整体沉降量根据土层的不同一般情况下可以减少50%-90%不等。5.施工工艺简单。支盘桩只是在普通孔桩安放钢筋笼之前增加了一道挤压支、盘工序。6.单桩承载能力高。由于支盘桩特殊的受力机理，支盘桩的承载力是普通混凝土的灌注桩的2-3倍，为预制桩的1.5-2倍。挤扩支盘桩不仅可以作为承载桩，也可以作为支扩桩、抗拔桩和承载较大的水平桩、和复合地桩。挤扩支盘桩的出现，对于解决灌注桩的许多技术缺陷，提高和改进灌注桩的承载性有着重大的影响和改进，是一项重要的新技术成果。2.2支盘成型机定义支盘成型机由于还处于研究和不断的改进阶段，并没有形成完整统一的命名及进行系列的开发。现阶段我们对它定义为；制作支盘桩的成型机，简称支盘成型机。在支盘桩工程施工中，用于实现支、盘成型的专利建筑机械设备叫做支盘成型设备或支盘成型机。2.3支盘成型机的组成3液压支盘成型机是实现支盘桩成型的最主要的部件，但是它只是实现支盘成型中的一部分，整个支盘成型过程如图2.3所示它是由（1）主机、（2）接长管、（3）液压站、（4）液压胶管、（5）孔口定位装置、（6）起重机组成，其工作原理为：液压油从液压站通过液压胶管注入主机的液压缸，液压缸推动主机的工臂支开形成支盘桩的盘形。液压支盘成型机结构如图2.2所示，主要由液压缸和机身两部分组成，液压缸与机身之间通过三半环进行连接，改变了以前螺栓连接弊端，可以进行方便的安装与拆卸，液压缸活塞杆的伸出端通过销轴与连接头的上端连接，连接头的下端通过销轴与挤扩工作机构中的工臂相连接；在压力液体的作用下，通过活塞杆的直线往复运动，带动工臂工作机构进行支盘挤扩作业施工。2.4支盘成型机在施工中的常见问题支盘桩施工过程中，一种特殊现象要引起特别的注意，那就是实施支盘挤扩的过程中，能明显地看到位于桩孔内的主机和接长杆随着工臂的挤扩，出现机体“上浮”或者“下窜”的现象。上浮时，机体会倾斜，同时起重机吊钩会松绳，有时上浮量会很大，达到几百毫米，这样就有可能出现机体刮削孔壁的现象，因此孔口定位装置一定要科学合理，确保接长杆的中心线与桩孔中心线重合。下窜时，起吊钢丝绳被拉紧，如果不能及图2.2液压支盘成型机结构图2.3液压支盘成型机支盘过程主要部件4时松绳，可能会导致出现起重机被拖拉倾斜的事故。所以，这个时候往往需要起重机及时松绳，但一次挤扩动作完成后，随着支盘成型机活塞杆的缩回，要操作起吊钢丝绳复位，为下一次挤扩操作做好准备，以确保支盘空腔的正确位置。上浮和下窜现象的发生，在施工中一直是一个非常敏感而且有争议的问题，常常造成施工人员的恐慌，引起施工管理人员，包括工程监理甚至施工单位人员对施工质量产生怀疑。因此我们有必要对这个问题进行分析。2.4.1设备的“上浮”与“下串”现象如图2.2所示，支盘成型机是通过主机中的液压缸推动一个四连杆（工臂）机构运动，用工臂挤扩钻孔孔壁，型成若干分支或支盘空间。然而，由于支盘成型机结构及施工的特殊性，支盘成型机在挤扩孔壁过程中常发生如下现象：1.“上浮”现象上浮是指支盘成型机在钻孔内实施支盘挤扩成型作业时，位于钻孔中的主机、接长管部件有较为明显的整体向上移动的现象。支盘成型机挤扩支盘作业时，在液压活塞杆的推动下，工臂从主机机身内伸出挤扩孔壁，当伸出一定量（液压缸活塞推移一定行程）时，工臂与土层接触面积达到某一值，同时地基土被挤压密实，土的反力增大到相应数值；随着工臂的继续支出，土的反力已大到足够使设备整体向上移动，便出现设备的上浮现象，如图2.4中V1方向所示，直至液压缸达到工作行程为止。此时，用于吊挂设备的钢丝绳套和起重机）起重绳松弛。挤扩完成后，液压缸反向进油，工臂逐渐收回的过程中，主机部分又开始下降，并返回到挤扩前的原始位置。2.“下窜”现象图2.4设备在钻孔中的位置及上浮和下窜5与上述现象相反，有时在挤扩过程中，随着工臂的支出，设备会出现整体向下移动的现象，这种现象在施工过程中被称为“下窜”，如图2.4中V2方向所示。此时，必须同时开动起重设备，慢速下放主机，直至液压缸达到其工作行程时，起重绳略有松弛为止。当液压缸反向进液时，主机不会自动向上复位，而是需要起重设备向上提升主机至原始位置。结论和要求：通过上述理论分析和大量的工程施工实践，可总结出如下结论和施工要求：（1）设备在挤扩过程中的上浮（或下窜）现象的发生，是由内外两个因素所决定。其内因是工作机构运动的自由度大于具有确定运动的自由度，外因是挤扩成型过程中地基土对支盘机工臂土反力的变化。因为这两个因素是不可避免的，所以设备上浮与下窜现象是支盘成型机在挤扩过程中表现出的正常的机械运动型式。（2）由于地基土层结构的多样性和复杂性，上浮（或下窜）现象的存在可以动态地自动调节作用力与工作阻力之间的平衡，从而保证设备工作机构不至于因过载而损坏。（3）由于上浮（或下窜）现象的存在，使上、下工臂所挤扩土层的密实度趋于均匀，可防止盘腔上壁的坍塌，保证支盘空间的成型质量。（4）设备的上浮或下窜可以使支盘成型型状更接近于设计要求，既能保证桩基性能，又能节约建筑材料。（5）从施工角度来看，设备上浮或下窜可以从接长管的上下移动来观察和测量。从而成为支盘挤扩成型过程中的又一监测手段。（6）上浮使得成型后支盘的位置，与设备入孔后工臂两中支点中心连线的初始位置趋于接近。因此在确定设备入孔下放深度和盘位标高时，可以中支点的轴心距孔口基准标高的距离来确定支盘的位置，有利于支盘的准确定位。（7）上浮现象发生后，工臂在收回过程中下工臂可能会对孔壁土产生新的扰动，造成成型后支盘空间下端面与孔壁交接处产生挤压塌落现象，从而影响支盘空间的规则型状。其影响程度的大小要视土层特性而定，经过大量的工程施工实践证明，一般认为不会造成对支盘桩承载力有大的影响。（8）下窜现象发生后，起吊钢丝绳被拉紧，必须及时松绳，否则可能导致出现重大事故；但随着支盘成型机活塞杆的缩回，要立即操作起吊钢丝绳复位，否则会影响支盘的规则成型，无法保证施工质量。6（9）施工前，施工技术人员要深刻领会设计要求，认真阅读工程地质等有关资料，做到对可能出现的上浮或下窜现象有准确的判断，充分的思想准备，施工指挥人员要指挥正确，施工操作人员要配合默契。2.5支盘成型机的产生及发展前景支盘成型设备诞生于上世纪九十年代是支盘桩发明及其在施工中的产物，为了实现支盘桩技术的推广和应用，北京俊华地基工程技术集团公司便致力与支盘桩成型机的研发工作经过不懈的努力终于在1992年诞生了简易支盘成型机也叫分支器。1994、1998年后通过分支器终结经验和研究开发出第一代（夯击式挤扩支盘成型机）第二代（液压挤扩支盘成型机），虽然通过多次改进，工作原理和总体结构基本相同。目前，现有支盘成型机存在着很多需要改进的地方主要表现在：(1)整机结构分散，主机重量大(2)机械化作业程度低，安全保障措施相对落后(3)施工配套设备费用高，施工成本相对较大(4)施工质量保证手段不够准确2000年开始了进行第三代支盘成型机的开发与研制，本次设计便是对结合第三代支盘成型机800mm桩孔直径的基础上进行的系列化开发与设计。功能的完整性、结构的合理性、操作的机械化以及控制的自动化，是支盘成型设备开发研制的方向和发展的必然趋势。追求设备较大的适用范围、较高的工作效率、最低的事故和故障率、简易的维修过程和可靠而安全的施工操作，是支盘成型设备开发研制的永恒目标。虽然由于种种因素的制约和影响，使支盘成型设备的研发和产品更新步伐较为缓慢，但是，我们依然坚信，不久的将来，伴随着支盘桩技术的逐步发展和日渐成熟，微电子技术和机、电、液一体化技术以及相关高新科学技术在支盘成型设备研制中的应用，将使更为先进的支盘成型机的问世指日可待。必将带动支盘成型设备向着机械化操作、半自动化或自动化控制的高技术含量的一体化机械设备的方向发展。73方案设计此次设计的支盘成型机是在原有液压支盘成型机的设计的基础上加以改进的，整个设计基本延续了以往的结构型式和结构功能，并在此基础上结合实际施工中发现的设计缺陷及不合理之处进行了大量的改进，使之逐步完善。3.1设计方案的提出及要求根据对原有液压支盘成型机的工况分析来看，在实际施工过程中常会出现以下故障（主机工作机构销轴的断裂，工臂断裂，机身裂纹或断裂，液压缸于机身连接螺栓的断裂等）因此在此次设计中提出以下设计方案。1）解决原支盘成型机存在的缺陷通过整机和各零部件的工作原理和结构设计，使成型机工作性能更加安全可靠，大幅度降低故障的发生。（1）各个零部件，主要是工作机构的工臂、销轴、机身等的结构设计、材料等要合理选用，保证零件的强度和综合性能；（2）各连接部件，尤其是接长杆与液压缸底端、机身与液压缸端部连接的结构设计，要保证连接强度；（3）液压胶管在施工过程中随着主机作业在孔中上下移动，设计液压胶管与接长杆之间合理的固定方式，保证液压胶管的安全工作。2）改善工作性能通过设计改善或提高设备的工作性能：（1）工作机构原理和性能的改进设计工作机构仍然选用复合平面四连杆机构，如图3.1所示，主要运动特征做适当的调整和改善。充分利用钻孔所限定的空间，通过采用新材料、新工艺等技术手段提高设备的挤扩能力，扩大其适用范围；（2）液压系统性能的改进设计在现有技术能力的基础上，提高液压系统的额定工作压力和最大工作压力；通过合理的结构设计，保证液压缸活塞杆在最大推移行程范围内不发生变型现象；图3.1复合平面四连杆机构8除了有足够的动力外，要在保证设备的控制和操作简单、作业可靠的同时，注意在支盘成型质量检验和检查方面进行改进，并使系统具有良好的维修性。3.2设计原始基本技术参数的确定作为支盘成型机的设计基本参数主要有以下几个：桩孔直径桩孔直径是由钻孔设备的钻头直径规格而给出的。zd机身直径主机的最大外径应小于桩孔直径保证主机能够正常出入钻孔，理论上j应按照=-。=20-60mm，桩孔直径越大，越大。jdzdd理论盘径是指支盘成型机挤压成型后所能达到的最大盘径，但由于受到各种地pD质土层受力机理的不同至今还未型成成熟的理论由施工经验一般按=2.5取值。pzd液压系统的工作压力P此次设计经综合考虑（挤扩能力，材料，液压缸结构尺寸）后确定额定压力为25Mpaz最大工作压力为31.5Mpa。表3.1设计基本参数3.3机身工臂工作机构参数的确定由支盘成型机初步设计方按确定工臂工作机构的工作简图如图3.2所示，按照支盘成型机的基本要求和原始技术参数，就可以对机构几何参数进行计算。几何参数计算的主要原则就是要保证机构的整体尺寸满足空间结构要求，符合支盘成型机的尺寸要求。液压系统工作压力P/Mpa桩孔直径/mmzd机身直径/mmj最大工作压力mp额定工作压力ep理论盘径/mmD支盘成型角/70065031.5252.5zd7292k11s22挤扩初始位置挤扩终了位置各参数含义如下；（1）上工臂的长度ls：结构设计中上工臂两端铰接的中心距离；（2）下工臂的长度lx：结构设计中下工臂两端铰接的中心距离；（3）上工臂的水平倾角：即支盘的盘顶倾角；2s（4）下工臂的水平倾角：即支盘的盘底倾角；x（5）上工臂与下工臂中心线之间的夹角2：即支盘的成型角；（6）支盘直径DP；（7）中轴中心距2k2；（8）工臂宽度B；（9）桩孔直径。sd3.3.1工臂工作机构的计算上工臂的水平倾角2s图3.210=-=-=2s2x736理论盘径pD=2.5=2.5700=1750mmpzd由于存在着工臂的宽度B，所以在挤扩初始位置时计算中轴中心距时不能直接代2=2（/2-r）,而应考虑工臂宽度的影1kjd响计算出实际2，具体计算方法如下所示：1k见图3.3所示：取B=1/2=1/2700=350mmzd=273.861mm1k22)/()/(bj22)/350()/6(初始中轴中心距2=2（-r）=2（273.861-120）=307.722mm1k1终了中轴中心距2=-2r=1750-2120=1510mmpD上工臂的长度=755/cos36=933.231mmsl2cos/下工臂的长度=xl工臂取整选mm930sl表3.2工臂机构参数3.4增力液压缸行程的确定增力液压缸行程的确定是根据工臂由初始位置到支盘挤压成型后所走过的垂直距离，由图3.2及以上计算结果可求出：初始下轴/上轴到中轴中心距垂直高度：桩孔直径/mmzd机身直径/mmj理论盘径/mmpD工臂连接头半径R/mm支盘底角/2x支盘成型角/2工臂宽度B/mm7006502.5zd1203672350中轴图3.工臂宽度计算11=917.184mm1sxH22861.5390下轴/上轴到中轴中心距垂直高度mm04.722Sx液压缸行程H748.32mm)()(21sxsxH行程根据现代机械设计手册表6.6选H=700mm反代当行程圆整后计算支盘桩的成型角，为了使支盘的承力尽量达到理想状态，2由经验得出，应使支盘的成型角不小于72917.184-700=1134.368mmH12sin567.184/930S237=7472满足要求22124增力液压缸设计由于支盘成型机只能在有限的桩孔范围内进行工作，液压缸的缸径受到了限制，但同时支盘桩的成型需要较大的挤扩动力，因此一般的液压缸不能满足要求。本次设计中我们采用增力液压缸设计技术，由于它采用了内外两缸双层活塞推力，显著的提高了设备的挤扩能力，使用增力液压缸后，支盘成型机的推力可提高32.3%。4.1增力液压缸的草图设计增力液压缸其结构如图4.1所示：增力液压缸的工作和增力原理：当换向阀接通挤扩位置时，液压油从a孔进入外缸大活塞腔，在大活塞4及活柱5和导向套6等组成的大活塞组合体的有效环型面积上产生向右的推力F1，推动大活塞及活柱向外伸出；大活塞底部空间的液压油经小活塞径向孔b、轴向孔c进入小活塞的右腔，在活柱的内腔端面产生向右的推力F2，F1和F2共同作用，推动活柱向右移动，实现主机工作机构挤扩动作。随着活柱的右移，小活塞和导向套等型成的空间将逐渐减小，其中的油液经孔d流入大活塞的右腔，并经e孔流回油箱。当换向阀接通回缩位置时，液压油从e孔进入大活塞右腔，活柱回缩；此时，小活塞和导向套等型成的空间将逐渐增大，液压油经d孔进入其内，小活塞右腔空间逐渐减小，其油液经轴向孔c、径向孔b，通过大活塞端腔，经a孔流回油箱。图4.1增力液压缸结构原理简图134.2增力液压缸各缸体内、外径的设计增力液压缸直径由于受到本身桩孔直径的限制，为了增大其推力壁厚的计算与校核应按照在满足强度要求的情况下尽量减少壁厚，增大油缸内径，提高液压缸的推力为宗旨，油缸计算出的壁厚应进行圆整，并应根据机械设计手册尽量选用标准值。按中等壁厚计算：试验压力(Mpa),当工作压力p16MPa时,油缸设计按中等壁厚进行计算，取yp1.25py缸体材料的许用应力：=196Mpanb5980缸体材料的抗拉强度（Mpa）bn安全系数，一般取n=5(1)增力液压缸外壁厚度计算=1ypD3.2253196.201419.55=13000-62.51=30.53壁厚取整=35mm1=-2=520-235=450mm内1D外根据现代机械设计手册液压缸内径尺寸表6.4选=450mm内1D(2)增力液压缸内壁厚度计算=2yp3.25.196.205375.8=13000-502=20.54壁厚取整=20mm214图4.2增力液压缸结构简图=-2=350-220=310mm内2D外2根据现代机械设计手册液压缸内径尺寸表6.4选=320mm内2D4.3增力液压缸推、拉力的计算增力液压缸推拉力直接决定着支盘桩的挤扩能力的大小,是支盘桩机身设计的基本数据.为机身各零件的强度设计提供重要的技术参数，增压缸结构如图4.2所示1)根据增力液压缸直径尺寸计算推力液压缸推力为:KNPAF85.60122407.9推推34.7maxmax推推2)根据增力液压缸直径尺寸计算推力液压缸回油时的推力为:KNPAF31972512786.拉拉2214-4=dD内外内拉2214-4=内内推DdA26.301502.14035015KNPAF402831.512786.maxmax拉拉4.4增力液压缸的主要结构件尺寸设计4.4.1最小导向长度的确定当活塞杆全部伸出时,从活塞支撑面中点到导向滑动面中点的距离称为最小导向长度H,如图4.3所示如果导向长度过小,将一使液压缸的初始挠度增大,影响液压缸的稳定性,因此设计时必须保障最小导向长度.对于一般的液压缸其最小导向长度因满足以下公式要求:20DLH式中L-液压缸最大行程;D-缸筒内径;一般导向套滑动面的长度A,在缸内径D80(mm)以后取活塞杆直径的(0.61.0)倍;活塞的宽度则取缸内径的(0.6-1.0)倍.为了保证最小导向长度,过分增大倒向套长度和活塞宽度都是不适宜的,最好在导向套和活塞之间装一隔套(图中的K),隔套的宽度C由所须的最小导向长度决定.采用隔套不仅能保证最小导向长度,还可以改善导向套及活塞的通用性.本液压缸最小导向长度为:H20DLL370HABK图4.增力液压缸结构简图1624507260mm取H=270mm根据上述原则确定:B=350(0.61.0)=240mmA=450(0.61.0)=270mm=445mm2BA-HC4.4.2增力液压缸缸底壁厚的计算增力液压缸缸底设计由机械设计手册可选用平型缸底公式进行设计yPDh43.0式中h缸底厚度（m）D液压缸内径（m）实验压力（Mpa）yP缸底材料的许用应力（Mpa）yh43.01=0.43315.=94.1mm取=110mmhyPDh43.02=0.433135.2.=66.9mm取70mm2h4.4.3增力液压缸活塞杆直径的计算17套环半环小活塞活塞杆图4.二半环连接方式由机械设计手册可知活塞杆的直径d的计算有两种方法：(1)根据速度比的要求来计算活塞杆d；(2)根据强度要求来计算活塞杆的直径d,本次设计按照第二种方法进行初步确定活塞杆的直径。（活塞杆安全系数取1.8）当活塞杆在稳定状态下,仅承受轴向载荷时,活塞杆直径按简单抗拉压强度计算.此时Fd4式中-活塞杆材料的许用应力(Mpa)活塞杆的材料选40GrFd463104.758140mm取d=140mm4.5增力液压缸各连接结构件尺寸设计和校验4.5.1增力液压缸活塞杆连接半环(半环90)结构尺寸设计及强度校验:1.半环强度校验增力液压缸的活塞杆与活塞杆连接处采用二半环进行连接，由套环进行固定，半环所承受的力主要为液压缸在回程时油液的推力,校验时1F推力应按照根据油液回油最大压强来校核。活塞杆与小活塞连接处的轴肩处n-n面主要承受的挤压力.为增力液压缸二次推力.推力大2F2小计算如下，连接结构图如图4.4所示：由图及所选材料可知（小活塞的材料选45，半环的材料选40Gr，活塞杆的材料选1840Gr）需要校验的截面有小活塞的挤压面n-n活塞杆的剪切面x-x挤压面y-y半环的剪切面m-m小活塞回程推力为：1FKNAF5.20483.59.35.11小活塞二次推力为：22220.7630(4mD）（）内5.7463.15.321）半环Y-Y截面上所受的挤压应力为:jyyyMpaAF81)09(4.212）半环M-M截面上所受的剪切应力为:pardm5.241903.8205.1半2校验活塞三半环周围各结构尺寸的强度:1）活塞杆上X-X截面上所受的剪切应力为:MpaAFXX1.263570.4812）活塞杆上N-N面上所受的挤压应力为：jynnpad258)9014(3)(412212强度满足4.5.2增力液压缸活柱和导向套连接半环强度校验此处同样采用三半环进行连接，三半环所受到的力主要为，同上为液压缸1F回油时产生的推力。连接结构如图4.5所示：由图及所选材料可知，由于三半环材料的抗拉强度大于导向套，因此此处主要校核的截面为导向套的挤压面M-M，三半环的剪切面N-N（三半环的材料为40Gr导2297.63)1(4)(4d内半环宽度可选25mm许用挤压应力为活塞材料4519向套的材料为45）1）导向套挤压面校核：MpaAFm5.2630541.282）三半环剪切面设计：n15.23.048Bm7取半环的宽度为B=15mm因此强度满足4.6增力液压缸密封圈的选择密封的功用就是阻止泄露或防止外界杂质的侵入设备内部起密封作用的零部件称为密封件。密封件选择的基本要求就是严密、寿命长、简单、维护方便、成本低廉。大多数密封件属于易损件，应保持良好的互换性，系列化。在液压缸的工作过程中为了避免油液的泄露及保证油缸的正常工作，本次设计中根据密封件的选择原则在增力液压缸中采用了多种密封件，有蕾型密封圈、鼓型密封圈、O型密封圈、橡胶防尘密封圈等。O型密封圈静密封效果好，寿命长结构紧凑，装拆方便，增力液压缸中主要用于导向套与液压缸缸壁之间的静密封。蕾型密封圈主要用于单向密封。鼓型密封圈主要用于活塞及活塞杆的双向密封，本增力液压缸主要用于活塞与缸体的双向密封。导向套三半环活塞杆图4.5三半环连接方式205机身及工臂工作机构的设计5.1机身及工臂工作机构的草图设计这次设计的支盘成型机是在在YZJ型系列支盘成型机结构和功能上进行的改进，比以往的设备有较大的改进和调整。以下介绍此支盘成型机的1.主机结构及工作原理主机结构特征如图5.1（a）为液压支盘成型机主机结构简图，图中所示的位置正是主机在钻孔中工作状态下的位置。主机的上部为液压缸，液压缸的缸底焊接有连接筒11，施工时将接长管下端套装在连接筒上，用销轴将主机与接长管连接起来；施工完毕，再将销轴抽出使主机和接长管分离。主机的下部为主机头，主机头由上下工臂、机身、连接头和销轴等零部件组成挤扩工作机构，机身6通过三半环及螺栓10与液压缸体活塞杆端的法兰连接；连接头（也称大压头）9装在活塞杆端，他们之间为螺纹连接型式（有些设备中可能采用销轴连接型式），连接头的周向槽内设计有活塞杆导向块3，活塞杆往复运动时，导向块与机身内的凸起导轨接触，防止工作机构两侧受力不均衡时活塞杆产生较大的弯曲变型。由工臂组成的四连杆复合工作机构是挤扩工作机构中的主要构件，包括对称安装的上工臂4、下工臂5以及销轴等。结构设计中，中轴用于上、下工臂之间的装配连接；上轴用于连接头与上工臂之间的装配连接；下轴用于机身铰接座与下工臂之间的装配连接，它们均为无润滑的铰接装配结构。机身的外型为圆柱型，适合主机在钻孔中的上下移位和旋转。除切刀外，主机的最大外径尺寸取决于机身的最大外径，而该值的大小受限于钻孔的直径。工作机构的所有零部件均安装于该尺寸范围之内，以保证主机上下孔移动时无卡阻现象。机身内表面上设计有纵向导轨，挤扩过程中导向块3沿导轨运行，控制活塞杆伸出液压缸一定长度后所产生的变型量，避免出现漏油或活塞杆拉伤等严重故障。由于主机头的各主要零部件结构型状比较复杂，所以大多采用合金铸钢材料。21工臂挤扩或回缩的极限位置是通过液压缸活塞的行程来控制的。主机工作原理主机工作原理简图，如图5.1（b）所示。进行挤扩施工时，液压站高压油进入液压缸的活塞腔，活塞杆向缸外伸出，通过连接头和上轴压迫上工臂，连动中轴和下工臂一起挤扩桩孔孔壁；随着活塞行程的增大，工臂挤扩孔壁的直径逐渐扩大，直至活塞移动达到设计给定的最大行程为止，同时，活塞杆腔的低压油通过回油管路返回液压站油箱。我们把这个过程叫做挤扩过程。当液压站反向供液时，活塞杆回缩，拖动上、下工臂向机身内收缩，直到上、下工臂恢复至原始位置。我们把这个过程叫做回缩过程。每完成一次挤扩和回缩过程，叫做一个分支的挤扩循环。5.2机身及增力液压缸连接装置的设计及校验计算5.2.1增力液压缸缸外壁大三半环及其连接结构尺寸设计及校验:机身和增力液压缸之间的连接装置主要通过大三半环，它是将一个完整的环切割成三部分，可分别进行安装，然后拼装成一个完整的环，通过大压盖进行支撑，它很好的解决了机身与增力液压缸的安装与拆卸。具体连接方式如图5.2所示：液压缸2.活塞杆3导向块4.上工臂5下工臂下轴7中轴8上轴9连接头10连接螺栓1连接筒图型支盘成型主机结构及原理简图22由图可知需要效验的截面有大三半环的剪切面s-s挤压面n-n大连接体的剪切面m-m拉伸面l-l，（大连接体的材料15MnTi大三半环的材料为40Gr校验时按油缸的最大推力进行计算）1）三半环所受的切应力为:2DFs推=5708.6=142Mpa半2）大连接体所受的切应力为:Mpa1.863592.0DFm推大3）三半环所受挤压应力为:半推jynMPad290548701.41224）大连接体所受拉应力为:PaDFl9526041.12推拉强度满足5.3机身及工臂工作机构主要结构尺寸的设计5.3.1机身侧板的结构设计及其截面强度效验机身侧板在支盘桩挤扩支盘时主要承受增力液压缸的推力，侧板材料在选择时不仅要考虑应具有足够抗拉强度同时还应具有良好的焊接性能和一定的耐摩性。我图5.2大三半环连接方式大连接体大三半环大压盖增力液压缸23们在这里选择16Mn材料。侧板的厚度一般根据抗拉强度进行校验，然后根据机械设计手册中钢板厚度优先尺寸系列进行选取。由机身侧板的工作原理设计其结构尺寸，如图5.3可知应对机身的两个危险截面（1）（2）应进行效验。(侧板材料选用16Mn,许用抗拉强度=180Mpa=275Mpa)bs1）截面（1）的侧板厚度选为50mm,对截面（1）进行效验:MpaAF146502350421.781侧推b2)截面（2）的侧板厚度选为80mm，对截面（2）进行效验:paAF170420560538214.782侧推b强度满足机身侧板在选择时应进行多次校验，使之在抗拉强度满足的条件下尽量选择薄钢板，可以有效的降低机身的整体质量，并节约成本。5.3.2销轴的尺寸设计及强度校验在机身工臂工作机构中销轴起着十分重要的作用，它是实现工臂与压头及压头图侧板结构简图24与机身的连接（上轴），内工臂与外工臂的连接（中轴），工臂与机身连接（下轴）的重要部件。而且通过对工况的分析它也是整个支盘桩最容易发生故障的关键部件，它的损坏有可能导致工臂被卡在桩孔内不能拔出，对于整个液压支盘桩的破坏是致命的，因此对于销轴部件的选材、结构尺寸、装配方式的设计等都是十分重要的，经过综合考虑我们这里选择27SiMn通过对机构的结构设计和受力状态分析可以看出，销轴基本上处于承受剪切力的作用的状态，但由于销轴在支盘挤压成型过程中的受力面是不断变化的，受到很多不确定因素的影响，因此在以下轴的校核过程中我们只能对轴的受力作简单的定量分析，然后留较大的安全欲度。为轴的设计及选择做一定的参考油缸的最大推力为6751.557N销轴材料27SiMn许用剪应力=250Mpa大压头材料35GrMnSi（1）对上轴的设计及校核：由图可知上轴有四个面受到剪切应力的作用,由剪应力公式：AF4max412axD503.78m6选轴径D=120mm由于中轴与下轴的剪切面都为四个，因此它们的最大剪切受力都不会超过上轴，并且由于中轴受力变化复杂对它难以得出一个准确的计算结果，因此我们只能保守选取中轴和下轴的直径都为120mm。5.3.3机身顶板的结构设计机身顶板是支盘成型机在挤压成型过程中与土层表面直接进行接触的的部件,最终型成挤扩分支型状,因此在设计的过程中必须要保证其足够的强度,另外在长时间的挤压过程中由于要与土层和土层中夹杂的石块石粒进行摩擦而造成磨损,材料应具备很好的耐磨性,还应具有良好的焊接性能，因此要综和各方面的因数来确定顶板的25厚度.5.4机身及工臂工作机构其它连接结构件的尺寸设计5.4.1机身压头与油缸活柱头连接处的半环结构设计及其强度效验机身压头与油缸活柱头连接处的三半环承受的力主要为油缸回油时的拉力，其拉力主要为工臂的自重，拉力的大小最大不应超过油缸的回油拉力。连接方式如图5.4所示：由图可知需要校核的危险截面为三半环挤压面m-m剪切面n-n根据设计结构尺寸校核其强度(半环材料:40Gr活柱头材料:27SiMn大压头材料:35GrMnSi)1）三半环剪切面n-n的切应力为：MpaAF6.24068拉2）三半环挤压面m-m的挤压应力为：jyjypaAF9.5124026182拉强度满足小压盖三半环活柱头大连接体图5.4三半环连接方式26表5.1材料的力学性能及许用应力b/Mpas/Mpa/拉Mpa/jyMpa/Mpa油缸及机身零件16Mn58027515225891侧板，顶板35GrMnSi162012806401088384压头40Gr980785460828276三半环，活塞杆，二半环27SiMn980835417708250油缸，活柱头，ZG27050050027015025590缸底38GrMoAl980835463787277导向条15MnTi510660375208353124大连接体45600355197334118活塞取2.51s拉8.17sn拉)8.17(jy拉6.0力学性能材料27结论这次支盘桩成机的设计是我对四年所学知识的一次汇总，在整个设计过程中用运到了液压与气压传动互换性与测量技术、机械设计等多门课程，设计过程中使我对增力液压缸有了更深刻的了解，它采用了内外两缸双层活塞推力，显著提高了设备的挤扩能力。还有对零件之间的连接结构件的选择与掌握；对支盘成型机的结构有了更清晰的了解。还提高了解决实际问题的能力。如调查研究、查阅文献和收集资料并进行分析的能力；制订设计或