【机械工程及自动化】sr200c型旋挖钻机的液压系统设计

毕业设计SR200C型旋挖钻机的液压系统设计院系机械学院设计完成时间2015年6月摘要不知不觉大学四年快要结束了，这次的毕业设计是我在这四年大学的一个检验，我做的是旋挖钻机的液压系统，在这次设计之前，经过老师的指导以及各种途径的查找资料，我首先确定了选型，知道了旋挖钻机的用途，并把旋挖钻机的型号定为SR200C，然后查找并研究了旋挖钻机的发展历程以及国内外的发展状况，让我对旋挖钻机有了进一步的了解，接下来开始对SR200C型旋挖钻机的设计，先确定旋挖钻机的整机布置，并确定设计参数，然后进行工况分析，钻进的工况分析，卷扬工况分析以及变幅和行走工况分析，接着设计回路，有泵控回路，动力头回转回路，加压回路，主、副卷扬回路，变幅回路，行走回路，然后是各种液压马达的计算，动力头，主卷扬，副卷扬，还有行走马达。设计液压系统少不了对液压缸的设计，旋挖钻机有3个油缸，分别是，加压油缸，动臂变幅油缸，钻杆变幅油缸，然后我选择确定泵的流量和工作压力，接下来确定主油管的管径，然后确定油箱的容量，然后进行系统的功率损失验算以及温升验算，最近进行旋挖钻机的技术与经济分析得出结论。然后开始绘图，整个设计从开始的选型到最后的绘图，让我对旋挖钻机有了一定的认识与了解，也增强了我的自主学习的能力。ABSTRACTUNCONSCIOUSLYATTHEUNIVERSITYOFFOURYEARSCOMINGTOANEND,THISISMYGRADUATIONDESIGNINTHESEFOURYEARSATTHEUNIVERSITYOFATEST,IDOISROTATINGDRILLHYDRAULICSYSTEM,BEFORETHISDESIGN,THROUGHTHEGUIDANCEOFTHETEACHERASWELLASAVARIETYOFWAYSTOFINDINFORMATION,IFIRSTDETERMINETHESELECTION,KNOWTHEPURPOSEOFTHEROTATINGDRILL,ANDTHEROTATINGDRILLMODELASSR200C,THENFINDANDSTUDYTHEDEVELOPMENTCOURSEOFTHEROTATINGDRILLANDDEVELOPMENTSITUATIONATHOMEANDABROAD,LETMEHAVEAFURTHERKNOWLEDGEOFROTATINGDRILL,THENSTARTTOTHEDESIGNOFTYPESR200CROTATINGDRILL,FIRSTDETERMINETHEROTATINGDRILLMACHINELAYOUT,ANDDESIGNPARAMETERSWEREDETERMINED,ANDTHENWORKINGCONDITIONANALYSIS,ANALYSISOFWORKINGCONDITIONSOFDRILLINGWINDINGCONDITIONANALYSISANDTHEANALYSISOFTHEWORKINGCONDITIONOFAMPLITUDEANDWALKING,ANDTHENDESIGNCIRCUITS,PUMPCONTROLCIRCUITS,POWERHEADROTATIONLOOP,PRESSURELOOP,LORD,VICEWINDINGCIRCUIT,TRANSFORMERCIRCUIT,CIRCUIT,ANDTHENTHECALCULATIONOFVARIOUSHYDRAULICMOTORS,POWERHEAD,THEMAINWINDING,WINDING,WALKINGANDMOTORDESIGNNECESSARYFORTHEDESIGNOFTHEHYDRAULICCYLINDER,HYDRAULICSYSTEMHASTHREEROTATINGDRILLOILCYLINDER,RESPECTIVELY,PRESSURIZEDCYLINDERS,MOVABLEARMLUFFINGCYLINDER,TRANSFORMEROILCYLINDERROD,ANDTHENICHOOSEWORKTODETERMINETHEPUMPFLOWRATEANDPRESSURE,THENDETERMINETHEDIAMETEROFMAINTUBING,ANDTHENDETERMINETHECAPACITYOFFUELTANKS,ANDTHENTHEPOWERLOSSOFSYSTEMANDCHECKINGANDCALCULATINGTHETEMPERATURERISING,THERECENTROTATINGDRILLTECHNICALANDECONOMICANALYSISCONCLUSIONTHENSTARTDRAWING,ANDTHEWHOLEDESIGNFROMTHESTARTOFTHESELECTIONTOTHEFINALDRAWING,LETMETOHAVEACERTAINUNDERSTANDINGOFROTATINGDRILLANDUNDERSTANDING,ALSOENHANCEDMYABILITYOFINDEPENDENTLEARNING目录1国内外旋挖钻机发展状况311国外旋挖钻机的发展状况312国内旋挖钻机的发展状况513本文研究内容72旋挖钻机的结构组成与工作原理821旋挖钻机整机布置8211行走装置与组成9212回转平台与组成10213变幅装置与联接10214卷扬机构与组成11215工作装置与组成12216桅杆1222整机参数1323液压系统设计及要求133旋挖钻机执行机构的工况分析1531钻机钻进的工况分析15311被动土压力产生的阻力矩15312滑移面上摩擦力产生的阻力矩17313沿切削刀面的摩擦力所产生的阻力矩18314切削刀侧面剪切土体产生的阻力矩19315切削刀背面切入土体时产生的阻力矩20316钻斗与孔壁表面相互摩擦所产生的阻力矩21317钻头和钻杆回转时产生的惯性阻力矩22318土体在钻斗内回转产生的阻力矩2232卷扬机构的工况分析25321主卷扬工况分析和计算2533变幅机构的工况分析2734行走装置的工况分析284旋挖钻机的液压系统及工作原理设计3141液压系统的简单介绍3142旋挖钻机主要液压回路31421泵控回路31422动力头回转回路33423加压回路34424主、副卷扬回路35425变幅回路37426行走回路395液压系统参数计算与主要液压元件选型4151动力头马达的参数与计算4152主卷扬马达的参数与计算4253副卷扬马达的参数与计算4354行走马达的参数与计算4556液压缸设计计算46561加压油缸的设计与计算46562动臂变幅油缸的设计与计算48563钻杆变幅油缸的设计与计算4957液压泵的流量压力计算与选取50571系统工作压力的确定50572泵的流量确定5058主油管管径的确定与选取5159油箱容量的确定52510主要液压元件选型526液压系统的验算5461系统的功率损失验算5562系统的温升验算557技术和经济分析578结论58致谢59参考文献60附录A61附录B69前言众所周知，现在全球的经济发展越来越快，基本建设范围的持续拓宽，以人为本和保护环境的理念以及相关法津法规的实施，加速了桩基础的发展现在几乎取代了基他基础，得到了广泛的应用空间。旋挖钻机的效率高、污染少、功能多，更好的适应了上述综合发展的需求，所以在国内外的现浇混凝土灌注桩施工中得到了更加广泛的应用。旋挖钻机的英文为ROTARYDRILLINGRIG，配置了各种回转斗作业，还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一系列进行会套管施工；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出的施工。旋挖钻机适用于建筑基础工程中成孔，打桩作业，旋挖钻机是一种高端设备，随着我国基础设施建设的加快，桩基础桩基础尤其是大直径，大深度成孔的桩基础工程量巨大，使得旋挖钻机的市场需求日益增大自21世纪初，我国开始进行旋挖钻机的研究与开发，旋挖钻机主要适于砂土、粘性土、粉质土等土层施工，在灌注桩、连续墙、基础加固等多种地基基础施工中得到广泛应用，旋挖钻机的额定功率一般为125450KW，动力输出扭矩为120400KNM，最大成孔直径可达154M，最大成孔深度为6090M，可以满足各类大型基础施工的要求。由于其工况复杂，施工对象从泥土到硬岩地质条件多变，运动部件惯性大，系统耦合性强，精准高效作业的控制难度大，且对施工效率，安全，环保的要求越来越高，一直以来没有形成自主的工程设计理论方法，作为目前国产旋挖钻机的关键部分液压系统仍然是制约旋挖钻机发展的瓶颈，液压系统成为制约国产旋挖钻机发展的重要因素之一，本文以国产某型旋挖钻机为基础，借鉴国外先进旋挖钻机液压系统设计理念，结合我国旋挖钻机液压技术发展现状，探索大型旋挖钻机液压系统的设计方法。下图为旋挖钻机的工作状态图如图1所示图1旋挖钻机工作状态图FIG1ROTARYDRILLINGRIGWORKINGSTATEDIAGRAM旋挖钻机行业由于2003年青藏铁路工程以及北京奥运工程等的带动，市场认知度迅速提高，市场容量急剧扩大。市场需求的高涨吸引了国内大型工程机械企业的进入，三一、徐工、中联重科和山河智能等纷纷涉足，并迅速扩大了市场份额。2005年后，国内品牌旋挖钻机已基本替代了国外品牌。2006年以来，旋挖钻销量连年呈跨越式增长。特别是在2009年，国内旋挖钻机制造企业多达30家，推出将近200个型号产品，市场保有量达到了近4000台，市场竞争空前激烈。2012年是我国机械工业发展中很重要的一年，主营旋挖钻机的企业也将会面临新的机遇和挑战。在此背景下，有必要重新梳理旋挖钻机的行业结构，全面分析市场构成，以期为行业未来发展提供借鉴。市场需求的高涨吸引了国内大型工程机械企业的争相进入，三一、徐工、中联重科和山河智能等纷纷涉足，并迅速抢占了国内市场份额。2005年后，国内品牌旋挖钻机已基本上取代了国外品牌，2006年以来，旋挖钻销量更是连年实现跨越式增长。据相关数据统计，国内旋挖钻销量在2009年达到了1200台，2010年则突破了1700台，2011年达到了1800台左右。据初步统计，目前国内大约50个品牌数百个型号旋挖钻机市场总量约为9000台，其中国产占有90左右，国外二手旋挖钻也占有一定比例，只有5。1国内外旋挖钻机发展状况11国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，二战前夕，美国CALWELD公司率先研制出回转斗，短螺旋钻机。二十世纪五十年代左右，法国BENOTO公司将全套管钻机应用于桩基础施工，而后由欧洲各国将其组合并加以完善，在使用的过程中不断的进行发掘和改善，初步具备了一些现代旋挖钻机的雏形。意大利土力公司首先从美国引进将安装在载重汽车上和附着在履带起重机上的钻机技术，并带到欧洲各国，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，20世纪60年代德国维尔特公司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BG7型钻机，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，可实现在紧密砂砾和岩层的钻孔。日本于20世纪60年代从美国引进CALWELD旋挖钻机，同时加藤制作所开发了15H型钻机。以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旋挖钻机，1974年开发了利用液压履带起重机底盘由液压马达驱动的旋挖钻机。1980年日立建机与土力公司合作开发了为提高单桩承载力和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加快了旋挖钻机技术在日本的发展。但是日本的旋挖钻机扭矩比欧洲的同类产品相对较小。目前国外的旋挖钻机主要生产厂家为德国、LIEBHERR、DELMAG、BAUER、WIRTH、MGF，意大利SOILMEC、CMV、CASAGRANDE、MAIT、IMT、ENTEGO；西班牙LLAMADA。日本日车车辆、HITACHI、加藤住友、；芬兰JUNTTAN、TAMROCK；美国APE、INGERSOLLRAND；英国BSP等。国外的旋挖钻机大都设有摇管装置由2个或3个液压马达驱动的大扭矩动力头可配套管连结器。液压系统采用恒功变量自动控制、自锁互扣钻杆、先进的监控仪表发动机和液压系统自动监测和报警系统、钻孔深度显示、钻桅自动测斜纠偏装置。同时还配有各种保险装置（如防止带负载起动和卷扬机超高限位等但是每家公司的旋控钻机都有这自己的技术特点。分析如下德国的宝峨公司产品系列为BG12BG25在天津设有一家独资企业宝峨公司钻机的立柱调整采用的是大三角形支撑结构。这种设计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的很复杂，并且升高了运输时的整车高度。国外车型中只有BAUER公司一家使用此结构。另一个特点是主副卷扬都安装在了钻桅上，节省了回转平台上的安装空间，便于布置转台。这一结构使整机外形较小，特别是回转平台与底盘显得很小，外观上显得前重后轻。动力头可根据负荷自动调节回转速度大小，具有弹簧、液压两级减振以及大型钻机为达到套管设置深度要求而增设的变矩器。MALT公司已开发定型的大口径系列旋挖钻机中EB12、HR45、HR100、HR110为单一钻机功能设计HR130、HR13060、HR180、HR260、HR300570、HR240800均为多功能设计，该系列钻机除了具有钻孔桩的功能外，通过更换不同的工作装置，还同时具有长螺旋CFA、地连墙、预制桩、切割桩、全套管等其他的施工性能。在最近10年研制的中、小口径系列旋挖钻机，BABYDRILL、MINIDRILL、MIDIDRILL主要适合于城市建筑物内部及铁道、交通等狭窄地段施工，直径大约为250800MM桩径。该系列钻机也具有多功能性能，配置不同的工作装置可进行80M钻深微型桩L、斜孔、高压旋喷等工程。在MALT公司系列旋挖钻机中，国外钻机最大输出扭矩与最小机型为一身机型HR240800钻机，最大钻进扭矩790KNM，最大钻径3M，最大钻深110M，最小机型BABYDRILL钻机，最小钻径250MM。MAIT公司采用自行设计的多功能底盘，稳定性佳，重量轻，并且可配预留装置实现多功能，还具有上下车水平调整系统可进行倾斜调节。钻机的立柱采用平行连杆角形支撑型式，液压系统为多泵独立回路，动力头配有套管钻进增扭装置。钻机的摩擦钻杆驱动键的宽度和厚度大，自锁式钻杆为嵌人式可保证快速加锁和解锁，而且钻杆的材料采用专利材料，同时有钻杆支架，另外卷扬机客绳量大、单绳缠绕可达到绳速高、提升力恒定和减少磨损。除此以外，MALT系列旋挖钻机还设置了功率及扭矩输出分级系统，扭矩输出有3挡，有大扭矩低转数、低扭矩高转数和中扭矩中转数，功率输出有高、低2挡。用户可根据施工地质情况的不同，设置不同的“扭矩转数”挡位和“功率”挡位，以满足各种类型地质条件快速施工的需要，达到高效节能的目的。意马公司则采用卡特彼勒履带底盘，钻杆有导向滑轮架以防止钻孔偏斜，动力头装有油浴式润滑、冷却系统和清洗泵，液压系统的主油路采用双路传递功率设计，整机液压系统是先导负反馈恒功率变量自动控制系统，主卷扬机具有钻杆触地自停功能和动力头随动装置以防止乱绳和损坏钢丝绳。而NCB公司的钻机配有自制底盘动力头采用恒功率控制和多功率传递的设计，整机液压系统是先导负反馈恒功率变量自动控制。自锁式钻丰千壁较厚，加焊有凹凸导向条以增加刚性和减少挠性变形，动力头装有减振装量和清洗泵。卷扬机有过载保护和限位保护装置，并且在长螺旋钻孔施工时，由电脑控制混凝土灌人量。CMV的钻机为了能在保证稳定性和垂直度的情况下改变工作半径以及穿越空中障碍物，通常采用平行连杆机构加三角形支撑型式，这样动力头可按土层自动调整扭矩和转速。从欧洲国家和日本发展旋挖钻机的历史可以总结出，他们在早期引入旋挖钻机技术后，都根据国情特点进行了一系列探索与改进，并发展出了新的旋挖钻机型号。经过了几十年的漫长发展，现在的国外旋挖钻机发展基本形成了2个流派。一类是欧洲的独立式旋挖钻机，另一类是日本的的附着式旋挖钻机，这两种旋挖钻机各有各的特点，适用于不同工况下的作业。12国内旋挖钻机的发展状况由于我国旋挖钻机的发展起步较晚，市场的潜力巨大，目前我国的旋挖钻机总量甚至不及新加坡，相关资料显示，意大利的国土面积3013万平方公里，人口5769万，拥有约1800台旋挖钻机，并且每年大约更新180台，目前为止，我国的旋挖钻机的使用主要分布在铁路客运专线，及重点开发的省市等，旋挖钻机的价格大约在每台200500万人民币，由于我国的市场巨大，潜力巨大，得到了国家有关部门的注意，旋挖钻机必将取代那些传统钻机，所以出台了很多新政策来鼓励旋挖钻机的发展，不少重点工程的主业已将旋挖钻机指定为专业施工设备，以保证工程的进度和质量，今后几年内，随着我国高铁行业的迅猛发展以及其他地区对于旋挖钻机的需要，旋挖钻机的市场仍然会保持良好的发展势头，应用前景仍然十分广阔。由于市场的潜力巨大，更多的厂家为了能在未来的旋挖钻机行业有一席之地在积极地抢占市场，2003年国内的旋挖钻机生产才刚刚起步，从购买旋挖钻机的买家来看，大部分的是民间资本，私人购买，旋挖钻机也在工程中为买家获得了丰厚的利润。随着我国旋挖钻机市场的持续增大以及国家的重视，旋挖钻机的需求量将会迅猛增加。在1984年天津探矿机械厂首次从美国RDI公司引进了车载式旋挖钻机，并进行了消化和吸收，旋挖钻机在钻孔技术的施工中体现出的优势被一些施工企业所发掘，很多企业开始从国外引进旋挖钻机。同时，一些国外的旋挖钻机制造商也发现了中国巨大的旋挖钻机市场，开始在中国设立办事处，向中国的基础工程施工行业介绍，宣传旋挖钻机以及技术。在1988年北京城建工程机械厂仿制土力企业15M直径附着式旋挖钻机，在1994年郑州勘察机械厂引进英国BSP公司附着式旋挖钻机，1998年上海市金泰股份有限公司与德国宝峨公司合作组装BG15，在1999年哈尔滨四海工程机械企业和徐州工程机械股份公司先后开发附着式旋挖钻机和独立式旋挖钻机，在2001年经纬巨力第一台旋挖钻机试制成功，在2003年后三一、山河智能等多家生产厂家的旋挖钻机陆续下线。目前为止，国内的旋挖钻机主要生产厂家有宇通重工、湖南山河智能、徐工、中联重科、湖南三一、北京巨力、天津宝峨、连云港黄海、徐州东明、哈尔滨四海、内蒙古北方重汽、南车时代、石家庄煤机、山东鑫国、郑州勘察等。宇通重工的主要产品有YTR220B、YTR260B、YTR280D、YTR280C、YTR280B型旋挖钻机。徐工集团主要产品有RD15RD18、RD22这三种旋挖钻孔机，是国内较早专业生产大口径液压旋挖钻机的公司。该系列旋挖钻机是在广泛吸收国外同类产品先进技术的同时进行设计开发的新技术产品，主要性能指标达到了当代国际上同类产品的先进水平，而液压件等美键零部件则采用国际化配套，保证整机的可靠性。整机采用液压伸缩式履带底盘，自行起落折叠式钻桅、伸缩式自锁钻杆，采用国际先进的PLC智能控制技术，CAN总线控制系统具有钻孔定位自动对正、钻桅垂直度自动控制、孔深自动检测显示、钻孔速度扭矩自适应系统、故障诊断等多种智能化功能。采用彩色屏翻屏显示，优化了界面，方便人工操作，控制器、传感器等主要电气元件则采用进口件，提高了产品的可靠性。采用液压先导控制，操作方便舒适。该系列钻机选用进口CUMMINS系列发动机，RD22还采用了电喷发动机，最大扭矩为250KNM，最大成孔直径为2500MM，具有充足的功率储备，完全可以满足中国高原地区的施工。徐工钻机目前主要还是采用进口钻杆，整机具有主副卷扬防过卷安全保护、变幅安全限位、驾驶室内先导控制切断等安全保护装置。操纵室视野开阔，装有冷暖空调并最犬限度地满足操作人员的舒适要求，整机外型美观，主要结构件采用了高强度低台金结构钢焊接，机械强度高、刚度太，工作安全可靠。北京经纬巨力工程机械有限公司是由香港中国基础工程有限公司CFC10O投资控股。生产的产品主要包括ZY120、ZY160、ZY200等机型，其产品主要元件是进口，包括钻杆在内的结构件，功能及技术性能与国内外同类产品相似，动力头采用了双速减速机及单级平行轴齿轮减速增扭，所选发动机功率比较大，可在高原等恶劣条件下完成作业。由河北石家庄煤矿机械公司最新推出的XZ一20旋挖钻机是该企业在引进芬兰永腾公司技术的基础之上，采用技贸结合的方式而生产的新产品。该机动力头、钻杆等均从永腾公司进口，制造成本比较高，因此售价大大高于国内同类型产品机型，市场竞争力还有待提高。内蒙古北方重型汽车股份有限公司经过缜密的市场调研之后，与吉林大学联合研制了ZY200型旋挖钻机，该机底盘选用卡特彼勒公司履带底盘，发动机则选用了美国CUMMFNS发动机，旋挖直径2M，钻孔深60M。天津宝峨公司是德国宝峨公司设在天津的一家独资企业。主要组装宝峨BG系列旋挖钻机和连续墙施工设备，并提供在中国所有宝峨公司产品的售后服务。主要机型为BG20旋挖钻机。该机最大的特点是动力头是双级扭矩输出，当小扭矩输出时，最大钻进速度可以达到60DMIN，大大提高了施工效率。该机可配5种自锁式或摩擦式6键钻杆，长度为3058M，发动机额定功率145KW，耗油小，主要适合于平原施工。三一重机主要产品是SR220C型，最大扭矩为220KNM，最大成孔直径为2000MM。该机配置的特点是底盘车体采用进口卡特彼勒可扩展底盘动力头则采用双马达双减速机结构，液压系统采用了力士乐元件整机结构布置与IMT公司机型相类似。因该机采用进口底盘，成本比较高。宇通重工新推出机型是YTR230。该机型配置基本和三一重工的SR220C相类似，主参数也基本相同。这是该公司首次涉足旋挖钻机领域在技术上还有待进一步完善。山河智能公司的SWDM20钻机和徐州东明公司TRM200钻机采用自制底盘国产化钻杆，动力头为国内同一家公司生产，技术水平相差无几。13本文研究内容目前，虽然国内厂家虽然可以生产一定型号先进的旋挖钻机机型，也占据了大部分的国内市场，但是与国外完全自主生产的厂家相比，国内厂家还有一定的不足，基于上面所述，本文研究了SR200C型旋挖钻机的液压控制系统。2旋挖钻机的结构组成与工作原理钻机主要结构由行走装置、回转平台、变幅装置、卷扬机构、工作装置、桅杆构成。目前旋挖钻机工作原理大多采用连接钻杆形式和掏渣桶掏渣，在钻进的过程中大多采用泥浆循环的方式，泥浆对于这类钻机起润滑、支护、置换和携带钻渣的作用。随着对城市的建设环保要求愈来愈严格，所以传统钻机面临更大危机。而旋挖钻机采用动力头得形式，旋挖钻机工作原理是利用短螺旋钻头或旋挖斗，利用强大的扭矩直接将土或砂砾等钻渣旋转挖掘，然后快速的提出孔外，可以在不需要泥浆支护的情况下实现干法施工，即便是在特殊地层需要泥浆护壁的情况下，泥浆也只能起支护作用，钻削中的泥浆含量相当的低，这样会使污染源大大减少，进而降低施工成本，也改善了施工的环境，成孔效率提高。这就是旋挖钻机具有良好的环保性。21旋挖钻机整机布置旋挖钻机的总体布置应从保证旋挖钻机的主要工作性能上出发，因为整体布置对旋挖钻机的性能、使用和制造方面都会产生非常重要的影响。总体布置应满足功能、性能、结构、工艺和使用等方面的要求。旋挖钻机采用的是立式布置，旋挖钻机钻孔作业时孔的定位和卸土，旋挖钻机采用的是上下车的回转形式，即通过回转支承使上车绕回转中心自由转动。三角形机构的功能是能够实现钻桅的自动升降，施工中需要移动位置或运输时，通过钻桅的支承油缸使钻桅收放至水平状态，传统的钻机必须通过吊车来完成钻具的装卸，这样不但浪费时间而且也增加了施工的成本，SR200C旋挖钻机采用的是平行四边形机构和三角形机构的变幅机构，使钻桅自行的起落，这样设计可以保证旋挖钻机在行走过程和运输时无需拆卸钻桅。使旋挖钻机的的稳定性和使用安全性能都大为提升。如图21为钻机的工作和运输状态。1钻具总成2动力头总成3钻桅总成4变幅机构总成5卷扬总成6上车回转总成7行走总成图21工作和运输状态图FIG21WORKANDTRANSPORTSTATEDIAGRAM211行走装置与组成SR200C型钻机采用的是专用的履带底盘，其结构主要有引导轮、托链轮、行走架、支重轮、驱动轮、履带、马达、减速机等，主要功能是能够把发动机传到驱动轮上的驱动扭矩转化为旋挖钻机在地面上的行走移动，如图22所示，四轮一带均采用进口原装产品，可靠度高、刚性好、承载力大、稳定性能好。1引导轮2拖链轮3行走架4支重轮5履带6驱动轮7马达减速机图22行走装置图FIG22THEWALKINGDEVICE212回转平台与组成回转平台的主要组成部分有回转支承、回转减速机、回转马达、发动机系统、液压系统、燃油液压油箱、机架等，回转平台的主要作用是承载工作体的重量，并按要求使之随回转平台进行回转，且回转速度的快慢可以通过液压手柄的比例阀进行调节和控制。213变幅装置与联接SR200C型钻机采用目前最流行的平行四边形机构，各部件之间采用销轴联接，拆装方便，联接可靠，可实现桅杆大幅度的调节，且自动无级调节（090度）。214卷扬机构与组成SR200C型旋挖钻机布置两个卷扬，分别为主卷扬和副卷扬，主卷扬控制钻杆、钻具上下运动，最大提升力约20吨；副卷扬为施工起重辅助设备，用于起吊钢筋笼，下放套管等施工作业，最大提升力76吨。为了保证寿命和可靠性，主，副卷扬均采用德国力士乐的减速机和液压马达。为了可以使操作人员可以保证对主卷扬的有效控制，主卷扬被安装在桅杆下，这样设计也可以减小桅杆所受弯矩，从而使桅杆重量更轻、结构更合理、使用的寿命更长，进而降低了整机稳定性的设计难度。215工作装置与组成SR200C型旋挖钻机的工作装置主要有动力头、钻杆、钻斗，动力头采用的减速机和马达均采用德国力士乐的产品，钻杆和钻斗由国内钻具专业生产厂家进行定制生产的。液压泵输出的高压液压油带动动力头上的个液压马达，经由减速机和动力头齿轮箱两级减速之后，以低速大扭矩的形式通过动力头键套传递给钻杆，再由钻杆带动钻斗旋转，此工作装置对摩阻式和机锁式两种钻杆均适用。216桅杆桅杆是工作装置上下滑移的导向结构，也其支撑工作装置的作用。SR200C型钻机的桅杆根据盈利分析和疲劳测试，使用国外原装进口钢材特质的大截面箱型结构桅杆，不仅能有效的防止开裂，还能满足最佳寿命的期望值。22整机参数根据实际工况要求，结合已有旋挖转机产品性能，SR200C型旋挖钻机的主要技术参数表见表21。表21主要技术参数表TAB21MAINPARAMETERSDESIGN主要性能参数最大输出扭矩200KNM最大钻孔直径1800MM最大钻孔深度60M钻孔转速723R/MIN主卷扬提升力200KN副卷扬提升力76KN主卷扬最大提升速度72R/MIN最大加压力150KN最大起拔力160KN动力头行程4300MM整机重量60T23液压系统设计及要求SR200C型旋挖钻机与其他工程机械的设计要求基本一样，要求液压系统和元件耐冲击、耐振动、工作平稳可靠，使用寿命长，系统沿程损失和局部损失少，散热系统能保证在满载持续工况下油温或温升，配备良好的防尘、密封、过滤装置，液85C45压元件和管路震动小、噪声低；液压系统与发动机在各种工况条件下具有良好的功率匹配，使执行机构和发动机的工作点接近最佳稳定工况，在作业循环中尽量充分的利用发动机的功率。除此之外，液压系统还必须有如下具体要求（1）对卷扬回路的要求SR200C型旋挖钻机主卷扬液压回路中的液压马达必须具备有足够的输出扭矩，以满足最大提升力，因为提钻时，孔内对钻具会产生巨大的吸附力，为了克服静力矩和惯性力矩，液压马达还必须具有良好的启动性能。必须有良好的调速性能，卷扬马达必须满足提升速度的需求，要求调速范围较大，平稳可靠，微调性好。防止重物超速下降，须设置限速回路。避免钻杆在空中再次提升时滑降，必须设置制动器，提钻时，必须保证液压马达具有一定扭矩，制动器才可以打开。2对动力头回转回路的要求为了克服钻孔的阻力矩，动力头液压马达必须具有足够的驱动力矩，因为钻孔作业通过动力头液压马达的旋转实现。动力头液压回路需要具有相当灵敏的控制系统和缓冲装置，还需要满足快速旋转的要求。（3）对上车回转液压回路的要求由于旋挖转机是一种大型工程机械，所以上车回转惯性负载比较大，启动制动比较频繁，因此，需要设置制动、缓冲补油和防反转的回路，使得旋挖钻机制动平稳，防止倾翻。（4）钻杆变幅调垂直回路需要有过载保护，防止倾翻。（5）为了满足加压回路快压和慢压功能，需设置平衡阀。（6）为了保证钻机的平稳性，行走和回转回路需要互锁。因为在钻孔时，要求行走和回转平台不能移动，避免钻偏或扭断钻杆3旋挖钻机执行机构的工况分析31钻进时的工况分析钻具钻进时，钻具在孔底进行掘削作业，钻具在自重和加压作用下回转切削土体，并进行装载，钻杆和钻具及钻具装载的砖渣在泥浆内回转，需要克服切削刀具所受的阻力矩以及钻杆钻头的回转阻力矩，切削刀具所受的的土壤阻力主要有切削土体产生的阻力矩，包括被动土压力阻力矩；滑移面上的摩擦力阻力矩；沿切刀面的摩擦力阻力矩；切削刀侧面的剪切452土体的阻力产生的阻力矩；切削刀背面切入土体的摩擦力阻力矩。而钻杆钻头回转的阻力矩主要包括钻头与孔壁表面摩擦阻力矩；钻头钻杆回转的惯性阻力矩；土体在钻斗内的回转阻力矩。311被动土压力产生的阻力矩如图所示的为切削刀所受的朗肯被动土压力F，如将一小块土取出来，其所受的应力应如图31所示，土体的破坏在与平面内产生，当增大到时，土体破坏。131MAX图31朗肯土压力（左）、土体应力图（右）FIG31THERANKINESOILPRESSURELEFT,SOILSTRESSRIGHT土体竖直方向所受应力应该是由以下三部分组成的一部分是钻头上表面上覆盖的土产生的重力，一部分为孔内灌入泥浆所产生的重力，还有一部分是旋挖钻机在钻进时候轴向的压力。（31）1MAXINPPK2C（32）3IN1THLS2（）利用公式求得切削刀因朗肯土压力所受的阻力矩为（33）111HL1T2SMILPPIIIMFRKCBHR2式中H旋挖钻进深度（M），L旋挖钻斗的高度（M），钻孔内泥浆的容重（），13KNM土壤的容重（），2T钻进的轴向压力（KN），S轴向承压面积（），2切削刀的宽度（M），1B切削刀的切削深度（M）HM切削刀的数量，第I个切削刀的切削半径（M），LIRC土壤内聚力,312滑移面上摩擦力产生的阻力矩切削刀所切削下来的土体将沿着与水平呈角度的滑移面滑移，如图32所示。452滑移面上摩擦力是土与土之间的摩擦，土体要克服主应力和在滑移面上所产生MAXIN的运动摩擦阻力的作用而上移。切削刀因为土壤滑移面摩擦阻力所受的阻力矩为（34）M2131F21I1IBHCOSINMFR452IR式中土壤的内摩擦系数；2切削刀的宽度（M），1B切削刀的切削深度（M），H土壤内摩擦角，刀具长度（M）；1IR图32土壤滑移面的摩擦阻力FIG32SOILSLIDINGFRICTIONRESISTANCE313沿切削刀面的摩擦力所产生的阻力矩切削刀切削下来的土体将沿着切削刀具的前角鞋面而上移，进入到钻斗容腔内，如图33所示。刀具前角斜面上土体需要克服主应力和产生的摩擦阻力。MAXIN图33切削刀面的摩擦阻力FIG33THECUTTINGSURFACEFRICTIONRESISTANCE切削刀因为土壤滑移面摩擦阻力所受的阻力矩为（35）133131SIN2COS2MMFIIIBHAAMFRR式中土壤与刀具的摩擦系数；1切削刀具的切削角，A切削刀的宽度（MM），1B切削刀的切削深度（M），H切削刀具的切削角，刀具长度（M）；1IR314切削刀侧面剪切土体产生的阻力矩在切削刀切削土体时，切削刀面与土体会发生剪切作用，影响切削刀的切入。如图34所示图34切削刀侧面剪切土体的阻力FIG34CUTTINGSIDESHEARRESISTANCEOFTHESOIL切削刀侧面剪断土体时的阻力矩为（36）211431SINTANMIIHMCR式中切削刀的后角；刀尖角。切削刀的切削深度（M），1H切削刀具的切削角，土壤内摩擦角，刀具长度（MM），1IRC土壤内聚力；315切削刀背面切入土体时产生的阻力矩作用在切削刀背面的法向反力是由水平反力所产生，如图35所示。1213F图35切削刀背面的摩擦阻力FIG35CUTTINGBACKFRICTIONRESISTANCE371MAX11HL1T2SPPFBHKCBH2382COSIN453913F13S2IINBHA切削刀切入的运动摩擦阻力矩为（310）12131515TANMMIIIFMRR式中H旋挖钻进深度（M），L旋挖钻斗的高度（M），钻孔内泥浆的容重（），13KNM土壤的容重（），2T钻进的轴向压力（KN），S轴向承压面积（），2M切削刀的宽度（MM），1B切削刀的切削深度（M）HM切削刀的数量，第I个切削刀的切削半径，LIRC土壤内聚力,316钻斗与孔壁表面相互摩擦所产生的阻力矩钻斗在切削土的过程中，由于钻杆稳定性的影响，会孔壁之间摩擦，可以采用朗肯主动土压力理论来求解。图36钻斗与孔壁作用力分析FIG36DRILLPIPEANDHOLEWALLFORCEANALYSIS由图36可知，由于钻斗的扰动以及钻斗与孔壁之间存在的间隙用于泥浆的流动，可以看做钻斗和孔壁是在混合摩擦的作用下，公式为，（311）2211MRLKP式中P钻抖的侧压，L斗高（M）考虑到钻斗与孔壁存在一定的间隙时侧压修正系数，1K1046K考虑到钻斗与孔壁混合摩擦时摩擦力修正系数，。22R转斗半径（M）；317钻头和钻杆回转时产生的惯性阻力矩动力头驱动钻杆需要消耗一定的扭矩，按瓦西里也夫经验公式经换算求得扭矩为2M（312）2321M760ALDN式中经验系数，一般取，A5钻孔内泥浆的容重（），13KM钻杆长度（M），L钻杆外径（CM），D钻杆转速（R/MIN）；N318土体在钻斗内回转产生的阻力矩斗的内腔是钻斗的装载机构，钻斗一边切削土体，一边将切剩下来的土块装入钻斗内部，并随着钻斗的回转而回转。如果钻斗里充满土，由图37所示，图37钻斗的回转阻力矩示意图FIG37DRILLROTARYRESISTANCEMOMENTBUCKETFIGURE钻斗圆柱体部分的回转所消耗阻力矩为（313）2231SMFRLK式中主动土压力系数，SK2TAN45SKR钻斗半径（M）,土壤的容重（），23KML旋挖钻斗的高度（M），而斗底圆锥体部分的阻力矩为（314）6COS2212413RHLM式中土壤的容重（），23KNMR钻斗半径（M）,L旋挖钻斗的高度（M），土壤内摩擦角，土壤与刀具的摩擦系数1切削刀的切削深度（M）；H因此旋挖钻机钻进的总阻力矩为3151314521234FFMMM令土壤容重，泥浆容重，土壤内聚力，3298/MKN31/MKNC8KPA13763,18942土壤内摩擦角，钻进深度,土与钢板之间的摩擦系PKP8H0数，土壤内摩擦系数，钻斗直径，斗齿宽，轴压力10206D51B64，斗高，斗齿平均插入深度，钻斗转速726，5TN15LM1HM/MINR切削刀具的切削角，切削刀具的后角，切削刀具的刀尖角，切削刀60A235数，。10I1R371245R1354R1462971R带入上述参数，可以算出则可得旋挖钻进阻力矩为853MKNM所以SR200C型旋挖钻机动力头钻进总阻力矩（SR200C20TKNM型旋挖钻机设计最大输出扭矩）。32卷扬机构的工况分析旋挖钻机配置的主卷扬主要功能是用来实现钻杆、钻头的提升和下放，副卷扬是完113452122348,69,00,0FFMKNMKKNM成施工过程中的辅助吊装作业，如吊装钻斗和钢筋笼，旋挖钻机的辅助起重设备，副卷扬不会直接参与施工的钻进过程，其负载小并且较为稳定，根据SR200C型旋挖钻机的设计主参数，副卷扬最大提升力是76KN，由一般设计经验，设定副卷扬的提升速度，因此，副卷扬机构工况不再具体分析。38/MINV321主卷扬工况分析和计算旋挖钻机主卷扬提升系统主要负载有钻杆重量、钻斗（含满斗渣土）重量；1G2G提升时，泥浆、孔壁等对钻杆、钻斗上升的阻力、滑轮组摩擦力；卷扬突然启动与2F1F停止时，钻杆及钻斗（含满斗渣土）产生的惯性力。系统的负载全部都要依靠主卷扬AF提供的拉力F来克服，如果施工为静浆护壁时，由于钻斗及部分钻杆会位于泥浆液面以下，泥浆将会对系统提供一个与惯性负载作用方向相反的浮力，而当钻杆、钻斗提出F泥浆液面时，不产生浮力。受力分析简图如下图38所示F图38主卷扬提升系统受力分析简图FIG38ANALYSISOFSTRESSOFHOISTINGSYSTEMOFMAINHOIST令钻杆质量为、钻斗（含满斗渣土）质量为，泥浆密度则1M2M3140/KGM（316）1GG（317）2（318）FFV（319）12AM卷扬机构滑轮组摩擦阻力与其他负载相比可以忽略到不计。此外，当主卷扬不受泥浆浮力作用时，主卷扬的负载最大，即32012GAFFF带入参数，令，（1800MM截齿双底捞砂斗，带满斗土，1980MKG24560KG1800MM为SR200C型旋挖钻机最大施工孔径），（即在03S内钻杆、钻斗由23/AMS加速到），主要考虑到抽吸压力、泥浆约束力，取，则计算得0/S/S2F250FN1968FKN所以主卷扬最大阻力（主卷扬设计最大提升力），所以MAX196820FK主卷扬的设计最大提升力满足工作要求。根据设计任务书，SR200C型旋挖钻机主卷扬的最大提升速度为72R/MIN。33变幅机构的工况分析如图39所示，变幅机构由平行四边形机构以及三角形机构两个部分构成，旋挖钻机进行变幅时，动臂的变幅油缸和桅杆的变幅油缸交替着动作，平行四边形的机构靠动臂变幅油缸的伸缩通过平行四边形机构使桅杆来远离机体或着靠近机体，桅杆的角度是通过桅杆变幅油缸的伸缩通过三角形机构作用来的改变的，以调节桅杆相对水平面的角度，直至将钻桅调整至合适的位置和姿态，以钻机平行四边形机构在支撑杆水平状态工作时为例进行力学分析。图39四边形机构受力分析图FIG38FORCEDIAGRAMOFPARALLELOGRAMMECHANISM将三角形，桅杆油缸，桅杆及工作装置视为一体，设其重心为图示点，重力方向垂直向下，作用力方向与水平线夹角为，变幅油缸对铰点作用力为，动臂对铰点作用力为，支撑杆对铰点作用力为。以动臂与变幅油缸公共铰点为受力分析点，可以得到以下工式321321FLG3221SIN323231COSF令，带入计算得2156,4GTA1530SINGFKNA所以动臂变幅油缸最大负载。530K根据旋挖钻机的设计经验，再结合整机的稳定性等安全因素考虑，动臂液压缸的推进速度设定为。27/VMS由于桅杆变幅油缸与动臂变幅油缸的负载相近，不再做区分分析，推进速度设定为。38/VS34行走装置的工况分析SR200C型旋挖钻机的行走部分设计采用的是全液压的履带行走装置，采用低速大扭矩液压马达经由行走减速器驱动履带驱动轮行走，履带后轮是驱动轮。行走装置运行的时候发出的牵引力必须克服以下阻力履带的内阻力、土壤变形等的运行阻力、坡度阻力和转弯阻力等阻力。在四种运行阻力里，坡度阻力和转弯阻力最大，在旋挖钻机行走阻力中可以占到总阻力的三分之二，尤其是旋挖钻机的原地转弯阻力，比机械式的绕一条履带转弯阻力大很多，但是转弯和爬坡不是同时进行的。所以旋挖钻机的行走机构负载最大处发生在旋挖钻机爬坡运行或者原地转弯时，即324MAX124W或325AX134式中土壤变形对履带行走装置在运行时的阻力；1W坡度阻力；2履带式运行装置转弯时所受的阻力；3履带运行的内阻力。4旋挖钻机行走运行阻力的计算，有经验公式得3261WWG3272SINA3283WG（078）32945其中运行比阻力，此值选取与道路种类有关，见表32；1W旋挖钻机自重；G坡角，取；A10A履带与地面的旋转阻力系数，取。056表32运行阻力比值表TAB32THERUNNINGRESISTANCERATIOTABLE地面种类运行阻力比高级公路（沥青）003004中等公路（原石砌的）005006坚实土路006009野路009012深砂、沼地、耕地010015带入以下参数，令，计算得10A1506GT2349,13WN则MAXMAX280,780所以SR200C型旋挖钻机行走装置最大运行阻力3N牵引力计算原则是行走装置的牵引力应大于总阻力。据经验公式，对于旋挖钻机的行走牵引力T与机重G取如下比例关系，即3300785TG式中驱动轮的扭矩；KM驱动轮的节圆半径；R履带牵引力。T所以取（行走部最大运行阻力）。420W3780N由于SR200C型旋挖钻机整机设备很重，惯性比较大，所以主要行走运输由其他运输设备来完成，SR200C型旋挖钻机的行走机构主要用于施工现场部分工况需求的行走，其行走速度比较慢，行走工况时间短，因此设定其行走速度为。25/VKMH4旋挖钻机的液压系统及工作原理设计旋挖钻机同其他的工程机械一样，对液压系统和元件的要求较高，要求液压系统和元件耐冲击、耐振动、工作平稳、可靠性好、使用寿命长、容积效率高、系统的沿程损失和局部损失少、散热性好、配备良好的防尘，密封，过滤装置、液压元件和管路振动小、噪声低。旋挖钻机的液压工作原理比较复杂，可以这么说，旋挖钻机的液压系统是旋挖钻机非常重要的组成部分，旋挖钻机的整体性能的好坏基本上是由液压系统决定，所以设计好旋挖钻机的液压系统是设计一款优秀的旋挖钻机的重要一步。41液压系统的简单介绍液压系统作为旋挖钻机的重要组成部分之一，决定着旋挖钻机的整机性能。根据一般的工程机械液压系统的设计经验，SR200C型旋挖钻机的液压系统在设计时采用斜轴式变量双泵作为旋挖钻机的主泵，控制主要由M7和M4阀组成，执行元件包括有液压马达、液压缸等。工作时，液压泵分别供油给M7主阀和M4辅助阀、伺服阀以及油冷却系统。M7主阀分别控制回转马达、主卷扬马达、副卷扬马达和左右行走马达。M4阀作为辅助多路阀分别控制加压油缸、回转马达、变幅油缸和履带伸缩油缸。主阀和辅助阀分别由先导阀控制，先导阀安装在司机室内坐椅两侧。42旋挖钻机主要液压回路SR200C型旋挖钻机液压系统由各主要机构液压回路组成，主要包括泵控回路、变幅回路、动力头旋转回路、加压回路、主副卷扬回路、上车回转回路、行走回路。421泵控回路旋挖钻机的主回路采用变量泵，先导回路和冷却回路采用定量泵，为了节能高效，往往会对泵控回路的变量泵采取功率控制和流量控制这两种控制方式。SR200C型旋挖钻机液压系统主泵在设计上采用力士乐A10VO型液压泵，具有负载敏感控制、压力切断控制，液压原