TR368 旋挖钻机钻杆结构设计与有限元分析含2张CAD图
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TR368
旋挖钻机钻杆结构设计与有限元分析含2张CAD图
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摘 要旋挖钻机是一种综合性的钻机，它可以用多种底层，具有成孔速度快，污染少，机动性强等特点。短螺旋钻头进行干挖作业，也可以用回转钻头在泥浆护壁的情况下进行湿挖作业。旋挖机可以配合冲锤钻碎坚硬地层后进行挖孔作业。如果配合扩大头钻具，可在孔底进行扩孔作业。旋挖机采用多层伸缩式钻杆，钻进辅助时间少，劳动强度低，不需要泥浆循环排渣，节约成本，特别适合于城市建设的基础施工随着越来越高、越来越大、越来越重的工程项目的出现，传统的施工方法和施工设备已不能满足当前施工的要求。正是在这样的背景下，旋挖钻机取得了长足的进步，本课题是利用ANSYS计算机分析软件对旋挖钻杆各部分受力情况进行强度分析。根据钻杆的工作特点、工作情况进行旋挖钻机钻杆部分的结构设计与分析，完成钻杆部分在典型工况条件下的受力分析，运用ANSYS软件对钻杆进行三维建模，并进行典型工况下的有限元分析计算，保证结构方案最优化。关键词: 机锁式钻杆 结构设计 有限元分析前 言旋挖钻机钻杆是旋挖钻机钻进作业的重要组成部分。它连接在机体和钻头之间，为伸缩套筒结构。其作用是将动力头提供的扭矩和轴向压力传递到下端钻头上，完成对土壤的钻削和钻进。钻杆有很多种。本文以机锁式旋挖钻杆为研究对象。机锁式钻杆是旋挖钻机常用的一种钻杆，广泛应用于建筑施工中。但是，在操作过程中也容易产生一系列的问题，因此对锁紧钻杆的分析就更为必要。主 体一、 国外情况旋挖钻机在二战以前首先在美国卡尔维尔特公司问世，二战之后在欧洲得到发展，1948年意大利迈特公司率先研制，接着意大利、德国开始发展，到了7080 年代在日本得到快速发展，当时日本称之为回转斗成桩，也叫阿司特利工法(Earth Drill)，在德国、日本这类工法相当普遍。旋挖钻机因其效率高、污染少、功能多，在国内外的灌注桩施工中得到广泛应用。尤其是在欧洲和日本等发达国家已经成为大直径钻孔灌注桩施工的主力机型。目前国外生产旋挖钻孔机的公司很多,如德国: Nordmeyer、 Bauer、Liebherr、Delmag、Wirth、Klemm、Smhainco、MGF 、Bayshore;意大利: SoilMec、Mait、CMV、Casagrande、IMT、Entego、Trivesoil;俄罗斯: Nasiadlec、Zavod、RevDrill、Uralinvestenergo、Rubtsovsk;日本:日本车辆、日立、住友、加藤、日产、三和机材、竹中、武藏;西班牙:Llamada;瑞典: Sandvik、Skanska;芬兰:Junttan、Tamrock;美国:Calweld、precisiondrilling、reedrill、Texoma、Watson、williams、WMS、APE、brianperrycivil、canterra、Dawson、Hughes;英国:BSP;法国: Galinet-paris、Benoto;澳大利亚: Imeco、trivesonda、pengo;韩国:Buma;新加坡:Twinwood等。二、 国内情况我国在80年代初从日本引进过工作装置，配装在KH-125型履带起重机上。1984年，天津探矿机械厂引进美国RDI公司的旋挖钻机并进行消化吸收。1987年在北京展览馆首次展出了意大利土力公司(SOILMEC）产品，1988年北京城建机械厂根据土力公司的样机开发了1.5m直径的履带起重机附着式旋挖钻机。1994年郑州勘察机械厂引进英国BSP公司附着式旋挖钻孔机的生产技术，但都没有形成批量生产。1992年宝峨公司在中国北京设立了代表处，开始了对华的业务.并于1995年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BG2型旋挖钻机。1998年在上海又成立了中德合资上海宝峨金泰工程机械股份有限公司，生产组装BG15型旋挖钻机。19931994年在上海浦东八百伴大厦基础灌注基础工程中全部采用了旋挖成孔法施工并取得成功，在国内起到了一定的推动作用;在北京五环路的基础施工中，旋挖钻机已占了绝大多数，最多时达到了30多台。国家重点工程青藏铁路大规模施工于2001年正式启动，而在青藏铁路格拉段的施工段，地层很多是永冻土层、砂砾、不规则泥页岩，还有软硬互层灰岩，有的冻土厚度达到百米以上，中铁集团采用旋挖钻进施工工艺，2002年3月开始，大量的旋挖钻机进入青藏铁路线施工，到8月中旬统计有100多台，其中国产设备9台。青藏铁路的大量使用引起了施工和生产制造企业的格外关注，无疑推动了旋挖钻机开发和应用。三、发展趋势1.产品向系列化发展各公司都在基础机型的基础上，不断向两端扩展，实现产品的系列化。大型化主要表现在整套设备的质量、整机的功率配置、主要执行机构的输出参数(如回转、给进、起拔、提升等旧趋加大。国外成孔直径2m、钻深60 m的钻机，整机质量最小的为66 t,最大达110 t，而功率配置变化在206330 kW之间(个别达492kU)，总扭矩(指钻进扭矩)则高达172220 kN-m(个别达620kN-m)。国内生产的旋挖钻机，无论整套设备的质量、整机的功率配置、主执行机构的输出参数都与国外钻机接近。2.驱动模式以液压驱动为主整机驱动的液压化程度很高。目前，国外的基础工程施工机械无论主传动还是回转、提升、给进加压、夹持、调幅、变位、位移等执行机构，基本上均为液压传动。为实现执行机构速度的连续调节并扩大调速范围，一般均采用变量泵一变量马达组合方式进行容积调速。为满足大扭矩、大提升力(起吊)的输出要求，主液压油路均采用高压大排量系统，一般系统压力为3032 MPa，最大达35MPa，单泵排量已达500 L/min。由于液压驱动模式的采用，整机各执行机构间的传动链用液压管道代替了传统的齿轮、轴、皮带、链条等元件，不仅使整机各执行机构(部件)的布局和动力传递方向具有最大灵活性，而且还具有动态传动的特性，如长行程顶驱式动力头，履带轨距可变的行走机构传动，保证施工方向、位置、角度的变幅、变位、变角机构的传动等。由于液压驱动不仅能较好地适应工程施工机械多部件、多件数、多类别执行机构(如回转、起拔、给进、吊升、夹持、位移、支承等)的传动要求，且能较好满足工程施工工况、工艺多样性变化的需要。国内目前生产的旋挖钻机亦广泛采用液压驱动模式。3.操作控制向机电液一体化方向发展设备的操作、控制向机电液一体化方向发展，使操作控制过程简化、准确、灵活、直观，能更有效地确保施工质量，以适应工程施工中多工艺方法、多工序环节、多工作状况对设备运行可靠性和工程质量保障程度的要求。机电液一体化控制系统的特点为:以载荷传感系统为依托，用先导型电液比例阀控制，借助机载计算机和屏幕显示系统，使操作、监测和质量保证体系进人人机对话并具有一定智能型特征的监控阶段。其控制系统具有以下三个显著特点:(1)液路控制均采用低电压的先导型电液比例阀控制中压系统，再由中压系统操纵、控制高压系统。主泵、主马达一般均配有高灵敏度的伺服机构，从而提高了控制的灵敏度和执行机构的响应速度，减少了操作力度和动作的幅度，增大了系统的可靠性。此外，由于先导型电液比例阀的采用，操作面板也变得小巧、紧凑，改善了操作室的空间环境。(2)各执行机构或中间运转环节普遍增设了各类传感器和检测传输装置，可及时采集、反馈各类相关信息(如位置、荷载、速度、压力、深度甚至钻孔轮廓尺寸)，这不仅使各执行机构的动作幅度、力度准确无误，为正确选择施工措施提供依据，而且由于动力输人和执行输出间建立的内在联系，使功率利用率和施工效率均获得明显提高。(3)某些钻机开始配有机载计算机，屏幕显示器，数据、图表打印输出系统。该系统不仅能直观显示各施工参数和施工机械的运转情况，以确保工作过程的正常进行和机械的正常运转，且可实时显示出施工状况，如钻孔垂直度偏差、瞬时钻速、钻孔轮廓等，从而确保施工效率和质量。4.底盘以履带式为主大型基础工程施工机械一般均采用全液压履带式吊车做其底盘和主机。可以满足旋挖钻机对动力、提升能力和输出扭矩的需求。履带式吊车不仅是旋挖钻机的支承底盘，而且已成为主机，它构成钻机的有机组成部分之一。目前依据各执行机构所需的液压动力，配以更大的履带式吊机，使整机机构更趋紧凑，动力匹配也更合理。(2)在模块式组合设计上，出现了同一底盘不同执行机构的配置模式，构成了各式新型的多功能大型基础工程施工机械。5.钻进机构主要采用大扭矩液压顶驱式动力头和伸缩式主动钻杆当代旋挖钻机均为液压顶驱传动，动力头最大输出扭矩逐年增加，最高达620 kN m。为增大输出扭矩或增加调速的级次，个别动力头设有可变速的机械减速机构，如Mait公司的钻机。为适应大扭矩、大给进压力门(100300kN不等)的要求，多用机械锁定伸缩式主动钻杆。它是实现无循环钻进工艺必不可少的专用钻具。它不仅有效免除了每一钻进工作循环下钻作业中烦琐的钻杆拧卸、加接工序，大大节省了起下钻作业时间，而且也为按所钻地层性质的变化，及时更换适应该地层的钻头创造了条件(如不同类型短螺旋钻具、钻斗、钻筒、滚刀式取心钻头)，有利于提高效率。结 语旋挖钻机施工条件复杂恶劣，工作过程中要经受巨大工作载荷，时常出现撞击和摩擦等情况，再加上一些操作人员操作过程不够规范，因而经常造成设备的工作故障甚至损坏，应尽快制定完备的制造、检测和施工技术规范，设计人员应充分考虑工作过程中的受力和传动关系，制定合理的设计优化方案。另外，部分我国自行生产制造的部件与进口产品相比，使用寿命较差，说明我们在产品加工制造工艺水平和材料性能研发方面与国际先进水平还有一定差距。我国应加强对旋挖钻孔工艺与易耗品的研究，制定适合国情的技术标准和配套体系，必将极大提高产品的工作性能和使用寿命，同时提高工作效率，降低施工成本。在本次设计中，要用到许多基础理论，由于有些知识已经遗忘，这使我们要重新温习知识，因此设计之前就对大学里面所涉及到的有关该课题的课程认真的复习了一遍，开始对本课题的设计任务有了大致的了解，并也有了设计的感觉。同时，由于设计的需要，要查阅并收集大量关于机械方面的文献，进而对这些文献进行分析和总结，这些都提高了我们对于专业知识的综合运用能力和分析解决实际问题的能力。参考文献1 赵伟民，严慎波，胡长胜，战红.旋挖钻机钻桅的有限元分析J.建筑机械，2006.04：51-55.2 叶远林,秦四成.ZY-200型旋挖钻机钻杆应力的有限元分析J.工程机械,2004,35(3): 19-213 徐信芯,焦生杰,成建联等. 旋挖钻机钻桅结构有限元分析与试验研究J. 广西大学学报(自然科学版), 2013, 38(2): 270-277.4 黎中银，焦生杰，吴方晓.旋挖钻机与施工技术M.人民交通出版社，2010.5 张启君,张忠海,陈以田.国内外旋挖钻机结构特点的探讨J.筑路机械与施工机械化,2004.6 孙恒，陈作模.机械原理（第七版）.北京：高等教育出版社，20057 康辉梅.旋挖钻机工作装置力学特性研究与优化D.长沙：中南大学，2011.8 濮良贵、纪名刚机械设计（第八版）M.北京：高等教育出版社，2005；9 于永泗、齐民机械工程材料（第七版）M.大连：大连理工大学出版社，2007；10 水根机械制造工艺学（第二版）M.北京：清华大
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