毕业设计（论文）300米潜水井钻机履带式设计.doc

1、摘 要本文设计的300米潜水井钻机采用履带式液压驱动系统，双履带构成钻机的安装支点和基本框架。全液压驱动的控制回路，使其行走和转向机构设计简单、操作方便机构、性能可靠、安全系数较高，更加适用于潮湿等恶劣环境下的工作。本文对钻机的底盘结构、液压支腿设计计算，特别是对底盘结构在根据理论力学和材料力学进行理论计算的基础之上，并进行了有限元分析。使钻机在满足正常工作前提下，对其底盘结构进行了经济性、制造工艺性等方面进行了优化设计。关键词：潜水井钻机；液压驱动系统；底盘结构；履带abstractthis article designs 300 meters dive the water well dri

2、lling machine to use the marching hydraulic pressure driving system, the double caterpillar band constitutes drilling machine's installment pivot and the bare bone. the entire hydraulic pressure actuation's control loop, causes it to walk is simple with the rotation gear design, the ease of

3、operation organization, the perform reliably, the safety coefficient are high, even more is suitable for moistly and so on under the adverse circumstance work. in this paper, the chassis rig structure, hydraulic outrigger and hydraulic control circuit design, especially on the chassis structure in a

4、ccordance with theoretical mechanics and materials for mechanics on the basis of theoretical calculations and conducted cosmspress finite element analysis. the rig to meet the normal working premise, its chassis structure of the economy, and other aspects of the manufacturing process was optimized.k

5、eywords: diving driller; hydraulic drive system; chassis structure; crawler 目 录摘 要iabstractii1 绪 论11.1国内外履带式潜水井钻机的研究现状21.2国内外履带式潜水井钻机的发展趋势51.3本课题的研究目的及意义62 履带式300m潜水井钻机底盘整体受力分析压力62.1履带式300m钻机的总体方案选择：62.2履带式300m潜水井钻机整机自重的估算92.3动力头部分的建模计算112.4垂直支架部分的建模计算122.5履带式300m潜水井钻机整机所受风载荷的计算123钻机底盘的设计计算及其校核143.1

6、后端水平支撑梁的设计及校核153.2前端水平支撑梁的设计及校核233.3中间连接梁的设计及校核283.4前后水平支撑梁的设计及校核323.5底盘延辐支撑梁的设计及校核384 钻机支腿液压缸结构选择及辅助快卸液压缸选型424.1支腿液压缸的结构选择424.2辅助快卸液压缸选型475履带式300m潜水井钻机可行性分析485.1履带式300m潜水井钻机技术经济性分析485.2履带式300m潜水井钻机可靠性分析49参考文献53致 谢541 绪 论本次设计的题目是履带式300米潜水井钻机的研发设计，该设备主要用于勘探和普查地层的水文地质情况、钻凿水井、桥梁和高层建筑桩施工以及地源热泵空调工程中，与常见的

7、水井钻机相比，课题设计的钻机采用了履带式行走装置，提高了钻机的稳定性和机动性，具有扭矩大、钻孔深；成孔速度快、钻孔效率高；多种速度调节；噪声低、振动小；多功能等优点，并可以根据钻机循环系统与钻具组合的配置，满足不同孔径的工程需求。随着地热能的勘探与开发，地热井钻凿技术有了较大提高。以前结构简单、钻具简陋、功率较小、成井深度浅、出水量少、水温较低，且无法进行深部地热的勘探和开发的小型的钻凿设备，越来越不能满足现代地热井钻凿技术的需求。为满足地热井口径大、井深、出水量大和出水温度高等要求，钻凿设备则需要不断地引进新的工艺和先进的技术，以进一步发展和提高地热井的钻凿技术。我国是一个快速发展的多山国家

8、，矿山、能源、水电及国防等基础建设领域中各种凿岩开采的工程量十分浩大，各种工程建设急需大量的建设机械，特别是公路桥梁、铁路、水利、城市发展，需要大量的桩工机械设备，但目前我国绝大部分大型高性能凿岩钻孔设备均依赖进口，因此从其发展的速度来看，履带式潜水井钻机的发展在我国有很好的前景。进口产品大量涌入我国市场，而我国同类产品的开发尚处于初始阶段，未来几年将处于急速发展的上升时期。我国的履带式潜水井钻机与国外的履带式潜水井钻机差距很大，无论是功能上，还是技术上都比较落后。尽管产品成本相对较低，但与社会发展不相适应。若要在日趋激烈的履带式潜水井钻机市场竞争中占有一席之地，则必须不断地改进老产品，并逐步

9、开发高起点、高技术含量的新型履带式潜水井钻机。1.1国内外履带式潜水井钻机的研究现状履带式潜水井钻机是在回转斗旋挖钻机钻机和全套管旋挖钻机的基础上发展起来的，第二次世界大战前，美国calweld首先研制出回转斗短螺旋钻机。二十世纪五十年代，法国benoto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不断完善，发展成为今天的多功能组合模式。日本于1960年从美国引进calweld旋挖钻机，同时加藤制作所开发了15-h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钻机。19

10、80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促进了旋挖钻机技术在日本的发展。日本的旋挖钻机扭矩比欧洲的同类产品小。其中欧洲的独立式旋挖钻机具有以下特点：（1）动力头由一个或多个液压马达驱动，一类为宝峨、永腾为代表，转速较低、没有高速反转。另一类以土力、迈特、卡萨为代表，动力头运转由一至两个大排量变量马达驱动，高速反转由另外一个小马达驱动，还有一类如意马，直接通过行星减速机的换档来实现高速反转甩土。前面两种结构简单，液压配管方便，成本低，后面一种液压管布管复杂，减速机结构复杂，易出故障，造价高。（2）钻杆分为摩阻式与机锁

11、式。机锁式又分为间断式和齿条式。摩阻式钻杆用于普通地层钻进，机锁式用于坚硬地层钻进。旋挖钻机工作时，钻杆同时承受拉压、剪切、扭转、弯曲等复合应力。欧阳旋挖钻机所遥的伸缩钻杆均采用高强度特殊合金无缝管制造。设计制造都有一些特殊的要求。这样才能达到质量轻，传扭大、耐磨损、寿命长。（3）立柱采用箱形结构，刚性好，重量轻。滑道多采用耐磨方形无缝管，便于传递大扭矩。立柱支撑机构有三种形式，一种为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。缺点是前面重量偏重，稳定性稍差，不能承受超大扭矩。另一种为大三角结构，以宝峨为代表，其特点是结构简单，稳定性好，能承受大扭矩。缺点是

12、运输时要拆开，费时，需要辅助起重设备，第三种以西班牙拉马达公司、意大利安特高为代表，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。（4）主卷扬是旋挖钻机的关键部件，根据旋挖钻机的施工特点，在钻机每个工作循环（对孔下钻-钻进-提钻-回转-卸土），主卷场的结构和功能都非常重要，钻孔效率的高低、钻孔事故发生的几率，钢丝绳寿命的长短都与主卷场有密切的关系。欧洲的旋挖钻机都有钻杆触地自停和动力头随动装置以防止乱绳损坏钢丝绳。特别是意大利迈特公司的旋挖钻机，主卷扬的卷筒容量大，钢丝绳为单层缠绕排列，提升力恒定，钢丝绳不重叠碾压，从而减少钢丝绳之

13、间的磨损，延长了钢丝绳的使用寿命。国外旋挖钻机主卷扬都采用柔性较好的非旋转钢丝绳，提高使用寿命。（5）底盘分为专业桩架底盘、旋挖钻机专业底盘、起重机履带底盘、挖掘机履带底盘、汽车底盘等。可变履带间距的底盘，低重心及配重的可调整设计布置，既保证了整机的稳定性，又满足运输的要求，采用宽履带，降低接地比压及优越爬坡能力，保证了钻机现场转位所要求的机械性能。1984年天津探矿机械厂首次从美国rdi公司引起车载式旋挖钻机。1988年北京城建工程机械厂仿制了土力公司1.5m直径附着式旋挖钻机。1994年郑州勘察机械厂引进英国bsp公司附着式旋挖钻机，1998年上海金泰股份有限公司与宝峨合作组装bg15。1

14、999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、山河智能等多家生产厂家的旋挖钻机陆续下线，产销两旺。其中徐工科技是国内较早专业生产大口径液压旋挖钻机的厂家，主要产品有rd15、rd18/rd20、rd22三种旋挖钻机。该系列钻机是在广泛吸收国外同类产品先进技术的基础上设计开发的高新技术产品，主要性能指标达到了当代国际同类产品的先进水平，液压等关键零部件采用国际化配套，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

15、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。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可靠的安全保护装置，且整机外型美观大方，主要结构件采用高强度低合金结构钢焊接而成，机械强度高，刚度大，工作安全可靠。本设计的履带式潜水井钻机是主要用于露天矿山开采，建筑基础开挖,水利、电站、建材、交通及国防建设等多种工程中的凿岩钻孔。与常见的凿岩机相比，具有钻孔深、钻孔直径大、钻孔效率高、适应范围广等特点，是当前通用的大型凿岩钻孔设备。在凿岩设备的研究开发方面，瑞典的阿特拉斯·科普柯、芬兰的汤姆洛

16、克、美国的英格索兰、日本的古河等企业已经走在了行业的前列，它们均推出不同品牌和系列的一体化潜孔钻机。这些公司的产品经过几十年甚至上百年的积累、改进与发展，无论是设计、选材还是制造水平都处于国际领先地位。其中瑞典的阿特拉斯·科普柯公司和芬兰的汤姆洛克公司生产的液压凿岩设备占全球产量一半以上。我国是一个快速发展的多山国家，矿山、能源、水电及国防等基础建设领域中各种凿岩开采的工程量十分浩大。目前绝大部分大型高性能凿岩钻孔设备均依赖进口。因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺，研制新产品，改变由过去的我国凿岩机械市场受到进口产品的严重冲击，在众多的重点工程中，国外设备几乎一统天下的状况，满

17、足用户需求，真正成为以优异的性价比获得用户的首肯。1.2国内外履带式潜水井钻机的发展趋势冲击回转钻进法的应用已有上百年的历史。二十世纪三十年代发展了风动潜孔锤。到五十到六十年代获得了较为广泛的应用。在此期间，美国在3500米的深井中，成功地进行了风动潜孔锤冲击回转钻进。随后又在水并钻机和工程钻机中广泛应用。到六十年代末，在我国矿山开采中推广使用了风动潜孔锤冲击回转钻进，代替了旧的钢丝绳冲击钻进。二十世纪四十年代，苏联葛莫夫研制了滑阀式正作用液动冲击器，美国巴辛格尔也研制了活阀式正作用液动冲击器。在液动冲击器的研制方面取得了很大的进展。到五十年代，美国艾莫雷研制了活阀式反作用的冲击器，到五十年代

18、后期，就出现了种类繁多的双作用的冲击器。各类冲击器一直发展到现在，都取得了较大的发展。现在随着液压技术的发展，国内外钻井装备业重视液压技术的应用开发,在石油钻井装备制造方面以新技术占领市场,发展势头强劲。在国内，1996年宝鸡石油机械有限责任公司在2套zj40l钻机上试制了双刹车回路的液压盘式刹车装置。后经不断完善,从1998年开始,在新制造的钻机上液压盘式刹车装置逐步取代了带式刹车装置。另外，在顶部驱动钻井装置，钻机底座及井架的起升及钻机的整体平移上都在和液压技术结合起来。我国自1968年开始研制反作用的冲击回转钻具，于1971年辽宁铁岭地质队、长春地质学院等单位先后研制出液压射流式冲击器，

19、取得了不少的成就。现在射流式冲击器和阀式冲击器已在地质勘探取心钻进生产中应用起来，并取得了较好的成果。冲击回转钻进方法虽然应用越来越广泛，但尚须进一步完善和提高。应当研究冲击回转钻进的碎岩原理；研究设计新型的冲击器，应尽先研制用于坚硬岩层的大冲击功的冲击器，泥浆钻进用的冲击器以及小口径金刚石钻进用的高频冲击器等；研究冲击器的设计和计算方法，设计适应冲击回转钻进用的水泵及钻机；研究冲击回转钻进用的钻头结构、硬合金的材质和形状及其镶焊方法。目前，国产旋挖钻机品种比较单一，大多数产品的扭矩是180-220knm，用户选择的余地较小，然后，据统计我国80%-85%的桩基础桩径在1200mm以下，深度不

20、超过40m,今后，可发挥旋挖钻机的多功能这一最大优点，不片面强调大扭矩条件，开发适合我们国情，满足高效、环保、效益高等施工要求，且价格较低的国产履带式潜水钻机钻机。1.3本课题的研究目的及意义随着近年来地热能的勘探与开发，地热井钻凿技术有了较大提高。以前结构简单、钻具简陋、功率较小、成井深度浅、出水量少、水温较低，且无法进行深部地热的勘探和开发的小型的钻凿设备，越来越不能满足现代地热井钻凿技术的需求。为满足地热井口径大、井深、出水量大和出水温度高等要求，钻凿设备则需要不断地引进新的工艺和先进的技术。因此，我们要根据我国市场的基本要求，不断采用新技术、新工艺，研制新型履带式潜水井钻机，改变由过去

21、的我国凿岩机械市场受到进口产品的严重冲击。 2 履带式300m潜水井钻机底盘整体受力分析压力2.1履带式300m钻机的总体方案选择：一台钻机与其它机器一样，都由许多零件、部件相互组合而成成的整体。它的性能如何，不仅取决于各类零件、部件设计的是否合理，更重要的是取决于各部件性能相互配合与协调。因此，钻机的总体设计对钻机的整机性能起着决定性的作用。履带式300m钻机的总体设计，要依据设计任务书中所规定的设计要求及当前的实际状况与制造条件，从全局出发正确合理地选择机型，而后确定整机的主要技术参数及根部件的结构形式，进行整体布局，最后得到一个最佳的设计方案。为了拟定履带式300m钻机的整机设计方案，在

22、确定钻机的原始设计参数和主要工作参数之后，就要在分析的基础之上选定各部件的结构形式和传动方式，进行总体结构方案的设计。2.1.1动力装置的选择对于钻机常用的动力装置，按动力种类可分为：内燃机驱动、电力驱动及复合驱动；按整机所用原动机的数目可分为：单机驱动和多机驱动；按原动机的特征可分为：具有固定特征的驱动和具有可变特征的驱动。由于由于履带式300m钻机的工作环境较差：在户外进行工作，环境温度变化较大、岩尘多，还要受到风、雨、雪等恶劣天气的干扰。使钻机的工作状况经常变化、过载堵转等现象。这些使用环境和工作特征对钻机的各部件选用，都提出了特殊的要求。所以在综合考虑钻机的生产效率和各部件所需的功率的

23、大小及动力装置的结构尺寸、重量、操作的难易程度、能源的来源及可靠程度、经济性等因素，本钻机选取单机固定特征的内燃机驱动。2.1.2传动系统的选择（1）传动形式的选择钻孔机械中常用的传动形式有三种，即：机械传动、液压传动和气动。其中：机械传动结构简单、传动可靠，加工及制造比较容易、成本低，但传动系统中有较大的扭振和冲击；液压传动结构简单、体积小，传动平稳可靠，操作、控制方便，可以实现无级调速，但会出现泄漏、裂管等问题；气动结构简单、清洁，成本低，但工作不平稳、冲击性较大，动作不够可靠。综合考虑各种传动系统的优缺点，本钻机采用液压传动。（2）钻机回转机构形式的选择钻机的回转机构的结构形式有多种，有

24、设置在底部、中间、顶部等多种传动装置。其中底部传动是通过六方杠或带有花键的主钻杆带动钻具旋转，通过链条链轮组或钢丝绳滑轮组、齿轮齿条来实现轴向加压，利用该结构是钻杆结构复杂、加工困难；顶部传动的特点是回转机构（动力头）在链条链轮组或钢丝绳滑轮组、齿轮齿条的牵引下沿钻架的轨道上下滑动，以实现连续加压或提升钻具，结构简单、轴压大、钻孔效率高。综合考虑本钻机的特点和应用场合，采用顶部驱动，利用液压缸和钢丝绳滑轮组来实现攻进和提升钻具等，结构简单且工作安全可靠。（3）行走系统的选择由于本钻机的工作环境比较恶劣，即：露天、粉尘、潮湿、泥泞路面等。故采用行走系统采用履带式行走系统。2.1.3钻机的总体布置

25、钻机的布置关系到钻机的性能和质量及其经济性。根据以上结构形式的确定，可以根据机械设计手册拟定钻机的总体布局，来确定钻机的整机大致尺及各部件的位置尺寸、钻机的重量、重心等。（1）总体布置得原则有利于提高钻机的刚度、强度、抗振性和稳定性，钻机的重心要尽量低，且重心位置要靠近钻机的形心；有利于提高钻机的作业效率，同时便于操作和维修，保证工作安全可靠；有利于提高传动效率，同时传动部件结构紧凑，颤动路线尽量短；外形应美观、大方、有防护装置，同时符合运输要求。（2）钻机总体的布置将各个部件根据手册简化为相应的质量体，在选择一个布置基准后，进行钻机的总体布置。在钻机的总体布置草图整理好后，即对钻机进行稳定性

26、计算和整机的外形尺寸的确定。稳定性是指钻机在行走或工作过程中不至于发生倾斜或侧滑的性能。2.2履带式300m潜水井钻机整机自重的估算根据钻机设计设计原始数据：钻孔深度：300米；钻孔直径：152305毫米；钻杆直径：89、108；钻杆长度：3米。此设备可以在露天、粉尘、潮湿、泥泞路面等比较恶劣的环境中工作。故根据以上条件做出设计的基本组成及其各组成部分的自重，即：钻机共有垂直支架、提升机构（主卷扬系统和副卷扬系统）、动力头及其附件、发动机、液压驱动系统（履带）、钻机底盘、冷却器、雾化器、泡沫泵及各类液压元件等组成。根据300m钻杆的质量及其在提升过程中的惯性力和与井壁之间的摩擦力等，提出其设计

27、的提升力为f=10t=98kn。所以可以根据履带式钻机的总质量（t）经验公式（2.1）估算钻机的自重m： （2.1）式中：h钻机的起升高度（m），h =6.7mr钻机的幅度（m），r=2.3mcp钻机的额定提升力（t），cp =10t又考虑到钻机有大量液压附件等其他因素的自重故可取钻机自重为m=8t故钻机自重可分配如下：钻机自重： 履带自重： 底盘自重： 冷却器、雾化器、泡沫泵等气路及其各类液压元件自重之和： 发动机自重： 垂直支架、滑轮组及主、副卷扬系统自重之和： 动力头及动力头底座： 在工作过程中，动力头与支架的受力分析可描述为： 故有以上设计要求与钻机各部分自重分配可知：最大提升力：f=

28、10t=98kn；垂直支架、滑轮组及主、副卷扬系统自重之和：设动力头对滑轨的正压力为；固定约束处的反作用力分别为fr1、fr2、fr3；提升过程中的摩擦力ff=f·。则有手册可知：动摩擦系数f为：有润滑时：f=0.04;无润滑时：f=0.2。其中又已知：。2.3动力头部分的建模计算根据从理论力学和材料力学所学过的基本力学知识，可以将动力头及其动力头底座根据实际受力状况简化受力模型，故可以建模为如图2.1所示，在钻机正常工作过程中的最危险工况为钻机钻完300米深井后提钻杆的时刻。故可知动力头及其动力头底座与导轨之间的受力分析为：图2.1动力头及其底座有理论力学中的基本知识可知，则有：即

29、： 即： 即： 又有并带入数据可得：=3.18t=31.164kn ff=f·=0.13t=1.274kn设支撑架导轨对动力头底座滑块的反作用力偶为m，则有2.4垂直支架部分的建模计算图2.2垂直支架根据从理论力学和材料力学所学过的基本力学知识，可以将垂直支架根据实际受力状况简化受力模型，故可以建模为如图2.2所示：支撑架的受力分析为： 代入数据l1=313mm、l2=270mm、 l3=384mm、 l4=482mm、l5=412mm、l6=186mm、l7=250mm、l8=885mm、l9=1582.5mm、l10=4421mm、l11=3316mm、m=12.84kn

30、3;m、fr3=2.3283t可得：，2.5履带式300m潜水井钻机整机所受风载荷的计算又由履带式潜水钻机的工作环境可知：钻机为户外露天工作，则其在工作过程中会受到风载荷作用。通常只计算风速压对挡风结构的作用，由于钻机的垂直支架与动力头及其附件等机构在工作过程中处于高耸状态，故应考虑其的涡振和自激振动。即： （2.2）式中：q风压（pa），v风速(m/s)表 2.1计算风压地 区工作状态计算风压非工作状态计算风压q1q2q3内 陆0.6 q2150500600沿 海2506001000台湾省及南海诸岛2501500在计算钻机的风载荷时，可以将钻机分为几个部分，分别计算各个部分的风载荷。在划分各

31、部分的挡风面积时应遵循以下原则：可动部分与不动部分分开；实体结构与漏空部分分开；同样为漏空结构但结构不同时也要分开。每一部分的挡风面积受到的风载荷可按公式（2.3）计算，即： （2.3）式中：fw作用在钻机某一部分挡风面积上的风载荷（n）c风力系数 (见表2.3)表2.2 风压高度变化系数kh离地面（海面）高度h（m）陆上海上及海岛101.001.00201.231.15301.391.25401.511.32501.621.38601.711.43kh风压高度变化系数（见表2.2）q计算风压（pa），（其取值标准见表2.1）a垂直于风向的机构物面积表2.3 风力系数c结构形式风力系数型钢支撑

32、的桁架1.6封闭的机器房、司机室等1.11.2由公式（2.3）可知：当钻机的工作环境内陆地表时，取最大风速为v=10m/s则：q=0.613v2=0.613×102=61.3pa；由表1-2取风压高度变化系数kh =1.00；由表1-3取风力系数c=1.6故有表2.1可知q=61.3pa0.6×15090pa，取标准为q=90 pa 又由公式（2.3）可知：动力头及其附件部分的正面对风时的风载荷:动力头及其附件部分的侧面对风时的风载荷:垂直支架部分正面对风时的风载荷：垂直支架部分侧面对风时的风载荷：其余各部分与钻机底盘直接相连且离地面高度较小，故其所受的风载荷可以忽略不计。

33、3钻机底盘的设计计算及其校核图3.1底盘模型有前面钻机整机自重的计算可知：钻机自重：m=8t 即：g=78.4kn履带自重： 即：底盘自重： 即：冷却器、雾化器、泡沫泵等气路及其各类液压元件自重之和：mf=0.8t 即：gf=7.84kn发动机自重：m0=0.5t 即：g0=4.9kn 垂直支架、滑轮组及主、副卷扬系统自重之和：mz=1.2t 即：gz=11.76kn 动力头及动力头底座：md=0.3t 即：gd=2.94kn 又由钻机整机所受风载荷的计算可知：动力头及其附件部分的正面对风时的风载荷:fw1=57.6n，侧面对风时的风载荷: fw1=72n；垂直支架部分正面对风时的风载荷：fw

34、2=115.2n，侧面对风时的风载荷：fw2=144n。为了简化计算，将fw1、fw1、fw2及fw2与钻机的自重及其所受其他载荷相比，可将其忽略不计。故在此假设条件下对300m履带式潜水钻机底盘的设计与校核如下：3.1后端水平支撑梁的设计及校核根据从理论力学和材料力学所学过的基本力学知识，在满足机构的边界条件、变形状况及其结构的主要受力特点，可以将结构复杂、载荷多样的机构进行“抽象”成能够人工计算或计算机辅助计算的模型。故根据图3.2 后端水平支撑梁实际可以将后端水平支撑梁根据实际受力状况简化受力模型，梁1为q235材料的18号槽钢与厚度为10的钢板复合而成的梁；梁2为q235材料的16号槽

35、钢构成的简支梁。故可以建模为如图3.2示：图3.3 后端水平支撑梁3.1.1梁1、2的受力分析与横截面设计设梁1对支腿液压缸的反作用力为f1，梁2对支腿液压缸的反作用力为f2，则由后端水平支撑梁受力平衡可知：f=f1+f2又由假设前后支撑梁为固定不动，则有梁1、2两部分的弯曲变形量大小相等，即：,又有y1=y2可知: 所以代入数据l0=493.5mm、l1=463.5mm、l2=600mm、f=3.4t=62.72kn可解得：f1=42.94kn；f2=19.8kn m1=f1·l1=42.94×0.4635=19.903 kn·m 又由m0=f·l0=

36、62.72×0.4935=30.952kn·mm2= m0m1=11.05 kn·m 3.1.2梁1的强度、刚度校核有以上可知对于梁1则由：m1max=m1=19.903kn·m又由机械设计手册型钢表中可查得热轧18号槽钢的基本参数为：h1=180mm、b1=70mm、d1=9mm、a1=29.299cm2、wx1=152cm3、ix1=1370cm4、ix1=6.84cm、wy1=21.5cm3、iy1=111cm4、iy1=1.95cm、iy0=210cm4及z0=1.84cm。钢板的长宽高分别为：l2=463.5mm、b2=10mm、h2=160m

37、m图3.4 后端水平支撑梁1的截面、两者的复合方式如图3.4所示：所以当两者复合时，由平行移轴公式可知：所以梁1对中轴的惯性矩为：梁1横截面上边缘及下边缘至中性轴的距离分别为：所以梁1的最大应力为截面下端受的最大拉应力，即：截面上端受的最大压应力为：又由q235材料的许用抗拉强度、许用抗压强度可知：该梁的抗压和抗拉均满足要求。又由可知：，代入临界条件时可知： ，由机械设计手册可知对于一般工程机械的梁的许用挠度取值为： ，故梁1的刚度满足设计要求。3.1.3梁2的强度、刚度校核有以上可知对于梁2则由：m2max=m2=11.05kn·m由机械设计手册型钢表中可查得：16号槽钢的基本参数

38、为：h=160mm、b=60mm、d=8.5mm、a=25.162cm2、wx=117cm3、ix=935cm4、ix1=6.10cm、wy=17.6cm3、iy=83.4cm4、iy=1.82cm、iy0=161cm4及z0=1.75cm。所以梁2对中轴的惯性矩为：ix=935cm4，横截面上边缘及下边缘至中性轴的距离分别为：y1=y2=h2/2=7cm所以梁2的最大应力为截面下端受的最大拉应力，即：截面上端受的最大压应力为：又由q235材料的许用抗拉强度、许用抗压强度可知：该梁的抗压和抗拉均满足要求。又由可知：，代入临界条件时可知： ，由机械设计手册可知对于后端水平梁2的许用挠度可取值为：

39、 ，故梁2的刚度满足设计要求。3.1.4后端水平支撑梁1、2与前后水平支撑梁连接处焊接强度校核表3.1 焊缝的静载许用应力许用应力类别用e4303焊条焊接下列被焊件材料时，焊缝的静载许用应力/mpaq215q235、q255许用压应力c200210许用拉应力（用精确方法检查焊缝质量）200210许用拉应力（用精确方法检查焊缝质量）180180许用切应力140140（1）对于梁1连接处焊接强度计算，设梁1在力f1的作用下的剪力仅有两条竖直焊缝承担，则计算的结果则便于安全。所以在焊缝处的正应力为：由表可查得焊缝的许用拉应力为，故此焊缝连接处的正应力是安全的。又焊缝在连接面上的投影面积为，则由f1在

40、焊缝危险截面上产生的切应力为：焊缝在连接面上的投影面积a2上的转动惯量jx-x可以近似求得为： 于是在力矩m1=19.903kn·m，焊缝危险截面上产生的切应力为：故得焊缝处危险截面上的合成切应力为：由于本设计的焊缝焊条的，取安全系数为，则可知许用抗拉强度，又，故此焊缝连接处的切应力是安全的。（2）对于梁2连接处焊接强度计算，为了简化计算，设梁2在力f2的作用下的剪力仅有两条竖直焊缝承担，这样计算的结果则便于安全。所以在焊缝处的正应力为：由表可查得焊缝的许用拉应力为，故此焊缝连接处的正应力是安全的。又由焊缝在连接面上的投影面积为,则由f2在焊缝危险截面上产生的切应力为：焊缝在连接面上

41、的投影面积上的转动惯量可以近似求得为：于是在力矩，焊缝危险截面上产生的切应力为：故得焊缝处危险截面上的合成切应力为：由表3.1可查得焊缝的许用切应力为，故此焊缝连接是安全的。3.1.5后端水平支撑梁1、2与支腿液压缸支撑板连接处焊接强度校核（1）在设计后端水平支撑梁与支腿液压缸支撑板连接时，为了避免三焊点等情况的出现，先将后端水平支撑梁1与梁2通过焊接连接后，再将其与支腿液压缸支撑板焊接。所以先计算后端水平支撑梁1、2连接处焊接强度计算，为了简化计算，设后端水平支撑梁2在力f2的作用下的剪力仅有两条竖直焊缝承担，这样计算的结果则便于安全。所以在焊缝处的正应力为：由表可查得焊缝的许用拉应力为 ，

42、故此焊缝连接处的正应力是安全的。又焊缝在连接面上的投影面积，则由f1在焊缝危险截面上产生的切应力为：焊缝在连接面上的投影面积a2上的转动惯量jx-x可以近似求得为：于是在力矩m2=11.05kn·m，焊缝危险截面上产生的切应力为：故得焊缝处危险截面上的合成切应力为：由表3.1可查得焊缝的许用切应力为，故此焊缝连接处的切应力是安全的。（2）对于梁1连接处焊接强度计算，为了简化计算，设梁1在力f的作用下的剪力仅有两条竖直焊缝承担，这样计算的结果则便于安全。所以在焊缝处的正应力为：由表3.1可查得焊缝的许用拉应力为：，故此焊缝连接处的正应力是安全的。又由焊缝在连接面上的投影面积为，则由f在

43、焊缝危险截面上产生的切应力为：焊缝在连接面上的投影面积a2上的转动惯量jx-x可以近似求得为：于是在力矩m0=30.952kn·m，所以mmax=m0=30.952kn·m，此时焊缝危险截面上产生的切应力为：故得焊缝处危险截面上的合成切应力为：由表3.1可查得焊缝的许用切应力为，故此焊缝连接处的切应力是安全的。3.2前端水平支撑梁的设计及校核3.2.1前端水平支撑梁的受力分析与截面设计根据从理论力学和材料力学所学过的基本力学知识，可以将前后支撑梁根据实际受力状况简化受力模型，故可以建模为如图3.5所示：图3.5 前端水平支撑梁由于前端水平支撑梁在液压支腿和前后水平支撑梁的共

44、同作用下受力平衡，故由：图3.6 前端水平支撑梁的应力图和弯矩图所以前端水平支撑梁所受的应力图和弯矩图如图3.6所示：图3.7 前端水平支撑梁的截面所以当材料为q235时，则有故可以采用20a工字钢或20号槽钢或小型号型钢之间及型钢与钢板之间的复合。当材料为q345时，=220mpa，则有故可以采用16工字钢或18a号槽钢或小型号型钢之间及型钢与钢板之间的复合。本设计采用的是利用q235的18号槽钢与厚度为的q235钢板焊接复合而成的梁，复合方式如图3.7所示。又由18号槽钢的抗弯截面模量，的钢板的抗弯截面模量、及可知复合梁的抗弯截面模量为：,故可以使用。3.2.2前端水平支撑梁的强度、刚度校

45、核有以上可知梁1对中轴的惯性矩为：梁1横截面上边缘及下边缘至中性轴的距离分别为：所以梁1的最大应力为截面下端受的最大拉应力，即：截面上端受的最大压应力为：又由q235材料的许用抗拉强度、许用抗压强度可知：该梁抗压和抗拉均满足要求。又由可知：，代入临界条件时可知： ，由机械设计手册可知前端水平支撑梁的许用挠度可取值为： ，故前该梁的刚度满足设计要求。3.2.3前端水平支撑梁与前后水平支撑梁连接处焊接强度校核为了简化计算，设前端水平支撑梁在力f的作用下的剪力仅有两条竖直焊缝承担，这样计算的结果则便于安全。所以在焊缝处的正应力为：由表3.1可查得焊缝的许用拉应力为，故此焊缝连接处的正应力是安全的。又

46、由焊缝在连接面上的投影面积为，则由f在焊缝危险截面上产生的切应力为：焊缝在连接面上的投影面积上的转动惯量可以近似求得为：于是在力矩，所以焊缝危险截面上产生的切应力为：故得焊缝处危险截面上的合成切应力为：由表3.1可查得焊缝的许用切应力为，故此焊缝连接的切应力是安全的。3.2.4前端水平支撑梁与支腿液压缸支撑板连接处焊接强度校核为了简化计算，设前端水平支撑梁在力f的作用下的剪力仅有两条竖直焊缝承担，这样计算的结果则便于安全。所以在焊缝处的正应力为：由表可查得焊缝的许用拉应力为，故此焊缝连接处的正应力是安全的。又由焊缝在连接面上的投影面积为，则由f在焊缝危险截面上产生的切应力为：焊缝在连接面上的投

47、影面积a2上的转动惯量jx-x可以近似求得为：于是在力矩，此时焊缝危险截面上产生的切应力为：故得焊缝处危险截面上的合成切应力为：由表可查得焊缝的许用切应力为=140mpa，故此焊缝连接的切应力是安全的。3.3中间连接梁的设计及校核根据从理论力学和材料力学所学过的基本力学知识，可以将前后支撑梁根据实际受力状况简化受力模型，故可以建模为如图3.8所示：图3.8 中间连接梁的受力模型3.3.1中间连接梁的受力分析与截面设计由其受力平衡可知：所以前端水平支撑梁所受的应力图和弯矩图如图3.8所示：图3.8中间连接梁的应力图和弯矩图本设计所采用的是用q345的图3.10 中间连接梁的截面18号槽钢与的q3

48、45钢板及一个q345的14a的槽钢共同构成，并在工字钢上设置三个直径为80、壁厚为的钢管来防止两平行前后水平支撑梁应受力变形过大而损坏，但在设计计算时不计在内。其安装及复合型式如图3.9所示。验算如下：由gb706-88可知18号槽钢的抗弯截面模量wx1=152cm3，14a号槽钢的抗弯截面模量wx2=80.5cm3，的钢板的抗弯截面模量，所以其复合后的抗弯截面模量为wx=wx1+wx2+wx3=152+80.5+44.282=276.782cm3273.986 cm3,故可以使用。3.3.2中间连接梁的强度、刚度校核有以上可知中间连接梁对中轴的惯性矩为：ix=ix1+ix2+ix3=137

49、0+564+721.791=2655.791cm4中间连接梁横截面上边缘及下边缘至中性轴的距离分别为：y1=8.62cm,y2=(188.62)=9.38cm 所以中间连接梁的最大应力为截面下端受的最大拉应力，即：截面上端受的最大压应力为：又由材料的许用抗拉强度、许用抗压强度可知：该梁抗压和抗拉均满足要求。又由可知：，代入临界条件时可知： ，由机械设计手册可知中间连接梁的许用挠度可取值为： ，故该梁的刚度满足设计要求。3.3.3中间连接梁与前后水平支撑梁连接处焊接强度校核为了简化计算，设中间连接梁在两个力f的作用下的剪力仅有两条竖直焊缝承担，这样计算的结果则便于安全。所以在焊缝处的正应力为：由

50、表3.1可查得焊缝的许用拉应力为，故此焊缝连接处的正应力是安全的。又焊缝在连接面上的投影面积，则由f在焊缝危险截面上产生的切应力为：焊缝在连接面上的投影面积a2上的转动惯量jx-x可以近似求得为： 又由力矩mmax=61.277kn·m，所以焊缝危险截面上产生的切应力为：故得焊缝处危险截面上的合成切应力为：由表3.1可查得焊缝的许用切应力为=140mpa=125.197 mpa ，故此焊缝连接的切应力是安全的。3.4前后水平支撑梁的设计及校核3.4.1前后水平支撑梁的受力分析与截面设计根据从理论力学和材料力学所学过的基本力学知识，可以将前后支撑梁根据实际受力状况简化受力模型，故可以建

51、模为如图示：由其受力平衡可知：由其受力特点可知其反作用力则满足：即：即： 又 r1=57.4kn, r2=65.215kn所以1-1段梁的内应力fq1及其所受弯矩m1分别为:fq1=r1=28.7kn fq1max=28.7knm1=r1x m1max=r1l3=28.7×0.4775=13.704kn2-2段梁的内应力fq2及其所受弯矩m2分别为: 3-3段梁的内应力fq3及其所受弯矩m3分别为: 4-4段梁的内应力fq4及其所受弯矩m4分别为: 对m4进行求导得：，令可知其极点，即 由于在1.388，2.230区间内，故可取其极值5-5段梁的内应力fq5及其所受弯矩m5分别为:

52、fq5max=36.5kn=26.25x24.2546-6段梁的内应力fq6及其所受弯矩m6分别为:fq6max=54.2kn 对m6进行求导得：，令可知其极点，即 由于在0.4775，1.1075区间内，故可取其极值7-7段梁的内应力fq7及其所受弯矩m7分别为: fq7max=54.2kn 8-8段梁的内应力fq8及其所受弯矩m8分别为:fq8max=57.865kn 9-9段梁的内应力fq9及其所受弯矩m9分别为: 有以上可知前后支撑梁所以由公式可知:当梁材料为q235时，则 故可以根据表格取为25a号以上的工字钢或28b号以上的槽钢或采用两种小型号的型钢进行复合，如18号槽钢与16号工

53、字钢的复合结果为：图3.11 前后支撑梁截面18号槽钢 16号工字钢a1=25.162 cm2 a2=21.516cm2ix1=935 cm4 ix2=1130cm4h1=160mm h2=160mmz0=1.84cm ，故满足设计要求。当梁材料为q345时，则故可以根据表格取为20a号以上的工字钢或22b号以上的槽钢或采用两种小型号的型钢进行复合，如16号槽钢与14号工字钢的复合结果为：16号槽钢 14号工字钢a1=25.162cm2 a2=21.516 cm2ix1=935 cm4 ix2=712 cm4h1=160mm h2=140mmz0=1.84cm=162.25mm=16.225c

54、m =5257.87cm4，故可以使用。但是为了考虑机器的经济性因素,故本设计中前后水平支撑梁采用材料为q235的18号槽钢与q235的16号工字钢复合而成的梁。3.4.2前后水平支撑梁的强度、刚度校核有以上可知前后水平支撑梁对中轴的惯性矩为：ix=6623.655cm4梁1横截面上边缘及下边缘至中性轴的距离分别为：，所以前后水平支撑梁的最大应力为截面下端受的最大拉应力，即：截面上端受的最大压应力为：又由q235材料的许用抗拉强度、许用抗压强度可知：该梁抗压和抗拉均满足要求。又由可知：，代入临界条件时可知： ， 由机械设计手册可知前后水平支撑梁的许用挠度可取值为： ，故该梁的刚度满足设计要求。3.5底盘延辐支撑梁的设计及校核3.5.1延辐支撑梁的受力分析与截面设计图3.12 延辐支撑梁受力模型为了支撑钻机底盘上面其它机构，在主要的梁上焊接一些延辐的支撑梁。根据实际需求，在前后水平支撑梁的集中受力的位置上设置8个延辐支撑梁，即一侧4个。根据钻机整体上的布局，延辐支撑梁在前后水平支撑梁成不均匀分布，即只在受集中载荷的位置设置。同时又为了钻机的制造方便，8根延辐支撑梁选用材料和型号相同的槽钢，所以设计时只需按照受力最大的延辐支撑梁进行设计即可。故可以根据理论力学和材料力学所学力学知识，将延辐支