毕业设计（论文）-0.6米顶管机总体设计

1、 0.6米顶管机总体设计全套图纸加扣 3346389411或3012250582一、前言顶管机是一种施工非开挖地下管道（外径可达3.8m）的专用掘进机械设备，它的形式由手掘式、挤压式发展到半机械式。由于城市建设的发展，对施工周围的环境保护提出了较高的要求，随着施工经验的积累、科学技术的进步与机电制造水平的提高，使顶管机的形式向着机械旋转切削式、泥水平衡式、土压平衡式以及能适应软硬土层的先进机型发展。顶管掘进机切削刀盘的驱动形式有液压驱动和电机驱动之分。20世纪80年代初，日本开发了刀盘电机驱动的土压平衡顶管机；我国第一台f1440mm刀盘电机驱动土压平衡顶管机于1992年由上海研制成功，第二台

2、是f2400mm面板式刀盘电机驱动土压平衡顶管机，其外径为2900mm；在19941998年，上海又先后研制并成功应用了f1650mm、f1800mm、f3000mm（外径3540mm）与f2000mm几台刀盘电机驱动的土压平衡顶管机；此后 ，镇江、扬州与湖北等地区的有关厂家也先后研制刀盘电机驱动的土压平衡顶管机；北京市还把能适应砂砾土层的顶管机研制与应用技术列为北京市科委的科技开发项目， 2002年，1台刀盘电机驱动土压平衡顶管机应用于北京污水处理工程中的顶管施工； 2002年末，广东研制并成功应用了1台外径为3600mm的刀盘电机驱动土压平衡顶管机。目前，刀盘电机驱动的土压平衡顶管机在我国

3、巳成系列，该顶管工法也被评为国家级工法，并得到了广泛的应用。二、刀盘电机驱动土压平衡顶管机1、顶管机的结构刀盘电机驱动土压平衡顶管机主要由刀盘、刀盘驱动装置、前后壳体、止转装置、联接两壳体的纠偏油缸组和铰接密封装置、出土螺旋输送机、纠偏油缸液压动力站和液压管路、润滑油脂泵和油脂输送管路、加泥（水）装置、驱动电机电器柜及顶管操纵台等组成（见图1）。 图1 刀盘电机驱动的土压平衡顶管机结构示意图 1. 刀盘 2. 刀盘驱动装置 3. 前壳体 4. 加泥（水）装置回转接头 5. 纠偏油缸组 6. 刀盘驱动电动机7. 螺旋输送机驱动电动机 8. 带式螺旋输送机 9. 顶管操纵台 10. 后壳体 11.

4、 螺旋输送机出土门装置2、结构特点 刀盘无面板，由34根辐条或加强杆（圈板）与轴套构成，幅条前面根据不同土质设置不同切削刀头，辐条后面设置数根搅拌棒，能对密封土仓中的切削土进行不断地搅拌，使仓内土体具有很好的塑性、流动性与止水性，使土顺利地排出；刀盘中心有三角鱼尾形切削刀，在辐条上和刀盘中心处设有注浆孔； 刀盘采用中心支承，无大轴承； 应用国产行星齿轮减速器和离合器的动力传递结构，整个刀盘驱动装置传动效率高、噪声小、发热低、安装和维护简单，工作可靠； 采用电动机驱动、无中心轴的带式螺旋输送机，其出土口设在端面，能形成较长的土塞，还可以输送一定尺寸的石块或砾石；顶管机前壳体中装有隔仓板（其上设置

5、注浆管和土压计），把前壳体分成密封土仓和动力仓，刀盘驱动装置设在隔仓板中间，隔仓板下部安装螺旋输送机； 顶管机后壳体的左侧安放纠偏油缸液压动力站、电器柜与润滑油脂泵，右侧安放操纵台； 该类顶管机在出洞施工时不需液压动力设备的二次转换工艺，整套设备结构简单、施工方便、可靠性好。3、顶管机的工作原理先由工作井中的主顶进油缸推动顶管机前进，同时刀盘旋转切削土体，切削下的土体进入密封土仓与螺旋输送机中，并被挤压形成具有一定土压的压缩土体；经过螺旋输送机的旋转，输送出切削的土体。密封土仓内的土压力值可通过螺旋输送机的出土量或顶管机的前进速度来控制，使此土压力与切削面前方的静止土压力和地下水压力保持平衡，

6、从而保证开挖面的稳定，防止地面的沉降或隆起。由于刀盘无面板，其开口率接近100，所以设在隔仓板上的土压计所测得的土压力值就近似于掘削面的土压力。根据顶管机开挖面的不同地层特性，通过向刀盘正面和土仓内加入清水、粘土浆（或膨润土浆）、各种配比与浓度的泥浆或发泡剂等添加材料，使一般难以施工的硬粘土、砂土、含水砂土和砂砾土改变成具有塑性、流动性与止水性的泥状土，不仅能被螺旋输送机顺利排出，还能顶住开挖面上的土压力和地下水压力，保持刀盘前面的土体稳定。若增加刀盘的驱动动力和变换刀盘体，还能在泥岩、强风化与中风化砂岩中掘进施工。所以，这种顶管机对土层的适应性强，也能用于易坍塌的含水砂层以及混有卵石的砂砾层

7、等各种地层。本课题要完成直径0.6米土压平衡顶管机的设计。3.1 链传动设计1) 3.4.1 滚子链介绍滚子链是由一系列内链节和外链节相间组成的环形链条。其组成零件包括滚子1、套筒2、销轴3、内链板4和外链板5。图3.1 链传动基本结构滚子与套筒、套筒与销轴之间为间隙配合：内链板与套筒、外链板与销轴之间为过盈配合。滚子链分为单排链、双排链和多排链。多排链承载能力更大，但各排受载均匀不好，通常不应该超过3排或4排，双排链结构应用较多。为了形成链节首尾相连的环形链条，要用接头加以联接。滚子链的接头形式如图所示。图3.2 滚子链的接头形式当链节数为偶数时，接头处采用开口销(a)或弹簧锁片(b)来固定

8、。当链节数为奇数时，需另增加一个过渡链节(c)才能构成环形，形成链的薄弱环节。应尽可能避免使用奇数链节。2) 3.4.2 滚子链的基本参数滚子链主要参数是节距、滚子外径和内链节内宽，对于多排链还有排距。节距是滚子链的基本参数。当节距增大时，链条中各零件的尺寸都会相应的增大，传动能力也随之增大。3) 3.4.3 滚子链的标记链号排数*链节数 国标号例如 8A1*100GB/T1243-1997 4) 3.4.4 滚子链传动的基本参数链轮齿数为降低动载荷，提高链传动的平稳性，小链轮齿数应该稍微多一些为好。但小链轮齿数也不宜过多，否则会很大，从而使链传动较早发生跳齿失效。链条工作一段时间后，磨损使销

9、轴变细、使套筒和滚子变薄，在拉伸载荷的作用下，链条的节距伸长。链条节距变长后、链绕上链轮时节圆向齿顶移动。一般链条节数为偶数以避免使用过渡接头。为使磨损均匀，提高寿命，链轮齿数最好与链节数互质，若不能保证互质，也应使其公因数尽可能小。链的节距链的节距越大，理论上承载能力越高。但节距越大，由链条速度变化和链节啮入链轮产生冲击所引起的动载荷也越大，反而使链承载能力和寿命降低。因此，设计时应尽可能选用小节距的链，重载时选取小节距多排链的实际效果往往比选取大节距单排链的效果更好。中心距和链长链传动中心距过小，则小链轮上的包角小，同时啮合的链轮齿数就少；若中心距过大，则容易易使链条抖动。一般可取中心距=

10、(3050)，最大中心距 80。链条长度用链的节数表示。按带传动求带长的公式可导出由此算出的链节数须圆整为整数，最好取为偶数。 运用上式可解得中心距的公式。为便于安装链条和调节链的张紧程度，一般应将中心距设计成可调节的；或者应有张紧装置。5) 3.4.5 链轮的结构链轮的主要尺寸链轮的主要尺寸包括齿数、分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、节距多边形以上齿高、齿宽、齿侧凸缘直径等链轮的形状与结构通常，链轮是由齿圈、轮毂和轮辐三部分组成。常见链轮形状有：1.单片式单排链轮。2.单凸缘式单双排链轮。3.双凸缘式单排链轮。链轮的结构大致有：1.整体结构。一般应用在标准链条=38.1以下的单、双排，单、

11、双凸缘链轮的加工。2.焊接结构。主要应用在中、大规格单、双凸缘链轮的加工。加工时，凸缘都采用棒料车成凸形。齿圈部分可采用板材切割后加工外径与轴孔，孔一端车出焊接破口套入凸缘部分进行焊接。焊接时要两端焊。3.铸造链轮。主要应用在大型链轮的加工，加工时只加工齿圈、凸缘两端面、外径和内径及键槽，然后再加工齿形。环链轮都是铸造的。铸造链轮的材料一般有两种，铸铁和铸钢如HT150、HT200和ZG310-570。4.锻造链轮。主要应用在受力较大的中、大规格链轮的生产上。锻造时，不管是单凸缘式或双凸缘式，一般都锻成凸形，轴孔留出足够的加工余量，材料利用率较低，成本高。链轮的材料选用链轮的材料应具有足够的耐

12、磨性和强度。通常，小链轮用较好的材料。一般工况下，采用45、50、45Mn钢，经淬火、回火处理，齿面硬度4050HRC。重要工况下，采用15Cr、20Cr材料，经表面渗碳、淬火和回火处理，齿面硬度5560HRC;或40Cr、35CrMo材料，经淬火、回火处理，齿面硬度4050HRC。简单工况下，采用35钢经正火处理，齿面硬度160200HBS；或15、20钢经表面渗碳、淬火和回火处理，齿面硬度5060HRC。6) 3.4.6 链传动的布置张紧链传动两轴应平行，两链轮应位于同一平面；一般应采用水平或接近水平的布置，并使松边处在下边。链传动的张紧方法很多，最常见的是通过改变中心距来调整张紧程度。7

13、) 3.4.7 链传动的运动特性因为链是由刚性链节通过销轴铰接而成，当链绕在链轮上时，其链节与相应的轮齿啮合后，这些链节将曲折成正多边形的一部分，该正多边的边长等于链条的节距，边数等于链轮齿数。链轮每转一周，随之转过的链长为，所以链的平均速度(m/s)为 （3-1）式中、分别为主、从动链轮的齿数； 、分别为主、从动链轮的转数()；为链的节距(mm)。 （3-2）式中（3-1）和（3-2）计算的链速和传动比是平均值。事实上，即使主动链轮的角速度=常数，其瞬间链速和瞬时传动比都是变化的，而且是按每一链节的啮合过程都作周期性的变化。图3.5 链传动的速度分析链轮转动时，绕在链轮的链条，只有其铰链的销

14、轴A的轴心是沿着链轮分度圆运动的，而链节其余部分的运动轨迹均不在分度圆上。若主动链轮以角速度转动，该链节的铰链销轴A的轴心作等速圆周运动，设链轮分度圆半径为，则其圆周速度=。设链传动在工作时，主动边始终处于水平位置。这样可分解为沿着链条前进方向的水平分速度和作横向运动的垂直分速度，其值分别为 （3-3） （3-4）式中是主动链轮上进入啮合的链节铰链销轴A的圆周速度与水平线的角度，从销轴A圆周速度与水平线的夹角，从销轴A进入链轮啮合位置到销轴B也进入链轮啮合位置为止，角也是从到之间变化。(=360/是主动链轮上链节距对应的中心角)。当时， 当时， 由此可知，主动链轮虽然作等角速度回转，而链条前进

15、的瞬时速度却周期性地由小变大，又有大变小。每转过一个链节，链速的变化就重复一次，链轮的节距越大，齿数越少，角的变化范围就越大，链速的变化也就越大。于此同时，铰链销轴作横向运动的垂直分速度也在周期性的变化，导致链沿铅垂方向产生有规律的振动。同理可知，每一链节在从动链轮轮齿啮合的过程中，链节铰链在从动链轮的相位角，也在不断的在的范围内变化，所以从动链轮的角速度为 链从动的瞬时传动比为 可见，随着角和角不断变化，链传动的瞬时传动比是不断变化的。当主动链轮以等速度回转时，从动链轮的角速度将周期性地变动。只有在=（即=），且传动的中心距恰好为节距的整数倍时（这时和角的变化才会时时相等），传动比才能在全部

16、啮合过程中保持不变，即恒等于1，链条的送进速度恒定，但链条的垂直分速度总是周期性变化的。上述链传动运动的不均匀性的特征，是由于围绕在链轮上的链条形成了正多边形这一特点造成的，所以称为链传动的多边形效应。8) 3.4.8 链传动计算设计滚子链传动。已知条件为：电动机驱动(额定功率 =1.5，转速=460)，从动轮转速=312.8，载荷平稳，链传动中心距不应小于500。1、选择链轮齿数链传动速比： 选小链轮齿数=17 。大链轮齿数 z2=iz1=1.4717=25，合适。2、确定计算功率已知链传动工作平稳，电动机拖动，由表4-2选=1.3，计算功率为 表4-2 工况系数载荷种类输入动力种类内燃机-

17、液力传动电动机或汽轮机内燃机-机械传动平稳载荷1.01.01.2中等冲击载荷1.21.31.4较大冲击载荷1.41.51.73初定中心距，取定链节数初定中心距，推荐=(3050)，取=46。 选取偶数链节=136节4确定链节距首先确定系数，。由表4-3查得小链轮齿数系数=1.34。表4-3 小链轮齿数系数910111213141516170.4460.5000.5540.6090.6640.7190.7750.8310.8871921232527293133351.001.111.231.341.691.892.082.292.50由图4-1查得（链长系数） =1.08图4-1 链长系数选单排

18、链，由表4-4查得=1。表4-4 多排链系数P排数12345611.72.53.34.04.6所需传递的额定功率为 由图4-2选择滚子链型号为10A，由表4-5查链节距=15.875。图4-2 A系列单排滚子链的额定功率曲线表4-5 滚子链规格和主要参数链号节距p排距pt滚子最大直径d1内链节最小内宽b1销轴最大直径d2内链板最大高度h2/mm05B8.005.645.003.002.317.1106B9.52510.246.355.723.288.2608A12.7014.387.927.853.9812.0708B12.7013.928.517.754.4511.8110A15.87518

19、.1110.169.405.0815.0912A19.0522.7811.9112.575.9418.0816A25.4029.2915.8815.757.9224.135.确定链长和中心距链长 /1000=13615.875/1000=2.159m (4-7)中心距(4-8)符合要求。中心距减小量=(0.0020.004）643.3=1.282.6 (4-9)实际中心距 =643.3-（1.282.6）=642.02640.7 (4-10)取实际中心距=642。6求作用在轴上的力。验算链速 作用在轴上的压轴力。计算有效圆周力=1000 =10001.37/2.06=665.04 (4-12)

20、水平工作，查表4-6取压轴力系数 =1.30。轴上的压力= =1.30665.04=864.56 (4-13)表4-6轴的载荷因数载荷因素传动布置水平或倾斜角40垂直或倾斜角40稳定载荷冲击载荷稳定载荷冲击载荷KF1.151.301.051.156.1 电机选型然而，电机的选择还要根据某些参数才能确定最终的电机型号计算过程如下：由已知参数可以知道Q=35/min，P=3.5Mpa. 而根据公式F=AP可得，其中F-主轴所受的轴向力A-运动活塞的截面积P-作用在轴上的最大压力由以上便可以得主轴的转矩T：主电机为输送带、滚塞机构和拨轮机构提供动力。三个部件的功率均未知，现估计来进行计算：传送带轮消

21、耗的功率约为=100W，取功率系数=10有P=10=1kW根据要求选取电动机型号如表4-1所示:表6-1 电动机型号及性能参数6Table 4-1 MotorModel and Performance Paramerer6型号额定功率/kW满载时转速/r.min-1电流/A效率/%YEJ100L1-41.114205.081表6-2 电动机的安装尺寸6Table 4-2 Motors Installing Size6机座号HABCDEFGGD100L1001601406328608247该电机的安装尺寸如表4-2所示。因为滚塞机构与分瓶机构的功率未知。只知道输送带装置的消耗功率，滚塞机构的功率

22、比较大，取功率系数10，以确保电机功率的足够大。6.2标准减速器的选择根据所选电机的转速1420r/min-1，再参考所需的转速40 r/min-1，因此所选的减速器的传动比为i=35.5根据输入功率查机械设计手册第四卷表16-2-39DCZ型减速器公称输入功率得：传动比为i=35.5的减速器，其公称中心距a=160mm。查机械设计手册第四卷表16-2-30可知该标准减速器的外形及尺寸。6.3.2轴的设计及校核1）主动轴的尺寸设计及校核a.初步估算轴的最小直径d选取轴的材料为45钢，调质处理，由于轴径不大，做成实心轴。由表6-3取=110，轴的转速n=40r/min，将各数据带入公式6-1中得

23、：mm (6-1)表6-3 轴材料的T及A。值Table 6-3 T and A。value of the axiss material轴的材料45T/MPa2345A。126103P 轴传递的功率，kWT 许用扭转切应力，/MPaA。 系数，下述情况时，T取较大值，A。取较大值：弯矩较小或只受扭矩作用、载荷较平稳、无轴向载荷或只有较小轴向载荷、轴只作单向旋转；反之，T取较小值，取A。=103因为两个齿轮大小一样，其中主动齿轮为不完全齿轮，为了保证主动齿轮的刚度要求，将齿轮做成实心的。b拟定轴上零件的装配方案该轴为本变速器的输入轴，输入轴端与一锥齿轮相连接，安装齿轮需要有轴肩，还要通过键来固定

24、周向的相对运动。轴上还有轴承、不完全齿轮等部件，通过对轴上部件的合理布置确定轴的结构如图6-3所示：图6-3传动轴Fig.6-3 Transmission Gearbox Driveshaft该轴的一端装一个锥齿轮与标准减速箱的输出轴上的主齿轮啮合，将运动传递到间歇运动变速箱中，在箱体中的部分通过平键连接与一不完全齿轮相连接。两处平键的尺寸查机械设计手册（GB/T10951979）键槽用键铣刀加工，轴与不完全齿轮连接的平键型号：bh=87（GB/T10951979）键槽用键铣刀加工，长为25mm。轴端与锥齿轮连接处的平键型号bh=55（GB/T10951979）键槽用键铣刀加工，长为14mm。

25、为保证良好的对中性，则带轮轮毂的公差配合为：H7/n6。取轴端倒角为145，各轴肩处加工出退刀槽。c主动轴的受力校核对轴进行受力分析并画弯矩图，如图6-4所示：对整个轴进行受力分析，列方程有： （6-2）以左边轴承为支点列方程有： （6-3）以右边轴承为支点列方程有： （6-4）对轴进行扭转受力分析列方程有：齿轮传递的转矩为：动力输入端锥齿轮所受的径向力即为该轴右端垂直于轴的力F16-4 轴的受力、弯矩、扭矩图Fig.4-4 The Map of the Axiss ShaftF1值大小由公式6-5得： （6-5）有=1706.82N将带入式6-5中得由式6-2计算出转矩M1=M2=T=该轴的弯矩、扭矩图如图6-4所示：进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面D）的强度，根据式6-6及上述计算结果，并取=0.6，轴的计算应力：mm3 （6-6） 轴的计算应力，MPaW