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1、精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上 旋挖鉆機及變幅機構結構設計 摘 要 隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展以及改革開放的逐步深化，基本建設范圍的持續(xù)拓寬，旋挖鉆機是一種多功能、高效率的灌注樁成孔設備，被廣泛應用于水利工程、高層建筑、城市交通建設、鐵路公路橋梁等樁基礎工程的施工。旋挖鉆機能適應我國大部分地區(qū)的地質條件，成為適合建筑基礎工程中成孔作業(yè)最理想的施工機械。 本課題在充分調研了國內外鉆孔設備的實際應用前提下，了解和分析國現(xiàn)有的大型鉆孔裝備的技術特點，提出了旋挖鉆機總體設計方案，完成了旋挖鉆機主要部件的選取及變幅機構的結構設計。在設計中引入CAD繪圖技術，利用Pro/e軟件建立了旋挖鉆機變

2、幅機構的三維模型，使其實體化、可視化，縮短了設計周期。最后通過虛擬樣機仿真Pro/e軟件對旋挖鉆機變幅機構進行了動力學仿真和分析，得到了變幅機構在變幅過程中各構件運動狀態(tài)，確保所設計的機械結構滿足使用要求。 關鍵詞　旋挖鉆機；變幅機構；結構設計 專心---專注---專業(yè) 目 錄 第1章 緒論 1.1 課題背景研究的目的及意義 本課題在充分調研了國內外鉆孔設備的實際應用前提下，了解和分析國現(xiàn)

3、有的大型鉆孔裝備的技術特點，提出了旋挖鉆機總體設計方案，完成了旋挖鉆機主要部件的選取及變幅機構的結構設計。在設計中引入CAD繪圖技術，利用Pro/e軟件建立了旋挖鉆機變幅機構的三維模型，使其實體化、可視化，縮短了設計周期。最后通過虛擬樣機仿真Pro/e軟件對旋挖鉆機變幅機構進行了動力學仿真和分析，得到了變幅機構在變幅過程中各構件運動狀態(tài)，確保所設計的機械結構滿足使用要求[1]。 1.2 國內外旋挖鉆機的研究現(xiàn)狀 1.2.1 國內研究現(xiàn)狀 旋挖鉆機在二戰(zhàn)以前首先在美國卡爾維爾特公司問世，二戰(zhàn)之后在得到發(fā)展，1948年意大利邁特公司首先開始研制，接著、開始發(fā)展，到了70～80年代在得到快

4、速發(fā)展，當時日本稱之為回轉斗成樁，也叫阿司特利工法（EarthDriII），在德國、日本這類工法相當普遍。我國在80年代初從日本引進過工作裝置，配裝在KH-125型上。1984年，天津廠引進美國RDI公司的旋挖鉆機并進行消化吸收。1987年在北京展覽館首次展出了意大利土力公司（SOILMEC）產(chǎn)品，1988年城建機械廠根據(jù)土力公司的樣機開發(fā)了1.5m直徑的履帶起重機附著式旋挖鉆機。 1994年勘察機械廠引進BSP公司附著式旋挖鉆孔機的生產(chǎn)技術，但都沒有形成批量生產(chǎn)。1992年寶峨公司在北京設立了代表處，開始了對華業(yè)務．并于1995年在天津成立了獨資子公司寶峨天津機械工程有限公司，組裝適合的

5、寶峨BG20型旋挖鉆機。 1998年在又成立了中德合資上海寶峨金泰股份有限公司，生產(chǎn)組裝BG15型、BG24型旋挖鉆機。1998年，開始自主開發(fā)研制RD18旋挖鉆機，于99年試制成功并投入批量生產(chǎn)，最近幾年我國旋挖鉆機取得了快速發(fā)展。后來，北京經(jīng)緯巨力、三一重機等也紛紛涉足旋挖鉆機的生產(chǎn)，目前國內外生產(chǎn)旋挖鉆孔機廠商有近二十家。 隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，給基礎工程市場帶來了巨大的發(fā)展機遇。被稱為“五大世紀工程”的三峽工程、西氣東輸、西電東送、南水北調、青藏鐵路等工程的建設；國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，使西部地區(qū)的高速公路建設及城市建設工程量劇增；以北京為主的幾個奧運城市進行了大規(guī)模的城市建設及

6、奧運場館的建設。這一系列重大事件，使得近年來基礎工程市場達到了前所未有的規(guī)模。與普通的基礎工程相比，這些工程有著其不同的特點，如工程量大、持續(xù)時間長；對環(huán)保要求嚴格，西部大開發(fā)要保護生態(tài)環(huán)境，奧運工程的建設不能對城市環(huán)境造成污染等；工程進度不能拖延，等等。這些特點對基礎工程施工技術提出了更嚴格的要求，一般情況下采用常規(guī)的施工技術是很難滿足這些要求的，而必須采用先進的施工設備和技術。在這些工程的建設中，旋挖鉆進技術的應用越來越多，在青藏鐵路及奧運主場館的建設中甚至全部采用的是旋挖鉆進技術[2]。 國產(chǎn)旋挖鉆機目前存在的主要問題： 首先表現(xiàn)在整體的液壓系統(tǒng)與配置還達不到國外產(chǎn)品的先進水平，特別

7、是與世界先進水平的旋挖鉆機相比還存在很大差距。國外的優(yōu)質產(chǎn)品液壓系統(tǒng)一般都采用恒功率系統(tǒng)或負荷傳感系統(tǒng)，液壓元件采用國際先進成熟的產(chǎn)品。 其次，國產(chǎn)旋挖鉆機的關鍵件如鉆桿，特別是機鎖式加壓鉆桿還不能滿足主機的要求，主要原因是國產(chǎn)鋼管在鋼管加工時，圓度和直線度達不到設計要求，無論是強度還是精度都不能滿足要求；鉆桿的加工工藝還處在摸索之中，焊接質量不能保證，焊后易變形，而且鉆桿變形難以調整。 再其次，一些國產(chǎn)旋挖鉆機的整機外觀及操作室內儀表盤的布置不如國外產(chǎn)品。國外的旋挖鉆機有的裝有全電腦操作系統(tǒng)，使操作手能實時掌握鉆進深度、鉆架垂直度，保證鉆孔準確到達設計深度和保持良好的垂直度；實時掌握各系

8、統(tǒng)工作情況，便于及時采取維修措施，保證鉆機正常運轉。而目前，大部分國產(chǎn)旋挖鉆機的鉆桿牙嵌與動力頭嚙合情況和鉆桿狀態(tài)均無顯示功能，操作手只能憑經(jīng)驗判斷。施工中，旋挖鉆機在進行鉆孔作業(yè)時，有一個鉆—提升—回轉—拋土—再回轉至原孔口—對準—再鉆進的過程。國產(chǎn)旋挖鉆機因沒有回位定位功能，所以在對準時耗費相當多的時間和精力，而且，人工對準精度低[3]。 國內近年來利用各種方式和途徑，在消化吸收國外先進技術的基礎上，創(chuàng)新，相繼開發(fā)了多種型式的旋挖鉆機，如湖南山河、徐工集團等開發(fā)的專用底盤旋挖鉆機;三一重機等開發(fā)的挖掘機底盤旋挖鉆機。而在動力方面，大部分都是采用了與卡特彼勒底盤配套的卡特彼勒發(fā)動機，或選用

9、康明斯、沃爾沃的發(fā)動機。液壓元件等關鍵部件也都是選用世界知名品牌產(chǎn)品。國產(chǎn)旋機整體水平雖然與國外產(chǎn)品還有一定差距，但已經(jīng)完全滿足國內基礎工程施工的需要，加上格優(yōu)勢明顯，所以從2003下半年開始，國內旋挖鉆機市場已經(jīng)進口機變?yōu)橐試a(chǎn)機為主。 1.2.2 國外研究現(xiàn)狀 國外目前旋挖鉆機的在國內的公司主要有：德國寶峨公司，其產(chǎn)品系列為BG12～BG25；意大利土力公司，其產(chǎn)品為R412～R618；MAIT公司的HR130～HR240；IMT公司的AF6～AF50；CMV公司的TH12～TH25等。國外產(chǎn)品最大扭矩可達360kNm，發(fā)動機功率達448kW，鉆孔直徑可達4m，鉆孔深度90余米等，品牌

10、主要集中于土力、寶峨、意馬、麥特、卡薩格蘭第、巨力、日本產(chǎn)小扭矩旋挖鉆機[4]。 國外旋挖鉆機的優(yōu)勢，國外的旋挖鉆機的鉆桿牙嵌與動力頭嚙合情況和鉆桿狀態(tài)有顯示功能。鉆桿牙嵌是極易磨損的(特別是在嚙合不徹底的情況下)，磨損后的修復也是非常麻煩的。以往操作者只能憑自己的經(jīng)驗來感覺嚙合情況，所以對操作者的熟練程度的要求很高。在鉆孔作業(yè)時，鉆孔深度通常達幾十米，由于地質情況、鉆桿與鉆桿、鉆桿與鉆頭連接等方面的原因，造成鉆桿、鉆頭脫落在孔內的事故，給施工單位造成很大的損失。鉆桿狀態(tài)的顯示功能，為操作者提供一個可視的鉆桿，方便了操作者，可有效避免事故的發(fā)生。 國外的旋挖鉆機采用電液比例伺服控制系統(tǒng)、P

11、LC、CAN總線控制等，提高了定位鉆孔精度，具有鉆孔深度的自動化檢測，熒光屏顯示功能等，當鉆機發(fā)生傾斜時，鉆機會自動報警，并進行自動調整。采用能顯示多種信息的多功能液晶顯示器，能進行鉆機控制、自動垂直調平、回轉倒土控制、發(fā)動機的監(jiān)控、鉆孔深度測量及顯示、車身工作狀態(tài)動畫顯示及虛擬儀表顯示、故障檢測與報警等信息的顯示。鉆機的設計充分考慮操作人員的安全，并采取了一些措施，如駕駛室前窗配有FOPS；卷揚的高度限位；駕駛室內操作臺安全控制；發(fā)動機、液壓等參數(shù)顯示、報警等。在控制功能上普遍采取和專業(yè)廠合作或自己開發(fā)專用控制器和控制軟件。國外鉆機發(fā)展趨勢具體表現(xiàn)在以下幾個方面。 1．多功能模塊化 只需

12、要選擇不同的工作附件，便可做到一機多用。鉆機采用的是多用途模塊式設計，可與連續(xù)墻抓斗、長螺旋等配合使用。動力頭為雙作用驅動箱，既可進行鉆孔，又能安放套管，一機多用。 2．機電一體化 采用電液比例伺服控制系統(tǒng)，國外產(chǎn)品大都實現(xiàn)了負載反饋的自動控制。 3．控制可視化、智能化 具有鉆孔深度、鉆桅垂直度自動化檢測、熒屏顯示，提高了定位鉆孔精度。并顯示、記錄、打印成樁的外形，大大提高了成樁質量。 4．實時監(jiān)測 采用孔深、發(fā)動機、油壓、主副卷揚拉力等參數(shù)的自動化檢測，熒光屏顯示。 5．安全措施 駕駛室前窗配有防墜物保護、卷揚的高度限位、駕駛室內操作臺安全控制、發(fā)動機參數(shù)顯示、液壓參數(shù)顯示、

13、報警等。 1.3 本論文主要工作內容 本課題以旋挖鉆機為研究對象，通過對旋挖鉆機接的國內外設備狀況的調研，確定旋挖鉆機的鉆機及變幅機構的結構[5]。 初步確定本課題對以下幾個方面進行了研究和探討，具體工作內容如下： l.調研、收集旋挖鉆機相關設計信息，根據(jù)旋挖鉆機的工作要求和工作環(huán)境，提出旋挖鉆機的總體設計構思。 2.對結構進行整體設計，在機械結構整體方案基礎上，數(shù)據(jù)進行選定。 3.根據(jù)總體設計，計算變幅機構相關數(shù)據(jù)。 4.對變幅機構進行三維建模。 5.整理資料、撰寫畢業(yè)論文。 1.4 本章小結 本章主要介紹了旋挖鉆機的發(fā)展歷史與功用以便我們更好的深入研究。本課題以旋挖

14、鉆機為研究對象，通過對旋挖鉆機接的國內外設備狀況的調研，確定旋挖鉆機的鉆機及變幅機構的結構。初步確定本課題對以下幾個方面進行了研究和探討確保所設計的機械結構滿足使用要求。 第2章 旋挖鉆機總體設計 2.1 旋挖鉆機工作原理 旋挖鉆機鉆進成孔工藝旋挖成孔，首先是通過鉆機自有的行走功能和桅桿變幅機構使得鉆具能正確的就位到樁位，利用桅桿導向下放鉆桿將底部帶有活門的桶式鉆頭置放到孔位，鉆機動力頭裝置為鉆桿提供扭矩、加壓裝置通過加壓動力頭的方式將加壓力傳遞給鉆桿鉆頭，鉆頭回轉破碎巖土，并直接將其裝入鉆頭內，然后再由鉆機提升裝置和伸縮式鉆桿將鉆頭提出孔外卸土，這樣循環(huán)往復，不斷地

15、取土、卸土，直至鉆至設計深度[6]。 2.2 結構總體設計 總體設計是機械產(chǎn)品設計的關鍵，它對產(chǎn)品的技術性能、經(jīng)濟指標和社會性具有決定性意義?？傮w設計應始終貫徹了功能要求原則、可靠性原則、安全原則、力學原則、經(jīng)濟性原則等。本課題在鑒了國內外的旋挖鉆機的結構，提出了旋挖鉆機的總體設計方案。以下是各個功能元選擇的各種選項，以及選擇方法。 表2-1 旋挖鉆機的機構選項 功能元 功能元解 1 2 3 4 A動力源 電動機 液壓馬達 氣壓馬達 B傳動方式 齒輪傳動 鏈傳動 帶傳動 渦輪傳動 C行走方式 輪胎 履帶 軌道 D定位方式 行走定位

16、回轉變幅定位 E升降方式 卷揚 液壓缸 連桿 F取土形式 回轉 沖擊 A動力源：由于旋挖鉆機輸出功率較大，三種動力源之中液壓馬達以體積小、能量密度高、運行穩(wěn)定等特點成為旋挖鉆機最佳動力源。 B傳動方式：傳動方式中鏈傳動不易于高速、重載，帶傳動傳動低速性能不好、徑向尺寸大、效率低壽命短。渦輪傳動平穩(wěn)、振動小、噪音小，但是傳動效率低、但價格昂貴。而齒輪傳動效率高、傳動比準確、承載能力大、使用壽命長、可靠性高、價格合理、結構緊湊最佳的選擇。 C行走方式：行走方式中，軌道不能自由移動，因此去掉軌道選項。 輪胎機動性較好，但承載不好，考慮旋挖鉆機施工現(xiàn)場環(huán)境

17、，選取履帶行走方式。 D定位方式：回轉變幅定位，因為行走定位在每次卸土都要移動位置嚴重影響工作效率。變幅機構可以在不移動位置下卸土。 E升降方式：卷揚，深度數(shù)十米液壓缸與連桿無法到達。 F取土形式：回轉 以上可以得出，旋挖鉆機結構是方案為A2+B1+C2+D2+E1+F1，即全液壓履帶式旋挖鉆機 2.2.1 設計要求 為使旋挖鉆機滿足實際工程的使用要求，充分地調研了目前我國樁基施工的方法和鉆孔工藝，并根據(jù)鉆孔工藝和實際使用過程中操作人員的經(jīng)驗，結合國內外的技術和經(jīng)驗提出了以下幾方面技術要求[7]。 1.功能要求：樁基孔直徑在1200~1500mm 之間，為了配合套管施工，所以

18、本鉆機鉆孔直徑在500~2000mm，鉆機具有通用接口，可以配備不同的鉆頭，適應各種地質條件下的施工，最大鉆孔深度85m。 2.性能要求：旋挖鉆機要求動作迅速，快速啟動和準確制動，機械系統(tǒng)在工作中應該具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性等。在各個工況下彈性變形要在許用范圍內。 3.工作效率：一般情況下，在土層、砂層的鉆進速度應該達10m/h，在粘土層達4-6m/h，是普通回轉鉆進的3-5 倍，甚至更高。 2.2.2 主要技術參數(shù) 主要技術參數(shù)是指能夠直接影響機械系統(tǒng)功能和工作性能的一些技術參數(shù)，詳見表2-2。它是機械系統(tǒng)結構總體設計和主要零部件設計的依據(jù)。 表2-2 旋挖鉆機技術參數(shù)

19、名稱 參數(shù) 動力頭輸出扭矩T 280kNm 最大鉆深度h 60m 鉆孔直徑D 500~2000mm 鉆孔速度n 6~35r/min 卷揚單繩最大拉力F 200kN 卷揚最大速度v 1m/s 上車回轉角速度ω 2.5r/min 鉆桅左右調垂角度α 5 地盤擴履尺寸L 3200/4200mm 2.2.3 總體布置 總體布置應從保證其主要性能出發(fā)，對鉆機的性能、使用和制造等方面都將產(chǎn)生非常重要的影響?？傮w布置應滿足功能、性能、結構、工藝和使用等方面要求。 圖2-1 旋挖鉆機總體布置簡圖 2.3 運動分析 旋挖鉆機運動簡圖如圖2-2所示。旋挖鉆機

20、的運動可分解為鉆孔運動、提鉆運動、變幅運動和回轉運動，下面將分別對旋挖鉆機進行運動分析[8]。 圖2-2 旋挖鉆機運動示意圖 2.3.1 鉆孔運動 鉆孔運動是依靠鉆斗的回轉實現(xiàn)的，鉆斗的回轉是由動力頭驅動鉆桿，使鉆斗同鉆桿一同運動的。動力頭采用結構緊湊的雙馬達驅動，以減小動力頭的徑向尺寸。傳動原理是，液壓馬達輸出扭矩通過行星減速機減速后，將動力傳給小齒輪，小齒輪將動力傳遞給回轉支承外環(huán)，回轉支承外環(huán)與動力頭驅動套固連，通過驅動套內鍵將扭矩傳遞到鉆桿驅動鉆具回轉。 動力頭采用結構緊湊的雙馬達驅動，以減小動力頭的徑向尺寸。傳動原理如圖2-3所示，液壓馬達3輸出扭矩通過行星減速機2減

21、速后，將動力傳給小齒輪1，小齒輪將動力傳遞給回轉支承6外環(huán)，回轉支承外環(huán)與動力頭驅動套4固連，通過驅動套內鍵將扭矩傳遞到鉆桿5驅動鉆具回轉[9]?！? 動力頭輸出轉速n可以表示見式(2-1)： (2-1) 式中 ——為液壓馬達流量L/min ——馬達排量mL； ——行星減速機減速比 ——齒輪副減速比。 1—小齒輪；2—行星減速機；3—馬達；4—驅動套；5—鉆桿；6—回轉支承 圖2-3動力頭傳動原理 2.3.2 升降運動 升降運動主要是指在鉆鈄下鉆和裝滿巖土提到地面的過程，升降運動靠鉆機的提升系統(tǒng)完成。

22、在鉆機每個工作循環(huán)中旋挖鉆機要經(jīng)過孔定位、下鉆、鉆進、提鉆、回轉、卸土六個工序，提升系統(tǒng)主要功能是控制鉆桿下降和提升速度，為了避免鉆桿觸地后卷揚繼續(xù)放繩而引起亂繩、損壞鋼絲繩的現(xiàn)象發(fā)生。提升系統(tǒng)主要是由卷揚機構、導向滑輪和繩鎖機構構成。如圖2-4所示。提升系統(tǒng)的主要運動是將卷揚的回轉運動通過繩索系統(tǒng)轉換成豎直方向的移動[10]。 滑輪架 回轉接頭頭 圖2-4提升系統(tǒng)傳動原理 主要參數(shù)有提鉆加速時間t，鉆桿提升速度v，啟動加速度a=v/t。則鉆桿提升速度v可以表示見式(2-2)： (2-2) 式中　Q——馬達流量，L/m

23、in； r——滾筒半徑，m； vg——馬達排量，mL。 2.3.3 變幅運動 變幅機構由平行四邊形機構和三角形機構兩個部分構成，平行四邊形機構通過變幅油缸的伸縮使桅桿遠離機體或靠近機體，三角形機構作用是通過立桅油缸的伸縮改變桅桿的角度，以調節(jié)桅桿相對水平面的角度。變幅機構在鉆孔時改變鉆頭位置，在下車不移動的工況下實現(xiàn)對孔定位，變幅機構是旋挖鉆機重要部件，可以簡化如圖2-5所示。因為在變幅過程中鉆具、動力頭等部件固定在鉆桅桿上，所以在機構分析中只分析鉆桅運動特性。變幅機構共有8個活動構件，2個移動副和9個轉動副，自由度為2。主運動分別有變幅油缸BF和立桅油缸BC驅動[11]。 變幅

24、機構隨油缸伸出長度的不同，其角度和受力都會變化，為了更清楚地找到它們之間的數(shù)學關系，在此引入了變幅和桅桿姿態(tài)角，通過姿態(tài)角的引入，就可以通過姿態(tài)角的大小來描述機構的幾何尺寸和受力情況。變幅機構中鉸點A、F與轉臺固定鉸鏈，變幅姿態(tài)角為變幅臂中心的連線與水平面成角，立桅姿態(tài)角 為鉆桅與三角架和立桅油缸兩鉸點連線與水平面成角，為轉臺傾角，為三角架BD與水平夾角, 為立 桅油缸與水平負方向的夾角， 為工作裝置重心與鉸點C、D構成的三角形夾角，L1、L2分別為變幅油缸、立桅油缸長度，G表示工作裝置，包括鉆桅總成、動力頭、鉆具等。 設計時考慮到工作裝置質量較大，鉆機的變幅機構兩油缸交替工作，這樣設計可

25、以提高鉆機本身的動態(tài)穩(wěn)定性還可以降低液壓系統(tǒng)的負荷。下面分別對兩液壓缸工作進行說明。 (1)變幅油缸工作時，在平行四邊形ABEF中，AF為固定機架，四桿機構屬于雙搖桿機構，上臂AB和下臂EF為搖桿，其運動特性相同，質心分別用GAB和GEF表示，質心距各自回轉中心距離用和表示，當變幅油缸運動時，AB、EF繞機架轉動。則上臂AB質心的速度可以表示為見式(2-3)： (2-3) 式中　——變幅角，rad。 圖

26、 2-5 旋挖鉆機變幅機構運動示意圖 變幅油缸BF長度L1與變幅姿態(tài)角之間關系可以表示為見式(2-4) (2-4) L1對時間t求導，變幅油缸活塞桿運動速度可以表示為見式(2-5) (2-5) 三角架與工作裝置做平動，運動特性與下臂E點相同，其運動方程可表示為見式(2-6)： (2-6) (2)立桅桿油缸工作時，在三角形機構中BCD中，工作裝置的重心G，回轉半徑用表示，則工作裝置轉速可以表示為見式(2-7)： (2-7) 立桅油缸BC

27、長度L2與姿態(tài)角之間關系可以表示為見式(2-8)： (2-8) 將對時間t求導，立桅油缸活塞桿運動速度可以表示為見式(2-9) (2-9) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2.3.4 上車回轉運動 回轉機構主要是驅動上車繞回轉中心整周回轉，回轉機構是支承旋挖鉆機上車的自重及鉆孔提鉆過程中的垂直載荷作用，由回轉平臺和回轉驅動機構兩個部分構成

28、。在回轉驅動的作用下使上車繞回轉中心旋轉，回轉機構運動頻繁，且質量較大，屬于大慣量系統(tǒng)?；剞D部分的主要運動參數(shù)有回轉角速度和啟動時間和制動時間t。回轉驅動機構由液壓馬達、回轉減速機和回轉支承組成。傳動原理如圖2-8所示，鑒于目前設計國內尚無旋挖鉆機設計標準，參照國內外同類產(chǎn)品設計和同噸位的汽車起重機設計。旋挖鉆機的最大回轉速度n定為2.5r/min，回轉角速度為0.262rad/s。則上車回轉速度n為見式(2-10)： (2-10) 式中　——流量，L/min； ——馬

29、達排量，mL； ——行星減速機減速比； ——回轉支承齒輪副減速比。 2.4 動力分析 由于旋挖鉆機質量大，輸出扭矩大，所以對旋挖鉆機的主要部件進行力學分析是十分重要的，主要對旋挖鉆鈄鉆進過程、回轉機構運動和變幅機構變幅過程進行了動力分析。 2.4.1 旋挖鉆斗動力 鉆鈄在鉆土過程中，可將鉆鈄的掘削機構分為切削機構、裝載機構和摩擦機構，則動力頭鉆鈄回轉時切削阻力矩M1為見式(2-11)： (2-11) 式中　k——掘削比阻力，； γ——鈄齒的切削刃后角； n——鉆鈄齒數(shù)； h——鉆鈄一次掘削深度，m； α——刀刃與土之間摩擦角； R—

30、—回轉鈄半徑，m； R0——回轉鈄頂尖半徑，m。 鉆鈄的裝載機構為鉆鈄的內腔，一邊靠切削刀切削，一邊把切削下的土裝入鈄內。鉆鈄圓柱部分所消耗的阻力矩M2為見式(2-12)： （Nm） (2-12) 式中　K——土與鋼的摩擦系數(shù)； ρ——土的比重，kg/m； l——斗體高度，m； k——主動土壓系數(shù)。 鉆鈄在掘削土過程中，由于受鉆桿的穩(wěn)定性等因素的影響，鉆鈄與孔壁之間產(chǎn)生摩擦阻力矩，這個阻力矩可以利用朗肯主動土壓理論來求解，摩擦阻力矩M3為見式(2-13)： （Nm） (2-13) 式中　R——鉆鈄

31、半徑，m； h——鉆鈄高度，m； θ——為土內部摩擦角； P——土側壓力，N。 鉆鈄受到總的阻力矩Md為見式(2-14)： (2-14) 2.4.2 回轉機構動力 回轉過程的阻力矩包括風載阻力矩、坡阻力矩、摩擦阻力矩和慣性阻力矩構成。由于風載產(chǎn)生的阻力矩相對較小，所以忽略風載對鉆機回轉的影響。根據(jù)剛體繞定軸轉動微分方程，則慣性阻力矩Mg為見式(2-15)： (2-15) 式中　t——為啟動時間，s； ω——為回轉角速度，rad/s； J——為轉動慣量，kgm2；

32、φ——為回轉角，rad。 (2-16) 式中　mi——分別為鉆桅、動力頭、鉆桿、鉆斗、上車轉臺、變幅機構質量，kg； ri——為相應的回轉半徑，m。 摩擦阻力矩可以表示為見式(2-17)： (2-17) 式中　k——為回轉阻力系數(shù)； D＿為滾到平均半徑，m； ΣＮ——為回轉支承受總壓力，N。 坡阻力矩可以表示為見式(2-18)： (2-18)

33、 式中　θ——坡道角度 鉆機回轉總的阻力矩可以表示為見式(2-19)： (2-19) 設啟動安全系數(shù)為K，啟動力矩Mq為見式(2-20)： (2-20) 制動力矩Mb見式(2-21)： (2-21) 式中　——為減速機效率； ——液壓馬達效率； ——回轉支承效率。 2.4.3 變幅機構動力 變幅機構作為鉆機重要支承機構，以工作裝置為研究對象，受力如圖2-6所示，對D點力矩，列平衡方程見式(2-22)： 　　　　　(2-22)

34、 (2-23) 式中　dD——為G點到D點距離，m； ——為鉆桅與水平面夾角； δ——為立桅油缸與鉆桅夾角； γ——為工作裝置重心與鉸點C、D構成的三角形夾角。 立桅桿受力FL表示為鉆桅傾角 為函數(shù)為見式(2-24)： (2-24) 圖2-6工作裝置受力模型 以三角架為研究對象，受力如圖2-7所示。利用截面法計算下臂對三角架的作用力 。相對于工作裝置質量三角架自重忽略，對B點取 ，則 的受力平衡方程為見式(2-25)： (2-25) 圖2-7三角架受力模型

35、 (2-26) (2-27) 聯(lián)合求出下臂對三角架的作用力 。 以上臂為研究對象受力如圖2-8所示，對A點取力矩 ，則變幅油缸受力平衡方程見(2-28)： (2-28) 由公式聯(lián)立求出變幅油缸作用力 根據(jù)各工況求出變幅油缸最大受力 圖2-8上臂受力模型 2.5 本章小結 本章通過對旋挖鉆機的功能原理分析，利用對功能元的求解方法，建立了旋挖鉆機的形態(tài)學矩陣，并通過各功能元評價分析確定了旋挖鉆機的方案。運用理論力學分析方法對旋挖鉆機的鉆孔轉速、上車回轉速度、卷揚提升速度以及變幅機構運

36、動速度進行了理論推導，完成了的運動設計。并對鉆進過程、上車回轉和變幅過程中的阻力矩進行了分析。為下一章結構設計提供了理論依據(jù)。 第3章 旋挖鉆機總體設計 3.1 旋挖鉆機工作主要原件選型 旋挖鉆機在各個工況中功率變化較大，為了提高液壓系統(tǒng)的工作效率，選擇變量泵系統(tǒng)。主泵選擇力士樂變量泵，主閥選擇為負載敏感式多路閥。本文僅對馬達和減速機進行選型，泵閥選擇不做詳細說明。 液壓馬達分為低速馬達和高速馬達，低速馬達具有較好的低速穩(wěn)定性，一般可以不需要變速裝置直接傳遞扭矩，結構簡單，但體積大、轉動慣量大，制動時需要扭矩大，制動非常困難。高速馬達體積小、重量輕、結構緊湊、轉動慣量小

37、、反映靈敏，但輸出轉速高、扭矩小、低速穩(wěn)定性差，使用時必須配大減速比的減速機使用，制動一般都采用減速機高速端制動，所需扭矩小[13]。本課題中采用高速馬達和行星減速機構組成的驅動機構。選型根據(jù)運動參數(shù)和動力參數(shù)計算。根據(jù)前面計算，選用標準件如表3-1、表3-2所示 表3-1 馬達型號 名稱 型號 排量mL/r 最大流量L/min 最大扭矩Nm 卷揚 A2FE160/61W-VZ 160 577 812 回轉 A2FE90/61W-VZL192J 90 405 458 動力頭 A6VM200HA2/63W-VAB020A 200 580 1273 表3

38、-2減速機 名稱 型號 最大輸出扭矩Nm 減速比i 卷揚 GFT110W3B115 78429 115 回轉 GFB502B46 38000 60 動力頭 GFC36T2B29-05 43000 32 3.2 動力頭機構 動力頭是旋挖鉆機的關鍵工作部件，其性能好壞將直接影響鉆機整機性能的發(fā)揮。動力頭主要作用是驅動鉆桿帶動鉆頭回轉，并提供鉆孔所需的加壓力、輔助提升力。動力頭能根據(jù)不同的土層硬度自動調整轉速與扭矩，以滿足不同的工況高效率鉆進。動力頭設計具體結構如圖3-1所示。 動力箱是動力頭中主要支承件屬于形狀復雜箱體，焊接件具有成型工藝簡單、易于修改、重

39、量較輕，所以動力箱采用焊接結構。為了便于維修和觀測動力箱上有潤滑油高度顯示、加油口、放油口等[12]。 減速機構主要由行星減速機、小齒輪軸和回轉支承組成，為了減小動力頭徑向尺寸和重量，采用高速液壓馬達和大傳動比的行星減速機使動力頭結構更加緊湊。 動力頭上、下端蓋采用旋轉密封圈進行密封，過渡連接盤與上密封蓋之間又形成了迷宮式密封，以防止在惡劣工作環(huán)境塵土進入動力箱內部。為了保證回轉支承與小齒輪軸內潤滑充分，動力箱采用油浴式潤滑，使回轉支承與小齒輪軸潤滑更充分以較小磨損。 驅動套與動力頭箱體通過過渡盤3連接，當驅動套損壞時可以單獨地更換而不必拆動力箱。動力通過液壓馬達經(jīng)行星減速機6傳遞到小齒

40、輪軸8，通過回轉支承2將扭矩傳遞到驅動套5。 1—動力箱；2—回轉支承總成；3—過渡連接盤；4—密封圈；5—驅動套； 6—減速機；7—軸承；8—小齒輪；9—軸承；10—軸承蓋；11—下密封蓋 圖3-1動力頭結構圖 3.3 變幅機構 變幅機構是旋挖鉆機中重要的支承機構，承受鉆桅、鉆桿、鉆具等重量，鉆孔時還受來自動力頭的扭矩作用，變幅機構設計要求要有足夠的強度，在極限工況下不發(fā)生破壞，要有足夠的剛度保證極限工況下變形在許用范圍內。變幅機構中各構件在連接鉸點處受力較大，為了滿足接觸剛度要求，同時減小零件質量，連接頭采用鍛造件，上、下臂整體采用截面采用空心矩形，三角架采用空心

41、截面設計，內部按強度布置隔板和筋板以保證三角架的剛度滿足設計要求。材料選用高強度合金鋼Q345。變幅 機構結構如圖3-2所示。平行四邊機構下鉸點固連在轉臺上，變幅油缸伸縮改變平行四邊形機構的角度，三角架處于平動狀態(tài)[13]。 圖3-2變幅機構圖 3.4 卷揚機構 卷揚主要功能是鉆孔作業(yè)時提拉鉆具，控制鉆具下降速度和提升速度。鉆孔效率的高低、鉆孔事故發(fā)生的幾率、鋼絲繩壽命的長短都與卷揚有密切的關系。卷揚的結構和功能都非常重要。卷揚的主要結構由支承架和動力驅動裝置構成，卷揚支承架采用焊接結構，滾筒為鑄造件。驅動裝置工作特性要求卷揚滾筒轉速不隨外載荷變化而變，即勻速提鉆、下鉆，由液壓系

42、統(tǒng)保證。驅動裝置主要由內藏式減速機和插裝式馬達，減速機內置制動器，該裝置具有結構緊湊、傳遞扭矩大、制動迅速等特點。卷揚結構如圖3-3所示。 1—支架；2—滾筒；3—鎖繩器；4—減速機；5—壓繩器 圖3-3卷揚總裝圖 3.5 本章小結 本章根據(jù)旋挖鉆機的運動和動力參數(shù)，對旋挖鉆機馬達和行星減速機零件的選型，完成主要部件包括動力頭、卷揚、變幅機構的設計。并完成了旋挖鉆機的結構設計。 第4章 旋挖鉆機總體設計 4.1 三維設計簡介 三維設計是新一代數(shù)字化、虛擬化、智能化設計平臺的基礎。它是建立在平面和二維設計的基礎上，讓設計目標更立體化，更形象化的一種新興設計方

43、法。傳統(tǒng)的方法，我們是在一個平面的二維空間內考慮布局，也就是上下左右四個方向。如果我們把每個模塊抽象成為一個平面，從三維的角度來看，有了前后的關系，一個頁面就可以看做N個層的重疊，通過層之間的互相透視，二維上形成一個頁面。這種抽象只是在設計頁面布局的角度，和最終呈現(xiàn)給用戶的二維視覺沒有影響。二維布局越復雜，制作難度越大，在三維空間內，再復雜的布局也就是更多個層的疊加，同時根據(jù)瀏覽器解析代碼自上而下的特性，可以隨意調整各模塊的顯示順序，很多存在于二維布局方法的難題迎刃而解。 4.2 Pro/ENGINEER簡介 Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術公司旗下的CAD/CAM/CA

44、E一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內產(chǎn)品設計領域占據(jù)重要位置。 　　Pro/E第一個提出了參數(shù)化設計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠將設計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設計。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用到單機

45、上。 　　Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。 Pro/E特點主要在以下幾個方面： 　　1．參數(shù)化設計　相對于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構成特征，而每一種構成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化。 　　2．基于特征建?！ro/E是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活

46、。 3． 單一數(shù)據(jù)庫　Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結構與工程設計的完整的結合，使得一件產(chǎn)品的設計結合起來。 4.3 變幅機構三維仿真 動仿真可以模擬變幅機構在不同狀態(tài)的運動，通過研究樣

47、機的動力學特性和仿真結果的分析可以得到旋挖鉆機變幅機構中各個構件的受力情況，進而驗證變幅機構的設計是否合理。仿真前假設初始狀態(tài)鉆桅處于水平，變幅機構中上、下臂處于水平狀態(tài)。 4.3.1 零件模型建立 Pro/E的零件建模時是基于二維參數(shù)化草繪的實體建模，通過拉伸、旋轉等特征操作命令完成零件的建模。當需要修改模型特征時，只需要進入相應的草圖平面修改所需的數(shù)據(jù)，即可完成特征的修改。在設計零件時采用了Pro/E的關聯(lián)尺寸功能，即Pro/E中的自上向下建模方法，新零件的建立參照已有零件的配合尺寸，使修改一個零件的尺寸，其它零件也相應修改。建立了變幅機構三維模型。以下是變幅機構中動臂和三角架建模

48、，利用了草繪圖形，并通過拉伸、切除、實體引用等完成建模。動臂，三腳架如圖4-1，4-2所示。 圖4-1動臂模型 圖4-2三角架模型 4.3.2 裝配模型建立 裝配就是將裝配中裝配信息表達成相關零件相應特征的裝配屬性，特征的裝配屬性來表達裝配信息。把裝配信息表達到零件模型中。從而建立起零件之間的各種裝配關系，形成一個完整的產(chǎn)品模型。裝配設計包括自下而上和自上而下兩種裝配設計方式。圖4-3為變幅機構裝配模型，圖4-4為變幅機構爆炸圖模型。 圖4-3變幅機構裝配模型 圖4-4變幅機構爆炸圖模型 4.4 本章小結 本章完成了對旋挖鉆機變幅機構整體

49、的三維建模，并對裝配體進行運動仿真。利用虛擬樣機技術建立了變幅機構的樣機模型，對旋挖鉆機變幅機構在桅桿升降和平行四邊形機構變幅過程進行了仿真。 結論 本文在充分了解國內外灌注樁施工方式中的旋挖鉆進技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的基礎上，結合灌注樁施工工藝和要求，提出了全液壓旋挖鉆機的設計方案。根據(jù)主要技術參數(shù)和相關技術指標完成了旋挖鉆機的總體設計。利用Pro/Engineer軟件進行了旋挖鉆機變幅機構的三維建模和虛擬裝配，對變幅過程進行了動力學仿真。完成以下工作： 1．在廣泛調研的基礎上，結合國內外鉆孔設備的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，提出了旋挖鉆機的設計方案，并詳細設計了旋挖鉆機的各個功能模塊。

50、 2．根據(jù)主要技術參數(shù)進行了旋挖鉆機主要部件的運動設計和動力計算，設計了旋挖鉆機的主要部件，并建立了三維模型，裝配體設計合理運動部件之間未出現(xiàn)干涉。 3．通過Pro/Engineer軟件對旋挖鉆機的變幅過程進行了三維建模和動力學仿真，結果證明采用平行四邊形和三角形變幅機構運動的平穩(wěn)、各構件在變幅過程中的受力變化均勻，結構設計合理滿足使用要求。 參考文獻 1 孫玉煒．．今日工程機械：2009年，第7期： 42-43 2 宋金虎．．工程機械文摘：2009年，第3期：28-30 3 張啟君，張忠海，陳以田等.國內外旋挖鉆機結構特點的探討.江蘇徐州37-41 4 黃志明

51、，姜國平，劉慶東．國內旋挖鉆機市場調查與分析．建筑機械：2006年，第3期：20-22 5 朱迪斯，黃玉文，史新惠等．旋挖鉆機鉆進實驗．探礦工程，2008年，第35卷，第3期 6 陳克然．旋挖鉆機市場熱 用戶選擇須謹慎．中國建設報：2007，08，21：第002版，工程機械 7 Fujimoto，Tomoya．Automatic-controlled circumferential MAG welder　system for pipeline construction．Kawasaki steel technical report．1996，25 (4)：67-71 8 A．E．Ben

52、tley and S．J．Marberger．Arc welding penetration control using quantitative feedback theory．Welding journal，1998，38(4)：397-405 9 盧貴主，胡國清．利用功率鍵合圖和SimuLink實現(xiàn)液壓系統(tǒng)動態(tài)仿真機床與液壓．2001年，第4卷，第4期：79一80 10 蔣道成．小型挖掘機液壓控制系統(tǒng)分析與仿真．四川：西南交通人學，2008 11 劉江麗．旋挖鉆機鉆桅垂直度控制系統(tǒng)的研究．湖南：中南大學，2008 12 戴洵，張文明，馮雅麗．旋挖鉆機數(shù)字控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀．建

53、筑機械：2006年，第8期： 51~56 13 王守城，段俊勇．液壓元件及選用主編．北京：化學工業(yè)出版社，2007：121-200 致謝 歷經(jīng)近三個月的畢業(yè)設計即將結束，本次設計從選題、設計、到指導工作均是在焦波老師的直接關懷和悉心指導下完成的。崔老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，敏捷的思維，淵博的知識均使我受益非淺。在此，對老師所給予的無私幫助表示誠摯的謝意。 　　這次設計是大學期間所學知識的一次綜合運用，它涉及到軟件應用，鏈輪設計等多方面的知識。同時，這也是一次完全不同于以往的設計，它需要我們在獨立完成的同時，對過去所學的知識進行完善和總結。 在此期間，我遇到了許多困難和疑惑，但在老

54、師和同學的幫助下，得以在設計的期限內按要求順利完成設計。同時，我也認識到了自身知識的不足，在今后的人生道路上，我還需要不斷的學習。 　　在整個軟件的學習過程中我深刻認識到了，只求結果有時并不一定可取，在新軟件的學習過程中，老師曾給了不少支持和鼓勵，于是得以長久的堅持下來，不僅僅是一次學習過程，而且更好的完成了一次心理的歷練，是一個成長的過程，是一個從大學走向社會的過程，在此對老師在整個過程給予的幫助和支持真心的說聲謝謝，我一定會在以后的工作工程中扎扎實實的以此次畢業(yè)設計的心態(tài)來對待每一項工作和任務。 　　大學畢業(yè)后，我將走向工作崗位，我將用我的知識去回饋社會，母校給我的一切我都將銘記于心。最后，對所有曾經(jīng)傳授我知識的老師，給過我?guī)椭耐瑢W們一聲謝謝，感謝你們！