机械综合应用设计-旋挖钻机钻桅举升装置设计

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1、机械综合应用设计 周 刚 20097711 旋挖钻机桅杆举升装置设计1 机械综合应用设计 题目：旋挖钻机钻桅举升装置设计 班班 级级 09 机机 电电 二二 班班 学学 号号 2 0 0 9 7 7 1 1 姓姓 名名 周周 刚刚 指指 导导 教教 师师 温亚莲温亚莲 机械综合应用设计 周 刚 20097711 旋挖钻机桅杆举升装置设计2 目录目录 1.题目简介题目简介 1 1.1 设计题目简介.1 .2 设计目的.2 1.3 设计要求.2 1.4 设计数据与要求.2 2 旋挖钻机简介旋挖钻机简介 .2 2.1 旋挖钻机的运用领域.2 2.2 旋挖钻机的分类.3 2.3 工作原理分析.3 3

2、旋挖钻机桅杆设计旋挖钻机桅杆设计 5 3.1 桅杆的结构和功用.5 3.2 桅杆的方案选择.6 3.2.1 整体竖立式桅杆6 3.2.2 分段式桅杆6 3.2.3 分段折叠式桅杆7 3.2.4 分段式不可折叠桅杆7 3.2.5 伸缩式桅杆8 3.3 桅杆截面形式.8 3.4 设计要求.9 3.5 旋挖钻机桅杆结构设计计算.10 3.5.1 旋挖钻机整机参数10 3.5.2 旋挖钻机桅杆结构图.11 3.5.3 旋挖钻机桅杆强度校核.11 4 旋挖钻机模型的建立旋挖钻机模型的建立 14 4.1 旋挖钻机车身建模.14 4.2 旋挖钻机钻杆的建模.15 4.3 旋挖钻机的桅杆建模.15 4.4 旋

3、挖钻机装配图.16 5 运动仿真运动仿真 .17 6 个人总结个人总结 .18 7 参考文献参考文献 19 机械设计 1 1.题目简介题目简介 1.1 设计题目简介设计题目简介 大型旋挖钻机是我国近年来引进、发展的桩工机械,逐步取代了对环境污染 严重、效率低下的其它建筑工程桩孔施工机械。旋挖钻机的钻桅变幅机构对整 机布局和操纵稳定性影响很大,它是实现钻孔位置变化及改变钻桅位置状态的关 键部件。钻桅是旋挖钻机主执行机构的重要支撑,其为钻具、调整机构、加压系 统等提供结构支撑,整个桅杆对于保证整机的正常运行和工作质量起着至关重要 的作用。 机械设计 2 .2 设计目的设计目的 机械设计是根据使用要

4、求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递 方式、各个零件的材料和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算，并将其转 化为制造依据的工作过程。 机械设计是机械产品生产的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过 程蕴涵着创新和发明。 为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题， 使所学知识进一步巩固和加深，我们参加了此次的机械原理课程设计。 1.3 设计要求设计要求 a.依据设计参数绘出机构运动简图，并进行运动分析，确定实现起吊点轨迹的机构类 型 b.依据提供的设计数据对四连杆起吊机构进行尺度综合，确定满足使用要求的构件尺 寸和运动副位置； c.用软件（

5、VB、MATLAB、ADAMS 或 SOLIDWORKS 等均可）对执行机构进行运动仿真，并 画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。 d. 编写说明书，其中应包括设计思路、计算及运动模型建立过程以及效果分析等。 e.在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。 1.4 设计数据与要求设计数据与要求 发动机功率：246kW 动力头最大扭矩：70kN m； 最高工作转速：21r/min 最高甩土速度：135r/min 最大钻深：40m， 最大钻孔直径：1200mm， 主卷扬最大单绳拉力：200kN, 钢丝绳直径 30mm 付卷扬最大单绳拉力：80kN， 钢丝绳直径 18mm 行驶速

6、度：1.0km/h， 爬坡度：40%， 整机重量：45T（含钻杆） 动力头油缸推/拉力：200/140kN 2 旋挖钻机简介旋挖钻机简介 2.1 旋挖钻机的运用领域旋挖钻机的运用领域 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 机械设计 3 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 1.54m，最大成孔深度为 6090m，可以满足各类 大型基础施工的要求。该类钻机一般采用液压履带式伸缩底盘、自行起落可折叠钻桅、伸 缩式钻杆、带有垂直度自动检测调整、孔深数码显示等，整机操纵一般采用液压先导控

7、制、 负荷传感,具有操作轻便、舒适等特点。主、副两个卷扬可适用于工地多种情况的需要。该 类钻机配合不同钻具,适用于干式（短螺旋）或湿式（回转斗）及岩层（岩心钻）的成孔作 业,还可配挂长螺旋钻、地下连续墙抓斗、振动桩锤等，实现多种功能，主要用于市政建设、 公路桥梁、工业和民用建筑、地下连续墙、水利、防渗护坡等基础施工。国内的专家认为： 旋挖钻机在国内今后几年仍有很大的市场。 2.2 旋挖钻机的分类旋挖钻机的分类 选择旋挖钻机的原则应该是能满足用户目前的主要工程需求，兼顾今后可能发生的工 程需求。旋挖钻机根据其主要工作参数：扭矩、发动机功率、钻孔直径、钻孔深度及钻机 整机质量可以分为三种类型： 小

8、型机小型机 扭矩 100kNm。发动机功率 170kW，钻孔直径 0.51m，钻孔深度 40m 左右，钻机 整机质量 40t 左右。小型机的应用市场定位： （1）各种楼座的护坡桩； （2）楼的部分承重结构桩； （3）城市改造市政项目的各种小于 1m 的桩； （4）适用于其他用途的桩。小型机的市场工作量覆盖比例达到 30%以上。 中型机中型机 扭矩 180kNm，发动机功率 200kW，钻孔直径 0.81.8m，钻孔深度 60m 左右，钻机 整机质量 65t 左右。中型机的应用市场定位： （1）各种高速公路、铁路等交通设施桥梁的桥桩； （2）大型建筑、港口码头承重结构桩； （3）城市内高架桥桥桩

9、； （4）其他适用桩。中型机的市场工作量覆盖比例达到 90%以上。 大型机大型机 扭矩 240kNm，发动机功率 300kW，钻孔直径 12.5m，钻孔深度 80m。钻机整机质 量 100t 以上。大型机的应用市场定位： （1）各种高速公路、铁路桥梁的特大桥桩； （2）其他大型建筑的特殊结构承重基础桩。大型机的市场工作量覆盖比例达到 10%以上。 机械设计 4 2.3 工作原理分析工作原理分析 对于机械产品而言，其用途或所具有的工作能力称为机械产品的功能。在实际工作中， 要设计的机械产品往往复杂，难以直接满足功能原理的方案，因为在确定机械系统的总功 能和约束之后，必须用系统分解的原则进行功能分

10、解，将总功能分解成多个功能单元。采 用功能分析法可以简化实现机械产品的总功能的原理方案设计。功能原理法设计的主要步 骤和各个阶段如图 2-1 所示。 图 2-1 功能分析法 旋挖钻机主要是针对灌注桩施工，其主要功能为钻孔。目前采用的钻孔法式分为冲击 钻孔、冲抓钻进、反正循环钻进、冲击回转钻进和旋挖钻进，其中旋挖钻进是灌注桩施工 中世 界最先进的技术。相对于其它钻进方式旋挖钻机的优点有以下几点。 1.钻井效率高 与常规钻机相比，旋挖钻机回转扭矩大，并可以更具地层自动调节速度， 钻头直接从孔中提取岩土，钻进速度快，在土层、沙层速度可以达到 10m/h，是普通钻机 的 35 倍。 2.成孔质量好 旋

11、挖钻进对地层扰动小，孔壁泥皮薄，形成的孔壁为粗糙型，有利于增 加桩基的摩擦阻力，保证桩基的承载力。 3.环境污染小 旋挖钻机为干式或无循环泥浆钻进，因此施工现场整洁，对环境污染小。 不同的钻孔工艺就对应不同执行机构。根据功能原理分析，旋挖钻机可以分解为动力 源，传动方式、行走方式、定位方式、取土方式和提钻方式六个功能元，功能元分解功能 树如图 2-2 所示。 图 2-2 旋挖钻机功能分解功能树 根据功能原理分析建立了旋挖钻机的形态学矩阵见表 2-1 所示 通过功能原理分析，旋挖钻机的工作流程可以分解为对孔、下钻、钻进、 提钻、回转、卸土，六个工作步骤，对孔过程中为了保证钻桅的垂直度，采用 了平

12、行四边形平动机构，并结合上车回转机构完成孔的定位。下钻时由于钻具 质量较大，所以要控制下降速度，将钢丝绳与钻杆通过回转接头连接，采用卷 机械设计 5 扬提升系统钻具的升降。钻钭触地时卷扬马达自由下放浮动功能开启，已实现 随重跟钻，防止出现放绳与钻进速度不同步而产生的绕绳现象。钻进过程中动 力头驱动扭矩通过动力头的驱动套键传递给钻杆，钻杆最终将扭矩传递到钻钭 以实现钻进。 旋挖钻机整体结构 1 钻具 2 连杆 3 动力头 4 加压油缸 5 钻杆 6 钻桅 7 钻桅变幅油缸 8 三角架 9 动臂 10 动臂变幅油缸 11 驾驶室 12 主卷扬 13 回转平台 14 底盘 3 旋挖钻机桅杆设计旋挖钻

13、机桅杆设计 3.1 桅杆的结构和功用桅杆的结构和功用 旋挖钻机桅杆作为钻机主执行机构的重要支撑和受力构件是钻机工作的重要组成部分， 与其相关的一般包括顶部的两套导向滑轮机构（又称鹅头） ，桅杆主体立柱，动力头导向 滑轨，动力头加压油缸，动力头限位块，各连接铰耳等部件（见图 2-1） 。 其功能主要包括： 1)为钻具、调整机构、加压机构（一部分机型还包括安装在桅杆立柱上的卷扬机（具体 见 2.5 卷扬的安放分类） ）等提供结构支撑； 机械设计 6 2)为钻具的工作进尺提供导向作用； 3)为卷扬机提供吊臂； 4)为液压管道、照明设备等提供附着支架； 5)桅杆下部的缓冲橡胶块金属下限位挡板可以控制动

14、力头上下运动的范围。 3.2 桅杆的方案选择桅杆的方案选择 根据满足工程需要，桅杆的种类有很多，根据其结构形式，主要可以分为：整体竖立 式桅杆，分段式桅杆，伸缩式桅杆 3.2.1 整体竖立式桅杆整体竖立式桅杆 整体竖立式桅杆，顾名思义，是指桅杆各部分采用焊接或螺栓连接的形式构成一 个整体，无论是工作状态还是运输状态，各部分之间均不发生位置的相对变化。加压 油缸固定在桅杆的前端面（旋挖钻机作业状态） ，其缸筒的头部铰接在桅杆前盖板的支 耳中，缸筒的尾部与桅杆前盖板的另一支耳浮动连接，油缸活塞杆的头部与动力头支 耳通过销轴连接，动力头两侧的滑块支架扣在桅杆导轨上，其间有滑块相隔。旋挖钻 机作业时，

15、加压油缸推动动力头在桅杆上移动，滑块随动力头沿着桅杆导轨表面上下 运动。整体式桅杆根据其柱体形式可以分为整体箱形桅杆（见图 2-1）和整体格构式 桅杆（见图 2-2） 。 机械设计 7 3.2.2 分段式桅杆分段式桅杆 旋挖钻机是目前灌注桩成孔工艺中的主要施工设备之一，随着国民经济的发展，越来 越多高层建筑甚至超高层建筑不断拔地而起，同时也有越来越多的复杂工况需要面对，因 此对钻孔深度和动力需求提出越来越高的要求。随着钻孔深度的不断加大，必然导致钻杆 和作为钻杆支撑架的桅杆高度和重量的增加，如果此时仍旧使用整体式桅杆，在运输过程 中，钻机整机运输尺寸大，移动稳定性差，而单独拆卸桅杆运输又费时费

16、力，因此严重影 响钻机的移动，进而影响施工进度，尤其是在狭窄有障碍的工地。为此，人们设计了各种 方法解决这一问题，采用分段式桅杆就是其中之一。根据其放倒方式，可以分为后倾放倒 式和前伏式。 3.2.3 分段折叠式桅杆分段折叠式桅杆 这种桅杆是目前市面上最为流行的一种桅杆形式，尤其是国内厂商，本次论文研究 对象也是针对这种桅杆形式进行的研究。 桅杆主体分为三段，分别为上段桅杆（包含两套滑轮机构组成的鹅头，简称上桅） ， 中桅（加压油缸所在桅段）和下桅。上桅和下桅一般较短，与中桅之间采用可折叠结 构，工作状态时，三段桅杆展开以满足钻挖需要，钻机移动时，无需拆卸，上桅和下 桅即可向中桅折回，减少了整机运输尺寸，通过起落机构向后放倒，即可移动运输 （见图 2-3） 。 3.2.4 分段式不可折叠桅杆分段式不可折叠桅杆 此种桅杆主