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1、毕 业 设 计题 目 SR150 型旋挖钻机的整体系统设计学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 机自 0712 班 学 生 学 号 指导教师 二一一年五月二十日济南大学毕业设计- I -济南大学毕业设计- 1 -1 前言1.1 旋挖钻机简介旋挖钻机是一种取土成孔灌注桩施工机械，靠钻杆带动回转斗旋转切削土，然后提升至孔外卸土的周期性循环作业的成孔设备，它具有一种机、电、液高度集中、成孔快、质量好、噪声低、综合效益高、环境污染小等特点，主要适于砂土、粘性土、粉质土等土层以及岩层等地质，可以满足各类大型基础施工的要求；旋挖钻机与其他钻机相比具有显著的优势，正在逐步取代传统的反循环钻
2、机以及冲击钻等施工设备。具体优势表现在：1.地质适应能力强 在硬土层及岩层,由于传统钻机的自重有限，无法给钻头施加足够的压力，而旋挖钻机采用加压装置,加上钻杆的重量，钻进能力强,甚至有的钻机的加压力已经超过了 500KN,比如宝峨的 BG50 的加压力已经达到了 600KN。2.环保性突出 随着国家对城市建设环保要求愈加严格，传统钻机面临更大危机，而旋挖钻机通过钻斗旋挖取土，再通过钻杆将钻斗提出孔外卸土，不需要泥浆支护，即使在需要泥浆护壁时，泥浆也只起孔壁支护作用，这极大的改善了施工环境，同时降低了施工成本，提高了文明施工的程度，响应了客户和市场的需求。 3.成孔速度快 质量好 经济效益高 在
3、施工过程中钻孔时间越长越会引起桩孔的坍塌，严重的需要改变桩位，旋挖钻机的成孔速度是冲击钻的 30 倍，是反循环钻机的 80 倍左右，成孔速度的提升不仅是桩孔质量和工程进度得到了保障，也为客户和市场带来了更高的经济效益。1.2 旋挖钻机的发展及研究现状旋挖钻机在 1940 年前后首先在美国卡尔维尔特公司问世，当时仅用于钻孔作业，以后逐渐推广应用于基础工程的灌注桩施工，二战后在欧洲得到迅猛发展； 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的钻机，1988 年北京城建机械厂根据意大利土力公司的样机开发了 1.5直径的履带
4、起重机附着式旋挖钻机。1992 年宝峨公司在北京设立了代销网点并于 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 BG20 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。最近几年我国旋挖钻机取得了快速发展，目前国内生产旋挖钻孔机厂商有十余家，主要有徐工科技、三一重工、北京经纬巨力、河北石家庄煤机、湖南山河智能、济南大学毕业设计- 2 -等。国外主要生产厂商有德国宝峨、意大利意马公司、CMV 公司、利勃海尔公司、土力公司、日本车连、日本建机等。相对而言，国内企业还处于仿制阶段，自己开发的款型少
5、，其质量、安全性、稳定性与国外先进钻机还是有一定的差距,如表 1.1表 1.1 国内外旋挖钻机技术参数产品技术参数 宝峨 BG12 卡萨 B105NG 国内某钻机旋挖成口直径 mm 1300 1300 1300旋挖成口深度 m 40 37.5 37扭矩 kNm 125 100 100钻速 r/min 35 35 30主卷扬提升力 kN 125 120 115主卷扬钢丝绳直径 mm 24 24 24主卷扬最大提升速 m/min 80 79 75副卷扬提升力 kN 50 50 50副卷扬钢丝绳直径 mm 14 14 16副卷扬最大提升速 m/min 46 57 40加压油缸加压力 kN 110 9
6、0 45加压油缸提拔力 kN 150 140 120加压油缸行程 m 4.0 3.5 3.5履带宽度 mm 600 500 500底盘回转速度 r/min 5 5 3.5行驶速度 km/h 3.2 3 2.3发动机型号 CAT VOLVO CUMMINS发动机额定功率 kw 150 132 127面对性能更为优越的国外厂家，我们应该进一步吸收引进国外的先进技术，使其得安全性、稳定性、寿命等品质得到进一步的提高，以适应市场和复杂地层的需求。1.3 旋挖钻机的市场发展趋势受北京奥运、山东全运会、上海世博会以及高层建筑施工的拉动，市场给旋挖钻机的发展提供了一个巨大的空间，而近几年我国对旋挖成孔法的大
7、量采用，旋挖钻机使用量大大增加，预计在未来几年内旋挖钻机市场将会持续升温。十二五规划中指出，要大力扶持装配行业，加上高铁的兴起，铁路挺进无人区，这些都离不开旋挖钻，所以说巨大的市场充满着机遇，同时使竞争更加激烈。伴随着旋挖钻机的大量使用，旋挖钻机的型谱将越来越规范和科学；随着人力成济南大学毕业设计- 3 -本的不断提高，旋挖钻机必将走智能化道路，包括无线控制、远程服务、一机多用等功效；与之相比，旋挖钻机的工法支持人员和相关的技术人员将会成为旋挖钻机的关键组成部分，换言之，未来的旋挖市场相关的技术人才将会炙手可热；旋挖钻机的超大口径钻孔灌注桩也必将成为现场灌注桩施工机械的主力机型。1.4 课题研
8、究的内容和意义1.4.1 课题研究的内容随着全球经济的复苏，基本建设范围的持续拓宽，以人为本的保护环境理念及相关法律的实施的不断强化，使桩基础特别是现场混凝土灌注桩基础得到了广泛使用。而旋挖钻机因其装机功率大、输出扭矩及轴向加压力大、机动灵活、施工效率高等特点适应综合发展的需求。本课题应该瞄准国外品牌的技术水平，吸收国内外钻机的先进技术，结合我国国情，设计出具有可靠、实用、适合国情的钻机。钻机的动力装置是为整个旋挖钻机提供低速钻进功能的结构部件，合理的设计才能够满足钻机在钻进过程中所需的功率、扭矩、转速等相关能力的指标匹配；对于不同硬度和深度的岩层，旋挖钻机钻杆的设计是关键的，其性能直接决定旋
9、挖钻机的整机效率；合理的变幅机构能够保证钻杆的垂直度；综上所述，旋挖钻机的动力装置、变幅机构、钻杆是本设计的主要内容。1.4.2 课题研究的意义旋挖钻机是一种取土成孔灌注桩施工机械，靠钻杆带动回转斗旋转切削土，然后提升至孔外卸土的周期性循环作业的成孔设备，它具有一种机、电、液高度集中、成孔快、质量好、噪声低、综合效益高、环境污染小等特点，可用于多种桩的施工，代表着桩工机械的前进方向。旋挖钻机可广泛应用于城市高层建筑、铁路、公路、桥梁、机场、港口等桩基础工程的钻孔灌注桩成孔的施工，它的使用迎合了市场的需求，也大大的提高了工程的进度，为客户带来极大的经济效益。济南大学毕业设计- 4 -2 旋挖钻机
10、的整体系统设计2.1 旋挖钻机总体设计2.1.1 工作原理旋挖钻机的英文名称为 Rotary Drilling Rig，是指附带摇动套管驱动机构、配备回转斗和短螺旋及扩孔机具、全液压驱动（或电液混动） 、具有大扭矩输出的履带式钻孔机，钻机配置挤土桩、振动锤、连续墙抓斗、套管等钻具可以对粘土层、沙砾层、卵石层和中风化泥岩等不同地质钻孔施工。图 2.1 旋挖钻机结构图旋挖钻机的结构从功能上分，分为底盘和工作装置两大部分。钻机的主要部件有：底盘（行走机构 、底架、上车回转） 、工作装置（变幅机构、桅杆总成、主卷扬、辅卷杨、动力头、随动架、提引器等）如图 2.1序号 名称1 底盘2 变幅机构3 桅杆总
11、成4 随动架5 动力头6 钻杆7 钻具8 主卷扬9 辅卷扬10 提引器济南大学毕业设计- 5 -工作中，钻机通过变幅机构调整桅杆的垂直角度，使钻机能够垂直的施工打孔，以保证桩孔的成孔质量。动力头通过减速机驱动轮毂转动，轮毂内壁上的键条带动钻杆旋转，并提供给钻杆扭矩，使钻具随钻杆作旋转并切削钻进。当钻具内满渣后，主卷扬提钻，使钻具离开钻孔，主机回转到一定角度卸渣。再转回始点，放下钻杆，继续钻进，周而复始，最终成孔。2.1.2 入岩钻机工作原理普通钻机在地质较软的土层或沙层较为容易钻进，但是在面对地质较硬的岩层时，普通钻机显得较为无力，钻进速度极为缓慢，效率不佳，并且对钻机的钻具、工作寿命、加压力
12、产生了极大的考验。旋挖钻机施予总轴压的能力与传统岩石掘进机比，低 510 倍。而作用在岩石上的力只有超过岩石抗压强度极限的 3050，岩石才能顺利地从岩体上破碎下来。也就是说只有在加大旋挖钻机的加压力和加长加压行程的情况下，才有可能增加钻机的入岩能力。普通钻机的加压方式是通过桅杆上的加压油缸对动力头进行直接加压，并传递动力头传递扭矩，以实现钻进功能；市场上的入岩加压方式有链条加压，在此引进卷扬加压。卷扬加压方式即为加压卷扬上的钢丝绳通过上桅杆上的一定滑轮缠绕在动力头滑架上的定滑轮，在绕回上桅杆一固定点，以此同时，加压卷扬上的钢丝绳通过下桅杆上一定滑轮绕到动力头滑架上的定滑轮，在绕回下桅杆一固定
13、点。如图 2.12 所示图 2. 2 加压钢丝绳缠绕方式卷扬加压可将加压力提高两倍，增强钻机的岩层的钻进能力；与此同时卷扬加压还提高了钻机的加压行程，提高了钻机的入岩效率。济南大学毕业设计- 6 -入岩钻机与普通钻机除了在加压方式上存在区别外，入岩钻机的动力头的滑架也需做相关的改动，以配合卷扬加压的功能，整改方式为：在原来加压油缸与滑架销轴连接的位置处安装一个由两个定滑轮组成的滑轮座，并通过销轴固定在滑架上。这种整改方式可以保证油缸加压和卷扬加压在施工过程中钻机进行工法的快速转换，提高施工效率。整改图示如图 2.13图 2. 3 滑架技改方式2.2 旋挖钻机关键部件结构设计2.2.1 动力头设
14、计市场上的旋挖钻动力头，有单一马达驱动和双马达驱动，主要差别在于驱动功率不同。单一马达驱动实现单级减速，适用于小功率的钻机，已基本被淘汰；双马达驱动通过减速机驱动双主动轮，主动轮通过齿轮啮合带动从动齿圈转动，适用于大功率的钻机；但是双马达驱动在设计上存在一些不足，使得动力头的稳定性差，扭矩不足，缓冲装置不够充分，常常引起动力头损坏。本文中设计的动力头由缓冲装置、行星减速机、液压马达、减速传动箱、滑架、下压盘等，两台液压马达驱动两行星减速机，减速机通过花键与减速传动箱中的输入轴连接，输入轴通过齿轮啮合带动与轮毂固定在一起的齿圈，轮毂内有六根键条，键条可以驱动钻杆旋转，实现钻机的成孔作业。在减速传
15、动箱上有缓冲装置，包括上压盘、筒体、重型弹簧减震和高弹橡胶减震，重型弹簧减震和高弹橡胶减震被压盘和筒体包围在减速传动箱、减速机、液压马达上部，以减缓在卡钻等其他意外事故时，保护动力头不受损坏。下压盘通过螺栓与减速箱底部相连，压盘的下端面面积大，厚度大，并与上端济南大学毕业设计- 7 -面设有多处加强筋，以保障其强度不发生变形，在钻机提钻时，其与钻具相撞，打开钻具底部的合门，倒渣卸土。滑架是与桅杆相配合，为动力头起的上提和下放起导向作用，滑架上部还有一防护栏，防止装机过程中，钻杆撞毁液压马达和减速机。此设计采用多层缓冲装置，以保障动力头的安全可靠；结构设计紧凑，能够传递大扭矩，并且两液压马达可以在瞬时完成正反转，保证钻机的工作效率。动力头结构图如 2.14 所示图 2. 4 动力头结构图1-马达；2-连接板；3-缓冲装置；4-减速箱 5-滑架；6-行星减速机 7-下压盘；8-轮毂；9-齿圈；10-键条2.2.2 钻杆设计决定钻机地层适应能力的主要因素在于旋挖钻机所使用的钻杆类型，根据钻杆加压方式的不同，钻杆分为摩擦加压式钻杆、机锁加压式钻杆。摩擦加压式钻杆简称摩阻杆，摩阻杆只能传递动力头的扭矩，不能传递压力，一般适应于土质较软和不是很硬的地质。机锁加压式钻杆又称机锁杆，机锁杆既可以传递扭矩又可以传递压力，因此，机锁杆不仅可以用于软地层，又可以用于较硬地层的施工。此处只
