机电一体化专业毕业设计资料

1、哈尔滨理工大学专科生毕业论文旋挖钻机及变幅机构结构设计摘 要随着全球经济的高速发展以及改革开放的逐步深化，基本建设范围的持续拓宽，旋挖钻机是一种多功能、高效率的灌注桩成孔设备，被广泛应用于水利工程、高层建筑、城市交通建设、铁路公路桥梁等桩基础工程的施工。旋挖钻机能适应我国大部分地区的地质条件，成为适合建筑基础工程中成孔作业最理想的施工机械。本课题在充分调研了国内外钻孔设备的实际应用前提下，了解和分析国现有的大型钻孔装备的技术特点，提出了旋挖钻机总体设计方案，完成了旋挖钻机主要部件的选取及变幅机构的结构设计。在设计中引入CAD绘图技术，利用Pro/e软件建立了旋挖钻机变幅机构的三维模型，使其实体

2、化、可视化，缩短了设计周期。最后通过虚拟样机仿真Pro/e软件对旋挖钻机变幅机构进行了动力学仿真和分析，得到了变幅机构在变幅过程中各构件运动状态，确保所设计的机械结构满足使用要求。关键词旋挖钻机；变幅机构；结构设计24目 录摘 要I第1章 绪论11.1 课题背景研究的目的及意义11.2 国内外旋挖钻机的研究现状11.2.1 国内研究现状11.2.2 国外研究现状31.3 本论文主要工作内容41.4 本章小结4第2章 旋挖钻机总体设计12.1 旋挖钻机工作原理12.2 结构总体设计12.2.1 设计要求22.2.2 主要技术参数22.2.3 总体布置32.3 运动分析32.3.1 钻孔运动42.

3、3.2 升降运动52.3.3 变幅运动62.3.4 上车回转运动82.4 动力分析82.4.1 旋挖钻斗动力82.4.2 回转机构动力92.4.3 变幅机构动力112.5 本章小结13第3章 旋挖钻机总体设计143.1 旋挖钻机工作主要原件选型143.2 动力头机构143.3 变幅机构153.4 卷扬机构163.5 本章小结17第4章 旋挖钻机总体设计184.1 三维设计简介184.2 Pro/ENGINEER简介184.3 变幅机构三维仿真194.3.1 零件模型建立194.3.2 装配模型建立204.4 本章小结21结论23参考文献24致谢25第1章 绪论1.1 课题背景研究的目的及意义本

4、课题在充分调研了国内外钻孔设备的实际应用前提下，了解和分析国现有的大型钻孔装备的技术特点，提出了旋挖钻机总体设计方案，完成了旋挖钻机主要部件的选取及变幅机构的结构设计。在设计中引入CAD绘图技术，利用Pro/e软件建立了旋挖钻机变幅机构的三维模型，使其实体化、可视化，缩短了设计周期。最后通过虚拟样机仿真Pro/e软件对旋挖钻机变幅机构进行了动力学仿真和分析，得到了变幅机构在变幅过程中各构件运动状态，确保所设计的机械结构满足使用要求1。1.2 国内外旋挖钻机的研究现状1.2.1 国内研究现状旋挖钻机在二战以前首先在美国卡尔维尔特公司问世，二战之后在欧洲得到发展，1948年意大利迈特公司首先开始研

5、制，接着意大利、德国开始发展，到了7080年代在日本得到快速发展，当时日本称之为回转斗成桩，也叫阿司特利工法（EarthDriII），在德国、日本这类工法相当普遍。我国在80年代初从日本引进过工作装置，配装在KH-125型履带起重机上。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（SOILMEC）产品，1988年北京城建机械厂根据土力公司的样机开发了1.5m直径的履带起重机附着式旋挖钻机。 1994年郑州勘察机械厂引进英国BSP公司附着式旋挖钻孔机的生产技术，但都没有形成批量生产。1992年宝峨公司在中国北京设立了代表处，

6、开始了对华业务并于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、BG24型旋挖钻机。1998年，徐工集团开始自主开发研制RD18旋挖钻机，于99年试制成功并投入批量生产，最近几年我国旋挖钻机取得了快速发展。后来，北京经纬巨力、三一重机等也纷纷涉足旋挖钻机的生产，目前国内外生产旋挖钻孔机厂商有近二十家。随着我国经济的发展，给基础工程市场带来了巨大的发展机遇。被称为“五大世纪工程”的三峡工程、西气东输、西电东送、南水北调、青藏铁路等工程的建设；国家西部大开发

7、战略的实施，使西部地区的高速公路建设及城市建设工程量剧增；以北京为主的几个奥运城市进行了大规模的城市建设及奥运场馆的建设。这一系列重大事件，使得近年来基础工程市场达到了前所未有的规模。与普通的基础工程相比，这些工程有着其不同的特点，如工程量大、持续时间长；对环保要求严格，西部大开发要保护生态环境，奥运工程的建设不能对城市环境造成污染等；工程进度不能拖延，等等。这些特点对基础工程施工技术提出了更严格的要求，一般情况下采用常规的施工技术是很难满足这些要求的，而必须采用先进的施工设备和技术。在这些工程的建设中，旋挖钻进技术的应用越来越多，在青藏铁路及奥运主场馆的建设中甚至全部采用的是旋挖钻进技术2。

8、国产旋挖钻机目前存在的主要问题：首先表现在整体的液压系统与配置还达不到国外产品的先进水平，特别是与世界先进水平的旋挖钻机相比还存在很大差距。国外的优质产品液压系统一般都采用恒功率系统或负荷传感系统，液压元件采用国际先进成熟的产品。其次，国产旋挖钻机的关键件如钻杆，特别是机锁式加压钻杆还不能满足主机的要求，主要原因是国产钢管在钢管加工时，圆度和直线度达不到设计要求，无论是强度还是精度都不能满足要求；钻杆的加工工艺还处在摸索之中，焊接质量不能保证，焊后易变形，而且钻杆变形难以调整。再其次，一些国产旋挖钻机的整机外观及操作室内仪表盘的布置不如国外产品。国外的旋挖钻机有的装有全电脑操作系统，使操作手能

9、实时掌握钻进深度、钻架垂直度，保证钻孔准确到达设计深度和保持良好的垂直度；实时掌握各系统工作情况，便于及时采取维修措施，保证钻机正常运转。而目前，大部分国产旋挖钻机的钻杆牙嵌与动力头啮合情况和钻杆状态均无显示功能，操作手只能凭经验判断。施工中，旋挖钻机在进行钻孔作业时，有一个钻提升回转抛土再回转至原孔口对准再钻进的过程。国产旋挖钻机因没有回位定位功能，所以在对准时耗费相当多的时间和精力，而且，人工对准精度低3。国内近年来利用各种方式和途径，在消化吸收国外先进技术的基础上，创新，相继开发了多种型式的旋挖钻机，如湖南山河、徐工集团等开发的专用底盘旋挖钻机;三一重机等开发的挖掘机底盘旋挖钻机。而在动

10、力方面，大部分都是采用了与卡特彼勒底盘配套的卡特彼勒发动机，或选用康明斯、沃尔沃的发动机。液压元件等关键部件也都是选用世界知名品牌产品。国产旋机整体水平虽然与国外产品还有一定差距，但已经完全满足国内基础工程施工的需要，加上格优势明显，所以从2003下半年开始，国内旋挖钻机市场已经进口机变为以国产机为主。1.2.2 国外研究现状国外目前旋挖钻机的在国内的公司主要有：德国宝峨公司，其产品系列为BG12BG25；意大利土力公司，其产品为R412R618；MAIT公司的HR130HR240；IMT公司的AF6AF50；CMV公司的TH12TH25等。国外产品最大扭矩可达360kN·m，发动机

11、功率达448kW，钻孔直径可达4m，钻孔深度90余米等，品牌主要集中于土力、宝峨、意马、麦特、卡萨格兰第、巨力、日本产小扭矩旋挖钻机4。国外旋挖钻机的优势，国外的旋挖钻机的钻杆牙嵌与动力头啮合情况和钻杆状态有显示功能。钻杆牙嵌是极易磨损的(特别是在啮合不彻底的情况下)，磨损后的修复也是非常麻烦的。以往操作者只能凭自己的经验来感觉啮合情况，所以对操作者的熟练程度的要求很高。在钻孔作业时，钻孔深度通常达几十米，由于地质情况、钻杆与钻杆、钻杆与钻头连接等方面的原因，造成钻杆、钻头脱落在孔内的事故，给施工单位造成很大的损失。钻杆状态的显示功能，为操作者提供一个可视的钻杆，方便了操作者，可有效避免事故的

12、发生。国外的旋挖钻机采用电液比例伺服控制系统、PLC、CAN总线控制等，提高了定位钻孔精度，具有钻孔深度的自动化检测，荧光屏显示功能等，当钻机发生倾斜时，钻机会自动报警，并进行自动调整。采用能显示多种信息的多功能液晶显示器，能进行钻机控制、自动垂直调平、回转倒土控制、发动机的监控、钻孔深度测量及显示、车身工作状态动画显示及虚拟仪表显示、故障检测与报警等信息的显示。钻机的设计充分考虑操作人员的安全，并采取了一些措施，如驾驶室前窗配有FOPS；卷扬的高度限位；驾驶室内操作台安全控制；发动机、液压等参数显示、报警等。在控制功能上普遍采取和专业厂合作或自己开发专用控制器和控制软件。国外钻机发展趋势具体

13、表现在以下几个方面。1多功能模块化 只需要选择不同的工作附件，便可做到一机多用。钻机采用的是多用途模块式设计，可与连续墙抓斗、长螺旋等配合使用。动力头为双作用驱动箱，既可进行钻孔，又能安放套管，一机多用。2机电一体化 采用电液比例伺服控制系统，国外产品大都实现了负载反馈的自动控制。3控制可视化、智能化 具有钻孔深度、钻桅垂直度自动化检测、荧屏显示，提高了定位钻孔精度。并显示、记录、打印成桩的外形，大大提高了成桩质量。4实时监测 采用孔深、发动机、油压、主副卷扬拉力等参数的自动化检测，荧光屏显示。5安全措施 驾驶室前窗配有防坠物保护、卷扬的高度限位、驾驶室内操作台安全控制、发动机参数显示、液压参

14、数显示、报警等。1.3 本论文主要工作内容本课题以旋挖钻机为研究对象，通过对旋挖钻机接的国内外设备状况的调研，确定旋挖钻机的钻机及变幅机构的结构5。初步确定本课题对以下几个方面进行了研究和探讨，具体工作内容如下：l.调研、收集旋挖钻机相关设计信息，根据旋挖钻机的工作要求和工作环境，提出旋挖钻机的总体设计构思。2.对结构进行整体设计，在机械结构整体方案基础上，数据进行选定。3.根据总体设计，计算变幅机构相关数据。4.对变幅机构进行三维建模。5.整理资料、撰写毕业论文。1.4 本章小结本章主要介绍了旋挖钻机的发展历史与功用以便我们更好的深入研究。本课题以旋挖钻机为研究对象，通过对旋挖钻机接的国内外

15、设备状况的调研，确定旋挖钻机的钻机及变幅机构的结构。初步确定本课题对以下几个方面进行了研究和探讨确保所设计的机械结构满足使用要求。第2章 旋挖钻机总体设计2.1 旋挖钻机工作原理旋挖钻机钻进成孔工艺旋挖成孔，首先是通过钻机自有的行走功能和桅杆变幅机构使得钻具能正确的就位到桩位，利用桅杆导向下放钻杆将底部带有活门的桶式钻头置放到孔位，钻机动力头装置为钻杆提供扭矩、加压装置通过加压动力头的方式将加压力传递给钻杆钻头，钻头回转破碎岩土，并直接将其装入钻头内，然后再由钻机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土、卸土，直至钻至设计深度6。2.2 结构总体设计总体设计是机械产品设

16、计的关键，它对产品的技术性能、经济指标和社会性具有决定性意义。总体设计应始终贯彻了功能要求原则、可靠性原则、安全原则、力学原则、经济性原则等。本课题在鉴了国内外的旋挖钻机的结构，提出了旋挖钻机的总体设计方案。以下是各个功能元选择的各种选项，以及选择方法。表2-1 旋挖钻机的机构选项功能元功能元解1234A动力源电动机液压马达气压马达B传动方式齿轮传动链传动带传动涡轮传动C行走方式轮胎履带轨道D定位方式行走定位回转变幅定位E升降方式卷扬液压缸连杆F取土形式回转冲击A动力源：由于旋挖钻机输出功率较大，三种动力源之中液压马达以体积小、能量密度高、运行稳定等特点成为旋挖钻机最佳动力源。B传动方式：传动

17、方式中链传动不易于高速、重载，带传动传动低速性能不好、径向尺寸大、效率低寿命短。涡轮传动平稳、振动小、噪音小，但是传动效率低、但价格昂贵。而齿轮传动效率高、传动比准确、承载能力大、使用寿命长、可靠性高、价格合理、结构紧凑最佳的选择。C行走方式：行走方式中，轨道不能自由移动，因此去掉轨道选项。轮胎机动性较好，但承载不好，考虑旋挖钻机施工现场环境，选取履带行走方式。D定位方式：回转变幅定位，因为行走定位在每次卸土都要移动位置严重影响工作效率。变幅机构可以在不移动位置下卸土。E升降方式：卷扬，深度数十米液压缸与连杆无法到达。F取土形式：回转以上可以得出，旋挖钻机结构是方案为A2+B1+C2+D2+E

18、1+F1，即全液压履带式旋挖钻机2.2.1 设计要求为使旋挖钻机满足实际工程的使用要求，充分地调研了目前我国桩基施工的方法和钻孔工艺，并根据钻孔工艺和实际使用过程中操作人员的经验，结合国内外的技术和经验提出了以下几方面技术要求7。1.功能要求：桩基孔直径在12001500mm 之间，为了配合套管施工，所以本钻机钻孔直径在5002000mm，钻机具有通用接口，可以配备不同的钻头，适应各种地质条件下的施工，最大钻孔深度85m。2.性能要求：旋挖钻机要求动作迅速，快速启动和准确制动，机械系统在工作中应该具有足够的强度、刚度和稳定性等。在各个工况下弹性变形要在许用范围内。3.工作效率：一般情况下，在土

19、层、砂层的钻进速度应该达10m/h，在粘土层达4-6m/h，是普通回转钻进的3-5 倍，甚至更高。2.2.2 主要技术参数主要技术参数是指能够直接影响机械系统功能和工作性能的一些技术参数，详见表2-2。它是机械系统结构总体设计和主要零部件设计的依据。表2-2 旋挖钻机技术参数名称参数动力头输出扭矩T280kN·m最大钻深度h60m钻孔直径D5002000mm钻孔速度n635r/min卷扬单绳最大拉力F200kN卷扬最大速度v1m/s上车回转角速度2.5r/min钻桅左右调垂角度±5°地盘扩履尺寸L3200/4200mm2.2.3 总体布置总体布置应从保证其主要性能

20、出发，对钻机的性能、使用和制造等方面都将产生非常重要的影响。总体布置应满足功能、性能、结构、工艺和使用等方面要求。图2-1 旋挖钻机总体布置简图2.3 运动分析旋挖钻机运动简图如图2-2所示。旋挖钻机的运动可分解为钻孔运动、提钻运动、变幅运动和回转运动，下面将分别对旋挖钻机进行运动分析8。图2-2 旋挖钻机运动示意图2.3.1 钻孔运动钻孔运动是依靠钻斗的回转实现的，钻斗的回转是由动力头驱动钻杆，使钻斗同钻杆一同运动的。动力头采用结构紧凑的双马达驱动，以减小动力头的径向尺寸。传动原理是，液压马达输出扭矩通过行星减速机减速后，将动力传给小齿轮，小齿轮将动力传递给回转支承外环，回转支承外环与动力头

21、驱动套固连，通过驱动套内键将扭矩传递到钻杆驱动钻具回转。动力头采用结构紧凑的双马达驱动，以减小动力头的径向尺寸。传动原理如图2-3所示，液压马达3输出扭矩通过行星减速机2减速后，将动力传给小齿轮1，小齿轮将动力传递给回转支承6外环，回转支承外环与动力头驱动套4固连，通过驱动套内键将扭矩传递到钻杆5驱动钻具回转9。动力头输出转速n可以表示见式(2-1)： (2-1)式中 为液压马达流量L/min 马达排量mL； 行星减速机减速比 齿轮副减速比。1小齿轮；2行星减速机；3马达；4驱动套；5钻杆；6回转支承图2-3动力头传动原理2.3.2 升降运动升降运动主要是指在钻钭下钻和装满岩土提到地面的过程，

22、升降运动靠钻机的提升系统完成。在钻机每个工作循环中旋挖钻机要经过孔定位、下钻、钻进、提钻、回转、卸土六个工序，提升系统主要功能是控制钻杆下降和提升速度，为了避免钻杆触地后卷扬继续放绳而引起乱绳、损坏钢丝绳的现象发生。提升系统主要是由卷扬机构、导向滑轮和绳锁机构构成。如图2-4所示。提升系统的主要运动是将卷扬的回转运动通过绳索系统转换成竖直方向的移动10。滑轮架回转接头头图2-4提升系统传动原理主要参数有提钻加速时间t，钻杆提升速度v，启动加速度a=v/t。则钻杆提升速度v可以表示见式(2-2)：(2-2)式中Q马达流量，L/min；r滚筒半径，m；vg马达排量，mL。2.3.3 变幅运动变幅机

23、构由平行四边形机构和三角形机构两个部分构成，平行四边形机构通过变幅油缸的伸缩使桅杆远离机体或靠近机体，三角形机构作用是通过立桅油缸的伸缩改变桅杆的角度，以调节桅杆相对水平面的角度。变幅机构在钻孔时改变钻头位置，在下车不移动的工况下实现对孔定位，变幅机构是旋挖钻机重要部件，可以简化如图2-5所示。因为在变幅过程中钻具、动力头等部件固定在钻桅杆上，所以在机构分析中只分析钻桅运动特性。变幅机构共有8个活动构件，2个移动副和9个转动副，自由度为2。主运动分别有变幅油缸BF和立桅油缸BC驱动11。变幅机构随油缸伸出长度的不同，其角度和受力都会变化，为了更清楚地找到它们之间的数学关系，在此引入了变幅和桅杆

24、姿态角，通过姿态角的引入，就可以通过姿态角的大小来描述机构的几何尺寸和受力情况。变幅机构中铰点A、F与转台固定铰链，变幅姿态角为变幅臂中心的连线与水平面成角，立桅姿态角 为钻桅与三角架和立桅油缸两铰点连线与水平面成角，为转台倾角，为三角架BD与水平夹角, 为立桅油缸与水平负方向的夹角， 为工作装置重心与铰点C、D构成的三角形夹角，L1、L2分别为变幅油缸、立桅油缸长度，G表示工作装置，包括钻桅总成、动力头、钻具等。设计时考虑到工作装置质量较大，钻机的变幅机构两油缸交替工作，这样设计可以提高钻机本身的动态稳定性还可以降低液压系统的负荷。下面分别对两液压缸工作进行说明。(1)变幅油缸工作时，在平行

25、四边形ABEF中，AF为固定机架，四杆机构属于双摇杆机构，上臂AB和下臂EF为摇杆，其运动特性相同，质心分别用GAB和GEF表示，质心距各自回转中心距离用和表示，当变幅油缸运动时，AB、EF绕机架转动。则上臂AB质心的速度可以表示为见式(2-3)： (2-3)式中变幅角，rad。图 2-5 旋挖钻机变幅机构运动示意图变幅油缸BF长度L1与变幅姿态角之间关系可以表示为见式(2-4) (2-4)L1对时间t求导，变幅油缸活塞杆运动速度可以表示为见式(2-5) (2-5)三角架与工作装置做平动，运动特性与下臂E点相同，其运动方程可表示为见式(2-6)： (2-6)(2)立桅杆油缸工作时，在三角形机构

26、中BCD中，工作装置的重心G，回转半径用表示，则工作装置转速可以表示为见式(2-7)： (2-7)立桅油缸BC长度L2与姿态角之间关系可以表示为见式(2-8)： (2-8)将对时间t求导，立桅油缸活塞杆运动速度可以表示为见式(2-9) (2-9) 2.3.4 上车回转运动回转机构主要是驱动上车绕回转中心整周回转，回转机构是支承旋挖钻机上车的自重及钻孔提钻过程中的垂直载荷作用，由回转平台和回转驱动机构两个部分构成。在回转驱动的作用下使上车绕回转中心旋转，回转机构运动频繁，且质量较大，属于大惯量系统。回转部分的主要运动参数有回转角速度和启动时间和制动时间t。回转驱动机构由液压马达、回转减速机和回转

27、支承组成。传动原理如图2-8所示，鉴于目前设计国内尚无旋挖钻机设计标准，参照国内外同类产品设计和同吨位的汽车起重机设计。旋挖钻机的最大回转速度n定为2.5r/min，回转角速度为0.262rad/s。则上车回转速度n为见式(2-10)： (2-10)式中流量，L/min；马达排量，mL；行星减速机减速比；回转支承齿轮副减速比。2.4 动力分析由于旋挖钻机质量大，输出扭矩大，所以对旋挖钻机的主要部件进行力学分析是十分重要的，主要对旋挖钻钭钻进过程、回转机构运动和变幅机构变幅过程进行了动力分析。2.4.1 旋挖钻斗动力钻钭在钻土过程中，可将钻钭的掘削机构分为切削机构、装载机构和摩擦机构，则动力头钻

28、钭回转时切削阻力矩M1为见式(2-11)：(2-11) 式中k掘削比阻力，；钭齿的切削刃后角；n钻钭齿数；h钻钭一次掘削深度，m；刀刃与土之间摩擦角；R回转钭半径，m；R0回转钭顶尖半径，m。钻钭的装载机构为钻钭的内腔，一边靠切削刀切削，一边把切削下的土装入钭内。钻钭圆柱部分所消耗的阻力矩M2为见式(2-12)：（N·m） (2-12) 式中K土与钢的摩擦系数；土的比重，kg/m；l斗体高度，m；k主动土压系数。钻钭在掘削土过程中，由于受钻杆的稳定性等因素的影响，钻钭与孔壁之间产生摩擦阻力矩，这个阻力矩可以利用朗肯主动土压理论来求解，摩擦阻力矩M3为见式(2-13)：（N·

29、m） (2-13)式中R钻钭半径，m；h钻钭高度，m；为土内部摩擦角；P土侧压力，N。钻钭受到总的阻力矩Md为见式(2-14)： (2-14)2.4.2 回转机构动力回转过程的阻力矩包括风载阻力矩、坡阻力矩、摩擦阻力矩和惯性阻力矩构成。由于风载产生的阻力矩相对较小，所以忽略风载对钻机回转的影响。根据刚体绕定轴转动微分方程，则惯性阻力矩Mg为见式(2-15)： (2-15)式中t为启动时间，s； 为回转角速度，rad/s；J为转动惯量，kgm2；为回转角，rad。 (2-16)式中mi分别为钻桅、动力头、钻杆、钻斗、上车转台、变幅机构质量，kg；ri为相应的回转半径，m。摩擦阻力矩可以表示为见式

30、(2-17)： (2-17) 式中k为回转阻力系数；D为滚到平均半径，m； 为回转支承受总压力，N。坡阻力矩可以表示为见式(2-18)： (2-18)式中坡道角度钻机回转总的阻力矩可以表示为见式(2-19)： (2-19)设启动安全系数为K，启动力矩Mq为见式(2-20)： (2-20)制动力矩Mb见式(2-21)： (2-21)式中为减速机效率；液压马达效率； 回转支承效率。 2.4.3 变幅机构动力变幅机构作为钻机重要支承机构，以工作装置为研究对象，受力如图2-6所示，对D点力矩，列平衡方程见式(2-22)：(2-22) (2-23)式中dD为G点到D点距离，m；为钻桅与水平面夹角；为立桅

31、油缸与钻桅夹角； 为工作装置重心与铰点C、D构成的三角形夹角。立桅杆受力FL表示为钻桅倾角 为函数为见式(2-24)： (2-24)图2-6工作装置受力模型以三角架为研究对象，受力如图2-7所示。利用截面法计算下臂对三角架的作用力 。相对于工作装置质量三角架自重忽略，对B点取 ，则 的受力平衡方程为见式(2-25)： (2-25)图2-7三角架受力模型 (2-26) (2-27)联合求出下臂对三角架的作用力 。 以上臂为研究对象受力如图2-8所示，对A点取力矩 ，则变幅油缸受力平衡方程见(2-28)： (2-28)由公式联立求出变幅油缸作用力根据各工况求出变幅油缸最大受力 图2-8上臂受力模型

32、2.5 本章小结本章通过对旋挖钻机的功能原理分析，利用对功能元的求解方法，建立了旋挖钻机的形态学矩阵，并通过各功能元评价分析确定了旋挖钻机的方案。运用理论力学分析方法对旋挖钻机的钻孔转速、上车回转速度、卷扬提升速度以及变幅机构运动速度进行了理论推导，完成了的运动设计。并对钻进过程、上车回转和变幅过程中的阻力矩进行了分析。为下一章结构设计提供了理论依据。第3章 旋挖钻机总体设计3.1 旋挖钻机工作主要原件选型旋挖钻机在各个工况中功率变化较大，为了提高液压系统的工作效率，选择变量泵系统。主泵选择力士乐变量泵，主阀选择为负载敏感式多路阀。本文仅对马达和减速机进行选型，泵阀选择不做详细说明。液压马达分

33、为低速马达和高速马达，低速马达具有较好的低速稳定性，一般可以不需要变速装置直接传递扭矩，结构简单，但体积大、转动惯量大，制动时需要扭矩大，制动非常困难。高速马达体积小、重量轻、结构紧凑、转动惯量小、反映灵敏，但输出转速高、扭矩小、低速稳定性差，使用时必须配大减速比的减速机使用，制动一般都采用减速机高速端制动，所需扭矩小13。本课题中采用高速马达和行星减速机构组成的驱动机构。选型根据运动参数和动力参数计算。根据前面计算，选用标准件如表3-1、表3-2所示表3-1 马达型号名称型号排量mL/r最大流量L/min最大扭矩N·m卷扬A2FE160/61W-VZ160577812回转A2FE9

34、0/61W-VZL192J90405458动力头A6VM200HA2/63W-VAB020A2005801273表3-2减速机名称型号最大输出扭矩N·m减速比i卷扬GFT110W3B11578429115回转GFB502B463800060动力头GFC36T2B29-0543000323.2 动力头机构动力头是旋挖钻机的关键工作部件，其性能好坏将直接影响钻机整机性能的发挥。动力头主要作用是驱动钻杆带动钻头回转，并提供钻孔所需的加压力、辅助提升力。动力头能根据不同的土层硬度自动调整转速与扭矩，以满足不同的工况高效率钻进。动力头设计具体结构如图3-1所示。动力箱是动力头中主要支承件属于形

35、状复杂箱体，焊接件具有成型工艺简单、易于修改、重量较轻，所以动力箱采用焊接结构。为了便于维修和观测动力箱上有润滑油高度显示、加油口、放油口等12。减速机构主要由行星减速机、小齿轮轴和回转支承组成，为了减小动力头径向尺寸和重量，采用高速液压马达和大传动比的行星减速机使动力头结构更加紧凑。动力头上、下端盖采用旋转密封圈进行密封，过渡连接盘与上密封盖之间又形成了迷宫式密封，以防止在恶劣工作环境尘土进入动力箱内部。为了保证回转支承与小齿轮轴内润滑充分，动力箱采用油浴式润滑，使回转支承与小齿轮轴润滑更充分以较小磨损。驱动套与动力头箱体通过过渡盘3连接，当驱动套损坏时可以单独地更换而不必拆动力箱。动力通过

36、液压马达经行星减速机6传递到小齿轮轴8，通过回转支承2将扭矩传递到驱动套5。 1动力箱；2回转支承总成；3过渡连接盘；4密封圈；5驱动套；6减速机；7轴承；8小齿轮；9轴承；10轴承盖；11下密封盖图3-1动力头结构图3.3 变幅机构变幅机构是旋挖钻机中重要的支承机构，承受钻桅、钻杆、钻具等重量，钻孔时还受来自动力头的扭矩作用，变幅机构设计要求要有足够的强度，在极限工况下不发生破坏，要有足够的刚度保证极限工况下变形在许用范围内。变幅机构中各构件在连接铰点处受力较大，为了满足接触刚度要求，同时减小零件质量，连接头采用锻造件，上、下臂整体采用截面采用空心矩形，三角架采用空心截面设计，内部按强度布置

37、隔板和筋板以保证三角架的刚度满足设计要求。材料选用高强度合金钢Q345。变幅 机构结构如图3-2所示。平行四边机构下铰点固连在转台上，变幅油缸伸缩改变平行四边形机构的角度，三角架处于平动状态13。图3-2变幅机构图3.4 卷扬机构卷扬主要功能是钻孔作业时提拉钻具，控制钻具下降速度和提升速度。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卷扬有密切的关系。卷扬的结构和功能都非常重要。卷扬的主要结构由支承架和动力驱动装置构成，卷扬支承架采用焊接结构，滚筒为铸造件。驱动装置工作特性要求卷扬滚筒转速不随外载荷变化而变，即匀速提钻、下钻，由液压系统保证。驱动装置主要由内藏式减速机和插装式马达，

38、减速机内置制动器，该装置具有结构紧凑、传递扭矩大、制动迅速等特点。卷扬结构如图3-3所示。1支架；2滚筒；3锁绳器；4减速机；5压绳器图3-3卷扬总装图3.5 本章小结本章根据旋挖钻机的运动和动力参数，对旋挖钻机马达和行星减速机零件的选型，完成主要部件包括动力头、卷扬、变幅机构的设计。并完成了旋挖钻机的结构设计。第4章 旋挖钻机总体设计4.1 三维设计简介三维设计是新一代数字化、虚拟化、智能化设计平台的基础。它是建立在平面和二维设计的基础上，让设计目标更立体化，更形象化的一种新兴设计方法。传统的方法，我们是在一个平面的二维空间内考虑布局，也就是上下左右四个方向。如果我们把每个模块抽象成为一个平

39、面，从三维的角度来看，有了前后的关系，一个页面就可以看做N个层的重叠，通过层之间的互相透视，二维上形成一个页面。这种抽象只是在设计页面布局的角度，和最终呈现给用户的二维视觉没有影响。二维布局越复杂，制作难度越大，在三维空间内，再复杂的布局也就是更多个层的叠加，同时根据浏览器解析代码自上而下的特性，可以随意调整各模块的显示顺序，很多存在于二维布局方法的难题迎刃而解。4.2 Pro/ENGINEER简介Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重

40、要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。 Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择

41、使用。 Pro/E特点主要在以下几个方面：1参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化。 2基于特征建模Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 3 单一数据库Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来

42、自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。4.3 变幅机构三维仿真动仿真可以模拟变幅机构在不同状态的运动，通过研究样机的动力学特性和仿真结果的分析可以得到旋挖钻机变幅机构中各个构件的受力情况，进而验证变幅机构的设计是否合理。仿真前假设初始状态钻桅处于水平，变幅机构中上、下臂处于水平状态。4.3.1

43、 零件模型建立Pro/E的零件建模时是基于二维参数化草绘的实体建模，通过拉伸、旋转等特征操作命令完成零件的建模。当需要修改模型特征时，只需要进入相应的草图平面修改所需的数据，即可完成特征的修改。在设计零件时采用了Pro/E的关联尺寸功能，即Pro/E中的自上向下建模方法，新零件的建立参照已有零件的配合尺寸，使修改一个零件的尺寸，其它零件也相应修改。建立了变幅机构三维模型。以下是变幅机构中动臂和三角架建模，利用了草绘图形，并通过拉伸、切除、实体引用等完成建模。动臂，三脚架如图4-1，4-2所示。图4-1动臂模型图4-2三角架模型4.3.2 装配模型建立装配就是将装配中装配信息表达成相关零件相应特

44、征的装配属性，特征的装配属性来表达装配信息。把装配信息表达到零件模型中。从而建立起零件之间的各种装配关系，形成一个完整的产品模型。装配设计包括自下而上和自上而下两种装配设计方式。图4-3为变幅机构装配模型，图4-4为变幅机构爆炸图模型。图4-3变幅机构装配模型图4-4变幅机构爆炸图模型4.4 本章小结本章完成了对旋挖钻机变幅机构整体的三维建模，并对装配体进行运动仿真。利用虚拟样机技术建立了变幅机构的样机模型，对旋挖钻机变幅机构在桅杆升降和平行四边形机构变幅过程进行了仿真。结论本文在充分了解国内外灌注桩施工方式中的旋挖钻进技术现状及发展趋势的基础上，结合灌注桩施工工艺和要求，提出了全液压旋挖钻机的设计方案。根据主要技术参数和相关技术指标完成了旋挖钻机的总体设计。利用Pro/Engineer软件进行了旋挖钻机变幅机构的三维建模和虚拟装配，对变幅过程进行了动力学仿真。完成以下工作：1在广泛调研的基础上，结合国内外钻孔设备的发展现状和趋势，提出了旋挖钻机的设计方