随动架与桅顶设计

1、. . . . 目录第1章 引言31.1目的和现实意义31.2国外研究现状31.3课题研究意义51.4研究方法51.5本设计的主要容7第2章 随动架与桅顶工作原理分析72.1随动架原理72.2桅顶原理8第3章 随动架回转支承型号，钢丝绳的选取93.1随动架旋转支承型号选取93.2钢丝绳型号选取93.3钢丝绳直径选取9第4章 随动架与桅顶的结构设计104.1随动架结构设计104.2滑轮尺寸与结构的确定114.3支架形状等强度设计计算124.4轴承的设计计算13第5章 非标准零件附图155.1上盖板155.2防滑块165.3支架165.4保护架17参考文献18结束语19附录1 外文翻译附录2 二维

2、、三维打印图45T旋挖钻机随动架与桅顶设计摘要：近几年来各类建筑和工程施工的数量和工程难度日益增加，质量要求也越来越高，尤其是人们对环保的意识不断提高，传统的灌注桩成孔工艺已经不能适应新施工技术要求，旋挖钻机则以其优于其他同类产品的性能而成为此类工程中钻孔灌注桩施工的首选设备。本设计主要对旋挖钻机随动架进行分析与设计。通过钻杆的尺寸选择回转支承的型号，然后根据回转支承的各尺寸对随动架的各个零件进行分析和结构设计。最后完成其CAD平面绘图和PRO/E三维建模，再进行组装。关键词：CAD；旋挖钻机；随动架45T rotary drilling rig with servo frame and ma

3、sthead designAbstract:In recent years various types of building and engineering construction and engineering difficulty of increasing the number of，Quality requirements have become more sophisticated,In particular, people's awareness of environmental protection continue to increase,Traditional P

4、ile Drilling technology has been unable to meet the technical requirements of new construction，Rotary drilling rig is better than other similar products in its performance of such projects become the first choice for construction of bored piles. The design of the rotary drilling rig with the servo f

5、ramework for dynamic analysis and design.Through the drill pipe size selection slewing bearing model,Then according to the various dimensions of the slewing frame with all parts moving analysis and structural design.Finalize its CAD dimensional drawings and PRO / E 3D modeling, and then assembled.Ke

6、ywords:CAD; Rotary drilling rig; servo frame 第1章 引言1.1目的和现实意义最近几年来，随着一批大型工程相继开工和我国基础工程行业的投资不断加大，推动了我国基础工程施工行业的发展。各类建筑和工程施工的数量和工程难度日益加大，质量要求也越来越高，尤其是人们环保意识的不断提高，对施工环保要求也越来越高。传统的冲击、回转、反循环钻等灌注桩成孔工艺因其效率低下，污染严重，已经不能适应新施工技术的要求。旋挖钻机则以其优于其它同类产品的性能而成为此类工程中钻孔灌注桩施工的首选设备。目前我国处于一个大发展时期，正在进行大规模城市化建设与大量基础设施建设，据国家统

7、计局的统计资料显示，我国目前共有城市660余个，其中人口在100万以上的大城市有170余个。随着国民经济的发展，城市化进程还将加快，老城市改造和新城市建设中新增的桩基础工程将大幅度增加，按每个城市平均仅占据23台的市场需求量来保守地估算，旋挖钻机在国的总量近几年即可达到2000台以上，为我国旋挖钻机行业带来了非常好的市场机遇。而这仅仅才是城市化带来的市场空间。但现在的情况是，进口产品大量涌入我国市场，而我国同类产品的开发尚处于初始阶段，因此要在消化吸收国外同类产品的技术基础上，结合中国国情，在业已取得的开发成果基础上，尽快将产品系列化，以达到替代进口产品、加速设备更新换代的目的，并为该产品早日

8、打入国际市场打下坚实的基础。1.2国外研究现状（1）国外钻桅垂直度控制系统研究现状旋挖钻机在二战之前美国卡维尔特公司问世，二战之后在欧洲得到发展。1984年意大利迈特公司首先开始研制，接着在意大利、德国开始发展，到了7080年代在日本得到快速发展。目前国外旋挖钻机主要生产厂家为：德国：宝峨、利勃海尔、Delmag、WIRTH、MGF；意大利：土力、SoilMec、MAlT、CMV、CASAG必DE、IMT、ENTEGO；西班牙：LLAMADA；日本：日车车辆、日立、住友、加藤；芬兰：JUNTTAN、TAMROCK；美国：CALWELD、APE、IngersollRand；英国：BSP等I州到。

9、目前，国外的旋挖钻机的控制技术已逐步实现智能化，机电液一体化高度集中、结构紧凑、操纵灵活，其钻桅垂直度控制系统普遍应用负荷传感、压力补偿与电液比例闭环控制技术。负荷传感与压力补偿技术自20世纪80年代初在国外液压挖掘机上开始得到应用，经过多年的发展已为一种先进的液压技术。现在，负荷传感技术因其节能、效率高、控制特性好、动静特性好和寿命长的显著优点在现代液压工程机械中获得了广泛应用。例如BoschReXroth的A10VSO DFEE变量柱塞泵与LUDV系统、Parker的电液比例压力流量控制的变量泵、油研的A系列04型和A系列04E型变量柱塞泵等都应用了负荷传感原理。目前，国外旋挖钻机普遍应用

10、现代控制理论进行电子控制系统的设计，如状态空间分析方法、系统辨识、线性二次型最优控制和自适应控制等。系统辨识是对控制对象施加一定的试验信号，测量系统的输入输出数据，然后进行分析计算，建立系统的数学模型。就钻桅垂直度控制系统而言，系统辨识的容包括：试验设计、模型结构确定、参数估计和模型验证。运用系统辨识的理论和方法确定旋挖钻机钻桅垂直度系统的数学模型，为设计精确的控制器奠定基础。控制器是整个控制系统的核心，国绝大多数旋挖钻机控制器在设计时还是采用传统的PID控制方法，英国学者Young等人提出一种新型的比例积分控制器方法PIP(proportionalIntegralPlus)控制，该方法采用现

11、代控制理论中的_状态空间表达式来描述系统部模型，并且基于非最小状态空间(Non-MinimalState Space)模型进行反馈设计。PIP控制可视为常规Pl控制和PID控制的自然发展，对于一阶系统PIP控制等价于PI控制；对于高阶系统PIP控制中的附加控制项能有效地提供隐式的高阶微分，从而获得比PI和PID更好的控制效果。运用PIP控制理论设计旋挖钻机控制器有许多优点：所有状态向量用可测变量组成，易于用数字控制器存储；系统包括在的解耦功能，能够消除变量I日J的相互干涉，因此闭环系统稳定性较好；系统具有快速的响应特性和较高的控制精度。（2）国钻桅垂直度控制系统研究现状我国在80年代初从日本引

12、进过工作装置，配装在KH125型履带起起重机上。1984年，探矿机械厂引进美国RDI公司的旋挖钻机并进行消化吸收。1988年城建机械厂根据土力公司(SOILMEC)的样机开发了15m直径的履带起重机附着式旋挖钻机。1994年勘察机械厂引进英国BSP公司附着式旋挖钻机，1998年金泰股份与宝峨合作组装BGl5。最近几年我国旋挖钻机取得了快速发展，国的旋挖钻机主要生产厂家为：山河智能、三一、徐工、中联重科、东明、巨力、宝峨、煤机、黄海、四海、北方重汽、宇通重工、南车时代、鑫国、勘察等。虽然国的旋挖钻机产品已经有了很大的发展，但从整体上看，与发达国家的同类产品相比还有一定的差距，主要表现在自动控制和

13、智能化方面。目前国旋挖钻机钻桅垂直度控制系统的技术水平基本已接近或达到国际同类产品技术水平，但大部分是进口国外配套设备，产品模仿甚至抄袭现象严重，自主创新不足，普遍缺少核心技术，导致产品在可靠性、使用方便性等方面有较大的不足。国钻桅垂直度控制液压系统也都应用了负荷传感原理，但是液压泵、液压阀、传感器等关键零部件大都是国际进口，如徐工集团的的RDl5、RDl8、RD22三种旋挖钻机。三一重机的SYR220C220型旋挖钻机，液压系统关键部分采用卡特彼勒液压系统主控回路，先导控制回路，使用了先进的负载反馈技术，可使流量按需分配到种个工作装置，实现不同工况下的最佳匹配，但关键零部件也是采用了国际知名

14、品牌产品，如德国的力士乐液压元件、日本高精度密封轴承，美国专业油管接头和优质钻杆。宇通重工的YTR2301 50260型旋挖钻机，主液压系统中的主控制阀、主泵由CAT330底盘提供，系统压力达32MPa，为大功率马达提供动力；辅助泵、辅助阀采用力士乐负载反馈恒压变量系统，系统压力达28MPa，为各工作液压缸提供动力；所有液压元件、液压附件也都采用国际知名品牌产品来保证系统的高可靠性。山河智能SWDM20型多功能旋挖钻机1201，采用比例控制的液压先导系统和负荷传感的主泵液压系统，负载敏感和压力补偿的副泵液压系统，均采用国际品牌力士乐液压元件。国钻桅垂直度控制系统的电子控制系统大部分也是采用进口

15、设备，如宇通重工和徐工集团旋挖钻机电控部分均采用力士乐公司自动与手动调平系统，控制器、传感器等主要电气元件也都采用进口件，而且大部分控制器的设计采用了传统的PID方法，控制精度与动态响应方面与国际先进水平还存在差距。山河智能SWDM20型多功能旋挖钻机，自主研发了SUNWARD EDSARSR电子控制系统，该系统集成度高，功能强大，反应快，精度高，采用二级分布控制结构，应用CAN BUS技术和虚拟仪表技术，在基于嵌入式系统的工程机械控制器和真彩LCD显示屏上编程实现。1.3课题研究意义最近几年来，随着一批大型工程相继开工和我国基础工程行业的投资不断加大，推动了我国基础工程施工行业的发展。各类建

16、筑和工程施工的数量和工程难度日益加大，质量要求也越来越高，尤其是人们环保意识的不断提高，对施工环保要求也越来越高。传统的冲击、回转、反循环钻等灌注桩成孔工艺因其效率低下，污染严重，已经不能适应新施工技术的要求。旋挖钻机则以其优于其它同类产品的性能而成为此类工程中钻孔灌注桩施工的首选设备。目前我国处于一个大发展时期，正在进行大规模城市化建设与大量基础设施建设，据国家统计局的统计资料显示，我国目前共有城市660余个，其中人口在100万以上的大城市有170余个。随着国民经济的发展，城市化进程还将加快，老城市改造和新城市建设中新增的桩基础工程将大幅度增加，按每个城市平均仅占据23台的市场需求量来保守地

17、估算，旋挖钻机在国的总量近几年即可达到2000台以上，为我国旋挖钻机行业带来了非常好的市场机遇。而这仅仅才是城市化带来的市场空间。但现在的情况是，进口产品大量涌入我国市场，而我国同类产品的开发尚处于初始阶段，因此要在消化吸收国外同类产品的技术基础上，结合中国国情，在业已取得的开发成果基础上，尽快将产品系列化，以达到替代进口产品、加速设备更新换代的目的，并为该产品早日打入国际市场打下坚实的基础。1.4研究特点（1）特点与其性能介绍：旋挖钻主要用来对地基基础桩基成孔，广泛用于市政建设、公路桥梁、高层建筑等地基础施工工程，配合不同钻具，适应于干式（短螺旋），或湿式（回转斗）与岩层（岩心钻）的成孔作业

18、，旋挖钻机具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、机动灵活，施工效率高与多功能特点。目前，旋挖钻机已被广泛推广于各种钻孔灌注桩工程。旋挖钻机主要分为小型机，中型机和大型机。其中小型机参数要求为：钻机扭矩 100kN.m, 发动机功率 170kW, 钻孔直径 5001000mm、深约 40m, 整机重量约 40t。小型机的应用市场定位如下: 各种楼房的护坡桩; 楼房部分承重结构桩; 城市改造市政项目中各种桩径小于 1m 的桩; 适用于其它用途的桩。小型机的市场覆盖率达 30%以上。（2）工艺原理：主要是其成孔工艺与其它桩基不同, 旋挖钻机的钻进工艺旋挖钻机(当然也有干土直接取土工艺,视工地现场地

19、层条件而定),是一种无冲洗介质循环的钻进方法,但钻进时为保护孔壁稳定,孔要注满优质泥浆(稳定液)。旋挖钻机工作时能原地作整体回转运动。 旋挖钻机钻孔取土时,依靠钻杆和钻头自重切入土层,斜向斗齿在钻斗回转时切下土块向斗推进而完成钻取土;遇硬土时, 自重力不足以使斗齿切入土层,此时可通过加压油缸对钻杆加压,强行将斗齿切入土中,完成钻孔取土。钻斗装满土后,由起重机提升钻杆与钻斗至地面,拉动钻 斗上的开关即打开底门,钻斗的土依靠自重作用自动排出.钻杆向下放关好斗门,再回转到孔进行下一斗的挖掘。旋挖钻机行走机动,灵活,终孔后能快速的移位或至下一桩位施工。（3）质量控制措施： 桩位放样在进行场地整平后,

20、组织有资格的测量放样人员将所有桩位放出, 钉好十字保护桩, 做好测量复核, 并记录放样数据备案。 埋设护筒用拉线法检查桩位偏差, 应满足规要求。成孔采用钻头钻进, 根据不同层次的土质结构选择不同的转盘转速和进尺进行控制。在砂层钻进和进入强风化层后, 因土层太硬会引起钻锥跳动与偏斜、加大钻杆摆动, 故应选择低档慢速, 转盘转速参数取值 1340v/ min, 成孔深度按设计要求进行控制。 钢筋笼制安旋挖机挖土清渣达到设计要求后, 开始下放钢筋笼, 其制安必须严格按照设计图纸进行, 主筋、箍筋应焊接均匀, 搭接长度与焊缝应符合规要求, 安装时应安装护块, 以确保周正与保护层厚度, 钢筋笼的制作偏差

21、应符合设计与规要求。 混凝土浇筑在导管接驳完毕后, 将混凝土隔水栓吊放在临近泥浆面的位置, 导管底端到孔底距离控制在 0.4m左右, 以便能顺利排出混凝土隔水栓。开始灌注前储料斗储备的混凝土量应不少于 1.0m3, 以便在混凝土隔水栓被挤出导管后能将导管底端一次性埋入水下混凝土中 0.8m 以上, 适时提升或拆卸导管, 确保导管底端埋入混凝土面以下 14m, 灌注应连续进行。一旦发生机具故障或停电停水与导管堵塞或进水等事故时, 应采取有效措施进行处理, 以便尽快恢复灌注混凝土, 同时做好记录。 孔事故预防措施选择有经验、责任心强的施工队伍， 保证操作人员的素质；加强钻具检查， 对加工不良的钻具

22、严禁使用;对孔水头高度, 泥浆的相对密度和粘度经常观察和检测，发现问题与时解决，尤其在钻孔排渣、提锥除土或因故停钻时应保持孔规定水位和规定的泥浆性能指标， 以防坍孔;钻孔作业应分班连续进行， 在土层变化处捞取渣样判明土层， 并与地质资料核对， 根据土层情况采取相应措施，保证施工质量；升降钻锥须平稳，钻锥提出井口应防止碰撞护筒或孔壁，防止钩挂护筒底部， 钻杆的拆装应迅速。（4）旋挖钻成孔施工中应注意的问题： 土层中成孔与钢护筒安设的垂直度对桩体垂直度影响巨大; 定位用的混凝土护筒与钢护筒合理配套使用, 能有效缩短钻机定位时间, 提高施工效率;软岩与土层中使用旋挖斗一次成孔; 硬岩中先用螺旋钻头成

23、小孔, 然后用旋挖斗进行扩挖成孔。1.5 本设计的主要容本次设计主要针对45T旋挖钻机随动架与桅顶设计行讨论，着重于对桅顶滑轮钢丝绳的选取和桅顶结构的设计。其设计主要容如下：第2章 介绍随动架与桅顶的工作原理；第3章 随动架回转支承型号和钢丝绳的选择；第4章 随动架与桅顶结构设计第2章 随动架与桅顶工作原理分析2.1随动架原理随动架是钻杆上的辅助设置，能起到固定和导向作用，主要功能是落桅时支承钻杆。一般前落桅，箱式伸缩，桁架式结构桅杆没有随动架。用连接装置滑耳可相对随动架体旋转，使得随动架既能保证钻杆运转过程的平稳性要求，又实现了拆装随动架过程的简单化和合理化，提高了拆装的安全性和拆装速度，其

24、整体结构简单、实用，可广泛适用于各种旋挖钻机的桅杆上。脚架结构如下：图1 脚架示意图2.2桅顶原理当旋挖钻机钻头工作完成，需要由桅顶的滑轮带动钢丝绳提起钻头、钻杆、桅杆以与钻头上所带泥土。桅顶由两组滑轮构成，一组滑轮用于提升钻杆和钻头，一边连接桅杆另一边连接主卷扬；另外一组滑轮用于在使用前组装好桅杆，连接副卷扬。滑轮结构如下：图2 滑轮示意图第3章 随动架回转支承型号，钢丝绳的选取3.1随动架回转支承型号的选取45T旋挖钻机属于中小型挖掘机工程机械，根据钻杆的尺寸，回转支承圈通孔圆心距中心距离必须与钻杆外套圈通孔距中心距离一样，查表，选用单排四点接触球式回转支承，型号为无齿式010.50.63

25、0，其截面图如下：图3 回转支承截面图3.2钢丝绳类型的选取旋挖钻机属于桅顶滑轮在工作中起到提升重物作用且需要绕过滑轮，查表，选用起升变幅用钢丝绳，选取e=D/d20，三角股钢丝绳，选用钢丝绳型号6V×21，GB8918-88.其截面如下图：图4 钢丝绳截面图3.3钢丝绳直径的选取 （1）钢丝绳1（连接主卷扬和桅杆）：承受最大载荷为78KN即最大工作拉力为78KN,钢丝绳直径的选取需要考虑安全系数和最大工作拉力。F0=nSmax。F0为整根钢丝绳的破裂拉力，n钢丝绳的安全系数，Smax钢丝绳的最大工作拉力。 因为是起升类起重机，用于起升用的起重机安全系数不得小于5，这里选取5级精度，

26、经查表得即选取安全系数n=5，计算F0=78×5=390KN,查表选取钢丝绳直径d=28mm。（2）钢丝绳2(连接副卷扬) ：承受最大载荷为62KN即最大工作拉力为60KN,F0=nSmax=5×62=310KN,考虑实际情况，查表得d=20mm。第4章 随动架与桅顶结构设计4.1随动架结构设计结构如下：图5 随动架示意图立体图如下图6 随动架立体图4.2滑轮尺寸的确定（ZBJ80006.1-87）（1）第一组滑轮直径：第一组滑轮连接主卷扬和桅杆，该组钢丝绳直径为28mm，滑轮卷扬直径D0e2d，旋挖钻机为中级起升起重机，查表得，5级精度，选取推荐值e 2=18，所以计算D

27、0=18×28=494，这里我们选取500mm。这里D350mm，一般要铸成福板上带孔和筋的结构，材料选取QT450-10.查表得钢丝绳直径d=28mm的滑轮关尺寸如下：D1=500，R=15, H=40, B1=75,E=53, R1=22，40°60°R2=18,R3=4,R4=6,M=16,N=3.0,S=16.(2)第二组滑轮直径：该组钢丝绳直径d=20mm，计算得De2d=18×20=360，取D2=400.查表得:R=11,H=35,B1=60, E=44,R3=3.0 ,R4=5.0 ,S=14滑轮结构如下：图7 滑轮相关尺寸示意图滑轮的结

28、构设计采用有轮辐的结构，其结构图如下：图8滑轮示意图结构图4.3支架形状等强度设计计算（等强度计算）将滑轮支架两边当作一个整体，因为支架厚30mm，所以简支梁宽度b=60mm，而高度h在满足等强度要求下是变化的。 满足max=M(x)/W(x)= ，或者W(x)= M(x) /=Fx/=bh2(x)/6,得出 h（x）=(3Fx/b)1/2，对于连接钻杆的一端：分别取x1=606,x2=100,计算得h1=635.37mm,h2=258mm。对于连接卷扬的一端：分别取x1=344,x2=100,计算得h1=595.37mm,h2=321mm。设计尺寸示意图如下：图9 桅顶尺寸设计图4.4 轴承

29、的设计计算（1） 轴承分析与选择因为旋挖钻机桅顶滑轮较简单，选用滑动轴承。滑动轴承特点：滑动轴承结构简单，成本低廉，运动平稳，寿命长，抗振动性能好，可以在强冲击和重载下工作。旋挖钻机桅顶对轴承的工作要求不高，并且作低速间隙回转，所有选择类型：低速重载轴承、非液体摩擦轴承、径向轴承。同时，桅顶轴承只受径向载荷，所以选择径向滑动轴承。（2） 滑动轴承结构形式因为旋挖钻机桅顶滑轮工作特性是：低速、重载、间隙运动，所以选用整体式结构。（3） 滑动轴承材料的选择与桅顶滑轮连接的主副卷扬的提升速度为70m/min，拉力分别为78KN和60KN,所以属于中速重载，查表得，选用轴承材料为ZCuSn10P1（1

30、0-1锡青铜）。（4） 滑动轴承的润滑旋挖钻机桅顶难以经常供油，选用脂润滑，中速重载，轴颈周转速度为70m/min=1.17m/s1m/s，工作温度围为-2001200查表得，润滑材料为：2号通用锂基润滑脂。（5） 轴瓦与其轴套尺寸确定选择整体式径向轴瓦，卷制轴套式。前面选了轴瓦材料为ZCuSn10P1（10-1锡青铜），查表得，许用值为：p=15MPa，v=10m/s，pv=15 MPa. m/s 销轴1（主卷扬对应）直径为d1=60mm，查轴瓦表得：轴瓦壁厚eT=2mm，轴瓦外经为DL=62mm。(GB12613-90)查轴套表得：轴套外经D=67mm，壁厚t=3mm,C=1.2,C1=0

31、.6。(GB12613-90)查表得，起重机中B/d取1.02.0，据表得B=70mm。（GB2931-82） 销轴2（对应副卷扬）直径d2=50mm，查轴瓦表得，轴瓦壁厚eT=2mm，轴瓦外经为DL=52mm。(GB12613-90)查轴套表得，轴套外经为D=56mm,轴瓦壁厚t=3mm，C=1.2,C1=0.6 (GB12613-90)查表得，起重机中B/d取1.02.0，据表得B=60mm。（GB2931-82）（6） 轴承验算许用值为：p=15MPa，v=10m/s，pv=15 MPa. m/s 压强p验算Pmax=Fmax/dBpMPa式中: Fmax-轴承所受的最大径向载荷 N， d-轴颈的直径 mm， B-轴颈的工作宽度 mm， p-压强的许用值MPa 。对轴承1（主卷扬对应）：Pmax= Fmax/dB=78000/（67×70）=14.3115对轴承2（副卷扬对应）：Pmax= Fmax/dB=60000/（56×60）=14.5715 滑动速度V验算V=dn/（60×1000）v式中：d-轴颈的直径 mm， n-轴颈转速 r/min， v-许用滑动速度 m/s， 对轴承1：V=dn/（60×1000）=3.14×67 ×2300/（60&#