PRD120旋挖钻机设计.docx
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PRD120旋挖钻机设计
1.旋挖钻机概况
旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械。
随着市场经济发展的需求，使得铁路、公路、城市公共设施和工业民用建筑、水利电力设施、港口、码头、机场的建设全面飞速发展，环保型桩基础施工机械潜在的巨大市场已经出现。
旋挖钻机因其效率高、污染少、功能多的特点，适应上述综合发展的需求，在国内外的现浇混凝土灌注桩施工中得到了广泛应用。
在国外尤其在欧洲，旋挖钻机的市场占有量非常大，在中国的大城市市政建设中也日渐增多，旋挖钻机全面取代传统的正反循环钻机以及冲击钻机是基础施工发展的趋势和客观要求。
2.设计总体要求
设计过程中充分把握该产品的最新国内、外技术发展方向，借鉴国内、外一流产品的样式，进行消化、吸收、改进和提高，使产品具有前瞻性和良好的市场采用率。
运用三维造型、有限元分析等设计手段，对产品进行系统优化。
各关键部件均采用国内外著名企业的优质部品，零部件设计中推行标准化，通用化、系列化，并充分借用公司现有其它成熟的产品部件。
具体指标为：
1）底盘采用具有可扩履功能的旋挖钻机专用底盘。
2）整机结构、性能（包括节能、环保）应符合GB/T21682-2008《旋挖钻机》等有关国家标准规定。
3）发动机采用进口柴油发动机，排放满足NRMM（欧洲非公路用机动设备）排放法规StageII和U.S.EPA（美国环境保护局）Tier2排放法规。
4）液压系统采用开式变量系统，负载敏感控制、液压先导操纵，各液压元件采用国际知名品牌。
5）电控系统采用目前国内旋挖钻机控制先进厂商产品。
具有良好的操纵性和可靠性。
6）具有完善齐全的安全保护装置和操作指示，在各重要部位加以醒目的警告标志。
7）整机外观造型美观、大方，协调、充分展现彭浦产品特色。
8）驾驶室和覆盖件应采用流线型选型与设计，驾驶室应安全舒适，视野开阔，座椅设计符合人机工效学，内饰美观大方，设有冷暖空调系统。
覆盖件应便于操作，具有防风雨、散热功能。
9）完善的照明与采光系统。
10）整机结构性能优异，可满足多种桩基础施工要求。
11）新型PLC控制系统，可以实现多种工作模式下精确的操作控制，操作系统的精确性、舒适性、方便性应有较大的提高。
3.系统组成
PRD120旋挖钻机由主机和工作装置组成，其中主机又分成上车总成、下车总成。
见图1。
行走底盘采用可伸缩H型架结构；履带板采用具有良好耐磨性和接地性，硬度高，使用寿命长的高强度三筋履带板，并采用涨紧油缸涨紧。
导向轮、支重轮、托链轮均采用浮动油封密封。
图1PRD120旋挖钻机总体示意图
发动机动力装置、上车液压系统、回转机构、司机室及冷却系统、空调系统、电气控制系统和集中润滑系统等均布置在回转平台上。
为了提升产品的档次，PRD120旋挖钻机的驾驶室采用国内高档正压设计的驾驶室及其配置，美观大方、视野良好。
整机覆盖件外观造型新颖美观、协调大方，LOGO醒目，体现彭浦特色。
动力装置、液压泵和主阀等重要件都封闭在机罩内受到较好的防护，同时减少了噪音的扩散。
覆盖件两侧门开启方便，以利于观察泵、柴油机等部件的工作情况和维护保养。
整机在转场时，外形尺寸经调整后（缩履、折臂等）满足公路交通的相关规定。
在作业时具有良好的稳定性。
工作装置作业就位时具有快速调整功能。
钻具能按岩土层的变化随时更换。
整机具有完整的警示、警报以及防护装置。
3.1独立动力系统
PRD120旋挖钻机动力系统的选择在考虑到发动机的性能先进性和低成本价格的基础上，同时考虑到履带式旋挖钻机系列化生产时的统一性，例如在开发更大吨位和稍小吨位时柴油机的可更换性和通用件的通用率。
根据市场调研情况，我们分别对国外生产的120t.m位级的履带式旋挖钻机情况进行了比较分析，主要参数见下表：
机型
重工YTR120Ⅱ
MBG120
CD1255
HR120
主机厂商
宇通
BAUER
川岛
MAIT
机重kg
53000
34500
41000
28000
柴油发动机型号
QSB6.7-173
CAT3056E
6bt5.9-C
CAT3056E
功率kW
129
129
130
130
转速rpm
1800
2000
1800
1800
生产厂家
康明斯
CAT
康明斯
CAT
由于目前国内外厂家在120t.m旋挖钻机应用较多的是康明斯柴油机和CAT柴油机。
康明斯公司的柴油机无论在市场占有量还是在市场服务体系及配件供应方面都占有绝对的优势，见图2。
而CAT柴油机虽然在国外有成功的应用，但在国产机市场上使用较少，一般都是随底盘进口的。
图3CUMMINS柴油发动机
鉴于从柴油机的技术指标、价格、应用情况、配件供应、售后服务及技术支持等方面综合考虑，PRD120履带式旋挖钻机样机试制选用CUMMINS的柴油发动机,如图3:
发动机型号：
B5.9-CTAA
额定功率：
178HP/2000rpm
功率133kW，以保证产品研发的速度和技术性能指标，在批量生产时再考虑其它柴油发动机，以降低生产风险。
3.2液压传动系统
根据对PRD120履带式旋挖钻机功能动作和国内外同类产品液压原理的对比分析，确定以下方案：
（1）系统：
采用目前履带式旋挖钻机最普遍采用的全功率变量开式液压系统。
一个泵为左行走、主卷扬、变幅、滑轮架、刮土提供压力油；一个泵为右行走、回转、起架调整、加压、辅卷扬、动力头提供压力油。
作业时可实现合流。
（2）泵组：
泵组由两个变量泵组成，具备负载反馈功率电比例变功率控制功能，以充分利用发动机功率，提高作业效率。
在功能上要便于计算机对泵组及发动机的综合控制。
（3）主阀：
主阀采用多路液控换向阀，由先导阀控制其开度及通流方向，以控制执行机构的动作方向及速度。
合流也是通过主阀内的通路实现的。
（4）控制系统：
控制系统由一个定量泵供油，同时在控制油路上设有蓄能器，稳定控制压力。
（5）执行机构：
行走马达通过减速机驱动驱动轮行走，其上装有有制动器、过载保护阀、制动阀。
回转马达为定量马达，内置制动器、安全阀、补偿阀等。
液压缸采用无锡恒立公司的产品，变幅和起架油缸的两腔均设置平衡阀，以保证变幅和起架油缸在任意位置可靠保持。
3.3行走机构
行走机构在方案设计时的总原则是尽量与标杆产品相同，为此我们向能提供这些产品的供应商进行了方案认证，最终倾向于以下方案：
图3MBG120底盘
驱动轮、导向轮、支重轮、托链轮、涨紧机构、履带总成，均采用山推的履带总成
中央回转接头：
采用江阴长龄的产品
3.4工作装置
1）立柱
a、滑轮架
a、HR120b、MBG12c、SOILMEC291
d、CMVTH14e、BAUERBG15f、WIRTHECO40
图4滑轮架方案
采用MBG12形式，不仅调节方便，而且加长立柱高度。
b、立柱结构与截面形式
立柱应做成可调高度的，适应市政建设需要，见图5。
其截面设计成c型最好，两个弯板对焊，截面面积小，抗弯、扭能力强；b型次之；d型再次，焊缝多，抗扭能力差；a型最差，虽然可收藏加压油缸，但截面尺寸大，自重大。
根据上述比较，立柱采用起架油缸上部分节（滑轮架＋上节＋中节＋尾节）方案，截面选b方案，见图6：
图5考虑不同需求的立柱分节
图6各种截面立柱比较
2）变幅机构
a、bauerb、CMVc、DELMAG
d、LIEBHERRe、MAITf、SOILMEC
图7变幅机构方案
采用SOILMEC形式。
3）动力头
a、Bauer方案b、上海方案
图7动力头方案
5）钻杆
生产厂家
型号
外径尺寸（mm）
层数（Z）
可钻深度（m）
重量（kg）
鸿翔科技
HXM16/377/4/44
377
4
44
徐州汇达机械
355
5
45
徐州神力机械
355
5
45
北京神威基业机械
455
4/5
36~60
a、机锁钻杆b、摩阻钻杆c、复合钻杆
图8常用钻杆形式
6）钻具
a、短螺旋钻具b、回转斗钻具
图9常用钻具
7）刮土器
a、涡轮刮土器b、抱夹刮土器
图10刮土器方案
3.5电器系统
电控系统方案选用上海派芬的电气系统。
上海派芬的电气系统控制方案：
电控系统主要是实现旋挖钻机的桅杆垂直度自动检测调整、回转定位控制、履带伸缩控制、油散控制、发动机控制及液压系统与其功率匹配控制、孔深显示、液压系统的压力检测、GPS远程监测及对机器远程锁机及密码锁机、发动机检测等功能。
图11派芬电气系统控制原理图
1）系统功能
系统借鉴国内外旋挖钻的应用经验，结合钻机的自身特点，采用电液比例控制技术和CAN总线分散控制技术设计本系统。
2）桅杆姿态检测及桅杆控制（两油缸调平）
★手动：
当进入显示器的桅杆操作页面时，通过手柄控制桅杆动作速度及方向；
★点动：
通过显示器按键控制桅杆左右油缸的伸缩；
★自动纠偏：
通过显示器按键选择进入自动纠偏模式，通过手柄控制立/倒桅速度，控制器自动调节保证左右油缸的同步；
★自动立桅：
通过显示器按键选择进入自动立桅模式，控制器自动立桅（通过显示器可以设定立桅速度），当调平OK后延时5秒退出自动立桅模式。
★自动倒桅：
通过显示器按键选择进入自动倒桅模式，控制器自动倒桅（通过显示器可以设定立桅速度），当桅杆Y轴角度在5秒钟没有变化时，停止自动倒桅。
★自动调垂：
当桅杆前后角度和左右角度都小于3度（可通过显示器重新设定，但要小于限位角度）时，通过显示器按键选择进入自动调垂模式，当调平OK后延时5秒退出自动调垂模式。
控制器自动调节桅杆垂直度，调垂精度≤0.15度；在阀和机械机构都很匹配的情况下5秒内完成自动调垂！
3）深度测量
★在额头滑轮测深方式：
通过编码器计数，通过精密计算最后以深度在显器上显示；此方法对器件来说安装简单，但精度不高（钢丝绳的跳绳、滑轮磨损、轴承的磨损等因素）；
★在卷扬测深方式：
通过编码器计数，通过精密计算最后以深度在显示器上显示；此方法要求每次换钢丝绳时参数都要重新标定（钢丝绳的层数及最外层钢丝绳股数不同），但精度高；推荐用此方式测深；
★深度的显示方式：
在显示器上显示成孔深度（已经成孔的深度），钻头位置（钻头所在的位置），单次进尺（每斗所挖度）,精度≤0.2m（不含累计误差）；
4）回转定位
通过显示器设置自动回转定位开（开机时默认关），且钻头要高于地面30cm（可通过显示器重新设定，但不要小于此值），通过按下手柄上自动回转定位按钮，控制器自动控制车体与原来相反的方向回转到定位位置（定位位置可以通过显示器设定）精度≤0.3度（在机械结构、液压都很匹配的情况下）；
5）履带伸缩控制
通过显示器按键控制履带的伸缩，如按下履带伸按键，履带伸电磁阀得电，松开失电；同理按下履带缩按键，履带缩电磁阀得电，松开失电；
6）主卷浮动控制
按下主卷浮动按钮，主卷制动阀与浮动阀打开，主卷靠钻杆及钻头的自重自动跟进；
7）触地及防埋钻提示
★触地提示：
当钻头位置等于成孔深度时显示器弹出触地提示；（在主卷可以电控停止的情况下可以做触地防护，需增加销轴传感器，根据当前的重量来判断钻头是否到底，到底后停止主卷下放，3秒后解除，防止钢丝绳乱绳）
★防埋钻提示：
当单次进尺大于设定的桶高时显示器弹出防埋钻提示；
8）发动机转速控制
★发动机的怠速启动：
不管油门电位计停在什么位置，发动机启动的时候以怠速启动，启动后只要不动油门电位计，发动机会一直处于怠速状态，只要动油门电位计（做防抖动处理），发动机会以一定斜坡自动跟随油门电位计所设定的转速；
★发动机的自动怠速：
通过显示器设置自动怠速允许（开机默认允许自动怠速），当10秒钟（通过显示器可以设定）压力没有达到设定的自动怠速压力值后（通过显示器可以设定），发动机会以一定斜坡自动减速到怠速速度（通过显示器可以设定）；当压力大于设定的自动怠速压力值后，发动机会以一定斜坡自动加速到油门电位计所设定的转速；
9）极限载荷控制
通过对液压主泵的开度的控制保证发动机不会因为过载而熄火或很严重的失速；
10）存储
a）当发动机有转速的时候且主泵压力大于300BAR（可以通过显示器设定）时记录数据；
b）有故障的时候记录；
11）发动机工作数据及故障报警监测
发动机转速检测；发动机水温检测；发动机机油压力检测；
发动机工作时间检测；发动机燃油油位检测；发动机水温高报警；
发动机机油压力低报警；燃油油位低报警；
12）工作数据及故障报警监测
桅杆角度检测；回转角度检测；液压油温检测；
电瓶电压检测；主泵压力检测；副泵压力检测；
先导泵压力检测；桅杆限位报警；液压油温高报警；
电瓶电压低报警；手柄故障；倾角传感器故障；
压力传感器故障；液压油温传感器故障；发动机通讯故障；
GPS通讯故障；回转编码器故障；存储打印块通讯故障；
控制器通讯故障
14）控制器件清单
序号
名称
型号
数量
单位
备注
1
控制器总成
TTC60
1
个
含安装支架及线束
2
显示器总成
HD104MK
1
个
含线束和安装支架
3
倾角传感器
ANN-2-90/HS001
1
个
测桅杆垂直度
4
桅杆操作手柄
JC2000-T-XY-PPPP0-40-S2-R-P-S
1
个
带接插件及线速
5
测深编码器
RI41-0/300ES.22VA
1
个
带6米皮带
6
角度传感器
530700-C20BX-20-1
1
个
测桅杆与底盘的相对角度
7
回转编码器
RSA597
1
个
8
销轴传感器
待定
1
个
9
系统压力传感器
WIKAMH-2（0～600BAR）
4
个
主泵1压力、主泵2压力、副泵压力、先导泵压力4-20mA
10
液压油温传感器
STT-T-A1-B3-C30-D1-M14*1.5-E2-F1-G1-H1-L1-PA-T3-W0S0
1
个
（北京赛亿凌）-50-200°
11
燃油油位传感器
STLP-R02-0A-TM3-P5-L（1米）-S3
1
个
（北京赛亿凌）4-20mA
12
存储模块
HR001
1
个
PAL-FIN
4.设计计算
4.1.工作载荷计算
4.1.1钻孔载荷
钻孔载荷包括最大扭矩和最大加压力，是在成孔至软岩层或遇到硬土层时出现的。
因为液压系统设置了溢流阀的系统安全压力，当超出此值时，系统自动卸荷，这里按设定的最大扭矩和最大加压力计算。
4.1.2提钻载荷
提钻载荷包括了伸缩钻杆、钻具、动力头（当其被钻杆卡住时）、钻具上的岩土、钻具与孔壁之间摩擦阻力、提钻时产生的瞬态负压等。
因为液压系统设置了溢流阀的系统安全压力，当超出此值时，系统自动卸荷，这里按主卷扬设定的最大提升计算。
4.1.3辅卷扬载荷
辅卷扬载荷是在其起吊钢筋笼或辅助主卷扬作业时，这时除了辅卷扬的作业载荷，还有钻杆、钻具、动力头安装在立柱上，对立柱的影响较大。
4.1.4起架载荷
起架载荷是旋挖钻机场内移位后，立柱带有全部钻具并处于接近水平状态时起架所产生的载荷。
4.2工作机构分析
4.2.1立柱滑轮架分析
1）主卷扬工况
图12滑轮架收回状态图滑轮架工作状态
主卷扬单绳拉力FD=12.5t
对C点取矩FAB*547=FD*580
FAB=13.3t
滑轮架油缸
F=3.14*（125*125-90*90）/4*25=14.8t行程276固定长度L=430mm
276+430=706mm706+276=982mm
型号HA320125/90×276-A11H1
2）辅卷扬工况
辅卷扬工况相对主卷扬工况受力较小，故省略。
4.2.2立柱分析
1）钻孔工况
主要外载荷是扭矩和加压力，相对提钻工况较小，故省略。
2）提钻工况
G臂架+G动力头=4t
主卷扬单绳拉力=12.5t
FAC=（12.5t*1505mm+4t*515）/847=24.7t液压缸受压
FAB=（12.5*2504+4*1514）/980=38.1t
对E点取矩FDx*552+FDy*552+FAC*878+FAB*303=0
对D点取矩FAB*886+FAC*174+FEx*552FEy*553=0
FDx+FEx-FAC*sin19°+FAB*sin3°=0
FDy+FEy+FAC*cos19°-FAB*cos3°=0
图13提钻工况（73°）受力图图14提钻工况（10°）受力图
FDF*sin89°-FDG*sin73°-FDy=0
FDF*cos89°+FDx-FDG*cos73°=0
FEx=6.069tFEy=74.873t
FDx=-0.0217tFDy=-60.179t
FDG=-3.889t
FDF=-63.908t
G臂架=3301.31kg
主卷扬单绳拉力=12.5t
G臂架+G动力头=4t
主卷扬单绳拉力=12.5t
FAC=（12.5t*1505mm+4t*515）/847=24.7t液压缸受压
FAB=（12.5*2504+4*1514）/980=38.1t
对E点取矩FDx*552+FDy*552+FAC*878+FAB*303=0
对D点取矩FAB*886+FAC*174+FEx*552FEy*553=0
FDx+FEx-FAC*sin19+FAB*sin3=0
FDy+FEy+FAC*cos19-FAB*cos3=0
FDF*sin32°-FDG*sin10°-FDy=0
FDF*cos32°+FDx-FDG*cos10°=0
FEx=6.069tFEy=74.873t
FDx=-0.0217tFDy=-60.179t
FDF=-158.21593t
FDG=-136.2666t
平行四边形变幅油缸型号HA320140/100×1021-A11H1
φ140-100固定长度L=480
行程S=2522.04-1501.18=1020.86=1021mm
F=3.14*140*140/4*32=49.24t
F=3.14*（140*140-100*100）/4*32=24.12t
图15起架工况受力图
3）起架工况
G=G动力头+G钻杆+G桅杆+G钻具=9.5t
G*4924=F*495
F=94.5t
单油缸F=47.3/cos3.535°=47.4t
桅杆起架油缸型号HA320140/100×1630–B11H1
φ140-100固定长度L=480
F=3.14*140*140/4*32=49.24t
F=3.14*（140*140-100*100）/4*32=24.12t
行程S=3739.98-2109.51=1630.48=1630
4）辅卷扬工况
因力较小，故省略。
4.2.3底盘分析
图16履带底盘转场（收缩）状态
整机G=40t摩擦系数f=0.6
单侧扩履力F=40*0.75*0.6=18t
扩履油缸：
活塞直径φ110-80，行程500mm固定长度L=387+18=405
型号HA320110/80×500-A11H1
收履F=2*3.14*（110*110-80*80）/4*30==26.8t
扩履F=2*3.14*110*110/4*30=251200N=57t
图17履带底盘作业（扩张）状态
4.2液压系统计算
4.2.1爬坡功率计算
整机重量40000kg
爬坡角度30°
主动轮直径Φ644.7mm
当行走速度VA＝2000m/h
爬坡速度VB＝1000m/h时
1、牵引力计算
（1）牵引力平衡
按最大滚动阻力系数计算：
Pf=Gf=40*0.15=6t
Pw=0.065*3.835*18*2*2/（3.6*3.6）*=1.38kg
Pk=6t
爬坡30°时的牵引力
Pf=Gfcos30=40*0.15cos30=6tcos30=5.2t
Pa=40t*sin30°=20t
Pk=5.2t+20t=25.2t
A．爬坡输入扭矩计算：
总扭矩：
q0＝牵引力F×主动轮半径R
＝260000×0.6447/2
＝83811N-m
单边轮扭矩：
q＝总扭矩q0/2
＝83811/2
＝41905.5N-m
行走减速机输出扭矩：
50000N-m（力士乐减速机型号）
B．主动轮转速计算：
1．行走速度2km/h＝2000/3600=0.56mps
ω1＝行走速度/主动轮周长
＝0.56/0.6447π
＝0.26rps
＝16.6rpm
2．爬坡速度1km/h＝1000/3600=0.28mps
ω2＝行走速度/主动轮周长
＝0.28/0.6447π
＝0.13rps
＝8
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