毕业设计旋挖钻机及变幅机构结构设计.doc
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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
25
目录
摘要 I
第1章绪论 1
1.1课题背景研究的目的及意义 1
1.2国内外旋挖钻机的研究现状 1
1.2.1国内研究现状 1
1.2.2国外研究现状 3
1.3本论文主要工作内容 4
1.4本章小结 4
第2章旋挖钻机总体设计 1
2.1旋挖钻机工作原理 1
2.2结构总体设计 1
2.2.1设计要求 2
2.2.2主要技术参数 2
2.2.3总体布置 3
2.3运动分析 3
2.3.1钻孔运动 4
2.3.2升降运动 5
2.3.3变幅运动 6
2.3.4上车回转运动 8
2.4动力分析 8
2.4.1旋挖钻斗动力 8
2.4.2回转机构动力 9
2.4.3变幅机构动力 11
2.5本章小结 13
第3章旋挖钻机总体设计 14
3.1旋挖钻机工作主要原件选型 14
3.2动力头机构 14
3.3变幅机构 15
3.4卷扬机构 16
3.5本章小结 17
第4章旋挖钻机总体设计 18
4.1三维设计简介 18
4.2Pro/ENGINEER简介 18
4.3变幅机构三维仿真 19
4.3.1零件模型建立 19
4.3.2装配模型建立 20
4.4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制，接着意大利、德国开始发展，到了70～80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，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]。
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BG12～BG25；意大利土力公司，其产品为R412～R618；MAIT公司的HR130～HR240；IMT公司的AF6～AF50；CMV公司的TH12～TH25等。
国外产品最大扭矩可达360kN·m，发动机功率达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
1
2
3
4
A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+E1+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1200~1500mm之间，为了配合套管施工，所以本钻机钻孔直径在500~2000mm，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T
280kN·m
最大钻深度h
60m
钻孔直径D
500~2000mm
钻孔速度n
6~35r/min
卷扬单绳最大拉力F
200kN
卷扬最大速度v
1m/s
上车回转角速度ω
2.5r/min
钻桅左右调垂角度α
±5°
地盘扩履尺寸L
3200/4200mm
2.2.3总体布置
总体布置应从保证其主要性能出发，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，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，；
γ——钭齿的切削刃后角；
n——钻钭齿数；
h——钻钭一次掘削深度，m；
α——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；
ρ——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·m）（2-13）
式中 R——钻钭半径，m；
h——钻钭高度，m；
θ——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；
ω——为回转角速度，rad/s；
J——为转动惯量，kgm2；
φ——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（2-17）：
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