多功能鉆機變幅機構(gòu)畢業(yè)設(shè)計

1、摘要 目前國內(nèi)的多功能鉆機主要是進行鉆孔、錨固孔、坑道施工、隧道施工、道路施工，露天采礦等施工任務(wù)。國內(nèi)多功能鉆機不能很好的適應(yīng)在不同的施工環(huán)境下進行不同的施工作業(yè)。國內(nèi)部分單位引進了國外車載全液壓動力頭頂驅(qū)鉆機，在實際使用過程中顯示了其優(yōu)越性，但價格比較高，配件供應(yīng)周期長，使鉆機的保養(yǎng)維修出現(xiàn)一些困難。因此需要有研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)，能夠適應(yīng)各種不同的施工環(huán)境，高效率的多功能鉆機。針對上述問題，本論文通過在對多功能鉆機變幅機構(gòu)工作要求和設(shè)計要求研究的基礎(chǔ)上，對幾種典型已有的較為先進的多功能鉆機變幅機構(gòu)性能的對比，選擇了一種較好的設(shè)計方案，并對其中的變幅油缸、回轉(zhuǎn)支承、渦輪蝸桿等機構(gòu)進行了詳

2、細(xì)的設(shè)計，設(shè)計出了一種變幅范圍大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的多功能鉆機。關(guān)鍵字：多功能鉆機；變幅機構(gòu)，回轉(zhuǎn)支承；變幅油缸abstract at present, the main multi-purpose drilling rig is drilling, anchor holes, tunnel construction, tunnel construction, road construction,suirface mining and so on .practice shows that the multi-function rig is not well adapted in different en

3、vironments with different construction sf the construction work. some units of the introduction of foreign domestic vehicle hydraulic power head drive drilling rig, shown in the actual use of its advantages,but the price is relatively high, spare parts supply cycle is long, so that maintenance of dr

4、illing rig has some difficulties. therefore, developed with independent intellectual property rights is needed, able to adapt to a variety of different construction environment, efficient multi-purpose rig .according to the above problem, this paper based on the study of the job requirements and des

5、ign requirements multi-function rig luffing mechanism , with several typical existing advanced luffing mechanism of the multi-function rig performance contrast, chose a better design, and for the luffing cylinder, slewing bearing, such as turbine worm mechanism has carried on the detailed design, de

6、sign a wide range of structure stability of the multi-function rig.keywords:multi-functional;rig; luffing mechanism;sm-5第1章 緒論1.1 課題研究的背景 改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國在工業(yè)化發(fā)展道路上取得了長足的進步，其中在基礎(chǔ)建設(shè)方面也取得了巨大的成就，然而伴隨著這些發(fā)展的同時我們也遇到了不少的問題。近年來我國大規(guī)模修建鐵路，從2009年到2020年鐵路建設(shè)投資規(guī)模將突破5萬億元，這么大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中所面臨的地質(zhì)勘探難度也越來越高，不少隧道都埋超過5

7、00m的地下，勘探設(shè)計所面臨的困難也越來越高，而由于當(dāng)前所用設(shè)備達(dá)不到勘測所需滿足的要求，這就直接導(dǎo)致了勘測準(zhǔn)確性不高，因此做好超前地質(zhì)探測在隧道施工過程中的重要性也越來越突出。目前隧道、地鐵的工程施工過程中的安全性雖然已經(jīng)有了較大的改善，但是施工中所面臨的安全形勢依然不容樂觀，而且并沒有從根本上改變安全基礎(chǔ)工作薄弱的局面，隧道施工安全問題尤其突出，如果在施工過程中能夠應(yīng)用一種集隧道管棚，隧道注漿，隧道救援，地質(zhì)災(zāi)害治理等功能于一身的工程機械，將可有效減小施工安全事故的發(fā)生。自二十世紀(jì)九十年代后期以來，地源熱泵空調(diào)技術(shù)在國內(nèi)的工程應(yīng)用逐漸增多，后來地?zé)岜每照{(diào)技術(shù)又被中美兩國納入其可再生能源和能

8、源效率合作項目中，使這一技術(shù)的應(yīng)用得到進一步的推廣。我國地源熱泵空調(diào)技術(shù)大多數(shù)一淺層地溫為地?zé)醽碓矗诘卦礋岜每照{(diào)工程施工過程中，在工程施工造價中地埋管井施工站著較大的分量。同時地埋管井施工具又具有如下特點:鉆孔密度大、質(zhì)量要求高、數(shù)量多、工期緊的特點，因此，開發(fā)一款能夠有效滿足地埋管孔工程的施工需求，并兼顧錨固施工、工程勘查等施工工藝要求的高效、輕型、適用于沖擊、回轉(zhuǎn)等鉆進工藝的多功能鉆機顯得很有必要。在現(xiàn)在的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及在各種采礦工作中，鉆機的應(yīng)用范圍逐步增廣，所需施工的工作場地環(huán)境也變得日益復(fù)雜，其中大部分工作場地都分布到了丘陵、山地和戈壁等地形之中，能夠在所面臨的工作環(huán)境下快速的

9、完成鉆孔的施工任務(wù)，成為了一道擺在施工方面的難題，同時也成為了擺在機械設(shè)計工作者面前的一道難題。目前，由于國內(nèi)技術(shù)水平的發(fā)展速度與用速度的限制和引進國外先進多功能鉆機成本較高的情況下，在國內(nèi)工程施工中許多施工單位都還是采用汽車鉆機施工，而在施工過程中汽車鉆機又存在著許多缺點： (1)該鉆機只能實現(xiàn)豎直鉆孔施工，難以實現(xiàn)傾斜鉆孔； (2) 該鉆機對場地要求苛刻，在有些場地中施工困難或無法施工，如當(dāng)坡度較大時汽車鉆機就會因為難以定位而無法工作； (3) 適用地層比較少，對沙礫層，巖石層等底層無法施工； (4) 該鉆機所需施工人數(shù)較多，而且施工人員需要不斷使用大錘敲擊鉆頭來實現(xiàn)土石的排出，工作強度大

10、，從而也導(dǎo)致了施工成本的增加?？傊S著經(jīng)濟的發(fā)展對各種工程機械的要求也越來越高，為了能夠滿足多種不同的施工需求，同時又能適應(yīng)復(fù)雜的地形，這樣就對一種具有高性能又能實現(xiàn)多用途的多功能鉆機產(chǎn)生了強烈的需求。1.2 多功能鉆機的結(jié)構(gòu)、原理及其工作性能 多功能鉆機可以其按照工作機構(gòu)動力的來源進行分類，一般可分為風(fēng)動式、液壓式、內(nèi)燃式和電動式。但目前市場上的多功能鉆機普片采用液壓鑿巖機，因為其具有消耗能量少、鉆孔效率高、噪音低等優(yōu)點。 多功能鉆機也可按照破巖造孔方式進行分類，可分為回轉(zhuǎn)式、沖擊式以及回轉(zhuǎn)沖擊式，目前使用最為廣泛的是回轉(zhuǎn)沖擊式。而其沖擊的方式又可以分為潛孔式和頂錘式。 經(jīng)過這么多年的發(fā)展

11、，已有不少公司成功的掌握了多功能鉆機的技術(shù)要求，并且相繼推出了自己的產(chǎn)品，但其產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能上多是大同小異。下面以意大利土力機械sm-5多功能微樁機為例簡要介紹現(xiàn)代多功能鉆機的結(jié)構(gòu)和性能特點。 1.2.1 結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代多功能鉆機主要包過底盤結(jié)構(gòu)、變幅機構(gòu)、桅桿機構(gòu)、夾/換樁機構(gòu)、動力頭裝置、操作臺與機電一體化系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)偏擺機構(gòu)組成，如圖1-1為意大利土力機械sm-5多功能微樁機的結(jié)構(gòu)圖。 從仿真建模的角度來講，多功能微樁機主要可以分為四個部分：液壓系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、動力系統(tǒng)。作為一個有機的整體多功能鉆機的性能與各個系統(tǒng)的質(zhì)量和相互之間的配合有著緊密的關(guān)系。（1）液壓系統(tǒng) 多功能鉆機所需

12、要完成的所有動作都必須在液壓系統(tǒng)的參與下才能完成，如：機器的行走、變幅機構(gòu)的變幅、鉆頭的鉆進、平臺的回轉(zhuǎn)等。根據(jù)所需完成的動作的要求，通過油管把液壓元件有機的連接之后便成了能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能的液壓系統(tǒng)。 液壓系統(tǒng)的能量都來自于柴油機，其通過液壓泵把儲存有液壓能的液壓油傳輸?shù)礁鱾€馬達(dá)和油缸，馬達(dá)和油缸又將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，從而將能量傳遞到了各執(zhí)行元件實現(xiàn)所需完成的動作。液壓系統(tǒng)性能的好壞對多功能鉆機性能起著決定性影響。（2）操作系統(tǒng)多功能微樁機的操作系統(tǒng)是對柴油機、液壓元件、和執(zhí)行元件起控制作用的裝置，操作平臺通過管路連接到每一個執(zhí)行元件上，通過控制液壓手柄來控制各元件的運動。（3）機械系統(tǒng) 多

13、功能微樁機的機械系統(tǒng)是鉆機的主體部分，主要包過各執(zhí)行元件，如：履帶式行走裝置：鉆機的機身和支撐行走部分，它使鉆機可以做一定距離的行走，方便了搬遷，減少了鉆機工作所需要的輔助，提高了鉆機的工作效率，同時它也是各種外加載荷和鉆機自身重量的承受者。 回轉(zhuǎn)裝置：在鉆機施工過程中，可以是鉆機在同一位置對周圍多個工作點實施多角度施工。 工作裝置：是鉆機完成任務(wù)的主要部分，主要包過機身、卸扣器、夾持器、回轉(zhuǎn)器等。在鉆機鉆機的過程中，工作裝置為鉆機提供動力。當(dāng)需要卸下鉆桿時，可以通過工作裝置擰卸鉆桿。1履帶底盤 2機體 3底座液壓支撐腿 4回轉(zhuǎn)支承 5桅桿機構(gòu) 6 旋轉(zhuǎn)臺 7動力頭 8機臂 9下夾緊器 10卸

14、桿器 11控制臺 12卷揚圖1-4：意大利sm-5小型多功能鉆機的實體圖 （4）動力系統(tǒng) 通常工程鉆機用于施工的地點大多是在野外，而在野外的環(huán)境條件下白晝之間溫度變化比較大，鉆機在鉆機過程中所受沖擊和載荷通常也比較大，還容易產(chǎn)生較多的灰塵和污雜物給維護帶來不便，因此普片采用柴油機來為工程鉆機提供動力。柴油機具有工作性能穩(wěn)定、能源消耗經(jīng)濟、維修方便等特點。1.2.2 工作原理 多功能鉆機是一種以鉆頭進行鉆進工作的工程機械，現(xiàn)在所用多功能鉆機大多數(shù)都采用的全液壓驅(qū)動系統(tǒng)，其運動主要依靠主泵供油給液壓缸和馬達(dá)，通過液壓缸的伸縮和液壓馬達(dá)的回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。下面大體介紹各機構(gòu)的工作原理： （1）動力頭裝置：

15、動力頭裝置可以在多功能鉆機鉆進過程中向主軸回轉(zhuǎn)和沖擊動力的作用，這兩項功能既能夠配合使用也能夠單獨使用，這樣就能夠滿足不同的施工環(huán)境下所要求的鉆進工藝。多功能鉆機動力頭所用的馬達(dá)通常都具有低轉(zhuǎn)速和大扭矩的特點，能夠很好地滿足鉆進所需要的動力條件。當(dāng)鉆機是在較為松軟的完整底層鉆機是，可以只用會鉆鉆進。而如果在厚而硬的堆積體和破碎層鉆進時，就可以開始回轉(zhuǎn)和沖擊功能。 (2)給進機構(gòu)：在鉆機工作時鉆機的給進機構(gòu)會給鉆具提供一個推力，使其研導(dǎo)向架方向鉆進，根據(jù)所采用的鉆進方法、鉆頭類型、鉆孔直徑、巖層性質(zhì)來決定鉆頭所需鉆壓的大小。根據(jù)不同的條件給去最優(yōu)鉆壓，這就需要給進機構(gòu)能夠隨著孔深的變化來調(diào)整給進

16、力，從而起到穩(wěn)定孔底鉆壓的作用。而在非鉆進過程中，給進機構(gòu)還需要能夠完成倒桿任務(wù)，能夠順利提東或懸掛鉆具，有時候在遇到一些事故時還需要能夠強力起拔。 變幅機構(gòu)會在下一章中著重介紹，而機身部分與到部分工程機械的機身部分類似，在此不做詳細(xì)介紹。1.2.3意大利土力機械sm-5多功能微樁機的性能特點： （1）可變履帶間距的旋挖鉆機專業(yè)底盤，底盤履帶總寬度可擴展，利于鉆機的穩(wěn)定性。三齒片履帶板，低重心及配重的可調(diào)整設(shè)計布置，既保證了整機的穩(wěn)定性，又滿足運輸?shù)囊蟆２捎脤捖膸?，降低接地比壓及?yōu)越爬坡能力，保證了鉆機現(xiàn)場轉(zhuǎn)位所要求的機械性能，對孔位靈活方便，輔助時間少；為了滿足一些特殊的施工需要，在部分型

17、號上選用的卡特底盤可用于履帶拆裝。 （2）桅桿采用箱形結(jié)構(gòu)，剛性好，重量輕。桅桿支撐結(jié)構(gòu)為平行四邊形結(jié)構(gòu), 其特點是變幅范圍大，可整機放倒，折疊，降低運輸高度和長度并且節(jié)省了轉(zhuǎn)場時的拆裝時間； （3）桅桿上裝有垂直度檢測儀，可以檢測和現(xiàn)實桅桿的傾斜度,并可通過鉆機的微動系統(tǒng)調(diào)整桅桿的垂直度; （4）動力頭帶有高速甩土功能，可用于粘土卸土?xí)r使用； （5）土力自制底盤配備dms故障自動檢測系統(tǒng)，12觸摸顯示屏，可控制大口徑樁孔和長螺旋施工的操作參數(shù),孔深和桅桿垂直度顯示界面,以及反映發(fā)動機、液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)其他參數(shù)。實時掌握鉆進深度，桅桿垂直度，掌握各系統(tǒng)工作情況，便于及時預(yù)防故障的發(fā)生，保證鉆機

18、的正常運轉(zhuǎn)。同時，dms系統(tǒng)還可以遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備并診斷鉆機故障； （6）機電一體化功能的設(shè)計 a、發(fā)動機與負(fù)載相匹配（降低油耗、減少噪音）的電子控制系統(tǒng)； b、手動和自動切換，監(jiān)控立柱垂直度（保證柱孔垂直度）； c、高精度鉆孔倒土回轉(zhuǎn)定位（防止樁孔變形）控制技術(shù)； d、鉆孔深度（防止過放鋼繩和確認(rèn)孔深）測量及顯示系統(tǒng)； e、故障（帶負(fù)載起動，卷揚過卷）檢測、報警及信息顯示系統(tǒng)； f、整機工作狀態(tài)（啟動前先自動預(yù)檢）動畫及虛擬儀表顯示系統(tǒng)； g、gps定位與移動電話數(shù)據(jù)（快速聯(lián)絡(luò)、及時到位）傳輸系統(tǒng)； h、成柱過程（提高成樁質(zhì)量）的反饋顯示、記錄系統(tǒng)；設(shè)備除以上的優(yōu)點，還具有穩(wěn)定性好和使用壽命長等

19、特點。1.3 多工能鉆機誕生、應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1多功能鉆機的誕生由于通常工程機械價格都比較昂貴，而結(jié)構(gòu)上又有諸多相似。同時隨著大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施和采礦方面的發(fā)展，對工程機械功能總類要求的提高。上世紀(jì)六十年代起便有了對多功能鉆機的構(gòu)思啟蒙，其發(fā)展歷史雖不如其他大多數(shù)工程機械那樣悠久，然而其發(fā)展至今在技術(shù)方面已經(jīng)較為成熟，且其在一些發(fā)達(dá)的國家中已經(jīng)有了較大范圍的應(yīng)用。一般認(rèn)為現(xiàn)代多工能鉆機的鄒型是法國foraco公司研制的vprh型多功能鉆機，經(jīng)過技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新之后，這種鉆機合理的解決了復(fù)雜底層鉆進的效率問題，使得一臺鉆機便能滿足在多種場地和多種工作條件下用不同的鉆進方法進行地質(zhì)勘查工作和

20、工程施工作業(yè)，使得在施工過程中不再需要用多種不同類型的鉆機進行交替施工，大幅節(jié)省了施工成本。使人們進一步認(rèn)識開發(fā)一種能夠在一個位置上進行大區(qū)域多排、多角度鉆孔，適用于多種條件下施工，并且具備行走功能，且能實現(xiàn)高效、安全工程施工與地質(zhì)探查的多功能鉆機在工程施工中所能起到的巨大作用。1.3.2國外的發(fā)展現(xiàn)狀及原因目前，在國外多工能鉆機的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并得到了較為廣泛的應(yīng)用，被大量應(yīng)用到工程施工和地質(zhì)勘查中，具有機動性強、利用效率高的特點，主要用于建筑加固、擋土護坡、路基防塌、邊坡治理、管棚支護、地址預(yù)報等如圖1-2所示。圖12 多功能鉆機應(yīng)用范圍示意圖鉆機發(fā)展至今已有百年歷史，當(dāng)初設(shè)計鉆機的目

21、的主要是為了滿足隧道施工方面的要求，后來慢慢開始應(yīng)用于地質(zhì)勘探。而多功能鉆機卻可以滿足多種鉆探方法的鉆進，這使得多功能鉆機在技術(shù)方面逐漸成熟應(yīng)用方面也日益廣泛。二十世紀(jì)七十年代，隨著各行業(yè)的發(fā)展大量工程項目需要快速施工，為適應(yīng)工程項目的快速施工，瑞典atlas-copco公司、法國secoma公司, 美國ingollrang公司開始陸續(xù)推出自己在鑿巖設(shè)備方面的一些產(chǎn)品，其中就包過機械化程度較高的多功能履帶式工程鉆機。目前，芬蘭tamrock公司、法國secoma公司、瑞典atlas-copco和sandvik公司等歐洲國家的工程機械公司在生產(chǎn)工程鉆機方面有著雄厚實力，其研制的鉆機在結(jié)構(gòu)和參數(shù)上

22、都比傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤式和立軸式鉆機有較大的提高。采用了新的卡緊方式：蝶形彈簧卡緊。在這些鉆機上液壓裝置也得到了更為廣泛的應(yīng)用，采用了液壓自動卡盤，采用了無導(dǎo)向桿的大通徑動力頭回轉(zhuǎn)器，對變速箱，離合器和部件的性能也做了大幅度的改善。與之匹配的繩索取心鉆具uhe變了泥漿泵方面也得到了較大的發(fā)展，使之能夠滿足繩索取心鉆機和金剛石鉆進的要求。同時，計算機輔助監(jiān)控也應(yīng)用到了這些新型的多功能微樁機中。所有上述技術(shù)上的改進使得這些產(chǎn)品通常具有安全可靠、功能齊全和較高自動化水平等特點 。如圖1-3所示為 tamrock公司和atlas-copco公司生產(chǎn)的多功能鉆機。 圖13 國外代表性多功能鉆機 國外多功能微樁機

23、取得這些成就原因： (1) 歐美國家在工程機械方面已經(jīng)有了較為悠久的歷史，使他們有了相關(guān)方面的技術(shù)儲備。 (2) 由于環(huán)境和教育的影響使他們的工程師在設(shè)計鉆機時具有更加先進的設(shè)計理念。(3) 工程機械行業(yè)詳細(xì)的設(shè)備可靠性和安全方面的保準(zhǔn)。1.3.3 國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 由于近代中國經(jīng)濟基礎(chǔ)薄弱，科技方面的落后，而且又受到建國以來我國經(jīng)濟體制的影響，多功能鉆機在我國的研制和應(yīng)用方面都相對較晚。上世紀(jì)紀(jì)七十年代我國在工程鉆機的研制方面開始起步。當(dāng)時我國在研制和生產(chǎn)鉆探設(shè)備方面主要是地質(zhì)巖心鉆機，而即便此時國內(nèi)對多功能鉆機方面的關(guān)注也幾乎為零。隨著經(jīng)濟發(fā)展，尤其是改革開放以來，各類基礎(chǔ)建設(shè)工程不僅數(shù)量越

24、來越多項目也變得越來越龐大，為了應(yīng)對此時的工程施工工程鉆機的發(fā)展逐步得到重視。研究人員通過對水文鉆機的研究，在原來基礎(chǔ)上作出一系列的改進之后便演變成了早期的國內(nèi)多功能鉆機。經(jīng)過多年的改進之后，目前我國多功能工程鉆機也開始想大扭矩、大孔徑、大功率方向發(fā)展，但一些重要元件多從國外進口。當(dāng)前，我國已有一些工程設(shè)備生產(chǎn)制造廠商能夠生產(chǎn)出一些具備較高性能的全液壓多功能鉆機，如山東地質(zhì)探礦機械廠、北京天和眾邦勘探技術(shù)有限公司、北京探礦機械廠等。如圖14 (a) 為北京探礦機械公司生產(chǎn)的一臺median多功能鉆機，其具有: 施工效率高、給進行程大、可全方位鉆孔、機構(gòu)緊湊、集中式手柄操作、自動化程度高等特點。

25、該廠生產(chǎn)一種貫通頂驅(qū)動力頭履帶式鉆機ddl-300型多功能鉆機為，如圖14 (b)，其不僅基樁鉆進和工程地質(zhì)鉆進，還能用于可以用于固體礦床的鉆進，可廣泛應(yīng)用于工程勘察，管棚支護，錨固護坡，地質(zhì)勘查等工程施工作業(yè)。 三十年來，我國工程鉆探設(shè)備和勘察技術(shù)水平均有了長足的發(fā)展，在施工范圍、安全高效、節(jié)能環(huán)保、鉆進工藝等諸多方面的水平都有了顯著提升，但相同功能的產(chǎn)品與國外同類尖端產(chǎn)品相比較性能上還有一定差距。圖14 國產(chǎn)多功能鉆機 1.4 課題的研究內(nèi)容 本次課題的研究內(nèi)容，首先需要在深入的調(diào)研和廣泛查閱資料的情況下，根據(jù)鉆機的施工要求和技術(shù)參數(shù)，進行多功能微樁機的變幅機構(gòu)設(shè)計。其具體要求如下： 1

26、熟悉多功能微樁機的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。 2 熟練運用三維cad軟件進行開發(fā)設(shè)計。 3 進行多功能微樁機變幅機構(gòu)的三維cad的設(shè)計。 4 進行翻轉(zhuǎn)盤、油缸等關(guān)鍵零部件的設(shè)計。 5 多功能微樁機的基本參數(shù)：發(fā)動機額定功率70-80kw，整機重量7t，最大提升力40kn, 扭矩范圍6.8-9.7knm，工作壓力26.5mpa，多路閥系統(tǒng)回轉(zhuǎn)壓力26mpa。左右翻轉(zhuǎn)90，左右偏擺45。 1.5 小結(jié) 如今多功能工程鉆機在技術(shù)上已經(jīng)成熟，并且產(chǎn)品總類繁多，其主要作用是用于工程施工和地質(zhì)勘查，在各類基礎(chǔ)工程項目工程量龐大而又復(fù)雜化的今天，在以后的工程施工過程中必將會更普片的應(yīng)用到多功能工程鉆機，而這些廣泛

27、的需求又終將會對多功能鉆機的性能提出更高的要求，這又需要我們認(rèn)真的研究和探索進一步改進其性能。 本章的主要工作內(nèi)容如下: 1、闡述了多功能鉆機的誕生的歷史背景、發(fā)展現(xiàn)狀。 2，介紹了多功能鉆機的結(jié)構(gòu)和性能特點 第2章 多功能微型樁機變幅機構(gòu)的設(shè)計2.1 機構(gòu)功能的要求 多功能樁機變幅機構(gòu)設(shè)計的目的是為了應(yīng)對一些苛刻地理施工環(huán)境同時又能夠是普通施工變得簡捷，這樣就需要通過使鉆機能夠停在一個位置而能對周圍具有較大的施工半徑，所以對變幅機構(gòu)的主要要求有： （1）其鉆進裝置可以旋轉(zhuǎn)、可以上下移動、能夠改變其俯仰角、并能做出精確的定位。 （2）必須具有較好的支撐穩(wěn)定性，能夠承受起在鉆進過程中所受的拔起力

28、、進給力、及扭矩，也就是必須能夠滿足強度和剛度要求。2.2 受力要求 多功能微樁機變幅機構(gòu)在工作過程中主要受到來自兩個方面的力： （1）變?yōu)闄C構(gòu)始終承受著桅桿機構(gòu)的重力及其所產(chǎn)生的扭矩。 （2）在施工過程中桅桿會受到來自鉆桿的反作用力，其作用力會通過桅桿傳遞到變幅機構(gòu)，且動力頭上的反作用力會對桅桿產(chǎn)生一個力矩，這個力矩最終也會傳遞到變幅機構(gòu)上。總結(jié)起來，樁機的變幅機構(gòu)所承受的力大致可以分為三種：工作裝置的重力、沿桅桿方向的推力或拉力、繞桅桿的轉(zhuǎn)矩。2.3 傳動方案的擬定 目前市場上多用的多功能鉆機的變幅機構(gòu)種類較多，現(xiàn)列舉幾種典型的微樁機變幅機構(gòu)進行比較從而選擇一款最優(yōu)的變幅機構(gòu)。2.3.1

29、atlas roc d7的大臂系統(tǒng)圖21 atlas roc d7的大臂系統(tǒng)roc d7的變幅裝置采用的是如圖所示的較為粗狀的圓筒型折疊臂系統(tǒng)。該系統(tǒng)由液壓液壓驅(qū)動運行平穩(wěn)，可以靈活方便的舉升移動，大臂可以進行一定范圍的左右擺動。其托架結(jié)構(gòu)的設(shè)計非常巧妙，使得推進梁可以靈活的擺動，不但可以鉆底腳孔，還可以鉆從地平面起0.3米到7.6 高度的水平孔，推進梁可以延伸補償1400mm的長度，鉆臂的覆蓋面積可以達(dá)17平方米。其圖型如圖21所示。2.3.2 ddl-300多功能鉆機的變幅機構(gòu)ddl-300多功能鉆機的變幅機構(gòu)由大臂、舉升油缸、下托架以及擺動座俯仰油缸組成。該變幅機構(gòu)可以通過大臂舉升油缸來

30、實現(xiàn)大臂的舉起和放下，通過擺動座俯仰油缸的伸縮來改變下托架和大臂之間的角度，通過這兩個油缸的相互配合便能夠使下托架抬起或改變在立面內(nèi)的工作角度。圖22為ddl-300多功能鉆機工作時模型圖。圖22ddl-300多功能鉆機工作時模型圖。1擺動柱 21號油缸 3主臂 4擺動頭連接板 5擺動頭連接板 6六角擺動頭 72號液壓缸 83號液壓缸 9郵箱圖23 ddl-300多功能鉆機變幅機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖根據(jù)施工需求，ddl-300多功能鉆機的擺動機構(gòu)可簡化成下圖所示。其中搭架可以通過1號油缸在立面內(nèi)實現(xiàn)擺動，同時1號油缸的伸縮還可以改變六角擺動頭和大臂之間的角度，其角度的調(diào)整范圍在0度到90度之間。主臂的

31、舉起和放下可以通過2號舉升液壓缸的伸縮來實現(xiàn)。主臂能夠與水平面形成的最大夾角時30度。此外，可以通過3號液壓缸的伸縮來帶動擺動柱的繞軸旋轉(zhuǎn)運動，可實現(xiàn)正負(fù)15度的旋轉(zhuǎn)角。這種結(jié)構(gòu)使得鉆桿可以在一些較為狹窄的空間內(nèi)能夠方便的對孔進行定位，使鉆機對工況的適應(yīng)能力大大增強。在非施工時間內(nèi)可通過調(diào)整擺動機構(gòu)使鉆架水平，這樣大大方便了行駛和運輸。其變幅機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖23所示。2.3.3,sm-5多功能鉆機的變幅結(jié)構(gòu) sm-5多功能鉆機的變幅機構(gòu)主要動臂、變幅油缸、三角架、回轉(zhuǎn)支承構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)左右翻轉(zhuǎn)90，左右偏擺45。且其動臂可以前后移動，增大了各個角度鉆孔的空間，而當(dāng)鉆機不工作時可將鉆臂收回，大大

32、增加了空間利用率，且動臂粗大而堅實與機身接觸十分牢固，使鉆機在鉆孔時具有良好的穩(wěn)定性。如圖24為sm-5多功能鉆機的變幅機構(gòu)。 圖24 sm-5多功能鉆機的變幅機構(gòu) 對比選型：atlas roc d7的大臂系統(tǒng)伸縮能力為三種變幅機構(gòu)中最強的一種，使其前后活動空間大，但ddl-300和sm-5的變幅機構(gòu)都配備了回轉(zhuǎn)支承，使其可以左右翻轉(zhuǎn)，可以對兩側(cè)面進行打孔，所能打孔的角度和立體范圍大于atlas roc d7的大臂系統(tǒng)，而且ddl-300和sm-5的變幅機構(gòu)皆粗實而又穩(wěn)固，其施工時的穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于atlas roc d7的大臂系統(tǒng)，尤其是當(dāng)atlas roc d7的大臂系統(tǒng)極度伸長時其穩(wěn)定性應(yīng)較

33、弱。而sm-5的變幅機構(gòu)具有伸縮功能，這一點是ddl-300所不具備的，也是sm-5變幅機構(gòu)與ddl-300變幅機構(gòu)的最大不同，這樣使得sm-5的變幅機構(gòu)較ddl-300相比具有更大的工作空間。經(jīng)過上述分析和對比可見，sm-5的變幅機構(gòu)是一種性能較好的變幅機構(gòu)，所以決定選擇sm-5的變幅機構(gòu)為所需設(shè)計鉆機的變幅機構(gòu)。2.4 變幅結(jié)構(gòu)的計算與設(shè)計如圖26所示，圖中a、b、c、皆為鉸點，而要對變幅機構(gòu)進行設(shè)計，主要就是要解決者三點之間位置的相互關(guān)系，這三點分別為：a：動臂與三角架相連的鉸點；b：變幅油缸與三角架相連的鉸點；c：動臂與變幅油缸相鉸接的鉸點； 在上述三個鉸點中，始終保持不變的兩點之間的

34、距離就是變幅機構(gòu)所需要設(shè)計的參數(shù)，由圖可知ab和ac兩點間距離始終不變，而bc為液壓缸首尾兩點之間的長度，在按照設(shè)計要求的條件下bc兩點的最短和最長長度受到ac和ab長度的限制，桅桿bd需要滿足既能水平鉆進又能豎直鉆進的要求，動臂ac與水平線的最大夾角為，其余具體設(shè)計步驟將在液壓缸的設(shè)計中詳細(xì)講述。圖26 sm-5多功能鉆機變幅機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖 第3章 變幅油缸的設(shè)計計算3.1變幅缸結(jié)構(gòu)形式、安裝方式、連接方式的選擇 液壓缸按結(jié)構(gòu)分類，可分為柱塞式液壓缸、活塞式液壓缸、葉片式液壓缸、組合式液壓缸等，本文僅就柱塞式液壓缸和活塞式液壓缸進行討論并從中選取一種做為本次設(shè)計的結(jié)構(gòu)形式，表3-1為兩者的對

35、比說明表3-1名稱圖形說明柱塞式液壓缸結(jié)構(gòu)最為簡單、只有一個油口，返回行程靠外力（如重力）完成；柱塞與缸筒不形成配合，缸筒加工要求不高，工藝性好；缸蓋上必須安裝導(dǎo)向套；為減小運動慣性，柱塞通常采用空心式?；钊揭簤焊讘?yīng)用極為廣泛；小型活塞缸活塞與活塞桿為整體式，大中型活塞缸活塞桿和活塞為分體式；按往返驅(qū)動形式的不同分為雙作用式和單作用式。 變幅油缸缸工作要求安全性高、能夠提供雙向驅(qū)動力且大量加工經(jīng)濟，通過表3-1的比較選用活塞式液壓缸。3.2 整體尺寸初步設(shè)計 （1）經(jīng)過簡單幾何分析可知，當(dāng)機械不工作且桅桿水平放置時變幅機構(gòu)液壓缸兩端距離bc最短，其簡圖如圖26.初步設(shè)定參數(shù)：ac=1300m

36、m，ab=500mm,cab=36.87=abd 據(jù)余弦定理 (3-1) 帶入數(shù)據(jù)得bc=948.7mm （2）經(jīng)簡單幾何分析可知，當(dāng)ac與水平線成最大夾角30且桅桿處于豎直位置時變幅油缸兩端距離bc最大，其簡圖如圖31所示 圖31 因abd固定不變且abd=36.87，cab=120+abd=156.87 據(jù)公式(3-1)得bc=1770mm （3）計算液壓缸行程：s 由運動分析時，可知 結(jié)合現(xiàn)實并進行簡單的幾何分析便可得知，無法制造這樣的油缸，故需重新擬定參數(shù)再進行設(shè)計。 （4）方案2 當(dāng)機械不工作且桅桿水平放置時重新設(shè)定參數(shù)：ac=1300mm,ab=400,cab=45=abd據(jù)公式(

37、3-1)得bc=1055.8mm 當(dāng)ac與水平線成最大夾角30且桅桿處于豎直位置時,因abd固定不變且abd=45cab=120+abd=165據(jù)公式(3-1)得bc=1689.6mm 計算液壓缸行程：s 由運動分析時，可知據(jù)表22.1-13液壓缸活塞行程第三系列對行程s進行圓整得s=634mm3.3 求變幅油缸的最大載荷 經(jīng)簡單力學(xué)分析可知，當(dāng)桅桿處于水平位置時，且動力頭在最左短時油缸推動桅桿所需力最大，其簡圖如圖32所示.圖32 為兩個夾持器重量約為4000n，離a點距離約為1m 為桅桿重量約為9000n，離a點距離約為1.2m 為桅桿上油缸重量約為2000n，離a點距離約為1.5m 為兩

38、個液壓馬達(dá)的重量約為2000n，離a點距離約為3m 動力頭的重量約為3000n，離a點距離據(jù)公式(3-1)得= 由理論力學(xué)可知=0 （3-2） 式中：f為液壓缸在圖示位置時所受的負(fù)載。 代入數(shù)據(jù)得f=71235.2n3.4 油缸的內(nèi)徑計算： （1）據(jù)機械設(shè)計手冊表22.6-65液壓缸主要幾何尺寸的計算，根據(jù)載荷力的大小和選定的系統(tǒng)壓力來計算液壓缸內(nèi)徑d為 據(jù)機械設(shè)計手冊表22.1-9液壓內(nèi)徑尺寸系列，可將d圓整得d=63mm3.5 缸筒設(shè)計與計算3.5.1 對缸筒要求 缸筒是液壓缸的主要零件，它與端蓋、活塞構(gòu)成密封容腔，用以容納壓力油液、驅(qū)動負(fù)載而做功，因而對其有強度、剛度、密封等方面的要求。

39、 （1）有足夠的強度，在長期承受額定工作壓力和短期動態(tài)實驗壓力下而不致產(chǎn)生永久變形。 （2）有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝時的反作用力而不致彎曲。 （3）有可靠的密封性。 （4）缸筒有良好的可焊性。3.5.2 缸筒材料的選擇 考慮到缸通材料來源的經(jīng)濟性，可以選擇45號精密冷拔無縫鋼管，其力學(xué)性能列于表3-2中.表 3-2 45號精密冷拔無縫鋼管力學(xué)性能力學(xué)性能（不小于）材料屈服強度（mpa）伸長率硬度（hb）45號鋼6008.51923.5.3 缸筒外徑的選擇據(jù)機械設(shè)計手冊表22.6-67工程機械用液壓缸外徑系列，p31.5mpa，d=63mm時，外徑。3.6 活塞設(shè)計 考慮到活塞上需要

40、安裝兩個支撐環(huán)和兩個密封圈取。 活塞內(nèi)徑與活塞桿外徑采用h7/k6配合，活塞外徑與缸筒內(nèi)徑采用h8/f7配合，活塞桿與導(dǎo)向套采用h7/n6配合。據(jù)經(jīng)驗公式活塞桿直徑d=0.7d=44.1mm據(jù)機械設(shè)計手冊表22.1-10液壓缸的活塞外徑尺寸系列，可將d圓整為d=45mm 選活塞桿直徑材料為：45鋼工藝：活塞桿粗加工后調(diào)質(zhì)到硬度為229285hb,必要時，再經(jīng)高頻淬火，硬度可達(dá)4555hrc. （2）強度理論校核活塞桿直徑：此時液壓缸穩(wěn)定時，只承受軸向載荷 （3-3） 當(dāng)材料為碳鋼時，=100120mpa，取 求得：所需最小直徑=30.1mm45mm，滿足要求 （3）活塞桿平穩(wěn)性校核：由材料力學(xué)

41、可知，當(dāng)載荷力接近臨界值時，桿將失去原有的平衡狀態(tài)而產(chǎn)生彎曲。由機械設(shè)計手冊表22.6-72活塞桿穩(wěn)定性計算 活塞桿穩(wěn)定的條件為： 液壓缸的活塞桿承受的最大載荷（n） 活塞桿縱向彎曲破壞的臨界載荷（n） 穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取24。 計算活塞桿的臨界載荷; 采用歐拉公式計算臨界載荷，此時有: （3-4） e：活塞干材料的彈性模量，對于鋼，取為 ：活塞截面的轉(zhuǎn)動慣量, 對于實心桿： ：活塞桿的安裝距離，m;通過運動分析可取l=1.7m ：末端條件系數(shù)，此時取n=1 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，代入公式（3-4）可求得=144358n 由于變幅油缸的工作條件穩(wěn)定，且工作次數(shù)很少，可取安全系數(shù)=2，則有；所以活塞桿

42、穩(wěn)定。 缸壁的材料選擇：45鋼的無縫鋼管 缸壁校核壁厚： 3.7 缸筒設(shè)計： 連接方式：缸蓋與缸筒采用連接方式（內(nèi)螺紋），使得結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量小缸筒與后端蓋采用焊接連接據(jù)表機械設(shè)計手冊22.6-70液壓缸的鏈接計算取螺紋為m73x2外徑：mm內(nèi)徑：則推應(yīng)力為： (3-5) 切應(yīng)力為： (3-6) k：螺紋擰緊系數(shù)，靜載時取，取k=1.5 ：螺紋內(nèi)摩擦因子，取=0.12 n:安全系數(shù)，通常取n=1.52.5 d：缸筒內(nèi)徑 將各系數(shù)分別代入公式（3-5）和公式（3-6）求得： 取安全系數(shù)n=2 所以強度符合 焊接口設(shè)計： 據(jù)表機械設(shè)計手冊22.6-70液壓缸鏈接計算選焊接方式：v型坡口對接焊 取焊接

43、的底徑： 焊接厚度為：=5mm 校核： 焊接產(chǎn)生的應(yīng)力： ：缸筒外徑 ：焊接強度系數(shù)，一般手工焊=0.70.8，自動焊=0.80.9 取=0.7 得 所以焊接強度足夠 液壓缸油口設(shè)計： 據(jù)表機械設(shè)計手冊22.2-66液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算 取液壓缸的最大輸出速度： 油口的最大液流速度： d液壓缸內(nèi)徑 計算油口直徑： 據(jù)機械設(shè)計手冊表22.1-6液壓油口螺紋連接系列，取油口為 缸底厚度：有油孔時： （3-7）代入數(shù)值：求得：圓整為 活塞桿與活塞設(shè)計： 活塞與活塞桿的連接方式：螺紋連接、鎖緊螺母鎖緊 活塞的寬度：b 則可取b為50mm 活塞與缸筒的連接密封： 為了保證密封和連接強度，采用了兩個o型圈

44、與一個a型的支承環(huán)進行密封連接支承油缸的密封件選用：材料標(biāo)號數(shù)量o型圈橡膠61.5x2.65 gb3452.1-923a型防塵圈橡膠活塞桿直徑為45的a型防塵圈gb/t 10708.3-20001支承環(huán)尼龍1010gd 0630-a gb/t15242.941o型圈橡膠45x1.8 g gb3452.1-921第4章 回轉(zhuǎn)支承的選型設(shè)計4.1 對回轉(zhuǎn)支承進行受力分析和靜態(tài)選型 在靜態(tài)選型中，主要以回轉(zhuǎn)支承承受的最大當(dāng)量載荷為參數(shù)，而以有力學(xué)分析經(jīng)驗可知回轉(zhuǎn)支承受力最為苛刻的情況通常出現(xiàn)在桅桿在水平位置工作時或桅桿在豎直位置工作時。 令：回轉(zhuǎn)支承所受垂直力為v 回轉(zhuǎn)支承所受水平力為h 回轉(zhuǎn)支承所

45、受傾覆力矩為m （1）水平打孔時： 整個桅桿裝置重為g=20kn 整個桅桿裝置重心離回轉(zhuǎn)支承的距離約為400mm 鉆桿離回轉(zhuǎn)支承的距離約為700mm 工作載荷f=40kn 此時v=20kn， h=f=50kn m= 此時回轉(zhuǎn)支承所受的當(dāng)量載荷為： （4-1） (4-2) f為工況系數(shù)，靜容量時用，動容量時用，其值按表4-1 由表41可取，靜載時： ： 根據(jù)公式（4-1）和（4-2）螺栓的計算載荷 當(dāng)量載荷 表41 根據(jù)圖41，按承載能力曲線選取合適的回轉(zhuǎn)支承的類型，得出這種情況下最小應(yīng)選用型號為011x25.315的回轉(zhuǎn)支承和精度為8級的螺栓。當(dāng)接觸角時 螺栓的計算載荷 當(dāng)量載荷 根據(jù)圖41，

46、按承載能力曲線選取合適的回轉(zhuǎn)支承的類型，得出這種情況下最小應(yīng)選用型號為01x25.315的回轉(zhuǎn)支承和精度為8級的螺栓。 圖41a 01x25.315 圖41b 01x25.355 圖41c 01x25.400 圖41d 01x25.450 圖41f 01x30.500 圖41g 01x25.500（2） 垂直打孔時 螺栓的計算載荷： 當(dāng)量載荷計算 根據(jù)圖41，按承載能力曲線選取合適的回轉(zhuǎn)支承的類型，得出這種情況下最小應(yīng)選用型號為011x25.355的回轉(zhuǎn)支承和精度為8級的螺栓。當(dāng)接觸角時 螺栓的計算載荷： 當(dāng)量載荷計算： 根據(jù)圖41，按承載能力曲線選取合適的回轉(zhuǎn)支承的類型，得出這種情況下最小應(yīng)

47、選用型號為011x25.355的的回轉(zhuǎn)支承和精度為8級的螺栓。 結(jié)論：通過靜態(tài)水平和豎直受力分析之后，可知道在這兩種工作狀況下工作狀況下，選用不通接觸角的回轉(zhuǎn)支承對所需選用的回轉(zhuǎn)支承型號并無影響，但選擇不通接觸角的回轉(zhuǎn)支承卻會導(dǎo)致回轉(zhuǎn)支承的受力不同，為了盡可能的延長回轉(zhuǎn)支承的使用壽命，應(yīng)使回轉(zhuǎn)支承所受力和力矩較為均衡，通過比較兩種不通接觸角的回轉(zhuǎn)支承，可知：當(dāng)選用接觸角為60時回轉(zhuǎn)支承承受的載荷的f比選時的大，但其所受m比后者小。但進行綜合考慮后可以得知：60接觸角的回轉(zhuǎn)支承所受力和力矩比較均衡，使用壽命應(yīng)高于接觸角的回轉(zhuǎn)支承，故選接觸角為60的單排四點接觸球式的回轉(zhuǎn)支承作為偏擺機構(gòu)的原型，其型號為：011.25.355。 校核螺栓強度： 連接螺栓的最大工作載荷： 上式中，當(dāng)軸向力指向回轉(zhuǎn)支承時，取負(fù)號，當(dāng)軸向力使回轉(zhuǎn)支承偏離支撐面時，取正號。 通過選型，可知n=20，選用的螺栓為m16的高強度螺栓，d=298mm 求得水平打孔時： 豎直打孔時：得： 螺栓最大拉力的計算： 為了提高連接螺栓的疲勞強度，防止防塵圈和支承面有間隙通常要加較大的預(yù)緊力，令加預(yù)緊力后得最大拉力為 （4-3） 當(dāng) 螺栓的最大拉應(yīng)力為 a螺栓的有效截面積，查的m16的有效截面積求得： 取螺栓的安全系數(shù) 螺栓的靜強度校核：