毕业设计-论文swe85挖掘机夹桩压桩机构三维设计.doc

本科生毕业论文（设计）

题 目 SWE85挖掘机夹桩压桩
机构三维设计
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ＸＸ大学毕业设计
目 录

摘要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
第1章 绪论 1
1.1挖掘机的发展概述 1
1.2挖掘机的结构及其工作原理 2
1.3国外挖掘机的夹桩压桩机构发展现状 3
1.4挖掘机的发展趋势 4
1.3.1 技术功能创新：一机多用与简化操作 4
1.4.2外观造型创新：工业设计与环境协调 4
1.4.3设计方法创新：电脑应用与模块设计 5
1.4.4控制方法创新：电子控制与信息集成 5
1.4.5人工智能创新：灵性机器与机器人化 5
1.5 选题意义和任务要求 6
第二章 夹桩压桩机构的设计 7
2.1 夹桩压桩机构设计方案的比较与确定 7
2.1.1方案一 7
2.1.2方案二 8
2.1.3方案三 8
2.2夹桩压桩机构方案的确定 9
2.3夹桩压桩装置的结构设计 10
2.3.1夹杆底部铰接位置的确定 10
2.3.2油缸行程的确定 10
2.4油缸给夹杆推力F的计算 11
2.4.1夹杆器所受的摩擦力与压力的计算 11
2.4.2计算油缸的对夹杆的作用力 12
2.5夹桩压桩机构部分零部件的设计 13
2.5.1安装座的结构设计 13
2.5.2转接头的设计 13
2.5.3转动接头的设计 14
2.5.4夹桩爪的设计 14
2.5.5各零部件体积和质量的计算 14
2.6 销轴的挤压与剪切强度校核 16
2.6.1与活塞杆铰接的销轴的挤压与剪切强度校核 16
2.6.2夹桩爪与底座铰接销轴的校核 17
2.6.3接头与转动接头铰接销轴的校核 18
第3章 油缸设计 19
3.1液压原理设计 19
3.2压桩液压缸设计 20
3.2.1液压缸种类的选择 20
3.2.2液压缸安装形式的选择 21
3.2.3液压缸主要技术性能参数的计算 22
3.2.4缸筒设计 22
3.2.5活塞的设计 26
3.2.6活塞杆设计 27
3.2.7液压缸缸底设计 29
3.2.8液压缸缸盖设计 31
3.2.9轴套的设计 32
3.2.10液压缸密封件的选择 33
3.3倾斜液压缸设计 34
3.3.1倾斜液压缸内径和行程的确定 34
3.3.2倾斜油缸铰轴的设计 36
第四章 设计总结 37
参考文献 38
附录1 图纸清单 39
附录2 实习报告 41
附录3 英文及其译文 48

摘 要
本论文以SWE85挖掘机夹桩压桩机构为主要研究对象进行设计。设计内容包括：主要部件设计方案的比较与分析；主要部件的设计计算；运用三维造型软件对主要部件进行造型。通过设计方案的比较分析，并考虑实际工况要求，确定设计方案，使设计出来的产品能够满足工作要求，同时又具有工作效率高、加工难度小、成本低、性价比高等特点。通过设计计算，使所设计的主要部件的强度、刚度以及稳定性都能够满足工作要求，并做到合理利用材料，避免造成资源浪费。设计计算主要以材料力学所提供的设计方法为主要理论依据，并综合考虑了夹桩压桩的结构特点和动力学原理。此设计从挖掘机机整机的工作性能、适用性、环保要求及夹桩压桩部件的加工制造性能、经济性等方面进行全方位的考虑。力求使所设计的产品具有较好的使用性能和比较高的性价比。

关键词：挖掘机；夹桩压桩机构；CAD三维设计；油缸设计

ＸＸ大学毕业设计
ABSTRACT

The piling clipping and sinking of hydraulic pressure static pressing pile machine SWE85 is designed as an main object in this subject. The content includes: Comparison and assay of the design plan of main part. design and calculation of the main part；Finally the main part is simulated by three dimension molding software. Then the plans are compared and assayed, and the best plan is developed based on the situation and design requirements. so that the products can be designed to meet the job requirements, while an efficient, processing difficulty small, low-cost characteristics. Through the design calculations for the design of the main components of strength, rigidity and stability can meet job requirements and to reasonable use of materials, avoid waste of resources. Design and calculation are mainly regarded design method that mechanics of materials offer as the main theoretical foundation, and has considered the structural characteristic of platform and dynamics principle synthetically. This is designed from working performance, applicability, environmental protection of a completed pressing pile machine, making performance , economy of main platform, etc. Make every effort to make the products designed have better serviceability and higher cost performance.

Keywords: hydraulic excavator; piling clipping and sinking platform ; CAD three - dimensional design；cylinder design
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第一章 绪 论

1.1 挖掘机的发展概况
挖掘机机械包括各种类型和功能的挖掘机，具有挖掘、装载、卸载和整机移动的功能。能连续高效的工作，对于减轻劳动强度，提高劳动效率起来很大的作用，因其具有许多的优点，在土石方施工中得到了广泛的应用，是工程建设项目中不可缺少的施工手段，是国家重要基础建设项目的有力保证。一个国家生产使用挖掘机机械的能力，在一定程度上可以说是一个国家工程建设能力的体现。虽然不像是汽车那样具有支柱产业的地位，但能体现重工业的发展水平。
挖掘机的发展历史可以追溯到1840年，当时正是美国西部开发史中有名的圈地时代。最初的挖掘机主要应用于铁路建设，以蒸气机为动力源，沿着铁轨铺设的铁路运动。当时的挖掘机的动臂、斗杆、挖斗的尺寸完全是按照人体构造来模仿的。今天挖掘机的工作装置各个部分尺寸比例与当时的尺寸基本上没有多大变化，总之挖掘机是将人的手工作业变成了机械化作业。以后，为了机械能够实现移动，将铁轨与枕木卷起来，形成无限轨道，即履带的出现，使挖掘机的通用性得到极大提高，自诞生以来的130年当中一直不断地在飞跃发展。
1940～1960年，美国利用自由建设非常景气的高潮，迎来了高速发展时期，也就是形成了建设施工机械发展的鼎盛时代，具有代表性的建设施工机械有推土机、平地机、轮式装载机、自卸汽车以及铲运机等。当时由于大部分建筑为平面施工，底层建筑，因此在这期间，挖掘机远远退出了建筑施工的主力机械的舞台。挖掘机发展缓慢的主要原因是由于当时世界上的液压技术比较落后。
在进入20世纪70年代后，伴随着液压泵与阀的发展，液压传动技术得到了很快发展，逐渐成为成熟的传动技术；挖掘机找到了适合它的传动方式，为其发展建立了强有力的技术支撑，液压挖掘机从ToyMachine到Heavy Duty Machine进行蜕皮，以不可挡之势高速发展起来。另外，由于当时建筑施工方式开始发生变化，由底层开始向高层建筑发展，城市建筑地增加、松软土地的处理及由于施工环境的规范化等，给了挖掘机以施展才能机会。
现在具有较长的臂和杆、能装上各种各样工作装置的挖掘机，会行走、能回转，可实现多自由度动作，既能切削高的垂直壁面，又可以挖掘深的基坑和沟是一种万能型的工程机械，因此得到了迅速的发展。目前挖掘机已经成为工程机械中无可置疑的第一主力机种，在世界工程机械市场已占据首位，并且仍在发展扩大。

1.2 挖掘机的主要结构及工作原理
挖掘机械一般由动力装置、传动装置、回转装置、液压系统、行走装置、工作装置和电气控制等组成。根据其构造和用途可以分为履带式、轮胎式、步履式；全液压、半液压；全回转、非全回转；通用型、专用型；铰接式、伸缩臂式等多种类型[1]。
履带式行走装置由“四轮一带”（即驱动轮、导向轮、支重轮、托轮以及履带）、张紧装置和缓冲弹簧、行走机构、行走架等组成。挖掘机运行时，驱动轮在履带的紧边——驱动段及接地段产生一个拉力，企图把履带从支重轮中拉出，由于支重轮下的履带与地面有足够的附着力，阻止履带的拉出，迫使轮卷动履带，导向轮再把履带铺设到地面上，从而使挖掘机借支重轮沿着履带轨道向前运行。
挖掘机转向时，液压传动的履带行走装置由安装在两条履带上、分别由两台液压泵供油的行走马达通过对油路的控制，很方便的实现转向或就地转弯，以适应挖掘机在各种地面、场地上运动。
液压挖掘机回转装置由转台、回转支撑和回转机构等组成。回转支撑的外座圈用螺栓与转台连接，带齿的内座与底架用螺栓连接，内、外座圈之间设有滚动体。挖掘机工作装置作用在转台上的垂直载荷、水平载荷和倾覆力矩通过回转支撑的外座圈、滚动体和内座圈传动给底架。回转机构的壳体固定在转台上，用小齿轮与回转支撑内座圈上的齿圈相啮合。小齿轮既可以绕自身的轴线自传，又可以绕转台中心线公转，当回转机构工作时转台就相对底架进行回转。
铰接式反铲式单斗液压挖掘机最常用的结构型式，动臂、斗杆和铲斗等主要部件彼此铰接（见图1），在液压缸的作用下各部件绕铰接点摆动，完成挖掘、提升和卸土等动作，其中动臂起落、斗杆伸缩和铲斗转动都用往复式双作用液压缸控制，为了适应各种不同施工作用的需要，液压挖掘机可以配装多种工作装置，如挖掘、起重、装载、平整、夹钳、推土、冲击锤等多种工作机具。

图1反铲工作装置
1— 斗杆油缸；2—动臂；3—油管；4—动臂油缸；5—铲斗；6—斗齿；7—侧齿；8—连杆；9—摇杆；10—铲斗油缸；11—斗杆

液压挖掘机的液压系统都是由一些基本回路和辅助回路组成它们包括限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流调速和节流限速回路、行走限速回路和先导阀操控回路等，由他们构成具有各种功能的液压系统。液压挖掘机液压系统大致上由定量系统、变量系统和定量、变量复合系统等三种类型。
定量系统 在液压挖掘机采用的定量系统中，其流量不变，即流量不随外载荷而变化。通常依靠节流来调节速度。根据定量系统中油泵和回路的数量及组合型式，分为单泵回路定量系统、双泵单回路定量系统、双泵双回路定量系统及多泵多回路定量系统等。
变量系统 液压挖掘机采用的变量系统式通过容积变量来实现无级调速的，其调速方式有三种：变量泵－定量马达调速、定量泵－变量马达调速和变量泵－变量马达调速。单斗液压挖掘机的变量系统多采用变量泵－定量马达的组合方式实现无级变量，且都是双泵双回路。根据两个回路的变量有无关联，分为分功率变量系统和全功率变量系统两种。其中的分功率变量系统的每个油泵各有一个功率调节机构，油泵的流量变化只受自身所在回路压力变化的影响，与另一回路的压力变化无关即两个回路的油泵各自独立地进行恒功率条件变量，两个油泵各自机拥有发动机输出功率的一半；全功率变量系统中的两个油泵由一个总功率调节机构进行平衡调节，使两个油泵摆角始终相同，同步变量、流量相等，决定流量变化的使系统的总压力，两个油泵的功率在变化范围内是不相同的，其调节机构有机械联动式和液压联动式两种形式。
整体式力装置有柴油机、电动机、柴油发电机组或外电源变流机组。柴油机和电动机大多用于中、小型挖掘机械，用一台原动机集中驱动，两者可互换。柴油发电机组和外电源变流机组用于大、中型挖掘机械，用多台电机分散驱动。
机电液一体化式液压挖掘机的主要发展方向，其目的是实现液压挖掘机的全自动化，使挖掘机由传统的杠杆操纵逐步发展到液压操纵、气压操纵、电液比例操纵和计算机直接操纵。目前，液压挖掘机控制系统已发展到复合控制系统。

1.3国内外挖掘机的夹桩压桩机构发展现状
在2006年4月法国巴黎举办的Intermat展览会上，Unisto公司的Movax侧夹紧式多功能打桩机和管状柱塞锤(TPH)多功能打桩机（如图2）。
这一系统将打桩机安装在挖掘机上，用于打钢制板桩、工形桩或管桩。和常规打桩机不同的是，Movax可以固定在桩的顶部打桩，也可以夹在桩的侧面打桩。这一系统是在芬兰发明的，可用于打桩，也可用于拔桩。根据Unisto介绍，侧夹紧的打桩方法能够提高系统的适应性，比常规的打桩技术提高50%的生产效率。

图2 Movax侧夹紧式多功能打桩机
目前在国内还没有厂家生产挖掘机上的夹桩压桩机构，但是随着城市大规模基础建设的逐步减少，将来的建设以小规模、小空间的施工为主，而具有占用空间少、压桩力大、工作效率高等特点的夹桩压桩机构必将受到市场的青睐，发展潜力大。
1.4 挖掘机的发展趋势
从20 世纪80年代到本世纪初，中外挖掘机产品技术已从一个成熟期走到了现代化时期伴随着一场新的技术革命，挖掘机的综合技术水平跃上了一个新的台阶。 电子技术、微电脑、传感器、电液伺服与控制系统集成化改造了传统的挖掘机，计算机辅助设计、辅助制造及辅助管理装备了挖掘机制造业，IT网络技术 也装备了挖掘机机械的销售与信息传递系统，从而让人们看到了一个全新的挖掘机械行业。新的挖掘机在工作效率、作业质量、环境保护、操作性能及自动化程 度诸多方面都是以往所不可比拟的，并且在向着进一步的智能化和机器人化方向迈进。

1.4.1 技术功能创新：一机多用与简化操作
通过快速换装不同的工作装置以完成挖、装、填、夯、抓、刨、吊钻、剪等多种作业，现在挖掘机上可配备的各种工作装置超过100种。在功能多样化的同时20世纪80年代以来，世界上许多大的挖掘机制造公司都投入很大的人力和资金促进现代设计方法学的研究和应用。人机工程学是“以人为本”的设计思想， 注重机器与人的相互协调，提高人机安全性、驾驶舒适性，方便于司机操作和技术保养，这样既改善了司机的工作条件，又提高了生产效率。
1.4.2 外观造型创新：工业设计与环境协调
现代科学技术的高速发展，推动着社会的进步，给人类带来了高度的物质文明与精神文明。工业设计即是工业产品的造型设计，也称其为产品的艺术造型。机械产品的艺术造型应能体现其功能的合理性及外在质量的统一性，还应体现出产品的技术先进性和符合时代感的审美要求。
挖掘机的造型设计可以使机器的形态与其结构、功能及使用要求相统一，并与人的生理及心理相协调。这种造型设计应包括各部的比例得当，形体流畅、色彩协调、仪表布置美观以及便于直观操作和有醒目的商标符号。现在世界各大公司都非常重视产品的工业设计，并且出现了专门的研究和设计机构。

1.4.3 设计方法创新：电脑应用与模块设计
现代设计方法与传统设计方法最大的不同是普及应用了电子计算机。以往一种新型需要多次反复试制、试验和修改才能定型，一般需要几年的时间。在计算机上， 新产品设计可采用三维数字化建模，利用专业CAD软件进行基础零部件优化选择与分析计算，直到生成工程图和进行三维虚拟装配及模拟试验。
现代设计方法包括的面很广，如相似设计、模块化设计 、动态分析、优化设计及人机工程与工业造型的应用等，体现在机器形体上最明显的是模块化设计。模块化设计包括了以往所说的部件化，通用化及设计过程中的软件模块化。部件化是将机器的每个部件都设计成结构完善的独立单元，简化相邻部件之间的连接， 以便于安装与调整，便于存放与运输，便于维修与保养，而且也便于社会化生产。通用化是选用相应的部件单元做不同的连接拼装可组成不同技术性能的机器，这样 可以增加部件的生产批量，从而降低整机的制造成本。设计软件的模块化大大加快了新产品的设计开发进度 。

1.4.4 控制方法创新：电子控制与信息集成
机器的大规模信息集成，诞生了机电信一体化。现代电子技术催生了挖掘机的机电信一体化。电子技术包括计算机技术，集成电路技术、数字电路技术及电子通 讯技术。电子技术和传感器与机械装置经结合，实现了挖掘机的自动监测和自动控制，即机—电—信一体化。电子传感器是机电信一体的感觉器官，是挖掘机与其作业对象之间的媒介。以微机为核心的电子技术是机电信一体化的大脑和中枢神经，它接受传感器送入的各种信息，在进行运算处理之后对机器的执行部分发出指令。

1.4.5 人工智能创新：灵性机器与机器人化
挖掘机在工程建设领域代替了人的体力劳动，扩展了人的手脚功能，但传统挖掘机还未能解决好人的体力和生理负担问题，更不要说解脱人的精神和心理负担了。现代化挖掘机应该是赋予了其灵性，有灵性的挖掘机是有思维头脑（微电脑）、感觉器官（传感器）、神经网络（电子传输）、五脏六腑（动力与传动）及手足骨骼（工作机构与行走装置）的机电信一体化系统。
现在机电液一体化技术实现了对发动机、液压系统和电气系统的全面控制，挖掘机正在被赋予各种感觉与智慧。在工艺过程与工作状态实时监测的基础上，挖掘机将从局部自动化过渡到全面自动化，并且向着远距离操纵和无人驾驶的趋势发展。随着人工智能的介入，挖掘机将加快其现代进程，使逐步过渡到完全智慧化的作业机器人目标。到那时，一些新的机器人化作业程序就会应运而生。

1.5 选题意义和任务要求
因为挖掘机在国家建设的重要作用，及对国民经济巨大的推动作用，所以各国多很重视挖掘机一类工程机械的研发和改进，随着我国不断加大基础设施投资力度、西部大开发和城镇化等发展战略的实施，国家多项基础设施建设的蓬勃发展，2005年全国液压挖掘机的需求量达1.6万台，有关专家估计，到 2009，基础设施和基础工业建设的土石方及装卸工作量将比现在增长 1.5倍，从而为发展挖掘机等大吨位土方工程机械及配件提供良好的市场发展空间。大量需要各类高效率的工程机械，其中挖掘机扮演着重要的角色，研发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。数量最多的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置——除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。
本课题主要针对挖掘机的工作装置进行改进，参考国内外同类产品，对挖掘机的夹桩压桩机构进行设计，使之拥有更多的功能，能适用不同的工矿，完成各种不同的任务：
1) 能进行板桩/H型梁（工字梁）的压桩和拔桩，
2) 能适用各种不同直径桩的夹桩，能自动调整夹桩机构的直径。
3) 能实现侧抓功能，能够在有障碍物的情况下实现夹桩及压桩。
4) 能在垂直或其他角度下实现压桩和拔桩。
再配以自动控制程序，便能自动实现上述功能。拥有上述功能的挖掘机用于打钢制板桩、工形桩或管桩。和常规打桩机不同的是，可以固定在桩的顶部打桩，也可以夹在桩的侧面打桩。可用于打桩，也可用于拔桩。侧夹紧的打桩方法能够提高系统的适应性，比常规的打桩技术能显著提高生产效率。

第二章 夹桩压桩机构的设计

2.1 夹桩压桩机构设计方案的比较与确定
一个成熟的方案是通过几种较好的设计方案比较得出的。首先，我将介绍几种夹桩压桩机构的设计方案。
2.1.1 方案一
图2.1和图2.2夹桩压桩装置由夹桩爪、夹桩油缸等结构组成。它的工作原理是，液压油从下油口进入夹桩油缸，活塞杆伸出，整个油缸将绕着其尾部耳环旋转，与此同时，夹桩爪绕着其底部铰接处旋转，这两个动作同时进行，直到夹桩爪夹牢桩为止。

图2－1 夹桩压桩装置

图2－2 安装示意图
2.1.2 方案二
图2.3是夹桩压桩机构的工作原理图。全液压夹桩压桩机构总体上可以分为底座和工作装置。又可具体分为：1.夹桩架 2.夹装爪 3.底架 4.夹桩油缸等部分组成。该夹桩压桩装置可以卸下桩和夹紧桩 。夹桩时，先把桩放入夹桩架中间，然后2个夹桩油缸伸出，直至夹紧桩，然后挖掘机动臂移动至工作点，利用挖掘机斗杆、挖斗油缸力进行压桩。卸桩时夹桩油缸收回，松开桩，再移动挖掘机动臂，使整体装置移动至合适位置，再进行工作，直至完成一次压桩。

图2－3 手动夹桩装置示意图

2.1.3 方案三
图2-4和图2-5两图是我设计时所参考的对象，至于我为什么选择此种方案，我将在下一节中具体说明。在底架的下方有一个油缸用来夹持桩，它是双作用推力液压油缸。油缸的两头通过销和底架两边的抓铰接（如图２-１），夹桩时，活塞杆伸出，缸筒向右偏移，夹抓的底部撑开，绕着夹杆中部旋转，直到夹紧桩。压桩时，利用挖掘机斗杆、挖斗油缸力进行压桩。

图2－4 夹桩压桩装置示意图

图2－5 夹桩压桩装置三维效果图
2.2 夹桩压桩机构方案的确定
这三种方案各有长短。
方案一，该卸杆器的结构简单易懂，所占空间较小。多处采用焊接结构，制造简单。钻架装有两个夹杆缸，夹杆和夹杆爪通过结构强度高的圆柱头内六角螺钉连接，底座是一个对称的焊接板结构。其缺点是张开角度较小，夹桩较小，不适用大型挖掘机上，不能提供很大的夹桩力。
方案二 是一种全液压型的夹桩压桩机构。除了两个个夹桩油缸外，它还含有一个卸杆油缸。油缸作用的夹持力大，油缸多，钻杆的受力不均匀，容易使桩发生形变，产生破损，而且在安装时较麻烦，需要准确的调整好各个油缸的行程，其结构较为复杂，难以加工及维修。
方案三，从总体来讲，这种夹桩压桩方式所占体积小，结构紧凑，重量小，能提供大的夹紧力。该夹桩压桩装置只用了一个夹桩油缸，它的两端都是通过销轴和夹杆连接的，结构牢固，夹桩时，作用力通过夹杆传递给夹桩爪，进而夹住桩。其缺点是，对油缸的要求比较高，它要求活塞杆很好的抗弯曲能力。
综合考虑，我选择了第三种方案中夹桩压桩机构的设计，此设计还有一些独特的特点，如图我通过设计上接头和底架之间用一个销轴链接，让底架能在绕轴转动，其转动动力由油缸提供，设计是能绕轴转动15度，在设计完这种装置的平面设计后，我对结构进行了理学分析。证明该设计是完全可行的。
2.3 夹桩夹桩压桩装置的结构设计
2.3.1夹桩底座铰接位置的确定
夹杆的铰接位置主要受到如下三个方面的影响：1.尽量使夹桩爪尽可能多的与桩表面接触，这样以来可以减小桩的表面单位面积上的压力，尽量避免桩发生塑性形变；2.当夹杆张开时，夹桩爪不能碰到钻杆，否则会使损坏桩。3.在增加夹持接触面积的同时要考虑到桩不能太长，避免其发生弯曲和减少夹桩压桩装置的重量。
在此之前，我已经确定好了夹块和夹杆（它们的外形及尺寸见打印的图纸）的外形及尺寸，所以它在竖直方向的位置已经确定。右下角阴影部分是可以钻铰接孔的地方。综上，选择距安装座中心线80mm的地方，如图2.6所示。
图2-6 底架铰接位置示意图

2.3.2 油缸行程的确定
图中双点画线的圆弧是夹杆爪的顶点轨迹，这段圆弧线的圆心角为14度由图可知，它一离开钻杆之后就不会再与钻杆相碰了。卸杆器张开时，活塞杆缩回，夹杆转过14度，夹桩爪圆心移动80mm。故油缸的行程为：

图2-7 夹桩装置工作图
2.4 油缸给夹杆推力F的计算
图2-8是夹桩爪夹住桩的受力分析，如下图所示，夹杆受到摩擦力f、夹紧力N以及油缸对夹杆的作用力F。已知SWE85挖掘机压桩力为30KN，夹杆的尺寸是已知的（其详细情况见夹杆图纸），求液压缸的推力F？图2-8 夹桩受力分析
2.4.1夹杆器所受的摩擦力与压桩力的计算
（2-2）
其中： 压桩力 =30kN
单个夹桩爪作用给桩的摩擦力：
（2-3）
将已知代入得=15kN。
已知钢与铸铁得最大静摩擦力为0.3，为了保证夹桩器夹桩后，压桩过程中不会滑动，夹桩爪与桩的摩擦系数μ应该≤0.3，取μ=0.3。
（2-4）
计算得
故夹桩器所受得摩擦力与压力为：
（2-5）
（2.6）

2.4.2 计算油缸的对夹杆的作用力
由材料力学知识可知，桩对夹杆爪有两个方向的力Fx、Fy。夹杆的受力如图2-8所示。
当夹桩器夹住桩时，桩是静止的，以点Q为支点，根据力矩平衡知识可得下式：
（2-7）

其中：

将已知数据代入式中，求得：

故
2.5 夹桩压桩机构部分零部件的设计
2.5.1安装座的结构设计
为了能直观的看清安装座的结构我Pro/ENGINEER画出了其立体图，它的具体尺寸可以观看附带的安装座图纸。图2-10是安装座的三维模型。
设计安装座的关键是确定好图示的两个凸台和四个孔的位置，这些孔是在安装座整体焊接好后，再在镗床上镗出来的。安装座上部的两个孔的中心位置在设计夹杆的底部铰接位置时就已经确定。安装座底部的孔的位置，在图纸上有详细的标注。在设计安装座时，我曾经想在底架上把板一块一块地焊接上去，后来老师指导，经过几次修改，最后把安装座设计成图2.9的形式。

图2-9 安装底座
2.5.2 转接头的设计
转接头起着连接挖掘机机斗杆和夹桩压桩机构的作用，本来我想把工作装置和转接头作为一体，但为了适用不同的挖掘机，提高适用性。根据SWE85型挖掘机的斗杆的尺寸，我设计了如图的接头，为焊接结构，具体技术要求在附图纸中，通过销轴连接挖掘机斗杆，其与转动接头由六个M30的螺栓连接。

图2-10 转接头
2.5.3 转动接头的设计
转动接头的主要设计要点是销轴的设计及转动油缸的安装位置，由前面的设计知下底座能绕销轴转动30度，经过计算，转动油缸的安装位置确定为如图的形式，具体尺寸见附图纸中，

图2-11 上接头
2.5.4 夹桩爪的设计
夹桩爪的结构设计重点是保证夹持强度的保证，且保持整个夹桩爪重量轻，所以我设计如图2-12的结构，两个夹杆成对称分布圆形爪的两侧，在不影响强度的前提下，中间去掉一部分，确定如下结构。

图2-12 夹桩爪
2.5.5. 各部件体积、质量等的计算
各部件的体积、质量等都是用Pro/ENGEER计算出来的其具体流程图：
编辑、设置
钻杆尺寸和质量属性
密度 = 7.8500000e-09 公吨 / 毫米^3

生成报告
体积、曲面面积、质量等
进入窗口
退出

图3-7 部件计算流程图
经过以上运算后得就可以得到各个部件的体积和质量，具体见附图纸。
2.6 销轴的挤压与剪切强度校核
在夹桩器中有两种销轴，它们的材料都是一样的，都是40Cr，只是长度不同。和活塞杆铰接的销轴的公称长度为210mm，夹杆和底座耳环铰接的销轴的公称长度为320mm。图2-13是和活塞杆铰接的销轴的外形图，它的具体尺寸见销轴的平面图。

图2-13 销轴
2.6.1.与活塞杆铰接的销轴的挤压与剪切强度校核
①挤压强度校核：
（2-21）
表示销轴的挤压应力，为销轴的许用挤压应力，表示挤压面上传递的（挤压力），表示挤压面积。其中：式中安全系数取1.5。式中l、d如下图所示：

图2-14 销轴受力图
由公式（2-21）计算得：
②剪切强度得校核：
（2-22）
表示销轴剪切应力，表示销轴的许用剪切应力，表示剪力，表示剪切面面积。其中： 式中安全系数 =5， ，
将已知条件代入公式（2-22）得：
③综上有，该销轴满足挤压与剪切强度要求。
④由于油缸尾部铰接的销轴所受的力与差不多大（假设不记摩擦力，则他们是大小相等的），而且其挤压面积比，剪切面积故这个销轴也满足挤压与剪切强度要求。
2.6.2.夹桩爪与底座铰接销轴的校核
前面已经校核过一个销轴，在这里就只写主要内容。其中，
①挤压强度校核：
（2-21）式中：，
将已知代入公式（2-21）得：
②剪切强度得校核：
（2-22）式中：，
将已知代入公式（2-22）得：
③综上有，该销轴满足挤压与剪切强度要求。
2.6.3.接头与转动接头铰接销轴的校核
同理，按前面校核销轴的方法校核，这里只写计算结果。其中，。
①挤压强度校核：
（2-21）式中：，
将已知代入公式（2-21）得：
②剪切强度得校核：
（2-22）式中：，
将已知代入公式（2-22）得：
③综上有，该销轴满足挤压与剪切强度要求。

第3章 油缸设计
3.1 液压原理设计
如图3.1，为挖掘机夹桩压桩机构液压原理图，由换向阀4控制压桩油缸的伸缩，换向阀5控制倾斜液压缸的伸缩，总体液压原理简单，可靠。

图3-1 液压原理图
液压缸是液压系统中的执行元件，它是一种把液体的压力能转换成机械能以实现直线往复运动的能量转换装置。液压缸结构简单，工作可靠。它的输入为压力和流量，输出为推力和速度。液压缸按其结构形式，可以分为活塞缸、柱塞缸两类。本章详细的介绍了夹杆油缸各个零部件的设计，包括活塞杆、缸筒、活塞、缸盖、缸底、密封件的选型等。夹杆油缸主要是根据成大先主编的第三版《机械设计手册》设计和计算的。
已知油缸的进油腔的工作压力 ，出油腔的压力为 ，所以进油压力。

图3-2 液压缸示意图
液压缸对夹杆器作用力的计算公式：
（3-1）
其中： 为液压缸活塞杆受的力；
为液压缸左腔横截面积；
为液压缸右腔的有效工作面积；
、为液压缸的进油压力和出油压力。
3.2 夹桩液压缸种类及其安装形式的选择
3.2.1液压缸种类的选择
根据液压缸的工作条件及其运动方向，从《机械设计手册》（第三版，第四卷，成大先主编）表19-6-1中选择液压缸种类，采用双作用液压缸。如图3-2所示，活塞可以双向运动。
3.2.2液压缸安装形式的选择
根据表19-6-2，选择尾部耳环形式，如图3-3。缸在平面内可以摇动，从表19-6-6可知其末端条件系数n=1。
图3-3 液压缸的安装形式
3.2.3 液压缸主要技术性能参数的计算
本节主要参考了表19-6-4和19-6-12。
①压力
液压缸的进油压力为26.5MPa，且

故改液压缸的压力级别为高压。
②速比的选择
所谓速比，就是液压缸活塞往复运动时的速度之比，计算速比主要是威力确定活塞杆的直径和要否设置缓冲。速比不宜过大或过小，以免产生过大的背压或造成活塞杆太细，稳定性不好。
（3-2）

速比系数可根据下表选择

表3-1 速比
公称压力MPa

12.5～20
>20

1.33
1.46，2
2
由于液压缸的公称压力，故选择。
③活塞杆直径d的计算
由公式（3-1）可以计算出d。
由公式（3-2）得：

故公式（3-1）可简化为：
= （3-3）
式中：
已知 ，
由手册查得液压缸得机械效率，取。
将已知代入公式（3-3）中得：
，得
根据表19-6-20，由于油缸将承受较大弯曲应力，故d取大些，取。
④缸筒内径的选择
已知供油压力，出油压力 。
根据表19-6-3选择内径D=100的液压缸。
⑤液压缸的许用行程

图3-4 液压缸行程
液压缸的长度L=380mm，有效行程S=290mm。设计时选择的液压缸的行程为300mm。
3.2.4 缸筒设计
①缸筒结构的选择
常用的缸筒结构有八类：1.法兰连接；2.外螺纹连接；3.内螺纹连接；4.外半环连接；5.内半环连接；6.拉杆连接；7.焊接；8.钢丝连接。比较以上结构，我选择内螺纹连接结构
②选材
由于缸筒底部需与缸底焊接，故选用具有良好焊接性能的35号钢，缸筒经过机械预加工好后，再调质。35号钢的性能如下表：
表3-2 35号钢的性能
无缝钢管
材料

35钢
520
310
17

③缸筒计算
a.缸筒壁厚δ为：

—缸筒材料强度要求的最小值，mm
—缸筒外径公差余量，mm
—腐蚀余量，mm

式中n为安全系数，取5；抗拉强度可由表3-2查得。
当δ/D≤0.08时，可用薄壁缸筒的实用计算公式：

当δ/D=0.08～0.3时，可用实用公式：

当δ/D≥0.3时

综上所述，取δ=17mm，则有缸筒外径等于134mm。
b.缸筒底部厚度
缸筒底部为平面时，其厚度δ可以按照四周嵌住的圆盘强度公式进行近似的计算：

取。
c.缸筒与螺纹连接部分校核
图3-5 螺纹连接
如图3-4，已知：

缸筒顶部承受的最大推力F：

螺纹处的拉应力：
（3-4）
其中：K