毕业设计（论文）旋挖钻机液压系统设计.pdf

目录前言.11国内外旋挖钻机发展状况及前景.31.1 国外旋挖钻机发展状况.31.2 国内旋挖钻机发展状况.52旋挖钻机结构组成与工作原理研究.72.1 旋挖钻机主要结构整机布置.72.1.1 行走装置.72.1.2 回转平台.82.1.3 变幅装置.82.1.4 卷扬机构.82.1.5 工作装置.82.1.6 桅杆.92.2 整机参数.92.3 液压系统设计要求.93旋挖钻机执行机构工况分析.113.1 钻进工况分析.113.1.1 被动土压力产生的阻力矩.113.1.2 450+%滑移面上的摩擦力产生的阻力矩.123.1.3 沿切削刀面的摩擦力产生的阻力矩.143.1.4 切削刀侧面剪切土体的阻力产生的阻力矩.153.1.5 切削刀背面切入土体的摩擦力产生的阻力矩.163.1.6 钻斗与孔壁表面摩擦产生的阻力矩.173.1.7 钻头钻杆回转的惯性阻力矩.183.1.8 土体在钻斗内的回转阻力矩.183.1.9 钻进速度分析.203.2 卷扬机构工况分析.203.2.1 主卷扬工况分析与计算.203.3 变幅机构工况分析.223.4 回转机回转机构工况分析.233.4.1 回转阻力矩分析.233.4.2 回转阻力矩计算.243.5 行走装置的工况分析.254旋挖钻机液压工作原理设计.274.1 液压系统简介.274.2 主要液压回路设计.274.2.1 泵控回路.274.2.2 动力头回转回路.284.2.3 加压回路.294.2.4 主、副卷扬回路.304.2.5 变幅回路.314.2.6 上车回转回路.324.2.7 行走回路.335液压系统参数计算与主要液压元件选型.345.1 动力头马达参数计算.345.2 主卷扬马达参数计算.355.3 副卷扬马达参数计算.365.4 上车回转马达参数计算.375.5 行走马达参数计算.375.6 液压缸的设计计算.385.6.1 加压油缸设计计算.385.6.2 动臂变幅油缸设计计算.405.6.3 钻杆变幅油缸设计计算.405.7 液压泵的流量压力计算.415.7.1 系统工作压力的确定.415.7.2 泵的流量确定.415.8 主油管管径的确定.425.9 油箱容量的确定.435.10 主要液压元件选型.436液压系统验算.446.1 系统功率损失验算.456.2 系统温升验算.457技术和经济分析.478结论.48致谢.49参考文献.49附录A.50附录B.61刖百随着全球经济的高速发展，基本建设范围的持续拓宽，以人为本和保护环境的理念及 至相关法津法规实施的不断强化，使桩基础特别是现浇混凝土灌注桩基础几乎取代了基他 基础，得到了广泛的应用空间。旋挖钻机是一种专门的灌注桩成孔作业施工机械，广泛用 于市政建设、公路和铁路桥梁、高层建筑等基础施工，配合不同的钻头，适应于适用粘土，粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层等各种地质的成孔作业，可以适应微风化岩层的施工，适用于我国大部分地区的土壤及地质条件。近年来，旋挖钻 机作为钻孔灌注桩施工中一种较为先进的施工机械，因其适应桩径范围广、桩位定位准确、成孔质量好、自动化程度高、移动灵活方便等优点，特别是其具有高环保性和工作效率,在城市高层建筑基础及高速公路桥梁桩基施工中，显示出明显的优越性，其工作状态如图 1所示。图1旋挖钻机工作状态图Fig.l Ro t ary drillin g rig wo rk in g st at e diag ram青藏铁路、北京奥运等大型工程的建设，推动着我国基建对于旋挖钻机的需求进一步 扩大，而我国各地高速公路、铁路、机场、城市地铁和高层建筑的建设发展，推动着我国 旋挖钻机行业的进一步发展，特别是近年来，随着我国高铁，城市地铁等项目的进入“井 喷式”发展的高速期，我国的基础设施建设正掀起了一个新的高潮，更是进一步推动我国 旋挖钻机行业的高速发展。市场需求的高涨吸引了国内大型工程机械企业的争相进入，三一、徐工、中联重科和 山河智能等纷纷涉足，并迅速抢占了市场份额。2005年后，国内品牌旋挖钻机已基本替代 了国外品牌，2006年以来，旋挖钻销量更是连年呈现跨越式增长。据有关数据统计，国内 旋挖钻销量在2009年达到1200台，2010年突破1700台，2011年达到1800台左右。据 初步统计目前国内约50个品牌数百个型号旋挖钻机市场总量约为9000台，其中国产占 90%左右，国外二手旋挖钻也有一定比例，约为5%。而作为目前国产旋挖钻机的关键部分一一液压系统仍然是制约旋挖钻机发展的瓶颈,液压系统成为制约国产旋挖钻机发展的重要因素之一，本文以国产某型旋挖钻机为基础,借鉴国外先进旋挖钻机液压系统设计理念，结合我国旋挖钻机液压技术发展现状，探索大 型旋挖钻机液压系统的设计方法。21国内外旋挖钻机发展状况及前景1.1国外旋挖钻机发展状况旋挖钻机是在回转斗钻机和全套管钻机的基础上发展起来的，第二次世界大战前，美 国CALWELD首先研制出回转斗，短螺旋钻机。二十世纪五十年代，法国BENOTO将全 套管钻机应用于桩基础施工，而后由欧洲各国将其组合并不断完善，发展成为今天的多功 能组合模式。意大利土力公司首先从美国将安装在载重汽车上和附着在履带起重机上的钻机引入 欧洲，动力头为固定式，不能自行安装套管，难以适应硬质土层施工，1960年德国维尔特 和盖尔茨盖特公司同时开发了可动式动力头。1975年德国宝峨公司研制了配有伸缩钻杆的 BG7型钻机，该钻机直接从底盘提供动力，配置可锁式钻杆实现加压钻孔，钻孔扭矩增大，可实现在紧密砂砾和岩层的钻孔。日本于1960年从美国引进CALWELD旋挖钻机，同时加藤制作所开发了 15-H型钻 机。以后开发了可配套摇管装置和抓斗的钻机，1965年日立建机研制了利用挖掘机底盘装 有液压加压装置的钻机，1974年开发了利用液压履带起重机底盘由液压马达驱动的钻机。1980年日立建机与土力公司合作开发了为提高单桩承载力和扩底灌注桩的施工领域。德国 宝峨的加入和日立建机与住友建机的联盟进一步促进了旋挖钻机技术在日本的发展。日本 的旋挖钻机扭矩比欧洲的同类产品小。目前国外的旋挖钻机主要生产厂家为：德国：BAUER、LIEBHERR、Delmag、WIRTH、MGF,意大利 So ilMec、MAIT、CMV、CASAGRANDE、IMT、ENTEGO；西班牙：LLAMADA。日本：日车车辆、HITACHK住友、加藤；芬兰：JUNTTAN、TAMROCK；美国：APE、In g erso ll-Ran d；英国：BSP 等。国外的旋挖钻机一般都设有摇管装置由2个或3个液压马达驱动的大扭矩动力头（可 配套管连结器）。液压系统采用恒功变量自动控制、自锁互扣钻杆、先进的监控仪表（发动 机和液压系统自动监测和报警系统、钻孔深度显示、钻桅自动测斜纠偏装置）。同时配有 各种保险装置（如防止带负载起动和卷扬机超高限位等）但各家公司的旋控钻机都有自己 的技术特点。具体分析如下：德国宝峨公司其产品系列为BG12-BG25：在天津设有一家独资企业.宝峨公司钻机 的立柱调整采用大三角形支撑结构。遮设计可以加大变幅油缸安装距，增大钻桅的稳定性。但他也使转台的设计变的复杂，且升高了运输时的整车高度。国外车型中也仅有BAUER公 3司一家使用此结构。另一个特点是主副卷扬都安装在钻桅上，节省了回转平台上的安装空 间，便于转台的布置。这一结构使其整机外形较小，特别是回转平台与底盘显得小，外观 上显得前重后轻。动力头可根据负荷自动调节回转速度，具有弹簧、液压两级减振以及大 型钻机为达到套管设置深度的要求而增设的变矩器。MA1T公司目前已开发定型的大口径系列旋挖钻机中EB12、HR45、HR100、HR110 为单一钻机功能设计 HR 1 3 0、HR1 30/60、HR 1 80、HR260、HR300-570、HR240800 均为多功能设计，即该系列钻机在具有钻孔桩的功能外，通过更换不同的工作装置，还同 时具有长螺旋(CFA)、地连墙、预制桩、切割桩、全套管等施工的性能。在最近几年研制 的中、小口径系列旋挖钻机，BABYDRILL、MINIDRILL MIDIDRILL主要适合于城市建 筑物内部及铁道、交通等一些狭窄地段施工，直径为250800 mm桩径。该系列钻机也具 有多功能性能，配置不同的工作装置.可进行80 m钻深微型桩L、斜孔、高压旋喷等施 工。在MA1T公司系列旋挖钻机中，集国外钻机最大输出扭矩与最小机型为一身机型HR240-800钻机，最大钻进扭矩为790 k N m,最大钻径3 m,最大钻深110 m,最小机型 BABYDRILL钻机最小钻径250 mm。MAIT公司采用自行设计的多功能底盘，稳定性好，重量轻，可配预留装置实现多功能，并具有上下车水平调整系统可进行倾斜调节。钻机的 立柱采用平行连杆-角形支撑型式，液压系统为多泵独立回路，动力头配有套管钻进增扭 装置。钻机的摩擦钻杆驱动键的宽度和厚度大，自锁式钻杆为短键嵌人式可保证快速加锁 和解锁，而且钻杆的材料采用专利配方，同时配有钻杆支架，另外卷扬机客绳量大、单绳 缠绕可达到绳速高、提升力恒定和减少磨损。除此以外，MA1T系列旋挖钻机设置了功率 及扭矩输出分级系统，扭矩输出有3挡，即大扭矩低转数、低扭矩高转数和中扭矩中转数，功率输出有高、低2挡。用户可根据施工地质情况，设置不同的“扭矩转数”挡位和“功 率”挡位，满足各种类型地质条件快速施工的需要，达到高效节能的目的。意马公司采用卡特彼勒履带底盘，钻杆配有导向滑轮架以防止钻孔偏斜，动力头装有 油浴式润滑、冷却系统和清洗泵，液压系统主油路采用双路传递功率设计，整机液压系统 为先导负反馈恒功率变量自动控制系统，主卷扬机具有钻杆触地自停和动力头随动装置以 防止乱绳和损坏钢丝绳。NCB公司的钻机配自制底盘动力头采用恒功率控制和多功率传递的设计，整机液压系 统为先导负反馈恒功率变量自动控制。自锁式钻丰千壁较厚，加焊有凹凸导向条以增加刚 性和减少挠性变形，动力头有减振装量和清洗泵。卷扬机具有过载保护和限位保护装置,另外在长螺旋钻孔施工时，由电脑控制混凝土灌人量。CMV公司的钻机为了能在保证稳定性和垂直度的情况下改变工作半径以及穿越空中障 碍物，采用平行连杆机构加三角形支撑型式，动力头可按土层自动调整扭矩和转速。1.2国内旋挖钻机发展状况1984年天津探矿机械厂首次从美国RDI企业引起车载式旋挖钻机，1988年北京城建 工程机械厂仿制土力企业1.5m直径附着式旋挖钻机，1994年郑州勘察机械厂引进英国BSP 企业附着式旋挖钻机，1998年上海市金泰股份有限公司与宝峨合作组装bg l5,1999年哈 尔滨四海工程机械企业和徐州工程机械股份公司先后开发附着式旋挖钻机和独立式旋挖 钻机，2001年经纬巨力第一台旋挖钻机试制成功，2003年后三一、山河智能等多家生产 厂家的旋挖钻机陆续下线，产销两旺。目前，国内的旋挖钻机主要生产厂家为：湖南山河智能、湖南三一、徐工、中联重科、徐州东明、北京巨力、天津宝峨、石家庄煤机、连云港黄海、哈尔滨四海、内蒙古北方重 汽、宇通重工、南车时代、山东鑫国、郑州勘察等。我国最近几年开发的旋挖钻机技术水平起点高，但品种少，还不能满足不断发展的基 础施工市场的需要。目前国内旋挖钻机生产厂家一般是在参考国外同娄型产品技术的基础 上开发设计的，有的甚至是引进国外技术生产。所选用关键件一般为进口件，技术水平基 本上达到了国外同类产品的先进水平。但品种较少，基本上属于动力头扭矩在180220 k N m之间，最大钻孔直径2 m,最大钻深60 m的产品，有待进一步向两头发展，开发最大钻 孔直径12m和3m左右的旋挖钻机，以满足市场需要。国内主要生产产品的技术现状分 析如下。徐工集团主要产品有RD15 RD18、RD22三种旋挖钻孔机，是国内较早专业生产大口 径液压旋挖钻机的厂家。该系列钻机是在广泛吸收国外同类产品先进技术的基础上设计开 发的商新技术产品，主要性能指标达到了当代国际同类产品的先进水平，液压件等美键零 部件采用国际化配套，保证整机的可靠性。整机采用液压伸缩式履带底盘，自行起落折叠 式钻桅、伸缩式自锁钻杆，采用国际先进的PLC智能控制技术，CAN总线控制系统+具有 钻孔定位自动对正、钻桅垂直度自动控制、孔深自动检测显示、钻孔速度扭矩自适应系统、故障诊断等多种智能化功能。采用彩色屏翻屏显示，优化了界面，方便人工揉作，控制器、传感器等主要电气元件采用进口件，提高了产品可靠性。采用液压先导控制，操作方便舒 适。该系列钻机采用进口 CUMMINS系列发动机，RD22还采用了电喷发动机，最大扭矩 250 k Nm,最大成孔直径2500 mm,具有充足的功率储备，完全可以满足在中国高原地区 5的施工。徐工钻机目前主要采用进口钻杆，整机具有主副卷扬防过卷安全保护、变幅安全 限位、驾驶室内先导控制切断等可靠的安全保护装置。操纵室视野开阔，装有冷暖空调并 最犬限度地满足操作人员的舒适要求，整机外型美观大方，主要结构件采用高强度低台金 结构钢焊接而成，机械强度高、刚度太，工作安全可靠。北京经纬巨力工程机械有限公司是香港中国基础工程有限公司(CFC)IOO%投资控股 企业。生产的产品主要有ZY120、ZY160、ZY200等机型，其产品主要元件采用进口件,包括钻杆在内的结构件均为自制件，功能及技术性能与国内外同类产品相似，动力头采用 双速减速机及单级平行轴齿轮减速增扭，所选发动机功率较大，可在高原等恶劣条件下作 业。河北石家庄煤矿机械公司最新推出的XZ 20旋挖钻机是该公司在引进芬兰永腾公司 技术的基础上，采用技贸结合的方式生产的新产品。该机动力头、钻杆等均从永腾公司进 口，制造成本较高，因此售价大大高于国内同类产品机型，市场竞争力有待提高。内蒙古北方重型汽车股份有限公司经过缜密的市场调研，与吉林大学联合研制了 ZY-200型旋挖钻机，该机底盘选用卡特彼勒公司履带底盘，发动机选用美国c uMMf Ns发 动机，可以旋挖直径2 m,钻深60m的桩孔。天津宝峨公司是德国宝峨公司设在天津的一家独资企业。主要组装宝峨BG系列旋挖 钻机和连续墙施工设备，并提供在中国所有宝峨公司产品的售后服务。主要机型为BG20 旋挖钻机。该机最大的特点是动力头为双级扭矩输出，当小扭矩输出时，最大钻进速度可 达到60 dmin,大大提高了施工效率。该机可配5种自锁式或摩擦式6键钻杆，长度范围 为3058 m,发动机额定功率为145 k W,耗油量小，主要适合于在平原施工。三一重机主要产品是SR220c型，最大扭矩220 k N-m,最大成孔直径2 000 mm。该 机配置特点是底盘车体采用进口卡特彼勒可扩展底盘：动力头采用双马达双减速机结构,液压系统采用力士乐元件：整机结构布置与IMT公司机型类似。因该机采用进口底盘，成 本较高。宇通重工新推出机型是YTR230。该机型配置基本和三一重工的SR220c相同，主参数也基本相同。这是该公司首次涉足旋挖钻机领域.在技术上有待进一步完善。山河智能公司的SWDM20钻机和徐州东明公司TRM200钻机均采用自制底盘国产化 钻杆，动力头为国内同一家公司生产，技术水平相差无几。川62旋挖钻机结构组成与工作原理研究2.1 旋挖钻机主要结构整机布置钻机主要结构由行走装置、回转平台、变幅装置、卷扬机构、工作装置、桅杆构成。旋挖钻机总体布置应从保证其主要工作性能出发，它对钻机的性能、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。工作状态采用立式布置，旋挖钻机钻孔作业时孔的定位和卸土，钻机采用了上下车的回转 形式，即通过回转支承使上车绕回转中心自由转动。三角形机构实现了钻桅的自动升降,工作需要移动位置或运输时，通过钻桅的支承油缸使钻桅收放到水平状态，传统钻机必须 借助吊车来完成钻具的拆装这样不但浪费时间而且也增加了施工的辅助费用，本钻机采 用的平行四边形机构和三角形机构的变幅机构，使钻桅自行起落，在行走过程和运输时无 需拆卸钻桅。这样布置的增加了钻机的稳定性和使用的安全性。图2-1为钻机的工作和运 输状态。1.钻具总成 2.动力头总成 3.钻桅总成 4.变幅机构总成5.卷扬总成 6.上车回转总成 7.行走总成图2-1工作和运输状态图Fig.2-1 Wo rk an d t ran s po rt st at e diag ram2.1.1 行走装置钻机采用的是专用的履带底盘结构，主要功用是把发动机传到驱动轮上的驱动扭矩转 变为钻机在地面上的行走移动，如图2-2所示，其结构主要由引导轮、托链轮、行走架、支重轮、驱动轮、履带、马达、减速机等组成，四轮一带均采用进口卡特比勒原装产品，具有可靠度高、刚性好、承载力大、稳定性好等特点。71.引导轮2.拖链轮3.行走架4支重轮5.履带6.驱动轮7.马达减速机图2-2行走装置图Fig.2-2 Th e walk in g dev ic e2.1.2 回转平台回转平台主要由回转减速机、回转马达、回转支承、发动机系统、液压系统、燃油 液压油箱、机架等组成，其作用是承载工作体重量，并使之随回转平台按要求回转，且 回转速度的快慢可以通过液压手柄的比例阀进行有效调节和控制。2.1.3 变幅装置钻机采用目前最流行的平行四边形机构，各部件之间采用销轴联接，拆装方便，联 接可靠，可实现桅杆090自动无级调节，以适应工作和运输状态的快速转换以及钻 孔位的快速找正。2.1.4 卷扬机构钻机布置主、副两个卷扬，主卷扬起提升钻杆、钻具上下运动的作用，其最大提升 力约2 4吨；副卷扬为施工起重辅助设备，用于起吊钢筋笼，下放套管等施工作业，最 大提升力约1 1吨。两卷扬均采用进口减速机和马达，其使用寿命和可靠性得到很大保 证。主卷扬布置于桅杆下部，不仅有利于操作人员实时对主卷扬的工作状况进行监控,还能大大降低工作时桅杆承受的弯矩，从而使桅杆重量更轻、结构更合理、使用寿命更 长，进而降低整机稳定性的设计难度。2.1.5 工作装置钻机的工作装置主要由动力头、钻杆、钻斗等组成，液压泵输出的高压液压油带动 动力头上的2个液压马达，经行星减速机和动力头齿轮箱两级减速后，以低速大扭矩的 形式通过动力头键套传递给钻杆，钻杆带动钻斗旋转，此工作装置对摩阻式和机锁式两 种钻杆均适用。动力头采用的减速机和马达均采用进口产品，钻杆和钻斗由国内钻具专 业生产厂家进行定制生产。82.1.6 桅杆桅杆是工作装置的安装支撑部件，也是工作装置上下滑移的导向结构。钻机的桅杆 根据盈利分析和疲劳测试，使用瑞典原装进口钢材特质的大截面箱型结构桅杆，不仅能 有效防止开裂，还能满足最佳寿命的期望值。2.2 整机参数根据实际工况要求,结合已有旋挖转机产品性能，旋挖钻机的主要技术参数表见表2-1。表2-1主要技术参数表Tab.2-1 Main paramet ers desig n主要性能参数最大输出扭矩280 KN m最大钻孔直径2500 m最大钻孔深度85 m钻孔转速6 23 r/min主卷扬提升力240 KN副卷扬提升力110 KN主卷扬最大提升速度63 r/min最大加压力180 KN最大起拔力200 KN加压行程6000mm整机重量76.22T2.3 液压系统设计要求由旋挖钻机实际工况特点可知，旋挖钻机与其他工程机械一样，要求液压系统和元件 能耐冲击、耐振动、工作平稳可靠，使用寿命长，容积效率高，系统沿程和局部损失少，散热系统能保证在满载持续工况下油温485。或温升45。，配备良好的防尘、密封、过 滤装置，液压元件和管路震动小、噪声低；液压系统与发动机在各种工况条件下有良好的 功率匹配，使执行机构和发动机的工作点接近各自的最佳稳定工况，在作业循环中尽量充 分利用发动机的功率。除此之外，液压系统还必须有如下要求：（1）对卷扬回路的要求由于提钻时，孔内对钻具产生巨大的吸附力，所以旋挖钻机主卷扬液压回路中液压 马达必须具备足够的输出扭矩，满足最大提升力的要求，液压马达还必须具有良好的启动 性能，以便克服静力矩和惯性力矩。卷扬马达必须满足提升速度的需，必须具有良好的调速性能，要求调速范围大，平 稳且可靠，操作方便，微调性好。必须设置限速回路，防止重物超速下降。必须设置制动器，在提钻时，必须保证液压马达具有一定扭矩后，制动器才打开,避免钻杆在空中再次提升时产生滑降。为保证卷扬提升速度，有时需要双泵合流。（2）对动力头回转回路的要求钻孔作业是通过动力头液压马达的旋转实现的，因此，动力头液压液压马达必须具有 足够的驱动力矩，以克服钻孔阻力矩。此外，动力头还需要回转急停或快速抛土，为保证 这些需求，需要动力头液压回路有相当灵敏的控制系统和缓冲装置，还需满足快速旋转要 求。（3）对上车回转液压回路的要求由于旋挖转机上车回转惯性负载大，启动制动频繁，所以，上回转回需要设置制动、缓冲补油和防反转回路，达到制动平稳，防止倾翻。（4）行走机构需要有完善的防滑坡限速、行走制动装置。（5）钻杆变幅调垂直回路需要有过载保护，防止倾翻。（6）为满足加压回路快压和慢压功能，需设置平衡阀。（7）在钻孔时，要求行走和回转平台必须不能动作，避免钻偏或扭断钻杆。（8）行走和回转回路必须能互锁，保证钻机平稳性。103旋挖钻机执行机构工况分析3.1 钻进工况分析旋挖钻机动力头驱动钻具钻进时，钻具在孔底掘削作业，在钻具自重和加压作用下一 边回转切削土体，一边装载，钻杆和钻具及钻具装载的砖渣在泥浆内回转，所要克服的阻 力矩包括切削刀具所受的阻力矩以及钻杆钻头的回转阻力矩，切削刀具所受的的土壤阻力主要有切削土体产生的阻力矩，包括：被动土压力产生的45。+“阻力矩/2滑移面上的摩擦力产生的阻力矩Mg沿切刀面的摩擦力产生的阻 力矩”3小切削刀侧面的剪切土体的阻力产生的阻力矩知仁切削刀背面切入土体的摩擦 力产生的阻力矩Mo。而钻杆钻头回转的阻力矩主要包括：钻头与孔壁表面摩擦产生的阻 力矩加2】；钻头钻杆回转的惯性阻力矩M22；土体在钻斗内的回转阻力矩“24。3.1.1 被动土压力产生的阻力矩如图所示为切削刀所受的朗肯被动土压力F,将一小块土体取出，其所受的应力如图3-1所示，土体的破坏在切与6所决定的平面内产生，当m增大到bmax时，土体产生破坏，则(7 (7 max (T min Kp+2c 疝(3-1)图3-1朗肯土压力（左）、土体应力图（右）Fig.3-1 Th e Ran k in e so il pressure（lef t）,so il st ress（rig h t）土体竖直方向所受应力由三部分组成：一部分为钻头上表面的覆土产生的重力，一部 分为孔内灌入泥浆产生的重力，另一部分为旋挖钻机钻进时的轴向压力。假设钻斗内即将 装满土，则垂直主应力为73=(7min=yi(H-l)+/21+%(3-2)式中：H-旋挖钻进深度（m）；111旋挖钻斗的高度（m）；%钻孔内泥浆的容重（/2）;土壤的容重（/m）.T钻进的轴向压力（k n）；S轴向承压面积（/）；则有（J max=|/l（H-l）+/21+，Kp+2CyK所以任一把切削刀上的朗肯土压力为(3-3)Fil=(Tmax bh二历(h-i)+加+%K+2c 疝)bh(3-4)式中：历一切削刀的宽度（mm）；而切削刀的切削深度（m）。所以切削刀因朗肯土压力所受的阻力矩为M=FiRu=i=(3-5)式中：m 切削刀的数量;Ri 第i个切削刀的切削半径。3.1.2 450+%滑移面上的摩擦力产生的阻力矩如图3-2所示，切削刀切削下来的土体将沿着与水平呈“0十%角度的滑移面滑移。滑移面上的摩擦力是土与土之间的摩擦，土体要克服主应力和bmin在滑移面上产生的 运动摩擦阻力的作用而上移。滑移面作用的正压力ON O max COS卜50+%)+bmin sin 卜5。+%)(3-6)滑移面上的摩擦阻力为12Ff=(12(7 出1(3-7)式中：山土壤的内摩擦系数;/i=hc o s 45+/l滑移面的长度，将滑移面的摩擦阻力分解为水平分力*2和竖直分力FN,则有F12=尸Sin 卜5。+%)必/i sin(3-8)772/71/21 m c o s 0+(1+sin 0)Fn 二尸c o s,50+%)X/2(TnZ?icos(45+%)(3-9)/J.2bh Ti(l sin)+6 c o s/2 c o s（45。+%）则切削刀因为土壤滑移面摩擦阻力所受的阻力矩为的可 Qbh mc o s+F)+s iMR(3-10)图3-2 土壤滑移面的摩擦阻力Fig.3-2 So il slidin g f ric t io n resist an c e133.1.3 沿切削刀面的摩擦力产生的阻力矩如图3-3所示切削刀切削下来的土体将沿着切削刀具的前角鞋面上移，进入钻斗容腔 内。刀具前角斜面上土体要克服主应力bmax和（7 min产生的运动摩擦阻力的作用。Fig.3-3 Th e c ut t in g surf ac e f ric t io n resist an c e 切削刀前角斜面作用的正应力为O3N=O ma x sifl 4+(T min COS 切削刀前角斜面上产生的摩擦阻力为式中：”土壤与刀具的摩擦系数;b切削刀前角斜面入土的长度，sin a；a切削刀具的切削角将前角斜面上的摩擦阻力分解为水平分力八3和竖直分力已加，则有F13=Fif cos a=jUiCjNbihcosa/jbh t ri sin 2a+cT3(1+c o s 2a)2 sin aF3N=F3f sina=/j(j3Nbihsina(3-11)(3-12)(3-13)(3-14)F3 f=/j.bh c ri(l-c o s 2a)+(73 sin 2a 2 sin a切削刀因为土壤滑移面摩擦阻力所受的阻力矩为14白 Hbh(ysm 2+(73(1+c o s2)1 M3f=y 尸 13吊，=y-Ur”t r 占 2 sin3.1.4 切削刀侧面剪切土体的阻力产生的阻力矩如图3-4所示切削刀切削土体时，切削刀面与土体发生剪切作用,入。(3-15)阻碍切削刀的切图3-4切削刀侧面剪切土体的阻力Fig.3-4 Cut t in g side sh ear resist an c e o f t h e so il则侧刀面剪切土体面积为小八 1 h h.n h2 sin BS=2x-x-x-x sin 0=.-2 sin y sin sin/sin a剪应力为对于砂土T=(y t an。对于黏性土r=C+(7 t anT(7=(7 min=/1(/-/)+/2/+s式中：/切削刀的后角；B刀尖角。(3-16)(3-17)(3-18)(3-19)(3-20)切削刀剪断土体时的阻力为Fu=tS(3-21)切削刀侧面剪断土体时的阻力矩为(3-22)3.1.5 切削刀背面切入土体的摩擦力产生的阻力矩如图3-5所示，作用在切削刀背面的法向反力是由水平反力尸十为2+尸13所产生，水平反力在刀背面上形成的正压力网|为图3-5切削刀背面的摩擦阻力Fig.3-5 Cut t in g bac k f ric t io n resist an c e切削刀背面上产生的摩擦阻力为尸 _ F11+Fl2+Fl3r 5f=小卜N=-s in/(3-24)将切削刀背面上的摩擦阻力分解为水平分力人5和竖直分力b5N,则有尸 15=G/c o sy(3-25)F5N=F5fsiny(3-26)切削刀切入的运动摩擦阻力矩为.三匚 0 仔 Fh+F12+F13M5=/1 Fl5Rli 2，A1-Rli/=曰 t an/(3-27)163.1.6 钻斗与孔壁表面摩擦产生的阻力矩钻斗在切削土的过程中，由于钻杆的稳定性因素的影响，与孔壁之间存在摩擦，由于 摩擦力产生的摩擦阻力矩可以采用朗肯主动土压力理论来求解。图3-6钻斗与孔壁作用力分析Fig.3-6 Drill pipe an d h o le wall f o rc e an alysis 根据极限平衡条件有P=m=/3 t an2(45 幺)一2。t an(45-幺)2 2(3-28)=(yKs-2c4Ks式中：P钻抖的侧压；c rmax 2。、Ks=-=t an (45-)K主动土压力系数，bmin 2由图3-6可知，3 二%”(3-29)则作用在钻斗圆柱表面的回转摩擦阻力为6 尸(3-30)这时作用在钻斗上的回转阻力矩为M i-R(y 21 x 2tt7?/)(3一31)由于钻斗的扰动以及钻斗与孔壁之间存在一定的间隙用于泥浆的流动，可以视钻斗和 孔壁是在混合摩擦的作用下，因此需要对上式进行修正。(721=/iPk k i17Mix=R(72ix 2 万 R/)=2兀 Nlu k k 2P(3-33)式中：h考虑到钻斗与孔壁存在一定的间隙时侧压修正系数，匕=0.40.6；近一一考虑到钻斗与孔壁混合摩擦时摩擦力修正系数，匕00,2 o3.1.7 钻头钻杆回转的惯性阻力矩动力头驱动钻杆需要消耗扭矩，按苏联瓦西里也夫经验公式经换算求得扭矩M22为M22=Vx 71620(3-34)式中：。经验系数，一般取125x 10-6；L钻杆长度(m),按设计孔深计30m；d-钻杆外径(c m),d=39.4；钻杆转速(r/min)o3.1.8 土体在钻斗内的回转阻力矩钻斗的装载机构为斗的内腔，钻斗一边靠切削刀切削土体，一边将切剩下来的土块装 入斗内，并跟随钻斗的回转而回转。假设钻斗即将充满土，由图3-7所知，钻斗的斗容量为V为7rR2l+-7rR2hV t-3-0(3-35)Fig.3-7 Drill ro t ary resist an c e mo men t buc k et f ig ure钻斗圆柱体部分回转所消耗的阻力和阻力矩为181,尸 23=21Ksx2 兀 RI=兀卜RI2 y2Ks21 1 八M23=F23XR=7T,fR212y2Ks 2 2斗内土重为/2R2(/+-/?)W=V2V=-2_。则土体作用在斗底面的正压力为2 WN=-2 c o s P钻斗斗底面上产生的摩擦阻力为 7 mWF24=N=-2 c o s p故斗底圆锥体部分的阻力矩为,_ 邛 72乃J-+-2(1+疳M 24=R2+h2 F24=-3 60c o s夕因此旋挖钻机钻进的总阻力矩为M=M li+M if+M 3 f+M 4+M 5+M 2+M 22+M 23+M 24(3-36)(3-37)(3-38)(3-39)(3-40)(3-41)(3-42)令土壤容重匕=19.8AN/m3,泥浆容重7=12后N/m;土壤内聚力C=48Z&,土壤内摩 擦角0=18,钻进深度H=30m,土与钢板之间的摩擦系数=0.2,土壤内摩擦系数心=0.6,钻斗直径D=L5m,斗齿宽b=64mm,压轴力T=180k N,斗高/=1.0吃 斗齿平均插入深 度历=50巴钻斗转速=10厂/min,切削刀具的切削角。=60。，切削刀具的后角/二 25。，切削刀具的刀尖角仅=35,切削刀数二 22,Rh=377mm,7?i2=462.25mm,Ri3=544.5,7?i4=629.75,R5=715mm,R6=800.25/7im,Ri=882.75mm,Ris=965.25mm,R19=1047.75m/?,R20=1130.25m/?,R21=1212.75/%/%带入上述参数，可以算出：19详细D=W=G图马氏：三二1爸爸五四0六，3231885406）近3 第51 资玷M 55 19岁=7月13日（公历）巨第座展虎11 小，W q X会,回6QA与SI学。，1 郦子的与的危的空间仝奎咨判棚总的、林新aMw=50.5 k N-m,M f=40.3k N-m,M 3f=6.4k N mMi4=123k N-m,Ms=42.Wm,Mi=77.0AN-mM 22=1.Ik N-m,M 23=5.2k N-m,M 24=229k N m则可得旋挖钻进阻力矩为M=263.9k Nm所以旋挖钻机动力头钻进总阻力矩知=263,9k N mT=280k N7n（旋挖钻机设计最 大输出扭矩）。3.1.9钻进速度分析旋挖钻机钻孔作业时，由液压泵供油驱动动力头马达，经减速机和驱动齿轮的两级减 速后，以低速大扭矩的形式输出驱动钻具进行钻孔作业。钻具的钻孔速度根据的设计参数 要求，钻孔速度为623r/min。3.2 卷扬机构工况分析旋挖钻机配置的主卷扬主要实现钻杆、钻头的提升下放，副卷扬完成施工过程中的某 些辅助吊装作业，如吊装钻斗、钢筋笼等，作为旋挖钻机的辅助起重设备，由于副卷扬不 直接参与施工的钻进过程，其负载小且较为稳定，根据旋挖钻机的设计主参数，副卷扬最 大提升力为UOk N,由一般设计经验，设定副卷扬的提升速度v=38m/min,因此，副卷扬 机构工况不再具体分析。3.2.1 主卷扬工况分析与计算旋挖钻机主卷扬提升系统的受力分析简图如图3-8所示，系统的负载主要有：钻杆重 量G1、钻斗（含满斗渣土）重量G2；提升时，泥浆、孔壁等对钻杆、钻斗上升的阻力,力、滑轮组摩擦力力；卷扬突然启动与停止时，钻杆及钻斗（含满斗渣土）产生的惯性力凡。系统的负载全部依靠主卷扬提供的拉力F克服，但当施工为静浆护壁时，由于钻斗及部分 钻杆位于泥浆液面以下，所以泥浆对系统提供一个与惯性负载作用方向相反的浮力抄，而 20当钻杆、钻斗提出泥浆液面时，不产生浮力好。详细D=W=G图逐：三二1爸爸五四。六.3231885406）W9B-男19岁 二7月13日（公历）巨紫座 用虎|金 I，X白会。叵1 N”),.、2心 乙 酬刈(3-53)式中：臼当量摩擦系数，见表3-1；D。-回转支撑的滚道中心直径(m)；工屈由于外载荷Gp和M的作用，在滚动体上产生的法向压力绝对值总和(N)；由于外载荷外的作用，在滚动体上产生的法向压力绝对值的总和(N)；表3-1当量摩擦系数表Tab.3-1 Th e equiv alen t f ric t io n c o ef f ic ien t t able工况滚球式轴承交叉滚珠式轴承正常回转0.0080.01回转启动时0.0120.015(3)回转坡度阻力矩：Ms=Qr sin a+Gbrh sin a Go ro sin a(N m)式中：a-停机工作面的斜角；Gb工作装置总重(N)；G。一一转台上部(除工作装置外)自重(N)；24Q回转斗内物料重(N)；r物料重心到回转中心轴线的距离(m)；rb 工作装置重心到回转中心轴线的距离(m)；厂。一一转台上部(除工作装置外)重心到回转中心轴线的距离(m)o带入数据，令钻杆重量13.5T,动力头重量5T,桅杆重量8.7T,平行四边形机构重量3.3T连接体重量2.1T,上车工作装置重量10.6T,整车重量76.223T,=0.016-0.048r/s,t=410s,物料中心道回转中心的距离厂=3800/加，回转支撑的滚道中心直径。二2000“帆。经计算得：M=13516 101375N m,跖=5976N mMs=3616N m,M max=110967N-m所以，上车回转最大阻力矩为Mmax=110967Nf 2。由于上车回转机构惯性大，回转行程小，其回转速度过大影响整机稳定性及安全，结 合一般设计经验，其回转速度设定为=3r/min。3.5行走装置的工况分析旋挖钻机行走部分设计上采用全液压履带行走装置，采用低速大扭矩液压马达经行走 减速器驱动履带驱动轮行走，驱动轮为履带后轮。其行走装置运行时所发出的牵引力必须 克服下列阻力：履带的内阻力、土壤变形等的运行阻力、坡度阻力和转弯阻力等。在这四 种运行阻力中，以坡度阻力和转弯阻力最大,在旋挖钻机行走阻力中往往占到总阻力的2/3,尤其旋挖钻机的原地转弯阻力比机械式的绕一条履带转弯阻力更大，但转弯和爬坡不是同 时进行的。因此旋挖钻机行走负载最大时发生在旋挖钻机爬坡运行或原地转弯时，即：Wmax=Wl+W2+W4(3-55)或Wmax=W1+卬3+卬4(3-56)式中：W1土壤变形对履带行走装置在运行时的阻力；叩2坡度阻力；卬3履带式运行装置转弯时所受的阻力；25W4履带运行的内阻力