打樁機箱體結構部件設計【含CAD圖紙】

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湘潭大學興湘學院 畢業(yè)設計說明書 題 目：打樁機箱體結構部件設計 學 院： 興湘學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： 2010963007 姓 名： 陳志遠 指導教師： 吳繼春 完成日期： 2014年6月 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）任務書 論文（設計）題目： 打樁機機箱體結構部件設計 學號： 2010963007 姓名： 陳志遠 專業(yè)：機械設計制造及其自動化 指導教師： 吳繼春 系主任： 劉柏希 一、主要內容及基本要求 (1)分析打樁機工作原理和技術要求及其構思方案。 (2)完成打樁機傳動系統的設計、機構設計和結構設計。主要零部件的受力分析和強度計算。繪制所設計方案的機構運動簡圖；繪制打樁機的裝配圖及主要的零件圖。要求圖紙工作量2張A0圖紙(AutoCAD繪圖)。 (3)設計說明書一份，電子文檔一份。 (4)英文文獻翻譯（含原文）。要求：原文5000個單詞以上，中文翻譯要求通順。 二、重點研究的問題 （1）旋挖打樁機總體方案設計。 （2）旋挖打樁機傳動系統的設計。 （3）主執(zhí)行機構設計及其結構設計。 三、進度安排 序號 各階段完成的內容 完成時間 1 收集資料、查詢相關文獻 2014年1月18日～2月22日 2 掌握旋挖打樁機的工作原理和技術要求，進行方案構思與設計 2014年2月23日～ 3月8日 3 完成傳動系統及機構設計和主要零件設計計算 2014年3月9日～ 3月31日 4 繪制裝配圖和零件圖草圖 2014年4月1日～5月2日 5 完成裝配圖和零件圖的設計 2014年5月3日～5月15日 6 撰寫畢業(yè)設計說明書及英文文獻翻譯 2014年5月16日～ 5月26日 7 交畢業(yè)設計說明書，準備答辯 2014年5月 27 日～ 5月28日 四、應收集的資料及主要參考文獻 [1] 韓金亭.大口徑旋挖打樁機在樁基施工中的技術優(yōu)勢[J].西部探礦工程，2002，3: 85～86 [2] 郭玉文.旋挖打樁機在北京城市鐵路高架橋樁基施工中的應用[J].鐵道建筑技術，2001，12:8～10 [3] 李世京.對國產旋挖打樁機研制選型的幾點意見[J].探礦工程，1996，1：38～52 [4] 國內外螺旋打樁機的發(fā)展概況[J].工程機械與維修，2000，9：30～32 [5] 周紅軍.我國旋挖打樁進技術及設備的應用與發(fā)展[J].探礦工程，2003，2:11～17 [6] 吳允成.旋挖打樁斗結構的探討[J].探礦工程，2000，2:28～31 [7] 郭玉文.旋挖打樁機在北京城市鐵路高架橋樁基施工中的應用[J].鐵道建筑技術，2001，12: [8] 鄭效功，柳東輝，姜英民，包長林.旋挖打樁機在施工中的推廣與應用[J].黑龍江交通科技，2000，2：81 [9] 閻逢君，謝鵬勝.無循環(huán)旋挖打樁機操作規(guī)程的優(yōu)化[J]. 探礦工程，1999，4：13 [10] 吳時明.旋挖打樁機——一種先進的橋梁基礎樁施工設備[J].工程機械，2002，5：12～14 [11] 王平，趙永生，趙政.旋挖打樁機選型及其在成孔施工中存在問題的探討[J].探礦工程，2001，4:18～20 [12] 侯再民.旋挖打樁機卡打樁原因及其對策[J].探礦工程，2001，1:13～14 [13] 郭 傳 新 , 馬 建 中 , 馬 鴻 忠 . 中 國 樁 工 機 械 概 況 [J]. 建 筑 機械,2002,10:5～9 [14] 李國平.BRM-4 型打樁機打樁桿發(fā)生斷裂原因的分析及防止[J].建筑機械2001,2:45～47 [15] 何銘新,錢可強.機械制圖[M].北京:高等教育出版社,2004. [16] 潘子健,朱玉祥.計算機三維建模在教學中的應用[J].吉林大學社會科學學報,2003,增刊,210-213. [17] 尤春風. CATIA V5機械設計[M].北京:清華大學出版社,2003. 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）評閱表 學號 2010963007 姓名 陳志遠 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計）題目： 打樁機箱體結構部件設計 評價項目 評 價 內 容 選題 1.是否符合培養(yǎng)目標，體現學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的； 2.難度、份量是否適當； 3.是否與生產、科研、社會等實際相結合。 能力 1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運用知識的能力； 3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力； 4.是否具備一定的外文與計算機應用能力； 5.工科是否有經濟分析能力。 論文 （設計）質量 1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何； 3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。 綜 合 評 價 該同學所完成的打樁機箱體結構部件的結構設計 基本原理正確，傳動系統設計合理。畢業(yè)設計說明書的論述合理，設計計算方法正確，格式符合要求。所繪制的裝配圖與零件圖錯誤較少，基本達到工程圖的要求。該同學具備了一定的專業(yè)理論的綜合運用能力，正確制定設計方案和解決問題的能力，工程能力，設計能力，計算機制圖，及外語能力，具備了工程師的基本素質。整個畢業(yè)設計工作體現了學科教學計劃的基本要求，所完成的工作達到了本科畢業(yè)設計要求，推薦成績?yōu)椤凹案瘛保蓞⑴c答辯。 評閱人： 2010年5月 日 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）鑒定意見 學號： 2010963007 姓名： 陳志遠 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計說明書） 30 頁 圖 表 6 張 論文（設計）題目 旋挖打樁機箱體結構設計 內容提要：近年來,我國旋挖打樁機取得了較快發(fā)展"但是相較于旋挖鉆機在國外幾十 年的發(fā)展歷史,國內旋挖打樁機在關鍵部件和核心技術方面跟國外相比還有一定的差 距,我國旋挖打樁機的發(fā)展還任重道遠。 本文所研究的動力頭作為旋挖打樁機主機的重要子項,一直是主機研究的關鍵部件 "其性能好壞直接影響打樁機整機的工作效率"打樁機的發(fā)展在國外己經有數十年的歷 史,動力頭的發(fā)展己具備優(yōu)越的性能!獨特的技術和全新的設計概念"目前國內動力頭 的開發(fā)能滿足旋挖打樁機基本的施工作業(yè),但可靠性和功能擴展方面還需進一步發(fā)展。 目前還很難檢索到有關旋挖打樁機動力頭系統設計開發(fā)的相關文獻,國內外均無 文獻可參考和借用。因此,本課題對動力頭系統的分析和研究,作為旋挖打樁機開發(fā)項 目中的重要的子項,希望會給旋挖打樁機的產品開發(fā)帶來一定的借鑒作用。 指導教師評語 該同學所完成的打樁機箱體結構部件的結構設計 基本原理正確，傳動系統設計合理。畢業(yè)設計說明書的論述合理，設計計算方法正確，格式符合要求。所繪制的裝配圖與零件圖錯誤較少，基本達到工程圖的要求。該同學具備了一定的專業(yè)理論的綜合運用能力，正確制定設計方案和解決問題的能力，工程能力，設計能力，計算機制圖，及外語能力，具備了工程師的基本素質。整個畢業(yè)設計工作體現了學科教學計劃的基本要求，所完成的工作達到了本科畢業(yè)設計要求，推薦成績?yōu)椤凹案瘛?，可參與答辯。 指導教師： 2014年 月 日 答辯簡要情況及評語 答辯小組組長： 2014年 月 日 答辯委員會意見 答辯委員會主任 2014年 6月 日 目 錄 摘 要 1 第1章 緒論 3 1.1國內外旋挖打樁機的發(fā)展現狀 3 1.1.1旋挖打樁機機的簡介 3 1.1.2國內外旋挖打樁機的發(fā)展現狀 5 1.1.2.1旋挖打樁機的發(fā)展史 5 1.1.2.2國外旋挖打樁機的現狀 5 1.1.2.3國內旋挖打樁機的現狀 6 1.2本課題的意義及研究內容 6 1.2.1本課題的意義 6 1.3論文主要內容 7 第2章 旋挖打樁機的工作原理及施工工藝 8 2.1旋挖打樁機的主要構成 10 2.2旋挖打樁機的工作原理 11 第3章旋挖打樁機動力頭系統 11 3.1旋挖打樁機動力頭系統的簡介 11 3.1.1旋挖打樁機動力頭系統的構成 11 3.1.2旋挖打樁機動力頭系統的工作原理工作原理 11 3.2旋挖打樁機動力頭系統主參數設計 12 第四章 旋挖打樁機動力頭結構組成 14 4.1動力頭結構組成 14 4.2旋挖打樁機動力頭箱體內部結構 15 4.3旋挖打樁機動力頭箱體內部結構設計 17 4.3.1動力頭箱體齒輪設計 17 4.3.1.1齒輪模數 17 4.4變速器齒輪的的校核 21 4.5 變速器軸的校核 22 4.5.1．軸的工藝要求 22 4.5.2．計算齒輪的受力，選擇一檔受力分析，進行軸的剛度和強度校核。 22 4.5.3 軸的剛度計算 23 參考文獻 25 致謝 26 摘 要 近年來,我國旋挖打樁機取得了較快發(fā)展"但是相較于旋挖打樁機在國外幾十年的發(fā)展歷史,國內旋挖鉆機在關鍵部件和核心技術方面跟國外相比還有一定的差距,我國旋挖打樁機的發(fā)展還任重道遠。 本文所研究的動力頭作為旋挖打樁機主機的重要子項,一直是主機研究的關鍵部件"其性能好壞直接影響鉆機整機的工作效率"打樁機的發(fā)展在國外己經有數十年的歷史,動力頭的發(fā)展己具備優(yōu)越的性能!獨特的技術和全新的設計概念"目前國內動力頭的開發(fā)能滿足旋挖打樁機基本的施工作業(yè),但可靠性和功能擴展方面還需進一步發(fā)展。 目前還很難檢索到有關旋挖打樁機動力頭系統設計開發(fā)的相關文獻,國內外均無文獻可參考和借用"因此,本課題對動力頭系統的分析和研究,作為旋挖打樁機開發(fā)項目中的重要的子項,希望會給旋挖打樁機的產品開發(fā)帶來一定的借鑒作用。 關鍵詞：旋挖打樁機,動力頭,傳動方式，打樁機，減速器 54 Abstract In recent years, the rotary digging pile driver has obtained the fast development of our country "but compared with rotary digging pile driver in a foreign country for decades, the development history of domestic rotating drill in key components and core technology, there is still a gap compared with abroad, the development of rotary digging pile driver in China is still a long way to go. This paper studied the power head as an important item of the rotary digging pile driver host, has been the key components of the host research "the performance is good or not directly affect drilling efficiency" the development of the driver in a foreign country has several ten years of history, the development of the power head has a superior performance!Unique technology and new design concept of "the development of the current domestic power head can meet the construction work of rotary digging pile driver basic reliability and function extension but still need further development. It is difficult to retrieve the rotary digging pile driver power head system design and development of related literature, no literature at home and abroad and use for reference ", therefore, this topic for power system analysis and research, as important item in the rotary digging pile driver development projects, hope will bring the rotary digging pile driver product development as a reference. Keywords: rotary digging pile driver, power head, drive way, the driver, the speed reducer  第1章 緒論 1.1國內外旋挖打樁機的發(fā)展現狀 1.1.1旋挖打樁機的簡介 旋挖打樁建筑基礎工程中成孔作業(yè)理想的施工機械,具有較大輸出扭矩!較高施工效率的優(yōu)點,且兼有污染少、環(huán)保好、多功能等特點。我國地域遼闊,土壤地質復雜多變,在工程施工中旋挖打樁根據不同的地質條件選擇不同類型的鉆具,施工適應性強,目前已成為工程機械行業(yè)的熱門產品。未來幾年,我國將投入巨額資金進行基礎設施和城市公共設施的建設,包括高速鐵路、城際公路、電力、城市地鐵等的建設,因此旋挖打樁機的發(fā)展具備較好的宏觀經濟環(huán)境,具有較大的發(fā)展空間。 旋挖打樁機是樁基礎施工的高效成孔設備,施工時利用動力驅動系統來驅動打樁桿和打樁頭回轉挖土,打樁進壓力為液壓油缸提供的加壓力,打樁頭進尺裝滿土石后由主卷揚提升,回轉拋土,同時泥漿進入保護孔壁。循環(huán)作業(yè)成孔達到施工要求。 與其他打樁孔機械比較,其施工具有以下幾個優(yōu)點: (1)作業(yè)速度快,成孔質量高。旋挖打樁機輸出扭矩大且具有扭矩自適應功能,可根據地質情況自動調整輸出扭矩,工作效率高"而且施工時鉆頭直接從孔內挖土提升,而循環(huán)打樁機則是由打樁頭切削!泥漿循環(huán)排渣。因此省工省時,打樁進速快。一般情況下,在土層、砂層的打樁進速度可達10In幾1,在粘土層可達4一6m/h,是普通回轉鉆進的3一5倍,甚至更高；而且旋挖打樁機鉆進時對地層擾動小,孔壁泥皮薄,形成的孔壁為粗糙型，有利于增加樁側摩阻力,保證樁基設計承載力。由于旋挖打樁特有的施工方法,使成孔底部沉渣少,清孔容易,成孔質量高。 (2)施工污染少,環(huán)境保護較好。旋挖打樁機使用打樁頭直接旋挖取土,然后通過伸縮打樁桿將鉆頭提出孔外高速回轉拋上。所挖泥土和石渣可及時清理運走,施工現場干凈。而循環(huán)打樁機的工作原理則是由打樁頭對地層進行切削,通過正反循環(huán) 不同的方式抽送泥漿,利用泥漿將孔底的泥土或切削石渣攜帶上來并排放到地面的泥漿池內,循環(huán)往復,施工現場泥漿橫流,污染嚴重。旋挖打樁機施工中也使用泥漿,但泥漿的作用是用來護孔壁,施工現場基本無泥漿污染,且泥漿經過處理可以多次反復利用。 (3)行走方便、移位快捷。旋挖打樁機底盤裝有兩條行駛履帶及其驅動機構,無需借助其它工程機械可以自行行走,而傳統打樁機由于本身無行走機構,往往需要借助吊車等工程機械才可實現移位。同時旋挖打樁機施工對孔時,利用先進可靠的電、液控制,定位精確。方便可靠"而傳統打樁機沒有先進的定位控制裝置,對孔進行定位時只能依靠目測和經驗確定,定位精確度不高。 (4) 適應地層廣泛。我國地層復雜,南北地區(qū)地質條件相差較大,南方多石,且硬度不一,北方多土,且土層變化多樣。旋挖打樁機可以通過更換適應不同地層的打樁頭進行不同地質的施工,甚至可以進行堅硬巖層的施工,地層適應性較強。 (5)一機多功能。多功能旋挖打樁機在普通旋挖打樁機上通過簡單的裝拆可實現多種樁工機械的施工,例如更換長螺旋打樁頭及對動力頭進行簡單改動,可實現長螺旋打樁機的施工;通過更換臂架及工作裝置,可實現連續(xù)墻抓斗的施工;通過懸掛振動錘可實現振動樁施工。更換簡單,施工效率高,適應范圍廣,用戶購買一臺旋挖打樁機,即可實現多臺工程機械施工的目的,可為用戶節(jié)省大量資金。 (6)電、液控制，先進可靠。為提高旋挖打樁機的自動化程度,旋挖打樁機的生產均采用先進的電!液控制,整機定位為全液壓打樁機,各項作業(yè)均采用相應的液壓系統和電氣控制,先進可靠。為了提高旋挖打樁機的可靠性和使用壽命,旋挖鉆機關鍵的液壓元件和電氣元件均選用進口件,如德國的力士樂液壓系統、日本的電控系統等,使用后可延長旋挖鉆機的整體使用壽命,不致于因個別零件的損壞而影響旋挖鉆機的施工。 1.1.2國內外旋挖打樁發(fā)展現狀 1.1.2.1旋挖打樁機發(fā)展史 打樁機最初開發(fā)成功的是螺旋打樁孔機，時間大約在1940年。然后回轉斗式打樁機在美國率先研制成功。前蘇聯及歐洲其他國家也陸續(xù)開發(fā)和使用打樁機，法國洛特(BENOTO)于五十年代初期首先研制開發(fā)了全套管打樁孔機7呀8。隨后，德國、日本等相繼研制出這種機型并獲得全面發(fā)展。BAUER公司生產的BG系列、IMT生產的AF系列、SOILMEC公司生產的R系列、CMV公司的TH系列、LIEBHERR生產的LRB系列等產品性能優(yōu)越、技術先進，處于世界領先位置。隨著先進的電液控制技術的發(fā)展與在工程機械上的成功使用，打樁機的功能進一步加強，施工效率也大為提高，產品的競爭力日益提升。 我國是從日本引進的打樁機部分工作裝置，配裝在履帶起重機上形成最初的旋挖打樁機；然后美國RDI公司的旋挖打樁機被天津探礦機械廠引進并消化吸收；1987年意大利SOILMEC公司產品首次在北京展覽館展出；隨后履帶起重機附著式旋挖打樁機根據土力公司的樣機在我國試制成功，但沒有形成批量生產。德國寶峨公司從1995年在中國陸續(xù)成立了獨資子公司寶峨天津機械工程有限公司和中德合資上海寶峨金泰工程機械股份有限公司，開始生產BG20、BG15、BG24型旋挖打樁機、別。1998年，徐州工程機械集團有限公司自主研發(fā)成功RD18旋挖打樁機，并于1999年試制成功后進行了批量生產，并逐漸形成系列化產品。我國旋挖打樁機以此為標志，從此打開了自主研發(fā)和快速發(fā)展的新局面。北京經緯巨力、三一重工等企業(yè)陸續(xù)加入旋挖鉆機的研發(fā)、生產和市場競爭當中，對我國旋挖打樁機的發(fā)展起到了積極的推動和促進作用。 1.1.2.2國外旋挖打樁機的現狀 目前國外旋挖打樁機的生產制造商主要有寶峨、意馬、麥特、卡薩格蘭第、土力等，各公司已具有自己獨特的產品特性，產品均已實現系列化，而且具有多項擴展功能。國外打樁機在打樁孔直徑和打樁孔深度方面有較大優(yōu)勢。打樁孔直徑最大可達4米，打樁深可達90多米。 國外產品經過幾十年的發(fā)展，已經形成了獨特的技術特點。如圖1.1BAUER旋挖打樁機。(1)動力頭一般都配有兩個或三個液壓馬達驅動，且具備連接套管驅動器的功能。有的動力頭配有套管打樁進增扭裝置，在施工作業(yè)時可減省擺管機的應用，大幅度降低旋挖打樁機的施工作業(yè)成本。動力頭根據扭矩不同已形成系列，不同型號的旋挖打樁機可根據需要選裝動力頭，裝配快捷、維修方便。(2)先進可靠的檢測和監(jiān)控裝置，例如打樁桅垂直度檢測、打樁孔深度顯示等，尤其在打樁桿嚙合及施工狀態(tài)監(jiān)控方面有著不可超越的優(yōu)勢。國外打樁機采用牙板自鎖伸縮式鉆桿，旋挖打樁機施工過程中，打樁桿牙嵌板在嚙合中很容易受到磨損，當牙嵌板相互嚙合不完全時，更易受到嚴重磨損。如果想繼續(xù)使用原打樁桿，必須對磨損牙嵌板進行修復，修復過程費時費力，且很難達到原有尺寸和形狀。安裝打樁桿牙嵌嚙合顯示系統后，操作人員可在顯示器上精確地觀察和了解牙嵌嚙合情況以及打樁桿實時施工狀態(tài)，無論新老操作機手都能很好地操作。避免打樁桿帶桿、打樁頭脫落等事故的發(fā)生。(3)保證安全操作的各種保險裝置，如防止帶負載起動，卷揚機超高限位f.。)，動臂幅度限位及駕駛室內液控開關等安全保護裝置，有效避免誤操作。(4)為提高操作的舒適性和施工作業(yè)效率，依據人機工程學原理設計旋挖打樁機的操縱室，并加設了冷暖空調。(5)多功能化已漸趨完善。能在旋挖打樁機主機上通過簡單操作快速更換各類鉆具，進行打樁孔施工、連續(xù)墻成槽、振動樁施工等多種不同工法的施工。從而使旋挖打樁機具備了一機多功能，方便快捷、節(jié)約成本。 1.1.2.3國內旋挖打樁的現狀 近年來，經過各類施工磨練的國產旋挖打樁機得到了快速發(fā)展，其整機的主要性能已接近或達到國際先進水平，關鍵技術和施工工藝也得到進一步的發(fā)展。由于國產旋挖打樁機較國外旋挖打樁機價格適中、售后服務及時，目前國產旋挖打樁機已基本占領了國內的市場。未來幾年，基礎設施和城市公共設施將進一步完善，相關工程的陸續(xù)開工，需要配備大量的旋挖打樁機。因此旋挖打樁機的生產廠商如雨后春筍迅猛增長，國內的旋挖打樁機生產廠商約有20多家，但隨著市場競爭激烈及旋挖打樁機對技術和生產成本以及銷售價格的嚴格控制，目前旋挖打樁機主要生產廠家為:徐工集團、上海金泰、南車時代、三一重工、山河智能、宇通重工、中聯重科等。如圖1.2為徐工集團的旋挖打樁機正在施工。這些企業(yè)的旋挖打樁機的銷量已基本占領了整個旋挖打樁機市場的份額。但是目前國內旋挖打樁機的生產和使用也存 在相當多的問題，畢竟相較于旋挖打樁機國外幾十年的發(fā)展歷史，國內旋挖打樁機的發(fā)展還任重道遠。(1)國內大部分旋挖打樁機生產企業(yè)的生產未形成規(guī)模，產品也未系列化，產品同質化現象嚴重，主要集中在中等型號的產品。(2)相對國外來說國內旋挖打樁機生產和使用的時間尚短，還缺乏全面的產品標準，施工規(guī)范和系統的工法研究還需進一步確認和完善，關鍵技術和基本理論的研究有待深入。(3)產品進口配套件受限。進口配套件如液壓元件、電控元件、減速機等供貨周期相對較長，有些關鍵元件甚至無法訂購。因此很多企業(yè)由于進口件受限處于停產狀態(tài)，主機生產受到嚴重影響。 1.2本課題的意義及研究內容 1.2.1本課題的意義 旋挖打樁機在樁基礎施工的普遍應用和快速發(fā)展，使作為關鍵動力部件的動力頭系統顯得異常重要。其性能好壞直接影響打樁機整機的工作效率。旋挖打樁機施工中，動力頭為旋挖打樁機提供動力，通過液壓馬達驅動打樁桿、打樁頭回轉挖土，同時由液壓油缸提供旋挖作業(yè)所需垂向作用力，滿足打樁孔時低速進給鉆進和高速甩土兩種工況要求}5〕。 我國地域遼闊，地層工況復雜，動力頭為滿足不同的土壤地質條件，能根據不同的負載自動調整轉速與扭矩。但由于動力頭作為重要的工作裝置，其工作環(huán)境惡劣，動力頭會出現各種各樣的故障，嚴重時需要停機數日進行維修，影響施工效率。因此如何減少和杜絕動力頭故障，延長動力頭正常使用時間，提高動力頭質量和可靠性，是旋挖打樁機制造廠商和施工用戶最為關注的問題。動力頭作為旋挖打樁機主機研發(fā)項目的重要子項，一直是主機研究的關鍵部件。國外對打樁機研究己經有數十年的歷史，打樁機各項性能相對成熟。動力頭從最基本的功能為打樁具提供驅動力和加壓力，到擴展功能技術的實現。已具備優(yōu)越的性能、獨特的技術和全新的設計概念。目前動力頭已發(fā)展成為雙作用驅動箱，即可進行打樁孔，又能安放套管，并且增加了套管打樁進增扭裝置。國內旋挖打樁機動力頭在核心技術方面跟國外相比還有一定的差距，可靠性和功能擴展方面還需進一步發(fā)展。 據作者查證，目前還很難檢索到有關旋挖打樁機動力頭系統設計開發(fā)的相關文獻，國內外很少有文獻可參考和借用。因此，本課題對動力頭系統的分析和研究，作為旋挖打樁機開發(fā)項目中的重要的子項，會給旋挖打樁機的產品開發(fā)帶來借鑒作用，具有一定的經濟效益和社會效益。 1.3論文主要內容 主要包括以下內容: (l)旋挖打樁機的發(fā)展現狀。 (2)旋挖打樁機的工作原理、主要構成及施工工藝。 (3)動力頭系統設計及扭矩自適應研究。 (4)動力頭系統箱體設計。 第2章 旋挖打樁機的工作原理及其施工工藝 2.1旋挖打樁機的主要構成 旋挖打樁機是集機電液一體化的高端工程機械，旋挖打樁機的主要構成:底盤、回轉平臺、幅、主副卷揚、鉆桅、動力頭、打樁桿、打樁頭、發(fā)動機系統、液壓系統、電氣系統甩.司、駕駛室、機棚、配重等。 (1)底盤底盤構成包括兩部分:車架及行走裝置。車架底架為箱形焊接結構，由液壓油缸伸縮控制左右縱梁的間距，繼而改變履帶軌距。行走裝置則主要有/四輪一帶0和行走減速機等組成?！八妮啞笔侵笍埦o輪、驅動輪、支重輪和托鏈輪；“一帶”是指履帶總成。旋挖打樁機底盤結構類型多樣，大致可分(1)底盤底盤構成包括兩部分:車架及行走裝置。車架底架為箱形焊接結構，由液壓油缸伸縮控制左右縱梁的間距〔，3，.們，繼而改變履帶軌距。行走裝置則主要有“四輪一帶”和行走減速機等組成?！八妮啞笔侵笍埦o輪、驅動輪、支重輪和托鏈輪；“一帶”是指履帶總成。旋挖打樁機底盤結構類型多樣，大致可分機動靈活。意大利50工LMECR622HD型旋挖打樁機采用擺動伸縮式底盤，底盤結構尺寸相對較小、高度相對較低，在行走過程中即可實現底盤伸縮、.3一-51。國內打樁機一般采用直接伸縮式底盤，如圖2.2所示。底盤伸縮大都采用液壓油缸驅動縱梁支腿伸縮來實現。 (2)轉臺國內旋挖打樁機的轉臺一般為整體焊接式結構，主要包括回轉支承、回轉減速機和轉臺主體等。轉臺主體的兩主梁截面設計為/工0形截面或矩形截面。國外旋挖打樁機轉臺的結構別具特色，如意大利SOILMECR622一HD旋挖打樁機回轉平臺根據轉臺受力大、應力高的特點，整體上采用高鉸點、大截面結構。轉臺主梁采用等強度設計的變截面工字梁結構，與矩形梁相比較，重量輕、節(jié)省材料。邊梁設計采用大圓弧成型鋼管7，3，.4了，制造簡單、工藝性好。在保證整機要求強度的同時，整體緊湊，外觀簡潔。 (3)變幅及鉆桅根據目前國內外旋挖打樁機變幅機構的結構類型，變幅大致可分為二類，大三角變幅和小三角變幅。國內旋挖打樁機的變幅一般采用小三角變幅機構，即平行四邊形和三角架支撐機構。小三角變幅機構適用于中等型號以及小型號打樁機，優(yōu)點是變幅靈活，運輸狀態(tài)和工作狀態(tài)切換方便。大三角變幅機構的優(yōu)點是設備穩(wěn)定性較好，在大直徑深樁孔施工中成孔精度高，尤其是在地層復雜的施工中突顯穩(wěn)定性優(yōu)勢。如德國BAUER公司生產的BG系列旋挖打樁機則采用大三角變幅機構。但缺點是運輸時受整機運輸高度限制打樁桅必需前趴，因整機運輸尺寸超長打樁桅必須拆卸運輸。其運輸示意圖如圖2.3。打樁桅一般有三節(jié)組成，上下兩節(jié)均可折疊。下節(jié)一般有液壓伸縮支腿，用于履帶伸縮支撐和頂壓護筒。上端有主副滑輪機構，用于提升打樁桿和打樁頭。截面為方箱形截面，導軌為成型鋼管，焊接在箱體的兩側。徐工集團XR系列旋挖打樁機的打樁桅即采用大箱形截面，具有良好的抗彎和抗扭性能，為動力頭和打樁桿的滑移提供導向作用，打樁桅的可折疊式結構能減少整機長度和高度，整機運輸時無需拆卸。 (4)動力頭動力頭為打樁機工作提供動力，是旋挖打樁機的關鍵傳動部件。主要構成有變量馬達帶動減速機和齒輪箱實現驅動的動力驅動機構、與打樁桿牙嵌板相嚙合的回轉機構及潤滑密封系統、動力箱在打樁桅導軌上滑動的支撐機構。其工作原理是液壓馬達輸出扭矩和轉速，經減速機和齒輪箱兩次減速增扭，打樁進和拋土作業(yè)可實現雙向旋轉以驅動打樁桿、打樁頭回轉，能滿足高速甩土和低速鉆進兩種工況，能根據不同的負載自動調整轉速與扭矩，以滿足不同的土壤地質條件。當進行拋土作業(yè)及軟地層施工時，動力頭需要提供高速小扭矩工況。常見的實現快速反轉的有采用雙速減速機、減速機配以傳動箱輸入端離合器等方案。國內旋挖打樁機一般采用雙液壓馬達動力頭，以保證在回轉打樁進和反向拋土作業(yè)時動力頭能夠提供足夠的扭矩和轉速。而西方工業(yè)發(fā)達國家的旋挖打樁機，如SOILMEC R622HD打樁機的動力頭由三液壓馬達驅動，其中有一對馬達位于箱體上下兩端同軸驅動齒輪。在低速打樁進時，三馬達同時工作，在反向拋土時由單獨機構實現減速機輸出軸和驅動齒輪的離合，此時只依靠小馬達提供動力實現高速拋土。另外，為了適應不同地層的需要，國外動力頭一般配備套管連接器，可直接連接套管，省去了擺管機的使用，節(jié)省了設備費用，而且有的公司如邁特公司為了提高扭矩其系列旋挖打樁機的動力頭均配有套管鉆進增扭裝置。目前國內徐工集團生產的XR系列旋挖打樁機的動力頭配備了套管連接機構，可方便快捷地實現套管的連接和拆卸。 (5)打樁桿、打樁頭打樁桿、打樁頭作為旋挖打樁機施工時直接作業(yè)的關鍵配套件，其質量至關重要。打樁桿的功能是將動力頭傳遞的扭矩和轉速傳遞給打樁頭，同時將加壓油缸的加壓力、動力頭和打樁桿本身的重量穩(wěn)定地傳遞給鉆頭，打樁頭進尺越多，樁深越深，對打樁桿的要求越嚴格，因為打樁頭在幾十米深處作業(yè)，當打樁進較硬的地層時，打樁桿除了要能承受傳遞的大扭矩和大的加壓力，而且要能克服細長桿所要承受的較大的彎矩。所以打樁桿的結構形式及鋼管質量成為旋挖打樁機順利鉆孔的重要因素。目前旋挖打樁機主要使用的是伸縮式打樁桿，伸縮式打樁桿主要有2種形式，一種是摩阻式打樁桿，另一種是機鎖式打樁桿。摩阻式打樁桿最多有6節(jié)伸縮桿，只能靠摩擦力傳遞打樁壓，一般適合于軟地層施工。機鎖式打樁桿一般為4節(jié)桿，打樁桿之間通過加壓平臺加壓鉆進，適合于硬地層施工。為適應不同地層施工，提高打樁進效率，旋挖打樁機使用一種組合式打樁桿，該打樁桿既繼承了機鎖式打樁桿加壓打樁進的特點，同時兼?zhèn)淞四ψ枋酱驑稐U高效率深孔作業(yè)的優(yōu)點。組合式打樁桿一般為5節(jié)桿，外3節(jié)為機鎖式，可有效打樁進硬地層，內2節(jié)為摩阻式，內2節(jié)打樁桿直徑較小、管壁較厚，且鉆桿較長、撓性較大。如果采用機鎖式結構，在進行加壓打樁進時撓度很大，使打樁桿跳動，影響成孔的精度或造成塌孔，將給施工造成嚴重損失。采用摩阻式打樁桿，可利用摩擦力柔性加壓打樁進，提高深孔作業(yè)的效率，既保護了打樁桿，更重要的是保證了成孔的質量。國外旋挖打樁機所用的伸縮式打樁桿一般都采用高強度無縫鋼管(抗拉強度約為900MPa)制成，重量輕、焊接性好，但進口的打樁桿價格昂貴，而且損壞后維修不能及時保證。目前隨著旋挖打樁機的熱銷，國內打樁具配套廠家日益增多，國產打樁桿和打樁頭在保證打樁機施工的同時，價格便宜，售后服務及時。打樁頭作為旋挖打樁機的關鍵配套件，直接接觸施工地層。打樁頭的正確選用是旋挖打樁機提高工作效率的重要保證。目前國內外旋挖打樁機在施工時最常用的打樁頭主要有螺旋鉆頭、回轉旋挖打樁斗及取心打樁頭等。如R622一HD旋挖打樁機的打樁頭有:短螺旋打樁頭、單層底旋挖打樁頭、雙層底旋挖打樁頭等。 (6)液壓系統旋挖打樁機液壓系統采用開式回路控制。液壓動力元件為斜軸式雙變量主泵、副泵以及輔助泵，液壓泵通過彈性聯軸器和發(fā)動機相連，通過大流量多路閥控制一組主動作，通過小流量多路閥控制一組輔助動作。執(zhí)行元件為液壓馬達和液壓缸，液壓馬達為動力頭、卷揚、行走、回轉等回轉運動機構提供驅動力，液壓缸為變幅、加壓、打樁桅左右傾、履帶伸縮、打樁桅支腿伸縮等直線運動提供動力。2臺斜軸式雙變量主泵輸出壓力油由大流量多路閥控制，按工況要求分配給旋挖打樁機的大功率液壓執(zhí)行元件；副泵輸出的液壓油由小流量多路閥控制，按旋挖打樁機的動作要求非配給小功率的執(zhí)行元件；先導泵(輔助泵中的1臺)輸出的壓力油由先導閥控制，為先導執(zhí)行元件提供動力；冷卻泵(輔助泵中的1臺)輸出的壓力油為旋挖打樁機冷卻系統執(zhí)行元件提供動力。液壓驅動示意圖見圖2.4。系統分別驅動不同的執(zhí)行元件以實現不同的動作，可以單獨控制一個執(zhí)行元件實現單個動作，也可同時控制多個執(zhí)行元件實現多項功能。為提高旋挖打樁機的施工效率，大流量多路閥可實現動力頭、主卷揚閥內合流功能以提高兩個關鍵動作的速度。 2.2旋挖打樁機原的工作原理 旋挖打樁機主要動作有動力頭、主、副卷揚、上車回轉、下車、打樁桅調平、變幅、加壓、支腿、履帶伸縮。上車回轉和下車行走通過換向閥互鎖L13，.引。旋挖打樁機施工動作順序如下:旋挖打樁機到達指定地點，為了增加支撐面積，左右履帶伸縮油缸伸出，達到旋挖打樁機最大履帶間距。鎖定下車，拔掉上車回轉鎖定銷，變幅油缸和左右傾缸動作使打樁桅在指定點與水平面垂直，打樁桿、打樁頭在主卷揚的作用下到達施工地面，在動力頭旋轉驅動下回轉，同時在加壓缸提供的加壓力的作用下向下挖土。打樁頭進尺到位后，提升打樁桿時，主卷揚回轉，加壓油缸同時提升，當打樁頭提升至地面后，上車回轉帶動打樁頭至指定的卸土位置進行卸土，卸土時提升打樁頭使回轉斗上端的立柱碰到動力頭下端承撞體擋板，立柱受力打開回轉斗底板開啟機構實現卸土作業(yè)。然后回轉到打樁孔位置，開始下一個工作循環(huán)。打樁孔深度由電器數碼顯示，當打樁至要求深度后即可停止作業(yè)。 第3章旋挖打樁機動力頭系統 3.1旋挖打樁機動力頭系統的簡介 3.1.1旋挖打樁機動力頭系統的構成 旋挖打樁機動力頭系統是指驅動動力頭回轉以傳遞扭矩和轉速給打樁桿和打樁頭實現鉆孔作業(yè)，并能根據土壤地質條件的不同自動改變其扭矩和轉速的整個系統。動力頭系統主要由發(fā)動機、液壓泵、液壓閥、液壓馬達、減速機、動力頭、打樁桿、打樁頭等構成〔23〕。動力頭系統主要構成部分及各部分間的傳動關系如圖3.1所示。動力頭系統的發(fā)動機為大功率柴油發(fā)動機，發(fā)動機動力驅動部分一般直接連接液壓泵，也有在發(fā)動機和液壓泵之間增加一分動箱，可實現多個取力點以連接多個不同功能的液壓泵。液壓泵利用三位六通電磁比例換向閥控制執(zhí)行元件液壓回轉馬達的啟動、停止及換向。液壓回轉馬達通過減速機及動力箱齒輪傳動增大扭矩降低轉速驅動打樁桿和打樁頭實現打樁孔作業(yè)。 3.1.2旋挖打樁機動力頭系統的工作原理工作原理 旋挖打樁機到位后，鉆桿打樁頭下放至地面，操縱置于駕駛室內的動力頭先導手柄，接通液壓回路，發(fā)動機驅動液壓泵工作，液壓泵利用三位六通電磁比例換向閥控制執(zhí)行元件液壓回轉馬達的啟動，液壓馬達輸出的轉矩和轉速通過減速機減速增扭后傳遞到齒輪箱，齒輪箱內的減速齒輪進行了二次減速，輸出的大扭矩和低轉速通過驅動套牙板傳遞給打樁桿和打樁頭，打樁桿和打樁頭回轉挖土。同時托架和動力頭總成沿導軌滑動以傳遞加壓油缸的加壓力，驅動打樁桿和打樁頭壓入地面并回轉取土。當打樁頭取土滿鉆后，動力頭反轉，打樁桿解鎖后提打樁整車回轉，打樁頭上提其上打樁頭立軸和動力頭承撞體下底板相撞，打樁頭開合機構啟動，斗底打開卸土，動力頭高速旋轉，甩粘土。當打樁孔深度超過第一節(jié)(最外節(jié))打樁桿的長度時，打樁桿上部的打樁桿托架會壓在動力頭的上端，隨著打樁孔深度的增加，打樁桿各節(jié)由外向內依次伸出，直到達到施工要求的打樁孔深度。動力頭液壓系統可根據施工地層的不同自動改變其扭矩和轉速723，以提高施工效率。打樁孔作業(yè)過程中，液壓泵ASVO雙泵中的一臺單泵同時驅動兩臺動力頭液壓馬達實現低速大扭矩作業(yè)，當進行較軟地層施工或拋土作業(yè)時，為提高工作效率，動力頭需高速旋轉，此時為動力頭高速小扭矩作業(yè)，由ASVO雙泵合流提供大流量。動力頭實現高速拋土也可采用雙速減速機，當拋土作業(yè)時，切換為小減速比工況，動力頭轉速增加，實現高速甩土。 3.2旋挖打樁機動力頭系統主要參數設計 本論文針對某中等型號的旋挖打樁機的動力頭，該旋挖打樁機動力頭原動機為康明斯QSMH，功率242kw；主泵為力士樂ASVO雙泵；和主泵配合的多路閥采用力士樂的MS閥；動力頭馬達為力士樂變量馬達A6VM；該打樁機要求的最大扭矩220kN.m，最大轉速為22r/mln，系統最大流量4301/min。 (l)動力頭扭矩計算和壓力設定 根據變量馬達的控制性能，變量馬達起調點壓力設置為20MPa，此時馬達排量為最小排量，當壓力為30MPa時，變量馬達排量為最大排量。 ①動力頭輸出扭矩: 式中氣—馬達排量，ml/r; —馬達工作壓力，Mpa; —馬達工作效率， =0.95; —減速機速比; —動力箱傳動比。 將設計參數值代入式3. 1，可得到動力頭的可調輸出扭矩Md為56—202kN*m。 ②馬達最大工作壓力: 式中從—動力頭輸出扭矩，Md=220kN.m; —馬達工作效率： =0.95; —減速機速比; —動力箱傳動比。 可得到馬達的最大工作壓力△P為32.5MPa。考慮到M8閥的控制壓差可在 2-3MPa范圍內，取2.5MPa。因此動力頭聯壓力可設置為35MPa. ③馬達的最小排量: 式中Q—系統流量，Q =215 1/min; —馬達容積效率: =0,97; n—馬達工作轉速，n =22r/min; —減速機速比; —動力箱傳動比。 可得到馬達的最小排量V為67.97m1/r。取整后馬達的最小排量可設定67m1/r, 滿足設計要求。 (2)動力頭轉速計算 發(fā)動機功率為242kW，考慮到散熱器，消音器等附件的功率損失，可利用 功率大約為217kW，現選主泵A8V0，輸出功率設定為170kW . ①主泵的有效輸出功率: 式中為主泵的輸出功率，=170kW; 為主泵的效率， = 0.92。 可得到泵的有效輸出功率P為154 kW 。 ②主泵最小流量: 式中P—主泵的有效輸出功率，P =154kW。 △P—主泵的最大工作壓力，△Pb=35MPa。 可得到主泵最小流量為291.41/min o ③主泵最小工作壓力: 式中P—主泵的有效輸出功率，P=154kW; Q—主泵的最大流量，430 1/min。 可得到主泵最小工作壓力為23.72MPa. ④動力頭的最小打樁進速度: 式中—主泵最小流量，= 291.41/min; —動力頭馬達最大排量，ml/r; —減速機速比; —動力箱傳動比。 可得到動力頭的最小打樁進速度為6.5r/min。 ⑤動力頭的最大打樁進速度: 式中為主泵最大流量， =4301/min; —動力頭馬達最小排量， =67m1/r; —減速機速比; —動力箱傳動比。 可得到動力頭的最大打樁進速度為23r/min 。 第四章 旋挖打樁機機動力頭結構組成 4.1動力頭結構組成 旋挖打樁機動力頭，主要組成部分有托架和動力箱總成。結構如圖4. 1所示托架包括支撐架、滑塊支架和左右支架，用以支承動力箱總成在打樁桅導軌上滑移，并和加壓油缸相連以傳遞加壓力和提升力。動力箱總成包括液壓馬達、行星減速機、動力箱、減震裝置和承撞體。根據打樁機型號和扭矩的不同，所用液壓馬達的數量也不同，扭矩要求較小的使用一臺，中等型號的鉆機一般為兩臺，較大扭矩的打樁機動力頭使用三臺。液壓馬達分別連接行星減速機，行星減速機的輸出軸與減速動力箱的齒輪軸連接，齒輪軸與回轉支承或大齒圈的外齒嚙合，動力箱為齒輪嚙合提供潤滑和密封空間，回轉支承或大齒圈兩端支承軸承和密封件均選用進口件， 回轉支承或大齒圈與驅動套連接為一體，驅動套的上端連接有減震裝置，其下端連接承撞體。驅動套內部有均布的三處驅動牙板，與鉆桿牙板配合傳遞扭矩和壓力。 圖4-1動力頭結構組成 4.2旋挖打樁機動力頭箱體內部結構 旋挖打樁機動力頭箱體作為減速裝置，通過齒輪減速傳動實現增大扭矩、降低轉速的目的。國內外動力頭箱體的內部結構及減速實現方式各有不同，國內外動力頭箱體內部結構大致可分為三類，一類是以BAUER和徐工集團動力箱為代表的箱體機構，結構如圖4. 2和圖4. 3。該動力箱輸入軸為小齒輪，和三排柱回轉支承的外齒相嚙合，三排柱回轉支承的外圈和連接軸通過螺栓相連接，內圈和箱體固定。馬達旋轉時，帶動減速機回轉，減速機輸出軸和小齒輪通過花鍵傳動， 小齒輪和回轉支承的外齒嚙合傳動，從而帶動連接軸回轉，連接軸和驅動套通過螺栓連接帶動驅動套旋轉，安裝在驅動套上的牙嵌板驅動打樁桿相應牙嵌板從而使打樁桿鉆頭回轉。該動力箱的優(yōu)點是結構簡單，安裝方便，箱體緊湊，故障點較少。缺點是三排柱回轉支承價格昂貴，且連接軸和驅動套相較于另一類只有驅動套的箱體增加了連接軸的價格，因此動力箱造價高。一類是以意大利CASAGRANDE動力箱為代表的箱體機構，該類動力箱一般有三馬達或兩馬達加離合機構驅動，具有高速拋土功能。減速機和齒輪輸入軸之間增加一離合機構，正常作業(yè)時，減速機輸出軸通過離合機構的過渡齒輪間接和齒輪輸入軸嚙合傳動輸出低轉速和大扭 圖4-2動力箱內部結構 矩。需要高速拋土或軟地層高速鉆進時，離合機構過渡齒輪和減速機輸出軸打樁機脫開，只有一馬達進行驅動作業(yè)，提高轉速。另一類是國內一打樁分使用的動力頭箱體結構。動力箱輸入軸為小齒輪，和小齒輪嚙合的是帶外齒的大齒圈，大齒圈和單排球回轉支承的外圈相連，同時和驅動套相連?；剞D支承的內圈和動力箱固定，箱體上端是大直徑球軸承的支撐結構。該動力箱的優(yōu)點是造價便宜，缺點是上端大軸承易損壞，大軸承采用的是飛濺潤滑，軸承潤滑不夠充分，另外如果箱體上端進泥漿，大軸承首先會受到破壞。 圖4-3驅動套結構組成 4.3旋挖打樁機動力頭箱體內部結構設計 4.3.1動力頭箱體齒輪設計 4.3.1.1齒輪模數 1、模數 對旋挖打樁機因為負載比較大重要，故齒輪應該選用大些的模數；從工藝方面考慮，各擋齒輪應該選用一種模數。 嚙合套和同步器的接合齒多數采用漸開線。由于工藝上的原因，旋挖打樁機中的接合齒模數相同。其取值范圍是：總負載在1.8～14.0t的負載為2.0～3.5mm；總質量大于14.0t的貨車為3.5～5.0mm。選取較小的模數值可使齒數增多，有利于換擋。 表4-1　常用齒輪模數 一系列 1.00 1.25 1.5 2.00 2.50 3.00 4.00 5.00 6.00 二系列 1.75 2.25 2.75 3.25 3.50 3.75 4.50 5.50 — 根據旋挖打樁機負載情況及表1，一二檔齒輪的模數定為4mm. 2、壓力角 國家規(guī)定的標準壓力角為20°，所以變速器齒輪普遍采用的壓力角為20° 3、齒寬 直齒，為齒寬系數，取為4.5～8.0，取7.0； 如圖4-3所示為變速器的傳動示意圖。在初選中心距、齒輪模數和螺旋角以后，可根據變速器的擋數、傳動比和傳動方案來分配各擋齒輪的齒數。應該注意的是，各擋齒輪的齒數比應該盡可能不是整數，以使齒面磨損均勻。 圖4-4 齒輪傳動示意圖 4.3.1.2、確定低速旋進擋齒輪的齒數 取模數=4mm 齒寬系數=7 ∴z1=23 z2=58 mm 分度圓直徑: mm mm 齒頂高 =6.819mm =4.469mm 齒根高 =4.550mm =6.900mm 全齒高 h1=ha1+hf1=10.069mm 齒頂圓直徑 da1=d1+2ha1=100.488mm da2=d2+2ha2=240.747mm 齒根圓直徑 df1=d1-2hf1=81.750mm df2=d2-2hf2=218.009mm 分度圓直徑 mm mm 4.3.1.3.確定快速回土擋齒輪的齒數 取模數=4mm 齒寬系數=7 ∴z1=42 z2=41 mm 分度圓直徑: mm mm 齒頂高 =6.819mm =4.469mm 齒根高 =4.550mm =6.900mm 全齒高 h1=ha1+hf1=10.069mm 齒頂圓直徑 da1=d1+2ha1=176.488mm da2=d2+2ha2=172.747mm 齒根圓直徑 df1=d1-2hf1=158.750mm df2=d2-2hf2=154.009mm 分度圓直徑 mm mm 4.4變速器齒輪的的校核 斜齒輪彎曲應力 式中：—計算載荷（N·mm