旋挖鉆機履帶行走機構設計

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1 摘 要 旋挖鉆機施工工藝在我國是近幾年才推廣使用的一種較先進的樁基施工工藝 廣泛 應用于我國的公路 鐵路 橋梁和大型建筑的基礎樁施工 本次設計主要對履帶式液壓 旋挖鉆機伸縮式履帶行走裝置分析與設計 首先通過比較旋挖鉆機的兩種行走裝置方案 的特點 確定行走裝置方案 其次根據旋挖鉆機的行走阻力 確定發(fā)動機的功率 再次 根據受力情況對行走裝置進行結構設計 最后完成其 CAD 的裝配體設計 本設計中應用 了計算機輔助制圖軟件 CAD 減少了設計周期和設計失誤 提高了設計效率 從而降低 了設計成本 具有可行性 關鍵詞 伸縮式履帶行走架 支撐梁 CAD 1 目 錄 1 緒 論 1 1 1 旋挖鉆機的介紹 1 1 2 旋挖鉆機發(fā)展概況 1 1 3 本文所作的工作 4 2 履帶行走架的介紹 6 2 1 履帶行走裝置的特點 6 2 2 履帶行走裝置的構造 6 2 3 設計方案的選擇 11 3 履帶行走架的設計計算 12 3 1 履帶行走裝置的設計計算 12 3 2 履帶架伸縮梁強度的校核 17 3 3 螺紋連接的強度計算 18 4 基于 PRO E 伸縮式履帶行走裝置的建模 22 4 1 PRO E 的簡介 22 4 2 支撐架的建模 24 結 論 28 參考文獻 29 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 1 1 緒 論 1 1 旋挖鉆機的介紹 旋挖鉆機是一種適合在建筑基礎工程中進行成孔作業(yè)的施工機械 具有裝機功率大 輸出扭矩大 軸向壓力大 一機多用 機動靈活 施工效率高及環(huán)境污染小等特點 能 夠適應我國大部分地區(qū)的土壤地質條件 使用范圍較廣 其工作環(huán)境溫度一般在 20 C 40 C 之間 配合不同鉆具 可適應于干式 短螺旋 濕式 回轉斗 及巖層 巖 心鉆 條件下的成孔作業(yè) 對干硬性黏土層采用無穩(wěn)定液護壁的干式旋挖工法 而一般 的覆蓋層則采用靜態(tài)泥漿護壁的濕式旋挖工法 旋挖鉆機廣泛應用于鐵路 公路橋梁 市政建設 高層建筑等地基基礎鉆孔灌注樁工程 1 2 旋挖鉆機發(fā)展概況 1 2 1 國外發(fā)展概況 旋挖鉆機在二戰(zhàn)以前首先在美國卡爾維爾特公司問世 二戰(zhàn)之后在歐洲得到發(fā)展 歐洲的旋挖鉆機首先是意大利土力公司從美國引入安裝在載重汽車上和履帶式起重機上 的鉆機 但這種鉆機的動力頭是固定式的 而且不能自行設置套管且難以適應硬質土層 1960 年德國維爾特和蓋爾茨蓋特公司同時開發(fā)了可動式動力頭 之后德國寶峨公司于 1975 年研制了配有伸縮鉆桿的 BG7 型鉆機 該鉆機不僅易于配套搖管裝置和直接從底盤 提供動力 而且其可鎖式鉆桿能可靠地實現鉆桿加壓 在增大鉆機扭矩后能適應緊密砂 礫層和巖層鉆進 由于該鉆機具有以上優(yōu)點 得到了廣大用戶的認可 進而促進了旋挖 鉆機的發(fā)展 后來隨著技術進步和作業(yè)功能的擴大 旋挖鉆機特別是配置可動式動力頭 的旋挖鉆機在灌注樁施工機械中成為主流產品 因此生產的廠家也越來越多 獨立式的 主要生產廠家有 德國的寶峨 維爾特 德爾馬克 利勃海爾 MGF 等 意大利的土力 卡薩格蘭特 意馬 邁特 CMV 等 生產附著于履帶起重機上的鉆機主要有德國的利勃 海爾 寶峨公司 意大利的土力 卡薩格蘭特公司和英國的 BSP 公司 目前歐洲的旋挖 鉆機一般都設有搖管裝置以及由兩個或三個液壓馬達驅動的大扭矩動力頭 可配備套管 連結器 和采用恒功率變量自動控制的液壓系統(tǒng) 還有自動內鎖互扣鉆桿及先進的監(jiān)控 儀表 如發(fā)動機和液壓系統(tǒng)自動監(jiān)測和報警系統(tǒng) 鉆孔深度顯示 立柱自動測斜糾偏裝 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 2 置 等 同時也配有各種保險裝置 如防止帶負載起動裝置 卷揚機超高限位裝置等 但各家公司的旋挖鉆機都有自己的結構特點 旋挖鉆機在日本被稱為土鉆 最早于 1960 年從美國卡爾威特公司引入日本并進行施 工 同年加藤制作所開發(fā)了 15 H 型旋挖鉆機 以后又研制了可以配套搖管裝置和抓斗的 多功能鉆機 日立建機于 1965 年利用挖掘機開發(fā)了裝有液壓加壓裝置的旋挖鉆機 1974 年又利用液壓履帶起重機研制了液壓馬達驅動的鉆機 到 80 年代 住友建機開始與意大 利土力公司合作 1981 年日立建機公司為提高單樁承載力研制了擴底鉆頭 隨后日本車 輛公司等也開發(fā)了擴底鉆頭 這樣使旋挖鉆機進入了鉆孔擴底灌注樁施工領域 以后德 國寶峨公司的進入和日立建機與住友建機的結盟又促進了旋挖鉆機技術的進一步發(fā)展 目前在日本生產的旋挖鉆機有兩種類型 一種是以日本土力和日本寶峨生產的歐洲流行 的方型立柱加連桿機構的獨立式旋挖鉆機 一類為日本車輛 日立建機和住友建機等公 司生產的以履帶起重機為主的附著式旋挖鉆機 他們的特點是作業(yè)范圍相對較大 并具 有一機多用功能 鉆孔直徑一般為 1 5 3m 擴底達 4 1 鉆孔深度最大為 65 70m 但鉆機扭矩比歐洲類型的低 例如日立 住友重機公司最新推出的超低噪聲 SDX 207 型 旋挖鉆機 鉆孔直徑 2 5m 最大鉆深 48m 最大扭矩 63 7KNm 該機采用伸縮式履帶和 箱型兩節(jié)伸縮臂 特制的動力頭支持方式可減少鉆桿軸向和徑向擺動 采用常閉式變量 馬達以達到小負荷時速度快 大負荷時產生足夠的扭矩的目的 液壓油泵為功率自調變 量 以保證恒定功率輸出 同時整機機動性好 能在城市或狹小場地施工 日本的生產 廠商主要有日本日立 日本日車 日本神鋼等 1 2 2 國內發(fā)展概況 20 世紀 80 年代末至 90 年代初 國內一些施工企業(yè)看到了旋挖鉆進技術在基礎施工 中體現出的巨大優(yōu)勢 逐漸從國外引進旋挖鉆機 此時 一些國外的旋挖鉆機制造商也 紛紛在中國設立辦事處 向中國的基礎工程施工行業(yè)宣傳旋挖鉆機及旋挖鉆進施工技術 我國在 80 年代初從日本引進過工作裝置 并配裝在 KH 125 型履帶起重機上 天津探礦 機械廠于 1984 年引進美國 RDI 公司的旋挖鉆機并對其進行了消化吸收 1987 年在北京展 覽館首次展出了意大利土力公司 SOILMEC 產品 1988 年北京城建機械廠根據土力公 司的樣機開發(fā)了 1 5m 直徑的履帶起重機附著式旋挖鉆機 1994 年鄭州勘察機械廠引進了 英國 BSP 公司附著式旋挖鉆機的生產技術 但沒有形成批量生產 寶峨公司 1992 年在中 國北京設立了代表處 開始對華的業(yè)務 并于 1995 年在天津成立了獨資子公司 寶峨天津 機械工程有限公司 組裝適合中國市場的寶峨 BG20 型旋挖鉆機 1998 年寶峨公司又在 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 3 上海成立了中德合資上海寶峨金泰工程機械股份有限公司 生產組裝 BG15 型旋挖鉆機 雖然如此但由于種種原因 旋挖鉆進技術在我國的發(fā)展一直比較緩慢 到 90 年代末期 我國旋挖鉆機的擁有量也就 100 臺左右 而且就是這為數不多的鉆機 也沒有完全用于 生產施工 許多企業(yè)購置施挖鉆機后 由于運行成本較高 并未用于生產施工中 仍然 采用一些傳統(tǒng)的方法進行施工 最近幾年來 隨著我國基礎工程行業(yè)的投資不斷加大 市場競爭不斷加劇 基礎工 程施工行業(yè)逐漸認識到了旋挖鉆進技術的優(yōu)越性 使得這一技術在我國的發(fā)展非常迅速 國家建設管理部門也逐步意識到旋挖鉆機的諸多優(yōu)勢 并制定了一些鼓勵政策 這些政 策對設計 監(jiān)理和施工單位等產生了層層影響 在這種大背景下 原有的成孔設備因其 低效 高噪 不環(huán)保等因素將逐步被淘汰 而旋挖鉆機憑借作業(yè)時的明顯優(yōu)勢 效率高 環(huán)保 安全等 已成為大批重點工程業(yè)主的指定施工設備 僅 2001 年一年 某國外旋 挖鉆機制造商在我國就銷售了近二十臺旋挖鉆機 而在前幾年 其每年的銷售數量只有 幾臺 某國內旋挖鉆機生產企業(yè)也銷售了十幾臺 這一數量對于剛剛起步的國內旋挖鉆 機生產企業(yè)來說 預示著非常好的前景 在上海浦東八百伴大廈基礎灌注樁工程中全部 采用了旋挖成孔法施工并取得成功 這在國內起到了推動作用 在北京五環(huán)路的基礎施 工中 旋挖鉆機已占了絕大多數 最多時達到了幾十臺 國家重點工程青藏鐵路大規(guī)模 施工于 2001 年正式啟動 在青藏鐵路格拉段施工段 地層多是永凍的土層 砂礫 不規(guī) 則泥頁巖 還有軟硬互層灰?guī)r 有的凍土厚度達到百米以上 在這種情況下中鐵集團采 用了旋挖鉆進施工工藝 從 2002 年 3 月開始 大量的旋挖鉆機進入青藏鐵路線施工 最 多時有 120 臺旋挖鉆機同時在進行橋樁施工 青藏鐵路旋挖鉆機的大量使用引起了施工 和生產制造企業(yè)的格外關注 這無疑推動了旋挖鉆機及旋挖施工技術的開發(fā)和應用 2000 年徐工集團 RD18 型鉆機研制成功 最大成孔直徑 2m 最大鉆深 60m 有多臺分別 在青藏鐵路和北京的工程中使用 2001 年北京經緯巨力工程機械有限公司研制成功 ZY120 ZY160 ZY200 型旋挖鉆機 參加了青藏鐵路建設的施工 2003 年 3 月三一重 工研制成功履帶可伸縮的 SYR220 型旋挖鉆機 先后在青藏鐵路 北京銀泰大廈 鞍鋼高 爐 天津 南京等工地接受了施工考驗 2003 年 6 月杭州天銳機械有限公司 TR200C 型 旋挖鉆機下線 最大成孔直徑 2m 最大鉆深 62m 應用于青藏鐵路建設 2003 年 9 月石 家莊煤礦機械有限責任公司與芬蘭永騰公司合作生產出 XZ20 型旋挖鉆機 在山東淄博膠 濟快速鐵路工程中施工 2004 年在北京奧運國家體育館建設工地一次使用各廠家旋挖鉆 機 16 臺 由于受青藏鐵路 北京奧運 上海世博會工程的拉動 給旋挖鉆機提供了一個 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 4 巨大的發(fā)展空間 近三年我國的旋挖成孔法的大量采用 旋挖鉆機使用量增加 特別是 2003 年許多廠家的旋挖鉆機相繼研制成功 大大地推動了旋挖鉆機的生產和應用 目前 國內各種型號旋挖鉆機市場擁有總量約為 500 多臺 其中國產旋挖鉆機占 15 左右 國 外二手旋挖鉆機約為 20 由此可見 旋挖鉆進技術在我國的發(fā)展前景是非常廣闊的 據有關人員預測 在今后幾年內 我國旋挖鉆機的擁有量將達到目前的 3 倍以上 在如 此大好前景下 國外的旋挖鉆機制造商紛紛看好中國這一巨大市場 向中國宣傳 銷售 其旋挖鉆機 國內的一些企業(yè)也通過引進 消化 吸收國外技術 開始制造旋挖鉆機 使得最近幾年我國旋挖鉆機技術取得了快速發(fā)展 目前可供選擇的旋挖鉆機性能范圍非 常大 就最主要的性能參數 孔徑而言 各個廠家主導產品的最大鉆孔直徑均在 1 5 2 0m 之間 而鉆孔灌注樁的最常用樁徑一般為 1 2 1 5m 考慮到安全儲備系數 這 類孔徑的鉆機對于施工這種樁徑是非常適合的 另外 有些廠家生產的鉆機孔徑范圍非 常大 小型的有最大鉆孔直徑為 1m 的 大型鉆機孔徑可達到 3m 為用戶提供了一個非 常寬的選擇范圍 適應了不同工程的需要 各廠家鉆機采用的加壓方式也各不相同 各 有優(yōu)勢 主要體現在鉆桿的形式上 摩阻式伸縮鉆桿在軟土層鉆進效率較高 機鎖式鉆 桿適于鉆進硬巖層 但對操作的要求較高 需找到加壓點加壓 自鎖鎧式鉆桿 可隨時 加壓 傳遞扭矩效果好 國內目前生產旋挖鉆機的廠商有十余家 主要有徐工科技 三一重工 北京經緯巨 力 河北石家莊煤機 湖南山河智能 杭州天銳 北方重汽 哈爾濱四海 鄭州金牛 連云港黃海 蘭州通用 新河鉆機等 1 3 本文所作的工作 本文以長沙三一重工有限公司的 SR150 全液壓旋挖鉆機整機為研究平臺 針對伸縮 式履帶行走架這一子項目為研究對象 課題組在廣泛調研的基礎上 瞄準國際知名液壓 旋挖鉆機的技術水平 結合具體國情 吸收國內外同類液壓鉆機的優(yōu)點 研制開發(fā)出先 進 可靠 實用 具有競爭能力的液壓旋挖鉆機 在設計的過程中 我利用互聯網向知 名生產工廠詳細地了解了液壓挖機的工作狀態(tài) 工作環(huán)境和使用要求 對現有的液壓挖 機狀況摸底 查閱有關資料 本課題采用計算機輔助設計的技術 利用 Pro E 參數化建模 進一步縮短了設計周期 降低了設計成本 有助于促進了設計工作的規(guī)范化 系列化和 標準化 從而提高該產品設計開發(fā)能力 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 5 本課題的主要內容是設計伸縮式履帶行走架 對履帶架的支撐梁經行靜力分析 設 計其尺寸大小 并經行校核 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 6 2 履帶行走架的介紹 2 1 履帶行走裝置的特點 1 支承面積大 接地比壓小 例如 履帶推土機接地比壓為 0 02Mpa 0 08 Mpa 而輪式推土機的接地比壓一般為 0 2Mpa 因此 履帶推土機適合在松軟或泥濘場地進行 作業(yè) 下限度小 滾動阻力也小 通過性能較好 2 履帶支承面上有履齒 不易打滑 牽引附性能好 有利于發(fā)揮較大牽引力 3 結構復雜 質量大 運動慣性大 減振功能差 使得零件易損壞 因此 行駛 速度不能太高 機動性能差 2 2 履帶行走裝置的構造 履帶行走裝置是整臺機器的支承底座 用來支承鉆機的所有機構 承受工作裝置工作過 程中所產生的力 并可以作短距離轉場行走 履帶式行走裝置如圖 1 所示 由履帶 行走減 速機 驅動輪 行走架 支重輪 托鏈輪 張緊裝置 引導輪等組成 行走裝置的動力 由行走液壓馬達經行走減速機傳到驅動輪 帶動履帶使整個行走裝置運行 當運行一段時 間后 履帶由于磨損而伸長時 可由張緊裝置調整其松緊度 如調整后仍然較松時 可拆掉一 節(jié)履帶再調整 圖 1 履帶行走裝置結構圖 1 履帶 2 行走減速機 3 驅動輪 4 行走架 5 支重輪 6 托鏈輪 7 張緊裝置 8 引導輪 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 7 2 2 1 行走架 行走架是履帶行走裝置的承重結構 一般由底架和履帶架組成 通常由高強度鋼板焊接 而成 工程鉆機用履帶行走裝置的行走架通常有組合式和整體式兩種 1 組合式行走架 組合式行走架底架為框架結構 橫梁一般為焊接的箱形梁 履帶架通常采用下部敞開的 門 形截面 下面安裝支重輪 一端安裝行走減速機和驅動輪 另一端安裝引導輪 組合式 行走架可做成可伸縮式履帶行走裝置 可伸縮式履帶行走裝置一般應用于 10 噸米以上的旋挖鉆機 大型挖掘機 履帶式起重 機 地下連續(xù)墻抓槽機等大型設備 這些設備要求作業(yè)時穩(wěn)定性要好 需要將履帶向外伸出 增大支承面 提高作業(yè)穩(wěn)定性 運輸時將履帶收回減小運輸尺寸 有的特大型設備運輸時還需 要將兩個履帶架拆下 以減小運輸尺寸和單件運輸重量 組合式行走架形式有多種 但主要應用的有兩種 一種是將橫梁與行走架底架焊接為一 體 履帶架上出方孔 將橫梁插入履帶架方孔中 通過伸縮油缸實現履帶伸縮 見圖 2 國內三 一重工 宇通重工 福田重工 南車時代重工 濱州鍛壓等生產的旋挖鉆機均采用這種 履帶行走裝置 撫挖 三一重工 徐工等生產的履帶式起重機亦采用這種履帶行走裝置 另一種是將橫梁分別焊接在左右履帶架上 行走架底架上出方孔 將橫梁插入方孔中 通過伸 縮油缸實現履帶伸縮 見圖 3 國內徐工 山河智能 國外意大利土力 卡薩格蘭地等生產 的旋挖鉆機均采用這種形式 此種形式又有多種結構 如 前后伸縮式和大小套筒伸縮式 等 圖 2 履帶架上出方孔的行走架 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 8 圖 3 行走架底架上出方孔的行走架 2 整體式行走架 目前工程鉆機常用的整體式行走架有 H 型和 X 型兩種 根據使用要求的不同 又有帶回 轉支承和不帶回轉支承之分 見圖 4 圖 5 圖 4 H 型行走架 H 型行走架結構簡單 成本低 制造容易 但相對承載能力較小 一般用在對承載力要求不 高 尤其只作為輔助行走之用 鉆機鉆孔時行走架不受力或受力較小的鉆機 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 9 圖 5 X 型行走架 X 型行走架結構復雜 制造難度大 材料利用率低 成本高 但行走架承載能力大 一般 用在對承載要求高的鉆機 尤其由履帶底盤承受工作載荷的鉆機 2 2 2 履帶 目前常用的履帶主要有整體式履帶 組合式履帶和橡膠履帶 3 種 1 整體式履帶 整體式履帶是在履帶板上帶嚙合齒 直接與驅動輪嚙合 履帶板本身即為支重輪等輪子 的滾動軌道 履帶板之間用銷軸連接 這種履帶一般在大型挖掘機和履帶式起重機上應用 較多 整體式履帶的履帶板大多數為鑄造履帶板 其特點是制造方便 拆裝容易 2 組合式履帶 組合式履帶由鏈軌 履帶板 銷子和襯套等組成 鏈軌和履帶板用螺栓連接 其特 點是使用壽命高 履帶節(jié)距小 繞轉性好 不會因履帶板損壞 襯套開裂或連接螺栓剪斷而中 止行走 此外 組合式履帶零部件通用化程度高 制造成本低 維修方便 維修成本低 缺點 是連接螺栓易折斷 組合式履帶的履帶板有三筋式 兩筋式和單筋式 3 種 工程鉆機目前 主要使用三筋履帶板 3 橡膠履帶 橡膠履帶的特點是噪音低 振動小 不損壞路面 接地比壓小 速度快 重量輕 它主要應用在經常在城市施工和經常在公路上行走的設備 近幾年在國內工程機械 農 林機械 工程鉆機 筑路機械方面得到了廣泛應用 如小型挖掘機 農機 小型鉆機等 其缺點是維修成本高 一旦履帶損壞需要更換整條履帶 因此在使用橡膠履帶設備時應特 別注意 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 10 2 2 3 支重輪 支重輪 圖 6 主要承受鉆機的重力以及工作裝置對鉆機產生的外力 在行走時還要 承受由于路面不平而產生的沖擊 而且工作環(huán)境惡劣 經常在泥水或塵土中行走 因此 要求 支重輪密封可靠 承載能力大 表面耐磨 目前支重輪常用浮動油封來密封 其結構簡單 密 封效果好 使用壽命長 通常在一個大修期內不需加油 減少可維護保養(yǎng)的工作量 圖 6 支重輪結構圖 2 2 4 引導輪 引導輪的作用是在行走時引導履帶正確繞轉 防止履帶跑偏和脫軌 引導輪一般布置 在在鉆機的前部 其密封形式一般也采用浮動油封密封 2 2 5 驅動輪 驅動輪的主要作用是將行走減速機的動力傳遞給履帶 帶動履帶行走 對驅動輪的主 要要求是嚙合平穩(wěn) 即使在履帶因銷套磨損時仍能很好嚙合 驅動輪通常放在鉆機的后部 這樣既可縮短履帶驅動段的長度 減少功率損失 又可提高履帶的使用壽命 驅動輪有整體 鑄造 齒圈和輪體分開鑄造及鍛造 3 種形式 后兩種由于制造較為復雜 且成本高 通常較 少使用 目前主要使用整體鑄造驅動輪 2 2 6 托鏈輪 托鏈輪主要用于托起上部履帶 防止履帶過度下垂 托鏈輪的結構與支重輪類似 但其 所受載荷要比支重輪小得多 因此 在托鏈輪數量的布置上要比支重輪少得多 一般每條履 帶布置 1 3 個托鏈輪 相鄰兩個托鏈輪之間的距離一般為鏈軌節(jié)距的 6 8 倍 2 2 7 張緊裝置 張緊裝置 圖 7 的主要功能是保持履帶具有一定的張緊度 減小行走時的沖擊載荷 和額外的功率消耗 張緊裝置通常與引導輪一起使用 其形式多種多樣 但目前常用的主 要是液壓張緊 通過手搖泵對張緊裝置壓注黃油 由油缸和柱塞對導向輪位置進行調節(jié)來達 到履帶的張緊 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 11 張緊裝置的彈簧在預緊后要有適當的緩沖行程 以便當石塊等硬物夾于軌鏈 引導輪 驅動輪之間產生過大張緊力時 可以壓縮彈簧 使履帶松弛 起到保護裝置的作用 如果履 帶太緊 可擰開注油嘴 從油缸中放出部分黃油進行調整 設計時 應使引導輪前后調整的 距離大于履帶節(jié)距的一半 以便在履帶伸長較多時可以拆掉一節(jié)履帶仍能連接起來 在選 擇張緊裝置時 應考慮張緊裝置的預緊力與行走減速機的驅動力相匹配 預緊力既不能過 大 也不能過小 預緊力過大起不到緩沖作用 預緊力過小 在行走時容易出現抖動而造成 行走不穩(wěn)定 而且容易在履帶張緊時將彈簧壓死 圖 7 張緊裝置結構圖 2 3 設計方案的選擇 本文設計了兩種行走架的方案 方案一 此方案選用整體式行走架 履帶架和底盤是一個整體 這個方案的特點為 行走架結構簡單 成本低 制造容易 但相對承載能力較小 一般用在對承載力要求不高 尤其 只作為輔助行走之用 鉆機鉆孔時行走架不受力或受力較小的鉆機 方案二 此方案選用組合式行走架 組合式行走架可分為伸縮式行走架和非伸縮式 行走架 可伸縮式履帶行走裝置一般應用于 10 噸米以上的旋挖鉆機 大型挖掘機 履帶式 起重機 地下連續(xù)墻抓槽機等大型設備 這些設備要求作業(yè)時穩(wěn)定性要好 需要將履帶向外 伸出增大支承面 提高作業(yè)穩(wěn)定性 運輸時將履帶收回減小運輸尺寸 有的特大型設備運輸時 還需要將兩個履帶架拆下 以減小運輸尺寸和單件運輸重量 由于三一的 SR150 全液壓旋挖鉆機總的工作重量為 45T 屬于較重的車型 又根據 運輸的需要和實際工作情況的需要 故選擇伸縮式履帶行走架 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 12 3 履帶行走架的設計計算 3 1 履帶行走裝置的設計計算 3 1 1 計算接地比壓 履帶行走裝置的尺寸和接地比壓的確定 主要考慮的是鉆機工作質量 行走時的工作 條件 行走速度等 由于工程鉆機的行走大多是輔助功能 行走速度較慢 一般在選擇或設 計履帶行走裝置時主要考慮鉆機的質量和驅動能力 在確定鉆機的接地比壓時主要考慮 鉆機行走的地層條件 再根據接地比壓確定履帶行走裝置的尺寸 目前 工程鉆機主要考慮 的是平均接地比壓 其計算公式為 2mgpbL 式中 p 履帶平均接地比壓 Pa m 鉆機的工作質量 kg b 履帶的寬度 m L 履帶的接地長度 m g 重力加速度 g 9 81 m s2 鉆機的工作質量 m 45000Kg 履帶的寬度 b 0 7m 履帶的接地長度 L 3 15m 2pbL 4509 8173MPa 最大接地比壓的計算 根據圖 8 一條履帶上所受的載荷為 G 偏心距為 e 則履帶兩端 的最大比壓為 履帶兩端的最小接地比壓為 max6GePbL max61GePbL 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 13 圖 8 最大接地比壓計算簡圖max61GePbL 式中 G 鉆機的工作重量 b 履帶的寬度 m L 履帶的接地長度 m e 重力的偏心距 m 0 4MPa ax4509 860 1 735P 3 1 2 行走牽引力的計算 1 總牽引力 由式 得360TsVFPR 12 8536 2 TSFKNV 式中 P 發(fā)動機功率 P 120KW 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 14 傳動到驅動輪的總效率 0 85 行走速度 KM H SV1 sV 泵或馬達的變量系數 如采用定量泵和定量馬達 則取 1 R VR 2 履帶行走阻力的確定 1 由于擠壓土壤造成的運行阻力 在坡道上時 cosdsFmg 式中 運行比阻力系數 d 0 2d m 機器的工作質量 m 45000Kg 預設的爬坡角度 30 所以 0 2 45000 9 8 cos30 76383 4NdsF 在平道時 mg 0 2 45000 9 8 88200Ndh 2 坡道阻力 mgsing 45000 9 8 sina30 220500NsF 3 風載荷造成的阻力 qAw 式中 q 風壓 q 250Pa A 迎風面積 A 6 5 2m 250 6 5 1625NwF 4 不穩(wěn)定運動時的慣性阻力 0 01mg 0 01 45000 9 8 4410Ni 所以 坡道行駛外部阻力為 esFdswiF 76383 4 220500 1625 4410 302KNs 平道行駛外部阻力為 88200 1625 4410 94KNehFdwi 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 15 3 內阻力的計算 1 驅動輪與履帶的嚙合阻力 1nF 1 1nFtd 184 1KNt2T368 0 95 為履帶板與驅動輪嚙合效率 d d 184 1 1 0 95 9 2KN1nF 2 驅動輪 導向輪軸與軸套的摩擦阻力 2nF 挖土機前進時 3 2nFt0dD 式中 對于履帶上分支懸垂所造成的張力 取 0 1 18 4KN 0 0Ft 軸頸中的摩擦系數 0 08 d 驅動輪和導向輪的軸頸直徑 d 6 5cm D 驅動輪的節(jié)圓直徑 D 88 1cm 184 1 3 18 4 0 08 1 41KN2nF 6 581 3 履帶軸銷的摩擦阻力 后輪驅動 前進行駛 3nF 3n 01 tdZ 式中 履帶銷軸直徑 4 45cm 履帶銷軸中的摩擦系數 0 25 1 1 Z 驅動輪的齒數 Z 27 t 履帶板的節(jié)距 t 20cm 1 53KN3nF 84 0 2547 4 支重輪滾動阻力和軸頸摩擦阻力 4nF 4n0mgD2 df 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 16 19 4KN4509 82 01 20 5 式中 m 整機工作質量 m 45000Kg 軸頸的摩擦系數 0 08 2 2 f 滾動摩擦系數 f 0 05 支重輪軸頸的直徑 10 2cm 0d0d 支重輪直徑 20 8cm DD 兩條履帶的內阻力總和為 nF1234 nnF 2 9 2 1 41 1 53 19 4 63KN 4 履帶行走裝置牽引力驗算 1 在坡道上行駛的總阻力 sFen 302 63 365KN 2 在平道上行走的總阻力 hen 94 63 157KN 由計算結果可知 上坡行駛 368 23 365KN 故牽引力滿足條件 TFs 3 1 3 支重輪數量的計算 由公式得 max12zpkPLlnt 式中 k 對支重輪重量的修正系數 k 1 1 1 7 L 履帶的接地長度 m 最后端的支重輪軸與驅動鏈輪軸及導向輪軸之間的距離1l2 地面的最大允許比壓zaxP 履帶節(jié)距 m pt 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 17 樁機既可使用于密實的干黃土 也可用于普通粘土 根據這些條件 地面的最大允 許比壓為 0 4 0 6MP 為了保證旋挖鉆機不下陷 取 0 6MP K 取 1 1 的值為maxzP1l 0 67m 的值為 0 6m 為 0 203m 2lpt 6 8 1 304 5670 23n 故圓整為 7 所以支重輪的個數為 7 個 3 2 履帶架伸縮梁強度的校核 在實際情況中履帶架伸縮梁的受力情況十分復雜 這里將其簡化為向下的壓力與扭 矩 受力情況如下圖所示 由圖可知 該梁的一端焊接在履帶架上 一端是懸空的 方 便插入底盤內 故可以將其簡化為懸臂梁的模型 如圖 9 所示 圖 9 簡化模型 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 18 圖 10 剪力 彎矩 扭矩圖 旋挖鉆機的上半車身重量為 28t 假設質量作用在底盤的幾何中心上 每根梁承擔的 重力為上半車身重量的四分之一 由扭矩的計算公式 得 TFx 式中 F 作用在梁上的力 X 梁到底盤中心垂線的距離 F 68600N 328109 4 X 0 5m 所以 34300 6 5T NM 經受力分析得該梁的剪力 Q G 68600N 彎矩為 M GX 梁的剪力圖 彎矩圖如圖所示 由圖 10 可知 危險截面在梁的焊接處 故對此處進行校核 由式 得 2210 75TW 式中 W 截面圖形的抗彎截面模量 M 力對梁的產生的彎矩 T 受力的作用梁產生的扭矩 該梁的 b h 0 2m 26bh 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 19 所以 0 0013 20 6W M Fx 7546081 NM 將個數據帶入公式得 62 4MPa2275460 3400 3 為了保證梁的安全性 由上述計算的結果 選擇高錳鋼做為梁的材料 3 3 螺紋連接的強度計算 螺紋連接的受力情況可分為兩種 一種是受橫向的剪切力 一種是受軸向的作用力 旋挖鉆機履帶架下的螺紋連接用于連接支重輪和履帶架 故受到以軸向作用為主的力 旋挖鉆機的總的工作質量為 45T 每一邊的履帶架上有 7 個支重輪 總的支重輪數為 14 個 故每個支重輪承受的力為 T 旋挖鉆機工作時有不穩(wěn)定的載荷 所以殘余預145 緊力 0 6 1 0 F 1 螺栓受到的總力為 21 式中 殘余預緊力 1 F 螺栓承受的工作載荷 F T 3 214T 3214Kg 31500N 45 取 0 8F1 25200NF0 83 故螺栓受到的總力為 25200 31500 56700N21F 螺栓危險截面的拉伸強度條件為 2 34caFd 式中 螺栓的總拉力 2 d 螺栓的直徑 d 22mm 考慮到螺栓在總拉力 的作用下可能需要補充擰緊 故將總拉力增加 30 以考慮扭2F 轉切應力的影響 56700 82710N 2F230 30567 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 20 28 3MPa21 38704ca 根據此結果選擇中碳鋼做為螺栓的材料 3 3 1 螺栓的校核 螺栓的最大應力計算安全系數為 1min2tccaaKSS 式中 螺栓材料的對稱循環(huán)拉壓疲勞極限 見表 1 MPa 1tc 試件的材料常數 即循環(huán)應力中平均應力的折算系數 對于碳素鋼 0 1 0 2 對于合金鋼 0 2 0 3 拉壓疲勞強度綜合影響系數 如忽略加工方法的影響 則 此處K kK 為有效應力集中系數 見表 2 為尺寸系數 見表 3 k S 安全系數 見表 4 最小拉應力為 0min24Fd 式中 預緊力 0 d 螺栓的直徑 式中 取 0 302bcmCFF bcmC 則 47250N0567 3150 124MPamin24 應力幅為 12MPa2bamCFd 23150 表 1 螺紋連接件常用材料的疲勞極限 疲勞極限 MPa 疲勞極限 MPa 材料 1 1tc 材料 1 1tc 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 21 10 Q215 35 160 220 170 220 220 300 120 150 120 160 170 220 45 40Cr 250 340 320 440 190 250 240 340 其中 3 9 0 76kK 5 133 9076 表 2 材料的 MPaB 400 600 800 1000k 3 0 3 9 4 8 5 2 表 3 螺紋連接件的尺寸系數 直徑 d mm 16 2 0 2 4 2 8 3 2 4 0 4 8 5 6 6 4 7 2 8 0 1 00 0 81 0 76 0 71 0 68 0 63 0 60 0 57 0 54 0 52 0 50 取 200MPa 0 21tc 則 1 28 1 2 205 1324 caS 所以此螺栓安全 表 4 螺紋連接的安全系數 S 受載類型 靜載荷 變載荷 松螺栓連接 1 2 1 7 M6 M16 M1 6 M30 M3 0 M60 M6 M16 M1 6 M30 M3 0 M60 碳 鋼 5 4 4 2 5 2 5 2 碳 鋼 12 5 8 5 8 5 8 5 12 5 緊 螺栓 連接 受 軸向 及橫 向載 荷的 普通 螺栓 連接 不 控制 預緊 力的 計算 合 金鋼 5 7 5 5 3 4 3 4 3 合 金鋼 10 6 8 6 8 6 8 10 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 22 控 制預 緊力 的計 算 1 2 1 5 1 2 1 5 鉸制孔用 螺栓連接 剛 2 5 1 25S p 鑄鐵 2 0 2 5 剛 3 5 5 0 1 5S pS 鑄鐵 2 5 3 0p 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 23 4 基于 PRO E 伸縮式履帶行走裝置的建模 4 1 PRO E 的簡介 Pro Engineer 是美國 PTC 公司的產品 于 1988 年問世 10 多年來 經歷 20 余次的 改版 已成為全世界及中國地區(qū)最普及的 3D CAD CAM 系統(tǒng)的標準軟件 廣泛應用于電 子 機械 模具 工業(yè)設計 汽車 航天 家電 玩具等行業(yè) Pro E 是全方位的 3D 產 品開發(fā)軟件包 和相關軟件 Pro DESINGER 造型設計 Pro MECHANICA 功能仿真 集合了零件設計 產品裝配 模具開發(fā) 加工制造 鈑金件設計 鑄造件設計 工業(yè) 設計 逆向工程 自動測量 機構分析 有限元分析 產品數據庫管理等功能 從而使 用戶縮短了產品開發(fā)的時間并簡化了開發(fā)的流程 國際上有 27000 多企業(yè)采用了 PRO ENGINEER 軟件系統(tǒng) 作為企業(yè)的標準軟件進行產品設計 下面就 Pro ENGINEER 的特點進行簡單的介紹 1 主要特性全相關性 Pro ENGINEER 的所有模塊都是全相關的 這就意味著在 產品開發(fā)過程中某一處進行的修改 能夠擴展到整個設計中 同時自動更新所有的工程 文檔 包括裝配體 設計圖紙 以及制造數據 全相關性鼓勵在開發(fā)周期的任一點進行 修改 卻沒有任何損失 并使并行工程成為可能 所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前 發(fā)揮其作用 基于特征的參數化造型 Pro ENGINEER 使用用戶熟悉的特征作為產品幾何 模型的構造要素 這些特征是一些普通的機械對象 并且可以按預先設置很容易的進行 修改 例如 設計特征有弧 圓角 倒角等等 它們對工程人員來說是很熟悉的 因而 易于使用 裝配 加工 制造以及其它學科都使用這些領域獨特的特征 通過給這些特 征設置參數 不但包括幾何尺寸 還包括非幾何屬性 然后修改參數很容易的進行多 次設計疊代 實現產品開發(fā) 2 數據管理 加速投放市場 需要在較短的時間內開發(fā)更多的產品 為了實現這 種效率 必須允許多個學科的工程師同時對同一產品進行開發(fā) 數據管理模塊的開發(fā)研 制 正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作 由于使用了 Pro ENGINEER 獨 特的全相關性功能 因而使之成為可能 3 裝配管理 Pro ENGINEER 的基本結構能夠使您利用一些直觀的命令 例如 嚙 合 插入 對齊 等很容易的把零件裝配起來 同時保持設計意圖 高級的功能支持 大型復雜裝配體的構造和管理 這些裝配體中零件的數量不受限制 4 易于使用 菜單以直觀的方式聯級出現 提供了邏輯選項和預先選取的最普通 選項 同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助 這種形式使得容易學習和使用 Pro E 包含了許多的功能模塊 本設計中主要用到以下三個模塊 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 24 1 Pro Engineer Pro Engineer 是該系統(tǒng)的基本部分 其中功能包括參數化功能定義 實體零件及組裝 造型 三維上色實體或線框造型棚完整工程圖產生及不同視圖 三維造型還可移動 放 大或縮小和旋轉 Pro Engineer 是一個功能定義系統(tǒng) 即造型是通過各種不同的設計專 用功能來實現 其中包括 筋 Ribs 槽 Slots 倒角 Chamfers 和抽空 Shells 等 采用這種手段來建立形體 對于工程師來說是更自然 更直觀 無需采用 復雜的幾何設計方式 這系統(tǒng)的參數比功能是采用符號式的賦予形體尺寸 不像其他系 統(tǒng)是直接指定一些固定數值于形體 這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的 關系 任何一個參數改變 其也相關的特征也會自動修正 這種功能使得修改更為方便 和可令設計優(yōu)化更趨完美 造型不單可以在屏幕上顯示 還可傳送到繪圖機上或一些支 持 Postscript 格式的彩色打印機 Pro Engineer 還可輸出三維和二維圖形給予其他應用軟 件 諸如有限元分析及后置處理等 這都是通過標準數據交換格式來實現 用戶更可配 上 Pro Engineer 軟件的其它模塊或自行利用 C 語言編程 以增強軟件的功能 它在單用 戶環(huán)境下 沒有任何附加模塊 具有大部分的設計能力 組裝能力 人工 和工程制圖 能力 不包括 ANSI ISO DIN 或 JIS 標準 并且支持符合工業(yè)標準的繪圖儀 HP HPGL 和黑白及彩色打印機的二維和三維圖形輸出 Pro Engineer 功能如下 特征驅動 例如 凸臺 槽 倒角 腔 殼等 參數化 參數 尺寸 圖樣中的特征 載荷 邊界條件等 通過零件的特征值之間 載荷 邊界條件與特征參數之間 如表面積等 的關系來 進行設計 支持大型 復雜組合件的設計 規(guī)則排列的系列組件 交替排列 Pro PROGRAM 的各種能用零件設計的程序化方法等 貫穿所有應用的完全相關性 任何一個地方的變動都將引起與之有關的每個地方 變動 其它輔助模塊將進一步提高擴展 Pro ENGINEER 的基本功能 2 Pro ASSEMBLY Pro ASSEMBLY 是一個參數化組裝管理系統(tǒng) 能提供用戶自定義手段去生成一組組 裝系列及可自動地更換零件 Pro ASSEMBLY 是 Pro ADSSEMBLY 的一個擴展選項模塊 只能在 Pro Engineer 環(huán)境下運行 它具有如下功能 1 在組合件內自動零件替換 交替式 2 規(guī)則排列的組合 支持組合件子集 3 組裝模式下的零件生成 考慮組件內已存在的零件來產生一個新的零件 4 Pro ASSEMBLY 里有一個 Pro Program 模塊 它提供一個開發(fā)工具 使用戶能自 行編寫參數化零件及組裝的自動化程序 這種程序可使不是技術性用戶也可產生自定義 設計 只需要輸入一些簡單的參數即可 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 25 5 組件特征 繪零件與 廣組件組成的組件附加特征值 如 給兩中零件之間加一個 焊接特征等 3 Pro ENGINEER Mechanism Dynamics Pro ENGINEER Mechanism Dynamics 虛擬地仿真運動組件的加速力和重力的反作用 力了解動力效應 工程師無需等待實物樣機就能測試產品的動力耐久性 利用 Pro ENGINEER 機構動力學仿真 可以虛擬地仿真運動組件的加速力和重力的反作用力 而且 您可以綜合考慮諸如彈簧 電動機 摩擦力和重力等動力影響 相應地調整產品 性能 無需背上研制樣機的高昂費用負擔就能獲得最大的設計信心 功能及益處 綜合 考慮彈簧 阻尼器 電動機 摩擦力 重力和定制的動力負載 以評估產品性能 使用 設計研究來優(yōu)化機構在一組輸入變量下的性能 創(chuàng)建準確的運動包絡 以用于干涉和空 間聲明研究中 通過動力學分析獲得準確的測量值 以設計更堅固 更輕和更高效的機 構 直接從動力學仿真中創(chuàng)建優(yōu)質動畫 4 2 支撐架的建模 支撐架的建模過程 1 利用拉伸工具 拉伸出支撐架的雛形 圖 11 支撐架雛形 2 利用孔工具 畫回轉支承的孔 3 利用殼工具 去除支撐架內部的材料 是壁厚為 50mm 并去除四個端面 以 便梁的插入 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 26 圖 12 加工孔 去除內部材料后的支撐架 4 利用拉伸工具 去除兩邊的材料 5 利用道圓角工具 倒出圓角 6 利用拉伸工具 拉伸出支承盤 圖 13 拉伸出支撐盤的支撐架 7 利用拉伸工具 拉伸出一個螺栓孔 8 利用陣列工具 陣列出孔的特征 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 27 圖 14 完整的支撐架 裝配零件 加入第一個零件時 將約束類型設置為缺省 如圖 15 所示 圖 15 設置約束類型 加入第二個零件時 由于履帶架可以在支撐架上移動 在定義裝配類型時 應定義 成滑動桿如圖 15 所示 這樣裝配完成后履帶架還可以移動 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 28 圖 16 定義裝配類型 定義完裝配類型后 單擊履帶架梁的中心線 再單擊支撐架空的中心線 系統(tǒng)自動 選用對齊的約束 同理 使第二根梁也與空對齊 再將履帶架移動到合適的位置 單擊 確定按鈕 完成裝配 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 29 結 論 旋挖鉆機的行走裝置是整個機械的支撐部分 承受樁機的自重和挖掘時的反力 它 既能穩(wěn)定地在地面上工作 同時又能在工作時做廠內運行和轉移工地時做運輸性運行 本文首先對行走裝置牽引力進行了計算 由于鉆機在前進和工作中需要受到各方面 的阻力 因此旋挖鉆機的總牽引力應該大于在各種狀態(tài)下所受的各種阻力的總和 同時 在爬坡時其牽引力還必須小于履帶與地面之間的附著力 以避免其打滑 鉆機在前進和 爬坡時的速度經過驗算 符合牽引力的要求 能用于實際中 然后在旋挖鉆機底盤的結構設計中 根據鉆機參數 選擇和設計各個零部件 其中 四輪一帶 驅動輪 導向輪 支重輪 拖鏈輪 履帶 在我國市場上已經有部分標準化 因此可根據打樁機型號和參數進行選擇 最后 借組計算機輔助工程技術對履帶行走裝置進行 PRO E 三維建模 為進一步優(yōu) 化設計提供了分析數據和結論 通過畢業(yè)設計 不僅培養(yǎng)了我們正確的設計思想 也同時讓我們掌握了工程設計的 一般程序和方法 鍛煉了我們靈活綜合運用知識的能力 通過對它的設計計算 我了解 了履帶行走裝置的工作原理 傳動系統(tǒng)方案和常用機械零部件件的選用設計等等 借助 計算機輔助技術的研究方法和研究結果可以作為以后工程上研制類似結構的參考 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 畢業(yè)設計 30 參考文獻 1 周建釗主編 底盤結構與原理 M 北京 國防工業(yè)出版社 2006 5 2 周良德 朱泗芳主編 現代工程圖學 M 長沙 湖南科學技術出版社 2002 9 3 羅迎社主編 材料力學 M 武漢 武漢理工大學出版社 2007 7 4 孔德文等 液壓挖掘機 M 北京 化學工業(yè)出版社 2007 1 5 趙克利等 底盤結構與設計 M 北京 化學工業(yè)出版社 2007 1 6 濮良貴 紀名剛 機械設計 第七版 M 北京 西北工業(yè)大學機械原理及機械零件教 研室 高等教育出版社 2000 7 孫恒 陳作模 機械原理 第六版 M 北京 高等教育出版社 2001 8 JB T2983 22001 履帶式推土機總成 北京 機械科學研究院 2009 4 9 吳宗澤 羅圣國 機械設計課程設計手冊 M 第三版 北京 高等教育出版社 2006 10 諸文農主編 履帶推土機結構與設計 M 北京 機械工業(yè)出版社 1986 12