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湖 南 科 技 大 學(xué)
英文文獻翻譯
學(xué) 生 姓 名： 牛文建
學(xué) 院： 機電工程學(xué)院
專業(yè)及班級： 機械設(shè)計制造及其自動化（2）班
學(xué) 號： 103010201
指導(dǎo)教師： 馬克新
2015 年 3 月 26 日
VIBRATORY HAMMER EXCITERS
Although there are many varitations in design and construction ,the vast majority of vibratory hammer are of the configuration like this .Briefly ,there are two main components of the system: the exciter , which produces the actual vibrating force ,and the power pack, which provides the usable energy for the motors on the hammer to spin the eccentrics.
We first need to look at the exciter; it is divided into three parts;
1)Vibrator case :This contains the eccentric weights and does the actual vibration. Thus, these eccentrics must be somehow both driven and synchronized.
The most common way to accomplish this is a gear system. The gears can actually function in various ways , depending upon how they are set up . Generally the eccentrics are mounted to the gear system , either partially or entirely; in either case the mounting is rigid. In some vibratory hammers, this rigidity is insured by insured by making the gear a one piece eccentric .Several types of gears have been used in vibratory hammer, including spur, helical ,and bevel. All types work best when the teeth are small but strong enough to transmit the power. Large teeth have two been used extensively in vibratory hammers over the years , but small ones are quieter , more efficient, and more reliable.
Other schemes of synchronization are: a) there are no gears , and most of the time the amplitude of the system synchronizes their rotation ,each eccentric driven by its own motor , or b) the gears are synchronized by a chain and each eccentrics is driven individually .
In any case , the dynamics forces generated by the eccentrics is transmitted to the case by the use of antifriction bearings , which also facilitate rotation. These can be cylindrical , spherical (“screen” bearings) ,or ball , but to work properly they must be sufficiently large for the load and adequately lubricated ,either by a pump system or well designed splash system .
Geared eccentrics can be connected to the motor either by pinion, or through belts or chain drives. For the latter two the motor is mounted on the static weight ; a pinion drive require that the motor be mounted directly to the vibrator case .Pinions are used as torque converters, which make optimum used of motors at their preferred operating speeds.
2)Clamp: This connects the vibrator case to the pile and thus transmits the vibrator’s power from the vibrator case to the pile. Generally speaking , most clamps pinch the pile using a hydraulic cylinder and jaws , thus making a frictional connection . A few vibrators actually bolt or pin the pile to the vibrator case , as was done with the old Vulcan or MKT impact extractors . Some clamps (Foster) use some kind of leverage to enable the use of a small cylinder to generate a large force . For hydraulic clamps ,both lever and direct cylinder clamps are shown.
3) Suspension: This is connected to the vibrator case by rubble or metal springs. In driving this provides additional weight to the system to force the pile into the ground without degrading the vibration of the system, although with most units additional bias weight can be attached to the suspension. In extraction the suspension system transmits static pull while dampening out vibration and thus protects the crane boom. For this to be effective the springs must be sufficiently soft and the bias weight sufficiently heavy to insure a suspension natural frequency that is much lower than the vibrator’s operating frequency. Occasionally additional static weight is helpful during and the weights which accomplish this (called “base weighst”) are attached to the suspension.
Impact-Vibration Exciters
Although impact –vibration hammers share common constructional features with their vibratory relatives , there are important differences .In common with more conventional vibratory hammers, it contains counter rotating eccentrics which impart vertical vibrations ;however, these are contained in a head which is not rigidly connected to the pile but is free to some degree . This freedom enables the units to impact the pile at a rate higher than conventional impact hammers . The alternating force of the eccentrics takes the place of the air , steam ,diesel combustion or hydraulic fluid in 4 moving the head up and down like a ram, with impact at either the top , bottom,or both ends of its “stroke”. Although this can produce variations in the eccentric rotational speed of up to 40%(as opposed to the 50% or so normal for vibratory hammers), this variation generally does not impede the continuous , stable operation of the equipment.
Some of the various parts of these hammer are dicussed below:
Exciter/Head : The exciter of these machines is similar in general principle to strictly vibrating machines ,with eccentrics driven by motors. With impact –vibration hammers ,the exciter has a constant source of amplitude within the springs ,and so the eccentrics are usually not synchronized with gears ,each one driven by a motor. Beaing life with these machine is critical ,and many of them must be used in the vibratory mode a good deal of their operation.
Frame/Springs : Frame design of these machines is critical since the frame provides both the regulation of the machine and its connection to the pile. The regulating springs are generally coil springs . The machine’s vibration within the springs is regulated by both the springs rate and the pretensioning of the springs . The latter can be either fixed or regulated by hydraulic or electric means . Part of the machine’s force on the pile is also transmitted by the springs if the frame is clamped to the pile.
Pile Connection: The most elementary of impact-vibration machines have no pile connection(or frame) at all and rest on the top like impact hammers .Although hydraulic clamps similar to ones in vibratory hammers can be used , other schemes to keep the frame on the pile include simply making the frame heavy than the upward springs force or bolting the machine to the pile.
Power Packs for Vibratory and Impact-Vibration Equipment
Turning to the power pack, a few vibrators , such as the bodine-guild resonant drivers ,some of the early Soviet vibrodrilling machines ,and some Japanese units ,drive rotating eccentrics straight from diesel or gasoline engines by mechanical couplings . However , most vibratory or impact-vibration hammers transmit energy from the prime mover to the eccentrics through either electric or hydraulic systems. Since construction site are usually remote , transportable power sources have been developed for vibratory hammers. These are referred to as power packs ( for hydraulic units) or generator sets ( for electric units) . These units are similar for both vibratory and impact-vibration equipments .
Electrics system : these usually employ three-phase induction motors driven at a single frequency, which has encourage the development of many system to vary the eccentric moment and thus the driving force .In some case electric vibratory hammers can be driven from a nearby three-phase mains , obviating the need for a generator set. The hammers thus only requires a switchbox to control it . A separate , small power pack , driven with an electric motor , is required to operate the hydraulic clamp , if there is one . This can either be on the ground or mounted on the static overweight . Electric systems are less and less popular because of maintenance and reliability consideration.
Hydraulic system: for a varity of reason hydraulic system have become dominant, and the major manufactures , such as Vulcan ,ICE ,and MKT, employ hydraulic drive almost exclusively. These system use a diesel engine to drive a hydraulic pump ,which In turn drives the motor on the exciter . A reservoir of varying size is used to store hydraulic fluid in case of leakage , fluid low , both in starting and stopping the 6 machine and during operation .Beyond these basic , these are specific differences between the various hydraulic power packs available; They are :
1) Pump Driven or Gearbox :the hydraulic pump is connected to the engine through a pump drive; sometimes this pump drive is a gearbox as well , acting as a speed changer to optimize the pump , while in others a direct drive is employed , eliminating gear losses.
2) Clamp Pumps :some units have separate pumps for the hydraulic clamp and some integrate these into the main power source .Impact-vibration hammers that do mot have a clamp on them do not have a clamp on them do not need a clamp circuit.
3) Variation of Frequency and Force :Both of these can be varied either by using varied displacement pumps in the power pack or by simply varying the engine speed. Variable disable displacement pumps can have very sophisticated flow control mechanisms.
4) Control Type : These units can employ air ,electric, or manual controls for the hydraulic circuitry .Manual controls are the simplest; however ,they confine the operate the machine . Remote controls allow more economical and there is better access to the parts for severice.
5) Enclosure : some power packs have a sheets metal enclosure and some do not . The principal advantage of an enclosed power pack is protection from weather and criminal activity . Enclosures are also helpful if they provide sound deadening , although many do not. Open power packs are more economical and there is better access to the parts of service.
6) Open and Close Loop Hydraulic System: Both appear on power pack in this application . Closed loop systems allow for better controlled starting , running ,and stopping of themechines , but have traditionally been more complicated, and the power packs less adaptable to other applications.
In some cases, the crane hydraulic system can be employed to power the vibratory hammer. Although this eliminates the external power pack and diesel engine , all of the control and operating features of these integral power units are the same.
振動打樁機激振器
雖然在設(shè)計和施工中有很多變化，但絕大多數(shù)的振動樁錘結(jié)構(gòu)都像這樣。簡單的說，打樁機系統(tǒng)由兩個核心組件構(gòu)成：激振器——產(chǎn)生激振力；電源箱——提供能源使得位于振動樁錘上的馬達帶動偏心塊旋轉(zhuǎn)。
我們首先看一看激振器，它由三部分組成；
1）激振箱 ：包含偏心塊，它能產(chǎn)生振動。因此這些偏心塊一定是以某種方式被同步驅(qū)動。
最常被用來實現(xiàn)這種同步驅(qū)動的是齒輪系統(tǒng)。齒輪有多種運用方式，這取決于它們是怎樣被安裝的。通常齒輪系統(tǒng)被整體或局部的安裝在激振器中，無論哪一種情況下，它都是被精確的安裝。在某些振動樁錘中，齒輪配對加工以確保其精度。某些型號的齒輪被運用到振動樁錘中，包括直齒，園齒和圓錐持輪。這些齒輪齒形雖小但工作良好，強度足夠傳遞動力。大型齒輪雖然多年來廣泛的運用在振動樁錘中，但是小齒輪更輕巧、更有效也更可靠。
其他的同步方案中不存在齒輪系統(tǒng)，方案一：大多數(shù)的振動系統(tǒng)中每一個偏心塊由獨立的馬達驅(qū)動，振幅隨著旋轉(zhuǎn)改變。方案二：由同步齒輪鏈條驅(qū)動，偏心塊仍由獨立的馬達驅(qū)動。
無論在那種情況下，由偏心塊產(chǎn)生的激振力由潤滑軸承旋轉(zhuǎn)傳遞到箱體內(nèi)，這些軸承的滾珠可以是圓柱形、球形的，但是為良好工作，必須有足夠的強度和充分的潤滑，潤滑是由液壓系統(tǒng)或者是設(shè)計良好的油滴飛濺潤滑來實現(xiàn)。
偏心塊既不是通過齒輪也不是帶和鏈傳動連接到馬達上的，后兩者中馬達是被靜態(tài)安裝的；齒輪傳動需要馬達直接被安裝在激振器箱體上，齒輪被用作旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化原件以便充分利用馬達工作轉(zhuǎn)速。
2）壓鉗：用來連接激振器和樁錘，因此傳遞遞激振器產(chǎn)生的激振力至樁錘?？偟膩碚f，大多數(shù)的壓鉗采用液壓缸和下顎擠壓樁錘而產(chǎn)生摩擦連接。實際上一些振動樁機采用螺栓或者螺釘將樁錘直接安裝在激振器箱體上，正如一些老式的Vulcan 和MTK的沖擊樁錘。一些壓鉗（福特斯）采用某種類型的杠桿以使缸體產(chǎn)生很大的擠壓力，對于液壓壓板來說，通常采用杠桿和直壓板。
3）懸架：懸架通過墊圈或金屬彈簧安裝在激振器箱體上，大多數(shù)的部件都可以增加偏心塊重量，通過驅(qū)動這些額外增加系統(tǒng)重量而不減少系統(tǒng)的振動以使樁錘打入地面。在拔樁過程中，懸架傳遞靜拉力而不損壞起重吊臂。為了確保懸架的振動頻率低于激振器工作頻率，彈簧和偏心塊必須有足夠彈性和重量。有時候，適當(dāng)?shù)脑黾討壹艿闹亓坑欣碛赏瓿纱驑哆^程。
沖擊振動樁錘
盡管沖擊振動打樁機和其它類型的打樁機一樣都具有類似的結(jié)構(gòu)，但是還是存在顯著的區(qū)別。和傳統(tǒng)的打樁樁錘相同，它包括旋轉(zhuǎn)的偏心塊來產(chǎn)生豎直方向上的激振力，但是，沖擊樁錘的樁錘不是剛性的連接而是自由的還具有一定程度的自由度。這種自由連接的方式保證了沖擊樁錘比傳統(tǒng)樁錘上升的高度更高。偏心塊產(chǎn)生可變換的激振力取代了壓縮空氣、柴油燃燒或者液壓油驅(qū)動樁體上升或下降，在樁體上身到頂部和底部時都能產(chǎn)生沖擊力。盡管偏心塊旋轉(zhuǎn)能產(chǎn)生高達40%的變速范圍（相對于正常樁錘的50%），但是變速范圍不影響設(shè)備的整體連續(xù)運行。
激振器/ 連接頭：沖擊樁錘的激振器與嚴格的振動打樁機激振器大體相似，其偏心塊都是有馬達驅(qū)動。隨著沖擊樁錘運動，激振器有連續(xù)的振幅，因此激振器不與齒輪同步驅(qū)動，每一個偏心塊都由獨立的馬達帶動。設(shè)備中齒輪的壽命是至關(guān)重要的，因此大部分的齒輪振動模式下才能正常運行。
箱體/彈簧：箱體的設(shè)計是機器中至關(guān)重要的一項，不僅提供機器的調(diào)節(jié)同時也連接樁錘。一般的調(diào)整彈簧是卷彈簧。機器的振動是由彈簧的彈性比和彈簧的預(yù)緊力調(diào)節(jié)的。
樁錘連接：沖擊樁錘沒有任何的樁錘連接裝置因而就像停留在頂部的樁錘，盡管液壓夾具在振動樁錘中能夠被運用，其他方案中為了樁錘的箱體連接而箱體的重力大于向上的彈簧彈性力或者是直接采用螺栓連接。
振動樁錘和沖擊樁錘的動力裝置
提到動力裝置，像一些蘇聯(lián)早期的振動打鉆機和日本的柴油或汽油驅(qū)動偏心塊豎直旋轉(zhuǎn)的機械連接裝置。但是，大多數(shù)的振動樁錘通過電子或液壓系統(tǒng)將原始動力傳遞給偏心塊。考慮到施工地點通常偏遠，振動樁錘的便攜式動力部分已經(jīng)改良。它們是經(jīng)常被提及的馬達（液壓裝置）和電動機（電氣裝置）。這些裝置在振動樁錘和沖擊樁錘中類似。
電氣系統(tǒng)：通常采用單頻三相感應(yīng)電機，它能夠調(diào)整偏心塊的運動進而調(diào)節(jié)激振力。在某些情況下，電氣振動打樁機能夠采用附近的三相輸電總線驅(qū)動。因此樁錘僅僅需要一個轉(zhuǎn)換開關(guān)就能控制。單獨分開小型的電機驅(qū)動動力裝置需要啟動液壓夾鉗如果配備的話，它可以靜態(tài)安裝在地面或其它部位，由于保養(yǎng)和可靠性差，電氣系統(tǒng)難受歡迎。
液壓系統(tǒng)：有很多理由解釋液壓系統(tǒng)將成為主流，像Vulcan ,ICE ,and MKT都專門采用了液壓裝置。液壓系統(tǒng)采用柴油電機驅(qū)動液壓泵，液壓泵驅(qū)動激振器上的馬達。回油箱用來儲存因在開機或關(guān)機中導(dǎo)致的液壓油漏油和油路。除了這些基本的特點之外，一下還有顯著的液壓動力箱的特點：
1）液壓泵/變速箱：液壓泵通過液壓馬達與電機相連，有時候液壓驅(qū)動也是變速箱，起著調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速的作用，有時候被直接運用到其它設(shè)備中以消除齒輪磨損。
2）液壓壓鉗：有些設(shè)備能將液壓泵與液夾鉗分隔開，有的則將兩者連接起來成為主要的動力部分。沖擊樁錘沒有液壓夾鉗，因此也不需要液壓回路.
3）可便頻率和力矩：這兩者均可調(diào)節(jié)通過使用不同排量的液壓泵或者獨單的調(diào)節(jié)每個電機的轉(zhuǎn)速，可變排量的液壓泵由非常復(fù)雜的流量調(diào)節(jié)機制。
4）控制類型：液壓回路的控制單元可以使用空氣、電或者手動控制。手動控制是最簡單的，但是這限制了設(shè)備的工作范圍。遠程控制提供了更多的彈性操作但是增加了成本也導(dǎo)致了更多的問題。
5）殼體：一些動力箱有薄板包裹，一些則沒有。殼體的作用能保護動力箱不受空氣影響和防止事故。不管配不配備隔音設(shè)備，殼體也是很有用的。開放式的動力箱更經(jīng)濟也便于拆裝零件。
6）開放式和封閉式的液壓回路系統(tǒng)：兩者共同出現(xiàn)在動力箱上，閉合式的液壓回路系統(tǒng)能更好的控制啟動、運轉(zhuǎn)和停止，但是與傳統(tǒng)的控制相比越來越復(fù)雜，使得與其他元件的兼容性減低。
在某些情況下，液壓起重系統(tǒng)能夠被運用到振動樁錘的沉拔中。盡管減少了外部動力箱和柴油發(fā)動機，但是動力裝置的所有控制和操作特點都是一樣的。
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書
論文（設(shè)計）題目： 打樁機機箱體結(jié)構(gòu)部件設(shè)計
學(xué)號： 2010963007 姓名： 陳志遠 專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化
指導(dǎo)教師： 吳繼春 系主任： 劉柏希
一、主要內(nèi)容及基本要求
(1)分析打樁機工作原理和技術(shù)要求及其構(gòu)思方案。
(2)完成打樁機傳動系統(tǒng)的設(shè)計、機構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。主要零部件的受力分析和強度計算。繪制所設(shè)計方案的機構(gòu)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(shè)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(shè)計。
（2）旋挖打樁機傳動系統(tǒng)的設(shè)計。
（3）主執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計及其結(jié)構(gòu)設(shè)計。
三、進度安排
序號
各階段完成的內(nèi)容
完成時間
1
收集資料、查詢相關(guān)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(shù)要求，進行方案構(gòu)思與設(shè)計
2014年2月23日～ 3月8日
3
完成傳動系統(tǒng)及機構(gòu)設(shè)計和主要零件設(shè)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(shè)計
2014年5月3日～5月15日
6
撰寫畢業(yè)設(shè)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(shè)計說明書，準(zhǔn)備答辯
2014年5月 27 日～ 5月28日
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻
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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書
題 目：打樁機箱體結(jié)構(gòu)部件設(shè)計
學(xué) 院： 興湘學(xué)院
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 號： 2010963007
姓 名： 陳志遠
指導(dǎo)教師： 吳繼春
完成日期： 2014年6月
目 錄
摘 要 1
第1章 緒論 3
1.1國內(nèi)外旋挖打樁機的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.1.1旋挖打樁機機的簡介 3
1.1.2國內(nèi)外旋挖打樁機的發(fā)展現(xiàn)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(xiàn)狀 5
1.1.2.3國內(nèi)旋挖打樁機的現(xiàn)狀 6
1.2本課題的意義及研究內(nèi)容 6
1.2.1本課題的意義 6
1.3論文主要內(nèi)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(gòu)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(tǒng) 11
3.1旋挖打樁機動力頭系統(tǒng)的簡介 11
3.1.1旋挖打樁機動力頭系統(tǒng)的構(gòu)成 11
3.1.2旋挖打樁機動力頭系統(tǒng)的工作原理工作原理 11
3.2旋挖打樁機動力頭系統(tǒng)主參數(shù)設(shè)計 12
第四章 旋挖打樁機動力頭結(jié)構(gòu)組成 14
4.1動力頭結(jié)構(gòu)組成 14
4.2旋挖打樁機動力頭箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu) 15
4.3旋挖打樁機動力頭箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計 17
4.3.1動力頭箱體齒輪設(shè)計 17
4.3.1.1齒輪模數(shù) 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(nèi)旋挖鉆機在關(guān)鍵部件和核心技術(shù)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(guān)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(jīng)有數(shù)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(shù)和全新的設(shè)計概念"目前國內(nèi)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(guān)旋挖打樁機動力頭系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的相關(guān)文獻,國內(nèi)外均無文獻可參考和借用"因此,本課題對動力頭系統(tǒng)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(chǎn)品開發(fā)帶來一定的借鑒作用。
關(guān)鍵詞：旋挖打樁機,動力頭,傳動方式，打樁機，減速器
26
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(nèi)外旋挖打樁機的發(fā)展現(xiàn)狀
1.1.1旋挖打樁機的簡介
旋挖打樁建筑基礎(chǔ)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(zhì)復(fù)雜多變,在工程施工中旋挖打樁根據(jù)不同的地質(zhì)條件選擇不同類型的鉆具,施工適應(yīng)性強,目前已成為工程機械行業(yè)的熱門產(chǎn)品。未來幾年,我國將投入巨額資金進行基礎(chǔ)設(shè)施和城市公共設(shè)施的建設(shè),包括高速鐵路、城際公路、電力、城市地鐵等的建設(shè),因此旋挖打樁機的發(fā)展具備較好的宏觀經(jīng)濟環(huán)境,具有較大的發(fā)展空間。
旋挖打樁機是樁基礎(chǔ)施工的高效成孔設(shè)備,施工時利用動力驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動打樁桿和打樁頭回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)量高。旋挖打樁機輸出扭矩大且具有扭矩自適應(yīng)功能,可根據(jù)地質(zhì)情況自動調(diào)整輸出扭矩,工作效率高"而且施工時鉆頭直接從孔內(nèi)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(zhuǎn)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(cè)摩阻力,保證樁基設(shè)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(zhì)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(zhuǎn)拋上。所挖泥土和石渣可及時清理運走,施工現(xiàn)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(nèi),循環(huán)往復(fù),施工現(xiàn)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(xiàn)場基本無泥漿污染,且泥漿經(jīng)過處理可以多次反復(fù)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(qū)動機構(gòu),無需借助其它工程機械可以自行行走,而傳統(tǒng)打樁機由于本身無行走機構(gòu),往往需要借助吊車等工程機械才可實現(xiàn)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(tǒng)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(jīng)驗確定,定位精確度不高。
(4) 適應(yīng)地層廣泛。我國地層復(fù)雜,南北地區(qū)地質(zhì)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(yīng)不同地層的打樁頭進行不同地質(zhì)的施工,甚至可以進行堅硬巖層的施工,地層適應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)長螺旋打樁機的施工;通過更換臂架及工作裝置,可實現(xiàn)連續(xù)墻抓斗的施工;通過懸掛振動錘可實現(xiàn)振動樁施工。更換簡單,施工效率高,適應(yīng)范圍廣,用戶購買一臺旋挖打樁機,即可實現(xiàn)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(chǎn)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(yīng)的液壓系統(tǒng)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(guān)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(tǒng)、日本的電控系統(tǒng)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(nèi)外旋挖打樁發(fā)展現(xiàn)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(zhuǎn)斗式打樁機在美國率先研制成功。前蘇聯(lián)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(chǎn)的BG系列、IMT生產(chǎn)的AF系列、SOILMEC公司生產(chǎn)的R系列、CMV公司的TH系列、LIEBHERR生產(chǎn)的LRB系列等產(chǎn)品性能優(yōu)越、技術(shù)先進，處于世界領(lǐng)先位置。隨著先進的電液控制技術(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(jù)土力公司的樣機在我國試制成功，但沒有形成批量生產(chǎn)。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(chǎn)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(chǎn)，并逐漸形成系列化產(chǎn)品。我國旋挖打樁機以此為標(biāo)志，從此打開了自主研發(fā)和快速發(fā)展的新局面。北京經(jīng)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(chǎn)和市場競爭當(dāng)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(xiàn)狀
目前國外旋挖打樁機的生產(chǎn)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(chǎn)品特性，產(chǎn)品均已實現(xiàn)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(chǎn)品經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了獨特的技術(shù)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(qū)動，且具備連接套管驅(qū)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(yīng)用，大幅度降低旋挖打樁機的施工作業(yè)成本。動力頭根據(jù)扭矩不同已形成系列，不同型號的旋挖打樁機可根據(jù)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(dāng)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(fù)，修復(fù)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(tǒng)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(nèi)液控開關(guān)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(jù)人機工程學(xué)原理設(shè)計旋挖打樁機的操縱室，并加設(shè)了冷暖空調(diào)。(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(nèi)旋挖打樁的現(xiàn)狀
近年來，經(jīng)過各類施工磨練的國產(chǎn)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(guān)鍵技術(shù)和施工工藝也得到進一步的發(fā)展。由于國產(chǎn)旋挖打樁機較國外旋挖打樁機價格適中、售后服務(wù)及時，目前國產(chǎn)旋挖打樁機已基本占領(lǐng)了國內(nèi)的市場。未來幾年，基礎(chǔ)設(shè)施和城市公共設(shè)施將進一步完善，相關(guān)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(chǎn)廠商如雨后春筍迅猛增長，國內(nèi)的旋挖打樁機生產(chǎn)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(shù)和生產(chǎn)成本以及銷售價格的嚴格控制，目前旋挖打樁機主要生產(chǎn)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(lián)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(lǐng)了整個旋挖打樁機市場的份額。但是目前國內(nèi)旋挖打樁機的生產(chǎn)和使用也存
在相當(dāng)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(nèi)旋挖打樁機的發(fā)展還任重道遠。(1)國內(nèi)大部分旋挖打樁機生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)未形成規(guī)模，產(chǎn)品也未系列化，產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象嚴重，主要集中在中等型號的產(chǎn)品。(2)相對國外來說國內(nèi)旋挖打樁機生產(chǎn)和使用的時間尚短，還缺乏全面的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，施工規(guī)范和系統(tǒng)的工法研究還需進一步確認和完善，關(guān)鍵技術(shù)和基本理論的研究有待深入。(3)產(chǎn)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(guān)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(chǎn)狀態(tài)，主機生產(chǎn)受到嚴重影響。
1.2本課題的意義及研究內(nèi)容
1.2.1本課題的意義
旋挖打樁機在樁基礎(chǔ)施工的普遍應(yīng)用和快速發(fā)展，使作為關(guān)鍵動力部件的動力頭系統(tǒng)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(qū)動打樁桿、打樁頭回轉(zhuǎn)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(fù)雜，動力頭為滿足不同的土壤地質(zhì)條件，能根據(jù)不同的負載自動調(diào)整轉(zhuǎn)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(xiàn)各種各樣的故障，嚴重時需要停機數(shù)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(zhì)量和可靠性，是旋挖打樁機制造廠商和施工用戶最為關(guān)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(guān)鍵部件。國外對打樁機研究己經(jīng)有數(shù)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(qū)動力和加壓力，到擴展功能技術(shù)的實現(xiàn)。已具備優(yōu)越的性能、獨特的技術(shù)和全新的設(shè)計概念。目前動力頭已發(fā)展成為雙作用驅(qū)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(nèi)旋挖打樁機動力頭在核心技術(shù)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(jù)作者查證，目前還很難檢索到有關(guān)旋挖打樁機動力頭系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的相關(guān)文獻，國內(nèi)外很少有文獻可參考和借用。因此，本課題對動力頭系統(tǒng)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(chǎn)品開發(fā)帶來借鑒作用，具有一定的經(jīng)濟效益和社會效益。
1.3論文主要內(nèi)容
主要包括以下內(nèi)容:
(l)旋挖打樁機的發(fā)展現(xiàn)狀。
(2)旋挖打樁機的工作原理、主要構(gòu)成及施工工藝。
(3)動力頭系統(tǒng)設(shè)計及扭矩自適應(yīng)研究。
(4)動力頭系統(tǒng)箱體設(shè)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(gòu)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(gòu)成:底盤、回轉(zhuǎn)平臺、幅、主副卷揚、鉆桅、動力頭、打樁桿、打樁頭、發(fā)動機系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)甩.司、駕駛室、機棚、配重等。
(1)底盤底盤構(gòu)成包括兩部分:車架及行走裝置。車架底架為箱形焊接結(jié)構(gòu)，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(qū)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(jié)構(gòu)類型多樣，大致可分(1)底盤底盤構(gòu)成包括兩部分:車架及行走裝置。車架底架為箱形焊接結(jié)構(gòu)，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。“四輪”是指張緊輪、驅(qū)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸相對較小、高度相對較低，在行走過程中即可實現(xiàn)底盤伸縮、.3一-51。國內(nèi)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(qū)動縱梁支腿伸縮來實現(xiàn)。
(2)轉(zhuǎn)臺國內(nèi)旋挖打樁機的轉(zhuǎn)臺一般為整體焊接式結(jié)構(gòu)，主要包括回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)減速機和轉(zhuǎn)臺主體等。轉(zhuǎn)臺主體的兩主梁截面設(shè)計為/工0形截面或矩形截面。國外旋挖打樁機轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)別具特色，如意大利SOILMECR622一HD旋挖打樁機回轉(zhuǎn)平臺根據(jù)轉(zhuǎn)臺受力大、應(yīng)力高的特點，整體上采用高鉸點、大截面結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)臺主梁采用等強度設(shè)計的變截面工字梁結(jié)構(gòu)，與矩形梁相比較，重量輕、節(jié)省材料。邊梁設(shè)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(jù)目前國內(nèi)外旋挖打樁機變幅機構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型，變幅大致可分為二類，大三角變幅和小三角變幅。國內(nèi)旋挖打樁機的變幅一般采用小三角變幅機構(gòu)，即平行四邊形和三角架支撐機構(gòu)。小三角變幅機構(gòu)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(gòu)的優(yōu)點是設(shè)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(fù)雜的施工中突顯穩(wěn)定性優(yōu)勢。如德國BAUER公司生產(chǎn)的BG系列旋挖打樁機則采用大三角變幅機構(gòu)。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(gòu)，用于提升打樁桿和打樁頭。截面為方箱形截面，導(dǎo)軌為成型鋼管，焊接在箱體的兩側(cè)。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(dǎo)向作用，打樁桅的可折疊式結(jié)構(gòu)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(guān)鍵傳動部件。主要構(gòu)成有變量馬達帶動減速機和齒輪箱實現(xiàn)驅(qū)動的動力驅(qū)動機構(gòu)、與打樁桿牙嵌板相嚙合的回轉(zhuǎn)機構(gòu)及潤滑密封系統(tǒng)、動力箱在打樁桅導(dǎo)軌上滑動的支撐機構(gòu)。其工作原理是液壓馬達輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，經(jīng)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(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動打樁桿、打樁頭回轉(zhuǎn)，能滿足高速甩土和低速鉆進兩種工況，能根據(jù)不同的負載自動調(diào)整轉(zhuǎn)速與扭矩，以滿足不同的土壤地質(zhì)條件。當(dāng)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(xiàn)快速反轉(zhuǎn)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(nèi)旋挖打樁機一般采用雙液壓馬達動力頭，以保證在回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)動，其中有一對馬達位于箱體上下兩端同軸驅(qū)動齒輪。在低速打樁進時，三馬達同時工作，在反向拋土?xí)r由單獨機構(gòu)實現(xiàn)減速機輸出軸和驅(qū)動齒輪的離合，此時只依靠小馬達提供動力實現(xiàn)高速拋土。另外，為了適應(yīng)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(shè)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(nèi)徐工集團生產(chǎn)的XR系列旋挖打樁機的動力頭配備了套管連接機構(gòu)，可方便快捷地實現(xiàn)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(guān)鍵配套件，其質(zhì)量至關(guān)重要。打樁桿的功能是將動力頭傳遞的扭矩和轉(zhuǎn)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(dāng)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(jié)構(gòu)形式及鋼管質(zhì)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(yīng)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(nèi)2節(jié)為摩阻式，內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(zhì)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(nèi)打樁具配套廠家日益增多，國產(chǎn)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(wù)及時。打樁頭作為旋挖打樁機的關(guān)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(nèi)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(zhuǎn)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(tǒng)旋挖打樁機液壓系統(tǒng)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(lián)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(zhuǎn)等回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)提供驅(qū)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(dǎo)泵(輔助泵中的1臺)輸出的壓力油由先導(dǎo)閥控制，為先導(dǎo)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(tǒng)執(zhí)行元件提供動力。液壓驅(qū)動示意圖見圖2.4。系統(tǒng)分別驅(qū)動不同的執(zhí)行元件以實現(xiàn)不同的動作，可以單獨控制一個執(zhí)行元件實現(xiàn)單個動作，也可同時控制多個執(zhí)行元件實現(xiàn)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(xiàn)動力頭、主卷揚閥內(nèi)合流功能以提高兩個關(guān)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(zhuǎn)、下車、打樁桅調(diào)平、變幅、加壓、支腿、履帶伸縮。上車回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)驅(qū)動下回轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)，加壓油缸同時提升，當(dāng)打樁頭提升至地面后，上車回轉(zhuǎn)帶動打樁頭至指定的卸土位置進行卸土，卸土?xí)r提升打樁頭使回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)斗底板開啟機構(gòu)實現(xiàn)卸土作業(yè)。然后回轉(zhuǎn)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(shù)碼顯示，當(dāng)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(tǒng)
3.1旋挖打樁機動力頭系統(tǒng)的簡介
3.1.1旋挖打樁機動力頭系統(tǒng)的構(gòu)成
旋挖打樁機動力頭系統(tǒng)是指驅(qū)動動力頭回轉(zhuǎn)以傳遞扭矩和轉(zhuǎn)速給打樁桿和打樁頭實現(xiàn)鉆孔作業(yè)，并能根據(jù)土壤地質(zhì)條件的不同自動改變其扭矩和轉(zhuǎn)速的整個系統(tǒng)。動力頭系統(tǒng)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(gòu)成〔23〕。動力頭系統(tǒng)主要構(gòu)成部分及各部分間的傳動關(guān)系如圖3.1所示。動力頭系統(tǒng)的發(fā)動機為大功率柴油發(fā)動機，發(fā)動機動力驅(qū)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(xiàn)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(zhuǎn)馬達的啟動、停止及換向。液壓回轉(zhuǎn)馬達通過減速機及動力箱齒輪傳動增大扭矩降低轉(zhuǎn)速驅(qū)動打樁桿和打樁頭實現(xiàn)打樁孔作業(yè)。
3.1.2旋挖打樁機動力頭系統(tǒng)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(nèi)的動力頭先導(dǎo)手柄，接通液壓回路，發(fā)動機驅(qū)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(zhuǎn)馬達的啟動，液壓馬達輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速通過減速機減速增扭后傳遞到齒輪箱，齒輪箱內(nèi)的減速齒輪進行了二次減速，輸出的大扭矩和低轉(zhuǎn)速通過驅(qū)動套牙板傳遞給打樁桿和打樁頭，打樁桿和打樁頭回轉(zhuǎn)挖土。同時托架和動力頭總成沿導(dǎo)軌滑動以傳遞加壓油缸的加壓力，驅(qū)動打樁桿和打樁頭壓入地面并回轉(zhuǎn)取土。當(dāng)打樁頭取土滿鉆后，動力頭反轉(zhuǎn)，打樁桿解鎖后提打樁整車回轉(zhuǎn)，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(gòu)啟動，斗底打開卸土，動力頭高速旋轉(zhuǎn)，甩粘土。當(dāng)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(nèi)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(tǒng)可根據(jù)施工地層的不同自動改變其扭矩和轉(zhuǎn)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(qū)動兩臺動力頭液壓馬達實現(xiàn)低速大扭矩作業(yè)，當(dāng)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(zhuǎn)，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(xiàn)高速拋土也可采用雙速減速機，當(dāng)拋土作業(yè)時，切換為小減速比工況，動力頭轉(zhuǎn)速增加，實現(xiàn)高速甩土。
3.2旋挖打樁機動力頭系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)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(zhuǎn)速為22r/mln，系統(tǒng)最大流量4301/min。
(l)動力頭扭矩計算和壓力設(shè)定
根據(jù)變量馬達的控制性能，變量馬達起調(diào)點壓力設(shè)置為20MPa，此時馬達排量為最小排量，當(dāng)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(shè)計參數(shù)值代入式3. 1，可得到動力頭的可調(diào)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(nèi)，取2.5MPa。因此動力頭聯(lián)壓力可設(shè)置為35MPa.
③馬達的最小排量:
式中Q—系統(tǒng)流量，Q =215 1/min;
—馬達容積效率: =0,97;
n—馬達工作轉(zhuǎn)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(shè)定67m1/r,
滿足設(shè)計要求。
(2)動力頭轉(zhuǎn)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(xiàn)選主泵A8V0，輸出功率設(shè)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(jié)構(gòu)組成
4.1動力頭結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jù)打樁機型號和扭矩的不同，所用液壓馬達的數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)支承或大齒圈兩端支承軸承和密封件均選用進口件，
回轉(zhuǎn)支承或大齒圈與驅(qū)動套連接為一體，驅(qū)動套的上端連接有減震裝置，其下端連接承撞體。驅(qū)動套內(nèi)部有均布的三處驅(qū)動牙板，與鉆桿牙板配合傳遞扭矩和壓力。
圖4-1動力頭結(jié)構(gòu)組成
4.2旋挖打樁機動力頭箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)
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(xiàn)增大扭矩、降低轉(zhuǎn)速的目的。國內(nèi)外動力頭箱體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及減速實現(xiàn)方式各有不同，國內(nèi)外動力頭箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(gòu)，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)支承的外齒相嚙合，三排柱回轉(zhuǎn)支承的外圈和連接軸通過螺栓相連接，內(nèi)圈和箱體固定。馬達旋轉(zhuǎn)時，帶動減速機回轉(zhuǎn)，減速機輸出軸和小齒輪通過花鍵傳動，
小齒輪和回轉(zhuǎn)支承的外齒嚙合傳動，從而帶動連接軸回轉(zhuǎn)，連接軸和驅(qū)動套通過螺栓連接帶動驅(qū)動套旋轉(zhuǎn)，安裝在驅(qū)動套上的牙嵌板驅(qū)動打樁桿相應(yīng)牙嵌板從而使打樁桿鉆頭回轉(zhuǎn)。該動力箱的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，箱體緊湊，故障點較少。缺點是三排柱回轉(zhuǎn)支承價格昂貴，且連接軸和驅(qū)動套相較于另一類只有驅(qū)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(gòu)，該類動力箱一般有三馬達或兩馬達加離合機構(gòu)驅(qū)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(gòu)，正常作業(yè)時，減速機輸出軸通過離合機構(gòu)的過渡齒輪間接和齒輪輸入軸嚙合傳動輸出低轉(zhuǎn)速和大扭
圖4-2動力箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)
矩。需要高速拋土或軟地層高速鉆進時，離合機構(gòu)過渡齒輪和減速機輸出軸打樁機脫開，只有一馬達進行驅(qū)動作業(yè)，提高轉(zhuǎn)速。另一類是國內(nèi)一打樁分使用的動力頭箱體結(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)支承的外圈相連，同時和驅(qū)動套相連。回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈和動力箱固定，箱體上端是大直徑球軸承的支撐結(jié)構(gòu)。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(qū)動套結(jié)構(gòu)組成
4.3旋挖打樁機動力頭箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.3.1動力頭箱體齒輪設(shè)計
4.3.1.1齒輪模數(shù)
1、模數(shù)
對旋挖打樁機因為負載比較大重要，故齒輪應(yīng)該選用大些的模數(shù)；從工藝方面考慮，各擋齒輪應(yīng)該選用一種模數(shù)。
嚙合套和同步器的接合齒多數(shù)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(shù)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(zhì)量大于14.0t的貨車為3.5～5.0mm。選取較小的模數(shù)值可使齒數(shù)增多，有利于換擋。
表4-1 常用齒輪模數(shù)
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(jù)旋挖打樁機負載情況及表1，一二檔齒輪的模數(shù)定為4mm.
2、壓力角
國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，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(shù)和螺旋角以后，可根據(jù)變速器的擋數(shù)、傳動比和傳動方案來分配各擋齒輪的齒數(shù)。應(yīng)該注意的是，各擋齒輪的齒數(shù)比應(yīng)該盡可能不是整數(shù)，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(shù)
取模數(shù)=4mm 齒寬系數(shù)=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(shù)
取模數(shù)=4mm 齒寬系數(shù)=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(yīng)力
式中：—計算載荷（N·mm）；
—法向模數(shù)（mm）；
—齒數(shù)；
—斜齒輪螺旋角（°）；
—應(yīng)力集中系數(shù)，=1.50；
—齒形系數(shù)，可按當(dāng)量齒數(shù)在圖中查得；
—齒寬系數(shù)=7.0
—重合度影響系數(shù)，=2.0。
當(dāng)計算載荷取作用到變速器第一軸上的最大轉(zhuǎn)矩時，對旋挖機常嚙合齒輪和高擋齒輪，許用應(yīng)力在180～350MPa范圍，對貨車為100～250MPa。
式中，為彎曲應(yīng)力；為圓周力，；為計算載荷；d為節(jié)圓直徑；為應(yīng)力集中系數(shù)，可近似取=1.65；為摩擦力影響系數(shù)，主、從動齒輪在嚙合點上的摩擦力方向不同，對彎曲應(yīng)力的影響也不同：主動齒輪=1.1，從動齒輪=0.9；b為齒寬；t為端面齒距，，m為模數(shù)；y為齒形系數(shù).
=209.476MPa<180～350MPa
=197.974 MPa<180～350MPa
輪齒接觸應(yīng)力計算
式中：—輪齒的接觸應(yīng)力（MPa）；
—計算載荷（N.mm）；
—節(jié)圓直徑(mm)；
—節(jié)點處壓力角（°），—齒輪螺旋角（°）；
—齒輪材料的彈性模量（MPa）；
—齒輪接觸的實際寬度(mm)；
MPa＜
MPa＜
4.5 變速器軸的校核
旋挖機最大扭矩為1460N m，最高轉(zhuǎn)速540r/min，齒輪傳動效率99%，離合器傳動效率99%，軸承傳動效率96%。
輸入軸 ==146×99%×96%=138.8N.m
4.5.1．軸的工藝要求
對于做為軸向推力支承或齒輪壓緊端面的軸的端面，光潔度不應(yīng)低于▽7，并規(guī)定其端面擺差。一根軸上的同心直徑應(yīng)可控制其不同心度。
對于采用高頻或滲碳鋼的軸，螺紋部分不應(yīng)淬硬，以免產(chǎn)生裂紋。
對于階梯軸來說，設(shè)計上應(yīng)盡量保證工藝簡單，階梯應(yīng)盡可能少。
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。
（1）旋進擋齒輪1， 2的圓周力、
mm，
mm
=135.91N.m, =327.88N.m
初選軸的直徑
4.5.3 軸的剛度計算
若軸在垂直面內(nèi)撓度為，在水平面內(nèi)撓度為和轉(zhuǎn)角為δ，可分別用下列式計算
式中：—齒輪齒寬中間平面上的徑向力（N）；
—齒輪齒寬中間平面上的圓周力（N）；
—彈性模量（MPa），=2.1×105MPa；
—慣性矩（mm4），對于實心軸，；—軸的直徑（mm），花鍵處按平均直徑計算；
、—齒輪上的作用力距支座、的距離（mm）；
—支座間的距離（mm）。
軸的全撓度為mm。
軸在垂直面和水平面內(nèi)撓度的允許值為=0.05～0.10mm，=0.10～0.15mm。齒輪所在平面的轉(zhuǎn)角不應(yīng)超過0.002rad[18]。
（1）輸入軸的剛度
=2579.72N，軸頸=25mm，=17.75mm，=196mm， =2.1×105N
N，N
輸入軸強度計算
=38.35mm，=135.91N.m，=17.75mm，=25mm,=196mm
=7087.87N.m，=2579.77N.m，=2797.7N.m
輸入軸受力彎矩圖
求H面內(nèi)支反力、和彎矩
2)求V面內(nèi)支反力、和彎矩
由以上兩式可得
N.mm
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致謝
本論文和課題的研究工作實在尊敬的指導(dǎo)老師吳繼春老師的親切關(guān)懷下完成的。吳老師淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、高度的責(zé)任心以及嚴于律己、待人誠懇的思想品德深深影響著我，這不僅是我順利完成了此項設(shè)計，而且也將成為使我受益終生的寶貴財富。幾個月的時間里，從課題的選定、資料的收集、方案的擬定、課題的具體設(shè)計到論文的審定改進，吳繼春老師都給與了極大的幫助，傾注了大量的心血。通過這次的畢業(yè)設(shè)計，學(xué)生不僅開拓了思路、擴大了視野、豐富了知識面，還初步掌握了處理具體實踐問題的科學(xué)方法，為學(xué)生今后發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。
在論文的完成過程中，還得到了何源、朱乃明、李昱等同學(xué)不懈的支持與幫助，在此對他們表示衷心的感謝。
感謝這將近四年來在我身邊曾經(jīng)幫助和關(guān)心過我的人們。
同時也感謝在學(xué)習(xí)和生活中給予我無私關(guān)懷的我最親愛的父親和母親。