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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
題 目：打樁機(jī)箱體結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)
學(xué) 院： 興湘學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)： 2010963007
姓 名： 陳志遠(yuǎn)
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(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.1.1旋挖打樁機(jī)機(jī)的簡介 3
1.1.2國內(nèi)外旋挖打樁機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 5
1.1.2.1旋挖打樁機(jī)的發(fā)展史 5
1.1.2.2國外旋挖打樁機(jī)的現(xiàn)狀 5
1.1.2.3國內(nèi)旋挖打樁機(jī)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(jī)的工作原理及施工工藝 8
2.1旋挖打樁機(jī)的主要構(gòu)成 10
2.2旋挖打樁機(jī)的工作原理 11
第3章旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭系統(tǒng) 11
3.1旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭系統(tǒng)的簡介 11
3.1.1旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭系統(tǒng)的構(gòu)成 11
3.1.2旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭系統(tǒng)的工作原理工作原理 11
3.2旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭系統(tǒng)主參數(shù)設(shè)計(jì) 12
第四章 旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)組成 14
4.1動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)組成 14
4.2旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu) 15
4.3旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
4.3.1動(dòng)力頭箱體齒輪設(shè)計(jì) 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(jì)算齒輪的受力，選擇一檔受力分析，進(jìn)行軸的剛度和強(qiáng)度校核。 22
4.5.3 軸的剛度計(jì)算 23
參考文獻(xiàn) 25
致謝 26
摘 要
近年來,我國旋挖打樁機(jī)取得了較快發(fā)展"但是相較于旋挖打樁機(jī)在國外幾十年的發(fā)展歷史,國內(nèi)旋挖鉆機(jī)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(jī)的發(fā)展還任重道遠(yuǎn)。
本文所研究的動(dòng)力頭作為旋挖打樁機(jī)主機(jī)的重要子項(xiàng),一直是主機(jī)研究的關(guān)鍵部件"其性能好壞直接影響鉆機(jī)整機(jī)的工作效率"打樁機(jī)的發(fā)展在國外己經(jīng)有數(shù)十年的歷史,動(dòng)力頭的發(fā)展己具備優(yōu)越的性能!獨(dú)特的技術(shù)和全新的設(shè)計(jì)概念"目前國內(nèi)動(dòng)力頭的開發(fā)能滿足旋挖打樁機(jī)基本的施工作業(yè),但可靠性和功能擴(kuò)展方面還需進(jìn)一步發(fā)展。
目前還很難檢索到有關(guān)旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的相關(guān)文獻(xiàn),國內(nèi)外均無文獻(xiàn)可參考和借用"因此,本課題對動(dòng)力頭系統(tǒng)的分析和研究,作為旋挖打樁機(jī)開發(fā)項(xiàng)目中的重要的子項(xiàng),希望會(huì)給旋挖打樁機(jī)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(jī),動(dòng)力頭,傳動(dòng)方式，打樁機(jī)，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(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
1.1.1旋挖打樁機(jī)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(jī)械,具有較大輸出扭矩!較高施工效率的優(yōu)點(diǎn),且兼有污染少、環(huán)保好、多功能等特點(diǎn)。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(qiáng),目前已成為工程機(jī)械行業(yè)的熱門產(chǎn)品。未來幾年,我國將投入巨額資金進(jìn)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(jī)的發(fā)展具備較好的宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境,具有較大的發(fā)展空間。
旋挖打樁機(jī)是樁基礎(chǔ)施工的高效成孔設(shè)備,施工時(shí)利用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)打樁桿和打樁頭回轉(zhuǎn)挖土,打樁進(jìn)壓力為液壓油缸提供的加壓力,打樁頭進(jìn)尺裝滿土石后由主卷揚(yáng)提升,回轉(zhuǎn)拋土,同時(shí)泥漿進(jìn)入保護(hù)孔壁。循環(huán)作業(yè)成孔達(dá)到施工要求。
與其他打樁孔機(jī)械比較,其施工具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):
(1)作業(yè)速度快,成孔質(zhì)量高。旋挖打樁機(jī)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(dòng)調(diào)整輸出扭矩,工作效率高"而且施工時(shí)鉆頭直接從孔內(nèi)挖土提升,而循環(huán)打樁機(jī)則是由打樁頭切削!泥漿循環(huán)排渣。因此省工省時(shí),打樁進(jìn)速快。一般情況下,在土層、砂層的打樁進(jìn)速度可達(dá)10In幾1,在粘土層可達(dá)4一6m/h,是普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的3一5倍,甚至更高；而且旋挖打樁機(jī)鉆進(jìn)時(shí)對地層擾動(dòng)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(jì)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(hù)較好。旋挖打樁機(jī)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(shí)清理運(yùn)走,施工現(xiàn)場干凈。而循環(huán)打樁機(jī)的工作原理則是由打樁頭對地層進(jìn)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(yán)重。旋挖打樁機(jī)施工中也使用泥漿,但泥漿的作用是用來護(hù)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(jī)底盤裝有兩條行駛履帶及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),無需借助其它工程機(jī)械可以自行行走,而傳統(tǒng)打樁機(jī)由于本身無行走機(jī)構(gòu),往往需要借助吊車等工程機(jī)械才可實(shí)現(xiàn)移位。同時(shí)旋挖打樁機(jī)施工對孔時(shí),利用先進(jìn)可靠的電、液控制,定位精確。方便可靠"而傳統(tǒng)打樁機(jī)沒有先進(jìn)的定位控制裝置,對孔進(jìn)行定位時(shí)只能依靠目測和經(jīng)驗(yàn)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(jī)可以通過更換適應(yīng)不同地層的打樁頭進(jìn)行不同地質(zhì)的施工,甚至可以進(jìn)行堅(jiān)硬巖層的施工,地層適應(yīng)性較強(qiáng)。
(5)一機(jī)多功能。多功能旋挖打樁機(jī)在普通旋挖打樁機(jī)上通過簡單的裝拆可實(shí)現(xiàn)多種樁工機(jī)械的施工,例如更換長螺旋打樁頭及對動(dòng)力頭進(jìn)行簡單改動(dòng),可實(shí)現(xiàn)長螺旋打樁機(jī)的施工;通過更換臂架及工作裝置,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)墻抓斗的施工;通過懸掛振動(dòng)錘可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)樁施工。更換簡單,施工效率高,適應(yīng)范圍廣,用戶購買一臺(tái)旋挖打樁機(jī),即可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)工程機(jī)械施工的目的,可為用戶節(jié)省大量資金。
(6)電、液控制，先進(jìn)可靠。為提高旋挖打樁機(jī)的自動(dòng)化程度,旋挖打樁機(jī)的生產(chǎn)均采用先進(jìn)的電!液控制,整機(jī)定位為全液壓打樁機(jī),各項(xiàng)作業(yè)均采用相應(yīng)的液壓系統(tǒng)和電氣控制,先進(jìn)可靠。為了提高旋挖打樁機(jī)的可靠性和使用壽命,旋挖鉆機(jī)關(guān)鍵的液壓元件和電氣元件均選用進(jìn)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(jī)的整體使用壽命,不致于因個(gè)別零件的損壞而影響旋挖鉆機(jī)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(jī)發(fā)展史
打樁機(jī)最初開發(fā)成功的是螺旋打樁孔機(jī)，時(shí)間大約在1940年。然后回轉(zhuǎn)斗式打樁機(jī)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(jī)，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(jī)7呀8。隨后，德國、日本等相繼研制出這種機(jī)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(jìn)，處于世界領(lǐng)先位置。隨著先進(jìn)的電液控制技術(shù)的發(fā)展與在工程機(jī)械上的成功使用，打樁機(jī)的功能進(jìn)一步加強(qiáng)，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(jìn)的打樁機(jī)部分工作裝置，配裝在履帶起重機(jī)上形成最初的旋挖打樁機(jī)；然后美國RDI公司的旋挖打樁機(jī)被天津探礦機(jī)械廠引進(jìn)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(jī)附著式旋挖打樁機(jī)根據(jù)土力公司的樣機(jī)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(dú)資子公司寶峨天津機(jī)械工程有限公司和中德合資上海寶峨金泰工程機(jī)械股份有限公司，開始生產(chǎn)BG20、BG15、BG24型旋挖打樁機(jī)、別。1998年，徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司自主研發(fā)成功RD18旋挖打樁機(jī)，并于1999年試制成功后進(jìn)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(jī)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(jī)的研發(fā)、生產(chǎn)和市場競爭當(dāng)中，對我國旋挖打樁機(jī)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)和促進(jìn)作用。
1.1.2.2國外旋挖打樁機(jī)的現(xiàn)狀
目前國外旋挖打樁機(jī)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(dú)特的產(chǎn)品特性，產(chǎn)品均已實(shí)現(xiàn)系列化，而且具有多項(xiàng)擴(kuò)展功能。國外打樁機(jī)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(dá)4米，打樁深可達(dá)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(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)。如圖1.1BAUER旋挖打樁機(jī)。(1)動(dòng)力頭一般都配有兩個(gè)或三個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，且具備連接套管驅(qū)動(dòng)器的功能。有的動(dòng)力頭配有套管打樁進(jìn)增扭裝置，在施工作業(yè)時(shí)可減省擺管機(jī)的應(yīng)用，大幅度降低旋挖打樁機(jī)的施工作業(yè)成本。動(dòng)力頭根據(jù)扭矩不同已形成系列，不同型號(hào)的旋挖打樁機(jī)可根據(jù)需要選裝動(dòng)力頭，裝配快捷、維修方便。(2)先進(jìn)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(jī)采用牙板自鎖伸縮式鉆桿，旋挖打樁機(jī)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(shí)，更易受到嚴(yán)重磨損。如果想繼續(xù)使用原打樁桿，必須對磨損牙嵌板進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且很難達(dá)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(shí)時(shí)施工狀態(tài)，無論新老操作機(jī)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(xiǎn)裝置，如防止帶負(fù)載起動(dòng)，卷揚(yáng)機(jī)超高限位f.。)，動(dòng)臂幅度限位及駕駛室內(nèi)液控開關(guān)等安全保護(hù)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(jī)工程學(xué)原理設(shè)計(jì)旋挖打樁機(jī)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(jī)主機(jī)上通過簡單操作快速更換各類鉆具，進(jìn)行打樁孔施工、連續(xù)墻成槽、振動(dòng)樁施工等多種不同工法的施工。從而使旋挖打樁機(jī)具備了一機(jī)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(jī)得到了快速發(fā)展，其整機(jī)的主要性能已接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平，關(guān)鍵技術(shù)和施工工藝也得到進(jìn)一步的發(fā)展。由于國產(chǎn)旋挖打樁機(jī)較國外旋挖打樁機(jī)價(jià)格適中、售后服務(wù)及時(shí)，目前國產(chǎn)旋挖打樁機(jī)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(jìn)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(jī)。因此旋挖打樁機(jī)的生產(chǎn)廠商如雨后春筍迅猛增長，國內(nèi)的旋挖打樁機(jī)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(jī)對技術(shù)和生產(chǎn)成本以及銷售價(jià)格的嚴(yán)格控制，目前旋挖打樁機(jī)主要生產(chǎn)廠家為:徐工集團(tuán)、上海金泰、南車時(shí)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(tuán)的旋挖打樁機(jī)正在施工。這些企業(yè)的旋挖打樁機(jī)的銷量已基本占領(lǐng)了整個(gè)旋挖打樁機(jī)市場的份額。但是目前國內(nèi)旋挖打樁機(jī)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(jī)國外幾十年的發(fā)展歷史，國內(nèi)旋挖打樁機(jī)的發(fā)展還任重道遠(yuǎn)。(1)國內(nèi)大部分旋挖打樁機(jī)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(yán)重，主要集中在中等型號(hào)的產(chǎn)品。(2)相對國外來說國內(nèi)旋挖打樁機(jī)生產(chǎn)和使用的時(shí)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(jìn)一步確認(rèn)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(jìn)口配套件受限。進(jìn)口配套件如液壓元件、電控元件、減速機(jī)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(jìn)口件受限處于停產(chǎn)狀態(tài)，主機(jī)生產(chǎn)受到嚴(yán)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(jī)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(dòng)力部件的動(dòng)力頭系統(tǒng)顯得異常重要。其性能好壞直接影響打樁機(jī)整機(jī)的工作效率。旋挖打樁機(jī)施工中，動(dòng)力頭為旋挖打樁機(jī)提供動(dòng)力，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)打樁桿、打樁頭回轉(zhuǎn)挖土，同時(shí)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(shí)低速進(jìn)給鉆進(jìn)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(dòng)力頭為滿足不同的土壤地質(zhì)條件，能根據(jù)不同的負(fù)載自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速與扭矩。但由于動(dòng)力頭作為重要的工作裝置，其工作環(huán)境惡劣，動(dòng)力頭會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障，嚴(yán)重時(shí)需要停機(jī)數(shù)日進(jìn)行維修，影響施工效率。因此如何減少和杜絕動(dòng)力頭故障，延長動(dòng)力頭正常使用時(shí)間，提高動(dòng)力頭質(zhì)量和可靠性，是旋挖打樁機(jī)制造廠商和施工用戶最為關(guān)注的問題。動(dòng)力頭作為旋挖打樁機(jī)主機(jī)研發(fā)項(xiàng)目的重要子項(xiàng)，一直是主機(jī)研究的關(guān)鍵部件。國外對打樁機(jī)研究己經(jīng)有數(shù)十年的歷史，打樁機(jī)各項(xiàng)性能相對成熟。動(dòng)力頭從最基本的功能為打樁具提供驅(qū)動(dòng)力和加壓力，到擴(kuò)展功能技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。已具備優(yōu)越的性能、獨(dú)特的技術(shù)和全新的設(shè)計(jì)概念。目前動(dòng)力頭已發(fā)展成為雙作用驅(qū)動(dòng)箱，即可進(jìn)行打樁孔，又能安放套管，并且增加了套管打樁進(jìn)增扭裝置。國內(nèi)旋挖打樁機(jī)動(dòng)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(kuò)展方面還需進(jìn)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(jī)動(dòng)力頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的相關(guān)文獻(xiàn)，國內(nèi)外很少有文獻(xiàn)可參考和借用。因此，本課題對動(dòng)力頭系統(tǒng)的分析和研究，作為旋挖打樁機(jī)開發(fā)項(xiàng)目中的重要的子項(xiàng)，會(huì)給旋挖打樁機(jī)的產(chǎn)品開發(fā)帶來借鑒作用，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀。
(2)旋挖打樁機(jī)的工作原理、主要構(gòu)成及施工工藝。
(3)動(dòng)力頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)及扭矩自適應(yīng)研究。
(4)動(dòng)力頭系統(tǒng)箱體設(shè)計(jì)。
第2章 旋挖打樁機(jī)的工作原理及其施工工藝
2.1旋挖打樁機(jī)的主要構(gòu)成
旋挖打樁機(jī)是集機(jī)電液一體化的高端工程機(jī)械，旋挖打樁機(jī)的主要構(gòu)成:底盤、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、幅、主副卷揚(yáng)、鉆桅、動(dòng)力頭、打樁桿、打樁頭、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)甩.司、駕駛室、機(jī)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(jī)等組成?！八妮啞笔侵笍埦o輪、驅(qū)動(dòng)輪、支重輪和托鏈輪；“一帶”是指履帶總成。旋挖打樁機(jī)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(jī)等組成?！八妮啞笔侵笍埦o輪、驅(qū)動(dòng)輪、支重輪和托鏈輪；“一帶”是指履帶總成。旋挖打樁機(jī)底盤結(jié)構(gòu)類型多樣，大致可分機(jī)動(dòng)靈活。意大利50工LMECR622HD型旋挖打樁機(jī)采用擺動(dòng)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(shí)現(xiàn)底盤伸縮、.3一-51。國內(nèi)打樁機(jī)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(dòng)縱梁支腿伸縮來實(shí)現(xiàn)。
(2)轉(zhuǎn)臺(tái)國內(nèi)旋挖打樁機(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)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(jī)和轉(zhuǎn)臺(tái)主體等。轉(zhuǎn)臺(tái)主體的兩主梁截面設(shè)計(jì)為/工0形截面或矩形截面。國外旋挖打樁機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)別具特色，如意大利SOILMECR622一HD旋挖打樁機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)受力大、應(yīng)力高的特點(diǎn)，整體上采用高鉸點(diǎn)、大截面結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)臺(tái)主梁采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)要求強(qiáng)度的同時(shí)，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(jī)變幅機(jī)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(jī)的變幅一般采用小三角變幅機(jī)構(gòu)，即平行四邊形和三角架支撐機(jī)構(gòu)。小三角變幅機(jī)構(gòu)適用于中等型號(hào)以及小型號(hào)打樁機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是變幅靈活，運(yùn)輸狀態(tài)和工作狀態(tài)切換方便。大三角變幅機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)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(jī)則采用大三角變幅機(jī)構(gòu)。但缺點(diǎn)是運(yùn)輸時(shí)受整機(jī)運(yùn)輸高度限制打樁桅必需前趴，因整機(jī)運(yùn)輸尺寸超長打樁桅必須拆卸運(yùn)輸。其運(yùn)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(hù)筒。上端有主副滑輪機(jī)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(tuán)XR系列旋挖打樁機(jī)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(dòng)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(jī)長度和高度，整機(jī)運(yùn)輸時(shí)無需拆卸。
(4)動(dòng)力頭動(dòng)力頭為打樁機(jī)工作提供動(dòng)力，是旋挖打樁機(jī)的關(guān)鍵傳動(dòng)部件。主要構(gòu)成有變量馬達(dá)帶動(dòng)減速機(jī)和齒輪箱實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、與打樁桿牙嵌板相嚙合的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及潤滑密封系統(tǒng)、動(dòng)力箱在打樁桅導(dǎo)軌上滑動(dòng)的支撐機(jī)構(gòu)。其工作原理是液壓馬達(dá)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，經(jīng)減速機(jī)和齒輪箱兩次減速增扭，打樁進(jìn)和拋土作業(yè)可實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動(dòng)打樁桿、打樁頭回轉(zhuǎn)，能滿足高速甩土和低速鉆進(jìn)兩種工況，能根據(jù)不同的負(fù)載自動(dòng)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(jìn)行拋土作業(yè)及軟地層施工時(shí)，動(dòng)力頭需要提供高速小扭矩工況。常見的實(shí)現(xiàn)快速反轉(zhuǎn)的有采用雙速減速機(jī)、減速機(jī)配以傳動(dòng)箱輸入端離合器等方案。國內(nèi)旋挖打樁機(jī)一般采用雙液壓馬達(dá)動(dòng)力頭，以保證在回轉(zhuǎn)打樁進(jìn)和反向拋土作業(yè)時(shí)動(dòng)力頭能夠提供足夠的扭矩和轉(zhuǎn)速。而西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家的旋挖打樁機(jī)，如SOILMEC
R622HD打樁機(jī)的動(dòng)力頭由三液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其中有一對馬達(dá)位于箱體上下兩端同軸驅(qū)動(dòng)齒輪。在低速打樁進(jìn)時(shí)，三馬達(dá)同時(shí)工作，在反向拋土?xí)r由單獨(dú)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減速機(jī)輸出軸和驅(qū)動(dòng)齒輪的離合，此時(shí)只依靠小馬達(dá)提供動(dòng)力實(shí)現(xiàn)高速拋土。另外，為了適應(yīng)不同地層的需要，國外動(dòng)力頭一般配備套管連接器，可直接連接套管，省去了擺管機(jī)的使用，節(jié)省了設(shè)備費(fèi)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(jī)的動(dòng)力頭均配有套管鉆進(jìn)增扭裝置。目前國內(nèi)徐工集團(tuán)生產(chǎn)的XR系列旋挖打樁機(jī)的動(dòng)力頭配備了套管連接機(jī)構(gòu)，可方便快捷地實(shí)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(jī)施工時(shí)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(dòng)力頭傳遞的扭矩和轉(zhuǎn)速傳遞給打樁頭，同時(shí)將加壓油缸的加壓力、動(dòng)力頭和打樁桿本身的重量穩(wěn)定地傳遞給鉆頭，打樁頭進(jìn)尺越多，樁深越深，對打樁桿的要求越嚴(yán)格，因?yàn)榇驑额^在幾十米深處作業(yè)，當(dāng)打樁進(jìn)較硬的地層時(shí)，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(xì)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(jī)順利鉆孔的重要因素。目前旋挖打樁機(jī)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(jī)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(jī)鎖式打樁桿一般為4節(jié)桿，打樁桿之間通過加壓平臺(tái)加壓鉆進(jìn)，適合于硬地層施工。為適應(yīng)不同地層施工，提高打樁進(jìn)效率，旋挖打樁機(jī)使用一種組合式打樁桿，該打樁桿既繼承了機(jī)鎖式打樁桿加壓打樁進(jìn)的特點(diǎn)，同時(shí)兼?zhèn)淞四ψ枋酱驑稐U高效率深孔作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)。組合式打樁桿一般為5節(jié)桿，外3節(jié)為機(jī)鎖式，可有效打樁進(jìn)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(jī)鎖式結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行加壓打樁進(jìn)時(shí)撓度很大，使打樁桿跳動(dòng)，影響成孔的精度或造成塌孔，將給施工造成嚴(yán)重?fù)p失。采用摩阻式打樁桿，可利用摩擦力柔性加壓打樁進(jìn)，提高深孔作業(yè)的效率，既保護(hù)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(jī)所用的伸縮式打樁桿一般都采用高強(qiáng)度無縫鋼管(抗拉強(qiáng)度約為900MPa)制成，重量輕、焊接性好，但進(jìn)口的打樁桿價(jià)格昂貴，而且損壞后維修不能及時(shí)保證。目前隨著旋挖打樁機(jī)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(jī)施工的同時(shí)，價(jià)格便宜，售后服務(wù)及時(shí)。打樁頭作為旋挖打樁機(jī)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(jī)提高工作效率的重要保證。目前國內(nèi)外旋挖打樁機(jī)在施工時(shí)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(jī)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(jī)液壓系統(tǒng)采用開式回路控制。液壓動(dòng)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(dòng)機(jī)相連，通過大流量多路閥控制一組主動(dòng)作，通過小流量多路閥控制一組輔助動(dòng)作。執(zhí)行元件為液壓馬達(dá)和液壓缸，液壓馬達(dá)為動(dòng)力頭、卷揚(yáng)、行走、回轉(zhuǎn)等回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。2臺(tái)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(jī)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(jī)的動(dòng)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(tái))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(dòng)力；冷卻泵(輔助泵中的1臺(tái))輸出的壓力油為旋挖打樁機(jī)冷卻系統(tǒng)執(zhí)行元件提供動(dòng)力。液壓驅(qū)動(dòng)示意圖見圖2.4。系統(tǒng)分別驅(qū)動(dòng)不同的執(zhí)行元件以實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)作，可以單獨(dú)控制一個(gè)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)單個(gè)動(dòng)作，也可同時(shí)控制多個(gè)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能。為提高旋挖打樁機(jī)的施工效率，大流量多路閥可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭、主卷揚(yáng)閥內(nèi)合流功能以提高兩個(gè)關(guān)鍵動(dòng)作的速度。
2.2旋挖打樁機(jī)原的工作原理
旋挖打樁機(jī)主要?jiǎng)幼饔袆?dòng)力頭、主、副卷揚(yáng)、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(jī)施工動(dòng)作順序如下:旋挖打樁機(jī)到達(dá)指定地點(diǎn)，為了增加支撐面積，左右履帶伸縮油缸伸出，達(dá)到旋挖打樁機(jī)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(dòng)作使打樁桅在指定點(diǎn)與水平面垂直，打樁桿、打樁頭在主卷揚(yáng)的作用下到達(dá)施工地面，在動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)下回轉(zhuǎn)，同時(shí)在加壓缸提供的加壓力的作用下向下挖土。打樁頭進(jìn)尺到位后，提升打樁桿時(shí)，主卷揚(yáng)回轉(zhuǎn)，加壓油缸同時(shí)提升，當(dāng)打樁頭提升至地面后，上車回轉(zhuǎn)帶動(dòng)打樁頭至指定的卸土位置進(jìn)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(dòng)力頭下端承撞體擋板，立柱受力打開回轉(zhuǎn)斗底板開啟機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)卸土作業(yè)。然后回轉(zhuǎn)到打樁孔位置，開始下一個(gè)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(jī)動(dòng)力頭系統(tǒng)
3.1旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭系統(tǒng)的簡介
3.1.1旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭系統(tǒng)的構(gòu)成
旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭系統(tǒng)是指驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)以傳遞扭矩和轉(zhuǎn)速給打樁桿和打樁頭實(shí)現(xiàn)鉆孔作業(yè)，并能根據(jù)土壤地質(zhì)條件的不同自動(dòng)改變其扭矩和轉(zhuǎn)速的整個(gè)系統(tǒng)。動(dòng)力頭系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓閥、液壓馬達(dá)、減速機(jī)、動(dòng)力頭、打樁桿、打樁頭等構(gòu)成〔23〕。動(dòng)力頭系統(tǒng)主要構(gòu)成部分及各部分間的傳動(dòng)關(guān)系如圖3.1所示。動(dòng)力頭系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)為大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分一般直接連接液壓泵，也有在發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵之間增加一分動(dòng)箱，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)取力點(diǎn)以連接多個(gè)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(dá)的啟動(dòng)、停止及換向。液壓回轉(zhuǎn)馬達(dá)通過減速機(jī)及動(dòng)力箱齒輪傳動(dòng)增大扭矩降低轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)打樁桿和打樁頭實(shí)現(xiàn)打樁孔作業(yè)。
3.1.2旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭系統(tǒng)的工作原理工作原理
旋挖打樁機(jī)到位后，鉆桿打樁頭下放至地面，操縱置于駕駛室內(nèi)的動(dòng)力頭先導(dǎo)手柄，接通液壓回路，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dá)的啟動(dòng)，液壓馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速通過減速機(jī)減速增扭后傳遞到齒輪箱，齒輪箱內(nèi)的減速齒輪進(jìn)行了二次減速，輸出的大扭矩和低轉(zhuǎn)速通過驅(qū)動(dòng)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(shí)托架和動(dòng)力頭總成沿導(dǎo)軌滑動(dòng)以傳遞加壓油缸的加壓力，驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)力頭承撞體下底板相撞，打樁頭開合機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，斗底打開卸土，動(dòng)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(shí)，打樁桿上部的打樁桿托架會(huì)壓在動(dòng)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(dá)到施工要求的打樁孔深度。動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)可根據(jù)施工地層的不同自動(dòng)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(tái)單泵同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)動(dòng)力頭液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)低速大扭矩作業(yè)，當(dāng)進(jìn)行較軟地層施工或拋土作業(yè)時(shí)，為提高工作效率，動(dòng)力頭需高速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)為動(dòng)力頭高速小扭矩作業(yè)，由ASVO雙泵合流提供大流量。動(dòng)力頭實(shí)現(xiàn)高速拋土也可采用雙速減速機(jī)，當(dāng)拋土作業(yè)時(shí)，切換為小減速比工況，動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速增加，實(shí)現(xiàn)高速甩土。
3.2旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計(jì)
本論文針對某中等型號(hào)的旋挖打樁機(jī)的動(dòng)力頭，該旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭原動(dòng)機(jī)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(dòng)力頭馬達(dá)為力士樂變量馬達(dá)A6VM；該打樁機(jī)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(dòng)力頭扭矩計(jì)算和壓力設(shè)定
根據(jù)變量馬達(dá)的控制性能，變量馬達(dá)起調(diào)點(diǎn)壓力設(shè)置為20MPa，此時(shí)馬達(dá)排量為最小排量，當(dāng)壓力為30MPa時(shí)，變量馬達(dá)排量為最大排量。
①動(dòng)力頭輸出扭矩:
式中氣—馬達(dá)排量，ml/r;
—馬達(dá)工作壓力，Mpa;
—馬達(dá)工作效率， =0.95;
—減速機(jī)速比;
—?jiǎng)恿ο鋫鲃?dòng)比。
將設(shè)計(jì)參數(shù)值代入式3. 1，可得到動(dòng)力頭的可調(diào)輸出扭矩Md為56—202kN*m。
②馬達(dá)最大工作壓力:
式中從—?jiǎng)恿︻^輸出扭矩，Md=220kN.m;
—馬達(dá)工作效率： =0.95;
—減速機(jī)速比;
—?jiǎng)恿ο鋫鲃?dòng)比。
可得到馬達(dá)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(dòng)力頭聯(lián)壓力可設(shè)置為35MPa.
③馬達(dá)的最小排量:
式中Q—系統(tǒng)流量，Q =215 1/min;
—馬達(dá)容積效率: =0,97;
n—馬達(dá)工作轉(zhuǎn)速，n =22r/min;
—減速機(jī)速比;
—?jiǎng)恿ο鋫鲃?dòng)比。
可得到馬達(dá)的最小排量V為67.97m1/r。取整后馬達(dá)的最小排量可設(shè)定67m1/r,
滿足設(shè)計(jì)要求。
(2)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速計(jì)算
發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力頭的最小打樁進(jìn)速度:
式中—主泵最小流量，= 291.41/min;
—?jiǎng)恿︻^馬達(dá)最大排量，ml/r;
—減速機(jī)速比;
—?jiǎng)恿ο鋫鲃?dòng)比。
可得到動(dòng)力頭的最小打樁進(jìn)速度為6.5r/min。
⑤動(dòng)力頭的最大打樁進(jìn)速度:
式中為主泵最大流量， =4301/min;
—?jiǎng)恿︻^馬達(dá)最小排量， =67m1/r;
—減速機(jī)速比;
—?jiǎng)恿ο鋫鲃?dòng)比。
可得到動(dòng)力頭的最大打樁進(jìn)速度為23r/min 。
第四章 旋挖打樁機(jī)機(jī)動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)組成
4.1動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)組成
旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭，主要組成部分有托架和動(dòng)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(dòng)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(dòng)力箱總成包括液壓馬達(dá)、行星減速機(jī)、動(dòng)力箱、減震裝置和承撞體。根據(jù)打樁機(jī)型號(hào)和扭矩的不同，所用液壓馬達(dá)的數(shù)量也不同，扭矩要求較小的使用一臺(tái)，中等型號(hào)的鉆機(jī)一般為兩臺(tái)，較大扭矩的打樁機(jī)動(dòng)力頭使用三臺(tái)。液壓馬達(dá)分別連接行星減速機(jī)，行星減速機(jī)的輸出軸與減速動(dòng)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(dòng)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(jìn)口件，
回轉(zhuǎn)支承或大齒圈與驅(qū)動(dòng)套連接為一體，驅(qū)動(dòng)套的上端連接有減震裝置，其下端連接承撞體。驅(qū)動(dòng)套內(nèi)部有均布的三處驅(qū)動(dòng)牙板，與鉆桿牙板配合傳遞扭矩和壓力。
圖4-1動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)組成
4.2旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)
旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭箱體作為減速裝置，通過齒輪減速傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)增大扭矩、降低轉(zhuǎn)速的目的。國內(nèi)外動(dòng)力頭箱體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及減速實(shí)現(xiàn)方式各有不同，國內(nèi)外動(dòng)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(tuán)動(dòng)力箱為代表的箱體機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖4. 2和圖4. 3。該動(dòng)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(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)減速機(jī)回轉(zhuǎn)，減速機(jī)輸出軸和小齒輪通過花鍵傳動(dòng)，
小齒輪和回轉(zhuǎn)支承的外齒嚙合傳動(dòng)，從而帶動(dòng)連接軸回轉(zhuǎn)，連接軸和驅(qū)動(dòng)套通過螺栓連接帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)套旋轉(zhuǎn)，安裝在驅(qū)動(dòng)套上的牙嵌板驅(qū)動(dòng)打樁桿相應(yīng)牙嵌板從而使打樁桿鉆頭回轉(zhuǎn)。該動(dòng)力箱的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，箱體緊湊，故障點(diǎn)較少。缺點(diǎn)是三排柱回轉(zhuǎn)支承價(jià)格昂貴，且連接軸和驅(qū)動(dòng)套相較于另一類只有驅(qū)動(dòng)套的箱體增加了連接軸的價(jià)格，因此動(dòng)力箱造價(jià)高。一類是以意大利CASAGRANDE動(dòng)力箱為代表的箱體機(jī)構(gòu)，該類動(dòng)力箱一般有三馬達(dá)或兩馬達(dá)加離合機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，具有高速拋土功能。減速機(jī)和齒輪輸入軸之間增加一離合機(jī)構(gòu)，正常作業(yè)時(shí)，減速機(jī)輸出軸通過離合機(jī)構(gòu)的過渡齒輪間接和齒輪輸入軸嚙合傳動(dòng)輸出低轉(zhuǎn)速和大扭
圖4-2動(dòng)力箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)
矩。需要高速拋土或軟地層高速鉆進(jìn)時(shí)，離合機(jī)構(gòu)過渡齒輪和減速機(jī)輸出軸打樁機(jī)脫開，只有一馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)作業(yè)，提高轉(zhuǎn)速。另一類是國內(nèi)一打樁分使用的動(dòng)力頭箱體結(jié)構(gòu)。動(dòng)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(shí)和驅(qū)動(dòng)套相連?；剞D(zhuǎn)支承的內(nèi)圈和動(dòng)力箱固定，箱體上端是大直徑球軸承的支撐結(jié)構(gòu)。該動(dòng)力箱的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)便宜，缺點(diǎn)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(jìn)泥漿，大軸承首先會(huì)受到破壞。
圖4-3驅(qū)動(dòng)套結(jié)構(gòu)組成
4.3旋挖打樁機(jī)動(dòng)力頭箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.3.1動(dòng)力頭箱體齒輪設(shè)計(jì)
4.3.1.1齒輪模數(shù)
1、模數(shù)
對旋挖打樁機(jī)因?yàn)樨?fù)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(jī)中的接合齒模數(shù)相同。其取值范圍是：總負(fù)載在1.8～14.0t的負(fù)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(jī)負(fù)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(dòng)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(dòng)比和傳動(dòng)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(dòng)示意圖
4.3.1.2、確定低速旋進(jìn)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(jì)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(jì)算載荷取作用到變速器第一軸上的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，對旋挖機(jī)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(jì)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(dòng)齒輪在嚙合點(diǎn)上的摩擦力方向不同，對彎曲應(yīng)力的影響也不同：主動(dòng)齒輪=1.1，從動(dòng)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(jì)算
式中：—輪齒的接觸應(yīng)力（MPa）；
—計(jì)算載荷（N.mm）；
—節(jié)圓直徑(mm)；
—節(jié)點(diǎn)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(shí)際寬度(mm)；
MPa＜
MPa＜
4.5 變速器軸的校核
旋挖機(jī)最大扭矩為1460N m，最高轉(zhuǎn)速540r/min，齒輪傳動(dòng)效率99%，離合器傳動(dòng)效率99%，軸承傳動(dòng)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(jì)上應(yīng)盡量保證工藝簡單，階梯應(yīng)盡可能少。
4.5.2．計(jì)算齒輪的受力，選擇一檔受力分析，進(jìn)行軸的剛度和強(qiáng)度校核。
（1）旋進(jìn)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(jì)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(jì)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(shí)心軸，；—軸的直徑（mm），花鍵處按平均直徑計(jì)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(qiáng)度計(jì)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(shí)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(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、高度的責(zé)任心以及嚴(yán)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(xiàng)設(shè)計(jì)，而且也將成為使我受益終生的寶貴財(cái)富。幾個(gè)月的時(shí)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(jì)到論文的審定改進(jìn)，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(jì)，學(xué)生不僅開拓了思路、擴(kuò)大了視野、豐富了知識(shí)面，還初步掌握了處理具體實(shí)踐問題的科學(xué)方法，為學(xué)生今后發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)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(shí)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。