K125旋挖鉆機(jī)動(dòng)臂設(shè)計(jì)及分析設(shè)計(jì)【優(yōu)秀課程畢業(yè)設(shè)計(jì)】

目 錄 1 緒論 . 1 挖鉆機(jī)發(fā)展與應(yīng)用 . 1 挖鉆機(jī)動(dòng)臂的研究現(xiàn)狀 . 1 題來(lái)源及研究意義 . 2 2 挖鉆機(jī)總體設(shè)計(jì) . 3 要技術(shù)參數(shù) . 3 械結(jié)構(gòu)與工作原理 . 4 械結(jié)構(gòu) . 4 作原理 . 8 3 旋挖鉆機(jī)動(dòng)臂力學(xué)分析 . 11 挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)介紹 . 11 挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)分析 . 12 況的選擇以及力學(xué)建模過(guò)程中主 卷?yè)P(yáng)拉力的處理方法 . 13 幅和提鉆狀態(tài)下的受力分析 . 13 作裝置的整體重心坐標(biāo)位置估算 . 13 臂變幅液壓缸自鎖，桅桿舉升液壓缸舉升時(shí) 的受力分析 . 14 臂變幅液壓缸自鎖，動(dòng)臂變幅時(shí)三角架受 力分析 . 18 挖鉆機(jī)鉆挖工作狀態(tài)下變幅機(jī)構(gòu)的受力分析 . 22 臂變幅液壓缸鎖定，三角架受力分析 . 22 挖狀態(tài)下，動(dòng) 臂變幅時(shí)受力分析 . 24 險(xiǎn)工況下動(dòng)臂的受力分析 . 26 4 挖鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 28 臂材料的 選擇 . 28 臂結(jié)構(gòu)方案 . 29 5 焊接工藝 . 30 藝參數(shù)設(shè)計(jì) . 30 裝設(shè)計(jì)與選用 . 31 藝要求 . 31 6 結(jié)論 . 32 參考文獻(xiàn) . 33 致 謝 . 34 附 錄 . 35 1 1 緒論 挖鉆機(jī)發(fā)展與應(yīng)用 由于國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和政府大搞基礎(chǔ)建設(shè)，基礎(chǔ)工程市場(chǎng)有了一個(gè)前所未有的發(fā)展機(jī)遇?；A(chǔ)建設(shè)中有大量的樁基工程，與一般的基礎(chǔ)工程相比，這些樁基工程具有工期持續(xù)長(zhǎng)、工程量大、工程進(jìn)度要求嚴(yán)、環(huán)保要求高等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使施工技術(shù)面臨一個(gè)很大的挑 戰(zhàn)，常規(guī)的施工技術(shù)和設(shè)備不能滿足要求，必須采用先進(jìn)的施工技術(shù)和設(shè)備來(lái)滿足這些工程的施工要求。樁基施工技術(shù)的發(fā)展和完善以及灌注樁承載能力增強(qiáng)，又考慮到施工的安全性和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)乃至相關(guān)法律法規(guī)健全，使樁基工程，特別是現(xiàn)澆混凝土灌注樁成為應(yīng)用最廣泛的施工形式。 旋挖鉆機(jī)是利用鉆斗的旋挖、切削、提鉆、卸土等反復(fù)循環(huán)作業(yè)成孔的基礎(chǔ)施工設(shè)備。該鉆機(jī)可配置短、長(zhǎng)螺旋鉆具、擴(kuò)底鉆斗、套筒、預(yù)制樁樁錘、抓斗等作業(yè)裝置。旋挖鉆機(jī)是一種技術(shù)含量和機(jī)電液集成度較高的樁基礎(chǔ)工程裝備，設(shè)備具有移動(dòng)靈活、鉆進(jìn)效率高 、成孔質(zhì)量好、環(huán) 境污染小等優(yōu)點(diǎn)，代表著樁工機(jī)械的發(fā)展方向，旋挖鉆在基礎(chǔ)施工工程中（如各種市政工程、公路橋梁、高層建筑等）得到了廣泛應(yīng)用，日漸成為各種基礎(chǔ)施工中成孔作業(yè)最理想的機(jī)械設(shè)備。在國(guó)外，旋挖鉆機(jī)在混凝土灌裝施工中比例占三分之二以上，在日本，旋挖鉆機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)灌注樁施工中的比例高達(dá) 80%。而在我國(guó)，自 80 年代初從日本引進(jìn)第一臺(tái)旋挖鉆機(jī)，我國(guó)投入科研資金和人員少，因此旋挖鉆機(jī)發(fā)展一直緩慢，目前仍處于起步階段，遠(yuǎn)未得到普及，然而其巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)開(kāi)始初見(jiàn)端倪，有關(guān)施工部門(mén)也開(kāi)始注意其在施工方面的優(yōu)勢(shì)。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，未來(lái)幾年內(nèi)，我國(guó) 旋挖鉆機(jī)的占有量將大大增長(zhǎng)，數(shù)量應(yīng)該是目前的 3 倍以上。 由于各廠家看到旋挖鉆機(jī)發(fā)展?jié)摿艽?，旋挖鉆機(jī)的生產(chǎn)廠家越來(lái)越多市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，在這種情況下，旋挖鉆機(jī)生產(chǎn)企業(yè)要得到生存與發(fā)展，就必須投入大量的科研資金和科研人員，調(diào)整其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)組織模式，解決產(chǎn)品上市時(shí)間、生產(chǎn)質(zhì)量、產(chǎn)品服務(wù)、產(chǎn)品成本和環(huán)境污染等難題。而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式要經(jīng)過(guò)幾個(gè)步驟，如概念設(shè)計(jì)、方案論證、產(chǎn)品設(shè)計(jì)物理樣機(jī)試制、樣機(jī)試驗(yàn)、改進(jìn)定型和批量生產(chǎn)，且從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到改進(jìn)定型往往是一個(gè)周而復(fù)始的重復(fù)過(guò)程，大大增加了新產(chǎn)品的研發(fā)周期和成本。因此， 對(duì)于旋挖鉆機(jī)的研發(fā)與設(shè)計(jì)，引進(jìn)新的設(shè)計(jì)方法也將必然成為一種趨勢(shì)。 挖鉆機(jī)動(dòng)臂的研究現(xiàn)狀 旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)是旋挖鉆機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)之一，在整個(gè)旋挖鉆機(jī)中起到支撐、調(diào)節(jié)工作裝置等作用，其機(jī)構(gòu)對(duì)整機(jī)布局和操縱穩(wěn)定性影響很大。因此，對(duì)旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的研究具有重要意義。目前對(duì)旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的研究主要集中于動(dòng)力學(xué)建模和仿真，以及旋挖鉆機(jī)各個(gè)部件進(jìn)行簡(jiǎn)單工況下靜強(qiáng)度校核，而對(duì)旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)三種工況（變幅、提鉆、鉆挖）下進(jìn)行分析研究卻很少。因此，對(duì)變幅機(jī)挖鉆機(jī)動(dòng)臂設(shè)計(jì)與分析 2 構(gòu)靜力學(xué)的研究十分重要。 題來(lái)源及研究意義 課題 來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐，以旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)、三角架和動(dòng)臂的靜力學(xué)特性研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)為目的，對(duì)旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)、三角架和動(dòng)臂進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，為研究其靜力學(xué)特性研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一套完整的理論和方法，具有一定的新穎性和先進(jìn)性。 3 2 挖鉆機(jī)總體設(shè)計(jì) 要技術(shù)參數(shù) 主要技術(shù)參數(shù)是機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)和主要零部件設(shè)計(jì)的依據(jù)。在一般情況下可概括為：尺寸、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)。根據(jù)旋挖鉆鉆孔工藝，針對(duì)不同地層鉆孔速度對(duì)孔壁的穩(wěn)定性影響，鉆孔速度與質(zhì)量和效率之間的關(guān)系及我國(guó)目前工程施工中應(yīng)用前景等多方面調(diào)研和理論計(jì)算 ， 挖鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表 示。 表 挖鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 序號(hào) 項(xiàng)目 單位 技術(shù)參數(shù) 1 最大輸出扭矩 m 125 2 鉆孔轉(zhuǎn)速 28 3 最大加壓力 25 4 最大起拔力 25 5 加壓油缸行程 600 6 桅桿左右傾角 4 7 桅桿前傾角 5 8 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào) 美國(guó)康明斯 發(fā)動(dòng)機(jī)功率 12 10 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 950 11 主卷?yè)P(yáng)提升力 25 12 主卷 揚(yáng)繩徑 2 13 主卷?yè)P(yáng)提升速度 m/0 14 副卷?yè)P(yáng)提升力 0 15 副卷?yè)P(yáng)繩徑 6 16 副卷?yè)P(yáng)提升速度 m/5 17 最大鉆孔深度 m 40 18 最大鉆孔直徑 500 19 底盤(pán)型號(hào) 0 工作狀態(tài)寬度 990 21 運(yùn)輸狀態(tài)寬度 990 22 運(yùn)輸狀態(tài)高度 350 23 工作狀態(tài)高度 4900 24 履帶板寬度 00 25 牽引力 90 26 配置標(biāo)準(zhǔn)鉆桿 317*7 最大總重量 t 35 挖鉆機(jī)動(dòng)臂設(shè)計(jì)與分析 4 械結(jié)構(gòu)及工作原理 械結(jié)構(gòu) 旋挖鉆機(jī)是一種技術(shù)含量和機(jī)電液集成度較高的樁基礎(chǔ)工程裝備。其結(jié)構(gòu)從功能上分，分為底盤(pán)和工作裝置兩大部分。其主要部件有底盤(pán)（行走機(jī)構(gòu)、底架、上車(chē)回轉(zhuǎn)）、工作裝置（桅桿、鉆桿、鉆頭、動(dòng)力頭等）、變幅裝置 (三角架、動(dòng)臂、支撐桿、桅桿舉升液壓缸、動(dòng)臂變幅液壓缸等 )、主副卷?yè)P(yáng)、駕駛室、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)等組成。如圖 示。 圖 挖鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖 5 （ 1）底盤(pán) 底盤(pán)是鉆機(jī)工作裝置部分的安裝基礎(chǔ)，由行走機(jī)構(gòu)、底架、上車(chē)回轉(zhuǎn)組成，見(jiàn)圖 行走機(jī)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的行走和移位。主要由液壓馬達(dá)、減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪及張緊裝置、履帶、承重輪、托鏈輪、導(dǎo)向輪等部件組成。行走裝置通過(guò)液壓系統(tǒng)控制，可實(shí)現(xiàn)前行、后行、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、原地水平旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。 行走機(jī)構(gòu)的履帶具有張緊度調(diào)節(jié)功能。當(dāng)履帶過(guò)于松弛時(shí)，影響正常工作，需適時(shí)調(diào)整其張緊度。調(diào)整履帶張緊度時(shí)，用手壓黃油泵向張緊裝置的張緊油缸注油口注入適量油脂。 底架用于安裝和支承 履帶行走機(jī)構(gòu)，內(nèi)部裝有液壓油缸、液壓系統(tǒng)的“中心回轉(zhuǎn)接頭 ” 。上車(chē)的液壓系統(tǒng)的工作液壓油液通過(guò)“中心回轉(zhuǎn)接頭 ” 傳輸?shù)铰膸凶邫C(jī)構(gòu)和履帶伸縮機(jī)構(gòu)。通過(guò)液壓油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了履帶行走機(jī)構(gòu)的展寬和縮回。這一功能是鉆機(jī)在工作時(shí)展寬兩履帶的外邊距，提高了整機(jī)工作的穩(wěn)定性；在車(chē)載運(yùn)輸時(shí)縮回履帶，減小整機(jī)寬度，適應(yīng)了公路交通法規(guī)的要求。 回轉(zhuǎn)臺(tái)是工作裝置的安裝基礎(chǔ)，發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、駕駛室、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、配重等部件直接安裝在其上。 圖 挖鉆機(jī)底盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖 （ 2）工作裝置 工作裝置包括變幅機(jī)構(gòu)、 桅桿總成、隨動(dòng)架、動(dòng)力頭、主卷?yè)P(yáng)、副卷?yè)P(yáng)、加壓裝置、鉆桿、鉆具等。 變幅機(jī)構(gòu) 變幅機(jī)構(gòu)是桅桿的安裝部件。由動(dòng)臂、三角架、支撐桿、動(dòng)臂變幅液壓缸、桅桿舉升液壓缸等組成，見(jiàn)圖 過(guò)動(dòng)臂變幅液壓缸、桅桿舉升液壓缸的作用，可以使桅桿遠(yuǎn)離或靠近機(jī)體和改變桅桿前后傾角，調(diào)節(jié)桅桿的工作幅度或運(yùn)輸狀態(tài)的整機(jī)高度。 挖鉆機(jī)動(dòng)臂設(shè)計(jì)與分析 6 回轉(zhuǎn)臺(tái) 動(dòng)臂 支撐桿 三角架通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接，組成一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)。當(dāng)動(dòng)臂變幅液壓缸伸縮而改變工作幅度時(shí)，桅桿和三角架只作上下平行移動(dòng)。滿足了桅桿平移、升降的工況要求。 圖 挖鉆機(jī)變幅 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖 桅桿總成 桅桿總成由桅桿和滑輪架組成，見(jiàn)圖 桅桿式鉆機(jī)的重要機(jī)構(gòu)，時(shí)鉆桿、動(dòng)力頭的安裝支承部件及其工作進(jìn)尺的導(dǎo)向部件。其上裝有加壓油缸，動(dòng)力頭通過(guò)加壓油缸支承在桅桿上，桅桿左右兩側(cè)有矩形導(dǎo)軌，對(duì)這兩個(gè)工作機(jī)構(gòu)（動(dòng)力頭、隨動(dòng)架）的工作進(jìn)尺其導(dǎo)向作用。 桅桿為三段可折疊式，分為上段、中段、下段，運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，將上段、下段折 7 疊安裝，以減小運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)整機(jī)長(zhǎng)度。 圖 挖鉆機(jī)桅桿總成結(jié)構(gòu)示意圖 滑輪架安裝于桅桿的頂端，工作時(shí)用螺栓與桅桿聯(lián)接?；喖苌系闹骶?yè)P(yáng)滑輪和副卷?yè)P(yáng)滑輪用以 改變卷?yè)P(yáng)鋼絲繩運(yùn)動(dòng)方向，是提升、下降鉆桿和物件起吊的重要支撐部件?；喖転檎郫B式，運(yùn)輸時(shí)與桅桿鉸接聯(lián)接，以降低運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)整機(jī)的高度。 動(dòng)力頭 動(dòng)力頭是鉆機(jī)最重要的工作部件，結(jié)構(gòu)如圖 由液壓馬達(dá)、減速機(jī)、動(dòng)力箱、緩沖裝置、滑移架、聯(lián)接板、壓盤(pán)組成。動(dòng)力箱內(nèi)有一組與回轉(zhuǎn)支承固定在一起的齒圈，齒圈與輪轂固定，輪轂內(nèi)壁有三組驅(qū)動(dòng)鍵。 圖 挖鉆機(jī)動(dòng)力頭總成結(jié)構(gòu)示意圖 液壓馬達(dá)的高速旋轉(zhuǎn)通過(guò)減速機(jī)減速以后，減速機(jī)的動(dòng)力輸入給動(dòng)力箱中的齒輪箱，齒輪軸輪軸小齒輪與齒圈嚙合，形成最后一級(jí)減速，與輪 轂固定在一起的齒圈，在回轉(zhuǎn)支承的支撐下倍驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，輪轂上的鍵驅(qū)動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)鉆孔工作的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 緩沖裝置的作用：當(dāng)鉆孔深度超過(guò)第一層鉆桿的長(zhǎng)度時(shí)，下鉆桿時(shí)會(huì)沖擊動(dòng)力頭，特別是卡鉆時(shí)的意外情況，沖擊力更大，此時(shí)緩解對(duì)動(dòng)力頭的沖擊，保護(hù)動(dòng)力頭不受到損壞。 滑移架是動(dòng)力頭的導(dǎo)向部件，通過(guò)聯(lián)接板和銷(xiāo)軸與動(dòng)力箱固定，在對(duì)鉆孔加壓和動(dòng)力頭起拔工況時(shí)，沿桅桿導(dǎo)軌導(dǎo)向。 主卷?yè)P(yáng) 挖鉆機(jī)動(dòng)臂設(shè)計(jì)與分析 8 卷?yè)P(yáng)由液壓減速機(jī)構(gòu)、卷筒、卷?yè)P(yáng)支座、鋼絲繩、繩套等組成。主卷?yè)P(yáng)的功能是提升或下方鉆桿，是鉆機(jī)完成鉆孔工作的重要組成部分，其提升和下放鉆桿的 工作由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和控制。在鉆機(jī)進(jìn)行成孔工作時(shí)，需打開(kāi)主卷?yè)P(yáng)制動(dòng)器，使系統(tǒng)中主卷?yè)P(yáng)馬達(dá)進(jìn)、回油通道互相導(dǎo)通，卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)處于浮動(dòng)狀態(tài)，這樣才能操作加壓油缸對(duì)鉆桿進(jìn)行加壓，以便鉆桿順利進(jìn)行鉆進(jìn)。 副卷?yè)P(yáng) 副卷?yè)P(yáng)由液壓減速機(jī)構(gòu)、卷筒、卷?yè)P(yáng)支座、鋼絲繩。副卷?yè)P(yáng)置于三角架內(nèi)，其功能是吊裝鉆具以及其他不大于額定起重量的重物，是鉆機(jī)進(jìn)行正常工作的輔助起重設(shè)備。 加壓裝置 加壓裝置由加壓油缸和動(dòng)力頭總成組成。 加壓油缸固定于桅桿上，加壓油缸活塞桿與動(dòng)力頭輪轂的鍵產(chǎn)生正壓力，正壓力產(chǎn)生摩擦力，由于加壓油缸對(duì)動(dòng)力頭的加壓動(dòng)作， 此摩擦力實(shí)現(xiàn)鉆桿鉆孔工作的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 機(jī)鎖式鉆桿加壓方式，加壓油缸的加壓力通過(guò)動(dòng)力頭的輪轂端面與鉆桿加壓點(diǎn)接觸，實(shí)現(xiàn)鉆桿鉆孔工作的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。由于此方式需解鎖，有時(shí)解鎖不徹底，容易造成卡鉆，只有當(dāng)鉆孔進(jìn)給阻力大時(shí)才采用。 通過(guò)加壓油缸活塞桿的伸出，實(shí)現(xiàn)鉆孔時(shí)的進(jìn)給加壓。加壓油缸活塞縮回，起撥動(dòng)力頭，在埋鉆的情況下，也可以用來(lái)起拔。加壓油路上裝平衡閥，在不同加壓油缸供油的情況下，可以將動(dòng)力頭可靠的鎖定在加壓行程的任意位置上。 鉆桿 鉆桿是鉆機(jī)向鉆具傳遞扭矩和壓力的重要部件。 挖鉆機(jī)出廠標(biāo)準(zhǔn)配用的鉆桿是 磨阻式五節(jié)鉆桿，鉆孔有效深度可達(dá) 40 米。 鉆具 鉆具是決定成孔效率的關(guān)鍵部件。 鉆具有撈砂斗、土鉆斗、螺旋斗、筒鉆、淸底鉆斗、擴(kuò)孔鉆頭等?？筛鶕?jù)不同地質(zhì)情況配置不同的鉆具，使鉆機(jī)在大多數(shù)地質(zhì)條件下都能高效作業(yè)。 挖鉆機(jī)工作原理 旋挖鉆機(jī)主要功能為上車(chē)旋挖鉆孔作業(yè)和下車(chē)履帶移動(dòng)行駛，兩部分通過(guò)旋挖鉆機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自鎖。 上車(chē)鉆孔作業(yè)時(shí)，鉆桿通過(guò)鋼絲繩與主卷?yè)P(yáng)相連，由主卷?yè)P(yáng)控制鉆桿的升降，旋挖工作狀態(tài)下，動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)從而帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，同時(shí)加壓液壓缸垂直加壓，加大了鉆頭垂直方向的壓力 ，實(shí)現(xiàn)正常鉆進(jìn)作業(yè)。提鉆狀態(tài)下，通過(guò)主卷?yè)P(yáng)將鉆頭提升至地面，轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)至拋土位置，若為回轉(zhuǎn)斗則需動(dòng)力頭下端擋板撞擊下?lián)醢迨够剞D(zhuǎn)斗底蓋開(kāi)啟，采用快速拋土或者回轉(zhuǎn)急停方式進(jìn)行作業(yè)；若為短螺旋鉆頭，則直接采用快速拋土或回轉(zhuǎn)急停方式實(shí)施拋土。 下車(chē)移動(dòng)行駛工作時(shí)，雙聯(lián)液壓泵經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)供油，液壓油經(jīng)中心回轉(zhuǎn)體至行走馬達(dá)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，實(shí)現(xiàn)底盤(pán)履帶的行走、轉(zhuǎn)向等功能，并能驅(qū)動(dòng)底盤(pán)的收 9 縮液壓缸來(lái)改變履帶軌距，既有利于旋挖鉆機(jī)的穩(wěn)定性，又能保證旋挖鉆的運(yùn)輸方便。 旋挖鉆機(jī)處于運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，桅桿通過(guò)桅桿舉升液壓缸下放至水平位置 ，可折疊桅桿下節(jié)立柱，可卸下鉆桿及尾架，行走機(jī)構(gòu)橫向距離可縮至最小。在此種狀態(tài)，旋挖鉆機(jī)通過(guò)履帶行走機(jī)構(gòu)行至牽引車(chē)上進(jìn)行運(yùn)輸。 旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)是旋挖鉆機(jī)的重要組成部分，其包括三角架、動(dòng)臂、支撐桿、桅桿舉升液壓缸、動(dòng)臂變幅液壓缸等，其起著支撐旋挖鉆機(jī)工作裝置重量，調(diào)節(jié)桅桿的工作幅度和整機(jī)的工作半徑以及運(yùn)輸時(shí)整機(jī)的運(yùn)輸高度等作用，同時(shí)對(duì)整機(jī)布局和穩(wěn)定性有著極其重要的影響。桅桿舉升液壓缸兩端分別安裝在動(dòng)臂和轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)這兩組液壓缸的伸縮來(lái)分別實(shí)現(xiàn)工作裝置的變幅。 旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)工作時(shí)，桅桿舉升液壓缸被鎖定，驅(qū) 動(dòng)動(dòng)臂變幅液壓缸，帶動(dòng)動(dòng)臂和連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而促使三角架、桅桿舉升液壓缸、工作裝置整體靠近或是遠(yuǎn)離地面，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的工作幅度的調(diào)節(jié)。當(dāng)鎖定動(dòng)臂變幅液壓缸時(shí)，驅(qū)動(dòng)桅桿舉升液壓缸，此時(shí)桅桿繞鉸接點(diǎn)（三角架與桅桿相接處）轉(zhuǎn)動(dòng)，桅桿垂直度可以根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的狀況前后調(diào)節(jié)桅桿所需的角度。 旋挖鉆機(jī)處于旋挖工作狀態(tài)時(shí)，桅桿與地面保持垂直，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的情況，桅桿舉升液壓缸和動(dòng)臂變幅液壓缸處于一定的伸長(zhǎng)并閉鎖狀態(tài)，如圖 示；變 圖 挖鉆機(jī)工作狀態(tài)圖 挖鉆機(jī)動(dòng)臂設(shè)計(jì)與分析 10 幅機(jī)構(gòu)處于運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，桅桿舉升液壓缸和動(dòng)臂變幅液壓缸則 都處于閉鎖狀態(tài)且全部縮回，此時(shí)桅桿成水平狀態(tài)。如圖 示。 圖 挖鉆機(jī)運(yùn)輸狀態(tài)圖 桅桿由水平狀態(tài)到鉆桅前傾 4 ，是通過(guò)驅(qū)動(dòng)桅桿舉升液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？梢酝ㄟ^(guò)控制兩個(gè)桅桿舉升液壓缸的伸縮量不一樣來(lái)實(shí)現(xiàn)桅桿左右傾斜，但是旋挖鉆機(jī)桅桿左右傾斜角度一般控制在 3 之內(nèi)。 11 3 旋挖鉆機(jī)動(dòng)臂力學(xué)分析 動(dòng)臂是變幅機(jī)構(gòu)中一項(xiàng)重要的組成部件，對(duì)于動(dòng)臂的力學(xué)分析要從變幅機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析入手，確定動(dòng)臂處于最危險(xiǎn)時(shí)的工況，再以動(dòng) 臂為研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析。 挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)介紹 目前旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)主要采用平行四邊形加小三角架結(jié)構(gòu)的形式，其主要由兩個(gè)桅桿舉升液壓缸、三角架、兩個(gè)連桿、動(dòng)臂連接架（簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)臂）、兩個(gè)動(dòng)臂變幅液壓缸等零部件組成，如圖 示。其中連桿和動(dòng)臂互相平行，長(zhǎng)度相等，并與三角架和旋挖鉆機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)組成平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，起著支撐、調(diào)節(jié)等作用。 圖 挖鉆機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)圖 為了分析方便，把圖 化為變幅機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 作裝置（包括鉆具、鉆桿、桅桿、動(dòng)力頭）， O 點(diǎn)表示工作裝置的重心、三角架 連桿 桅桿舉升液壓缸 H 、動(dòng)臂 動(dòng)臂變幅液壓缸 R 、 F 表示桅桿舉升液壓缸驅(qū)動(dòng)力 、3 挖鉆機(jī)動(dòng)臂設(shè)計(jì)與分析 12 圖 挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析 旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)本身就是對(duì)稱(chēng)的，同時(shí)三角架和動(dòng)臂關(guān)于自身中間平面對(duì)稱(chēng)，桅桿舉升液壓缸和動(dòng)臂變幅液壓缸分別關(guān)于變幅機(jī)構(gòu)中間面對(duì)稱(chēng)，因此可以取變幅機(jī)構(gòu)的 1/2 模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，變幅機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖 該機(jī)構(gòu)在平面內(nèi)共有 8 個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，其中主動(dòng)件為動(dòng)臂變幅液壓缸 R 和桅桿舉升液壓缸 H ，工作部分（包括鉆具、鉆桿、桅桿、動(dòng)力頭）簡(jiǎn)化為三角形 轉(zhuǎn)動(dòng)副有 A 、 B 、 C 、 D 、E (該處由三個(gè)構(gòu)件鉸接在一起，算兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副 )、 K 、 J 、 I ，移動(dòng)副有 R 、 H ，機(jī)構(gòu)自由度為： 23 （ 3 式中 N 為平面機(jī)構(gòu)活動(dòng)構(gòu)件數(shù)， 的低副數(shù)，入數(shù)據(jù)可得該機(jī)構(gòu)自由度 2011283 F ,與機(jī)構(gòu)原動(dòng)件數(shù)目相等，因此，該機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。 如將三角架 為機(jī)架，則構(gòu)件 液壓缸 R 構(gòu)成了一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)，其中 液壓缸 H 構(gòu)成了一個(gè)單自由機(jī)構(gòu)。 13 況的選擇以及力學(xué)建模過(guò)程中主卷?yè)P(yáng)拉力的處理方法 旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)分為動(dòng)臂液壓缸變幅和桅桿液壓缸舉升兩個(gè)過(guò)程，動(dòng)臂變幅有兩個(gè)極限位置：動(dòng)臂水平、動(dòng)臂最高。桅桿舉升有三種極限位置：桅桿水平、桅桿垂直、桅桿前傾 5，桅桿水平是旋挖鉆機(jī)處于運(yùn)輸狀態(tài)，也可看作桅桿舉升起始位置狀態(tài)；桅桿垂直是旋挖鉆機(jī)處于提鉆狀態(tài)；桅桿前傾 5，是處于桅桿舉升的極限位置狀態(tài)。旋挖鉆機(jī)的姿態(tài)比較多，選取這幾種極限位置，是由于這幾種位置下旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)受力比較復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行受力分析，找出最大受力 位置，具有一定研究?jī)r(jià)值。主卷?yè)P(yáng)拉力建模過(guò)程處理方法如下：主卷?yè)P(yáng)拉力對(duì)旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)受力由主卷?yè)P(yáng)安裝位置決定，隨著位置變化而變化。因此變幅機(jī)構(gòu)力學(xué)建模時(shí)，對(duì)主卷?yè)P(yáng)拉力進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，使得后面所建的力學(xué)模型具有通用性。 挖鉆機(jī)在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上安裝主卷?yè)P(yáng)，由于過(guò)渡輪的存在，主卷?yè)P(yáng)鋼絲繩對(duì)鉆桅產(chǎn)生的拉力在大小和方向上是時(shí)刻變化的，因此旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)力學(xué)建模時(shí)就要考慮主卷?yè)P(yáng)拉力。處理方法是：對(duì)桅桿舉升液壓缸舉升桅桿受力分析時(shí)，忽略主卷?yè)P(yáng)拉力的影響，因?yàn)橹骶頁(yè)P(yáng)拉力的存在，極大的改善了桅桿舉升液壓缸的受力情況，此 時(shí)忽略主卷?yè)P(yáng)拉力的影響，是把桅桿舉升液壓缸處于極限載荷下受力分析；但是對(duì)變幅機(jī)構(gòu)特殊位置下（桅桿垂直和桅桿前傾 5）分析時(shí)，把主卷?yè)P(yáng)的影響考慮進(jìn)去。 幅和提鉆狀態(tài)下的受力分析 以旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，此時(shí)的工作裝置包括鉆桿、鉆具、桅桿、動(dòng)力頭等。如何確定旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)所受外載荷，首先要確定工作裝置對(duì)旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的作用力，其次是平行四邊形機(jī)構(gòu)受力。要確定工作裝置對(duì)旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的作用力，必須要估算工作裝置的整體重心坐標(biāo)位置。 作裝置的整體重心 坐標(biāo)位置估算 圖 工作裝置重心受力分析簡(jiǎn)圖，立桅時(shí)動(dòng)力頭移到最左端，以減小鉆桿變幅液壓缸的受力。取5具底部下與桅桿下側(cè)線交匯處的點(diǎn)），假設(shè)工作裝置整體重心 O 到5 和 Y 方向的距離為則： 圖 作裝置重心分析簡(jiǎn)圖 挖鉆機(jī)動(dòng)臂設(shè)計(jì)與分析 14 已知 旋挖鉆機(jī)工作裝置參數(shù)： 鉆具重量： ，鉆具重心1 和 Y 方 向距 離：051 ， 501 ； 動(dòng)力頭重量： ，動(dòng)力頭重心2 和 Y 方向距離：4142 ， 0032 ； 鉆桿重量： ，鉆桿重心3 和 Y 方向距離：2953 ， 503 ； 桅桿重量： ，桅桿重心4 和 Y 方向距離：4614 ， 344 ； 則工作裝置整體重心 O 相對(duì)參考點(diǎn)5 o 4229432144332211 （ 3 o 699432144332211 （ 3 參考點(diǎn)5 鉸點(diǎn) X 和 Y 方向距離分 別是 45305 ， 505 則工作裝置重心 O 到 J 鉸點(diǎn) X 和 Y 方向距離： 7 7 65 （ 3 5 45 （ 3 分別表工作裝置重心 O 到 J 鉸點(diǎn) X 和 Y 方向的距離 所以工作裝置重心 O 到桅桿與三角架鉸點(diǎn) J 的長(zhǎng)度為： 9 2 922 （ 3 臂變幅液壓缸自鎖，桅桿舉升液壓缸舉升時(shí)的受力分析 (1)求桅桿舉升液壓缸驅(qū)動(dòng)力 F 與 的關(guān)系 將圖 化為圖 示，將工作裝置 (包括鉆具、鉆桿、桅桿、動(dòng)力頭 )簡(jiǎn)化為 O 視為工作裝置的重心，三角形 示為三角架， 示為動(dòng)臂，已知點(diǎn) J 為三角架與桅桿的鉸點(diǎn)，點(diǎn) E 為桅桿舉升液壓缸與三角架的鉸點(diǎn)，點(diǎn) I 為桅桿舉升液壓缸與桅桿的鉸點(diǎn)。當(dāng)工作裝置升起過(guò)程中，其中動(dòng)臂變幅液壓缸自鎖，鉆桅液壓缸舉升工作裝置，受力分析如下； 列平衡方程： 00s 2 （ 3 0 0s x（ 3 0 0c o s 2 y （ 3 15 圖 挖鉆機(jī)工作裝置升起過(guò)程受力圖 J 鉸點(diǎn)上三角架對(duì)桅桿作用力 方向上的分量，下同； J 鉸點(diǎn)上三角架對(duì)桅桿作用力 方向上的分量，下同； 圖 常量有： 工作重心 O 與鉸點(diǎn) J 之間的距離， 929(由式 3 )； 鉸點(diǎn) J 到鉸點(diǎn) I 的距離， 462； 三角架邊長(zhǎng)， 也就是點(diǎn) J 與 E 的距離，常量， 05； G 工作裝置總重量，常量， ； 直線 豎直方向的夾角，此角度是變幅機(jī)構(gòu)三角架安裝角度； 71 (下面已證是常量 )； 0 直線 直線 間的夾角，需要計(jì)算23a rc ta n 變量有： 2 直線 桅桿舉升液壓缸軸線 間的夾角； 3 直線 重力 作用線之間的夾角； L 桅桿舉升液壓缸的長(zhǎng)度； F 桅桿舉升液壓缸對(duì)工作裝置的作用力； 直線 直線 間的夾角； 根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系可得輔助方程求 3 ： 03 180 在 中， 挖鉆機(jī)動(dòng)臂設(shè)計(jì)與分析 16 由正弦定理， E （ 3 由余弦定理， c o （ 3 聯(lián)立（ 3（ 3（ 3（ 3得： s i nc o i n 220 （ 3 此方程表示為當(dāng)工作裝置升起過(guò)程中，桅桿舉升液壓缸驅(qū)動(dòng)力 F 與刀角之間的關(guān)系。其具有通用性，適用于所有變幅機(jī)構(gòu)為三角架加平行四邊形機(jī)構(gòu)。 證明變幅機(jī)構(gòu)安裝角 變幅過(guò)程中的不變性，如圖 示： 四邊形 平行四邊形結(jié)構(gòu) ，為 長(zhǎng)線與 交點(diǎn) 又 A 點(diǎn)和 C 點(diǎn)是轉(zhuǎn)臺(tái)上固定的鉸點(diǎn)， 固定的 豎直線 角度是不變的 角度是不隨動(dòng)臂變幅變化的，即 是不變的 又 是三角架的一個(gè)固定角 在 中， 和 是不變的， 是不變的，即 不變 圖 裝角 17 以 挖鉆機(jī)參數(shù)代入得到： 在整個(gè)起升過(guò)程中，桅桿舉升液壓缸長(zhǎng)度變化： 9 8 01 7 8 0 代入（ 3 的變化范圍： 從以上分析可以看出，在整個(gè)工作裝置升起的過(guò)程中，桅桿舉升液壓缸輸出力成單調(diào)遞減變化，即桅桿水平，桅桿舉升液壓缸對(duì)桅桿最大舉升力，然后舉升力逐漸減??；隨之液壓缸對(duì)桅桿拉力，拉力由小逐漸增大，當(dāng) 最大，即桅桿前傾 5時(shí)，桅桿受到最大拉力。 (2)桅桿三種極限位置下的受力分析 下面確定桅桿的三種姿態(tài)，即桅桿水平、桅桿垂直、桅桿前傾 5 ?，F(xiàn)對(duì)工作裝置的三種狀態(tài)進(jìn)行受力分析，求出三角架對(duì)桅桿的作用力和桅桿液壓缸驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)桅桿垂直時(shí)，此姿態(tài)是提鉆狀態(tài)，對(duì)工作裝置受力分析，目的是求工作裝置對(duì)三角架的作用力和桅桿舉升液壓缸的舉升力或拉力。 （ a）當(dāng)桅桿水平時(shí)，此時(shí) ， 780 ，由（ 3（ 3： )(3(b) 當(dāng)桅桿垂直時(shí)， ，此姿態(tài)是提鉆狀態(tài)，工作裝置受力如圖 列平衡方程： 00s (3 00c o sc o s (3繞點(diǎn) J 的矩： 0 s 0c o s (3 , 分別表示 I 鉸點(diǎn)到 J 鉸點(diǎn) X 和 Y 方向的距離，下同； , 分別表示 S 鉸點(diǎn)到 J 鉸點(diǎn) X 和 Y 方向的距離，下同； 表示主卷?yè)P(yáng)的拉力，下同； F 表示桅桿液壓缸舉升力，下同； 代入 旋挖鉆機(jī)參數(shù) : ， ， ， J 150 ， J 2460 ， J 3850 ， J 200 ， J 754 得： )(1 4 0 6 2 37 8 6 11 0 4 3 5 1 (3挖鉆機(jī)動(dòng)臂設(shè)計(jì)與分析 18 (c) 當(dāng)工作裝置前傾 5 時(shí)， ，此時(shí)的位置是工作裝置變幅的極限位 置，工作裝置受力分析如下，工作裝置受力如圖 圖 桿垂直受力圖 圖 桿前傾 5受力圖 列平衡方程： 0X 0s (3 0Y 0c o sc o s (30 s o ss 0c o s (3代入?yún)?shù)： ， ， ， J 220 ， J 2450 J 3795 ， J 265 ， 378)5s 0 得： )(5252192504238818 (3臂變幅液壓缸自鎖，動(dòng)臂變幅時(shí)三角架受力分析 平行四邊形機(jī)構(gòu)（動(dòng)臂、動(dòng)臂變幅液壓缸、支撐桿和三角架）機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析如圖 示： 19 圖 挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)平面運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 以支撐桿 動(dòng)臂 研究對(duì)象，列平衡方程： 0 0c o o ss i n 0c o o ss (30 s i nc o ss i ns i nc o s 113 0c o sc o s G b 以三角架為研究對(duì)象，列平衡方程： 00s (3 0o (3 0 0c o ss 5 (383455 三角架自重， ； 5 4 6 變幅機(jī)構(gòu)動(dòng)臂自重， ； L 16 0 2 變幅機(jī)構(gòu)支撐桿自重， ； 10 的長(zhǎng)度，到鉸點(diǎn)表示動(dòng)臂重心 ； 450 的距離，到鉸點(diǎn)表示鉸點(diǎn) ； 挖鉆機(jī)動(dòng)臂設(shè)計(jì)與分析 20 7 0 0 的距離，到鉸點(diǎn)表示鉸點(diǎn) ； 7 00 的距離，到鉸點(diǎn)表示鉸點(diǎn) ； 表示 K 鉸點(diǎn)和 J 鉸點(diǎn)在 X 和 Y 方向的距離， 230 J 700 ； 表示 E 鉸點(diǎn)和 J 鉸點(diǎn)在 X 和 Y 方向的距離 , J 810 ， J 280 ； F , 分別表示鉸點(diǎn) K 上連桿對(duì)三 角架作用力凡在 X 和 Y 方向上的分量，為未知量； F , 分別表示在鉸點(diǎn) E 上，動(dòng)臂對(duì)三角架作用力凡在 X 和 Y 方向上的分量，為未知量； y , F 分別表示在鉸點(diǎn) J 上，桅桿對(duì)三角架作用力可在 X 和 Y 方向的分量，各工況下的力己求出； ，為未知量；為連桿與水平面的夾角 直線的夾角，為未知量為桅桿舉升液壓缸與豎 ； 平線的夾角，為未知量為動(dòng)臂變幅液壓缸與水1 。 下面以 旋挖轉(zhuǎn)機(jī)為研究對(duì)象，得出三角架在變幅和提鉆工作狀態(tài)下各鉸點(diǎn)力。 (1)工況 1 為：為桅桿水平， ，動(dòng)臂處于水平位置， 0 ， ，時(shí) ，有： )(6717 73374 28011330 21423 (3(2)工況 2 為：當(dāng)桅桿水平時(shí) ，動(dòng)臂處于最高位置， 76 ， , 時(shí)，有： 21 )(2578 442709 81914 684753 91423 (3(3)工況 3 為：當(dāng)桅桿垂直， ， 動(dòng)臂處于水平位置時(shí)，此時(shí)處于 提鉆狀態(tài)， 1 ，有： )(5024629781810435127850880127590214062378613(3(4)工況 4 為：當(dāng)桅桿垂直， ， 動(dòng)臂處于最高位置時(shí)，處于提鉆狀態(tài)。 6 1 ，有： )(11 8 98 964 1 1110 4 35 128 4 12 716 8 43 442 1 9514 0 62 378 6 13(3(5)工況 5 為：當(dāng)桅桿前傾 5 ， ， 動(dòng)臂處于水平位置時(shí)， 0 ， ， 時(shí)，有： 2M 右側(cè)反向彎矩； F 桅桿舉升液壓缸拉力； 桅m 為桅桿質(zhì)量， 063桅； 4 桅桿重心到鉸點(diǎn) J (桅桿與三角架鉸點(diǎn) )X 方向距離，此工況下是已知量， 235mm x 4J ； 加壓液壓缸到鉸點(diǎn) J (桅桿與三角架鉸點(diǎn) )X 方向距離，此工況下是已知 挖鉆機(jī)動(dòng)臂設(shè)計(jì)與分析 22 )(31 08 4 011 09 8 1123 88 1 816 15 4 7280110 24 5 3152 52 1 925043(3(6)工況 6 為：當(dāng)桅桿前傾 5 ，動(dòng)臂處于最高位置時(shí)。動(dòng)臂處于水平位置時(shí)，76 ， ， 時(shí)，有： )(315551241457238818131271362559015617752521925043(3挖鉆機(jī)鉆挖工作狀態(tài)下變幅機(jī)構(gòu)的受力分析 臂變幅液壓缸鎖定，三角架受力分析 (1)旋挖鉆機(jī)鉆挖工作狀態(tài)垂直