旋挖钻机履带行走机构设计

1 摘 要 旋挖钻机施工工艺在我国是近几年才推广使用的一种较先进的桩基施工工艺 广泛 应用于我国的公路 铁路 桥梁和大型建筑的基础桩施工 本次设计主要对履带式液压 旋挖钻机伸缩式履带行走装置分析与设计 首先通过比较旋挖钻机的两种行走装置方案 的特点 确定行走装置方案 其次根据旋挖钻机的行走阻力 确定发动机的功率 再次 根据受力情况对行走装置进行结构设计 最后完成其 CAD 的装配体设计 本设计中应用 了计算机辅助制图软件 CAD 减少了设计周期和设计失误 提高了设计效率 从而降低 了设计成本 具有可行性 关键词 伸缩式履带行走架 支撑梁 CAD 1 目 录 1 绪 论 1 1 1 旋挖钻机的介绍 1 1 2 旋挖钻机发展概况 1 1 3 本文所作的工作 4 2 履带行走架的介绍 6 2 1 履带行走装置的特点 6 2 2 履带行走装置的构造 6 2 3 设计方案的选择 11 3 履带行走架的设计计算 12 3 1 履带行走装置的设计计算 12 3 2 履带架伸缩梁强度的校核 17 3 3 螺纹连接的强度计算 18 4 基于 PRO E 伸缩式履带行走装置的建模 22 4 1 PRO E 的简介 22 4 2 支撑架的建模 24 结 论 28 参考文献 29 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 1 1 绪 论 1 1 旋挖钻机的介绍 旋挖钻机是一种适合在建筑基础工程中进行成孔作业的施工机械 具有装机功率大 输出扭矩大 轴向压力大 一机多用 机动灵活 施工效率高及环境污染小等特点 能 够适应我国大部分地区的土壤地质条件 使用范围较广 其工作环境温度一般在 20 C 40 C 之间 配合不同钻具 可适应于干式 短螺旋 湿式 回转斗 及岩层 岩 心钻 条件下的成孔作业 对干硬性黏土层采用无稳定液护壁的干式旋挖工法 而一般 的覆盖层则采用静态泥浆护壁的湿式旋挖工法 旋挖钻机广泛应用于铁路 公路桥梁 市政建设 高层建筑等地基基础钻孔灌注桩工程 1 2 旋挖钻机发展概况 1 2 1 国外发展概况 旋挖钻机在二战以前首先在美国卡尔维尔特公司问世 二战之后在欧洲得到发展 欧洲的旋挖钻机首先是意大利土力公司从美国引入安装在载重汽车上和履带式起重机上 的钻机 但这种钻机的动力头是固定式的 而且不能自行设置套管且难以适应硬质土层 1960 年德国维尔特和盖尔茨盖特公司同时开发了可动式动力头 之后德国宝峨公司于 1975 年研制了配有伸缩钻杆的 BG7 型钻机 该钻机不仅易于配套摇管装置和直接从底盘 提供动力 而且其可锁式钻杆能可靠地实现钻杆加压 在增大钻机扭矩后能适应紧密砂 砾层和岩层钻进 由于该钻机具有以上优点 得到了广大用户的认可 进而促进了旋挖 钻机的发展 后来随着技术进步和作业功能的扩大 旋挖钻机特别是配置可动式动力头 的旋挖钻机在灌注桩施工机械中成为主流产品 因此生产的厂家也越来越多 独立式的 主要生产厂家有 德国的宝峨 维尔特 德尔马克 利勃海尔 MGF 等 意大利的土力 卡萨格兰特 意马 迈特 CMV 等 生产附着于履带起重机上的钻机主要有德国的利勃 海尔 宝峨公司 意大利的土力 卡萨格兰特公司和英国的 BSP 公司 目前欧洲的旋挖 钻机一般都设有摇管装置以及由两个或三个液压马达驱动的大扭矩动力头 可配备套管 连结器 和采用恒功率变量自动控制的液压系统 还有自动内锁互扣钻杆及先进的监控 仪表 如发动机和液压系统自动监测和报警系统 钻孔深度显示 立柱自动测斜纠偏装 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 2 置 等 同时也配有各种保险装置 如防止带负载起动装置 卷扬机超高限位装置等 但各家公司的旋挖钻机都有自己的结构特点 旋挖钻机在日本被称为土钻 最早于 1960 年从美国卡尔威特公司引入日本并进行施 工 同年加藤制作所开发了 15 H 型旋挖钻机 以后又研制了可以配套摇管装置和抓斗的 多功能钻机 日立建机于 1965 年利用挖掘机开发了装有液压加压装置的旋挖钻机 1974 年又利用液压履带起重机研制了液压马达驱动的钻机 到 80 年代 住友建机开始与意大 利土力公司合作 1981 年日立建机公司为提高单桩承载力研制了扩底钻头 随后日本车 辆公司等也开发了扩底钻头 这样使旋挖钻机进入了钻孔扩底灌注桩施工领域 以后德 国宝峨公司的进入和日立建机与住友建机的结盟又促进了旋挖钻机技术的进一步发展 目前在日本生产的旋挖钻机有两种类型 一种是以日本土力和日本宝峨生产的欧洲流行 的方型立柱加连杆机构的独立式旋挖钻机 一类为日本车辆 日立建机和住友建机等公 司生产的以履带起重机为主的附着式旋挖钻机 他们的特点是作业范围相对较大 并具 有一机多用功能 钻孔直径一般为 1 5 3m 扩底达 4 1 钻孔深度最大为 65 70m 但钻机扭矩比欧洲类型的低 例如日立 住友重机公司最新推出的超低噪声 SDX 207 型 旋挖钻机 钻孔直径 2 5m 最大钻深 48m 最大扭矩 63 7KNm 该机采用伸缩式履带和 箱型两节伸缩臂 特制的动力头支持方式可减少钻杆轴向和径向摆动 采用常闭式变量 马达以达到小负荷时速度快 大负荷时产生足够的扭矩的目的 液压油泵为功率自调变 量 以保证恒定功率输出 同时整机机动性好 能在城市或狭小场地施工 日本的生产 厂商主要有日本日立 日本日车 日本神钢等 1 2 2 国内发展概况 20 世纪 80 年代末至 90 年代初 国内一些施工企业看到了旋挖钻进技术在基础施工 中体现出的巨大优势 逐渐从国外引进旋挖钻机 此时 一些国外的旋挖钻机制造商也 纷纷在中国设立办事处 向中国的基础工程施工行业宣传旋挖钻机及旋挖钻进施工技术 我国在 80 年代初从日本引进过工作装置 并配装在 KH 125 型履带起重机上 天津探矿 机械厂于 1984 年引进美国 RDI 公司的旋挖钻机并对其进行了消化吸收 1987 年在北京展 览馆首次展出了意大利土力公司 SOILMEC 产品 1988 年北京城建机械厂根据土力公 司的样机开发了 1 5m 直径的履带起重机附着式旋挖钻机 1994 年郑州勘察机械厂引进了 英国 BSP 公司附着式旋挖钻机的生产技术 但没有形成批量生产 宝峨公司 1992 年在中 国北京设立了代表处 开始对华的业务 并于 1995 年在天津成立了独资子公司 宝峨天津 机械工程有限公司 组装适合中国市场的宝峨 BG20 型旋挖钻机 1998 年宝峨公司又在 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 3 上海成立了中德合资上海宝峨金泰工程机械股份有限公司 生产组装 BG15 型旋挖钻机 虽然如此但由于种种原因 旋挖钻进技术在我国的发展一直比较缓慢 到 90 年代末期 我国旋挖钻机的拥有量也就 100 台左右 而且就是这为数不多的钻机 也没有完全用于 生产施工 许多企业购置施挖钻机后 由于运行成本较高 并未用于生产施工中 仍然 采用一些传统的方法进行施工 最近几年来 随着我国基础工程行业的投资不断加大 市场竞争不断加剧 基础工 程施工行业逐渐认识到了旋挖钻进技术的优越性 使得这一技术在我国的发展非常迅速 国家建设管理部门也逐步意识到旋挖钻机的诸多优势 并制定了一些鼓励政策 这些政 策对设计 监理和施工单位等产生了层层影响 在这种大背景下 原有的成孔设备因其 低效 高噪 不环保等因素将逐步被淘汰 而旋挖钻机凭借作业时的明显优势 效率高 环保 安全等 已成为大批重点工程业主的指定施工设备 仅 2001 年一年 某国外旋 挖钻机制造商在我国就销售了近二十台旋挖钻机 而在前几年 其每年的销售数量只有 几台 某国内旋挖钻机生产企业也销售了十几台 这一数量对于刚刚起步的国内旋挖钻 机生产企业来说 预示着非常好的前景 在上海浦东八百伴大厦基础灌注桩工程中全部 采用了旋挖成孔法施工并取得成功 这在国内起到了推动作用 在北京五环路的基础施 工中 旋挖钻机已占了绝大多数 最多时达到了几十台 国家重点工程青藏铁路大规模 施工于 2001 年正式启动 在青藏铁路格拉段施工段 地层多是永冻的土层 砂砾 不规 则泥页岩 还有软硬互层灰岩 有的冻土厚度达到百米以上 在这种情况下中铁集团采 用了旋挖钻进施工工艺 从 2002 年 3 月开始 大量的旋挖钻机进入青藏铁路线施工 最 多时有 120 台旋挖钻机同时在进行桥桩施工 青藏铁路旋挖钻机的大量使用引起了施工 和生产制造企业的格外关注 这无疑推动了旋挖钻机及旋挖施工技术的开发和应用 2000 年徐工集团 RD18 型钻机研制成功 最大成孔直径 2m 最大钻深 60m 有多台分别 在青藏铁路和北京的工程中使用 2001 年北京经纬巨力工程机械有限公司研制成功 ZY120 ZY160 ZY200 型旋挖钻机 参加了青藏铁路建设的施工 2003 年 3 月三一重 工研制成功履带可伸缩的 SYR220 型旋挖钻机 先后在青藏铁路 北京银泰大厦 鞍钢高 炉 天津 南京等工地接受了施工考验 2003 年 6 月杭州天锐机械有限公司 TR200C 型 旋挖钻机下线 最大成孔直径 2m 最大钻深 62m 应用于青藏铁路建设 2003 年 9 月石 家庄煤矿机械有限责任公司与芬兰永腾公司合作生产出 XZ20 型旋挖钻机 在山东淄博胶 济快速铁路工程中施工 2004 年在北京奥运国家体育馆建设工地一次使用各厂家旋挖钻 机 16 台 由于受青藏铁路 北京奥运 上海世博会工程的拉动 给旋挖钻机提供了一个 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 4 巨大的发展空间 近三年我国的旋挖成孔法的大量采用 旋挖钻机使用量增加 特别是 2003 年许多厂家的旋挖钻机相继研制成功 大大地推动了旋挖钻机的生产和应用 目前 国内各种型号旋挖钻机市场拥有总量约为 500 多台 其中国产旋挖钻机占 15 左右 国 外二手旋挖钻机约为 20 由此可见 旋挖钻进技术在我国的发展前景是非常广阔的 据有关人员预测 在今后几年内 我国旋挖钻机的拥有量将达到目前的 3 倍以上 在如 此大好前景下 国外的旋挖钻机制造商纷纷看好中国这一巨大市场 向中国宣传 销售 其旋挖钻机 国内的一些企业也通过引进 消化 吸收国外技术 开始制造旋挖钻机 使得最近几年我国旋挖钻机技术取得了快速发展 目前可供选择的旋挖钻机性能范围非 常大 就最主要的性能参数 孔径而言 各个厂家主导产品的最大钻孔直径均在 1 5 2 0m 之间 而钻孔灌注桩的最常用桩径一般为 1 2 1 5m 考虑到安全储备系数 这 类孔径的钻机对于施工这种桩径是非常适合的 另外 有些厂家生产的钻机孔径范围非 常大 小型的有最大钻孔直径为 1m 的 大型钻机孔径可达到 3m 为用户提供了一个非 常宽的选择范围 适应了不同工程的需要 各厂家钻机采用的加压方式也各不相同 各 有优势 主要体现在钻杆的形式上 摩阻式伸缩钻杆在软土层钻进效率较高 机锁式钻 杆适于钻进硬岩层 但对操作的要求较高 需找到加压点加压 自锁铠式钻杆 可随时 加压 传递扭矩效果好 国内目前生产旋挖钻机的厂商有十余家 主要有徐工科技 三一重工 北京经纬巨 力 河北石家庄煤机 湖南山河智能 杭州天锐 北方重汽 哈尔滨四海 郑州金牛 连云港黄海 兰州通用 新河钻机等 1 3 本文所作的工作 本文以长沙三一重工有限公司的 SR150 全液压旋挖钻机整机为研究平台 针对伸缩 式履带行走架这一子项目为研究对象 课题组在广泛调研的基础上 瞄准国际知名液压 旋挖钻机的技术水平 结合具体国情 吸收国内外同类液压钻机的优点 研制开发出先 进 可靠 实用 具有竞争能力的液压旋挖钻机 在设计的过程中 我利用互联网向知 名生产工厂详细地了解了液压挖机的工作状态 工作环境和使用要求 对现有的液压挖 机状况摸底 查阅有关资料 本课题采用计算机辅助设计的技术 利用 Pro E 参数化建模 进一步缩短了设计周期 降低了设计成本 有助于促进了设计工作的规范化 系列化和 标准化 从而提高该产品设计开发能力 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 5 本课题的主要内容是设计伸缩式履带行走架 对履带架的支撑梁经行静力分析 设 计其尺寸大小 并经行校核 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 6 2 履带行走架的介绍 2 1 履带行走装置的特点 1 支承面积大 接地比压小 例如 履带推土机接地比压为 0 02Mpa 0 08 Mpa 而轮式推土机的接地比压一般为 0 2Mpa 因此 履带推土机适合在松软或泥泞场地进行 作业 下限度小 滚动阻力也小 通过性能较好 2 履带支承面上有履齿 不易打滑 牵引附性能好 有利于发挥较大牵引力 3 结构复杂 质量大 运动惯性大 减振功能差 使得零件易损坏 因此 行驶 速度不能太高 机动性能差 2 2 履带行走装置的构造 履带行走装置是整台机器的支承底座 用来支承钻机的所有机构 承受工作装置工作过 程中所产生的力 并可以作短距离转场行走 履带式行走装置如图 1 所示 由履带 行走减 速机 驱动轮 行走架 支重轮 托链轮 张紧装置 引导轮等组成 行走装置的动力 由行走液压马达经行走减速机传到驱动轮 带动履带使整个行走装置运行 当运行一段时 间后 履带由于磨损而伸长时 可由张紧装置调整其松紧度 如调整后仍然较松时 可拆掉一 节履带再调整 图 1 履带行走装置结构图 1 履带 2 行走减速机 3 驱动轮 4 行走架 5 支重轮 6 托链轮 7 张紧装置 8 引导轮 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 7 2 2 1 行走架 行走架是履带行走装置的承重结构 一般由底架和履带架组成 通常由高强度钢板焊接 而成 工程钻机用履带行走装置的行走架通常有组合式和整体式两种 1 组合式行走架 组合式行走架底架为框架结构 横梁一般为焊接的箱形梁 履带架通常采用下部敞开的 门 形截面 下面安装支重轮 一端安装行走减速机和驱动轮 另一端安装引导轮 组合式 行走架可做成可伸缩式履带行走装置 可伸缩式履带行走装置一般应用于 10 吨米以上的旋挖钻机 大型挖掘机 履带式起重 机 地下连续墙抓槽机等大型设备 这些设备要求作业时稳定性要好 需要将履带向外伸出 增大支承面 提高作业稳定性 运输时将履带收回减小运输尺寸 有的特大型设备运输时还需 要将两个履带架拆下 以减小运输尺寸和单件运输重量 组合式行走架形式有多种 但主要应用的有两种 一种是将横梁与行走架底架焊接为一 体 履带架上出方孔 将横梁插入履带架方孔中 通过伸缩油缸实现履带伸缩 见图 2 国内三 一重工 宇通重工 福田重工 南车时代重工 滨州锻压等生产的旋挖钻机均采用这种 履带行走装置 抚挖 三一重工 徐工等生产的履带式起重机亦采用这种履带行走装置 另一种是将横梁分别焊接在左右履带架上 行走架底架上出方孔 将横梁插入方孔中 通过伸 缩油缸实现履带伸缩 见图 3 国内徐工 山河智能 国外意大利土力 卡萨格兰地等生产 的旋挖钻机均采用这种形式 此种形式又有多种结构 如 前后伸缩式和大小套筒伸缩式 等 图 2 履带架上出方孔的行走架 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 8 图 3 行走架底架上出方孔的行走架 2 整体式行走架 目前工程钻机常用的整体式行走架有 H 型和 X 型两种 根据使用要求的不同 又有带回 转支承和不带回转支承之分 见图 4 图 5 图 4 H 型行走架 H 型行走架结构简单 成本低 制造容易 但相对承载能力较小 一般用在对承载力要求不 高 尤其只作为辅助行走之用 钻机钻孔时行走架不受力或受力较小的钻机 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 9 图 5 X 型行走架 X 型行走架结构复杂 制造难度大 材料利用率低 成本高 但行走架承载能力大 一般 用在对承载要求高的钻机 尤其由履带底盘承受工作载荷的钻机 2 2 2 履带 目前常用的履带主要有整体式履带 组合式履带和橡胶履带 3 种 1 整体式履带 整体式履带是在履带板上带啮合齿 直接与驱动轮啮合 履带板本身即为支重轮等轮子 的滚动轨道 履带板之间用销轴连接 这种履带一般在大型挖掘机和履带式起重机上应用 较多 整体式履带的履带板大多数为铸造履带板 其特点是制造方便 拆装容易 2 组合式履带 组合式履带由链轨 履带板 销子和衬套等组成 链轨和履带板用螺栓连接 其特 点是使用寿命高 履带节距小 绕转性好 不会因履带板损坏 衬套开裂或连接螺栓剪断而中 止行走 此外 组合式履带零部件通用化程度高 制造成本低 维修方便 维修成本低 缺点 是连接螺栓易折断 组合式履带的履带板有三筋式 两筋式和单筋式 3 种 工程钻机目前 主要使用三筋履带板 3 橡胶履带 橡胶履带的特点是噪音低 振动小 不损坏路面 接地比压小 速度快 重量轻 它主要应用在经常在城市施工和经常在公路上行走的设备 近几年在国内工程机械 农 林机械 工程钻机 筑路机械方面得到了广泛应用 如小型挖掘机 农机 小型钻机等 其缺点是维修成本高 一旦履带损坏需要更换整条履带 因此在使用橡胶履带设备时应特 别注意 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 10 2 2 3 支重轮 支重轮 图 6 主要承受钻机的重力以及工作装置对钻机产生的外力 在行走时还要 承受由于路面不平而产生的冲击 而且工作环境恶劣 经常在泥水或尘土中行走 因此 要求 支重轮密封可靠 承载能力大 表面耐磨 目前支重轮常用浮动油封来密封 其结构简单 密 封效果好 使用寿命长 通常在一个大修期内不需加油 减少可维护保养的工作量 图 6 支重轮结构图 2 2 4 引导轮 引导轮的作用是在行走时引导履带正确绕转 防止履带跑偏和脱轨 引导轮一般布置 在在钻机的前部 其密封形式一般也采用浮动油封密封 2 2 5 驱动轮 驱动轮的主要作用是将行走减速机的动力传递给履带 带动履带行走 对驱动轮的主 要要求是啮合平稳 即使在履带因销套磨损时仍能很好啮合 驱动轮通常放在钻机的后部 这样既可缩短履带驱动段的长度 减少功率损失 又可提高履带的使用寿命 驱动轮有整体 铸造 齿圈和轮体分开铸造及锻造 3 种形式 后两种由于制造较为复杂 且成本高 通常较 少使用 目前主要使用整体铸造驱动轮 2 2 6 托链轮 托链轮主要用于托起上部履带 防止履带过度下垂 托链轮的结构与支重轮类似 但其 所受载荷要比支重轮小得多 因此 在托链轮数量的布置上要比支重轮少得多 一般每条履 带布置 1 3 个托链轮 相邻两个托链轮之间的距离一般为链轨节距的 6 8 倍 2 2 7 张紧装置 张紧装置 图 7 的主要功能是保持履带具有一定的张紧度 减小行走时的冲击载荷 和额外的功率消耗 张紧装置通常与引导轮一起使用 其形式多种多样 但目前常用的主 要是液压张紧 通过手摇泵对张紧装置压注黄油 由油缸和柱塞对导向轮位置进行调节来达 到履带的张紧 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 11 张紧装置的弹簧在预紧后要有适当的缓冲行程 以便当石块等硬物夹于轨链 引导轮 驱动轮之间产生过大张紧力时 可以压缩弹簧 使履带松弛 起到保护装置的作用 如果履 带太紧 可拧开注油嘴 从油缸中放出部分黄油进行调整 设计时 应使引导轮前后调整的 距离大于履带节距的一半 以便在履带伸长较多时可以拆掉一节履带仍能连接起来 在选 择张紧装置时 应考虑张紧装置的预紧力与行走减速机的驱动力相匹配 预紧力既不能过 大 也不能过小 预紧力过大起不到缓冲作用 预紧力过小 在行走时容易出现抖动而造成 行走不稳定 而且容易在履带张紧时将弹簧压死 图 7 张紧装置结构图 2 3 设计方案的选择 本文设计了两种行走架的方案 方案一 此方案选用整体式行走架 履带架和底盘是一个整体 这个方案的特点为 行走架结构简单 成本低 制造容易 但相对承载能力较小 一般用在对承载力要求不高 尤其 只作为辅助行走之用 钻机钻孔时行走架不受力或受力较小的钻机 方案二 此方案选用组合式行走架 组合式行走架可分为伸缩式行走架和非伸缩式 行走架 可伸缩式履带行走装置一般应用于 10 吨米以上的旋挖钻机 大型挖掘机 履带式 起重机 地下连续墙抓槽机等大型设备 这些设备要求作业时稳定性要好 需要将履带向外 伸出增大支承面 提高作业稳定性 运输时将履带收回减小运输尺寸 有的特大型设备运输时 还需要将两个履带架拆下 以减小运输尺寸和单件运输重量 由于三一的 SR150 全液压旋挖钻机总的工作重量为 45T 属于较重的车型 又根据 运输的需要和实际工作情况的需要 故选择伸缩式履带行走架 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 12 3 履带行走架的设计计算 3 1 履带行走装置的设计计算 3 1 1 计算接地比压 履带行走装置的尺寸和接地比压的确定 主要考虑的是钻机工作质量 行走时的工作 条件 行走速度等 由于工程钻机的行走大多是辅助功能 行走速度较慢 一般在选择或设 计履带行走装置时主要考虑钻机的质量和驱动能力 在确定钻机的接地比压时主要考虑 钻机行走的地层条件 再根据接地比压确定履带行走装置的尺寸 目前 工程钻机主要考虑 的是平均接地比压 其计算公式为 2mgpbL 式中 p 履带平均接地比压 Pa m 钻机的工作质量 kg b 履带的宽度 m L 履带的接地长度 m g 重力加速度 g 9 81 m s2 钻机的工作质量 m 45000Kg 履带的宽度 b 0 7m 履带的接地长度 L 3 15m 2pbL 4509 8173MPa 最大接地比压的计算 根据图 8 一条履带上所受的载荷为 G 偏心距为 e 则履带两端 的最大比压为 履带两端的最小接地比压为 max6GePbL max61GePbL 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 13 图 8 最大接地比压计算简图max61GePbL 式中 G 钻机的工作重量 b 履带的宽度 m L 履带的接地长度 m e 重力的偏心距 m 0 4MPa ax4509 860 1 735P 3 1 2 行走牵引力的计算 1 总牵引力 由式 得360TsVFPR 12 8536 2 TSFKNV 式中 P 发动机功率 P 120KW 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 14 传动到驱动轮的总效率 0 85 行走速度 KM H SV1 sV 泵或马达的变量系数 如采用定量泵和定量马达 则取 1 R VR 2 履带行走阻力的确定 1 由于挤压土壤造成的运行阻力 在坡道上时 cosdsFmg 式中 运行比阻力系数 d 0 2d m 机器的工作质量 m 45000Kg 预设的爬坡角度 30 所以 0 2 45000 9 8 cos30 76383 4NdsF 在平道时 mg 0 2 45000 9 8 88200Ndh 2 坡道阻力 mgsing 45000 9 8 sina30 220500NsF 3 风载荷造成的阻力 qAw 式中 q 风压 q 250Pa A 迎风面积 A 6 5 2m 250 6 5 1625NwF 4 不稳定运动时的惯性阻力 0 01mg 0 01 45000 9 8 4410Ni 所以 坡道行驶外部阻力为 esFdswiF 76383 4 220500 1625 4410 302KNs 平道行驶外部阻力为 88200 1625 4410 94KNehFdwi 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 15 3 内阻力的计算 1 驱动轮与履带的啮合阻力 1nF 1 1nFtd 184 1KNt2T368 0 95 为履带板与驱动轮啮合效率 d d 184 1 1 0 95 9 2KN1nF 2 驱动轮 导向轮轴与轴套的摩擦阻力 2nF 挖土机前进时 3 2nFt0dD 式中 对于履带上分支悬垂所造成的张力 取 0 1 18 4KN 0 0Ft 轴颈中的摩擦系数 0 08 d 驱动轮和导向轮的轴颈直径 d 6 5cm D 驱动轮的节圆直径 D 88 1cm 184 1 3 18 4 0 08 1 41KN2nF 6 581 3 履带轴销的摩擦阻力 后轮驱动 前进行驶 3nF 3n 01 tdZ 式中 履带销轴直径 4 45cm 履带销轴中的摩擦系数 0 25 1 1 Z 驱动轮的齿数 Z 27 t 履带板的节距 t 20cm 1 53KN3nF 84 0 2547 4 支重轮滚动阻力和轴颈摩擦阻力 4nF 4n0mgD2 df 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 16 19 4KN4509 82 01 20 5 式中 m 整机工作质量 m 45000Kg 轴颈的摩擦系数 0 08 2 2 f 滚动摩擦系数 f 0 05 支重轮轴颈的直径 10 2cm 0d0d 支重轮直径 20 8cm DD 两条履带的内阻力总和为 nF1234 nnF 2 9 2 1 41 1 53 19 4 63KN 4 履带行走装置牵引力验算 1 在坡道上行驶的总阻力 sFen 302 63 365KN 2 在平道上行走的总阻力 hen 94 63 157KN 由计算结果可知 上坡行驶 368 23 365KN 故牵引力满足条件 TFs 3 1 3 支重轮数量的计算 由公式得 max12zpkPLlnt 式中 k 对支重轮重量的修正系数 k 1 1 1 7 L 履带的接地长度 m 最后端的支重轮轴与驱动链轮轴及导向轮轴之间的距离1l2 地面的最大允许比压zaxP 履带节距 m pt 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 17 桩机既可使用于密实的干黄土 也可用于普通粘土 根据这些条件 地面的最大允 许比压为 0 4 0 6MP 为了保证旋挖钻机不下陷 取 0 6MP K 取 1 1 的值为maxzP1l 0 67m 的值为 0 6m 为 0 203m 2lpt 6 8 1 304 5670 23n 故圆整为 7 所以支重轮的个数为 7 个 3 2 履带架伸缩梁强度的校核 在实际情况中履带架伸缩梁的受力情况十分复杂 这里将其简化为向下的压力与扭 矩 受力情况如下图所示 由图可知 该梁的一端焊接在履带架上 一端是悬空的 方 便插入底盘内 故可以将其简化为悬臂梁的模型 如图 9 所示 图 9 简化模型 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 18 图 10 剪力 弯矩 扭矩图 旋挖钻机的上半车身重量为 28t 假设质量作用在底盘的几何中心上 每根梁承担的 重力为上半车身重量的四分之一 由扭矩的计算公式 得 TFx 式中 F 作用在梁上的力 X 梁到底盘中心垂线的距离 F 68600N 328109 4 X 0 5m 所以 34300 6 5T NM 经受力分析得该梁的剪力 Q G 68600N 弯矩为 M GX 梁的剪力图 弯矩图如图所示 由图 10 可知 危险截面在梁的焊接处 故对此处进行校核 由式 得 2210 75TW 式中 W 截面图形的抗弯截面模量 M 力对梁的产生的弯矩 T 受力的作用梁产生的扭矩 该梁的 b h 0 2m 26bh 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 19 所以 0 0013 20 6W M Fx 7546081 NM 将个数据带入公式得 62 4MPa2275460 3400 3 为了保证梁的安全性 由上述计算的结果 选择高锰钢做为梁的材料 3 3 螺纹连接的强度计算 螺纹连接的受力情况可分为两种 一种是受横向的剪切力 一种是受轴向的作用力 旋挖钻机履带架下的螺纹连接用于连接支重轮和履带架 故受到以轴向作用为主的力 旋挖钻机的总的工作质量为 45T 每一边的履带架上有 7 个支重轮 总的支重轮数为 14 个 故每个支重轮承受的力为 T 旋挖钻机工作时有不稳定的载荷 所以残余预145 紧力 0 6 1 0 F 1 螺栓受到的总力为 21 式中 残余预紧力 1 F 螺栓承受的工作载荷 F T 3 214T 3214Kg 31500N 45 取 0 8F1 25200NF0 83 故螺栓受到的总力为 25200 31500 56700N21F 螺栓危险截面的拉伸强度条件为 2 34caFd 式中 螺栓的总拉力 2 d 螺栓的直径 d 22mm 考虑到螺栓在总拉力 的作用下可能需要补充拧紧 故将总拉力增加 30 以考虑扭2F 转切应力的影响 56700 82710N 2F230 30567 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 20 28 3MPa21 38704ca 根据此结果选择中碳钢做为螺栓的材料 3 3 1 螺栓的校核 螺栓的最大应力计算安全系数为 1min2tccaaKSS 式中 螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限 见表 1 MPa 1tc 试件的材料常数 即循环应力中平均应力的折算系数 对于碳素钢 0 1 0 2 对于合金钢 0 2 0 3 拉压疲劳强度综合影响系数 如忽略加工方法的影响 则 此处K kK 为有效应力集中系数 见表 2 为尺寸系数 见表 3 k S 安全系数 见表 4 最小拉应力为 0min24Fd 式中 预紧力 0 d 螺栓的直径 式中 取 0 302bcmCFF bcmC 则 47250N0567 3150 124MPamin24 应力幅为 12MPa2bamCFd 23150 表 1 螺纹连接件常用材料的疲劳极限 疲劳极限 MPa 疲劳极限 MPa 材料 1 1tc 材料 1 1tc 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 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 螺纹连接件的尺寸系数 直径 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 则 1 28 1 2 205 1324 caS 所以此螺栓安全 表 4 螺纹连接的安全系数 S 受载类型 静载荷 变载荷 松螺栓连接 1 2 1 7 M6 M16 M1 6 M30 M3 0 M60 M6 M16 M1 6 M30 M3 0 M60 碳 钢 5 4 4 2 5 2 5 2 碳 钢 12 5 8 5 8 5 8 5 12 5 紧 螺栓 连接 受 轴向 及横 向载 荷的 普通 螺栓 连接 不 控制 预紧 力的 计算 合 金钢 5 7 5 5 3 4 3 4 3 合 金钢 10 6 8 6 8 6 8 10 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 22 控 制预 紧力 的计 算 1 2 1 5 1 2 1 5 铰制孔用 螺栓连接 刚 2 5 1 25S p 铸铁 2 0 2 5 刚 3 5 5 0 1 5S pS 铸铁 2 5 3 0p 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 23 4 基于 PRO E 伸缩式履带行走装置的建模 4 1 PRO E 的简介 Pro Engineer 是美国 PTC 公司的产品 于 1988 年问世 10 多年来 经历 20 余次的 改版 已成为全世界及中国地区最普及的 3D CAD CAM 系统的标准软件 广泛应用于电 子 机械 模具 工业设计 汽车 航天 家电 玩具等行业 Pro E 是全方位的 3D 产 品开发软件包 和相关软件 Pro DESINGER 造型设计 Pro MECHANICA 功能仿真 集合了零件设计 产品装配 模具开发 加工制造 钣金件设计 铸造件设计 工业 设计 逆向工程 自动测量 机构分析 有限元分析 产品数据库管理等功能 从而使 用户缩短了产品开发的时间并简化了开发的流程 国际上有 27000 多企业采用了 PRO ENGINEER 软件系统 作为企业的标准软件进行产品设计 下面就 Pro ENGINEER 的特点进行简单的介绍 1 主要特性全相关性 Pro ENGINEER 的所有模块都是全相关的 这就意味着在 产品开发过程中某一处进行的修改 能够扩展到整个设计中 同时自动更新所有的工程 文档 包括装配体 设计图纸 以及制造数据 全相关性鼓励在开发周期的任一点进行 修改 却没有任何损失 并使并行工程成为可能 所以能够使开发后期的一些功能提前 发挥其作用 基于特征的参数化造型 Pro ENGINEER 使用用户熟悉的特征作为产品几何 模型的构造要素 这些特征是一些普通的机械对象 并且可以按预先设置很容易的进行 修改 例如 设计特征有弧 圆角 倒角等等 它们对工程人员来说是很熟悉的 因而 易于使用 装配 加工 制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征 通过给这些特 征设置参数 不但包括几何尺寸 还包括非几何属性 然后修改参数很容易的进行多 次设计叠代 实现产品开发 2 数据管理 加速投放市场 需要在较短的时间内开发更多的产品 为了实现这 种效率 必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发 数据管理模块的开发研 制 正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作 由于使用了 Pro ENGINEER 独 特的全相关性功能 因而使之成为可能 3 装配管理 Pro ENGINEER 的基本结构能够使您利用一些直观的命令 例如 啮 合 插入 对齐 等很容易的把零件装配起来 同时保持设计意图 高级的功能支持 大型复杂装配体的构造和管理 这些装配体中零件的数量不受限制 4 易于使用 菜单以直观的方式联级出现 提供了逻辑选项和预先选取的最普通 选项 同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助 这种形式使得容易学习和使用 Pro E 包含了许多的功能模块 本设计中主要用到以下三个模块 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 24 1 Pro Engineer Pro Engineer 是该系统的基本部分 其中功能包括参数化功能定义 实体零件及组装 造型 三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图 三维造型还可移动 放 大或缩小和旋转 Pro Engineer 是一个功能定义系统 即造型是通过各种不同的设计专 用功能来实现 其中包括 筋 Ribs 槽 Slots 倒角 Chamfers 和抽空 Shells 等 采用这种手段来建立形体 对于工程师来说是更自然 更直观 无需采用 复杂的几何设计方式 这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸 不像其他系 统是直接指定一些固定数值于形体 这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的 关系 任何一个参数改变 其也相关的特征也会自动修正 这种功能使得修改更为方便 和可令设计优化更趋完美 造型不单可以在屏幕上显示 还可传送到绘图机上或一些支 持 Postscript 格式的彩色打印机 Pro Engineer 还可输出三维和二维图形给予其他应用软 件 诸如有限元分析及后置处理等 这都是通过标准数据交换格式来实现 用户更可配 上 Pro Engineer 软件的其它模块或自行利用 C 语言编程 以增强软件的功能 它在单用 户环境下 没有任何附加模块 具有大部分的设计能力 组装能力 人工 和工程制图 能力 不包括 ANSI ISO DIN 或 JIS 标准 并且支持符合工业标准的绘图仪 HP HPGL 和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出 Pro Engineer 功能如下 特征驱动 例如 凸台 槽 倒角 腔 壳等 参数化 参数 尺寸 图样中的特征 载荷 边界条件等 通过零件的特征值之间 载荷 边界条件与特征参数之间 如表面积等 的关系来 进行设计 支持大型 复杂组合件的设计 规则排列的系列组件 交替排列 Pro PROGRAM 的各种能用零件设计的程序化方法等 贯穿所有应用的完全相关性 任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方 变动 其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro ENGINEER 的基本功能 2 Pro ASSEMBLY Pro ASSEMBLY 是一个参数化组装管理系统 能提供用户自定义手段去生成一组组 装系列及可自动地更换零件 Pro ASSEMBLY 是 Pro ADSSEMBLY 的一个扩展选项模块 只能在 Pro Engineer 环境下运行 它具有如下功能 1 在组合件内自动零件替换 交替式 2 规则排列的组合 支持组合件子集 3 组装模式下的零件生成 考虑组件内已存在的零件来产生一个新的零件 4 Pro ASSEMBLY 里有一个 Pro Program 模块 它提供一个开发工具 使用户能自 行编写参数化零件及组装的自动化程序 这种程序可使不是技术性用户也可产生自定义 设计 只需要输入一些简单的参数即可 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 25 5 组件特征 绘零件与 广组件组成的组件附加特征值 如 给两中零件之间加一个 焊接特征等 3 Pro ENGINEER Mechanism Dynamics Pro ENGINEER Mechanism Dynamics 虚拟地仿真运动组件的加速力和重力的反作用 力了解动力效应 工程师无需等待实物样机就能测试产品的动力耐久性 利用 Pro ENGINEER 机构动力学仿真 可以虚拟地仿真运动组件的加速力和重力的反作用力 而且 您可以综合考虑诸如弹簧 电动机 摩擦力和重力等动力影响 相应地调整产品 性能 无需背上研制样机的高昂费用负担就能获得最大的设计信心 功能及益处 综合 考虑弹簧 阻尼器 电动机 摩擦力 重力和定制的动力负载 以评估产品性能 使用 设计研究来优化机构在一组输入变量下的性能 创建准确的运动包络 以用于干涉和空 间声明研究中 通过动力学分析获得准确的测量值 以设计更坚固 更轻和更高效的机 构 直接从动力学仿真中创建优质动画 4 2 支撑架的建模 支撑架的建模过程 1 利用拉伸工具 拉伸出支撑架的雏形 图 11 支撑架雏形 2 利用孔工具 画回转支承的孔 3 利用壳工具 去除支撑架内部的材料 是壁厚为 50mm 并去除四个端面 以 便梁的插入 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 26 图 12 加工孔 去除内部材料后的支撑架 4 利用拉伸工具 去除两边的材料 5 利用道圆角工具 倒出圆角 6 利用拉伸工具 拉伸出支承盘 图 13 拉伸出支撑盘的支撑架 7 利用拉伸工具 拉伸出一个螺栓孔 8 利用阵列工具 阵列出孔的特征 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 27 图 14 完整的支撑架 装配零件 加入第一个零件时 将约束类型设置为缺省 如图 15 所示 图 15 设置约束类型 加入第二个零件时 由于履带架可以在支撑架上移动 在定义装配类型时 应定义 成滑动杆如图 15 所示 这样装配完成后履带架还可以移动 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 28 图 16 定义装配类型 定义完装配类型后 单击履带架梁的中心线 再单击支撑架空的中心线 系统自动 选用对齐的约束 同理 使第二根梁也与空对齐 再将履带架移动到合适的位置 单击 确定按钮 完成装配 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 29 结 论 旋挖钻机的行走装置是整个机械的支撑部分 承受桩机的自重和挖掘时的反力 它 既能稳定地在地面上工作 同时又能在工作时做厂内运行和转移工地时做运输性运行 本文首先对行走装置牵引力进行了计算 由于钻机在前进和工作中需要受到各方面 的阻力 因此旋挖钻机的总牵引力应该大于在各种状态下所受的各种阻力的总和 同时 在爬坡时其牵引力还必须小于履带与地面之间的附着力 以避免其打滑 钻机在前进和 爬坡时的速度经过验算 符合牵引力的要求 能用于实际中 然后在旋挖钻机底盘的结构设计中 根据钻机参数 选择和设计各个零部件 其中 四轮一带 驱动轮 导向轮 支重轮 拖链轮 履带 在我国市场上已经有部分标准化 因此可根据打桩机型号和参数进行选择 最后 借组计算机辅助工程技术对履带行走装置进行 PRO E 三维建模 为进一步优 化设计提供了分析数据和结论 通过毕业设计 不仅培养了我们正确的设计思想 也同时让我们掌握了工程设计的 一般程序和方法 锻炼了我们灵活综合运用知识的能力 通过对它的设计计算 我了解 了履带行走装置的工作原理 传动系统方案和常用机械零部件件的选用设计等等 借助 计算机辅助技术的研究方法和研究结果可以作为以后工程上研制类似结构的参考 中国矿业大学成人教育学院 2014 毕业设计 30 参考文献 1 周建钊主编 底盘结构与原理 M 北京 国防工业出版社 2006 5 2 周良德 朱泗芳主编 现代工程图学 M 长沙 湖南科学技术出版社 2002 9 3 罗迎社主编 材料力学 M 武汉 武汉理工大学出版社 2007 7 4 孔德文等 液压挖掘机 M 北京 化学工业出版社 2007 1 5 赵克利等 底盘结构与设计 M 北京 化学工业出版社 2007 1 6 濮良贵 纪名刚 机械设计 第七版 M 北京 西北工业大学机械原理及机械零件教 研室 高等教育出版社 2000 7 孙恒 陈作模 机械原理 第六版 M 北京 高等教育出版社 2001 8 JB T2983 22001 履带式推土机总成 北京 机械科学研究院 2009 4 9 吴宗泽 罗圣国 机械设计课程设计手册 M 第三版 北京 高等教育出版社 2006 10 诸文农主编 履带推土机结构与设计 M 北京 机械工业出版社 1986 12