SWDM-25旋挖钻机钻桅变幅机构及钻桅结构设计

２０　１　０年第５期　ＸＩＮＮＯＮＧＣＵＮ　ＳＷＤＭ一２５旋挖钻机钻桅变幅机构及钻桅结构设计　丁小兵　（湖南兵器工业高级技工学校，湖南益阳【摘４１３０００）　要】本文针对．ＳＷＤＭ一２５旋挖钻机变幅机构以及钻桅做了相关的设计与计算。通过对国内外几种典型变幅机构的比较分　析确定了变幅机构的设计方案；参照起重机粱的结构设计方法，结合桅杆的功能特点对钻桅进行了结构设计；根据相关设计参数建立　了钻桅变幅机构的力学模型，对变幅机构进行了受力分析；同时还对旋挖钻机处于各种典型工况时的钻挖变幅机构关键部件进行了受力　计算。此外，对变幅机构销轴以及桅杆连接处螺栓进行了设计。最后，全面对桅杆在工作状态与非工作状态下进行了强度、稳定性　以及刚度的校核，验证了所设计的桅杆是符合安全性能要求的。　【关键词】旋挖钻机；变幅机构；钻桅；结构设计　大型旋挖钻机是我国近年来引进、发展的桩工机械，逐　步取代了对环境污染严重、效率低下的其它建筑工程桩孔施工　机械。旋挖钻机的钻桅变幅机构对整机布局和操纵稳定性影响　很大，它是实现钻孔位置变化及改变钻桅位置状态的关键部　件。钻桅是旋挖钻机主执行机构的重要支撑，其为钻具、调　整机构、加压系统等提供结构支撑，整个桅杆对于保证整机　的正常运行和工作质量起着至关重要的作用。因此，本文对　ＳＷＤＭ一２５旋挖钻机变幅机构以及钻桅进行了结构设汁。　一、变幅机构总体方案设计　图３变幅机构方案三　变幅机构的结构形式与布置方案不仅关系到整个变幅装置　前ｉｇ＇ｉ￣方案均采用平行四边＋三角架结构，通过—个平行　能否正常工作，而且还对转台的设计和布置以及整体性能有着　四边形连杆机构与三角架连接，用两个油缸驱动实现工作装置　很大的影响。下面对三种变幅方案进行比较分析：　的工作半径变化以及桅杆角度的调整，其中变幅油缸伸缩改变　工作装置的工作幅度，桅杆油缸伸缩改变桅杆在垂直平面里的　角度。该结构变幅范围大，可整机放倒，折叠，降低运输　高度和长度。方案一如图ｌ所示，变幅液压缸装于动臂的前　下方，动臂下支撑点（与转台的铰点）设在回转中心的前下方，　１．变幅机构结构方案的确定　一—，。．。　。．．　。．，。．。　，。　．。．。。．Ｌ　并高于转台平面。方案二如图２所示，变幅油缸上铰点与三　角架铰接通过驱动三角架使工作装置平移。此方案，变幅液　压缸通过驱动三角架实现变幅，由于三角架离转台距离较远，　变幅液压油缸的位置需布置在转台的较前方，这就增大了转台　的设计难度。方案三如图３所示，在转台上升起一横向支柱，　变幅油缸安装在这上面驱动桅杆的变幅，这一设计可以加大两　个变幅油缸安装距离，增大钻桅的稳定性，能承受大扭矩。　图１变幅机构方案一　但该设计使转台的设计复杂，且升高了运输时的整机高度，　运输时需要拆卸桅杆，安装时需起重设备辅助，费时费力。　与方案一比较，该方案的工作半径不能变化，没有起到　工作装置的真正变幅作用，在工作装置重量相同的情况下，　最大倾翻力矩：　Ｍｍａｘ＝Ｇ总Ｌｍａｘ　其中，Ｌｍａｘ为工作装置到整机倾翻线的最大距离。　方案一其最大倾翻力矩出现在工作装置在垂直位置时，而　方案三的最大倾翻力矩出现在其工作装置前倾，变幅油缸最大　ｍａｘ　行程时，显然可知Ｌ，ｍａｘ＜Ｌ　所以该方案的最大倾翻力矩较大。经过上面的比较分析，采用图１所示的机构作为本次的变幅　￣，机构。　图２变幅机构方案二　２．变幅机构参数的设计计算　在总体方案设计中必须全面考虑机器的功能要求，结构布　ＸＩＮＮＯＮＧＣＵＮ　２０　１　０年第５期　置的可能性，以及制造、装配的工艺性等因素。设计时，首　许用压应力ｆ盯］＝１３＂　／ｎ＝１７ＯＭＰａ　先要满足旋挖钻机的功能要求，以及满足特殊工作尺寸的要　经计算最大压应力的位置在下截面底板处，此时　求，如最小变幅半径，最大运输高度等。　如图４所示在经计算得到变幅机构尺寸参数：　ＬＧＦ＝１５５０ｍｍ　Ｌｏｌ＝３０００ｍｍ　ＬＡｃ＝ＬｅＦ＝１２００ｍｍ　Ｌ￣＝ＬｃＥ＝２８００ｍｍ　ＬＧＥ＝１５００ｍｍ　盯　：盯　…＝　＝１３０，１９Ｍ＇Ｐａ＜【叮压Ｊ　最大拉应力的位置在上截面的导轨处，此时　等（　’　）＝１　３９．１　７　＜【盯拉１　对于切应力　有　Ｔ　ｌ　＝２０．８６　…　＜Ｉ＜ｆ　　Ｔ　１　ＬＡＲ＝２４０ｒａｍ　经校核可知桅杆在水平位置时是安全的。　三、变幅机构的设计计算　１．机构分析　变幅机构运动简图如图７所示，它由一个单自由度的平　行四边形双摇杆机构和一个单自由度的摇杆滑块机构组成，　它们的运动相互独立，其中主动件分别为变幅液压缸和桅杆　液压缸。　图４变幅机构总体简图　二、钻桅的结构设计计算　１．桅杆的结构设计　桅杆的结构采用分段折叠式桅杆，由四部分组成：下　桅、中桅、上桅以及鹅头。各部分之　通过螺栓连接，上　桅和下桅较短，与中桅之间采用可折叠结构。下桅杆长度为　２１５０ｍｍ，中桅为１４０００ｍｍ，上桅长１８５０ｒａｍ。工作装置各　构件在桅杆上的布置位置参见图５，桅杆横截面采用凹箱型截　面形式，参照起重机金属结构梁设计进行截面尺寸的设计，　截面见图６，外廓尺寸长×宽×高为１８０００　Ｘ　８００　Ｘ　６００ｍｍ３，　桅杆材料为１６Ｍｎ。　ｌ　㈡　舀参　…　…’一～…＝二：零　，Ｂ／　誊　’　………　～…　啼　。。一～……　根据旋挖钻机的工作特征，钻挖工况时变幅机构闭锁定　位，调整工况时各液压缸分别动作，将钻桅调整至工作状　态。钻桅由运输状态到工作状态时，动臂液压缸闭锁，桅杆　液压缸的伸缩使钻桅变幅。将工作装置视为一质点，质心为　０ｌ，点Ｇ为三角架与桅杆的连接点，点Ｅ为桅杆油缸与三角架　的连接点，点Ｈ为桅杆油缸与桅杆的交点。如图８所示：　图５桅杆结构示意图　ｂ１　ｈ　图８桅杆受力简图　．　刍！竺　堡　蔓　兰！墨！　！＝　厶三４螽ｎ　图６桅杆截面示意图　２．桅杆水平位置强度校核　桅杆的结构是在水平位置进行的设计，桅杆在处于水平位　置时，对桅杆各段进行弯剪受力分析得到桅杆油缸与桅杆的铰　式中：Ｇ　一～工作装置总重量；　接点处的弯矩最大，此时应该对该截面做强度校核。　由于设计时是参照起重机梁的结构设汁，但没有考虑各种　素的影响，因此根据起重机梁的安全系数，取ｎ＝２，　Ｆ　——桅杆油缸对工作装置的作用力；　Ｌ　——点Ｇ到点Ｅ的距离；　Ｌ　——点Ｇ到点Ｈ的距离；　Ｌ　——点Ｇ到点Ｏ１的距离；　２０　１　０年第５期　　其中，Ｌ。、Ｌ　、Ｌ　、Ｇ　、　ｄ　已知，则Ｆｌ为关　为三角架重心到Ｅ点的水平距离。于　的函数，关系曲线如图９所示：　Ｇ３＝１４．７ＫＮ，Ｇ２＝１５．７ＫＮ，ＧＪ＝３．５３ＫＮ　Ｘ工ＮＮＯＮＧＣＵＮ　ＸＧＥ＝１．３５９ｍ，ＹＧＥ＝Ｏ．６３５ｍ，ＸＦＥ＝０．８６３ｍ，ＹＦＥ＝０．８３４ｍ，　Ｈ　＝０．７４１　ｍ。　２．典型工况的确定　对旋挖变幅机构每确定一个ｏｔ值和ｅ　０　值，唯一对　应一力臂ｅ２值和一种工况。现确定典型工况如下：　工况１平行四边形机构处于水平位置，桅杆水平时，变　幅机构离底盘最远，钻桅变幅机构仅受到工作部分的重力作　用，主卷扬钢丝绳处于松弛状态；　工况２平行四边形机构处于水平位置，桅杆垂直（工作　时），旋挖钻机处于钻进状态，钻具受到最大转矩２４８ｋＮ？ｍ；　工况３平行四边形机构处于水平位置，桅杆向前倾５。时　图９　Ｆ１与的关系曲线　（３２作时）；　当　＝０．５５５ｔａｄ时，桅杆水平，处于运输状态，Ｆ１ｍａｘ＝１．　工况４平行四边形机构处于最高位置，桅杆水平时，变　４２５８×１０“Ｎ　幅机构离底盘最近，钻桅变幅机构仪受到上作部分的重力作用，　当　＝２．２１３ｒａｄ时，桅杆前倾５。，处于工作调整最不利状态，　主卷扬钢丝绳处于松弛状态：　ＦＩｍｉｎ＝－２．８８５８×１０　Ｎ　工况５甲行四边形机构处于最高位置，桅杆垂直（工作　对平行四边形双摇杆机构进行受力分析，受力简图如图　时）桅杆垂直，旋挖钻机处于钻进状态，钻具受到最大转矩　１０所示。其中（ａ）为连杆受力简图，（ｂ）为动臂受力简图，（ｃ）为　２４８　ｋＮ・ｉｎ；　三角架受力简图。　工况６平行四边形机构处于最高位置，桅杆向前倾５。时　（工作时）。　根据典型工况的确定，可求得变幅机构各铰点的危险受力　情况。　３．桅杆与动臂油缸缸径、杆径以及行程的确定　根据前面各种工况的计算与分析，由变幅机构各铰点的危　险受力情况，可知液压缸的最大推力出现的工况状态，由结　构的对称性可设计采用双液压缸推动。经计算可得到：　桅杆油缸的缸径Ｄ１＝２００ｍｍ，杆径ｄ１＝１４０ｍｍ行程　Ｓ　１＝２２０８ｍｍ　动臂油缸的缸径Ｄ２＝２００ｍＩＴＩ，杆径ｄ２＝１４０ｒａｍ行程　圈１０动臂机构受力简图　列力学平衡方程，写为矩阵形式如下：　Ｓ２＝ｌ　１００ｍｍ　四、钻桅结构的设计校核　本论文桅杆的设计是以桅杆在水平位置按梁的强度条件来　设计的，在桅杆处于水平位置时已进行了强度校核，在此位置　是满足设计要求的。由于桅杆受轴向载荷较大，因此在满足桅　杆水平位置强度的前提下有必要对桅杆在垂直状态下强度、稳　１　１。０　ｏ　　ｌ　０　Ｌ　ｓｉｎ白｝　ｌ　－娃１Ｙ醯ｎ９　Ｉ　３ｃｏｓ日３　］ｌＩ　００　０　定性以及刚度的校核，并对桅杆在工作状态下进行了弯扭组合　强度校核。校核结果如表１所示：　经计算，桅杆结构符合各项强度性能指标，桅杆的结构　设计符合安全性能要求。　五、结论　本文完成了对ＳＷＤＭ一２５旋挖钻机变幅机构和钻桅的结构　设计，同时进行了变幅机构静力分析，经过设计校核，钻桅以　及变幅机构主要部件的设计是符合安全性能要求的。　参考文献　…１　张启君，对开发旋挖钻机的几点看法（２）ｌｌｌ＿工程机械，２００５，　３６（９）：５１～５３．　『２１　杨文军，冯蕾．国内外旋挖钻机集锦ＩＩ１．建筑机械，２００４，ｌ：　其中：Ｇ。为三角架的重量，Ｇ　为动臂的重量，Ｇ　为连　４４￣５３．　秆的重量，Ｆ　、Ｆ　为动臂对三角架的约束反力，Ｆ。　、Ｆ。　『３１　张启君，国内外旋挖钻机现状与结构特点分析兀１．建设机械技　为桅杆对三角架的约束反力，ｘ。　Ｙ。　为Ｇ点到Ｅ点的水平　术与管理．２００６，０６：５９￣６２．　与垂直距离，Ｘ　Ｙ　为Ｆ点到Ｅ点的水平与垂直距离，Ｈ。　［４１王兴鉴．三一旋挖钻机产品再添新Ｔｉｌ１．工程机械与维修，２００５．　——　ＮＮＯＮＧＣＵＮ　表１校核结果　２Ｏ　１　０年第５期　危险点的应力及刚度、稳定性情况　＝盯日＝８３．１２￣ｌＰａ　许用应力、挠度及临界载荷　＝　ｆ：ｆ　＝６．Ｏｌ￣ｌＰａ　／『ｌ＝２５５　刚度　桅杆上端转角　【ｆ】；　＝９８．１５坳　。一－￣１（２１＋３ａ）４１７×ｌＯ一４。　．ｐ　＝　Ｅｌｌ｜０＝７．５２￣１０９Ｎ　２：，　，岛　＝５．９４￣１０’Ⅳ　６Ｅ／　最大挠度　五Ｍ　ａ　＋１）＝。　６ｍⅢ　［门＝志＝１０＿８ｍｍ　【　＝５。　稳定性　桅杆实际最大受力为：　Ｐ＝２Ｆ２＋Ｇ＝５．８７×１（）ｓＮ　弯扭组合强度　：　：６１．５３Ａ，ｌｐａ　（７）１（Ｊ　１０９．　『１２１　赵伟民，冯欣华，姜文革等旋挖钻机常用藏面结构的有限元分析　…，建筑机械，２０（）５（５　７３￣７６．　ｆ１３１王金诺，于兰峰主编．起重运输机金属结构ｆＭ１．北京：中国铁　道出版社　２００２．５．　『５１　李海娟．新产品：南车时代重工旋挖钻机创造佳绩『Ｉ１．工程机　械，２００５，３６（１０）：７５￣７５．　Ｉ６６１　吕惠娴．ＢＧ２５型旋挖钻机的国产化改造及合理应用ｆＩ１，生产　技术与工艺管理，２（１０２，１４（３）：４５￣４６．　『７１陈以田，张忠海．徐工ＲＤ２２旋挖钻机…．建筑机械化，２００５，　６（５）３８￣３９．　ｆ１４１成大先主编．机械设计手册（第三版）ｆＭ１北京：化学工业出版　社．１９９４、４．　Ｉ１５］　同济大学主编．单斗液压挖掘机（第二版）『Ｍ１．北京：中国建筑　工业出版社．１９８６．１２．　ｆ１６１　Ｌａｒｇｅ，Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｒｉｇ　Ｃｅｎｓｕｓ［１１．Ｐｉｐｅｌｉｎｅ＆Ｇａｓ　ｌｏｕｍａｌ　２００２，２２９（１　０　７２￣７６　ｆ８１赵伟民，姜文革，祖海英等旋挖钻机变幅角度对钻机的影响　『Ｉ１，建筑机械，２００５（５）：６３￣６６．　『９　刘古岷等．９］桩工机械［Ｍ１，北京：机械工业出版社，１９９１．　『１０１黄金新编译，国外轮式起重机『Ｍ１，北京：中国建筑工业出　版社．　『１７１　Ｇ．Ｍ．Ｕｌｉｔｉｎ　ＳＴＡＢＩＬＩＴＹ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＣＯＬＵＭＮ　ＯＦ　Ａ　ＲｏＴｏＲ—　ＴＹＰＥ　ＤＲＩＬＬＩＮＧ　ＲＩＧ［Ｉ１．Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　２００２，３４（１）：　９４－＂９８　『１１１范祖尧，倪庆兴等缟译，起重运输机械设计基础『ＭＩ．北京：　机械工业出版社１９９１．　（上接第７４页）　时进行集中“疏蕾”，每袋留２—３个健壮、菇形好、无损　低于２（）℃时，第二潮菇可安排在大棚脱袋覆土出菇，总转化　伤的菇蕾，切除多余的菇蕾。１０　ｄ～１　ｌｄ后待菇蕾长到指头大　率在１Ｏ０％以上。　小时，维持空气相对湿度在８５％一９５％间，ＣＯ。浓度可控制在　八、病虫害防治　０．５％左右，因为适当高浓度的ＣＯ。有利于增加菇柄长度，抑　贯彻执行“预防为主，综合防治”的植保方针，使用　制菇帽长大开伞。　新鲜无霉变的原料，加强厂房周边及栽培环境的定期卫生消毒　七、采收　工作，并做好培养料灭菌工作。培养室和栽培房均采紫外线、　当菇柄伸长至１２ｃｍ左右，上下粗细比较一致、菇盖呈半　７５％酒精、漂白粉等药品进行消毒。及时将厂区出现的污染菌　圆球形时，开始转入成熟期管理，此时为促进菌盖适当开展，将　包、鲜菇采收后的费包与小脚料等杂物清理，杜绝杂菌传染。　ＣＯ。浓度降低至０．２％左右，空气相对湿度降至８５％～９０％左　参考文献　右，２～３ｄ后菇柄伸长至１２ｃｍ～１５ｃｍ左右开始采收。采收时，一　…黄毅．食用茵栽培［Ｍ１．北京：高等教育出版社，２００８：１９７￣２０７．　手握紧菌袋，一手握紧菌柄，轻轻一扭便可采下，采菇动作要　２１刘雪琼．杏鲍菇无公害工厂化栽培技术ｍ．中国食用菌，２００８，２７　轻，否则易损伤菇盖，降低其商品价值。工厂化栽培一般只　『ｆ６）：６０、６４．　采收１潮菇，生物转化率可达６０％～８０％，在春秋季外界气温