长螺旋钻机液压动力头设计毕业论文(编辑修改稿)

长螺旋钻机液压动力头设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

看中。 因此即使施工场地处于闹市区内，对居民正常生活亦无干扰。 由于施工速度快，作业人员少，所以其施工成本较其他成孔方法低。 成孔后可以从孔口直接倾倒混凝土进行灌注，质量隐患通常比水下灌注少。 凭借这些优点，长螺旋钻进施工方法在城市建筑中获得了广泛的运用。 这种机器最早是美国在 1940 年前后开发成功的，前苏联，德国其后也开始使用。 日本在 1950 年以后从美国引进施工技术，进行了有效 的推广。 我国的长螺旋钻孔机在 20 世纪 70 年代开始起步，但一直发展缓慢，直到最近几年才得到大规模的应用，这与国家的大环境有关。 近年来，由于现今人们环保意识的提高，过去基础施工经常使用的柴油锤，振动锤受到了限制，而在大中城市使用的也越来越少；特别是 超流态工法 CFG 桩基础工桩方法的推广，更加促进了长螺旋钻机在我国迅速发展。 长螺旋钻机 CFG 桩工法及其 特点 CFG 工法的简介 CFG 桩工方法是水泥、粉煤灰、碎石桩施工方法的英文缩写。 桩具有碎石桩对地基的置换作用，其强度较高，能有效将地荷载传递到深处土层，确保对地基的加 固作用。 水泥粉煤灰碎石桩是在素混凝土桩基工艺上发展起来的新型桩体，桩体材料主要由碎石、砂、粉煤灰，与适量水泥和水拌制而成。 桩体与桩间土体共同作用，组成水泥粉煤灰桩复合地基。 加固处理后地基承载力可达到设计地基承载力要求，具有施工简单、加固效果好、节省材料、无污染等特点，广泛应用于地基加固。 目前以 钻 孔管 内泵压 混合料灌注（超流 态 混凝土 压 灌 ） 成 桩为主要工 艺 方法， 该 工法 适用于粘性土、粉土、砂土以及 对 噪 声 或泥 浆污 染要求 严 格的 场 地 [1]。 使用长螺旋钻机进行这种桩基础施工的方法一般被称为“长螺旋钻孔压灌超流态砼桩工艺”。 这和国外称为 CFA工法的桩基础施工比较相似。 可满足公路、中南大学本科生论文 4 铁路、工业与民用建筑、海港码头、堤坝防渗等基础施工的需要。 更加 具有 成桩速度快、成桩质量可靠 、成孔垂直度高等技术特性。 CFG 桩工法 特点 CFG 桩工法之所以推广迅速，是因为它具有以下诸多优点 [13]： 1）施工低噪声、低振动，不扰民。 2）进度稳定，控制措施完善，工期保证性强。 3）施工中振动小，噪声小，具有良好的社会效益。 4）施工作业简便，机械设备容易解决。 施工中不需泥浆护壁、不用排污、不需降水、有利于文明施工。 施工操作较为简便 .。 5）以较小的投入 即可达到理想的加固效果，成本低、效益高。 6）施工简便、可操作性强，施工质量能够很好的控制，满足设计及验收标准的要求。 经多种外加剂配制成的超流态混凝土具有摩擦系数低、流动性好、抗分散性好、细石能在混凝上中悬浮而不下沉、钢筋笼放入容易、施工方便 [3]。 动力头的 技术 现状 与展望 动力头是 能实现主运动和进给运动，并且有自动工件循环的动力部件。 目前国内长螺旋钻机的生产厂家所用钻机动力头几乎都一样：采用三环减速机加两台交流电机。 电机功率一般为 37KW 45KW 2 和 55KW 2，输出轴转速不能调节，同时受三环减速 机的制约，输出扭矩提高困难 [1]。 相比较在恒功率的条件下，液压动力头工作更高效更快速也更加节能，而且其对于不同土质的负载变化能更好的适应和挺高效率，松软土质下负载低，效率高，能耗小；硬质土层，阻力大速度慢，能增加穿越硬土层能力。 这样 机械施工 能 使 效率达到最大化，还能避免电机烧坏。 目前我国和日本的长螺旋钻孔机几乎 全部使用电机驱动动力头，需要工地提供电源。 而欧美等国家的长螺旋钻孔机动力头多用液压马达驱动，液压动力源由桩架底盘的发动机提供。 比如意大利土力公司、德国宝峨公司等国外的钻机专业生产企业很早就把液压技术运 用于长螺旋钻机动力头上面，采用液压马达驱动钻杆工作，其优良的性能获得了业界广泛的认可。 虽然其具有优越的性能，但由于中南大学本科生论文 5 其价格昂贵，至今国内还未见引进国外该类动力头进行长螺旋钻进施工。 所以对于长螺旋钻机液压动力头的设计是我国工程机械设计必须进行研发的。 电机动力头 电机动力头是由立式电机通过齿式联轴器与行星变速机构连接，再通过一级减速机构将动力传给输出油，输出法兰盘与输出轴固定连接，下面与螺旋钻具连接进行长螺旋钻孔施工。 其输出轴为中空式，上部配有回转接头和输送弯头设备，适宜于 CFG 桩的施工。 长螺旋钻机采用电机驱动 动力头的最主要缺点 [3]是： 1） 电机驱动钻具转速调节不便。 电机驱动一般只有一个钻进速度，而对于在浅土层和易钻土层中，所用扭矩较小而输出转速不能改变，从而能耗高浪费大。 在深土层时，所用扭矩大而还是保持输出转速钻进，很容易卡钻，对机器损害大。 2） 电机驱动 启动扭矩小。 在施工中，长螺旋钻进经常会因某些原因在深层土壤中停钻或卡钻，再重新启动时需要的扭矩较大。 实际中常用的自耦降压启动的电机驱动动力头启动扭矩最高仅为额定扭矩的 64%，所以经常出现异常停钻后不能启动的情况，造成很大的损失。 3）电机驱动 对电网冲击大。 电 机驱动动力头通常采用两台较大功率的交流电机，而且必须同时启动，启动时对电网冲击极大。 特别是在带负载启动时更加恶劣，在施工中经常出现电网不能承受的现象。 4） 电机驱动对地层条件的适应能力差。 由于电机驱动调速不便，使其对于施工工地的地质条件适应性差。 如果土层过硬则钻进时易对机器产生破坏。 5） 质量大， 成本高 (由于 三环减速机为专利技术产品，价格很高 )。 液压动力头 该机 液压 动力头采用两个液压 传动装置 驱动，动力头可自适应地层变化，根据不同的地质情况调节钻杆转速，提高工作效率。 输入法兰依次与联接盘、螺旋杆，钻头联接进 行钻孔作业。 该机动力头上可配超流态回转接头与注浆器，以适应超流态砼施工与高压注浆等施工工艺的要求。 在同等体积下能比产生更多的动力，在同等的功率下，液压装置曲体积小，重量轻，结构紧凑；液压装嚣工作比较平稳，易于实现快速启动、制动和频繁的换向；能在较大的范围内实现无级调中南大学本科生论文 6 速；易于实现制动化；易于实现过载保护。 由于液压传动的突出优点，在各种机械上得到了广泛的应用。 液压马达调速方便，自重也轻。 所以我国的长螺旋钻机在动力头上还有很大的发展空间，比如钻机动力头可以由单速向多速发展，提高施工效率，节约成本；提高输出轴扭矩， 增强钻机适应性。 长螺旋钻机的动力头 如果 采用液压驱动， 其 与电机驱动动力头相比具有非常大的优势和潜力 ，其主要优点 [3]有： 1） 、液压驱动调速极为方便。 在浅土层或易钻土层中，所需扭矩低时可以实现 高转速小扭矩钻进，进入深层土或难钻土 层 需要扭矩高时可以实现低速大扭矩钻进。 这样可以提高施工效率和对地层的适应性。 2）、液压驱动的启动扭矩大。 在施工中，长螺旋钻进经常会因某些原因在深层土壤中停钻或卡钻，再重新启动时需要的扭矩较大。 而液压驱动的动力头 的 启动扭矩达 到 额定扭矩的 85％～ 90％，比起电机驱动动力头显然更加强劲。 3）、液压驱动启动时对电网的冲击小。 液压驱动系统使用多台小功率电机，而且可以分别启动，启动时对电网冲击相对较小。 4）液压驱动对于地质条件适宜性高。 由于液压驱动的质量轻，且其调速方便，使其对于地质条件适应跟强，硬土层可以低转速高扭矩钻进，软土层则高转速钻进，这样可以达到最好效果 5）、液压驱动动力头质量轻。 经初步估算，质量比电机驱动动力头轻。 由于动力头悬挂在约 30 米的高空，动力头质量的减轻对整机的重心降低和机器的稳定性有着及其重要的意义。 6）、液压动力头价格相对低廉。 液压驱动动力头采用普通减速 装置即可实现，不需要电机驱动动力头所用的拥有专利技术的三环减速机，系统成本相对低廉。 7）、向大功率发展更加方便。 电机驱动动力头的电机在笨重的动力头上，向大功率发展比较困难。 液压驱动动力头可使能源系统移至机身，向大功率发展比较方便。 根据以上的对比分析，长螺旋钻机采用 CFG 工法液压驱动动力头具有非常明显的实用意义和市场 竞争优势。 其研究开发的价格合理，适于现今基本国情的液压驱动动力头 对于提升我国长螺旋钻机的性能和市场竞争力具有非常重要的意义。 中南大学本科生论文 7 本 文设计要求和主要内容 本文 的课题是 CFG25 长螺旋钻机液压动力 头设计，要求对于 480 型液压动力头整体结构和液压控制系统进行设计。 设计要求是 设计液压动力头整体结构，采用低速大扭矩马达经一级减速装置驱动钻杆 进行 回转 ，以及对液压动力头的液压驱动控制系统进行设计，对液压参数的计算和元件的选型。 本文的 主要工作内容是 对于动力头驱动方案进行了系统型的分析对比 ，确定了液压驱动动力头的优势。 因此，本文着重对于液压驱动动力头方案进行了分析计算。 其中重点对于液压动力头减速器进行了设计计算和分析校核 ， 包括齿轮传动和 输出 轴的设计计算和校核； 以及对于液压驱动动力头的液压系统 设计分析和液压系统参 数的计算 ，对于液压元件进行了计算选型。 中南大学本科生论文 8 第 2章 液压动力头 的 液压系统 设计 液压动力头 液压系统 方案的设计 液压动力源方案的设计 由于工程机械的装机容量非常大，为了节约能源和提高效率 ，在其主传动液压控制系统中应该尽量避免功率损失严重的节流调速，节流调速 效率较低，只适合负载变化不大的回路。 而 长螺旋钻机钻进系统负载受土层变化和地质条件的不同而不同，变化较大，不适宜节流调速。 而 目前能在大功率机械上运用的液压系统主要有恒流量和准恒功率液压系统两种。 其中，恒流量液压系统采用定量液压泵来提供系统所需压力油，流量是固定不变的。 在恒流量液压系统中，由于定量泵的流量固定，不能在负荷 压力 p 的变化使 做出相应的变化 (见图 22)，负荷小时不能提高作业速度，功率得不到充分利用，从而浪费了资源也不利于效率的提高。 a）流量特性 b）功率特性 图 22 定量泵特性曲线 在恒功率液压系统中，恒功率变量泵的柱塞压力和流量近似的按照恒功率关系变化，负载的变化引起的泵工况改变时不会影响原动机的工况，使原动机仍可高效率的运转，能够充分的发挥原动机的功率，并且提高了低负载时液压执行机构的 速度。 因此，恒功率泵配备较小的原动机也可同样的得到最大流量和最高压力，只是压力和流量的最大值不是同时出项的。 所以其大量应用在工程建设机中南大学本科生论文 9 械上。 a) 流量特性 b）功率特性 图 23 压力补偿泵特性曲线 根据上图对比信息可知， 压力补偿变量泵 [6]的 压力和流量变化如 ABCD 线段所示，其中 CD 直线由系统调定压力决定。 AB 段有液压泵最大摆角限定， BC段为恒功率特性曲线，对应图 23 b 的 EF 段，在此范围内压力 P 和流 量 Q 的乘积理论上是常数。 由此可知，恒功率系统具有以下特点： (1) 钻进速度与钻进压力之间可以自动调节。 外负荷小时，可以 增大泵出口流量， 减小钻进压力，增大钻进速度，减少能量浪费，提高钻进效率；外负荷大时，可以 减小流量， 降低速度，增大钻进压力，提高穿越土层能力，克服较大的负荷。 (2) 恒功率变量液压泵经常在满负荷状态下工作，原动机功率利用更加充分。 (3) 与恒流量系统相比，对于同等级机器来说，恒功率系统的装机功率可以选得较小。 经过以上两种液压系统动力元件的 流量和功率特性的 分析对比，可知在钻机的动力头液 压系统中，采用恒功率 的压力补偿 变量泵为动力元件具有更大的优势。 液压驱动方案设计 通过 对于不同型号不同品牌的长螺旋钻机的对比观察，其动力头驱动多以电中南大学本科生论文 10 机驱动动力头为主，都是使用两台交流电机安装在三环减速机上，通过联轴器驱动减速机构运动，在带动输出轴旋转。 由于电机的输出扭矩小，所以必须要用大减速比的三环减速机才能保证工作扭矩。 近年来，随着液压技术不断的发展以及工程技术上的应用，液压传动技术以其在大型工程技术项目上应用的优越性，受到了非常大的重视。 通过电机驱动和液压驱动性能对比，可以知道采用液压驱动动力头的钻进 性能比电机驱动更好更高，也更加容易向大功率系统的大机型发展。 所以液压驱动动力头的市场推广和前景都是非常广阔的，采用液压来驱动动力头的驱动方案是完全合理可行的。 为了简化结构和节省成本以及保证液压驱动需求， 液压驱动动力头减速机构准备采用一级直齿轮减速器来实现。 而且减速比不能取得 太大，否则会 导致 减速机体积庞大， 且其 重量太重 ，从而不利于钻进过程的稳定。 其减速比初步定 在6 以下。 要实现钻孔所需的最大扭矩输出，则原动机的 输出扭矩应当比较大。 设计参数要求最大输出扭矩不低于 45 KN m。 液压执行元件中能输出大扭矩的元件主 要有低速大扭矩液压马达和液压传动装置。 由于 国产的低速大扭矩液压马达在材质及制造工艺上 技术比较欠缺 ， 未能达到要求，且 可靠性及使用寿命方面不是十分令人满意。 进口的低速大扭矩液压马达虽然故障率低、寿命长，但是其价格很高，在我国现有市场条件下不利于推广。 在同时考虑到经济性和可靠性的要求，决定采用同意那个能输出大扭矩的液压传。