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

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目 錄 1 緒論 ................................................................ 1 挖鉆機(jī)發(fā)展與應(yīng)用 ................................................ 1 挖鉆機(jī)動臂的研究現(xiàn)狀 ............................................ 1 題來源及研究意義 ................................................ 2 2 挖鉆機(jī)總體設(shè)計 ............................................... 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)建模過程中主 卷揚(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 的受力分析 ............. 14 臂變幅液壓缸自鎖，動臂變幅時三角架受 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 臂變幅時受力分析 ................................. 24 險工況下動臂的受力分析 ........................................ 26 4 挖鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計 .............................................. 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 ...................................................... 30 裝設(shè)計與選用 ................................................... 31 藝要求 ......................................................... 31 6 結(jié)論 .............................................................. 32 參考文獻(xiàn) ............................................................. 33 致 謝 ............................................................. 34 附 錄 ............................................................. 35 11 緒論 挖鉆機(jī)發(fā)展與應(yīng)用 由于國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和政府大搞基礎(chǔ)建設(shè)，基礎(chǔ)工程市場有了一個前所未有的發(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、工程量大、工程進(jìn)度要求嚴(yán)、環(huán)保要求高等特點。這些特點使施工技術(shù)面臨一個很大的挑 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)備具有移動靈活、鉆進(jìn)效率高 、成孔質(zhì)量好、環(huán) 境污染小等優(yōu)點，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)場灌注樁施工中的比例高達(dá) 80%。而在我國，自 80 年代初從日本引進(jìn)第一臺旋挖鉆機(jī)，我國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)勢開始初見端倪，有關(guān)施工部門也開始注意其在施工方面的優(yōu)勢。據(jù)專家預(yù)測，未來幾年內(nèi)，我國 旋挖鉆機(jī)的占有量將大大增長，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艽螅阢@機(jī)的生產(chǎn)廠家越來越多市場競爭日趨激烈，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)品開發(fā)和生產(chǎn)組織模式，解決產(chǎn)品上市時間、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)計模式要經(jīng)過幾個步驟，如概念設(shè)計、方案論證、產(chǎn)品設(shè)計物理樣機(jī)試制、樣機(jī)試驗、改進(jìn)定型和批量生產(chǎn)，且從產(chǎn)品設(shè)計到改進(jìn)定型往往是一個周而復(fù)始的重復(fù)過程，大大增加了新產(chǎn)品的研發(fā)周期和成本。因此， 對于旋挖鉆機(jī)的研發(fā)與設(shè)計，引進(jìn)新的設(shè)計方法也將必然成為一種趨勢。 挖鉆機(jī)動臂的研究現(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)對整機(jī)布局和操縱穩(wěn)定性影響很大。因此，對旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的研究具有重要意義。目前對旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的研究主要集中于動力學(xué)建模和仿真，以及旋挖鉆機(jī)各個部件進(jìn)行簡單工況下靜強(qiáng)度校核，而對旋挖鉆機(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，對變幅機(jī)挖鉆機(jī)動臂設(shè)計與分析 2 構(gòu)靜力學(xué)的研究十分重要。 題來源及研究意義 課題 來源于生產(chǎn)實踐，以旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)、三角架和動臂的靜力學(xué)特性研究和優(yōu)化設(shè)計為目的，對旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)、三角架和動臂進(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。 32 挖鉆機(jī)總體設(shè)計 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)計和主要零部件設(shè)計的依據(jù)。在一般情況下可概括為：尺寸、運(yùn)動和動力參數(shù)。根據(jù)旋挖鉆鉆孔工藝，針對不同地層鉆孔速度對孔壁的穩(wěn)定性影響，鉆孔速度與質(zhì)量和效率之間的關(guān)系及我國目前工程施工中應(yīng)用前景等多方面調(diào)研和理論計算 ， 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 項目 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)動機(jī)型號 美國康明斯 發(fā)動機(jī)功率 12 10 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 950 11 主卷揚(yáng)提升力 25 12 主卷 揚(yáng)繩徑 2 13 主卷揚(yáng)提升速度 m/0 14 副卷揚(yáng)提升力 0 15 副卷揚(yáng)繩徑 6 16 副卷揚(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 底盤型號 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 Φ 317*7 最大總重量 t 35 挖鉆機(jī)動臂設(shè)計與分析 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，分為底盤和工作裝置兩大部分。其主要部件有底盤（行走機(jī)構(gòu)、底架、上車回轉(zhuǎn)）、工作裝置（桅桿、鉆桿、鉆頭、動力頭等）、變幅裝置 (三角架、動臂、支撐桿、桅桿舉升液壓缸、動臂變幅液壓缸等 )、主副卷揚(yáng)、駕駛室、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)以及發(fā)動機(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 底盤是鉆機(jī)工作裝置部分的安裝基礎(chǔ)，由行走機(jī)構(gòu)、底架、上車回轉(zhuǎn)組成，見圖 行走機(jī)構(gòu)的功能是實現(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。行走裝置通過液壓系統(tǒng)控制，可實現(xiàn)前行、后行、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、原地水平旋轉(zhuǎn)等動作。 行走機(jī)構(gòu)的履帶具有張緊度調(diào)節(jié)功能。當(dāng)履帶過于松弛時，影響正常工作，需適時調(diào)整其張緊度。調(diào)整履帶張緊度時，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 ” 。上車的液壓系統(tǒng)的工作液壓油液通過“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)。通過液壓油缸的伸縮運(yùn)動實現(xiàn)了履帶行走機(jī)構(gòu)的展寬和縮回。這一功能是鉆機(jī)在工作時展寬兩履帶的外邊距，提高了整機(jī)工作的穩(wěn)定性；在車載運(yùn)輸時縮回履帶，減小整機(jī)寬度，適應(yīng)了公路交通法規(guī)的要求。 回轉(zhuǎn)臺是工作裝置的安裝基礎(chǔ)，發(fā)動機(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、隨動架、動力頭、主卷揚(yáng)、副卷揚(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。由動臂、三角架、支撐桿、動臂變幅液壓缸、桅桿舉升液壓缸等組成，見圖 過動臂變幅液壓缸、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)動臂設(shè)計與分析 6 回轉(zhuǎn)臺 — 動臂 — 支撐桿 — 三角架通過銷軸鉸接，組成一個平行四邊形機(jī)構(gòu)。當(dāng)動臂變幅液壓缸伸縮而改變工作幅度時，桅桿和三角架只作上下平行移動。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，見圖 桅桿式鉆機(jī)的重要機(jī)構(gòu)，時鉆桿、動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，動力頭通過加壓油缸支承在桅桿上，桅桿左右兩側(cè)有矩形導(dǎo)軌，對這兩個工作機(jī)構(gòu)（動力頭、隨動架）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，將上段、下段折 7疊安裝，以減小運(yùn)輸狀態(tài)時整機(jī)長度。 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，工作時用螺栓與桅桿聯(lián)接?；喖苌系闹骶頁P(yáng)滑輪和副卷揚(yáng)滑輪用以 改變卷揚(yáng)鋼絲繩運(yùn)動方向，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)輸時與桅桿鉸接聯(lián)接，以降低運(yùn)輸狀態(tài)時整機(jī)的高度。 ? 動力頭 動力頭是鉆機(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)、動力箱、緩沖裝置、滑移架、聯(lián)接板、壓盤組成。動力箱內(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)動鍵。 圖 挖鉆機(jī)動力頭總成結(jié)構(gòu)示意圖 液壓馬達(dá)的高速旋轉(zhuǎn)通過減速機(jī)減速以后，減速機(jī)的動力輸入給動力箱中的齒輪箱，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)動旋轉(zhuǎn)，輪轂上的鍵驅(qū)動鉆桿旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)鉆機(jī)鉆孔工作的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 緩沖裝置的作用：當(dāng)鉆孔深度超過第一層鉆桿的長度時，下鉆桿時會沖擊動力頭，特別是卡鉆時的意外情況，沖擊力更大，此時緩解對動力頭的沖擊，保護(hù)動力頭不受到損壞。 滑移架是動力頭的導(dǎo)向部件，通過聯(lián)接板和銷軸與動力箱固定，在對鉆孔加壓和動力頭起拔工況時，沿桅桿導(dǎo)軌導(dǎo)向。 ? 主卷揚(yáng) 挖鉆機(jī)動臂設(shè)計與分析 8 卷揚(yáng)由液壓減速機(jī)構(gòu)、卷筒、卷揚(yáng)支座、鋼絲繩、繩套等組成。主卷揚(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)動和控制。在鉆機(jī)進(jìn)行成孔工作時，需打開主卷揚(yáng)制動器，使系統(tǒng)中主卷揚(yáng)馬達(dá)進(jìn)、回油通道互相導(dǎo)通，卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)處于浮動狀態(tài)，這樣才能操作加壓油缸對鉆桿進(jìn)行加壓，以便鉆桿順利進(jìn)行鉆進(jìn)。 ? 副卷揚(yáng) 副卷揚(yáng)由液壓減速機(jī)構(gòu)、卷筒、卷揚(yáng)支座、鋼絲繩。副卷揚(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，由于加壓油缸對動力頭的加壓動作， 此摩擦力實現(xiàn)鉆桿鉆孔工作的進(jìn)給運(yùn)動。 機(jī)鎖式鉆桿加壓方式，加壓油缸的加壓力通過動力頭的輪轂端面與鉆桿加壓點接觸，實現(xiàn)鉆桿鉆孔工作的進(jìn)給運(yùn)動。由于此方式需解鎖，有時解鎖不徹底，容易造成卡鉆，只有當(dāng)鉆孔進(jìn)給阻力大時才采用。 通過加壓油缸活塞桿的伸出，實現(xiàn)鉆孔時的進(jìn)給加壓。加壓油缸活塞縮回，起撥動力頭，在埋鉆的情況下，也可以用來起拔。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)主要功能為上車旋挖鉆孔作業(yè)和下車履帶移動行駛，兩部分通過旋挖鉆機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)自鎖。 上車鉆孔作業(yè)時，鉆桿通過鋼絲繩與主卷揚(yáng)相連，由主卷揚(yáng)控制鉆桿的升降，旋挖工作狀態(tài)下，動力頭驅(qū)動液壓馬達(dá)從而帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)，同時加壓液壓缸垂直加壓，加大了鉆頭垂直方向的壓力 ，實現(xiàn)正常鉆進(jìn)作業(yè)。提鉆狀態(tài)下，通過主卷揚(yáng)將鉆頭提升至地面，轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)至拋土位置，若為回轉(zhuǎn)斗則需動力頭下端擋板撞擊下?lián)醢迨够剞D(zhuǎn)斗底蓋開啟，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)急停方式實施拋土。 下車移動行駛工作時，雙聯(lián)液壓泵經(jīng)發(fā)動機(jī)驅(qū)動供油，液壓油經(jīng)中心回轉(zhuǎn)體至行走馬達(dá)進(jìn)而驅(qū)動減速機(jī)，實現(xiàn)底盤履帶的行走、轉(zhuǎn)向等功能，并能驅(qū)動底盤的收 9縮液壓缸來改變履帶軌距，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，桅桿通過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)通過履帶行走機(jī)構(gòu)行至牽引車上進(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、動臂、支撐桿、桅桿舉升液壓缸、動臂變幅液壓缸等，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)輸時整機(jī)的運(yùn)輸高度等作用，同時對整機(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臂和轉(zhuǎn)臺上，通過這兩組液壓缸的伸縮來分別實現(xiàn)工作裝置的變幅。 旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)工作時，桅桿舉升液壓缸被鎖定，驅(qū) 動動臂變幅液壓缸，帶動動臂和連桿轉(zhuǎn)動，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，實現(xiàn)整機(jī)的工作幅度的調(diào)節(jié)。當(dāng)鎖定動臂變幅液壓缸時，驅(qū)動桅桿舉升液壓缸，此時桅桿繞鉸接點（三角架與桅桿相接處）轉(zhuǎn)動，桅桿垂直度可以根據(jù)施工現(xiàn)場的狀況前后調(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，桅桿與地面保持垂直，根據(jù)施工現(xiàn)場的情況，桅桿舉升液壓缸和動臂變幅液壓缸處于一定的伸長并閉鎖狀態(tài)，如圖 示；變 圖 挖鉆機(jī)工作狀態(tài)圖 挖鉆機(jī)動臂設(shè)計與分析 10 幅機(jī)構(gòu)處于運(yùn)輸狀態(tài)時，桅桿舉升液壓缸和動臂變幅液壓缸則 都處于閉鎖狀態(tài)且全部縮回，此時桅桿成水平狀態(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 ，是通過驅(qū)動桅桿舉升液壓缸來實現(xiàn)的。可以通過控制兩個桅桿舉升液壓缸的伸縮量不一樣來實現(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)動臂力學(xué)分析 動臂是變幅機(jī)構(gòu)中一項重要的組成部件，對于動臂的力學(xué)分析要從變幅機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析入手，確定動臂處于最危險時的工況，再以動 臂為研究對象，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，其主要由兩個桅桿舉升液壓缸、三角架、兩個連桿、動臂連接架（簡稱動臂）、兩個動臂變幅液壓缸等零部件組成，如圖 示。其中連桿和動臂互相平行，長度相等，并與三角架和旋挖鉆機(jī)轉(zhuǎn)臺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)簡圖 作裝置（包括鉆具、鉆桿、桅桿、動力頭）， O 點表示工作裝置的重心、三角架 連桿 桅桿舉升液壓缸 H 、動臂 動臂變幅液壓缸 R 、 F 表示桅桿舉升液壓缸驅(qū)動力 、3 挖鉆機(jī)動臂設(shè)計與分析 12 圖 挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)簡圖 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)本身就是對稱的，同時三角架和動臂關(guān)于自身中間平面對稱，桅桿舉升液壓缸和動臂變幅液壓缸分別關(guān)于變幅機(jī)構(gòu)中間面對稱，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)動簡圖如圖 該機(jī)構(gòu)在平面內(nèi)共有 8 個活動構(gòu)件，其中主動件為動臂變幅液壓缸 R 和桅桿舉升液壓缸 H ，工作部分（包括鉆具、鉆桿、桅桿、動力頭）簡化為三角形 轉(zhuǎn)動副有 A 、 B 、 C 、 D 、E (該處由三個構(gòu)件鉸接在一起，算兩個轉(zhuǎn)動副 )、 K 、 J 、 I ，移動副有 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)原動件數(shù)目相等，因此，該機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動。 如將三角架 為機(jī)架，則構(gòu)件 液壓缸 R 構(gòu)成了一個平行四邊形機(jī)構(gòu)，其中 液壓缸 H 構(gòu)成了一個單自由機(jī)構(gòu)。 13 況的選擇以及力學(xué)建模過程中主卷揚(yáng)拉力的處理方法 旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)分為動臂液壓缸變幅和桅桿液壓缸舉升兩個過程，動臂變幅有兩個極限位置：動臂水平、動臂最高。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，對其進(jìn)行受力分析，找出最大受力 位置，具有一定研究價值。主卷揚(yáng)拉力建模過程處理方法如下：主卷揚(yáng)拉力對旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)受力由主卷揚(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，對主卷揚(yáng)拉力進(jìn)行簡化處理，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)平臺上安裝主卷揚(yáng)，由于過渡輪的存在，主卷揚(yáng)鋼絲繩對鉆桅產(chǎn)生的拉力在大小和方向上是時刻變化的，因此旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)力學(xué)建模時就要考慮主卷揚(yáng)拉力。處理方法是：對桅桿舉升液壓缸舉升桅桿受力分析時，忽略主卷揚(yáng)拉力的影響，因為主卷揚(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 時忽略主卷揚(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；但是對變幅機(jī)構(gòu)特殊位置下（桅桿垂直和桅桿前傾 5°）分析時，把主卷揚(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)為研究對象，對旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，此時的工作裝置包括鉆桿、鉆具、桅桿、動力頭等。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圖，立桅時動力頭移到最左端，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），假設(shè)工作裝置整體重心 O 到5 和 Y 方向的距離為則： 圖 作裝置重心分析簡圖 挖鉆機(jī)動臂設(shè)計與分析 14 已知 旋挖鉆機(jī)工作裝置參數(shù)： 鉆具重量： ? ，鉆具重心 1O 到5 和 Y 方 向距 離：051 ?? ， 501 ?? ； 動力頭重量： ? ，動力頭重心 2O 到5 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 4O 到5 和 Y 方向距離：4614 ?? ， 344 ?? ； 則工作裝置整體重心 O 相對參考點5 o 4229432144332211 ???? ?????????????（ 3 o 6 9 9432144332211 ???? ?????????????（ 3 參考點5 鉸點 X 和 Y 方向距離分 別是 45305 ??， 505 ??則工作裝置重心 O 到 J 鉸點 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 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 J 的長度為： 9 2922 ????? （ 3 臂變幅液壓缸自鎖，桅桿舉升液壓缸舉升時的受力分析 (1)求桅桿舉升液壓缸驅(qū)動力 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、動力頭 )簡化為 O 視為工作裝置的重心，三角形 示為三角架， 示為動臂，已知點 J 為三角架與桅桿的鉸點，點 E 為桅桿舉升液壓缸與三角架的鉸點，點 I 為桅桿舉升液壓缸與桅桿的鉸點。當(dāng)工作裝置升起過程中，其中動臂變幅液壓缸自鎖，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? ? 0co s 2 ?????? y ??? （ 3 15 圖 挖鉆機(jī)工作裝置升起過程受力圖 J 鉸點上三角架對桅桿作用力 方向上的分量，下同； J 鉸點上三角架對桅桿作用力 方向上的分量，下同； 圖 常量有： 工作重心 O 與鉸點 J 之間的距離， 929?(由式 3 )； 鉸點 J 到鉸點 I 的距離， 462?； 三角架邊長， 也就是點 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，需要計算?23ar c ??? 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度； F — 桅桿舉升液壓缸對工作裝置的作用力； ? — 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)動臂設(shè)計與分析 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)工作裝置升起過程中，桅桿舉升液壓缸驅(qū)動力 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 ? 變幅過程中的不變性，如圖 示： ? 四邊形 平行四邊形結(jié)構(gòu) ? ，為 長線與 交點 又 ? A 點和 C 點是轉(zhuǎn)臺上固定的鉸點， 固定的 ? 豎直線 角度是不變的 ? 角度是不隨動臂變幅變化的，即 是不變的 又 ? 是三角架的一個固定角 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： 在整個起升過程中，桅桿舉升液壓缸長度變化： 9 8 01 7 8 0 ?? 代入（ 3 ? 的變化范圍： ?? ? ? 從以上分析可以看出，在整個工作裝置升起的過程中，桅桿舉升液壓缸輸出力成單調(diào)遞減變化，即桅桿水平，桅桿舉升液壓缸對桅桿最大舉升力，然后舉升力逐漸減?。浑S之液壓缸對桅桿拉力，拉力由小逐漸增大，當(dāng) ? 最大，即桅桿前傾 5°時，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)對工作裝置的三種狀態(tài)進(jìn)行受力分析，求出三角架對桅桿的作用力和桅桿液壓缸驅(qū)動力。當(dāng)桅桿垂直時，此姿態(tài)是提鉆狀態(tài)，對工作裝置受力分析，目的是求工作裝置對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，此時 ? ， 780? ，由（ 3（ 3： )(1 4 2 3 ???????????????????????(3(b) 當(dāng)桅桿垂直時， ? ，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? ?00co s ?????? ? (3繞點 J 的矩： 0?? ?????????? ??? s i nc o ss i n 0c o s ????????(3 ? ,— 分別表示 I 鉸點到 J 鉸點 X 和 Y 方向的距離，下同； ? ,— 分別表示 S 鉸點到 J 鉸點 X 和 Y 方向的距離，下同； 表示主卷揚(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)動臂設(shè)計與分析 18 (c) 當(dāng)工作裝置前傾 5° 時， ? ，此時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： 0??X 0s ???? ?? (3? ?0Y 0co s ?????? ? (30?? ?????????? ??? s i nc o ss i n 0c o s ????????(3代入?yún)?shù)： ? ， ? ， ， J 220?? ， J 2450?? J 3795?? ， J 265?? ， 3 7 8)5s 0 ????? ?? 得： )(5 2 5 2 1 92 5 0 42 3 8 8 1 8???????? ???????????? (3臂變幅液壓缸自鎖，動臂變幅時三角架受力分析 平行四邊形機(jī)構(gòu)（動臂、動臂變幅液壓缸、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)動簡圖 以支撐桿 動臂 研究對象，列平衡方程： 0?? 0co ss i n ?????????? ??? 0co ss i n ??????? ??? (30?? ? ? ???????? ????? s i nc o ss i ns i nc o s 113 0co s ?????? ??G b 以三角架為研究對象，列平衡方程： ? ?00s ????? ? (3? ? 0o ?????? (3 0?? ?????????? ??? 0co ss i n 55 ???????????? ? (3 8 3 455 ?? 三角架自重， ； 5 4 6?? 變幅機(jī)構(gòu)動臂自重， ； L 1 6 0 2?? 變幅機(jī)構(gòu)支撐桿自重， ； 1 0?? 的長度，到鉸點表示動臂重心 ； 4 5 0?? 的距離，到鉸點表示鉸點 ； 挖鉆機(jī)動臂設(shè)計與分析 20 7 0 0?? 的距離，到鉸點表示鉸點 ； 700?? 的距離，到鉸點表示鉸點 ； ??? 表示 K 鉸點和 J 鉸點在 X 和 Y 方向的距離， 230 J 700?? ； ??? 表示 E 鉸點和 J 鉸點在 X 和 Y 方向的距離 , J 810?? ， J 280?? ； ?F , 分別表示鉸點 K 上連桿對三 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 E 上，動臂對三角架作用力凡在 X 和 Y 方向上的分量，為未知量； 'y' , F 分別表示在鉸點 J 上，桅桿對三角架作用力可在 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，為未知量為動臂變幅液壓缸與水?1? 。 下面以 旋挖轉(zhuǎn)機(jī)為研究對象，得出三角架在變幅和提鉆工作狀態(tài)下各鉸點力。 (1)工況 1 為：為桅桿水平， ? ，動臂處于水平位置， ?0?? ， ?? ，時??? ，有： )(???????????????????????????????????????????????????????(3(2)工況 2 為：當(dāng)桅桿水平時 ? ，動臂處于最高位置， ??76? ， ?? , ??? 時，有： 21 )(???????????????????????????????????????????????????????(3(3)工況 3 為：當(dāng)桅桿垂直， ? ， 動臂處于水平位置時，此時處于 提鉆狀態(tài)， ?????? 1 ??? ，有： )(5024629781810435127850880127590214062378613''????????????????????????????????????????????????????(3(4)工況 4 為：當(dāng)桅桿垂直， ? ， 動臂處于最高位置時，處于提鉆狀態(tài)。?????? 6 1 ??? ，有： )(1 1 8 9 8 96 4 1 1 11 0 4 3 5 12 8 4 1 2 71 6 8 4 3 44 2 1 9 51 4 0 6 2 37 8 6 13''????????????????????????????????????????????????????(3(5)工況 5 為：當(dāng)桅桿前傾 ?5 ， ? ， 動臂處于水平位置時， ??0? ，?? ， ?? 時，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 J (桅桿與三角架鉸點 )X 方向距離，此工況下是已知量， 235mm ?； 加壓液壓缸到鉸點 J (桅桿與三角架鉸點 )X 方向距離，此工況下是已知 挖鉆機(jī)動臂設(shè)計與分析 22 )(31084011098112388181615472801102453152521925043''????????????????????????????????????????????????????????(3(6)工況 6 為：當(dāng)桅桿前傾 ?5 ，動臂處于最高位置時。動臂處于水平位置時，??76? ， ?? ， ?? 時，有： )(3155512414572388181 3 1 2 7 1 362559015617752521925043''????????????????????????????????????????????????????????(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)垂直方向受力分析 旋挖鉆機(jī)在鉆挖時，桅桿垂直，鋼絲繩處于松弛狀態(tài)，此時以加壓液壓缸處于最大加壓力 討論。以三角架最上部支點 J 為固定支點，左側(cè)為桅桿重力和加壓液壓缸生產(chǎn)的垂直方向的載荷加4，由于偏心的影響，產(chǎn)生一個附加彎矩1M ，右側(cè)為桅桿舉升液壓缸為克服 1M 提供一個反方向彎矩 2M 。由靜力學(xué)力矩定理力得： 以鉸點 J 為固定支點，參考圖 ： 左彎矩 1M ： ?????????? 4 8 1 4 351 4 加桅(3反向彎矩 2M ： ? (3由 21 F (3得桅桿舉升液壓缸驅(qū)動力： 8776? 1M — 左側(cè)彎矩； 23 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 J (桅桿與三角架鉸點 )X 方向距離，此工況下是已知量， 235mm ?； 加壓液壓缸到鉸點 J (桅桿與三角架鉸點 )X 方向距離，此工況下是 已知量， 460? 加F— 加壓液壓缸的加壓力， 25000?加； d 一桅桿舉升液壓缸到鉸點 J 的垂直距離， 3c o I ??? ? ； ? — 桅桿舉升液壓缸到豎直線夾角，此種工況下 ? 。 此時鉸點 J 垂直方向的力壓液壓缸加壓力及桅桿舉升液壓缸垂直方向分力的合力。其值為 : y 1 5 1 0 9 9co s 4 ????? ?加 (34G — 桅桿重量， 8 1 74 ??? 桅 圖 角架支點 J 受力圖 (2)旋挖鉆機(jī)鉆挖工作狀態(tài)水平方向受力分析 當(dāng)旋挖鉆機(jī)處于鉆挖工作狀態(tài)下，假 設(shè)旋挖鉆機(jī)阻力扭矩與動力頭最大扭矩 相等。此時將鉆頭部分的阻力扭矩分解為一對力偶，且這對力偶大小相等方向相反的，其中阻力扭矩的旋轉(zhuǎn)中心為變幅機(jī)構(gòu)三角架左右部分中心線與三角架鉸接處軸套中心線交點 1O (如圖 示 )。此圖為三角架俯視圖。三角架各點受力達(dá)到最大值。根據(jù)以上條件重新計算各支點上的支力。 列方程得三角架左側(cè)鉸點受力 : 三角架左側(cè) (鉸點 J )X 方向受力x 215517左 (3M — 為鉆挖時最大阻力扭矩，此時 ? 125M ； 挖鉆機(jī)動臂設(shè)計與分析 24 1d — 為三角架左右距離，此時 801 ? ； 圖 角架等效力偶 同理可得三角架右側(cè) (鉸點 J)X 方向受力右215517?右 (3挖狀態(tài)下，動臂變幅時受力分析 典型工況的確定 旋挖鉆機(jī)在鉆挖工作狀態(tài)下，對旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)每確定一個值 ? 和 1? 值，就對應(yīng)一種工況。旋挖鉆機(jī)在鉆挖狀態(tài)下，根據(jù)旋挖鉆機(jī)動臂變幅的位置選取鉆挖下的工況，即 ?0?? 、 ?30?? 、 ?76?? ，此時動臂處于平行位置和最高位置以及中間角度位置，看變幅機(jī)構(gòu)三角架各鉸點的受力情況。 (l)工況 7 為 :當(dāng) ??0? ， ?? 時，聯(lián)立（ 3（ 3（ 3（ 3（ 3解得 : 三角架右邊鉸點力為 :)(755485831168776801137581151099215517??????????????????????????????????????????????????右右右右右右(3 25 三角架左邊鉸點力為：)(7 5 5 4 86 6 0 0 7 96 8 7 7 68 0 14 2 4 9 3 71 5 1 0 9 92 1 5