打桩机顶部滑轮组立柱钻头和钻杆的设计说明书

2011届毕业设计说明书毕业设计说明书打桩机顶部滑轮组、立柱、钻头和钻杆的设计学生姓名： 学号： 学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 打桩机顶部滑轮组、立柱、钻头和钻杆的设计摘要本设计涉及了长螺旋打桩机钻杆，其主要特征为：包括带有通孔的杆体，在所述杆体的外壁面带有螺旋线。当钻入地下时，工作人员根据杆体外壁面的螺旋线直接测量到钻头的转动情况和竖直行进情况，随时调整竖直行进速度和转动速度，以达到转动和竖直行进速度的同步，确保所打桩体呈螺旋状;打桩机钻头当需要更换或维修钻尖和钻镐时，不需要使用电气焊将钻尖或钻镐从钻头基体上切割下，只需要松开固定钻尖和钻镐的连接螺栓，可以方便的将钻尖和钻镐从钻头基体上拆卸下来，进行更换或维修，更换和维修钻尖、钻镐的时间很短，大大提高了作业率;打桩机立柱，其特征是：立柱为上段立柱和下段立柱分体结构，上段立柱和下段立柱通过连接装置连接为一体。在转场运输时，只需将上段立柱以销轴为支点弯拆下来，即达到公路运输不超高的要求，不需要将立柱整体拆卸省时省力，提高了工作效率;改进的滑轮组，通过增加导向轮，采用摆动式滑轮，降低了钢丝绳和滑轮的磨损，延长了使用寿命，提高了经济效益。关键词：打桩机、钻头、滑轮组AbstractThe design involves a long spiral drill hammers，and its main features are: including the rod with a hole in the wall above the outer rod with a spiral line. When the burrow into the ground, the staff in vitro under the bar direct measurement of the wall of the spiral rotation of the drill bit and vertical road conditions at any time to adjust the vertical speed and rotational speed of the road, the road to reach the speed of rotation and vertical synchronization, to ensure The lanes are helical piling；hammer drill bits need to be replaced or repaired when the drill tip and the drill-ho, you do not use Dianqi Han-ho, the drill tip or drill bit from cutting the substrate, just loosen the drill tip and the drill-ho of the connecting bolts, can easily the drill tip and the drill bit matrix-ho from disassembled, replace or repair, replacement and maintenance of drill point, drill-ho for a short time, greatly improving the operating rate；pile-column, and its features are: the column for the upper column and lower column sub-structure, the upper column and lower column by connecting the device is connected as one. Transport in the transition, only the upper column to remove the pin as a fulcrum to bend, that road transport does not meet the requirements of ultra-high, no need to remove the whole column saves time and effort, improve work efficiency；pulley improved by increasing the guide wheel, with swing pulleys, wire rope and pulleys reduce wear and prolong the service life and improve economic efficiency.Keywords：Pile、drill、pulley目录1 绪 论11.1 概述11.2 课题的研究背景11.3 打桩机工作原理11.4 打桩机的种类和发展情况22 钻头的设计42.1 钻头的工作原理42.2 钻头长出现的问题42.3 钻头的设计方案43 钻杆的设计83.1 钻杆的作用及其结构83.2 打桩过程中钻杆常见问题83.3 解决方法93.4 钻杆设计的具体实施方法94 钻杆的优化设计114.1 优化设计的原因114.2 优化分析及数学模型的建立114.2.1 优化设计概念114.2.2 设计的基本要素114.3 螺旋钻杆结构参数优化124.3.1 目标函数124.3.2约束条件144.4 钻杆结构参数优化数学模型174.5 优化前后钻杆参数比较214.6 总结215 立柱的设计225.1 立柱的工作原理225.2 立柱存在的问题225.3 解决的方案225.4 具体设计方法236 顶部滑轮组的设计276.1 滑轮的作用和类型276.2 滑轮组306.3 国内外滑轮组的背景资料336.4 滑轮组的改进方案347 钻头的打捞367.1 前 言367.2 钻头掉进钻井内原因分析与处理措施367.3 工程实例377.3.1工程概述377.3.2打捞方案的确定和实施377.3.3打捞方案的确定377.3.4打劳方案的实施377.3.5钻孔灌桩与桩体质量387.4 结语38结论39参考文献40致谢42 第V页 共II页1 绪 论 1.1 概述本设计主要的设计重点是打桩机顶部滑轮组、钻头、钻杆和立柱的设计。阐述了打桩机顶部滑轮组、立柱、钻头和钻杆的工作原理，给出了打桩机顶部滑轮组、立柱、钻头和钻杆的装配图及主要部分零件图，并且对其进行了些许改进，使其更加的完善。本说明书也将围绕对打桩机部滑轮组、钻头、钻杆和立柱的设计改进进行主要的讲解。1.2 课题的研究背景近年来,随着我国国民经济的逐步增强,国内各大城市的高层建筑、立交桥、海港码头、铁路公路桥梁等基本建设项目急剧猛增,大口径基础桩工程得到广泛应用。由于现代化的高层建筑、大型桥梁和港口码头等结构复杂,负荷十分巨大,对基础的承载能力和防止沉陷方面的要求较高。根据建设部门的资料,对高层建筑基础的处理,通常是采用箱式、地下连续墙、桩等形式作为基础。由于打桩机结构简单，坚固可靠，外型美观，使用灵活，操作简便等优点，尤其是打桩经济效益好（不需降水，换土等）。振动锤减震效果优良，噪音低，桩架振动小，劳动条件较好，使用，维修，保养方便，收效快,在建筑业中将发挥其独特作用。 1.3 打桩机工作原理利用冲击力将桩贯入地层的桩工机械。由桩锤、桩架及附属设备组成。桩锤依附在桩架前部两根平行的竖直导杆之间，用提升吊钩吊升。桩架为一钢结构塔架,在其后部设有卷扬机,用以起吊桩和桩锤。桩架前面有两根导杆组成的导向架，用以控制打桩方向，使桩按照设计方位准确地贯入地层。塔架和导向架可以一起偏斜，用以打斜桩。导向架还能沿塔架向下引伸，用以沿堤岸或码头打水下桩。桩架能转动，也能移行。打桩机的基本技术参数是冲击部分重量、冲击动能和冲击频率。桩锤按运动的动力来源可分为落锤、汽锤、柴油锤、液压锤等。顶部滑轮组是用法兰，螺栓安装在立柱顶部（亦称鹅头），滑轮组中有7个滑轮，分别为沉桩，拔桩，吊钢筋笼和吊加料多斗用。顶部滑轮采用绳索滑轮，一般用来导向和支撑，以改变绳索及其传递拉力的方向或平衡绳索分支的拉力。滑轮组是由若干个定滑轮和动滑轮匹配而成，可以达到既省力又改变力作用方向的目的。动滑轮被两根绳子承担，即每根绳承担物体和动滑轮。使用中，省力多少和绳子的绕法，决定于滑轮组的使用效果。立柱是桩架主体，由五节卷管和导轨，爬梯，撑杆上铰链，立体支撑等组成。下端用轴固定在底盘立柱支承座上，导轮采用国内统一标准，适用于柴油锤和其他形式的振动锤的标准滑块（滚轮）。立柱各节的法兰，螺栓孔均能互换，因而立柱高度可以根据沉桩的实际长度进行安装。立柱主要用于配挂柴油桩锤，振动桩锤和钻孔机等进行工业与民用建筑，道路，桥梁，港口和码头的基础施工。1.4 打桩机的种类和发展情况（1）振动锤打桩机。利用桩锤的机械振动力，使桩沉入地下，适用于承载较小的预制混凝土桩、钢板桩等。（2）柴油锤打桩机。利用燃油爆炸，推动活塞，靠爆炸力冲击桩头，使桩沉入地下，适宜打各类预制桩。（3）蒸汽锤打桩机。利用高压蒸汽将锤头上举，然后靠锤头自重向下冲击桩头，使桩沉入地下（4）静力压桩机。 利用机械卷扬机或液压系统产生的压力，使桩在持续静压力的作用下压入土中，使用于一般承载力的各类预制桩。打桩机还有旋挖式桩机，是用螺旋向地下挖，然后灌桩。按桩锤运动的动力来源可分为落锤、汽锤、柴油锤、液压锤打桩机等。落锤打桩机 桩锤是一钢质重块，由卷扬机用吊钩提升，脱钩后沿导向架自由下落而打桩。 汽锤打桩机 桩锤由锤头和锤座组成，以蒸汽或压缩空气为动力，有单动汽锤和双动汽锤两种。汽锤的进排汽旋阀的换向可由人工控制，也可由装在锤头一侧并随锤头升降的凸缘操纵杆自动控制，两种方式都可以调节汽锤的冲击行程。柴油锤打桩机 主体也是由汽缸和柱塞组成，其工作原理和单缸二冲程柴油机相似，利用喷入汽缸燃烧室内的雾化柴油受高压高温后燃爆所产生的强大压力驱动锤头工作。柱塞和缸筒之间的活动间隙用弹性柱塞环密封。液压锤打桩机 以油液压力为动力，可按地层土质不同调整液压，以达到适当的冲击力进行打桩，是一种新型打桩机。日本是从1959年开始发展振动打桩机的，但是振动打桩机由于打桩性能受土质条件的限制，在较软地层打桩或拔桩速度较快，而在坚硬地层和粘土层时，由于桩端阻力较大，打桩速度较慢或者几乎不能打入，因此发展了振动冲击式打桩机和振动喷水联合作用的施工法。由于柴油打桩机在坚硬的地层中打桩具有很大的打击力，显示了它的优越性，因此在日本的打桩工程中占据了主导地位。振动打桩机用在打入或拔出钢板桩，以及小直径砂桩等。可是到了六十年代后半期由于“公害”引起人们的注意，柴油打桩机被禁止在市区使用，这样又促进了振动打桩机的发展，随着振动打桩机承担的打桩任务日益广泛，打桩的地址条件更加复杂，促使了振动打桩机向大型高效能的机种方向发展。苏联从1934年开始研究振动参数的变化对土壤阻力的影响，并试用了用打板桩和钢管桩的“巴金堪”型“罗斯金”型振动打桩机，1949年高尔基水电站的格型围堰中，使用了BT-5型振动打桩机，打桩条件是在饱和水的砂土中将钢板桩打入9-12米的深度，花费时间2-3分。这种新的施工法在现场中的使用的结果说明，用振动方法打桩效果好，费用少，与气动打桩机相比，在8小时的作业时间内，气动打桩机可打入18根桩，而振动打桩机可打入31根桩，施工费节约46%，同时振动打桩机不需要辅助设备，如空气压缩机或蒸汽锅炉、管道等，并且振动打桩机不会损坏桩头，拔桩容易，板桩可以反复使用，还可不用变换零件就能作为拔桩设备使用。由于振动打桩机具有上述优点，因此在苏联得到了广泛应用。总之，打桩机是基础施工常用的设备之一，可将钢板柱，钢板桩，预制混凝土桩打入地基内，由于这种机械能进行打拔桩作业，具有施工效率高，经济性好等优点，已被广泛应用于打地基，围堰工程和人工岛等基础施工。2 钻头的设计2.1 钻头的工作原理从动力头输出的转矩，通过钻杆传递到钻头，进行切削土层，钻头的直径与设计的孔径是一致的，考虑到钻孔的效率，一般都设计双头螺纹，根据土体的不同，在切削刃部分采用不同的结构和热工艺处理。在本设计中，将对传统的钻头进行改进，这是由于传统的钻头由于其自身的结构特点在维修和更换时会有很多的不便，将会降低工程效率，通过一些结构上的改进之后会解决这些问题，便于维修和更换，提高效率，节约资金，目前，建筑打桩机的钻头组成主要包括钻头基本体，钻尖，钻镐，螺旋叶片等，螺旋叶片固定在钻头基本体上，钻尖和钻镐焊接在钻头基本体的头部，与钻尖基本体形成不可分割的一个整体，其中钻头基本体为空心结构，在钻头基本体的头部设有出料口，出料口外设有出料门隐蔽出料口，搅拌好的混凝土由出料口流出。2.2 钻头长出现的问题 对于以前这种结构的打桩机钻头会存在以下问题：（1）在打桩过程中，钻尖和钻镐磨损严重，很容易损坏，需要及时的修复或者更换，但是由于钻尖和钻镐是焊接在钻头基本体的头部，与钻头基本体形成了不可分离的整体，所以需要使用电气焊，将钻尖或者钻镐从钻头基本体上切割下来，然后才能进行修复或者更换，这样的话效率低，浪费时间，将会严重影响建筑施工的进度；（2）出料门暴露在钻头的表面，很容易磨损或者刮掉，容易卡死，影响打桩机的正常工作；（3）使用的寿命短，成本高，不利于维修，作业率低。介于以上情况此次设计的打桩机的钻头，其主要的的特点是提供了一种新型的建筑打桩机钻头，方便修复和更换钻尖和钻镐，本证出料门的正常工作，提高使用寿命，便于维护，提高作业率，解决以上情况。2.3 钻头的设计方案方案（1）是：钻头组成中包括钻头基本体，钻尖，钻镐，螺旋叶片，出料口，螺旋叶片固定在钻头基本体上，钻尖和钻头基本体是可以分离的，钻尖是通过钻尖螺栓固定在钻头基本体的头部，钻镐与螺旋叶片是可以分离的，钻镐通过钻镐螺栓固定在螺旋叶片的头部，钻头基本体为空心结构，在钻头基本体的头部设有出料口，出料口外设有出料门隐蔽出料口，出料口位于钻尖的下方。钻尖与钻头基本体之间可以通过钻尖座固定连接，钻尖座固定在钻头基本体上，钻尖固定在钻尖座上。出料口外设置的出料门与钻头基本体之间通过销轴连接，便于打开出料门和更换出料门，沿销轴转动出料门可以打开出料门，露出出料口。出料口可以设置钻钻头基本体头部的侧面，出料门低于钻尖的外面; 出料口也可以设置在钻头基本体的顶部，出料门与钻尖座成为一体，钻尖通过螺栓固定在钻尖座上，打开出料门，钻尖也随之其翻转。为提高工效，钻尖上设有切削刀刃，出料口为有斜度的喇叭形。采用这种方案，当需要更换或者维修钻尖和钻镐时，不需要使用电气焊将钻尖或者钻镐从钻头基本体上切割下来，只需要松开固定钻尖和钻镐的链接螺栓便可以方便的将钻头和钻镐从钻头基本体上拆卸下来，进行更换或者维修，且更换和维修钻头钻镐的时间很短，大大提高了作业率；出料门更换方便，开合自如，不存在料门不开现象，解决了钻头到底，料门打不开，堵管的问题。本设计具有结构合理，提高了使用寿命，便于维修，提高作业率，成本低等特点，方便更换修复钻尖和钻镐，保证出料门的正常工作。附图说明图 2.1图 2.2图2：钻头基本体1、钻尖2、钻镐3、螺旋叶片4.出料口5、钻尖螺栓6、钻镐螺栓7、出料门8、销轴9、连接法兰10、钻尖座11.具体的实施方式：根据图 2.1和图 2.2，在实际中，打桩机钻头的组成包括钻头基本体1、钻尖2、钻镐3、螺旋叶片4、出料口5、螺旋叶片固定在钻头基本体上，钻尖和钻头基本体是可以分离的，钻尖与钻头基本体之间通过钻尖座固定连接，钻尖座11固定在钻头基本体1上，钻尖通过钻尖螺栓6固定在钻尖座11上，钻镐与螺旋叶片是可分离的，钻镐通过钻镐螺栓7固定在螺旋叶片的头部，钻头基本体为空心结构，在钻头基本体的头部设有出料口5，出料口外设有出料门8隐蔽出料口，出料口位于钻尖的下方，出料口设置在钻头基本体的侧面，出料门低于钻尖外表面，出料门口外设置的出料门8与钻头基本体之间通过销轴9连接，便于打开出料门和更换出料门，沿销轴转动出料门可以打开出料门，露出出料口。在钻头基本体1的尾部设有连接法兰10，通过该法兰将钻头与钻杆固定连接，外力驱动钻杆旋转，钻头开始工作：钻头钻至预订的位置，提起钻杆、钻头，打桩料将出料门打开，通过出料口注料打桩。由于出料门8采用销轴9与钻头基本体1连接，并且出料口设置在钻头基本体头部的侧面，出料门低于钻尖外表面，使得出料门1不会被卡住，不易损坏。 钻头使用一段时间后，易损件磨损，主要更换钻尖2、钻镐3、出料门8、当钻尖需要更换是，松开固定钻尖的钻尖螺栓6，在钻头基本体上卸下钻尖，进行更换；当钻镐需要更换时，松开固定钻镐的钻镐螺栓7，在螺旋叶片4上卸下钻镐，进行更换；打开出料门上的销轴9，就可以更换出料门8.钻尖2上设有切削刀刃，提高钻头工效，出料口5为有斜度的喇叭形，外面开口大，里面开口小，增大出料口的排料量，不易堵料。 所有易损件都是可以拆卸的，在钻头上更换，不需要使用电气焊，缩短更换时间，方便实用。方案（2）：此方案只做假单的介绍，此方案的不同之处是出料门的位置，其余部分与方案（1）相同，只是此方案的出料口设置在钻头基本体1的顶部，出料门8与钻尖座11成为一体，钻尖2通过螺栓6固定在钻尖座11上，打开出料门，钻尖也随之以其翻转，扣上出料门8，钻尖2、钻尖座11与钻头基本体1成为一个固定整体。3 钻杆的设计3.1 钻杆的作用及其结构钻杆的作用是在作业中传递动力转矩，时钻头切削土层，同时将切下来的泥土通过钻杆轴送到孔外，形成孔柱状。 钻杆的结构一般是中心为一定直径的无缝钢管，外面焊接一定螺距的旋片，由于钻杆本身不承担切削土层的任务，为减少螺旋叶片与孔壁的的摩擦力，因此钻杆的直径往往比钻头直径小20-30mm，螺旋叶片的厚度及螺距则根据螺杆强度、土层状况、机械寿命等因素确定，钻杆的分节长度一般为2.5-5m不等（如图3.1）。钻杆与钻杆的链接可采用阶梯法链接，也可用六角套筒并通过锥销链接（如图3.2）。图 3.1 钻杆1， 六角链接头 2，螺旋叶片 3，六角链接套筒图 3.2 锥销链接方法1，销 2，六角套筒链接3.2 打桩过程中钻杆常见问题在建造楼房、桥梁建筑时，往往需要打桩，目前，使用的长螺旋打桩机采用钻头、钻杆和动力机构构成，由于不同地方的地层构造不同，当钻头进入地下时，工作人员不能看到钻头，不能根据钻头所处地层的构造达到钻头转动与行进速度的同步，造成所打桩不呈螺旋状。3.3 解决方法介于这种情况，此设计的目的就是提供一种能在不同地层构造情况下使桩体呈螺旋状的长螺旋打桩机钻杆。为实现上述目的设计的钻杆为包括带有通孔的杆体，且在杆体的外壁面带有螺旋线。且所述的螺旋线为螺旋突起；且所述的螺旋线为螺旋凹槽；所述的螺旋线为与杆体外壁不同颜色的螺旋颜色层；所述的螺旋线的螺距为100mm-1600mm；所述的杆体直径为120mm-800mm。此设计的打桩机钻杆与以前的技术相比，具有以下特点：（1），由于杆体的外壁面带有螺旋线，该螺旋线的螺距与钻头的螺距相等，当钻入地下时，工作人员根据杆体外壁面的螺旋线直接测量到钻头的转动情况和竖直行进情况，可以随时的调整竖直行进速度和转动速度，以达到转动和竖直行进速度的同步，确保所打桩体呈螺旋状；（2），由于螺旋线的螺距为100mm-1600mm；所述杆体的直径为120mm-800mm，针对不同螺距的钻头，可以选用不同螺距的钻杆。3.4 钻杆设计的具体实施方法结合图形对此长螺旋打桩机钻杆的结构和使用原理做进一步的说明。 如图所示，此打桩机的长螺旋钻杆包括带有通孔1的杆体2，在杆体的外壁面上带有螺旋线3。根据杆体加工的需要，螺旋线3可以为螺旋突起；可以是螺旋凹槽；也可以是与杆体外壁不同颜色的螺旋颜色层。 螺旋线3的螺距与钻头的螺距相等，为了适合于不同螺距和不同直径的钻头，螺旋线3的螺距为100mm-1600mm；杆体的直径为120mm-800mm。 当使用时，将钻杆连接于钻头和动力装置之间，当转入地下时，工作人员根据杆体外壁面的螺旋线直接测量到钻头的转动情况和竖直行进情况，随时调整竖直行进速度和转动速度，以达到转动和竖直行进速度的同步，确保所打桩体呈螺旋状。4 钻杆的优化设计4.1 优化设计的原因螺旋钻杆是实现快速优质钻进的重要部件。为了提高钻进效率，选择螺旋钻杆的输送能力为优化设计的目标建立数学模型以螺旋钻杆结构参数(螺距、钻杆轴径)及螺旋转速为变量，并利用MATLAB优化工具箱进行计算获得螺旋钻杆结构参数的最优值。提高了螺旋钻杆的输送能力。优化结果对螺旋钻杆的设计、对钻机的改进具有重要的指导作用和工程应用价值。4.2 优化分析及数学模型的建立4.2.1 优化设计概念设计上的“最优值是指在一定条件影响下所能得到的最佳设计值。概括起来，最优化设计工作包括以下两部分内容：(1)将设计问题的物理模型转化为数学模型，建立数学模型要选取的设计变量。列出目标函数，给出约束条件；(2)采用适当的最优化方法，在计算机上求解数学模型。这归结为在给定条件下求目标函数的极值4.2.2 设计的基本要素(1)设计变量设计变量是设计时给定的参数。(2)目标函数在最优化设计中，可将所追求的设计目标(最优指标)用设计变量的函数形式表达出来，这一过程称为建立目标函数，即目标函数是设计中预期要达到的目标。(3)约束条件在许多实际问题中设计变量的取值范围是有限制的或必须满足一定的条件。这种对设计变量取值的限制条件，称为约束条件或设计约束。(4)数学模型任何一个最优化问题均可归结为：在满足给定的约束条件下，选取适当的设计变量，使其目标函数达到最优值。其数学表达式(数学模型)如下：设计变量为X=，XD在满足约束为hv（X）=0，v=1，2，P，gu(X)O，u=1，2，m的条件下，求目标函数f(x)的最优值。目标函数的最优值一般可用最小值(或最大值的形式来表示，因此，最优化设计的数学模型可表示为minf(X) XDS.t.(subject to)hv(X)=0，v=1，2，Pgu（X)O，u=1，2，mgu (X)O，u=1，2，m4.3 螺旋钻杆结构参数优化4.3.1 目标函数本文选择螺旋钻杆输送生产率作为优化设计的目标函数，计算在一定约束条件下，生产率最大时的钻杆转速值及螺旋钻杆的结构参数值(见图4.1)。图 4.1 钻杆结构参数图螺旋钻杆的输送生产率为Q=Vvg （1）式中，vg为垂直输送速度，V为每米长度内输送物料的容积，则有V= （2）由式Z=，当z为0时，r0为 （3）重心的计算公式为 （4）式中由MATLAB计算得 （5）式中 螺旋钻杆转速 R螺旋半径S螺旋钻杆叶片螺距R1螺旋钻杆心轴半径g重力加速度重心处的垂直速度为 （6）式中重心处叶片升角的正切值tan为重心处煤的螺旋上升角的正切值，由式(6)上任一半径处煤的螺旋上升角的正切值tan与螺旋转速、半径、叶片升角的关系式：将式 代入上式可得重心处煤炭的螺旋上升角的正切tan的表达式： （7）各变量与输送量Q的关系曲线及Q的二维等高线图，如图4.2-6所示，这些关系曲线曲面反映了螺旋钻杆各参数之问的变化关系。4.3.2约束条件由目标函数可得(其中螺旋钻杆直径尺、土层与叶片表面的摩擦系数、煤与孔壁的摩擦系数已知)，设计变量为螺距s、钻杆杆径尺R1、螺旋转速、填充率，即X=图4.2 输送量随螺距、填充率变化关系(1) 由以上分析得螺旋转速应大于重心处的临界转速，即 从而有： （8）图 4.3 输送量随螺距。螺旋转速变化关系 图 4.4 输送量随螺距、心轴半径变化关系 图 4.5 输送量随螺旋转速、填充率变化关系 图 4.6 输送量随螺旋转速、钻杆轴半径变化关系(2)为了使叶片之问的空间能顺利排料而不被大块料卡住，叶片问距一般应满足：scosO.04，则0.00161 （9）螺旋叶片螺距与叶片深度之比应满足：14.4 （10）(3)一般螺旋钻杆的螺距为O.5-O.7倍的钻杆直径，即R （11）(4)垂直输送时物料的填充率一般为O.3-O.4，有 0.30.4 （12）(5)为了保证叶片上的物料不自动下滑，叶片的升角应大于物料在叶片上的摩擦角。当螺距一定时直径越大的叶片处其升角越小，而叶片内径处的升角最大，从而有：tantan，即 （13）(6)中心轴的首要任务是传递轴压力和扭矩，其刚度及强度要求得到满足时，才可考虑减小中心轴轴径，一般钻杆的心轴的轴径取钻杆大径的一半，取心轴半径尺的取值范围为(O.5-O.8)尺比较合理，从而有： 0.5RR10.8R （14）(7)转速增大时，利于降低填充率，提高单位时问内的排粉量，但转速过高，钻机振动剧烈，螺旋的转速一般由下面的经验公式训2决定： n= （15）由实践得出，在煤层中钻孔时，A一般取50-75。4.4 钻杆结构参数优化数学模型根据以上分析，旋转钻机螺旋钻杆结构参数优化数学模型为 X=式中，钻杆直径尺、煤与叶片表面摩擦系数肛面、煤与孔壁问摩擦系数已知；rg为重心处的半径，rg=。 优化算法及求解利用Matlab的优化工具箱，可以求解线性规划、非线性规划和多目标规划等问题，为优化方法在工程中的实际应用提供了更快捷的途径。现需求解的问题为有约束非线性最优问题，在有约束最优化问题中，早期的方法通常是通过构造惩罚函数等来将有约束的最优化问题转换为无约束最优化问题进行求解。现在，这些方法已经被更有效的基于K-T(Kuhn-Tucker)方程解的方法所取代3,4,5-Tucker方程为 式(17)说明优化目标函数和约束条件互抵消，其中Langrange乘子平衡了优约束条件之问梯度幅值大小的差异。库恩一塔克(K-T)方程的解形成了许多非线性规划算法的基础，这些算法直接计算拉格朗日乘子，通过用拟牛顿法更新过程，给K-T方程积累二阶信息，可以保证有约束拟牛顿法的超线性收敛。这些方法称为序列二次规划法(SQP)6,7，因为在每一次主要的迭代中都求解一次二次规划问题。由于SQP算法具有良好的数值实验效果及收敛速度，目前已成为求解中小规模优化问题最有效的方法之一。对于给定的规划问题，序列二次规划(SQP)的主要的思路是形成基于拉格朗日函数二次近似的二次规划子问题，二次规划子问题可表达为8,9 此子问题可以通过QP算法求得，它的解产生线性搜索过程的搜索方向，形成新的迭代方程为 x= x+ (19)步长参数通过线性搜索过程来确定，矩阵Hk为Langrange函数HESSIAN矩阵的正定近似，用拟牛顿法(BFGS)方法进行更新。MATLAB7.0中使用fmincon( )函数求多变量有约束非线性函数的最小值，中型优化算法时fmincon( )函数使用序列二次规划法(SQP)，函数形式为=fmincon(fun，x0，A，b，Aeq，beq，lb，ub，nonlcon，options)其中的x、b、beq、lb和ub为向量，A和Aeq为矩阵，c(x)和ceq(x)为函数；x0为初值，约束条件为Aeq*X=beq和A*X=b；设计变量戈下上界为1b和ub，使得总是有lb=X=ub；nonlcon参数中提供非线性不等式c(x)或等式ceq(x)；options设定求解参数；fval返回戈处的目标函数值；exitflag参数，描述函数计算的退出条件。MATLAB中SQP法的实现分三步：(1) Hessian矩阵的更新在每一次主要迭代过程中，都用BFGS法计算拉格朗日函数的Hessian矩阵的拟牛顿近似矩阵。更新的公式为 式中， 其中，为拉格朗日乘子的估计。(2)二次规划求解SQP法的每一次主要迭代过程中都要求一次二次规划问题，形式如下：求解过程分两步，第一步涉及可行点(若存在)的计算，第二步为可行点至解的迭代序列，这个序列收敛到问题的解。A在每一次迭代时被更新，构成搜索方向d的基础，在搜索方向上，目标函数的值在约束边界内取最小值，d的可行子空间以Zk为基础，Zk由A的QR分解后的第L+1列到第m列组成，L为约束数目。 其中 以P代替d，则待求的二次问题转化为P的函数： 关于P的差分形式为 当时，q（p）在由Zk义的子空间上取最小值，从而得到迭代形式为 式中，d=Zp。(3)一维搜索和目标函数的计算二次规划子问题的解生成一个方向向量d，它形成一个新的迭代公式，运用一维线性搜索确定最优级步长，从而得到了下一个迭代点。依此类推，一步一步地向前搜索最终达到目标函数的最优点。4.5 优化前后钻杆参数比较以输送量为目标进行优化，调用MATLAB中的fmincon()函数，运用SQP算法，得出优化结果为：x=S，R1，=O.054；0.03；24.8000；0.4000输送量为 Q=5.8976e-004 m3s原设计为 x=s，R1，=O.0650；0.03；23.0200；0.3400输送量为 Q=3 5288e-004 m3s4.6 总结本文利用MATLAB对各参数问的变化关系进行了分析，利用MATLAB优化工具箱，以输送量为优化目标，以螺旋钻杆结构参数(螺距、钻杆轴径)及螺旋转速为变量，调用MATLAB中的fmincon( )函数，运用SQP算法进行了优化运算，在原设计的基础上使转速提高了7.8，叶片螺距降低了16.9，并进一步提高了螺旋钻杆的输送能力，改进后的输送能力在理论上为改进前的1.67倍。5 立柱的设计5.1 立柱的工作原理目前，在人们使用的液压打桩机的一侧固定安装有立柱，立柱为整体结构，立柱的下部与液压打桩机的机体连接；中上部通过立柱斜支杆连接在液压打桩机上，立柱斜支杆通过销轴与立柱上的销轴孔铰接，立柱为两根平行的槽形钢轨道，在平行的槽形钢轨道上连接有液压锤滑板，液压锤滑板可以在槽形钢轨道上运行。5.2 立柱存在的问题该液压打桩机由于立柱较高，并固定在液压打桩机的一侧，转场运输在公路上行驶时，超高的立柱与跨越公路的线缆相冲突，同时超高的立柱也无法通过桥涵，必须将立柱整体拆卸下来进行运输，拆卸及安装时非常繁杂、劳动强度大。费事费力。5.3 解决的方案这回设计的目的主要是提供一种转场运输时不需要整体拆卸的液压打桩机立柱。其实现方法是通过将立柱分为上段立柱和下段立柱结构，上段立柱和下段立柱通过连接装置连接成一体。连接装置有一上固定板、下固定板、和动板，上固定板连接在上段立柱上，下固定板连接在下段立柱上，动板的上段与上固定板连接，在下固定板和动板上有螺丝孔和销轴孔，下固定板和动板上的螺丝孔相对应，下固定板和动板上的销轴孔与立柱上的销轴孔相对应；或者在下固定板和动板上有螺丝孔，下固定板和动板上的螺丝孔相对应；或者有一铰链，铰链连接在立柱的一侧，在立柱的另一侧连接有连接板，连接板通过螺丝连接；或者有连接板，连接板对应连接在上段立柱和下段立柱的侧面，连接板通过螺丝连接。有益效果：当采取上述方案时，立柱分为上段立柱和下段立柱，打桩时将上段立柱竖起，并通过螺丝与下段立柱连接为一个整体，液压锤滑板可以在上段立柱和下段立柱构成的立柱上自由上、下；转场运输时，将上段立柱向一侧放到，或者将上段立柱从下段立柱取下，是液压打桩机的整体高度降低，处于运输的标高以内，不需要整体拆卸，达到了本实用新型的目的。该打桩机立柱结构简单，在转场时，只需要将上段立柱以销轴为支点弯折下来，即达到公路运输不超高的要求，不需要将立柱整体拆卸省时省力，提高了工作效率。5.4 具体设计方法（1）在液压打桩机的一侧固定安装有立柱，立柱的下部与液压打桩机的机体连接；中上部通过立柱斜支杆10连接在液压打桩机上，立柱斜支杆10通过销轴7与立柱铰接，立柱为二根平行的槽形钢轨道，槽形钢的槽口对外，在两根平行的槽形钢轨道上连接有液压锤滑板，液压锤滑板骑跨在二根槽形钢轨道之间的空档中，立柱为上段立柱1和下段立柱6分体结构，上段立柱1和下段立柱6通过连接装置连接为一体。连接装置有一上固定板2、下固定板5和动板3，上固定板2连接在上段立柱1外侧的槽口上，并与槽形钢的槽口平齐；下固定板5连接在下段立柱6外侧的槽口上，并与槽形钢的槽口平齐，动版3的上段与上固定板2连接，在下固定板5和动板3上有螺丝孔和销轴孔，下固定板5和动板3上的螺丝孔相对应，下固定板和动板3由螺丝4固定，下固定板5和动板3上的销轴孔与立柱上的销轴孔相对应，销轴7穿过立柱斜支杆10、下固定板5和动板3的销孔，当拧掉螺丝4后，上段立柱1能以该销轴7为支点转动。图 5.1：上段立柱1、上固定板2、动板3、螺丝4、下固定板5、下段立柱6、销轴7、铰链8、连接板9、立柱斜支杆10.图 5.2（2）主要特点是下固定板6和动板3上有螺丝孔，下固定板6和动板3上的螺丝孔相对应，下固定板6和动板3通过螺丝4固定。其它的实施情况和（1）中相同，在液压打桩机的一侧固定安装有立柱，立柱的下部与液压打桩机的机体连接；中上部通过立柱斜支杆10连接在液压打桩机上，立柱斜支杆10通过销轴7与立柱铰接，立柱为二根平行的槽形钢轨道，槽形钢的槽口对外，在两根平行的槽形钢轨道上连接有液压锤滑板，液压锤滑板骑跨在二根槽形钢轨道之间的空档中，立柱为上段立柱1和下段立柱6分体结构，上段立柱1和下段立柱6通过连接装置连接为一体。连接装置有一上固定板2、下固定板5和动板3，上固定板2连接在上段立柱1外侧的槽口上，并与槽形钢的槽口平齐；下固定板5连接在下段立柱6外侧的槽口上，并与槽形钢的槽口平齐；下固定板5连接在下段立柱6外侧的槽口上，并与槽形钢的槽口平齐，动版3的上段与上固定板2连接，下固定板6和动板3上有螺丝孔，下固定板6和动板3上的螺丝孔相对应，下固定板6和动板3通过螺丝4固定。（3）主要特点是二根槽形钢的槽口均向内，液压锤滑板骑跨在二根槽形钢轨道之间的空挡中，液压锤滑板通过滚轮在槽形钢的槽内运动，连接装置由铰链8和连接板9构成，铰链8连接在二根立柱的后外侧，在二根立柱的前外侧连接有连接板9，连接板9通过螺丝连接。其它的实施情况和（1）中相同，在液压打桩机的一侧固定安装有立柱，立柱的下部与液压打桩机的机体连接；中上部通过立柱斜支杆10连接在液压打桩机上，立柱为二根平行的槽形钢轨道，槽形钢的槽口对外，在两根平行的槽形钢轨道上连接有液压锤滑板，液压锤滑板骑跨在二根槽形钢轨道之间的空档中，立柱为上段立柱1和下段立柱6分体结构，上段立柱1和下段立柱6通过连接装置连接为一体。连接装置有一上固定板2、下固定板5和动板3，上固定板2连接在上段立柱1外侧的槽口上，并与槽形钢的槽口平齐；下固定板5连接在下段立柱6外侧的槽口上，并与槽形钢的槽口平齐，动版3的上段与上固定板2连接，图 5.3（4）主要的特点是连接装置由铰链8和连接板9构成，铰链8连接在一根立柱的左外侧，在另一根立柱的右外侧连接有连接板9，连接板9通过螺丝连接。其它与的实施情况和（2）相同，在这里就不再重复。图 5.4（5）主要的特点是连接装置由上，下连接板9构成，上、下连接板9对应连接在上段立柱1和下段立柱6的侧面，连接板9通过螺丝连接。其它的实施情况和（2）相同，在这里就不再重复了。图 5.56 顶部滑轮组的设计6.1 滑轮的作用和类型一，滑轮的主要作用是导向和支撑，以改变钢丝绳的走向，从而改变所传递拉力的方向。也可用来平衡钢丝绳分支的拉力、或者组成滑轮组达到省力或增速的目的。根据滑轮的轴线是否运动，有定滑轮和动滑轮之分。只利用滑轮的转动来均匀钢丝绳拉力的滑轮叫做均匀滑轮。根据制造方法，滑轮有铸造滑轮、焊接滑轮、热轧滑轮等。（1）铸造滑轮，有铸铁和铸钢两类。承受负荷不大的小尺寸滑轮（D350mm），一般制成实体的滑轮，其材料为HT150铸铁，铸铁滑轮工艺性好，廉价；承受负荷大的大尺寸滑轮一般采用球铁（如QT42-10）或铸钢（如ZG230-450、ZG270-500或ZG35Mn等），铸成带筋、孔和带轮辐的结构。这种滑轮具有较高的强度和冲击韧性。（2）焊接滑轮，目前多数焊接滑轮是先将钢板压制成绳槽形状，由数快压制成形的钢板拼成一个整圆后再与辐板焊接而成。另一种是轧制绳槽钢焊接滑轮，先由热轧机轧制出各种规格的条状绳槽钢，然后将其卷制成圆环形，再与辐板，轮毂焊接制成滑轮。这种滑轮的结构简单，强度高，抗冲击能力好，材料利用率高，重量轻，特别是轧制绳槽钢滑轮，绳槽几何精度高，硬度适中，可提高钢丝绳使用寿命。（3）热轧滑轮是国外八十年代中期出现的一种新型滑轮。热轧滑轮是旋转的圆形钢板上用火焰将其边缘加热，然后使用特殊的工艺将钢板外缘直接轧制成滑轮的绳槽，和轮毂焊接制成滑轮。热轧滑轮重量轻、强度好、精度高、绳槽表面硬度较高。热轧滑轮已在我国港口机械中大量使用，已有系列产品。（4）带尼龙绳槽衬垫双辐板压制滑轮，这种滑轮的两片幅板采用4-6mm的普通碳素钢钢板压制成型，并用胀铆和过盈配合工艺使之与滑轮轮毂连成一体而成，滑轮轮缘绳槽装有可拆卸的绳槽衬垫。其优点自重轻，绳槽耐磨性好，无噪音。二，滑轮直径和绳槽1， 滑轮的直径为了提高钢丝绳的使用寿命，滑轮的圈绕直径应满足：Dminh*d 式中Dmin滑轮的最小圈绕直径（mm）； D0=D+dh与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数，见下表；d钢丝绳直径（mm）；D滑轮槽底直径（mm）。系数h机构工作级别卷筒h1滑轮h2机构工作级别卷筒h1滑轮h2M1-M31416M62022.4M41618M722.425M51820M82528注：当采用不旋转钢丝绳时，按此机构工作级别高一级的值选取。 对于流动式起重机，建议取h1=16，h2=18，与工作级别无关。均衡滑轮的直径，对桥式类型起重机取Dmin相同，对于臂架起重机应小于0.6 Dmin滑轮绳槽的形状和尺寸在很大程度上影响着钢丝绳的使用寿命，应满足：钢丝绳与槽绳有足够的接触面积；钢丝绳在绕进绕出滑轮时，能顺利通过而不会卡住，也不会脱出，钢丝绳相对绳槽有一偏角（4）时，不脱槽、不磨边，能正常工作。三、滑轮的效率1，钢丝绳绕过滑轮时，产生僵性阻力今儿轴承摩擦阻力，从而增加功的消耗。当钢丝绳上绕滑轮时，由于曲率的改变，绳股间及钢丝间发生相对滑移，产生摩擦，加之钢丝绳的弹性，这些都阻碍着它不能立刻适应滑轮绳槽的曲率，且向外偏移一定量。同样，当钢丝绳绕出滑轮时也不能立刻恢复直线状态，而是向里产生一偏离值，如图所示1，这就使绕入分支的力臂增大，绕出分支的力臂减小。要是滑轮转动，必须增大绕出分支的拉力，这样的阻力称之为僵性阻力W1。W1=*S式中：僵性系数，与钢丝绳直径、结构、材料及滑轮直径有关。一般用实验方法确定。在一般条件下取=0.01；S钢丝绳绕入边拉力。由于钢丝绳拉力对轴承产生压力，当滑轮转动是产生摩擦阻力距，钢丝绳绕过滑轮运动所需克服的摩擦阻力位W2为式中：轴承的摩擦系数； d轴承的名义直径； D滑轮直径； 因此，总阻力为 式中：e阻力系数，e0.02（滚动轴承）； e0.05（滑动轴承）。图 6.12， 滑轮的效率1） 定滑轮的效率由于绕入滑轮分支和绕出分支端拉力的行程相同由图6.2a可知，其效率为2） 动滑轮的效率重物Q悬挂在滑轮心轴上，钢丝绳绕出分支端拉力P的行程为Q的2倍见图6.2b图 6.2故其效率为 而 故 比较 即动滑轮的效率比定滑轮高。在设计中，为简化计算，滑轮的效率取同一值。即 =0.98（用滚动轴承的滑轮）； =0.95（用滑动轴承的滑轮）。6.2 滑轮组1、滑轮组的类型滑轮组按其作用可分为省力滑轮组和增速滑轮组。省力滑轮组如图6.3，通过它可以用较小的驱动力产生很大的提升力，即用较小的力吊起较重的货物。它是起重机中最常见的滑轮组。增速滑轮组如图6.4，它可以使被驱动的货载获得高于驱动部件的速度，驱动部件以较小的行程，可使被驱动的货载得到较大的行程。增速滑轮组主要用于液压今儿气力驱动的起升机构中，如叉车的起升机构。滑轮组根据构造又分为单联滑轮组和双联滑轮组。单联滑轮组中，钢丝绳的一端固定，而另一端绕入卷筒，结构简单、质量轻，但当卷筒卷入或放出钢丝绳时，钢丝绳沿卷筒轴向移动，货物作垂直运动的同时还伴随有水平运动，用于桥式起重机时，会使货重载荷在两主梁上分配不均匀，给装卸、安装作业的操作带来不便。因此单联滑轮组多用于臂架类型的起重机如图6.5。 双联滑轮组中，我们可以将其看作由两个单联滑轮组对称布置而成。每个单联滑轮组承受起省载荷的1/2。为了均衡两个单联滑轮组的拉力和长度，设有均衡滑轮或均衡梁。因为两根钢丝绳对称绕入卷筒，所以避免了单联滑轮组中卷筒支座收载不均和货物水平移动的缺点，但体积大，质量加重，这种滑轮组多用于桥梁类型起重机。 图 6.3省力滑轮组 图 6.4增速滑轮组 图 6.5装设导线轮的单联滑轮组2. 滑轮组的倍率滑轮组的倍率m就是滑轮组省力或增速的倍数。对省力滑轮组 对增速滑轮 图6.7是省力单联滑轮组的展开图。如果不计及钢丝绳绕过滑轮的阻力，则钢丝绳每一支所受的力相等，根据平衡条件 式中：Q起升载荷； i滑轮组钢丝绳的承载分支数。 由此可见，单联滑轮组的倍率数值等于钢丝绳的承载分支数及m=i。 同理，双联滑轮组的倍率数值等于承载分支数的二分之一，即 m=i/2. 3.滑轮组的效率在图6.6所示的单联滑轮组的展开图中，设起重量为Q，承载分支数为i。倍率m=i若不计阻力损失时，则每分支的拉力相等。即 如考虑滑轮阻力的损失，钢丝绳每根分支中的拉力不相等，设各滑轮的效率为，则 S1=S S2= S1=S S3= S2=S2 . Sm-1= Sm-2=Sm-2 Sm= Sm-1=Sm-1根据平衡条件 Q= S1+S2+S3+ Sm-1+Sm = S（1+2+2+m-2+m-1） =故 S=滑轮组的效率为=滑轮组的效率与倍率和滑轮的效率有关，不同倍率时的滑轮组效率列于下表中不同倍率的滑轮组效率轴承型式滑轮效率滑轮组效率2滑轮组倍率m2345678滚动轴承0.980.990.980.970.960.950.9350.916滑动轴承0.950.9750.950.9250.900.880.840.80