长螺旋钻机液压动力头设计

中南大学本科生毕业论文（设计）题 目CFG25型长螺旋钻机液压动力头设计 学生姓名倚天指导教师罗老师 学 院机电工程学院专业班级机械07XX完成时间2011/06/05中南大学本科生论文目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 长螺旋钻机概况11.1.1 长螺旋钻机的组成11.1.2 长螺旋钻机钻进原理21.1.3 长螺旋钻机的发展趋势21.2 长螺旋钻机CFG桩工法及其特点31.2.1 CFG工法的简介31.2.2 CFG桩工法特点41.3 动力头的技术现状与展望41.3.1 电机动力头51.3.2 液压动力头51.4 本文设计要求和主要内容7第2章 液压动力头的液压系统设计82.1 液压动力头液压系统方案的设计82.1.1 液压动力源方案的设计82.1.2 液压驱动方案设计92.1.3 液压动力头总体控制方案的设计102.2 液压系统元件的计算及选型122.2.1 液压执行元件的计算选型122.2.2 液压动力源的计算选型132.2.3 液压动力头控制元件选型16第3章 液压动力头的结构设计计算203.1 液压动力头总体结构方案的设计203.2 减速器齿轮传动设计计算213.2.1 齿轮传动原理213.2.2 齿轮传动的参数计算213.3 箱体尺寸的确定263.4 输出轴的设计计算及校核263.4.1 轴的基本参数计算263.4.2 轴的结构设计273.4.3 轴的校核29第4章 总结34参考文献35致谢36附录实习报告37附录图纸列表40附录外文翻译41摘要近年来，随着能源危机和环境污染的日益严重，环保和节能已经是工程建设中必须要慎重考虑的。随着CFG工法的推广，长螺旋钻机凭借其成桩效率高，成本低，施工环保的优点，在桩基础领域得到了广泛运用。目前，国内的这种桩基钻进系统多采用电机驱动动力头，其启动性能差、对电网冲击大、对地质条件适应差以及向大功率发展不方便。诸多动力头的原因严重影响了其进一步的发展。本文通过对传统长螺旋钻机的钻进系统分析对比，确定了更加符合CFG工法的液压驱动动力头的设计参数方案。通过设计参数的确定之后，对其液压系统参数进行了计算，对其动力头减速器进行了全新的设计。主要对减速箱的齿轮传动和输出轴进行了设计计算和校核。其次，对液压驱动动力头的液压系统进行了设计分析，对液压元件进行了合理的对比选型。本文全新的液压驱动动力头方案，对长螺旋钻机钻进系统的进一步研究与开发具有一定的参考价值。关键词：长螺旋钻机、钻进系统、液压动力头、减速器IIABSTRACTIn recent years,with the energy crisis and the environmental pollution increasingly serious, environmental protection and energy conservation are already in construction must be carefully considered. With CFG piles promotion, the continuous flight auger into the pile with its high efficiency, low cost and environmental advantages of the construction, pile foundation has been widely used. At present, more than this pile drilling system uses motor-driven power head, the start-up performance is poor, big impact on the power grid, to adapt to poor geological conditions, the development of the power is not convenient. The powers reason has seriously affected the further development.Based on the traditional long auger drilling system analysis and comparison, Determine the CFG construction method more in line with hydraulic drive power head of the design parameters of the program. Through the determination of design parameters, the parameters of the hydraulic system of its calculated power head gear for its new design. Main gear of the gearbox and shaft design calculation and verification carried out. Secondly, hydraulic drive power head of the hydraulic system design and analysis of hydraulic components for a reasonable comparison of selection. This new program of hydraulic drive power head, long auger drilling system for further research and development has some reference value.Key words: Continuous flight auger, Drilling system, Hydraulic power head, Reducer第1章 绪论1.1 长螺旋钻机概况在城市建设中，长螺旋钻机是目前较为常用的工程桩工机械。该类钻机是一种液压步履行走、电控操纵升降、三环减速器驱动、长螺旋钻进的新型桩基础施工机械，适用于钻孔灌注桩、挤扩桩、软地基处理的各种基础工程，具有成孔效率高、质量好、无振动、无噪声、无污染、耗用钢材少、机械化程度高等优点。长螺旋钻进成孔的方法是桩基础施工中广泛应用的一种工艺。该机包括液压步履桩架和钻进系统两部分。桩架采用液压步履式底盘，自动化程度高，可自行行走及360度回转，设有四条液压支腿及一条行走油缸以辅助行走及回转同时增加施工时的整机稳定性，可整机进行转运。立柱为可折叠式箱型立柱，法兰连接方式，立柱采用两块高厚度蒙板并且用大型折弯机折弯技术，经两道焊缝焊接而成同时立柱内部每隔60cm加焊四根加强筋固定，增加立柱抗扭抗弯性。立柱由两条变幅液压油缸控制其起降。钻进系统包括动力头与钻具，动力头的输出轴与螺旋钻具为中空式，桩机采用长螺旋成孔，可通过钻杆中心管将混凝土或泥浆进行泵送混凝土CFG桩施工，即能钻孔成孔一机一次完成，也可用于干法成孔、注浆置换改变钻具后还可采取深层搅拌等多种工法进行施工。1.1.1 长螺旋钻机的组成长螺旋钻进施工的机械主要是长螺旋钻机。长螺旋钻机由桩架与钻进系统两部分组成13。桩架主要由立柱、斜撑、起架装置、底盘、行走机构、回转机构、液压系统及电气系统组成13。立柱为折叠式，采用箱形截面结构型式，法兰连接方式。立柱两侧配有圆形或方形滑道作为动力头、钻杆上下运动的导向和抗扭。此种钻机配备的箱形可折叠式立柱利用液压缸进行起降，方便快捷，运输时也不需拆卸。立柱下部与上盘铰接，中后部与斜撑杆铰接，立柱顶部有滑轮组，用来完成对动力头、钢筋笼和注浆导管等的起降。动力头可沿滑道上下滑动托运时可拆卸。钻进系统主要由两大部分组成，一部分是钻孔驱动系统，一部分是送钻系统13。钻孔驱动系统主要实现驱动钻具工作切土、输土、成孔的功能。主要包括动力头、钻具及其附件。由动力头产生驱动力带动钻具旋转，在自重力作用下将钻头压入土壤实现钻进。送钻系统主要控制钻具进刀量和孔底钻压。主要包括操纵控制系统、卷扬机构和滑轮组等。由操纵机构控制卷扬释放钢丝绳，一般卷扬机绳速较高且输出力不够大，必须通过滑轮组减速通过滑轮组减速控制钻头钻进的速度和孔底钻压。桩架主要起固定钻孔执行装置、钻进导向及行走移动、机身调平的功能。钻进系统主要起切土、输土、成孔的功能13。钻进时由动力头原动机经过减速驱动输出轴旋转，带动钻具旋转切土主卷扬经过动滑轮组用钢丝绳拉柱动力头与钻具组合，通过释放卷扬使动力头钻具组合在自重的作用下向下深入土层中。在两者的共同配合下，最终完成钻孔作业过程。1.1.2 长螺旋钻机钻进原理长螺旋钻进的原理与麻花钻相似，由钻头和拥有连续螺旋叶片的钻杆组成钻具。钻头上有切削刃，依靠钻具自重(或加压)插入土壤中，依靠驱动装置产生的回转作用切削土壤。被切削下来的泥土沿螺旋钻杆叶片在离心力、摩擦力和各种阻力作用下上升，排到地面上，从而使钻具不断向下移动，完成钻进过程1。一般钻杆轴线是垂直于地面的。长螺旋钻孔成桩是一种无泥浆循环干作业环保型施工技术,主要适应于地下水位以上的粘性土层、砂土层和小粒径卵砾石地层。长螺旋钻孔是以连续切削和输送方式进行取土成孔作业的，因而施工效率比其它灌注桩施工机械高。一般情况下，一个台班可钻成直径600mm、孔深10m的孔。1.1.3 长螺旋钻机的发展趋势事实上，长螺旋钻机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，以适合不同桩径和深度的要求，提高施工效率，节约成本；提高输出轴转矩，增强钻机适应性。长螺旋钻孔机是钻孔灌注桩施工机械的主要机种，由于其具有连续输土，施工效率高的优点，同时这种钻机施工无振动、无噪声污染的环保优势，所以在各种成孔灌注桩施工机械中，它最被人们所看中。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。1.2 长螺旋钻机CFG桩工法及其特点1.2.1 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、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。1.2.2 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。1.3 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37KW2、45KW2和55KW2，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。1.3.1 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)。1.3.2 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8590，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1.5t。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。1.4 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。51第2章 液压动力头的液压系统设计2.1 液压动力头液压系统方案的设计2.1.1 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2-2)，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2-2 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械上。a) 流量特性 b）功率特性图2-3 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2-3 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。2.1.2 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 KNm。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动装置，因为对于液压传动装置，国内的制造工艺已非常成熟，可靠性和价格方面都比较令人满意，所以采用液压传动装置来当执行元件。2.1.3 液压动力头总体控制方案的设计由于本系统主油路流量较大，压力较高，使用换向阀直接控制会造成较大的压力损失。而插装阀通流量大，压力损失小，所以插装阀常用于高压大流量的液压系统中。为了减少本系统的功率损失，所以采用4个二通插装阀与一个小通径的三位四通换向阀组成先导式插装阀控制系统，作为液压系统主油路换向的控制元件。钻进系统液压驱动动力头的液压系统原理设计如图4-1。B1、B2、B3、B4压力补偿泵，D1、D2、D3、D4单向阀，W先导换向阀Z1、Z2、Z3、Z4插装阀，M1、M2液压传动装置，E溢流阀图2-4 液压动力头液压系统原理图此液压系统中先导换向阀W中位机能为Y型。当换向阀处于中位时4个插装阀Z的控制腔均通压力油，在控制油液的作用下强迫插装阀芯关闭，主油路无油液流动。当换向阀W处于W1位的时候，Z1和Z3号插装阀的控制腔继续通入压力油液，阀芯仍然关闭，而Z2和Z4号插装阀的控制腔通油箱，阀芯打开，主油路通流，液压马达正转驱动钻杆正转。当换向阀处于W2位的时候，Z2和Z4号插装阀的控制腔通入压力油液，阀芯仍然关闭，而Z1和Z3号插装阀的控制腔通油箱，阀芯打开，主油路通流，液压马达反转驱动钻杆反转。这样通过先导换向阀W的先导控制插装阀Z实现对液压马达M的正反转控制。其中，二位二通阀X先导控制主油路的溢流阀E来实现系统的卸荷功能。在主油路不工作时 阀X不通电，溢流阀E的先导油口直接接通油箱，系统处于卸荷状态。当主油路需要工作时，X通电，溢流阀E的先导油口封闭，油液不能从溢流阀E通过，系统产生压力进入正常工作状态。2.2 液压系统元件的计算及选型2.2.1 液压执行元件的计算选型液压传动装置作为整个系统的执行元件，在选择时要考虑的因素有工作压力、转速范围、堵转扭矩、运行扭矩、总效率、容积效率、滑差特性、寿命等机械性能以及在机械设备上的安装条件和外观等。在选取中，对多种驱动元件方案进行了对比分析，对各个驱动元件的性能比较结果见表2-113。表2-1 各种型号液压传动装置性能特性型号额定压力减速比流量转速范围钻杆最大转速电机及泵数量价格可靠性IHM11-1300高大大大大多贵低XQM16-2400低小大大大多贵低IYH3-5900较低小大大大多贵高IQJM32-1.6较高较大较小较大大少便宜低IY3-2250较低小较小较小小少便宜高通过上表对比综合分析的结果，可以看出在这样的一个液压系统中，选择IY3-2250型液压传动装置是性能最为合理的。决定采用IY3-2250型液压传动装置作为CFG250长螺旋钻机钻进系统液压动力头的驱动执行元件。要保证动力头最大工作扭矩不小于45 KNm，钻杆最高钻速不大于25 r/min，钻杆最低钻速不低于18 r/min。查询IY3-2250型液压传动装置的技术参数13，其参数如表2-2。表2-2 IY32250液压传动装置的主要参数参数项目出轴排量（ml/r）额定扭矩（Nm）马达进出口压差(MPa)转速范围(r/min)参数值22605562180-112液压传动装置的参数说明：其中出轴排量是指液压马达排量乘以所配行星减速器的传动比；马达进出口压差是指传动装置在额定工作状态下马达所需的进出口压力差。为满足最大输出扭矩的要求，确定减速机的传动比为：式10中，为初步计算减速比；液压传动装置额定扭矩Nm；减速机的机械效率。小齿轮设计为26个齿，为了使各相啮合对磨损均匀，传动平稳，Z2与Z1 一般应该互为质数，所以大齿取107。则实际减速比为：其基本符合低速大扭矩液压传动装置的需求。当达到最大钻杆转速由此可以看出，液压执行元件选择IY3-2250型液压传动装置是合理可行的。2.2.2 液压动力源的计算选型一、电机的计算选型根据给定设计参数动力头最大工作扭矩不小于45 KNm，钻孔最高钻速为25 r/min，钻孔最低钻速不低于18 r/min。通过对其工作过程分析可知，其在低速大扭矩时，所需理论功率达到最大值。则其实际所需功率为：根据实际所需功率值选择 4台Y200L-4(30KW，1480r min)电机组成的总额定功率为120kW电机组向液压钻进系统提供动力。其转速则是根据系统所需的最大流量供应来选择的。二、液压泵的计算及选型液压泵是液压系统的动力源，其作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。要选用能适应执行元件所要求的压力发生回路的泵，同时要充分考虑的因素有工作压力、流量、转速、定量或变量、变量方式、容积效率、总效率、寿命、原动机的种类、噪声、自吸能力等，综合考虑经济性、可靠性、维修性。这些因素一般已写在产品样本或技术资料里，要仔细研究，不明确的地方最好询问制造厂。液压泵的输出压力应是执行元件所需压力与配管的压力损失和控制阀的压力损失之和。它不得超过样本上的额定压力。强调安全性、可靠性时，还应留有较大的余地。样本上的最高工作压力是短期冲击时允许的压力。如果每个循环中都发生冲击夺力，泵的寿命会显著缩短，甚至损坏。液压泵的输出流量应包括执行元件所需流量（有多个执行元件时求出其总流量）、溢流阀的最小溢流量、各元件的泄漏量的总和，根据上述给定设计参数动力头最大工作扭矩不小于45 KNm，钻孔最高钻速为25 r/min，钻孔最低钻速不低于18 r/min，确定所设计的液压驱动动力头液压系统的泵的型号选择为：4台80YCYl4-IB压力补偿变量泵；80YCYl41B压力补偿变量泵的主要参数见表2-3。表2-3 80YCYl4-1B压力补偿变量泵主要参数参数项目额定压力(MPa)理论排量(ml/r)额定转速(r/min)理论扭矩(Nm)理论功率（kW）参数值31.580.7150042172.1液压泵出口到液压传动装置入口之间总的管路压力损失取为=1MPa，在变流量时认为其为恒定值。所以在马达出口的背压计为0.5MPa时，在输出最大扭矩时，泵的出口压力为 19.5MPa。此时泵组输出的理论流量为：式4中，在最大调定压力下的泵供理论流量，即低转速下的泵组理论流量Lmin；为四台原动机总功率；KW；在液压传动装置输出额定扭矩时的系统压力，即调定最大压力；。则钻杆最低转速为：式中，钻杆最低转速；rmin在此状态下的输出扭矩为45 kNm。 最大转速=24 r/min时，且在全功率输出状态下的输出扭矩和泵出口压力值求取。钻杆输出总功率：钻杆输出扭矩：液压传动装置的输出扭矩：此时的马达进出口压差：从而得到这种状态下泵组的出口压力：此时的泵组最大流量的实际值为：此即为系统实际最大流量值。当钻杆转速最小时，其输出扭矩处于最大值：而此时的液压传动装置的输出扭矩处于最大值：此时马达的进出口压差为：可知在此状态下的泵组输出压力：则可算出此时的泵组最小流量值为：对比上述结果可知，最大流量值342.6L/min小于447L/min，最大实际出口压力为20.4MPa也小于31.5MPa。所以此系统压力补偿泵的选择是合理的。2.2.3 液压动力头控制元件选型选定液压控制元件时，要考虑的因素有压力、流量、工作方式、连接方式、节流特性、控制性、稳定性、油口尺寸、外形尺寸、重量等，但价格、寿命、维修性等也需考虑。液压控制元件的容量要参考制造厂样本上的最大流量值及压力损失值来确定。阀的规格，根据系统的工作压力和实际通过此阀的最大流量，选择有定型产品的阀件。一、换向阀的选型 换向阀使用时的压力、流量不要超过制造厂样本的额定压力、额定流量，否则液压卡紧现象往往引起动作不良。尤其在液压回路中，压力损失对液压系统的回路效率有很大影响，所以确定阀的通径时不仅考虑换向阀本身，而且要综合考虑回路中所有阀的压力损失、油路块的内部阻力和管路阻力等。换向阀的中位滑阀机能关系到执行元件停止状态下位置保持的安全性，必须考虑内泄漏和背压情况，从回路上充分论证。另外，最大流量值随滑阀机能的不同会有很大变化，应予注意。此液压动力头液压系统中，电磁换向阀W是用来控制液压泵对于液压传动装置的进油方向，达到对钻杆的转动方向的控制。根据系统最大工作压力20.4MPa和最大流量为342.6L/min，以及出于对经济性和可靠性考虑，主油路控制电磁换向阀用上海东方34BY-H6B-T型三位四通电磁换向阀13。三位四通电磁换向阀的参数如下表2-4。表2-4 34BY-H6B-T换向阀参数参数项目公称通径（mm）公称压力（MPa）公称流量（L/min）参数值631.540型号为34BY-H6B-T型的电磁换向阀型号代码依次为：B-湿式交流型；Y-滑阀机能为Y型；B-板式连接型；T-弹簧复位及对中型。通过上述参数对比可知其公称压力完全符合系统要求的值，三位四通换向阀的选型是合理的。二、单向阀的选型单向阀的开启压力取决于内装弹簧的刚度。一般来说为减小流动力可使用开启压力低的单向阀。当流过单向阀的流量远小于额定流量时，单向阀有时会产生振动。流量越小，开启压力越高，油中含气越多，则越容易振动。此四个直通单向阀都是用在泵的排油口上，用来防止系统中的液压油回流冲击液压泵。根据系统最大工作压力20.4MPa和最大流量为342.6L/min选择直通单向阀用上海东方DIF-S型直通单向阀螺纹式连接装在管路中。其单个单向阀的通过最大流量为:Q=342.6 MPa/4=85.6 MPa其直通单向阀的型号参数13如下表2-5。表2-5 DIF-L32Ha-S型单向阀参数参数项目公称通径（mm）公称压力（MPa）公称流量（L/min）正向开启压力（MPa）参数值32212000.035型号DIF-L32Ha-S型的直通单向阀的型号代码依次为：DIF-直通单向阀代号；L-螺纹式连接；S-上海型。通过上述参数对比与系统计算的参数对比，可知其公称压力和流量都符合系统压力和流量的要求的需求，所以四个单向阀的选型是合理的。三、溢流阀的选型溢流阀有直动式和先导式。一般说来直动式响应较快，宜用作安全阀，先导式启闭特性较好，宜用作调压阀。启闭特性是选用溢流阀时要考虑的重要因素。如果启闭特性太差，则负载压力低于设定压力时溢流阀开始溢流，随着压力升高溢流流量加大，执行元件速度减慢，达到设定压力时执行元件停止。因此，执行元件速度在负载力大时变得不稳定，回路效率也显著降低。溢流阀的动态特性是很重要的。在负载激烈变化下，希望溢流阀既响应快又稳定。溢流阀的调压范围可通过更换调压弹簧改变，但所用的弹簧的设定压力可能改变启闭特性。控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些，必要时也允许有20%以内的短时间过流量。根据系统最大工作压力20.4MPa和最大流量为342.6L/min流选择，溢流阀用上海东方YF -S型板式连接溢流阀。先导溢流阀的型号参数13如下表2-6。表2-6 YF-B50H4-S型板式连接溢流阀参数参数项目公称通径（mm）公称压力（MPa）公称流量（L/min）调压范围（MPa）参数值5021500721型号YF-B50H4-S型板式溢流阀的型号代码依次代表：YF-溢流阀代号；B-板式连接；S-上海型。通过上述选取的溢流阀参数与系统计算的参数对比，可知其公称压力和流量都符合系统所需要求，溢流阀的选型是合理的。四、插装阀的选型X先导油口，A、B调口图25插装阀插装阀是一种用小流量控制油来控制大流量工作油液的开关式。它是把作为主控元件的锥阀插装于油路块中，故此得名插装阀。该阀不仅能实现普通液压阀的各种要求，而且具有以下显著特点：1）通流面积大、内阻小，适应大流量工作；2）阀芯动作灵敏，响应快；3）阀口采用锥面密封，密封性能好，泄露小；4）结构简单，相对其他易于制作，且工作可靠，标准化程度高；5）便于液压系统集成，可以减少管路连接。此液压系统中，根据系统最大工作压力20.4MPa和最大流量为342.6L/min流选择插装阀为榆次油研LD32型插装阀。其参数如下表2-7。表2-7 榆次油研LD32型插装阀参数参数项目公称通径（mm）额定流量（L/min）最高使用压力（MPa）主阀面积比参数值3250031.52:1通过参数对比可知，选择榆次油研LD32型插装阀的额定流量和最高使用压力都符合系统的最大工作压力和最大流量要求，所以选择榆次油研LD32型插装阀是合理的。第3章 液压动力头的结构设计计算3.1 液压动力头总体结构方案的设计设计参数要求动力头额定最大工作扭矩不低于45kNm，且采用低速大扭矩驱动装置经一级减速装置驱动钻杆进行回转，本系统的减速机决定采用双驱式一级圆柱直齿轮减速器传动系统。采用双驱式可以使传动更加具有效率，传动比可以保证限定值，更便于轴的受力平稳。其液压动力头总体结构如图3-1所示。1液压传动装置，2小齿轮轴，3小齿轮轴透盖，4大齿轮，5、8键6输出轴，7箱盖，9法兰盘，10箱体图3-1 液压动力头总体结构简图其工作原理是：由两台对称布置的液压传动装置1通过与两个小齿轮轴2轴端花键连接驱动两个小齿轮转；小齿轮轴2通过齿轮传动带动中间的大齿轮4转动；大齿轮4通过键5与中间的轴6固定带动轴转动；而轴6通过键与法兰盘9固定，法兰盘9则将轴6与钻杆固定；由轴6带动钻杆转动，完成钻进工作，达到工作要求。3.2 减速器齿轮传动设计计算3.2.1 齿轮传动原理1液压传动装置，2法兰盘，3减速箱箱体4小齿轮轴，5大齿轮，6钻杆图3-2 液压动力头齿轮传动简图双驱式一级圆柱直齿轮减速箱传动系统由两个液压传动装置驱动小齿轮轴,带动中间大齿轮轴转动,从而在通过联轴器带动中空输出轴的部件转动,进而带动钻具进行工作。图3-2所示,此为液压动力头传动简图.其中液压传动装置（1）， 通过法兰（2）带动减速箱（3）内的小齿轮（4）转动，再通过齿轮传动带动大齿轮（5）转动；而大齿轮通过法兰盘固定连接钻杆（6），从而带动钻杆转动进行钻进工作，从而达到工作的要求。3.2.2 齿轮传动的参数计算为满足最大输出扭矩的要求，确定减速机的传动比为：ic=Tmax2Tej=45kNm25562Nm0.98=4.13选取小齿轮的齿数为26，则大齿轮齿数为z2=z1i=264.13=107.38，为了使各相啮合对磨损均匀，传动平稳，z2与z1 一般应该互为质数取z2=107；小齿轮转速取液压传动装置的最大值r=112r/min。由表可查,选取小齿轮材料为40 Cr (调质),硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢(调质)硬度为240HBS,二者硬度差为40HBS。按齿面接触强度设计由设计计算公式8进行试算，即d1t2.323KtT1di1i(ZEH)21）确定公式内的各个计算值（1）试选载荷系数为Kt=1.3（2）计算小齿轮传递转矩（3）查表选取齿宽系数为d=1（4）由表查得材料的弹性影响系数ZE=189.98 MPa1/2（5）按齿面硬度计算查的小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1=600 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim2=550 MPa；（6）查的接触疲劳寿命系数KHN1=0.90;KHN2=0.95（7）计算接触疲劳强度许用应力取失效概率为0.01，安全系数为S=1，由式得 H1=KHN1Hlim1S=0.9600=540 MPaH2=KHN2Hlim2S=0.95550=522.5 MPa2）计算（1）试算小齿轮分度圆直径d1t，带入数值得d1t2.323KtT1di1iZEH2=2.3231.342.6310515.134.13189.98522.52=224.68 mm（2）计算圆周速度=d1tn1601000=224.68112601000=1.32 m/s（3）计算齿宽bb=dd1t=1224.68=224.68 mm（4）模数 m t=d1t/z1=224.68/26=8.64齿高 h=2.25 m t=2.258.64=19.44 mmb/h=224.68/19.44=11.57（5）计算载荷系数根据圆周速度查的动载系数kv=1.12；直齿轮，查表得kH=kF=1.2；使用系数kA=1查得小齿轮非对称布置时，kH=1.12+0.181+0.6d2d2+0.2310-3b，带入数据得kH=1.45；故载荷系数为k=kAkvkHkH=1.948（6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由公式得d1=d1t3kkt=224.6831.9481.3=257.14 mm（7）计算模数 mm=d1/z1=257.14/26=9.89，圆整取m=102.按齿根弯曲强度设计由课本可知,弯曲强度的设计公式8为m32KT1dZ12(YFaYSaF)1) 确定公式内各个计算数值(1) 由课本图表查得小齿轮的弯曲疲劳极限FE1=500 MPa;大齿轮的弯曲疲劳极限FE2=380 MPa;(2) 由课本图表查得弯曲疲劳寿命系数kFN1=0.85; KFN2=0.88;(3) 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数为s=1.4;由公式得F1=kFN1FE1S=0.855001.4=303.57 MPaF2=kFN2FE2S=0.883801.4=238.86 MPa(4) 计算载荷系数 KK=K KAVkFkF=11.121.21.35=1.814(5) 查取齿形系数由课本表格可得, YFa1=2.85;YFa2=2.21(6) 查取应力校正系数由课本表格可知, YSa1=1.54;YSa2=1.77(7) 计算大小齿轮的YFaYSaF并加以比较YFa1YSa1F1=2.851.54303.57=0.014457YFa2YSa2F2=2.211.77238.86=0.01637其中比较可知,大齿轮的数值大2) 设计计算m32KT1dZ12YFaYSaF=321.81442.6310511920.01644 mm=8.89 mm对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算模数m大于由齿根弯曲强度计算得模数,由于齿轮模数m的大小取决于弯曲强度所决定的承载能力.而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径有关,可取弯曲强度算的模数m=8.89 mm,并就近圆整为标准值m=10 mm,按接触强度算得的分度圆直径d1=257.14 mm,可算得小齿轮的齿数为z1=d1m=257.1410=25.714,取齿数为26则大齿轮齿数为z2=4.1326=107.38,取z2=1073）几何尺寸的计算（1）计算分度圆直径d1=z1m=2610=260 mmd2=z2m=10910=1070 mm（2）计算中心距 a=d1+d22=260+10700.5=665 mm（3）计算齿轮宽度b=dd1=1260=260 mm取B2 =260 mm,B1=270 mm4) 验算Ft=2T1d1=242.63105260=25792.3 NKAFtb=125792.3260=99.2 N/mm100 N/mm验算可知，选择是合格的。3.3 箱体尺寸的确定 通过对齿轮减速箱内部齿轮的设计计算，根据传动装置的运动简图和计算得来的齿轮直径、中心距，参考同类减速器图纸11，对减速箱的外形尺寸进行估计，合理对减速箱进行布局。根据机械设计基础课程设计10等资料，对液压动力头减速箱的箱体尺寸9进行确定，其中a为中心距a=665 mm，各个箱体部位尺寸列于下表3-1。表3-1 液压动力头减速箱箱体结构尺寸参数表名称符号尺寸（mm）箱座壁厚=0.025a+，=320箱盖壁厚1=0.02a+18箱座凸缘厚度b=1.530箱盖凸缘厚度b1=1.5127箱底座凸缘厚度b2=2.550箱座加强肋厚m=0.8517箱盖加强肋厚m1=0.851153.4 输出轴的设计计算及校核3.4.1 轴的基本参数计算1)轴上的基本参数功率pp=p1=920.97=89.24 kW其中 p1为钻杆理论输出功率kW； 为轴承效率;转速n通过前面计算可知,钻杆最大转速为24 r/min,最小转速为 18.5 r/min.转矩TT=9 550 000pn=35.5105 Nmm2)轴上作用力的分析因已知大齿轮的分度圆直径为d2=mtz2=10107=1070 mmFt=2Td2=235.51051070=7894.4 N由于此为直齿轮传动减速箱,则径向力FrFr=Fttan=7894.4tan23.22=2873.5 N轴向力为FaFa=Ftcos=7894.4cos23.22=8398.3 N其中为齿轮啮合角3)初步确定轴上最小径先按相关资料8查询公式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为40Cr,根据课本表格选取A0=112,于是得dmin=A03pn=112389.2424=173.5 mm式中，P为轴所传递的功率，kW；N为轴的转速，r/min；A0为由材料的许用扭矩应力所确定的系数，其值机械设计8内相关表格查找。3.4.2 轴的结构设计轴的结构设计是在初算轴径的基础上进行的。为满足轴上零件的定位、紧固要求和便于轴的加工和轴上零件的装拆，通常将轴设计成阶梯轴。轴的结构设计的任务是合理确定阶梯轴的形状和全部结构尺寸。(1)拟定轴上零件的装配方案10如图3-3。1输出轴，2法兰盘，3密封圈，4、6、8、10套筒，5、9圆柱滚子轴承，7大齿轮轴图3-3 轴的结构与装配（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度A）轴上装有大齿轮7、法兰盘2处的直径，如图4-1中的DE和BC段的直径应该取标准值，其中DE段的直径为d=270mm，其长度则应取安装尺寸，长度定为l=280mm，而其中的BC段是法兰盘，则其取标准直径为d=235mm，必须要经前面的套筒定位，在组合法兰盘的长度尺寸可取其长度为l=340mm。b）轴上装有密封元件3和轴承元件5处得直径如CD、EF、BC段直径，则应该与密封元件和轴承元件的内孔径尺寸一致，以保证能选取标准值的标准件。否则不能达到最佳的配合，选用的标准密封元件和轴承也起不到相应的作用，而自制的元件代价太高，也不合理。其中CD、EF段都有轴承，应尽量采用相同型号，便于轴承座孔的加工。所以CD和EF段的直径选用d=240mm，其中CD段的长度应该考虑到轴承和箱体配合尺寸，所以其轴承定位的套筒6和套筒8的尺寸尤为重要，综合考虑选取长度l=380mm，而EF段也有类似的问题，都要考虑到安装尺寸，所以EF段选取长度l=100mm。c）而最后的FG段是应该与混凝土输送管道配合的，需要相当精密的密封和配合，这样才能既达成配合大众化的泵送机，