旋挖钻机及变幅机构结构设计摘要随着全球经济的高速发展以及改革开放的逐步深化，基本建设范围的持续拓宽，旋挖钻机是一种多功能、高效率的灌注桩成孔设备，被广泛应用于水利工程、高层建筑、城市交通建设、铁路公路桥梁等桩基础工程的施工。
旋挖钻机能适应我国大部分地区的地质条件，成为适合建筑基础工程中成孔作业最理想的施工机械。
本课题在充分调研了国内外钻孔设备的实际应用前提下，了解和分析国现有的大型钻孔装备的技术特点，提出了旋挖钻机总体设计方案，完成了旋挖钻机主要部件的选取及变幅机构的结构设计。
在设计中引入CAD绘图技术，利用Pro/e软件建立了旋挖钻机变幅机构的三维模型，使其实体化、可视化，缩短了设计周期。
最后通过虚拟样机仿真Pro/e软件对旋挖钻机变幅机构进行了动力学仿真和分析，得到了变幅机构在变幅过程中各构件运动状态，确保所设计的机械结构满足使用要求。
关键词旋挖钻机；变幅机构；结构设计目录摘要 (I)第1章绪论 (1)1.1 课题背景研究的目的及意义 (1)1.2 国内外旋挖钻机的研究现状 (1)1.2.1 国内研究现状 (1)1.2.2 国外研究现状 (2)1.3 本论文主要工作内容 (3)1.4 本章小结 (4)第2章旋挖钻机总体设计 (1)2.1 旋挖钻机工作原理 (1)2.2 结构总体设计 (1)2.2.1 设计要求 (2)2.2.2 主要技术参数 (2)2.2.3 总体布置 (3)2.3 运动分析 (3)2.3.1 钻孔运动 (4)2.3.2 升降运动 (5)2.3.3 变幅运动 (6)2.3.4 上车回转运动 (8)2.4 动力分析 (8)2.4.1 旋挖钻斗动力 (8)2.4.2 回转机构动力 (9)2.4.3 变幅机构动力 (11)2.5 本章小结 (13)第3章旋挖钻机总体设计 (14)3.1 旋挖钻机工作主要原件选型 (14)3.2 动力头机构 (14)3.3 变幅机构 (15)3.4 卷扬机构 (16)3.5 本章小结 (17)第4章旋挖钻机总体设计 (18)4.1 三维设计简介 (18)4.2 Pro/ENGINEER简介 (18)4.3 变幅机构三维仿真 (19)4.3.1 零件模型建立 (19)4.3.2 装配模型建立 (20)4.4 本章小结 (21)结论 (23)参考文献 (24)致谢 (25)第1章绪论1.1课题背景研究的目的及意义本课题在充分调研了国内外钻孔设备的实际应用前提下，了解和分析国现有的大型钻孔装备的技术特点，提出了旋挖钻机总体设计方案，完成了旋挖钻机主要部件的选取及变幅机构的结构设计。
在设计中引入CAD绘图技术，利用Pro/e软件建立了旋挖钻机变幅机构的三维模型，使其实体化、可视化，缩短了设计周期。
最后通过虚拟样机仿真Pro/e软件对旋挖钻机变幅机构进行了动力学仿真和分析，得到了变幅机构在变幅过程中各构件运动状态，确保所设计的机械结构满足使用要求[1]。
1.2国内外旋挖钻机的研究现状1.2.1国内研究现状旋挖钻机在二战以前首先在美国卡尔维尔特公司问世，二战之后在欧洲得到发展，1948年意大利迈特公司首先开始研制，接着意大利、德国开始发展，到了70～80年代在日本得到快速发展，当时日本称之为回转斗成桩，也叫阿司特利工法（EarthDriII），在德国、日本这类工法相当普遍。
我国在80年代初从日本引进过工作装置，配装在KH-125型履带起重机上。
1984年，天津探矿机械厂引进美国RDI公司的旋挖钻机并进行消化吸收。
1987年在北京展览馆首次展出了意大利土力公司（SOILMEC）产品，1988年北京城建机械厂根据土力公司的样机开发了1.5m直径的履带起重机附着式旋挖钻机。
1994年郑州勘察机械厂引进英国BSP公司附着式旋挖钻孔机的生产技术，但都没有形成批量生产。
1992年宝峨公司在中国北京设立了代表处，开始了对华业务．并于1995年在天津成立了独资子公司宝峨天津机械工程有限公司，组装适合中国市场的宝峨BG20型旋挖钻机。
1998年在上海又成立了中德合资上海宝峨金泰工程机械股份有限公司，生产组装BG15型、BG24型旋挖钻机。
1998年，徐工集团开始自主开发研制RD18旋挖钻机，于99年试制成功并投入批量生产，最近几年我国旋挖钻机取得了快速发展。
后来，北京经纬巨力、三一重机等也纷纷涉足旋挖钻机的生产，目前国内外生产旋挖钻孔机厂商有近二十家。
随着我国经济的发展，给基础工程市场带来了巨大的发展机遇。
被称为“五大世纪工程”的三峡工程、西气东输、西电东送、南水北调、青藏铁路等工程的建设；国家西部大开发战略的实施，使西部地区的高速公路建设及城市建设工程量剧增；以北京为主的几个奥运城市进行了大规模的城市建设及奥运场馆的建设。
这一系列重大事件，使得近年来基础工程市场达到了前所未有的规模。
与普通的基础工程相比，这些工程有着其不同的特点，如工程量大、持续时间长；对环保要求严格，西部大开发要保护生态环境，奥运工程的建设不能对城市环境造成污染等；工程进度不能拖延，等等。
这些特点对基础工程施工技术提出了更严格的要求，一般情况下采用常规的施工技术是很难满足这些要求的，而必须采用先进的施工设备和技术。
在这些工程的建设中，旋挖钻进技术的应用越来越多，在青藏铁路及奥运主场馆的建设中甚至全部采用的是旋挖钻进技术[2]。
国产旋挖钻机目前存在的主要问题：首先表现在整体的液压系统与配置还达不到国外产品的先进水平，特别是与世界先进水平的旋挖钻机相比还存在很大差距。
国外的优质产品液压系统一般都采用恒功率系统或负荷传感系统，液压元件采用国际先进成熟的产品。
其次，国产旋挖钻机的关键件如钻杆，特别是机锁式加压钻杆还不能满足主机的要求，主要原因是国产钢管在钢管加工时，圆度和直线度达不到设计要求，无论是强度还是精度都不能满足要求；钻杆的加工工艺还处在摸索之中，焊接质量不能保证，焊后易变形，而且钻杆变形难以调整。
再其次，一些国产旋挖钻机的整机外观及操作室内仪表盘的布置不如国外产品。
国外的旋挖钻机有的装有全电脑操作系统，使操作手能实时掌握钻进深度、钻架垂直度，保证钻孔准确到达设计深度和保持良好的垂直度；实时掌握各系统工作情况，便于及时采取维修措施，保证钻机正常运转。
而目前，大部分国产旋挖钻机的钻杆牙嵌与动力头啮合情况和钻杆状态均无显示功能，操作手只能凭经验判断。
施工中，旋挖钻机在进行钻孔作业时，有一个钻—提升—回转—抛土—再回转至原孔口—对准—再钻进的过程。
国产旋挖钻机因没有回位定位功能，所以在对准时耗费相当多的时间和精力，而且，人工对准精度低[3]。
国内近年来利用各种方式和途径，在消化吸收国外先进技术的基础上，创新，相继开发了多种型式的旋挖钻机，如湖南山河、徐工集团等开发的专用底盘旋挖钻机;三一重机等开发的挖掘机底盘旋挖钻机。
而在动力方面，大部分都是采用了与卡特彼勒底盘配套的卡特彼勒发动机，或选用康明斯、沃尔沃的发动机。
液压元件等关键部件也都是选用世界知名品牌产品。
国产旋机整体水平虽然与国外产品还有一定差距，但已经完全满足国内基础工程施工的需要，加上格优势明显，所以从2003下半年开始，国内旋挖钻机市场已经进口机变为以国产机为主。
1.2.2国外研究现状国外目前旋挖钻机的在国内的公司主要有：德国宝峨公司，其产品系列为BG12～BG25；意大利土力公司，其产品为R412～R618；MAIT公司的HR130～HR240；IMT公司的AF6～AF50；CMV公司的TH12～TH25等。
国外产品最大扭矩可达360kN·m，发动机功率达448kW，钻孔直径可达4m，钻孔深度90余米等，品牌主要集中于土力、宝峨、意马、麦特、卡萨格兰第、巨力、日本产小扭矩旋挖钻机[4]。
国外旋挖钻机的优势，国外的旋挖钻机的钻杆牙嵌与动力头啮合情况和钻杆状态有显示功能。
钻杆牙嵌是极易磨损的(特别是在啮合不彻底的情况下)，磨损后的修复也是非常麻烦的。
以往操作者只能凭自己的经验来感觉啮合情况，所以对操作者的熟练程度的要求很高。
在钻孔作业时，钻孔深度通常达几十米，由于地质情况、钻杆与钻杆、钻杆与钻头连接等方面的原因，造成钻杆、钻头脱落在孔内的事故，给施工单位造成很大的损失。
钻杆状态的显示功能，为操作者提供一个可视的钻杆，方便了操作者，可有效避免事故的发生。
国外的旋挖钻机采用电液比例伺服控制系统、PLC、CAN总线控制等，提高了定位钻孔精度，具有钻孔深度的自动化检测，荧光屏显示功能等，当钻机发生倾斜时，钻机会自动报警，并进行自动调整。
采用能显示多种信息的多功能液晶显示器，能进行钻机控制、自动垂直调平、回转倒土控制、发动机的监控、钻孔深度测量及显示、车身工作状态动画显示及虚拟仪表显示、故障检测与报警等信息的显示。
钻机的设计充分考虑操作人员的安全，并采取了一些措施，如驾驶室前窗配有FOPS；卷扬的高度限位；驾驶室内操作台安全控制；发动机、液压等参数显示、报警等。
在控制功能上普遍采取和专业厂合作或自己开发专用控制器和控制软件。
国外钻机发展趋势具体表现在以下几个方面。
1．多功能模块化只需要选择不同的工作附件，便可做到一机多用。
钻机采用的是多用途模块式设计，可与连续墙抓斗、长螺旋等配合使用。
动力头为双作用驱动箱，既可进行钻孔，又能安放套管，一机多用。
2．机电一体化采用电液比例伺服控制系统，国外产品大都实现了负载反馈的自动控制。
3．控制可视化、智能化具有钻孔深度、钻桅垂直度自动化检测、荧屏显示，提高了定位钻孔精度。
并显示、记录、打印成桩的外形，大大提高了成桩质量。
4．实时监测采用孔深、发动机、油压、主副卷扬拉力等参数的自动化检测，荧光屏显示。
5．安全措施驾驶室前窗配有防坠物保护、卷扬的高度限位、驾驶室内操作台安全控制、发动机参数显示、液压参数显示、报警等。
1.3本论文主要工作内容本课题以旋挖钻机为研究对象，通过对旋挖钻机接的国内外设备状况的调研，确定旋挖钻机的钻机及变幅机构的结构[5]。
初步确定本课题对以下几个方面进行了研究和探讨，具体工作内容如下：l.调研、收集旋挖钻机相关设计信息，根据旋挖钻机的工作要求和工作环境，提出旋挖钻机的总体设计构思。
2.对结构进行整体设计，在机械结构整体方案基础上，数据进行选定。
3.根据总体设计，计算变幅机构相关数据。
4.对变幅机构进行三维建模。
5.整理资料、撰写毕业论文。
1.4本章小结本章主要介绍了旋挖钻机的发展历史与功用以便我们更好的深入研究。
本课题以旋挖钻机为研究对象，通过对旋挖钻机接的国内外设备状况的调研，确定旋挖钻机的钻机及变幅机构的结构。
初步确定本课题对以下几个方面进行了研究和探讨确保所设计的机械结构满足使用要求。
第2章旋挖钻机总体设计2.1旋挖钻机工作原理旋挖钻机钻进成孔工艺旋挖成孔，首先是通过钻机自有的行走功能和桅杆变幅机构使得钻具能正确的就位到桩位，利用桅杆导向下放钻杆将底部带有活门的桶式钻头置放到孔位，钻机动力头装置为钻杆提供扭矩、加压装置通过加压动力头的方式将加压力传递给钻杆钻头，钻头回转破碎岩土，并直接将其装入钻头内，然后再由钻机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土、卸土，直至钻至设计深度[6]。