【正文】 .................................................................. 40 附錄Ⅲ外文翻譯 .......................................................................................................... 41 中南大學(xué)本科生論文 I 摘要 近年來，隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，環(huán)保和節(jié)能已經(jīng)是工程建設(shè)中必須要慎重考慮的。本文通過對(duì)傳統(tǒng)長螺旋鉆機(jī)的鉆進(jìn)系統(tǒng)分析對(duì)比，確定了更加符合 CFG 工法的液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)參數(shù)方案。本文全新的液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭方案，對(duì)長螺旋鉆機(jī)鉆進(jìn)系統(tǒng)的進(jìn)一步研究與開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。 該機(jī)包括液壓步履樁架和鉆進(jìn)系統(tǒng)兩部分。鉆進(jìn)系統(tǒng)包括動(dòng)力頭與鉆具，動(dòng)力頭的輸出軸與螺旋鉆具為中空式，樁機(jī)采用長螺旋成孔，可通過鉆桿中心管將混凝土或泥漿進(jìn)行泵送混凝土 CFG樁施工，即能鉆孔成孔 一 機(jī)一次完成，也可用于干法成孔、注漿置換改變鉆具后還可采取深層攪拌等多種工法進(jìn)行施工。 立柱為折疊式，采用箱形截面結(jié)構(gòu)型式， 法蘭 連接方式。動(dòng)力頭可沿滑道上下滑動(dòng)托運(yùn)時(shí)可拆卸。由動(dòng)力頭產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)，在自重力作用下將鉆頭壓入土壤實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn) 。 樁架主要起固定鉆孔執(zhí)行裝置、鉆進(jìn)導(dǎo)向及行走移動(dòng)、機(jī)身調(diào)平的功能。 長螺旋鉆機(jī)鉆進(jìn)原理 長螺旋鉆進(jìn)的原理與麻花鉆相似，由鉆頭和擁有連續(xù)螺旋葉片的鉆桿組成鉆具。 長螺旋 鉆 孔 成樁 是 一 種 無泥 漿 循環(huán) 干 作業(yè) 環(huán) 保型施 工 技 術(shù) ,主要適應(yīng)于地下水位以上的粘性土層 、 砂土層和 小 粒徑卵 礫 石 地層 。長螺旋鉆孔機(jī)是鉆孔灌注樁施工機(jī)械 的主要機(jī)種，由于其具有連續(xù)輸土，施工效率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)這種鉆機(jī)施工無振動(dòng)、無噪聲污染的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，所以在各種成孔灌注樁施工機(jī)械中，它最被人們所看中。憑借這些優(yōu)點(diǎn)，長螺旋鉆進(jìn)施工方法在城市建筑中獲得了廣泛的運(yùn)用。近年來，由于現(xiàn)今人們環(huán)保意識(shí)的提高，過去基礎(chǔ)施工經(jīng)常使用的柴油錘，振動(dòng)錘受到了限制，而在大中城市使用的也越來越少；特別是 超流態(tài)工法 CFG 樁基礎(chǔ)工樁方法的推廣，更加促進(jìn)了長螺旋鉆機(jī)在我國迅速發(fā)展。樁體與樁間土體共同作用，組成水泥粉煤灰樁復(fù)合地基。 這和國外稱為 CFA工法的樁基礎(chǔ)施工比較相似。 2）進(jìn)度穩(wěn)定，控制措施完善，工期保證性強(qiáng)。施工操作較為簡便 .。 動(dòng)力頭的 技術(shù) 現(xiàn)狀 與展望 動(dòng)力頭是 能實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并且有自動(dòng)工件循環(huán)的動(dòng)力部件。這樣 機(jī)械施工 能 使 效率達(dá)到最大化，還能避免電機(jī)燒壞。雖然其具有優(yōu)越的性能，但由于中南大學(xué)本科生論文 5 其價(jià)格昂貴，至今國內(nèi)還未見引進(jìn)國外該類動(dòng)力頭進(jìn)行長螺旋鉆進(jìn)施工 。 長螺旋鉆機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng) 動(dòng)力頭的最主要缺點(diǎn) [3]是： 1） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆具轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不便。 在施工中，長螺旋鉆進(jìn)經(jīng)常會(huì)因某些原因在深層土壤中停鉆或卡鉆，再重新啟動(dòng)時(shí)需要的扭矩較大 。特別是在帶負(fù)載啟動(dòng)時(shí)更加惡劣，在施工中經(jīng)常出現(xiàn)電網(wǎng)不能承受的現(xiàn)象。 5） 質(zhì)量大， 成本高 (由于 三環(huán)減速機(jī)為專利技術(shù)產(chǎn)品，價(jià)格很高 )。 在同等體積下能比產(chǎn)生更多的動(dòng)力，在同等的功率下，液壓裝置曲體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊；液壓裝囂工作比較平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和頻繁的換向；能在較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)中南大學(xué)本科生論文 6 速；易于實(shí)現(xiàn)制動(dòng)化；易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。 長螺旋鉆機(jī)的動(dòng)力頭 如果 采用液壓驅(qū)動(dòng)， 其 與電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭相比具有非常大的優(yōu)勢(shì)和潛力 ，其主要優(yōu)點(diǎn) [3]有： 1） 、液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速極為方便。在施工中，長螺旋鉆進(jìn)經(jīng)常會(huì)因某些原因在深層土壤中停鉆或卡鉆，再重新啟動(dòng)時(shí)需要的扭矩較大 。 4）液壓驅(qū)動(dòng)對(duì)于地質(zhì)條件適宜性高。 6）、液壓動(dòng)力頭價(jià)格相對(duì)低廉。液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭可使能源系統(tǒng)移至機(jī)身，向大功率發(fā)展比較方便。設(shè)計(jì)要求是 設(shè)計(jì)液壓動(dòng)力頭整體結(jié)構(gòu)，采用低速大扭矩馬達(dá)經(jīng)一級(jí)減速裝置驅(qū)動(dòng)鉆桿 進(jìn)行 回轉(zhuǎn) ，以及對(duì)液壓動(dòng)力頭的液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)液壓參數(shù)的計(jì)算和元件的選型。 中南大學(xué)本科生論文 8 第 2章 液壓動(dòng)力頭 的 液壓系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 液壓動(dòng)力頭 液壓系統(tǒng) 方案的設(shè)計(jì) 液壓動(dòng)力源方案的設(shè)計(jì) 由于工程機(jī)械的裝機(jī)容量非常大，為了節(jié)約能源和提高效率 ，在其主傳動(dòng)液壓控制系統(tǒng)中應(yīng)該盡量避免功率損失嚴(yán)重的節(jié)流調(diào)速，節(jié)流調(diào)速 效率較低，只適合負(fù)載變化不大的回路。 在恒流量液壓系統(tǒng)中，由于定量泵的流量固定，不能在負(fù)荷 壓力 p 的變化使 做出相應(yīng)的變化 (見圖 22)，負(fù)荷小時(shí)不能提高作業(yè)速度，功率得不到充分利用，從而浪費(fèi)了資源也不利于效率的提高。 a) 流量特性 b）功率特性 圖 23 壓力補(bǔ)償泵特性曲線 根據(jù)上圖對(duì)比信息可知， 壓力補(bǔ)償變量泵 [6]的 壓力和流量變化如 ABCD 線段所示，其中 CD 直線由系統(tǒng)調(diào)定壓力決定。 (2) 恒功率變量液壓泵經(jīng)常在滿負(fù)荷狀態(tài)下工作，原動(dòng)機(jī)功率利用更加充分。由于電機(jī)的輸出扭矩小，所以必須要用大減速比的三環(huán)減速機(jī)才能保證工作扭矩。 為了簡化結(jié)構(gòu)和節(jié)省成本以及保證液壓驅(qū)動(dòng)需求， 液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭減速機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備采用一級(jí)直齒輪減速器來實(shí)現(xiàn)。 設(shè)計(jì)參數(shù)要求最大輸出扭矩不低于 45 KN進(jìn)口的低速大扭矩液壓馬達(dá)雖然故障率低、壽命長，但是其價(jià)格很高，在我國現(xiàn)有市場(chǎng)條件下不利于推廣。為了減少本系統(tǒng)的功率損失，所以采用 4個(gè)二通插裝閥與一個(gè)小通徑的三位四通換向閥組成先導(dǎo)式插裝閥控制系統(tǒng)，作為液壓系統(tǒng)主油路換向的控制元件。當(dāng)換向閥 W 處于 W1 位的時(shí)候， Z1 和 Z3 號(hào)插裝閥的控制腔繼續(xù)通入壓力油液，閥芯仍然關(guān)閉，而 Z2和 Z4 號(hào)插裝閥的控制腔通油箱，閥芯打開，主油路通流，液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)鉆桿正轉(zhuǎn)。在主油路不工作時(shí) 閥 X不通電，溢流閥 E的先導(dǎo)油口直接接通油箱，系統(tǒng)處于卸荷狀態(tài)。 表 21 各種型號(hào)液壓傳動(dòng)裝置性能特性 型號(hào) 額定壓力 減速比 流量 轉(zhuǎn)速 范圍 鉆桿最大轉(zhuǎn)速 電機(jī)及泵數(shù)量 價(jià)格 可靠性 IHM111300 高 大 大 大 大 多 貴 低 XQM162400 低 小 大 大 大 多 貴 低 IYH35900 較低 小 大 大 大 多 貴 高 IQJM32 較高 較大 較小 較大 大 少 便宜 低 IY32250 較低 小 較小 較小 小 少 便宜 高 通過上表對(duì)比綜合 分析的結(jié)果，可以看出在這樣的一個(gè)液壓系統(tǒng)中，選擇IY32250 型液壓傳動(dòng)裝置是性能最為合理的。 查詢 IY32250 型液壓傳動(dòng)裝置的技術(shù)參數(shù) [13]，其參數(shù)如表 22。 m； j? 減速機(jī)的機(jī)械效率 。 液壓 動(dòng)力源 的計(jì)算選型 一、 電機(jī)的計(jì)算選型 根據(jù) 給定設(shè)計(jì)參數(shù)動(dòng)力頭最大工作扭矩不小于 45 KN 其轉(zhuǎn)速則是根據(jù)系統(tǒng)所需的最大流量供應(yīng)來選擇 的 。 液壓泵的輸出壓 力應(yīng)是執(zhí)行元件所需壓力與配管的壓力損失和控制閥的壓力損失之和。如果每個(gè)循環(huán)中都發(fā)生沖擊奪力，泵的壽命會(huì)顯著縮短，甚至損壞。 m) 理論功率（ kW） 參數(shù)值 1500 421 液壓泵出口到 液壓傳動(dòng)裝置 入口之間總的管路 壓力 損失 取 為 =1MPa，在變流量時(shí)認(rèn)為其為恒定值。 m。所以此系統(tǒng)壓力補(bǔ)償泵的選擇是合理的。 一、 換向閥的選型 換向閥使用時(shí)的壓力、流量不要超過制造廠樣本的額定壓力、額定流量，否則液壓卡緊現(xiàn)象往往引起動(dòng)作不良。 此液壓動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)中，電磁換向閥 W是用來控制液壓泵對(duì)于液壓傳動(dòng)裝置的進(jìn)油方向，達(dá)到對(duì)鉆桿的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制。 通過上述參數(shù)對(duì)比可知其 公稱壓力完全符合系統(tǒng)要求的值， 三位四通換向閥的 選 型 是合理的。流量越小，開啟壓力越高，油中含氣越多，則越容易振動(dòng)。 表 25 DIFL32HaS 型單向閥參數(shù) 參數(shù)項(xiàng)目 公稱通徑（ mm） 公稱壓力（ MPa） 公稱流量（ L/min） 正向開啟壓力（ MPa） 參數(shù)值 32 21 200 型號(hào) DIFL32HaS型的直通單向閥 的型號(hào)代碼依次為： DIF直通單向閥代號(hào) ；中南大學(xué)本科生論文 18 L螺紋式連接 ； S上海型 。 啟閉特性是選用溢流閥時(shí)要考慮的重要因素。在負(fù)載激烈變化下，希望溢流閥既響應(yīng)快又穩(wěn)定。 先導(dǎo)溢流閥的型號(hào) 參數(shù) [13]如下表 26。它是把作為主控元件的錐閥插裝于油路塊中，故此得名插裝閥。 表 27 榆次油研 LD32型插裝閥參數(shù) 參數(shù)項(xiàng)目 公稱通徑（ mm） 額定流量（ L/min） 最高使用壓力（ MPa） 主閥面積比 參數(shù)值 32 500 2:1 通過參數(shù)對(duì)比可知，選擇 榆次油研 LD32型插裝閥的額定流量和最高使用壓力都符合系統(tǒng)的最大工作壓力和最大流量要求，所以選擇榆次油研 LD32型插裝閥是合理的。 1— 液壓傳動(dòng)裝置， 2— 小齒輪軸， 3— 小齒輪軸透蓋， 4— 大齒輪， 8— 鍵 6— 輸出軸， 7— 箱蓋， 9— 法蘭盤， 10— 箱體 圖 31 液壓動(dòng)力頭 總體 結(jié)構(gòu)簡圖 中南大學(xué)本科生論文 21 1— 液壓傳動(dòng)裝置， 2— 法蘭盤， 3— 減速箱箱體 4— 小齒輪軸， 5— 大齒輪， 6— 鉆桿 圖 32 液壓動(dòng)力頭齒輪傳動(dòng)簡圖 其工作原理是： 由兩臺(tái)對(duì)稱布置的液壓傳動(dòng)裝置 1 通過與兩個(gè)小齒輪軸 2軸端花鍵連接 驅(qū)動(dòng) 兩個(gè)小齒輪轉(zhuǎn)；小齒輪軸 2 通過齒輪傳動(dòng) 帶動(dòng)中 間 的大齒輪 4轉(zhuǎn)動(dòng)；大齒輪 4 通過鍵 5 與中間的軸 6 固定帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；而軸 6 通過鍵與法蘭 盤9 固定，法蘭盤 9 則將軸 6 與鉆桿固定；由軸 6 帶動(dòng)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，完成鉆進(jìn)工作，達(dá)到工作要求 。 由表可查 ,選取小齒輪材料為 40 Cr (調(diào)質(zhì) ),硬度為 280HBS,大齒輪材料為 45鋼 (調(diào)質(zhì) )硬度為 240HBS,二者硬度差為 40HBS。 (2) 由課本圖表查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 。 中南大學(xué)本科生論文 26 箱體尺寸的確定 通過對(duì)齒輪減速箱內(nèi)部齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算，根據(jù)傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)簡圖和計(jì)算得來的齒輪直徑、中心距，參考同類減速器圖紙 [11]，對(duì)減速箱的外形尺寸進(jìn)行估計(jì)，合理對(duì)減速箱進(jìn)行布局。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在初算軸徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 中南大學(xué)本科生論文 28 1— 輸出軸， 2— 法蘭盤， 3— 密封圈， 10— 套筒 ， 9— 圓柱滾子軸承， 7— 大齒輪軸 圖 33 軸的結(jié)構(gòu)與裝配 （ 2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 A） 軸 上裝有 大 齒輪 法蘭 盤 2 處的直徑，如圖 41 中的 DE 和 BC 段的直徑應(yīng)該取標(biāo)準(zhǔn)值，其中 DE 段的直徑為 d=270mm， 其長度則應(yīng)取安裝尺寸， 長度定為 l=280mm，而其中的 BC 段是法蘭盤，則其取標(biāo)準(zhǔn)直徑為 d=235mm，必須要經(jīng)前面的套筒定位，在組合法蘭盤的長度尺寸可取其長度為 l=340mm。所以 CD 和 EF 段的直徑選用 d=240mm，其中 CD 段的長度應(yīng)該考慮到軸承和箱體配合尺寸，所以其軸承定位的套筒 6 和套筒 8的 尺寸尤為重要，綜合考慮選取長度 l=380mm，而 EF 段也有類似的問題，都要考慮到安裝尺寸，所以 EF段選取長度 l=100mm。 中南大學(xué)本科生論文 29 e）為了降低應(yīng)力集中，軸肩處的過渡圓角不宜過小，此處得圓角選取 R5而用作零件定位的軸肩，零件配合處得倒角應(yīng)該大于軸肩處的過渡圓角半徑，以保。 d） 最后， AB段是用來與鉆桿相連接的，其直徑也應(yīng)該選用標(biāo)準(zhǔn)值，只有這樣才能與標(biāo)準(zhǔn)的鉆桿聯(lián)接，所以其直徑選用 d=200 mm，而其長度則要保證與鉆桿聯(lián)接 緊密的 需求。否則不能達(dá)到最佳的配合，選用的 標(biāo)準(zhǔn) 密封元件和軸承也起不到相應(yīng)的作用 ，而自制的元件代價(jià)太高，也不合理 。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是合理確定階梯軸的形狀和全部結(jié)構(gòu)尺寸。 表 31 液壓動(dòng)力頭減速箱箱體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表 名稱 符號(hào) 尺寸 （ mm） 箱座壁厚 ， 20 箱蓋壁厚 18 箱座凸緣厚度 30 箱蓋凸緣厚度 27 箱底座凸緣厚度 50 箱座加強(qiáng)肋厚 17 箱蓋加強(qiáng)肋厚 15 輸出 軸的 設(shè)計(jì) 計(jì)算 及校核 軸 的 基本參數(shù) 計(jì)算 1)軸上的基本參數(shù) 功率 p 其中 為鉆桿理論輸出功率 kW； 為軸承效率 。 (3) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)為 。KHN2= （ 7）計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力 取失效概率為 ，安全系數(shù)為 S=1，由式得 2）計(jì)算 中南大學(xué)本科生論文 23 （ 1）試算小齒輪分度圓直徑 d1t，帶入數(shù)值得 （ 2）計(jì)算圓周速度 （ 3）計(jì)算齒寬 b （ 4）模數(shù) m t= / 齒高 h= m t= b/h=（ 5）計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)圓周速度查的動(dòng)載系數(shù) =； 直齒輪