多功能钻机变幅机构毕业设计.doc

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1、摘要 目前国内的多功能钻机主要是进行钻孔、锚固孔、坑道施工、隧道施工、道路施工，露天采矿等施工任务。国内多功能钻机不能很好的适应在不同的施工环境下进行不同的施工作业。国内部分单位引进了国外车载全液压动力头顶驱钻机，在实际使用过程中显示了其优越性，但价格比较高，配件供应周期长，使钻机的保养维修出现一些困难。因此需要有研发出具有自主知识产权，能够适应各种不同的施工环境，高效率的多功能钻机。针对上述问题，本论文通过在对多功能钻机变幅机构工作要求和设计要求研究的基础上，对几种典型已有的较为先进的多功能钻机变幅机构性能的对比，选择了一种较好的设计方案，并对其中的变幅油缸、回转支承、涡轮蜗杆等机构进行了详

2、细的设计，设计出了一种变幅范围大结构稳定的多功能钻机。关键字：多功能钻机；变幅机构，回转支承；变幅油缸Abstract At present, the main multi-purpose drilling rig is drilling, anchor holes, tunnel construction, tunnel construction, road construction,suirface mining and so on .Practice shows that the multi-function rig is not well adapted in different en

3、vironments with different construction sf the construction work. Some units of the introduction of foreign domestic vehicle hydraulic power head drive drilling rig, shown in the actual use of its advantages,but the price is relatively high, spare parts supply cycle is long, so that maintenance of dr

4、illing rig has some difficulties. Therefore, developed with independent intellectual property rights is needed, able to adapt to a variety of different construction environment, efficient multi-purpose rig .according to the above problem, this paper based on the study of the job requirements and des

5、ign requirements multi-function rig luffing mechanism , with several typical existing advanced luffing mechanism of the multi-function rig performance contrast, chose a better design, and for the luffing cylinder, slewing bearing, such as turbine worm mechanism has carried on the detailed design, de

6、sign a wide range of structure stability of the multi-function rig.Keywords:multi-functional;rig; Luffing mechanism;SM-5第1章 绪论1.1 课题研究的背景 改革开放以来，随着我国经济的迅速发展，我国在工业化发展道路上取得了长足的进步，其中在基础建设方面也取得了巨大的成就，然而伴随着这些发展的同时我们也遇到了不少的问题。近年来我国大规模修建铁路，从2009年到2020年铁路建设投资规模将突破5万亿元，这么大规模基础设施建设过程中所面临的地质勘探难度也越来越高，不少隧道都埋超过5

7、00m的地下，勘探设计所面临的困难也越来越高，而由于当前所用设备达不到勘测所需满足的要求，这就直接导致了勘测准确性不高，因此做好超前地质探测在隧道施工过程中的重要性也越来越突出。目前隧道、地铁的工程施工过程中的安全性虽然已经有了较大的改善，但是施工中所面临的安全形势依然不容乐观，而且并没有从根本上改变安全基础工作薄弱的局面，隧道施工安全问题尤其突出，如果在施工过程中能够应用一种集隧道管棚，隧道注浆，隧道救援，地质灾害治理等功能于一身的工程机械，将可有效减小施工安全事故的发生。自二十世纪九十年代后期以来，地源热泵空调技术在国内的工程应用逐渐增多，后来地热泵空调技术又被中美两国纳入其可再生能源和能

8、源效率合作项目中，使这一技术的应用得到进一步的推广。我国地源热泵空调技术大多数一浅层地温为地热来源，而在地源热泵空调工程施工过程中，在工程施工造价中地埋管井施工站着较大的分量。同时地埋管井施工具又具有如下特点:钻孔密度大、质量要求高、数量多、工期紧的特点，因此，开发一款能够有效满足地埋管孔工程的施工需求，并兼顾锚固施工、工程勘查等施工工艺要求的高效、轻型、适用于冲击、回转等钻进工艺的多功能钻机显得很有必要。在现在的基础设施建设以及在各种采矿工作中，钻机的应用范围逐步增广，所需施工的工作场地环境也变得日益复杂，其中大部分工作场地都分布到了丘陵、山地和戈壁等地形之中，能够在所面临的工作环境下快速的

9、完成钻孔的施工任务，成为了一道摆在施工方面的难题，同时也成为了摆在机械设计工作者面前的一道难题。目前，由于国内技术水平的发展速度与用速度的限制和引进国外先进多功能钻机成本较高的情况下，在国内工程施工中许多施工单位都还是采用汽车钻机施工，而在施工过程中汽车钻机又存在着许多缺点： (1)该钻机只能实现竖直钻孔施工，难以实现倾斜钻孔； (2) 该钻机对场地要求苛刻，在有些场地中施工困难或无法施工，如当坡度较大时汽车钻机就会因为难以定位而无法工作； (3) 适用地层比较少，对沙砾层，岩石层等底层无法施工； (4) 该钻机所需施工人数较多，而且施工人员需要不断使用大锤敲击钻头来实现土石的排出，工作强度大

10、，从而也导致了施工成本的增加。总之，随着经济的发展对各种工程机械的要求也越来越高，为了能够满足多种不同的施工需求，同时又能适应复杂的地形，这样就对一种具有高性能又能实现多用途的多功能钻机产生了强烈的需求。1.2 多功能钻机的结构、原理及其工作性能 多功能钻机可以其按照工作机构动力的来源进行分类，一般可分为风动式、液压式、内燃式和电动式。但目前市场上的多功能钻机普片采用液压凿岩机，因为其具有消耗能量少、钻孔效率高、噪音低等优点。 多功能钻机也可按照破岩造孔方式进行分类，可分为回转式、冲击式以及回转冲击式，目前使用最为广泛的是回转冲击式。而其冲击的方式又可以分为潜孔式和顶锤式。 经过这么多年的发展

11、，已有不少公司成功的掌握了多功能钻机的技术要求，并且相继推出了自己的产品，但其产品的结构和性能上多是大同小异。下面以意大利土力机械SM-5多功能微桩机为例简要介绍现代多功能钻机的结构和性能特点。 1.2.1 结构 现代多功能钻机主要包过底盘结构、变幅机构、桅杆机构、夹/换桩机构、动力头装置、操作台与机电一体化系统、回转偏摆机构组成，如图1-1为意大利土力机械SM-5多功能微桩机的结构图。 从仿真建模的角度来讲，多功能微桩机主要可以分为四个部分：液压系统、操作系统、机械系统、动力系统。作为一个有机的整体多功能钻机的性能与各个系统的质量和相互之间的配合有着紧密的关系。（1）液压系统 多功能钻机所需

12、要完成的所有动作都必须在液压系统的参与下才能完成，如：机器的行走、变幅机构的变幅、钻头的钻进、平台的回转等。根据所需完成的动作的要求，通过油管把液压元件有机的连接之后便成了能够实现所需功能的液压系统。 液压系统的能量都来自于柴油机，其通过液压泵把储存有液压能的液压油传输到各个马达和油缸，马达和油缸又将液压能转变为机械能，从而将能量传递到了各执行元件实现所需完成的动作。液压系统性能的好坏对多功能钻机性能起着决定性影响。（2）操作系统多功能微桩机的操作系统是对柴油机、液压元件、和执行元件起控制作用的装置，操作平台通过管路连接到每一个执行元件上，通过控制液压手柄来控制各元件的运动。（3）机械系统 多

13、功能微桩机的机械系统是钻机的主体部分，主要包过各执行元件，如：履带式行走装置：钻机的机身和支撑行走部分，它使钻机可以做一定距离的行走，方便了搬迁，减少了钻机工作所需要的辅助，提高了钻机的工作效率，同时它也是各种外加载荷和钻机自身重量的承受者。 回转装置：在钻机施工过程中，可以是钻机在同一位置对周围多个工作点实施多角度施工。 工作装置：是钻机完成任务的主要部分，主要包过机身、卸扣器、夹持器、回转器等。在钻机钻机的过程中，工作装置为钻机提供动力。当需要卸下钻杆时，可以通过工作装置拧卸钻杆。1履带底盘 2机体 3底座液压支撑腿 4回转支承 5桅杆机构 6 旋转台 7动力头 8机臂 9下夹紧器 10卸

14、杆器 11控制台 12卷扬图1-4：意大利SM-5小型多功能钻机的实体图 （4）动力系统 通常工程钻机用于施工的地点大多是在野外，而在野外的环境条件下白昼之间温度变化比较大，钻机在钻机过程中所受冲击和载荷通常也比较大，还容易产生较多的灰尘和污杂物给维护带来不便，因此普片采用柴油机来为工程钻机提供动力。柴油机具有工作性能稳定、能源消耗经济、维修方便等特点。1.2.2 工作原理 多功能钻机是一种以钻头进行钻进工作的工程机械，现在所用多功能钻机大多数都采用的全液压驱动系统，其运动主要依靠主泵供油给液压缸和马达，通过液压缸的伸缩和液压马达的回转来实现。下面大体介绍各机构的工作原理： （1）动力头装置：

15、动力头装置可以在多功能钻机钻进过程中向主轴回转和冲击动力的作用，这两项功能既能够配合使用也能够单独使用，这样就能够满足不同的施工环境下所要求的钻进工艺。多功能钻机动力头所用的马达通常都具有低转速和大扭矩的特点，能够很好地满足钻进所需要的动力条件。当钻机是在较为松软的完整底层钻机是，可以只用会钻钻进。而如果在厚而硬的堆积体和破碎层钻进时，就可以开始回转和冲击功能。 (2)给进机构：在钻机工作时钻机的给进机构会给钻具提供一个推力，使其研导向架方向钻进，根据所采用的钻进方法、钻头类型、钻孔直径、岩层性质来决定钻头所需钻压的大小。根据不同的条件给去最优钻压，这就需要给进机构能够随着孔深的变化来调整给进

16、力，从而起到稳定孔底钻压的作用。而在非钻进过程中，给进机构还需要能够完成倒杆任务，能够顺利提东或悬挂钻具，有时候在遇到一些事故时还需要能够强力起拔。 变幅机构会在下一章中着重介绍，而机身部分与到部分工程机械的机身部分类似，在此不做详细介绍。1.2.3意大利土力机械SM-5多功能微桩机的性能特点： （1）可变履带间距的旋挖钻机专业底盘，底盘履带总宽度可扩展，利于钻机的稳定性。三齿片履带板，低重心及配重的可调整设计布置，既保证了整机的稳定性，又满足运输的要求。采用宽履带，降低接地比压及优越爬坡能力，保证了钻机现场转位所要求的机械性能，对孔位灵活方便，辅助时间少；为了满足一些特殊的施工需要，在部分型

17、号上选用的卡特底盘可用于履带拆装。 （2）桅杆采用箱形结构，刚性好，重量轻。桅杆支撑结构为平行四边形结构, 其特点是变幅范围大，可整机放倒，折叠，降低运输高度和长度并且节省了转场时的拆装时间； （3）桅杆上装有垂直度检测仪，可以检测和现实桅杆的倾斜度,并可通过钻机的微动系统调整桅杆的垂直度; （4）动力头带有高速甩土功能，可用于粘土卸土时使用； （5）土力自制底盘配备DMS故障自动检测系统，12触摸显示屏，可控制大口径桩孔和长螺旋施工的操作参数,孔深和桅杆垂直度显示界面,以及反映发动机、液压系统工作状态其他参数。实时掌握钻进深度，桅杆垂直度，掌握各系统工作情况，便于及时预防故障的发生，保证钻机

18、的正常运转。同时，DMS系统还可以远程监控设备并诊断钻机故障； （6）机电一体化功能的设计 A、发动机与负载相匹配（降低油耗、减少噪音）的电子控制系统； B、手动和自动切换，监控立柱垂直度（保证柱孔垂直度）； C、高精度钻孔倒土回转定位（防止桩孔变形）控制技术； D、钻孔深度（防止过放钢绳和确认孔深）测量及显示系统； E、故障（带负载起动，卷扬过卷）检测、报警及信息显示系统； F、整机工作状态（启动前先自动预检）动画及虚拟仪表显示系统； G、GPS定位与移动电话数据（快速联络、及时到位）传输系统； H、成柱过程（提高成桩质量）的反馈显示、记录系统；设备除以上的优点，还具有稳定性好和使用寿命长等

19、特点。1.3 多工能钻机诞生、应用和发展现状1.3.1多功能钻机的诞生由于通常工程机械价格都比较昂贵，而结构上又有诸多相似。同时随着大规模基础设施和采矿方面的发展，对工程机械功能总类要求的提高。上世纪六十年代起便有了对多功能钻机的构思启蒙，其发展历史虽不如其他大多数工程机械那样悠久，然而其发展至今在技术方面已经较为成熟，且其在一些发达的国家中已经有了较大范围的应用。一般认为现代多工能钻机的邹型是法国FORACO公司研制的VPRH型多功能钻机，经过技术的不断发展和创新之后，这种钻机合理的解决了复杂底层钻进的效率问题，使得一台钻机便能满足在多种场地和多种工作条件下用不同的钻进方法进行地质勘查工作和

20、工程施工作业，使得在施工过程中不再需要用多种不同类型的钻机进行交替施工，大幅节省了施工成本。使人们进一步认识开发一种能够在一个位置上进行大区域多排、多角度钻孔，适用于多种条件下施工，并且具备行走功能，且能实现高效、安全工程施工与地质探查的多功能钻机在工程施工中所能起到的巨大作用。1.3.2国外的发展现状及原因目前，在国外多工能钻机的技术已经比较成熟，并得到了较为广泛的应用，被大量应用到工程施工和地质勘查中，具有机动性强、利用效率高的特点，主要用于建筑加固、挡土护坡、路基防塌、边坡治理、管棚支护、地址预报等如图1-2所示。图12 多功能钻机应用范围示意图钻机发展至今已有百年历史，当初设计钻机的目

21、的主要是为了满足隧道施工方面的要求，后来慢慢开始应用于地质勘探。而多功能钻机却可以满足多种钻探方法的钻进，这使得多功能钻机在技术方面逐渐成熟应用方面也日益广泛。二十世纪七十年代，随着各行业的发展大量工程项目需要快速施工，为适应工程项目的快速施工，瑞典Atlas-Copco公司、法国Secoma公司, 美国Ingollrang公司开始陆续推出自己在凿岩设备方面的一些产品，其中就包过机械化程度较高的多功能履带式工程钻机。目前，芬兰Tamrock公司、法国Secoma公司、瑞典Atlas-Copco和Sandvik公司等欧洲国家的工程机械公司在生产工程钻机方面有着雄厚实力，其研制的钻机在结构和参数上

22、都比传统的转盘式和立轴式钻机有较大的提高。采用了新的卡紧方式：蝶形弹簧卡紧。在这些钻机上液压装置也得到了更为广泛的应用，采用了液压自动卡盘，采用了无导向杆的大通径动力头回转器，对变速箱，离合器和部件的性能也做了大幅度的改善。与之匹配的绳索取心钻具uhe变了泥浆泵方面也得到了较大的发展，使之能够满足绳索取心钻机和金刚石钻进的要求。同时，计算机辅助监控也应用到了这些新型的多功能微桩机中。所有上述技术上的改进使得这些产品通常具有安全可靠、功能齐全和较高自动化水平等特点 。如图1-3所示为 Tamrock公司和Atlas-Copco公司生产的多功能钻机。 图13 国外代表性多功能钻机 国外多功能微桩机

23、取得这些成就原因： (1) 欧美国家在工程机械方面已经有了较为悠久的历史，使他们有了相关方面的技术储备。 (2) 由于环境和教育的影响使他们的工程师在设计钻机时具有更加先进的设计理念。(3) 工程机械行业详细的设备可靠性和安全方面的保准。1.3.3 国内的发展现状 由于近代中国经济基础薄弱，科技方面的落后，而且又受到建国以来我国经济体制的影响，多功能钻机在我国的研制和应用方面都相对较晚。上世纪纪七十年代我国在工程钻机的研制方面开始起步。当时我国在研制和生产钻探设备方面主要是地质岩心钻机，而即便此时国内对多功能钻机方面的关注也几乎为零。随着经济发展，尤其是改革开放以来，各类基础建设工程不仅数量越

24、来越多项目也变得越来越庞大，为了应对此时的工程施工工程钻机的发展逐步得到重视。研究人员通过对水文钻机的研究，在原来基础上作出一系列的改进之后便演变成了早期的国内多功能钻机。经过多年的改进之后，目前我国多功能工程钻机也开始想大扭矩、大孔径、大功率方向发展，但一些重要元件多从国外进口。当前，我国已有一些工程设备生产制造厂商能够生产出一些具备较高性能的全液压多功能钻机，如山东地质探矿机械厂、北京天和众邦勘探技术有限公司、北京探矿机械厂等。如图14 (a) 为北京探矿机械公司生产的一台MEDIAN多功能钻机，其具有: 施工效率高、给进行程大、可全方位钻孔、机构紧凑、集中式手柄操作、自动化程度高等特点。

25、该厂生产一种贯通顶驱动力头履带式钻机DDL-300型多功能钻机为，如图14 (b)，其不仅基桩钻进和工程地质钻进，还能用于可以用于固体矿床的钻进，可广泛应用于工程勘察，管棚支护，锚固护坡，地质勘查等工程施工作业。 三十年来，我国工程钻探设备和勘察技术水平均有了长足的发展，在施工范围、安全高效、节能环保、钻进工艺等诸多方面的水平都有了显著提升，但相同功能的产品与国外同类尖端产品相比较性能上还有一定差距。图14 国产多功能钻机 1.4 课题的研究内容 本次课题的研究内容，首先需要在深入的调研和广泛查阅资料的情况下，根据钻机的施工要求和技术参数，进行多功能微桩机的变幅机构设计。其具体要求如下： 熟悉

26、多功能微桩机的基本结构与工作原理。 熟练运用三维CAD软件进行开发设计。 进行多功能微桩机变幅机构的三维CAD的设计。 进行翻转盘、油缸等关键零部件的设计。 多功能微桩机的基本参数：发动机额定功率70-80kW，整机重量7t，最大提升力40kN, 扭矩范围6.8-9.7kNm，工作压力26.5Mpa，多路阀系统回转压力26Mpa。左右翻转90，左右偏摆45。 1.5 小结 如今多功能工程钻机在技术上已经成熟，并且产品总类繁多，其主要作用是用于工程施工和地质勘查，在各类基础工程项目工程量庞大而又复杂化的今天，在以后的工程施工过程中必将会更普片的应用到多功能工程钻机，而这些广泛的需求又终将会对多功

27、能钻机的性能提出更高的要求，这又需要我们认真的研究和探索进一步改进其性能。 本章的主要工作内容如下: 1、阐述了多功能钻机的诞生的历史背景、发展现状。 2，介绍了多功能钻机的结构和性能特点 第2章 多功能微型桩机变幅机构的设计2.1 机构功能的要求 多功能桩机变幅机构设计的目的是为了应对一些苛刻地理施工环境同时又能够是普通施工变得简捷，这样就需要通过使钻机能够停在一个位置而能对周围具有较大的施工半径，所以对变幅机构的主要要求有： （1）其钻进装置可以旋转、可以上下移动、能够改变其俯仰角、并能做出精确的定位。 （2）必须具有较好的支撑稳定性，能够承受起在钻进过程中所受的拔起力、进给力、及扭矩，也

28、就是必须能够满足强度和刚度要求。2.2 受力要求 多功能微桩机变幅机构在工作过程中主要受到来自两个方面的力： （1）变为机构始终承受着桅杆机构的重力及其所产生的扭矩。 （2）在施工过程中桅杆会受到来自钻杆的反作用力，其作用力会通过桅杆传递到变幅机构，且动力头上的反作用力会对桅杆产生一个力矩，这个力矩最终也会传递到变幅机构上。总结起来，桩机的变幅机构所承受的力大致可以分为三种：工作装置的重力、沿桅杆方向的推力或拉力、绕桅杆的转矩。2.3 传动方案的拟定 目前市场上多用的多功能钻机的变幅机构种类较多，现列举几种典型的微桩机变幅机构进行比较从而选择一款最优的变幅机构。2.3.1 ATLAS ROC

29、D7的大臂系统图21 ATLAS ROC D7的大臂系统ROC D7的变幅装置采用的是如图所示的较为粗状的圆筒型折叠臂系统。该系统由液压液压驱动运行平稳，可以灵活方便的举升移动，大臂可以进行一定范围的左右摆动。其托架结构的设计非常巧妙，使得推进梁可以灵活的摆动，不但可以钻底脚孔，还可以钻从地平面起0.3米到7.6 高度的水平孔，推进梁可以延伸补偿1400mm的长度，钻臂的覆盖面积可以达17平方米。其图型如图21所示。2.3.2 DDL-300多功能钻机的变幅机构DDL-300多功能钻机的变幅机构由大臂、举升油缸、下托架以及摆动座俯仰油缸组成。该变幅机构可以通过大臂举升油缸来实现大臂的举起和放下

30、，通过摆动座俯仰油缸的伸缩来改变下托架和大臂之间的角度，通过这两个油缸的相互配合便能够使下托架抬起或改变在立面内的工作角度。图22为DDL-300多功能钻机工作时模型图。图22DDL-300多功能钻机工作时模型图。1摆动柱 21号油缸 3主臂 4摆动头连接板 5摆动头连接板 6六角摆动头 72号液压缸 83号液压缸 9邮箱图23 DDL-300多功能钻机变幅机构的结构简图根据施工需求，DDL-300多功能钻机的摆动机构可简化成下图所示。其中搭架可以通过1号油缸在立面内实现摆动，同时1号油缸的伸缩还可以改变六角摆动头和大臂之间的角度，其角度的调整范围在0度到90度之间。主臂的举起和放下可以通过2

31、号举升液压缸的伸缩来实现。主臂能够与水平面形成的最大夹角时30度。此外，可以通过3号液压缸的伸缩来带动摆动柱的绕轴旋转运动，可实现正负15度的旋转角。这种结构使得钻杆可以在一些较为狭窄的空间内能够方便的对孔进行定位，使钻机对工况的适应能力大大增强。在非施工时间内可通过调整摆动机构使钻架水平，这样大大方便了行驶和运输。其变幅机构结构简图如图23所示。2.3.3,SM-5多功能钻机的变幅结构 SM-5多功能钻机的变幅机构主要动臂、变幅油缸、三角架、回转支承构成，能够实现左右翻转90，左右偏摆45。且其动臂可以前后移动，增大了各个角度钻孔的空间，而当钻机不工作时可将钻臂收回，大大增加了空间利用率，且

32、动臂粗大而坚实与机身接触十分牢固，使钻机在钻孔时具有良好的稳定性。如图24为SM-5多功能钻机的变幅机构。 图24 SM-5多功能钻机的变幅机构 对比选型：ATLAS ROC D7的大臂系统伸缩能力为三种变幅机构中最强的一种，使其前后活动空间大，但DDL-300和SM-5的变幅机构都配备了回转支承，使其可以左右翻转，可以对两侧面进行打孔，所能打孔的角度和立体范围大于ATLAS ROC D7的大臂系统，而且DDL-300和SM-5的变幅机构皆粗实而又稳固，其施工时的稳定性远好于ATLAS ROC D7的大臂系统，尤其是当ATLAS ROC D7的大臂系统极度伸长时其稳定性应较弱。而SM-5的变幅

33、机构具有伸缩功能，这一点是DDL-300所不具备的，也是SM-5变幅机构与DDL-300变幅机构的最大不同，这样使得SM-5的变幅机构较DDL-300相比具有更大的工作空间。经过上述分析和对比可见，SM-5的变幅机构是一种性能较好的变幅机构，所以决定选择SM-5的变幅机构为所需设计钻机的变幅机构。2.4 变幅结构的计算与设计如图26所示，图中A、B、C、皆为铰点，而要对变幅机构进行设计，主要就是要解决者三点之间位置的相互关系，这三点分别为：A：动臂与三角架相连的铰点；B：变幅油缸与三角架相连的铰点；C：动臂与变幅油缸相铰接的铰点； 在上述三个铰点中，始终保持不变的两点之间的距离就是变幅机构所需

34、要设计的参数，由图可知AB和AC两点间距离始终不变，而BC为液压缸首尾两点之间的长度，在按照设计要求的条件下BC两点的最短和最长长度受到AC和AB长度的限制，桅杆BD需要满足既能水平钻进又能竖直钻进的要求，动臂AC与水平线的最大夹角为，其余具体设计步骤将在液压缸的设计中详细讲述。图26 SM-5多功能钻机变幅机构的结构简图 第3章 变幅油缸的设计计算3.1变幅缸结构形式、安装方式、连接方式的选择 液压缸按结构分类，可分为柱塞式液压缸、活塞式液压缸、叶片式液压缸、组合式液压缸等，本文仅就柱塞式液压缸和活塞式液压缸进行讨论并从中选取一种做为本次设计的结构形式，表3-1为两者的对比说明表3-1名称图

35、形说明柱塞式液压缸结构最为简单、只有一个油口，返回行程靠外力（如重力）完成；柱塞与缸筒不形成配合，缸筒加工要求不高，工艺性好；缸盖上必须安装导向套；为减小运动惯性，柱塞通常采用空心式。活塞式液压缸应用极为广泛；小型活塞缸活塞与活塞杆为整体式，大中型活塞缸活塞杆和活塞为分体式；按往返驱动形式的不同分为双作用式和单作用式。 变幅油缸缸工作要求安全性高、能够提供双向驱动力且大量加工经济，通过表3-1的比较选用活塞式液压缸。3.2 整体尺寸初步设计 （1）经过简单几何分析可知，当机械不工作且桅杆水平放置时变幅机构液压缸两端距离BC最短，其简图如图26.初步设定参数：AC=1300mm，AB=500mm

36、,CAB=36.87=ABD 据余弦定理 (3-1) 带入数据得BC=948.7mm （2）经简单几何分析可知，当AC与水平线成最大夹角30且桅杆处于竖直位置时变幅油缸两端距离BC最大，其简图如图31所示 图31 因ABD固定不变且ABD=36.87，CAB=120+ABD=156.87 据公式(3-1)得BC=1770mm （3）计算液压缸行程：S 由运动分析时，可知 结合现实并进行简单的几何分析便可得知，无法制造这样的油缸，故需重新拟定参数再进行设计。 （4）方案2 当机械不工作且桅杆水平放置时重新设定参数：AC=1300mm,AB=400,CAB=45=ABD据公式(3-1)得BC=10

37、55.8mm 当AC与水平线成最大夹角30且桅杆处于竖直位置时,因ABD固定不变且ABD=45CAB=120+ABD=165据公式(3-1)得BC=1689.6mm 计算液压缸行程：S 由运动分析时，可知据表22.1-13液压缸活塞行程第三系列对行程S进行圆整得S=634mm3.3 求变幅油缸的最大载荷 经简单力学分析可知，当桅杆处于水平位置时，且动力头在最左短时油缸推动桅杆所需力最大，其简图如图32所示.图32 为两个夹持器重量约为4000N，离A点距离约为1m 为桅杆重量约为9000N，离A点距离约为1.2m 为桅杆上油缸重量约为2000N，离A点距离约为1.5m 为两个液压马达的重量约为

38、2000N，离A点距离约为3m 动力头的重量约为3000N，离A点距离据公式(3-1)得= 由理论力学可知=0 （3-2） 式中：F为液压缸在图示位置时所受的负载。 代入数据得F=71235.2N3.4 油缸的内径计算： （1）据机械设计手册表22.6-65液压缸主要几何尺寸的计算，根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算液压缸内径D为 据机械设计手册表22.1-9液压内径尺寸系列，可将D圆整得D=63mm3.5 缸筒设计与计算3.5.1 对缸筒要求 缸筒是液压缸的主要零件，它与端盖、活塞构成密封容腔，用以容纳压力油液、驱动负载而做功，因而对其有强度、刚度、密封等方面的要求。 （1）有足够的强度

39、，在长期承受额定工作压力和短期动态实验压力下而不致产生永久变形。 （2）有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装时的反作用力而不致弯曲。 （3）有可靠的密封性。 （4）缸筒有良好的可焊性。3.5.2 缸筒材料的选择 考虑到缸通材料来源的经济性，可以选择45号精密冷拔无缝钢管，其力学性能列于表3-2中.表 3-2 45号精密冷拔无缝钢管力学性能力学性能（不小于）材料屈服强度（MPa）伸长率硬度（HB）45号钢6008.51923.5.3 缸筒外径的选择据机械设计手册表22.6-67工程机械用液压缸外径系列，P31.5MPa，D=63mm时，外径。3.6 活塞设计 考虑到活塞上需要安装两个支撑环和两个

40、密封圈取。 活塞内径与活塞杆外径采用H7/k6配合，活塞外径与缸筒内径采用H8/f7配合，活塞杆与导向套采用H7/n6配合。据经验公式活塞杆直径d=0.7D=44.1mm据机械设计手册表22.1-10液压缸的活塞外径尺寸系列，可将d圆整为d=45mm 选活塞杆直径材料为：45钢工艺：活塞杆粗加工后调质到硬度为229285HB,必要时，再经高频淬火，硬度可达4555HRC. （2）强度理论校核活塞杆直径：此时液压缸稳定时，只承受轴向载荷 （3-3） 当材料为碳钢时，=100120MPa，取 求得：所需最小直径=30.1mm45mm，满足要求 （3）活塞杆平稳性校核：由材料力学可知，当载荷力接近临

41、界值时，杆将失去原有的平衡状态而产生弯曲。由机械设计手册表22.6-72活塞杆稳定性计算 活塞杆稳定的条件为： 液压缸的活塞杆承受的最大载荷（N） 活塞杆纵向弯曲破坏的临界载荷（N） 稳定安全系数，一般取24。 计算活塞杆的临界载荷; 采用欧拉公式计算临界载荷，此时有: （3-4） E：活塞干材料的弹性模量，对于钢，取为 ：活塞截面的转动惯量, 对于实心杆： ：活塞杆的安装距离，m;通过运动分析可取l=1.7m ：末端条件系数，此时取n=1 根据以上数据，代入公式（3-4）可求得=144358N 由于变幅油缸的工作条件稳定，且工作次数很少，可取安全系数=2，则有；所以活塞杆稳定。 缸壁的材料选

42、择：45钢的无缝钢管 缸壁校核壁厚： 3.7 缸筒设计： 连接方式：缸盖与缸筒采用连接方式（内螺纹），使得结构紧凑，质量小缸筒与后端盖采用焊接连接据表机械设计手册22.6-70液压缸的链接计算取螺纹为M73x2外径：mm内径：则推应力为： (3-5) 切应力为： (3-6) K：螺纹拧紧系数，静载时取，取k=1.5 ：螺纹内摩擦因子，取=0.12 n:安全系数，通常取n=1.52.5 D：缸筒内径 将各系数分别代入公式（3-5）和公式（3-6）求得： 取安全系数n=2 所以强度符合 焊接口设计： 据表机械设计手册22.6-70液压缸链接计算选焊接方式：V型坡口对接焊 取焊接的底径： 焊接厚度为

43、：=5mm 校核： 焊接产生的应力： ：缸筒外径 ：焊接强度系数，一般手工焊=0.70.8，自动焊=0.80.9 取=0.7 得 所以焊接强度足够 液压缸油口设计： 据表机械设计手册22.2-66液压缸结构参数的计算 取液压缸的最大输出速度： 油口的最大液流速度： D液压缸内径 计算油口直径： 据机械设计手册表22.1-6液压油口螺纹连接系列，取油口为 缸底厚度：有油孔时： （3-7）代入数值：求得：圆整为 活塞杆与活塞设计： 活塞与活塞杆的连接方式：螺纹连接、锁紧螺母锁紧 活塞的宽度：B 则可取B为50mm 活塞与缸筒的连接密封： 为了保证密封和连接强度，采用了两个O型圈与一个A型的支承环进行密封连接支承油缸的密封件选用：材料标号数量O型圈橡胶61.5x2.65 GB3452.1-92