钻机动力头液压系统的设计
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，钻机动力头 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。本文通过对传统钻机动力头 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，对钻机动力头 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：钻机动力头 、钻进系统、液压动力头、减速器
第1章 绪论
1.1 钻机动力头 概况
在城市建设中，钻机动力头 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 钻机动力头 的组成
长螺旋钻进施工的机械主要是钻机动力头 。钻机动力头 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 钻机动力头 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。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 钻机动力头 概况 1
1.1.1 钻机动力头 的组成 1
1.1.2 钻机动力头 钻进原理 2
1.1.3 钻机动力头 的发展趋势 2
1.2 钻机动力头 CFG桩工法及其特点 3
1.2.1 CFG工法的简介 3
1.2.2 CFG桩工法特点 4
1.3 动力头的技术现状与展望 4
1.3.1 电机动力头 5
1.3.2 液压动力头 5
1.4 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 8
2.1 液压动力头液压系统方案的设计 8
2.1.1 液压动力源方案的设计 8
2.1.2 液压驱动方案设计 9
2.1.3 液压动力头总体控制方案的设计 10
2.2 液压系统元件的计算及选型 12
2.2.1 液压执行元件的计算选型 12
2.2.2 液压动力源的计算选型 13
2.2.3 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 20
3.1 液压动力头总体结构方案的设计 20
3.2 减速器齿轮传动设计计算 21
3.2.1 齿轮传动原理 21
3.2.2 齿轮传动的参数计算 21
3.3 箱体尺寸的确定 26
3.4 输出轴的设计计算及校核 26
3.4.1 轴的基本参数计算 26
3.4.2 轴的结构设计 27
3.4.3 轴的校核 29
第4章 总结 34
参考文献 35
致谢 36
附录Ⅰ实习报告 37
附录Ⅱ图纸列表 40
附录Ⅲ外文翻译 41
参考文献
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[13]百度百科
http://www.bysj360.com/html/4951.html http://www.bylw520.net/html/5263.html
