1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） KPH-1000 型钻孔桩机总体结构 设计 和三维动画模型演示 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 2 摘要 近年来在桩工机械不停向产品的多元化、大型化、功能多样化、产品系列化的方向发展以应付大型运 输、建设的需要，然而却忽视了农村这块十分巨大的市场。目前绝大部分的桩工机械体积十分庞大，而且本身很笨重。由于桩机本身的体积限制，在运往施工地点时需要一定的运输条件，而农村道路狭窄，很多有桥梁的地方还有高度限制，使得普通的桩工机械很难运达农村内部。目前很多农村地区建房时的打桩手段还限制在人工操纵简单
2、的机械打桩等。其效率十分低下，而且打桩质量得不到保证。使得房屋容易发生不均匀沉降而导致裂痕甚至破损。 而 KPH-1000 型钻孔桩机就是一种新型的农村适用的小型化钻孔桩机，本课题研究的课题主要是对桩机的结构设 计的优化以及对桩机的模拟打桩过程的一种模拟。使之解决农村打桩时桩机过大 ,不易运输，机构复杂等问题。我所需要的软件是 solidworks 和 simulation，solidworks 主要把桩机的总体结构组装 3 维图模拟出来，然后用 simulation 进行结构有限元分析，分析的结果如果结构稳定的话即可用，而在稳点的同时需要对机械进行合理化的优化，即在规定的尺寸内进行尽肯能的减
3、少材料，来减少成本。最后用 solidworks 运动模拟系统进行模拟运动。 关键词 ：钻孔桩机； solidworks；三维动画模拟 3 Abstract In recent years, piling machinery ceaselessly to the diversification of products, large-scale, functional diversification, product serialization of the direction of development in order to cope with the large transport, t
4、he need of constructio n, but has neglected the rural this huge market. The vast majority of piling machinery volume is huge, but itself is very heavy. Because the machine itself volume limit, being shipped to the construction site need certain conditions of transport, rural road is narrow, many bri
5、dges where there are highly restricted, so that ordinary pile machinery is very difficult to reach rural interior. At present, many rural areas building piling means are also restricted in the artificial manipulation of simple mechanical piling. Its efficiency is very low, and the pile quality. The
6、housing is prone to uneven settlement resulting in cracks and breakage. While the KPH-1000 type drilling machine is a kind of new-style rural applicable small bored pile machine, this research main topic of pile machine structure design optimization and Simulation of pile machine piling process of a
7、 simulation. I need the software is SolidWorks and simulation, SolidWorks mainly to pile the overall structure of machine assembly3 dimensional graphics simulation, and then use the simulation structure finite element analysis,The results of the analysis if the structural stability of the words that
8、 can be used, while in the stable points at the same time the need for mechanical reasonable optimization, i.e. within a specified size as you can reduce the material, to reduce the cost., finally using SolidWorks motion simulation system to simulate the movement. Key words： drilling pile machine; S
9、olidWorks;3D animated simulation 4 目录 第 1 章 绪论 1.1 钻孔机的简介 4 1.2 钻孔机的工作原理与组成 4 1.3 我国钻孔机产业现状和发展 5 1.4 本次设计所完成的内容 7 1.5 设计基本思路 8 1.6 设计要求 8 第 2 章 solidworks 与 simulation 的应用 2.1 solidworks 在本设计中应用介绍 10 2.2 solidworks simulation 有限元软件介绍 10 第 3 章 机械总体结构图设计 3.1 钻孔桩机车底底座整体设计 11 3.1.1 底座有限元分析 14 3.2 进给系统机械
10、结构改造设计 17 3.3 进给伺服系统机械部分的计算与选型 17 3.4 桩机架结构设计 17 3.4.1 塔架铰链与铰链轴的设计 20 3.4.2 铰链轴的设计 22 3.4.3 塔架组装图 24 3.5 支撑脚的设计与计算 25 第 4 章 钻孔打桩运动执行 与三维动画模拟 4.1 solidworks 仿真模拟打桩过程 29 总结 31 致谢 32 参考文献 33 5 第 1章：绪论 1.1 钻孔机的简介 钻孔 桩机是一种工程建筑用的特种机械 ,其特点是架子高、载荷大 , 又受偏心力作用 , 其整体稳定性要求高 , 稍有不慎 , 就会发生倾覆倒塌事 故 , 直接影响施工质量和安全生产。
11、为了加强桩机的安全管理 , 为了确保工程时质量和施工的安全 ,建筑施工安全检查标准打桩机械以被列入“施工机具”的检查项目之一 , 并特别指出检查内容 , 需要包括桩机的准用证、资质证书、安装后验收合格手续、超高限位装置、桩机行走路线地耐力、打桩作业方案、桩机操作规程等等 , 这些检测既具体又详尽 , 表明国家对桩机的施工管理和安全使用给予了极大的关注。我们在施工过程中应该把桩机作为“专项检查”的一个项目 , 明确要求编制施工方案 ,“施工机具”也明确指出桩机必须有作业方案。为了全面正确 贯彻新标准 , 我们规定桩机要单独编制施工组织设计 , 而且需要把它列入安全管理内容之一。 桩机的安全施工组
12、织设计除了必须要包含工程施工组织的设计通用和审批手续之外 , 还要根据打桩机的结构特点 , 在设计时必须要考虑到包括工程概况、桩机选型、桩机的安装和就位、桩机运行方案、现场管理结构和劳力安排 , 桩机作业安全技术措施等工程规定要求的内容。 液压及传动机构 的结构：其结构 主要 由 6 个液压油缸构成。其中包含 4 个支腿油缸， 1个行走油缸， 1 个变幅油缸。支腿油缸分布在机器四个角上实现机器主体的起落高度为 1.1米和 1.6 米两种，根据机器型号不同采用不同高度的油缸。行走油缸位于整机底盘中部，配合 4 个支腿油缸起落，从而行走油缸收缩拉动底盘使整机前行。行走油缸长 1.6 米，所以机器行
13、 走步长为 1.6 米。变幅油缸位于中盘前段偏，立柱下方偏后，主要起撑起立柱作用。 6个油缸的收缩可以在操纵室操作。 1.2 钻孔机的工作原理与组成 钻孔桩机 桩架主要 组成 由顶部滑轮组、立柱、斜撑杆、底盘、行走机构、回转机构、卷扬机构、操纵室、液压系统及电气系统 所 组成。立柱 采用 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
14、动托运时可拆卸。 行走机构 ： 行走机构为液压步履式。前进时四个支腿液压缸支地撑起，下盘离地通过液压系统驱动行走油缸实现桩机履靴前行，然后收起支腿落下，通过液压缸收缩拉动底盘前行，经过如此反复操作实现桩机前行。 回转机构 ： 压马达具有功率稳定、运转平稳 、转动惯性小和启动效率高等特点，因而桩机具有回转平稳、无冲击、无振动、整机的稳定性良好及使用寿命长的优点。 动力机构 ： 动力头采用三环减速机构，此种减速机构已是相当成熟的产品。大中心孔的减速机，成载过载能力高、结构紧凑、噪音小、寿命长，是目前国内钻机最理想的动力装置。它有两个风冷电机、减速器、弯头、排气装置、提升架和滑快组成。工作时两个电机
15、通6 过联轴器带动减速器的高速旋转，将动力低速轴通过法兰带动钻杆、钻头作旋转运动。 操纵机构 ： 操纵室位于钻机后部主卷扬机前方，铁壳结构，三面开窗，可保证视野 开阔，安全舒适。钻机是由电液联合控制，所有操纵电钮及手柄都置于操纵室前方的控制面板上，操作方便快捷。 1.3 我国钻孔机产业现状和发展 受益于国家经济持续发展、固定资产投资拉动、国家振兴装备制造业战略的实施等利好因素，尤其近 20 年来以前所未有的建设规模和发展速度，建成了一大批规模宏大、技术难度高的工程，如青藏铁路、南水北调、西气东输、三峡工程、核电开发，奥运场馆、世博项目，我国机械工程行业得到全面持续发展。据统计， 2010 年我
16、国的桩工机械销售额超 80 亿元，产品销售量达 5000 台，数量 上已经位居世界第一。 2011 年，中国工程机械行业迎来了“十二五”的开局之年，未来五年前景可期。据中国工程机械工业协会预计，到 2015 年我国工程机械行业总销售收入将达到 9000 亿元。 中国桩工行业从建国后已经经历了 60 余年的发展历程，从无到有，从小到大，我国的桩工机械已经形成了一定规模，一些建筑机械行业的大型企业如三一重工、中联重科、山河智能、南车时代、郑州宇通、山川重工等纷纷进入桩工机械行业，桩工机械行业进入快速发展时期。 2004 年，桩工机械的生产厂家有近 50 家，销售量 3861 台，销售收入 8.7
17、亿元，开发新产品 13 个品种，制定国家与行业标准 39 项。 根据中国工程机械工业协会对桩工机械分会 27 个主要生产企业的不完全统计， 2007 年生产桩工机械 3838 台，销售 3525 台，工业总产值 352829.5 万元，产品销售收入 323485.8 万元，与 2006 年相比，销售收入大幅增长。 2007 年桩工机械主要产品产量、销量、库存情况见表2。由于桩工机械必须结合工程的目的规模、桩的品种及用途、施工工法以及施工过程中遇到的各种地质条件，因此桩工机械是一种多品种、多规格、批量小、专用性较强的施工机械。由于桩工机械涉及基础 工程项目不同，各类产品的销售情况也各不相同，柴油
18、锤和钻孔机的销售量较大，分别占 33.3、 32.6，但就销售额而言，钻孔机产品约占整个行业的 70左右。 2007 年，随着国家高速铁路建设项目的展开，旋挖钻机得到快速发展，销售量比 2006年增长 52.2%；液压压桩机在混凝土预制管桩迅速发展的带动下， 2007 年销售量比 2006 年增长 82%，导杆式柴油锤的实际产销量也因此增加；在桩工机械产品中，近年来新开发的地下连续墙液压抓斗发展最快， 2007 年的销售量与 2006 年相比增长 642.9%；其他桩工机械产品销售情况变 化不大，筒式柴油锤、振动锤和反循环钻孔机 (工程钻机 )，随着国家对环保法规的制定，由于噪声、振动、油烟和
19、泥浆污染，在城市施工中受到限制，发展比较缓慢， 2007年柴油锤销售量同比减少 5.4%，振动锤销售量同比增长 3.4%。 而在出口方面，据不完全统计， 07 年向外出口桩工机械 416 台，销售额达到 3203.99万美元，比 06 年增长 185.1%，出口创汇的大幅度增加 ,不仅彻底改变了依赖进口的局面，而且出口产品占年销量的 22.7%，有的企业 1/3 左右的产品用于出口。 在了解了 2010 年的 bauma China 展会上的桩工机械后，了解到国内外桩工机械无论从产品尺寸、产品型谱还是外观上，都有了长足的进步。参展的桩工机械种类包括旋挖钻机、连续墙液压抓斗、液压双轮铣、三轴连续
20、墙钻机、多功能电液履带桩机、全液压步履式三支点打桩架、大直径随钻跟管钻机、多功能电液履带桩机、液压铣削搅拌钻机、长螺旋钻机、7 柴油打桩锤等。标志着桩工产品发展越来越多样化。 展会上，南车时代展出了“亚洲最大”的旋挖钻机 TR500C；三一重工的 SR420II 旋挖钻机可满足大口径、超深桩施工要求；徐工集团参展的 XRS1050 旋挖钻机最大钻孔 深度可达105m、中联重科参展的 ZR360A 旋挖钻机动力头输出最大扭矩达 360KNm，最大成孔直径2800mm，最大钻孔深度 98m；山河智能 SWDM42 旋挖钻机应用于超大、超深桩施工，最大成孔直径达 3m，最大成孔深度 108m。都标志
21、着桩工机械大型化日臻成熟。除了传统的旋挖钻机、连续墙液压翻斗外，液压双轮铣、三轴连续墙钻机、多功能电液履带桩机、全液压步履式三支点打桩架、大直径随钻跟管钻机、长螺旋钻机、柴油打桩锤等新品层出不穷。 bauma China 2010 展会让我了解到国内外桩工行业的急速发展， 随着国家经济持续发展、固定资产投资拉动 、国家振兴装备制造业战略的实施等利好因素，桩工行业也将迎来一个繁荣的时代。 2008 年我国桩工机械产品实现销售额 44 亿元，产品销量 3900 台， 2009 年销售额超过 65 亿元，销量近 5000 台。虽然从产值上我们与德国、意大利等国家还有一定差距，但从数量上我们已经跃居世
22、界第一位。 而在桩工机械不停向产品多元化、大型化、功能多样化、产品系列化以应付大型运输、建设的同时，忽视了农村这块十分巨大的市场。目前绝大部分的桩工机械体积十分庞大，本身很笨重。由于桩机本身的体积限制，在 运往施工地点时需要一定的运输条件，而农村道路狭窄，很多有桥梁的地方还有高度限制，使得普通的桩工机械很难运达农村内部。目前很多农村地区建房时的打桩手段还限制在人工操纵简单的机械打桩等。其效率十分低下，而且打桩质量得不到保证。使得房屋容易发生不均匀沉降而导致裂痕甚至破损。 另一方面农村施工条件更加复杂，如倾斜的山坡、临近于别人的房屋、很小的施工环境等。使得在大型工程中发挥重要力量的桩工机械因运输
23、、体积和操作限制在农村施工时无法得到发挥。而复杂的操作也让普通农村技术人员难以熟练掌握。当下，国家大力推动乡村城镇化，以此拉动国家 GDP 发展，而在此建设途中道路与房屋等基础建设占到了很大的比例，这正给了农用桩机一个发挥作用的巨大舞台。 1.4 本次设计所完成的内容 本课题着力于设计新型农用桩机 KPH-1000 型 的 支架结构及 钻 杆动力系统 ，在吸取了国内外先进的技术基础上再进行创新设计。该钻杆支架采用标准方钢和槽钢拼接作为主体，内部及其外表焊接筋板加强，使支架整体制造简便，并大幅减轻了支架的重量。支架整体分成三段，由侧面的铰链连接，使支架整体可以放倒并水平折叠，这种水平折叠方法既减
24、小了支架占的空间，也方便于支架的展开。支 架底部装有液压马达，带动两组链轮，通过链条与支架顶部的两组滑轮组成了动力头驱动机构，这种驱动结构相对于传统的卷扬机型动力头驱动机构的优势在于能够双向传动，在不同的工况下，既能将动力头向上拉，又能向下推，而且传动精确、平稳，适合于机电一体化控制。本钻杆的动力头使用液压马达通过行星齿轮变速箱减速输出动力。采用液压马达减轻了动力头的重量，同样功率的动力头，使用电机将会大大增加重量。钻杆本体由三段可拼接的空心管组成。由于特殊的结构，钻杆连接时操作简单，并且可以承受正反转扭力和推拉力。钻头使用目前成熟的水泥土搅拌桩钻 头，制作简单，施工方便。支撑系统使用了三根液
25、压缸排布在一个三角形传动块的三个支点上，这种设计方法可以大大减小液压缸的推程的同时达到撑起支架的效果，通过三根液压缸的调整，可以使8 支架保持竖直状态。支架通过两根支杆固定在底座后部，支杆与底座相连处为滑轨，便于调整支架的角度。本课题的结构向着重量轻、体积小、可折叠、移动方便、成桩效率高、打桩成本低方向发展，较传统的大型打桩机相比，在小城市及农村领域，有着明显的优势。 本次设计主要是对 KPH-1000 型钻孔桩机支架 结构和动力系统设计。通过设计能够进一步掌握机械设计制造 、液压系统、机电一体化的专业知识，熟悉当前的制造设备和技术，以及solidworks simulation 三维 建模仿
26、真软件的设计，并把所学的专业知识应用到设计当中。 初步拟定通过以下几个方面完成本次毕业设计： 1、 KPH-1000 型钻孔桩机支架结构设计 ； 2、 KPH-1000 型钻孔桩机 传动系统 结构设计 ； 3、 KPH-1000 型钻孔桩机 支撑系统 设计 ； 4、 KPH-1000 型钻孔桩机 动力系统 设计 ； 5、对 KPH-1000 型钻孔桩机支架 及动力结构进行三维建模，及运动仿真设计。 1.5 设计基本思路 首先了解打桩机的基本结构：由支架，钻孔电机机构，支架起升机构，水泥浆输送机构，以及车体组成。在了解基本结构后我们知道的 KPH-1000 型钻孔桩机 的支架在 12M，车体宽度
27、要小于 5M，属于农用小型转换孔钻机。所以选用链式传动来带动钻孔电机的起升，用链式机构有三点好处：一，传动平稳（相对于齿轮齿条来说）；二，结构简单维护；三，较容易控制（较卷扬机机构来说）。 然后就是建模的阶段，建模需我所用到的是 solidworks 三维软件，首先把主要的零件制作出来，主要零件有底座，塔架，输送电机，和一些配套零件。如 轴，轴承，齿轮等。所以零件建模好后就是组装，组装以塔架为固定零件，然后进行组装。 1.6 设计要求 基本现在的桩机已有成型模板，但是如何将原有的大型工程桩机进行小型化灵活化就成为本次设计的中心问题。由于对桩机的支撑杆很长，所以如何将其进行拆装组合，排布也需要多
28、次比较求优，最后底盘的设计需要符合农村的特点，即不能破坏其对桩机架的平衡稳定能力，也需要有农村灵活运动的特点。 需要对钻孔桩机的基本结构：塔架底盘进行设计计算，然后利用 simulation 进行有限元分析。根据分析的结果，改进桩机的结构，以提高设 计效率，减少设计中的失误，降低试验样机的成本。 1.KPH-1000 型钻孔桩机 设计要求： 钻孔设计最大深度 10m；根桩的正常成桩时间应不少于 40 分钟，喷浆压力不小于0.4MPa；第一次提钻喷浆时应在桩底部停留 30 秒 2.经济性要求： 要求结构设计的简单、紧凑、轻便和稳定。设计中合理地确定结构尺寸、精度、表面质量，尽可能的多采用标准化、
29、通用化、系列化的零部件，减少用价格昂贵的材料，应用合理的制造工艺，便于加工、装配，从而缩短制造周期，减少制造费用、降低材料及能源的 消费。 3.社会性要求： 考虑环保和“绿色”设计。 9 第 2 章 solidworks 与 simulation 的应用 2.1 solidworks 在本设计中应用介绍 Solidworks 是一款强大的三维 CAD 设计软件，在工程设计应用中经常被应用。本人由于学过此软件，又因为此软件对其他的三维软件具有，简单性，高效性，等实体建模功能在本次设计的 KPH-1000 型钻孔桩机的实体建模中 solidworks 可以轻松的完成所需的各种模型，各种动作以及各种
30、元件之间的有限元分析功能， solidworks 所需的打桩过程也可以由此软件的运动分析来完成， 在以往的设计中由于很少用到三维建模模拟工程机械的整体结构以及组装效果，而是用产品试验机来检测产品的性能，这种方法即耗时又耗财力人力，而用三维模拟可以达到同样的检测效果而且还可以进行跟踪方案，各种环境下的建模处理，对此我们利用 solidworks来设计本次产品也会得到很大的帮助。 2.2 solidworks simulation 有限元软件介绍 Simulation 顾名思义既是仿真的意思，此软件进行的有限元分析可以很好地将复杂的机械零件的受 力问题进行图像化表格化，对设计的优化，计算会有很大的
31、帮助。本次设计用simulation 主要用来分析塔架和底座饿结构稳定性进行有限元分析，而结果都将会一图形的结果得出结论。 SolidWorks Simulation 的仿真向导，包含以下顾问向导：算例顾问（图 2）、性能顾问（图 3）、约束和载荷顾问、连接顾问、结果顾问 。 SimulationXpress 使用的仿真技术与 SolidWorks Simulation 用来进行应力分析的技术相同 。 本次设计利用 simulation 主要解决底架与塔架的结构稳定性安全性的问题。由于solidworks simulation 不支持装配体有限元分析所以我们进行的有限元分析都是用零件来解析的。
32、 10 三 ：机械总体结构图设计 3.1 钻孔桩机车底底座整体设计 KPH-1000型钻孔桩机属于小型工程车体其长不超过 5m宽不超过 4m我们要的打桩机要求在农村等地段作业。往往这些地方的交通比较不好；道路较窄，所以在我们设计的时候尽量在打桩 强度和车身稳定性狗的前提下，对打桩机的车体进行最优化的缩小。这样既可以减少生产成本也可以增加车体的农村适应度。 图 3.1 桩机底架 经过询问专业企业的设计师，根据前人设计的方案，一般这种小型化的打桩机一般的底座尺寸采用 3000x5000 的尺寸，故设计出上图的底架框架。框架采用工字梁焊接而成，中间两根左右两根。 因为以上设计很多都是由前人的经验所获取，故还需要对底座进行有限元的分析。
