长螺旋钻机大功率液压动力头研究

摘要

长螺旋钻机广泛应用于城市建筑物建设的桩基础施工中，它以施工效率高、成孔质量好、无振动、噪声低等优点深得客户的青睐。但在桥梁、铁路桩基础孔的施工中，长螺旋钻机的市场占有量较少。统计表明，我国大量的城市建筑物广泛采用600mm、800mm孔径的桩基础孔，深度不超过32m。而桥梁、高速铁路的建设广泛采用孔径800-1200mm的桩基础孔，深度超过32m。目前国内长螺旋钻机最大施工能力集中在孔径600mm至800mm，深度不超过30m的孔。限制长螺旋钻机施工能力提高的关键因素是大功率动力头重量大，易导致螺旋钻机倾翻，迫切需要引入现代设计方法对长螺旋钻机动力头进行优化设计。
　　 该论文的主要研究工作和贡献如下:
　　 (1)建立螺旋叶片上的土壤分布模型，基于土力学基本理论、牛顿第二定律，计算得出动力头输出转速和输出功率的数学模型，为后面动力头的优化设计提供理论依据。
　　 (2)综合当前国内外液压动力头的传动形式的基础上，对大功率液压动力头进行了初步设计，提出了四马达驱动、回转支撑代替大齿轮的动力传动方案，建立动力头结构三维模型。根据设计的技术要求，搭建动力头液压系统原理图。
　　 (3)基于有限元基本理论，运用Ansys有限元分析软件对齿轮箱模型进行静力学分析和模态分析，检验齿轮箱体的强度、刚度并进行优化，计算箱体的振动频率和振型，避免箱体与外界振源产生共振。
　　 (4)基于现代仿真理论，运用系统仿真软件AMEsim对动力头传动链系统模型进行仿真分析，模拟系统在不同控制模式下的响应，验证系统的可靠性和稳定性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源

1．2 长螺旋钻机介绍

1．2．1 长螺旋钻掘的工法优势

1．2．2 长螺旋钻机结构及技术特点

1．2．3 长螺旋钻机在基础工程机械中的地位分析

1．3 课题研究目的和意义

1．4 设计大功率液压动力头的难点分析

1．5 液压动力头的国内外研究现状

1．5．1 国内钻机液压动力头的研究现状

1．5．2 国外钻机液压动力头的研究现状

1．6 课题的研究思路与论文结构

2 动力头输出参数理论研究

2．1 土壤分布形状的曲线函数

2．2 土壤螺旋输送临界转速研究

2．3 动力头输出功率研究

2．3．1 钻头切土消耗功率

2．3．2 螺旋叶片输土功率研究

2．4 本章小结

3 动力头结构及液压系统设计

3．1 动力头结构设计

3．1．1 动力传动方案设计

3．1．2 齿轮机构参数计算

3．1．3 三维建模

3．2 动力头液压系统设计

3．2．1 设计要求

3．2．2 液压回路调速方式选择

3．2．3 回路的循环形式选择

3．2．4 泵与马达形式选择

3．2．5 系统工作压力确定

3．2．6 液压马达的选型与计算

3．2．7 电机与泵的计算选型

3．3 液压原理图设计

3．4 本章小结

4 齿轮箱有限元优化设计

4．1 有限元方法及所用软件介绍

4．1．1 有限元分析的基本步骤

4．1．2 有限元分析软件ANSYS介绍

4．2 齿轮箱体有限元静力学分析

4．2．1 静载荷分析

4．2．2 模型离散化

4．2．3 约束施加与求解分析

4．2．4 加强及再分析

4．3 齿轮箱体有限元模态分析

4．3．1 有限元模态分析理论

4．3．2 动载荷分析

4．3．3 模态计算及结果分析

4．4 本章小结

5 液压动力头传动链仿真分析

5．1 系统仿真简介

5．1．1 系统仿真的意义

5．1．2 系统仿真基本理论

5．2 系统仿真软件功能简介

5．2．1 AMEsim仿真的特点

5．2．2 AMEsim建模仿真流程

5．3 传动链模型的建立

5．3．1 电机泵组模型

5．3．2 插装单向阀模型

5．3．3 液压马达模型

5．3．4 建压阀模型

5．3．5 换向阀模型

5．3．6 负载模型

5．3．7 传动链整体模型

5．4 基于AMEsim的液压动力头传动链仿真分析

5．4．1 参数设置

5．4．2 仿真分析

5．5 本章小结

6 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文及录用情况