1、山东科技大学学士学位论文I摘 要本毕业设计的课题为履带式 300 米潜水井钻机的研发设计。主要任务是孔径为 108mm 的履带式 300 米潜水井钻机的履带底盘设计和底盘的校核。重点进行了是钻机的履带底盘结构设计。本文设计的 300 米潜水井钻机采用履带式液压驱动系统，双履带构成钻机的安装支点和基本框架。全液压驱动的控制回路，使其行走和转向机构设计简单、操作方便机构、性能可靠、安全系数较高，更加适用于潮湿等恶劣环境下的工作。本文为对钻机整个履带底盘结构设计计算，包括履带支架梁的计算和履带底盘的计算。关键词：潜水井钻机；履带底盘；底盘结构；全套图纸，加 153893706山东科技大学学士学位论文
2、IIABSTRACTThe issue stems from the design graduates in Shandong Engineering Machinery Plant Lu coal by the crawler-diving 300 meters of research and development wells drilling rig design. The primary mission is the aperture is the 108mm marching 300 meters dives the water well drilling machines cate
3、rpillar band chassis design and chassiss examination. Has carried on is drilling machines caterpillar band chassis structural design with emphasis.This article designs 300 meters dive the water well drilling machine to use the marching hydraulic pressure driving system, the double caterpillar band c
4、onstitutes drilling machines installment pivot and the bare bone. The entire hydraulic pressure actuations control loop, causes it to walk is simple with the rotation gear design, the ease of operation organization, the perform reliably, the safety coefficient are high, even more is suitable for moi
5、stly and so on under the adverse circumstance work. This article for to drilling machine entire caterpillar band chassis structural design computation, including caterpillar band supporting beam computation and caterpillar band chassiss computation.Keywords: Diving driller; chassis structure; crawle
6、r山东科技大学学士学位论文III目 录摘 要 IABSTRACT .II1 绪 论 11.1 国内外履带式潜水井钻机的研究现状 .21.2 国内外履带式潜水井钻机的发展趋势 .51.3 本课题的研究目的及意义 .62 履带式 300m 潜水井钻机的整体设计 .82.1 动力装置选择 .82.2 传动装置选择 .92.3 钻机回转机构形式的选择 .92.4 行走系统的选择 .92.5 钻机自重的估算与整体尺寸决定 .103 履带行走装置计算 .123.1 履带 .123.2 动轮装置 .163.3 支重轮和托轮 .194、对履带底盘连接梁设计校核 475 履带底盘的设计校核 .55山东科技大学学
7、士学位论文IV5.1 履带底盘支撑梁的设计校核 .555.2 履带底盘支撑梁的强度校核 .56总结 58参考文献 58致 谢 61附 录 62山东科技大学学士学位论文11 绪 论本次设计的题目是履带式 300 米潜水井钻机的研发设计，该设备主要用于勘探和普查地层的水文地质情况、钻凿水井、桥梁和高层建筑桩施工以及地源热泵空调工程中，与常见的水井钻机相比，课题设计的钻机采用了履带式行走装置，提高了钻机的稳定性和机动性，具有扭矩大、钻孔深；成孔速度快、钻孔效率高；多种速度调节；噪声低、振动小；多功能等优点，并可以根据钻机循环系统与钻具组合的配置，满足不同孔径的工程需求。随着地热能的勘探与开发，地热井
8、钻凿技术有了较大提高。以前结构简单、钻具简陋、功率较小、成井深度浅、出水量少、水温较低，且无法进行深部地热的勘探和开发的小型的钻凿设备，越来越不能满足现代地热井钻凿技术的需求。为满足地热井口径大、井深、出水量大和出水温度高等要求，钻凿设备则需要不断地引进新的工艺和先进的技术，以进一步发展和提高地热井的钻凿技术。我国是一个快速发展的多山国家，矿山、能源、水电及国防等基础建设领域中各种凿岩开采的工程量十分浩大，各种工程建设急需大量的建设机械，特别是公路桥梁、铁路、水利、城市发展，需要大量的桩工机械设备，但目前我国绝大部分大型高性能凿岩钻孔设备均依赖进口，因此从其发展的速度来看，履带式潜水井钻机的发
9、展在我国有很好的前景。进口产品大量涌入我国市场，而我国同类产品的开发尚处于初始阶段，未来几年将处于急速发展的上升时期。我国的履带式潜水井钻机与国外的履带式潜水井钻机差距很大，无论是功能上，还是技术上都比较落后。尽管产品成本相对较低，但与社会发展不相适应。若要在日趋激烈的履带式潜水井钻机市场竞争中占有一席之地，则必须不断地改进老产品，并逐步开发高起山东科技大学学士学位论文2点、高技术含量的新型履带式潜水井钻机。1.1 国内外履带式潜水井钻机的研究现状履带式潜水井钻机是在回转斗旋挖钻机钻机和全套管旋挖钻机的基础上发展起来的，第二次世界大战前，美国 CALWELD 首先研制出回转斗短螺旋钻机。二十世
10、纪五十年代，法国 BENOTO 将全套管钻机应用于桩基础施工，而后由欧洲各国将其组合并不断完善，发展成为今天的多功能组合模式。日本于 1960 年从美国引进 CALWELD 旋挖钻机，同时加藤制作所开发了 15-H 型钻机。以后开发了可配套摇管装置和抓斗的钻机，1965 年日立建机研制了利用挖掘机底盘装有液压加压装置的钻机，1974 年开发了利用液压履带起重机底盘由液压马达驱动的钻机。1980 年日立建机与土力公司合作开发了为提高单桩承载力和扩底灌注桩的施工领域。德国宝峨的加入和日立建机与住友建机的联盟进一步促进了旋挖钻机技术在日本的发展。日本的旋挖钻机扭矩比欧洲的同类产品小。其中欧洲的独立式
11、旋挖钻机具有以下特点：（1）动力头由一个或多个液压马达驱动，一类为宝峨、永腾为代表，转速较低、没有高速反转。另一类以土力、迈特、卡萨为代表，动力头运转由一至两个大排量变量马达驱动，高速反转由另外一个小马达驱动，还有一类如意马，直接通过行星减速机的换档来实现高速反转甩土。前面两种结构简单，液压配管方便，成本低，后面一种液压管布管复杂，减速机结构复杂，易出故障，造价高。（2）钻杆分为摩阻式与机锁式。机锁式又分为间断式和齿条式。摩阻式钻杆用于普通地层钻进，机锁式用于坚硬地层钻进。旋挖钻机工作时，钻杆同时承受拉压、剪切、扭转、弯曲等复合应力。欧阳旋挖钻机所遥的山东科技大学学士学位论文3伸缩钻杆均采用高
12、强度特殊合金无缝管制造。设计制造都有一些特殊的要求。这样才能达到质量轻，传扭大、耐磨损、寿命长。（3）立柱采用箱形结构，刚性好，重量轻。滑道多采用耐磨方形无缝管，便于传递大扭矩。立柱支撑机构有三种形式，一种为平行四边形小三角结构，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。缺点是前面重量偏重，稳定性稍差，不能承受超大扭矩。另一种为大三角结构，以宝峨为代表，其特点是结构简单，稳定性好，能承受大扭矩。缺点是运输时要拆开，费时，需要辅助起重设备，第三种以西班牙拉马达公司、意大利安特高为代表，虽然也是大三角支承结构，由于装有辅助起架油缸，整机也能放倒折叠，具有以上两种结构的优点，结构新颖
13、，经济实用。（4）主卷扬是旋挖钻机的关键部件，根据旋挖钻机的施工特点，在钻机每个工作循环（对孔下钻-钻进-提钻-回转- 卸土） ，主卷场的结构和功能都非常重要，钻孔效率的高低、钻孔事故发生的几率，钢丝绳寿命的长短都与主卷场有密切的关系。欧洲的旋挖钻机都有钻杆触地自停和动力头随动装置以防止乱绳损坏钢丝绳。特别是意大利迈特公司的旋挖钻机，主卷扬的卷筒容量大，钢丝绳为单层缠绕排列，提升力恒定，钢丝绳不重叠碾压，从而减少钢丝绳之间的磨损，延长了钢丝绳的使用寿命。国外旋挖钻机主卷扬都采用柔性较好的非旋转钢丝绳，提高使用寿命。（5）底盘分为专业桩架底盘、旋挖钻机专业底盘、起重机履带底盘、挖掘机履带底盘、汽
14、车底盘等。可变履带间距的底盘，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。1984 年天津探矿机械厂首次从美国 RDI 公司引起车载式旋挖钻机。1988 年北京城建工程机械厂仿制了土力公司 1.5m 直径附着式旋挖钻机。山东科技大学学士学位论文41994 年郑州勘察机械厂引进英国 BSP 公司附着式旋挖钻机，1998 年上海金泰股份有限公司与宝峨合作组装 BG15。1999 年哈尔滨四海工程机械公司和徐州工程机械股份公司先后开发了附着式旋挖钻机和独立式旋挖钻机。2001 年经纬巨力第一台旋挖钻
15、机试制成功。2003 年后三一、山河智能等多家生产厂家的旋挖钻机陆续下线，产销两旺。其中徐工科技是国内较早专业生产大口径液压旋挖钻机的厂家，主要产品有 RD15、RD18/RD20、RD22 三种旋挖钻机。该系列钻机是在广泛吸收国外同类产品先进技术的基础上设计开发的高新技术产品，主要性能指标达到了当代国际同类产品的先进水平，液压等关键零部件采用国际化配套，保证整机的可靠性。整机采用液压伸缩式履带底盘，自行起落折叠式钻桅、伸缩式自锁钻杆，采用国际先进的 PLC 智能控制技术，CAN 总线控制系统，具有钻孔定位自动对正、钻桅垂直度自动控制、孔深自动检测显示、钻孔速度扭矩自适应系统、故障诊断等多种智
16、能化功能。整机具有主副卷扬防过卷安全保护、变幅安全限位、驾驶室内先导控制切断等可靠的安全保护装置，且整机外型美观大方，主要结构件采用高强度低合金结构钢焊接而成，机械强度高，刚度大，工作安全可靠。本设计的履带式潜水井钻机是主要用于露天矿山开采，建筑基础开挖,水利、电站、建材、交通及国防建设等多种工程中的凿岩钻孔。与常见的凿岩机相比，具有钻孔深、钻孔直径大、钻孔效率高、适应范围广等特点，是当前通用的大型凿岩钻孔设备。在凿岩设备的研究开发方面，瑞典的阿特拉斯科普柯、芬兰的汤姆洛克、美国的英格索兰、日本的古河等企业已经走在了行业的前列，它们均推出不同品牌和系列的一体化潜孔钻机。这些公司的产品经过几十年
17、甚至上百年的积累、改进与发展，无论是设计、选材还是制造水平都处于国际领先地位。其中瑞典的阿特拉斯科普柯公司和芬兰的汤姆洛克公司生产的液压凿岩设备占全球产量一半以上。山东科技大学学士学位论文5我国是一个快速发展的多山国家，矿山、能源、水电及国防等基础建设领域中各种凿岩开采的工程量十分浩大。目前绝大部分大型高性能凿岩钻孔设备均依赖进口。因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺，研制新产品，改变由过去的我国凿岩机械市场受到进口产品的严重冲击，在众多的重点工程中，国外设备几乎一统天下的状况，满足用户需求，真正成为以优异的性价比获得用户的首肯。1.2 国内外履带式潜水井钻机的发展趋势冲击回转钻进法的应用
18、已有上百年的历史。二十世纪三十年代发展了风动潜孔锤。到五十到六十年代获得了较为广泛的应用。在此期间，美国在 3500 米的深井中，成功地进行了风动潜孔锤冲击回转钻进。随后又在水并钻机和工程钻机中广泛应用。到六十年代末，在我国矿山开采中推广使用了风动潜孔锤冲击回转钻进，代替了旧的钢丝绳冲击钻进。二十世纪四十年代，苏联葛莫夫研制了滑阀式正作用液动冲击器，美国巴辛格尔也研制了活阀式正作用液动冲击器。在液动冲击器的研制方面取得了很大的进展。到五十年代，美国艾莫雷研制了活阀式反作用的冲击器，到五十年代后期，就出现了种类繁多的双作用的冲击器。各类冲击器一直发展到现在，都取得了较大的发展。现在随着液压技术的
19、发展，国内外钻井装备业重视液压技术的应用开发,在石油钻井装备制造方面以新技术占领市场,发展势头强劲。在国内，1996 年宝鸡石油机械有限责任公司在2 套 ZJ40L 钻机上试制了双刹车回路的液压盘式刹车装置。后经不断完善 ,从 1998 年开始,在新制造的钻机上液压盘式刹车装置逐步取代了带式刹车装置。另外，在顶部驱动钻井装置，钻机底座及井架的起升及钻机的整体平移上都在和液压技术结合起来。我国自 1968 年开始研制反作用的冲击回转钻具，于 1971 年辽宁铁岭山东科技大学学士学位论文6地质队、长春地质学院等单位先后研制出液压射流式冲击器，取得了不少的成就。现在射流式冲击器和阀式冲击器已在地质勘
20、探取心钻进生产中应用起来，并取得了较好的成果。冲击回转钻进方法虽然应用越来越广泛，但尚须进一步完善和提高。应当研究冲击回转钻进的碎岩原理；研究设计新型的冲击器，应尽先研制用于坚硬岩层的大冲击功的冲击器，泥浆钻进用的冲击器以及小口径金刚石钻进用的高频冲击器等；研究冲击器的设计和计算方法，设计适应冲击回转钻进用的水泵及钻机；研究冲击回转钻进用的钻头结构、硬合金的材质和形状及其镶焊方法。目前，国产旋挖钻机品种比较单一，大多数产品的扭矩是 180-220kNm，用户选择的余地较小，然后，据统计我国 80%-85%的桩基础桩径在 1200mm 以下，深度不超过 40m,今后，可发挥旋挖钻机的多功能这一最
21、大优点，不片面强调大扭矩条件，开发适合我们国情，满足高效、环保、效益高等施工要求，且价格较低的国产履带式潜水钻机钻机。1.3 本课题的研究目的及意义本毕业设计的课题来源于山东鲁煤工程机械厂根据其实际需求所提出的履带式 300 米潜水井钻机的研发设计。我国是一个快速发展的多山国家，矿山、能源、水电及国防等基础建设领域中各种凿岩开采的工程量十分浩大。目前绝大部分大型高性能凿岩钻孔设备均依赖进口。所以履带式潜水井钻机在国内仍有很大的发展潜力和发展空间。随着近年来地热能的勘探与开发，地热井钻凿技术有了较大提高。以前结构简单、钻具简陋、功率较小、成井深度浅、出水量少、水温较低，且无法进行深部地热的勘探和
22、开发的小型的钻凿设备，越来越不能满足现代地热井钻凿技术的需求。为满足地热井口径大、井深、出水量大和出水温度高等要求，钻凿设备则需要不断地引进新的工艺和先进的技术。山东科技大学学士学位论文7因此，我们要根据我国市场的基本要求，不断采用新技术、新工艺，研制新型履带式潜水井钻机，改变由过去的我国凿岩机械市场受到进口产品的严重冲击。有根据国内地热能开发的一般地层深度，及山东鲁煤工程机械厂的实际生产需求，本次设计的履带式 300 米潜水井钻机是十分有必要的。 山东科技大学学士学位论文82 履带式 300m 潜水井钻机的整体设计一台钻机与其它机器一样，都由许多零件、部件相互组合而成成的整体。它的性能如何，
23、不仅取决于各类零件、部件设计的是否合理，更重要的是取决于各部件性能相互配合与协调。因此，钻机的总体设计对钻机的整机性能起着决定性的作用。履带式 300m 钻机的总体设计，要依据设计任务书中所规定的设计要求及山东鲁煤工程机械厂当前的实际状况与制造条件，从全局出发正确合理地选择机型，而后确定整机的主要技术参数及根部件的结构形式，进行整体布局，最后得到一个最佳的设计方案。为了拟定履带式 300m 钻机的整机设计方案，在确定钻机的原始设计参数和主要工作参数之后，就要在分析的基础之上选定各部件的结构形式和传动方式，进行总体结构方案的设计。2.1 动力装置选择对于钻机常用的动力装置，按动力种类可分为：内燃
24、机驱动、电力驱动及复合驱动；按整机所用原动机的数目可分为：单机驱动和多机驱动；按原动机的特征可分为：具有固定特征的驱动和具有可变特征的驱动。由于由于履带式 300m 钻机的工作环境较差：在户外进行工作，环境温度变化较大、岩尘多，还要受到风、雨、雪等恶劣天气的干扰。使钻机的工作状况经常变化、过载堵转等现象。这些使用环境和工作特征对钻机的各部件选用，都提出了特殊的要求。所以在综合考虑钻机的生产效率和各部件所需的功率的大小及动力装置的结构尺寸、重量、操作的难易程度、能源的来源及可靠程度、经济性等因素，本钻机选取单机固定特征的内燃机驱动。山东科技大学学士学位论文92.2 传动装置选择钻孔机械中常用的传
25、动形式有三种，即：机械传动、液压传动和气动。其中：（1）机械传动结构简单、传动可靠，加工及制造比较容易、成本低，但传动系统中有较大的扭振和冲击。（2）液压传动结构简单、体积小，传动平稳可靠，操作、控制方便，可以实现无级调速，但会出现泄漏、裂管等问题。（3）气动结构简单、清洁，成本低，但工作不平稳、冲击性较大，动作不够可靠。综合考虑各种传动系统的优缺点，本钻机采用液压传动。2.3 钻机回转机构形式的选择钻机的回转机构的结构形式有多种，有设置在底部、中间、顶部等多种传动装置。其中底部传动是通过六方杠或带有花键的主钻杆带动钻具旋转，通过链条链轮组或钢丝绳滑轮组、齿轮齿条来实现轴向加压，利用该结构是钻
26、杆结构复杂、加工困难；顶部传动的特点是回转机构（动力头）在链条链轮组或钢丝绳滑轮组、齿轮齿条的牵引下沿钻架的轨道上下滑动，以实现连续加压或提升钻具，结构简单、轴压大、钻孔效率高。综合考虑本钻机的特点和应用场合，采用顶部驱动，利用液压缸和钢丝绳滑轮组来实现攻进和提升钻具等，结构简单且工作安全可靠。2.4 行走系统的选择由于本钻机的工作环境比较恶劣，即：露天、粉尘、潮湿、泥泞路面等。故采用行走系统采用履带式行走系统。山东科技大学学士学位论文102.5 钻机自重的估算与整体尺寸决定由 300 米履带式钻机的原始设计数据可知：（1）钻孔深度：300 米；（2）钻孔直径：152305 毫米；（3）钻杆直
27、径：89、108；（4）钻杆长度：3 米。此设备可以在露天、粉尘、潮湿、泥泞路面等比较恶劣的环境中工作。故根据以上条件做出设计的基本组成及其各组成部分的自重，即：钻机共有垂直支架、提升机构（主卷扬系统和副卷扬系统） 、动力头及其附件、发动机、液压驱动系统（履带） 、钻机底盘、冷却器、雾化器、泡沫泵及各类液压元件等组成。根据 300m 钻杆的质量及其在提升过程中的惯性力和与井壁之间的摩擦力等，提出其设计的提升力为 F=10t=98KN。所以可以根据履带式钻机的总质量（t）经验公式（2.1）估算钻机的自重 m：t64.7.106.93272106.927HRCmp（2.1）式中：H钻机的起升高度（
28、m） ，H =6.7mR钻机的幅度（m） ，R=2.3mCp钻机的额定提升力（t） ，Cp =10t又考虑到钻机有大量液压附件等其他因素的自重故可取钻机自重为m=8t故钻机自重可分配如下：钻机自重： m=8tG89.=74KN履带自重： L3L32.山东科技大学学士学位论文11底盘自重： dm=2.tdG2.98=1.56KN冷却器、雾化器、泡沫泵等气路及其各类液压元件自重之和：F=0.8tFG.987.4KN发动机自重： 0=.5t0.598=4.垂直支架、滑轮组及主、副卷扬系统自重之和： Zm1.2tZG=1.298.76KN动力头及动力头底座： Dm=0.3tDG=0.398.4KN在工
29、作过程中，动力头与支架的受力分析可描述为： 故有以上设计要求与钻机各部分自重分配可知：最大提升力：F=10t=98KN；垂直支架、滑轮组及主、副卷扬系统自重之和： ZG=1.76KN设动力头对滑轨的正压力为 ；固定约束处的反作用力分别为FFR1、F R2、F R3；提升过程中的摩擦力 Ff=f 。则有手册可知：动摩擦系数 f 为：有润滑时：f=0.04; 无润滑时：f=0.2。其中又已知： 123456L=3m; 70; L=8m; 2; L=41m; 8; 。78910 250512.53山东科技大学学士学位论文123 履带行走装置计算3.1 履带履带工作条件恶劣，它直接和土壤、沙石、泥水等
30、接触还承受冲击和布均匀负荷、传递驱动力，是最易磨损的零件之一，因此要求履带具有足够的强度和刚度，耐磨性好，重量轻以减少金属的消耗量，并减轻履带运动时的动载荷，要求；履带和地面能很好的附着又要考虑减少行驶及转向的主力。履带结构有整体式和组成式两种。整体式每一节履带铸造成整体，结构简单、重量轻、易拆装，但销孔间隙大、易进泥沙、易磨损，适于高速车辆。工程车辆大多采用组成式履带装置，这种结构密封性能好，泥沙不易进入相对的转动面，因此使用寿命长，其缺点是零件多，制造复杂，拆装困难。3.1.1 履带板的结构履带板的结构形式上根据用途不同，通常分为普通用、湿地用沼泽地用和岩石地用等履带板。（1）普通履带板：
31、一般有 2080 毫米高的屡刺。我国已统一规格，如图（表 2.1）所示。山东科技大学学士学位论文13表 3.1 履带板结构其中单筋式履带板牵引力大，用于推土机；双筋式履带板，刚度大，兼有牵引力性能和转向性能，用于装载机；三筋式履带板用于挖掘机。（2） 湿地、沼泽地履带板：一般有三角形和四角形（从履带纵向剖面看） 。前者为履带推土机用，后者多为履带式挖掘起重机用。鉴于本钻机在雨天、潮湿、泥泞的恶劣环境中工作，而履带只用于较短距离的移动，用来移动向下一个钻孔位置，而在长途的运输中用大型的运输机械，就降低了对履带板的要求，所以本及其采用普通履带板双筋式履带板，即图中（表 2.1b）所示：为减轻重量，
32、履带板厚在 78 毫米之间，履带板宽度在 6001800 毫米范围内，接地比压可减少到 0.30.1 。2公 斤 /厘 米3.1.2 履带节距 ot履带节距 通常随机重 G 的增加而线性增大，通常为：ott0=(17.523) 4选择节距除考虑机器重量外，尚须考虑接地压力分布和行驶不均匀性。加大节距有利于使接地压力均匀。现在市场上的履带总成系列成品都是根据吨位和工作环境进行的通用设计，选择履带的总成系列产品后可以直接用于履带车辆的安装生产。履带的强度计算和校核在出厂前各生产厂家已经进行了必要的计算。3.1.3 履带的计算工况考虑到整机在斜坡上工作时，一侧履带所能传递的最大驱动力。假定发动机的力
33、矩足够，则此时一侧履带所能传递的最大驱动力，取决于土壤的附着条件，即：PHK= 1.075.AGG山东科技大学学士学位论文14式中： 附着系数，取 ;1.0A考虑机器在斜坡上工作时，整机重量在一侧履带上分配系数，取 A=0.75。300 米潜孔钻机的设计的最大行走速度为 ，即 。2.5/kmh0.694/kh爬坡角为 ，设计是按照 的爬坡角度，车体重量暂时定为 8t。225其中决定行走机构性能的主要参数有：行驶功率、牵引力、机重、车速、最大爬坡度等。（1）牵引力 F对于作业机械来说，牵引力大，爬坡加速性能好。但牵引力过大，则机械受附着力限制发挥不了所需要的牵引力，反而是轮胎由于处于滑转状态而加
34、速磨损，无意的消耗功率。因此牵引力的选择应与机械的附着条件相适应，并且使之与机械的额定滑转率相一致，以获得较好的经济效果。 HFG式中：F- 额定牵引力G-机械的重量-额定附着系数H由于钻机行走速度较慢，且在长距离行走时采用大型机械运输故其额定附着系数取值 =1H对钻机进行简化并进行受力分析a、当其水平运动时，其运动状况如图 2.2 所示：山东科技大学学士学位论文15图 2.2 受力分析图履带直接接于要求与地面无相对滑动，把履带边缘与地面接触处近似简化为一体，故计算履带内部摩擦。履带内部按滚动处理，其摩擦系数取为 0.12（额定滑转率，取值为泥泞沙地） HFG38109129408Nb、爬坡时
35、受力分析如图 2.3 所示：图 2.3 受力分析图实际爬坡角为 ，设计时按最大爬坡角为 计算。滚动阻力系数2 250.12，则其所受摩擦力为3cos8109.286fGN爬坡时的牵引力为 3 4(sin)8109.i2586)1.5610Ff履带的牵引力附着系数：根据钻机的工作环境取附着系数为山东科技大学学士学位论文16则驱动装置输出牵引力为0.854440/.1650.81.9071TFN考虑到履带爬坡，整机重量在履带一侧分配系数 A=0.75 4410.97.3.65AN3.2 动轮装置驱动轮在履带底盘上可安在后部或前部。前置的驱动轮在底盘前进时驱动区段很长铰链在受力很大的驱动段内相对转动
36、次数较多，损失大前置驱动轮通常用于前置驾驶室底盘上，使视野较好。一般履带均为后置驱动轮后置可以减少驱动段长度，减少功率损失，适于驾驶室后置底盘。但随着车速增高，由于履带板振跳而而损失能量增加驱动轮后置的功率损失反而大。因此一般认为车速小于 1520 公里/小时驱动轮后置有利。故潜空钻机采用驱动轮后置。驱动轮动力传给履带。驱动轮和履带的啮合质量，影响动力的传递和行驶的均匀性。驱动轮和履带啮合中的摩擦损失超过齿轮啮合时的几倍，这是由于啮合表面粗糙，工作条件恶劣和啮合过程中产生冲击的人造成的。3.2.1 主要参数的确定驱动轮齿的节距按相应的履带板节距选择。（1）驱动轮齿数 z ：卷绕在驱动轮上的履带
37、板数目 增加，使履带运动速度均匀性好，铰z链摩擦损失减少，但驱动轮直径增大，引起底盘高度及重量增加。一般在 1215 之间，可为整数，也可为 0.5 的倍数。为增加驱动轮的使用寿z命，一般 z=2 ,当驱动轮齿数为偶数时，驱动轮上有一半齿不参加啮合，z山东科技大学学士学位论文17待磨损严重后，拆下重装时，使未参加啮合的齿开始工作，以增加使用寿命。但驱动轮齿数为奇数时，则驱动轮上各齿轮流与节销啮合同样增加使用寿命。（2）驱动轮节园半径 Kr018sinKrz一般 =400-500 毫米之间Kr一些底盘驱动轮主要参数3.2.2 驱动轮齿形设计按齿面形状，驱动轮齿形可以分为凸形、直线形和凹形齿形三种
38、。如图 3.4 所示：图 3.4 驱动轮齿形目前工程机械多采用后两种。根据潜孔钻机的工作环境，选择凹形齿形。对驱动轮齿形的要求为：（1） 是履带节销顺利的进入和退出啮合，减少接触面的冲击力。（2） 齿面接触应力减少，以减少摩损。（3） 当履带节距因磨损而增大时，履带节销与驱动轮内齿仍能保持工作，不致脱链。驱动轮的工作面是履带节销和齿面接触的部位，为减少接触应力，工作形状最好为凹形。当履带节距因为磨损而增大时，节销将沿着齿面向山东科技大学学士学位论文18上爬，为保证此时仍能啮合，轮齿应有一定高度。在单圆弧-直线的齿形上，齿谷圆弧和工作面圆弧由同一圆弧组成。如图 2.5 示图 3.5 单圆弧-直线
39、齿节圆直径 D180sinrtz谷齿半径 rr=0.585d式中：d-节销（销套）直径。根圆直径 0KDd顶圆直径 (.304)e:齿谷距离 2.5Sr3.3 支重轮和托轮3.3.1 支重轮的设计计算支重轮将整机重量传递到履带上，使整机沿履带轨道滚动，并夹持履山东科技大学学士学位论文19带，不使其横向滑脱，在转向时，迫使履带在地面上滑移。支重轮在泥水中工作，且承受强烈冲击，工作条件恶劣，因此要求器轮缘耐磨，密封可靠。目前国内、国外工程机械支重轮主要有两种结构形式，直轴式和凸肩轴式两种，如图 3.6 所示（a）推土机类： （b）挖掘机类图 3.6 重轮尺寸山东科技大学学士学位论文20直轴式结构简
40、单，零件少，工艺性好，但承受轴向力稍差，适用于挖掘机类工况。凸肩轴式能承受较大的轴向力和冲击载荷，但结构较前者复杂，适用于推土机类工况， 。目前支重轮多采用浮动油封和双金属滑动轴套。为减少支重轮的磨损，须使轮缘对履带的接触应力在需用范围内。轮缘接触应力按： 43.crGbRn式中 b-支重轮轮缘工作宽度；-支重轮半径；rn-支重轮个数许用接触应力 。23cMPa支重轮的最大径向载荷是整机跨越突起障碍式的工况，此时每侧的一个支重轮承受整机总重量，即一支重轮上的最大径向载荷为整机重量之半，支重轮轴按此工况计算弯曲强度。3.3.2 托轮的设计计算由于托轮与支重轮相比受力较小，工作时很少会受到泥水侵蚀
41、，因此尺寸较小。根据 300 米履带式潜水钻机的实际工作状况，托轮的设计计算可以按照一般工程机械的通常设计方法进行设计，通常条件下托轮的设计不需进行计算，而仅根据结构特点进行选型即可。3.4 引导轮计算与张紧装置的设计张紧装置和引导轮的公用是引导履带正确的卷绕，并使履带保持一定的张紧度，通常引导轮都起张紧装置的作用。引导轮的移动方式，分为摆动式和滑动式两种。目前机械多采用滑动式。设计是应使引导轮前后、后移动的调整范围超过履带节距之半，以便山东科技大学学士学位论文21当履带磨损后节距变长时取下一节履带板后，仍能保持履带的张紧度。3.4.1 引导轮的设计引导轮的材料一般是 40 或 45 铸钢，轮
42、缘通常不加工，表面淬火硬度HRC45 以上。导向轮轴通常用 40、40Cr 制造，调质处理硬度 HB285321，轴通常不转动，采用滑动轴承。履带宽度 b 和履带支撑面长度 ，一般按接地单位压力确定的：0L20qGL式中 单位压力。计算所得的 应满足转向要求：0L)(20fB式中 B轨距。与 b 的合理配合，对提高底盘的牵引力附着性能有较大影响。窄长0L的履带滚动阻力小，有较好的牵引力附着性能，但转向主力较大(图示机重与履带宽度关系)。 值 4 一般为：0/LB一般用途：0.180.22沼泽地用：0.240.28一般用途可参考图 2.7 所示的曲线进行选择。山东科技大学学士学位论文22图 3.
43、7 机重与履带宽度关系3.4.2 张紧装置的设计履带的功用是支持整机重量，保证产生较大的牵引力的。前已述及履带，当车辆向前行驶时，驱动链轮前置的方式，履带驱动段较长，履带板曲折的部位增多，因而摩擦力矩增大，使驱动段机械效率降低以及履带板摩擦元件的磨损加剧。根据这个理由，一般工程机械在没有特殊用途或特殊要求的情况下一般采用后置驱动方式。只有在高速履带车辆上，为了减少履带上方区段的跳动而引起的能量损失，才采用驱动链轮前置的方式。履带式行走装置是用来支持机体，把发动机传到驱动轮上的转矩和旋转运动转变为行驶所需的驱动力和前、后运动，它具有牵引力大、接地比压低、爬坡能力强、转弯半径小等优点。左右两条履带
44、包绕在驱动轮、支重轮、托链轮、引导轮上，由张紧装置张紧，直接与地面接触。履带张紧装置缓冲弹簧的作用是：(1) 保证适当的履带张紧力；(2)当导向轮受到前方的冲击载荷时，缓冲弹簧回缩以吸收振动，防止履带和驱动轮损坏。因此在对张紧装置缓冲弹簧进行设计时，必须考虑的两个重要问题是弹簧的预载和缓冲量。 (1)弹簧的预载 履带装置的预紧力对履带行走性能具有很大影响，预紧力过大，使履山东科技大学学士学位论文23带刚性太大，张紧装置起不到缓冲作用，同时会造成履带行走机械内摩擦力的增加，从而造成发动机功率的损失以及加快履带的磨损速度；预紧力太小又会使履带松弛，起不到张紧作用，同时造成履带上方振动及跳动，也会造
45、成摩擦力的增加。因此，在设计上对履带装置给出一个合理的预紧力，对提高履带的行走性能具有重大的作用。弹簧的最小预紧力是根据车辆在斜坡上倒挡时为使引导轮不出现缓冲所需要的弹簧负荷力而求出。一般都采用经验公式计算，即以整机的使用重力乘以一个经验系数作为履带的预紧力，但它不能适应不同的履带行走机械。履带预紧力能使履带的下垂度控制在所需要的范围内，也就是说预紧力可通过履带的下垂度来反映，因此由履带的下垂度就能计算出履带所需要的预紧力。(2)下垂度的测量垂度的测量主要考虑测量 2 点，一是履带最松弛的地方，也就是所受牵引力最小的地方；二是测跨度最大的地方。如图 1 所示。 图 1 履带下垂示意图图 2 履
46、带链轨受力简图山东科技大学学士学位论文24(3)下垂度计算 对于履带链轨来说，其拉力可用悬链线拉力的公式来近似计算，先求出其下垂度，也可通过受力分析求出，其受力简图如图 2 所示。2=fxSx/g因 Sy=qL/2，代入上式则：qg x(L-z)/2=fxScos，从而推导出：fxqgx(L-X)/2scos令 fx=0，即可求出 x=l/2，这时链轨有最大下垂度：fmax=qgL2/(8scos)式中 q履带每米的质量；g重力加速度；x履带上任意一点到两支点连线的距离；L两端支点间的距离；s履带轨的拉力；两支点连线与水平线的夹角。 (4)履带初拉力计算通过上式可推导出履带的最小拉力，考虑到托
47、轮两端受力不均匀，因此采用一系数对其修正。即 201min1ax8cosqgLskf式中 链轨的初拉力，N； 0k1修正系数，当托链轮个数为 1 时，k1=1.8，当托链轮个数为 2时，k1=2 。 山东科技大学学士学位论文25图 3 履带张紧力计算简图(5)弹簧预紧力的计算 当驱动轮在后时，如图 3a：位置 1 为紧边，设紧边的张紧力为 P，其大小为驱动轮的驱动力；而另外 3 个位置 2、3、4 为松边，故张紧弹簧的预紧力为：T1=2s0+ 式中 履带运行时引起张紧力变化的阻力之和，一般为 0.05G(G 为钻机整车重量) 。 当驱动轮在前时，如图 3b：位置 1、2、3 为紧边，位置 4
48、为松边，故张紧弹簧的预紧力为：T2=2K2P+W式中 K2修正系数，取 K2=1.2。 由此可看出，T 2 T1，因此设计弹簧时，以 T1 作为弹簧的预紧力，以T2 作为弹簧的最大张紧力。 (6)弹簧的缓冲量缓冲弹簧的缓冲量即行程对履带行走性能有很大影响，如果缓冲弹簧的行程过小，当导向轮受到前方的冲击载荷或因泥沙、小石块等潜入驱动轮的的齿沟、履带、支重轮和托链轮时，就可能导致刚性碰撞，造成履带过载和张紧杆变形，从而影响履带行走系统的性能。因此缓冲弹簧必须具有一定的缓冲行程，以保证履带在上述情况下出现滑转，履带的上方具有一定的垂度。由于考虑到履带和驱动轮卡入石块时能脱离啮合，因此其计算公式为：
49、()4keiDs式中 驱动轮齿顶圆直径；ke山东科技大学学士学位论文26驱动轮齿根圆直径。kiD3.5 履带总成系列的选型根据目前市场上的履带总成系列选型，承重 8t 的履带总成系列驱动轮节距一般工程机械为 t0=135mm。对比各厂家生产的履带总成产品，选择山推股份有限责任公司的履带总成系列产品。其基本尺寸如下:节距 t0=135mm， 驱动轮节圆直径 458m。根据履带总成系列选择液压传动装置：则驱动轮处最大输出扭矩为 41/23.675108028416MTN:3.6 履带行走驱动马达的设计计算与选型本钻机的履带行走系统采用意宁公司的液压马达和液压传动装置，则选择过程如下。对于大多数小型履带式钻机和挖掘机，一般选用不带制动器的系统，因为传动装置的液压系统设置了能在坡上长期停留的制动系统，即使停机时，停在斜坡上的机器也不会发生溜车的事故
