目录前言11 国内外旋挖钻机发展状况及前景31.1 国外旋挖钻机发展状况31.2 国内旋挖钻机发展状况52 旋挖钻机结构组成与工作原理研究72.1 旋挖钻机主要结构整机布置72.1.1 行走装置72.1.2 回转平台82.1.3 变幅装置82.1.4 卷扬机构82.1.5 工作装置82.1.6 桅杆92.2 整机参数92.3液压系统设计要求93 旋挖钻机执行机构工况分析113.1钻进工况分析113.1.1 被动土压力产生的阻力矩113.1.2 滑移面上的摩擦力产生的阻力矩123.1.3 沿切削刀面的摩擦力产生的阻力矩143.1.4 切削刀侧面剪切土体的阻力产生的阻力矩153.1.5 切削刀背面切入土体的摩擦力产生的阻力矩163.1.6 钻斗与孔壁表面摩擦产生的阻力矩173.1.7 钻头钻杆回转的惯性阻力矩183.1.8 土体在钻斗内的回转阻力矩183.1.9 钻进速度分析203.2 卷扬机构工况分析203.2.1 主卷扬工况分析与计算203.3 变幅机构工况分析223.4 回转机回转机构工况分析233.4.1 回转阻力矩分析233.4.2 回转阻力矩计算233.5 行走装置的工况分析254 旋挖钻机液压工作原理设计274.1 液压系统简介274.2 主要液压回路设计274.2.1 泵控回路274.2.2 动力头回转回路284.2.3 加压回路284.2.4 主、副卷扬回路294.2.5 变幅回路314.2.6 上车回转回路314.2.7 行走回路325 液压系统参数计算与主要液压元件选型345.1 动力头马达参数计算345.2 主卷扬马达参数计算355.3 副卷扬马达参数计算355.4 上车回转马达参数计算365.5 行走马达参数计算375.6 液压缸的设计计算375.6.1 加压油缸设计计算385.6.2 动臂变幅油缸设计计算395.6.3 钻杆变幅油缸设计计算405.7 液压泵的流量压力计算415.7.1 系统工作压力的确定415.7.2 泵的流量确定415.8 主油管管径的确定425.9 油箱容量的确定435.10 主要液压元件选型436 液压系统验算446.1 系统功率损失验算456.2 系统温升验算457 技术和经济分析478 结论48致谢49参考文献50附录A51附录B61 前言随着全球经济的高速发展，基本建设范围的持续拓宽，以人为本和保护环境的理念及至相关法津法规实施的不断强化，使桩基础特别是现浇混凝土灌注桩基础几乎取代了基他基础，得到了广泛的应用空间。旋挖钻机是一种专门的灌注桩成孔作业施工机械，广泛用于市政建设、公路和铁路桥梁、高层建筑等基础施工，配合不同的钻头，适应于适用粘土，粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层等各种地质的成孔作业，可以适应微风化岩层的施工，适用于我国大部分地区的土壤及地质条件。近年来，旋挖钻机作为钻孔灌注桩施工中一种较为先进的施工机械，因其适应桩径范围广、桩位定位准确、成孔质量好、自动化程度高、移动灵活方便等优点，特别是其具有高环保性和工作效率，在城市高层建筑基础及高速公路桥梁桩基施工中，显示出明显的优越性，其工作状态如图1所示。图1 旋挖钻机工作状态图Fig.1 Rotary drilling rig working state diagram青藏铁路、北京奥运等大型工程的建设，推动着我国基建对于旋挖钻机的需求进一步扩大，而我国各地高速公路、铁路、机场、城市地铁和高层建筑的建设发展，推动着我国旋挖钻机行业的进一步发展，特别是近年来，随着我国高铁，城市地铁等项目的进入“井喷式”发展的高速期，我国的基础设施建设正掀起了一个新的高潮，更是进一步推动我国旋挖钻机行业的高速发展。市场需求的高涨吸引了国内大型工程机械企业的争相进入，三一、徐工、中联重科和山河智能等纷纷涉足，并迅速抢占了市场份额。2005年后，国内品牌旋挖钻机已基本替代了国外品牌，2006年以来，旋挖钻销量更是连年呈现跨越式增长。据有关数据统计，国内旋挖钻销量在2009年达到1200台，2010年突破1700台， 2011年达到1800台左右。据初步统计，目前国内约50个品牌数百个型号旋挖钻机市场总量约为9000台，其中国产占90%左右，国外二手旋挖钻也有一定比例，约为5%。而作为目前国产旋挖钻机的关键部分液压系统仍然是制约旋挖钻机发展的瓶颈，液压系统成为制约国产旋挖钻机发展的重要因素之一，本文以国产某型旋挖钻机为基础，借鉴国外先进旋挖钻机液压系统设计理念，结合我国旋挖钻机液压技术发展现状，探索大型旋挖钻机液压系统的设计方法。1 国内外旋挖钻机发展状况及前景1.1 国外旋挖钻机发展状况旋挖钻机是在回转斗钻机和全套管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。意大利土力公司首先从美国将安装在载重汽车上和附着在履带起重机上的钻机引入欧洲，动力头为固定式，不能自行安装套管，难以适应硬质土层施工，1960年德国维尔特和盖尔茨盖特公司同时开发了可动式动力头。1975年德国宝峨公司研制了配有伸缩钻杆的BG7型钻机，该钻机直接从底盘提供动力，配置可锁式钻杆实现加压钻孔，钻孔扭矩增大，可实现在紧密砂砾和岩层的钻孔。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。目前国外的旋挖钻机主要生产厂家为：德国：BAUER、LIEBHERR、Delmag、WIRTH、MGF，意大利SoilMec、MAIT、CMV、CASAGRANDE、IMT、ENTEGO；西班牙：LLAMADA。日本：日车车辆、HITACHI、住友、加藤；芬兰：JUNTTAN、TAMROCK；美国：APE、Ingersoll-Rand；英国：BSP等。国外的旋挖钻机一般都设有摇管装置由2个或3个液压马达驱动的大扭矩动力头(可配套管连结器)。液压系统采用恒功变量自动控制、自锁互扣钻杆、先进的监控仪表(发动机和液压系统自动监测和报警系统、钻孔深度显示、钻桅自动测斜纠偏装置)。同时配有各种保险装置（如防止带负载起动和卷扬机超高限位等) 但各家公司的旋控钻机都有自己的技术特点。具体分析如下：德国宝峨公司其产品系列为BG12BG25：在天津设有一家独资企业宝峨公司钻机的立柱调整采用大三角形支撑结构。遮设计可以加大变幅油缸安装距，增大钻桅的稳定性。但他也使转台的设计变的复杂，且升高了运输时的整车高度。国外车型中也仅有BAUER公司一家使用此结构。另一个特点是主副卷扬都安装在钻桅上，节省了回转平台上的安装空间，便于转台的布置。这一结构使其整机外形较小，特别是回转平台与底盘显得小，外观上显得前重后轻。动力头可根据负荷自动调节回转速度，具有弹簧、液压两级减振以及大型钻机为达到套管设置深度的要求而增设的变矩器。MAlT公司目前已开发定型的大口径系列旋挖钻机中EB12、HR45、HR100、HR110为单一钻机功能设计HR 1 3 0、H R1 3060、HR 1 80、HR260、HR300-570、HR240800均为多功能设计，即该系列钻机在具有钻孔桩的功能外，通过更换不同的工作装置，还同时具有长螺旋(CFA)、地连墙、预制桩、切割桩、全套管等施工的性能。在最近几年研制的中、小口径系列旋挖钻机，BABYDRILL、MINIDRILL、MIDIDRILL主要适合于城市建筑物内部及铁道、交通等一些狭窄地段施工，直径为250800 mm桩径。该系列钻机也具有多功能性能，配置不同的工作装置可进行80 m钻深微型桩 L、斜孔、高压旋喷等施工。在MAlT公司系列旋挖钻机中，集国外钻机最大输出扭矩与最小机型为一身机型HR240800钻机，最大钻进扭矩为790 kN m，最大钻径3 m， 最大钻深110 m， 最小机型BABYDRILL钻机，最小钻径250 mm。MAIT公司采用自行设计的多功能底盘，稳定性好，重量轻，可配预留装置实现多功能，并具有上下车水平调整系统可进行倾斜调节。钻机的立柱采用平行连杆-角形支撑型式，液压系统为多泵独立回路，动力头配有套管钻进增扭装置。钻机的摩擦钻杆驱动键的宽度和厚度大，自锁式钻杆为短键嵌人式可保证快速加锁和解锁，而且钻杆的材料采用专利配方，同时配有钻杆支架，另外卷扬机客绳量大、单绳缠绕可达到绳速高、提升力恒定和减少磨损。除此以外，MAlT系列旋挖钻机设置了功率及扭矩输出分级系统，扭矩输出有3挡，即大扭矩低转数、低扭矩高转数和中扭矩中转数，功率输出有高、低2挡。用户可根据施工地质情况，设置不同的“扭矩转数”挡位和“功率”挡位，满足各种类型地质条件快速施工的需要，达到高效节能的目的。意马公司采用卡特彼勒履带底盘，钻杆配有导向滑轮架以防止钻孔偏斜，动力头装有油浴式润滑、冷却系统和清洗泵，液压系统主油路采用双路传递功率设计，整机液压系统为先导负反馈恒功率变量自动控制系统，主卷扬机具有钻杆触地自停和动力头随动装置以防止乱绳和损坏钢丝绳。NCB公司的钻机配自制底盘动力头采用恒功率控制和多功率传递的设计，整机液压系统为先导负反馈恒功率变量自动控制。自锁式钻丰千壁较厚，加焊有凹凸导向条以增加刚性和减少挠性变形，动力头有减振装量和清洗泵。卷扬机具有过载保护和限位保护装置，另外在长螺旋钻孔施工时，由电脑控制混凝土灌人量。CMV公司的钻机为了能在保证稳定性和垂直度的情况下改变工作半径以及穿越空中障碍物，采用平行连杆机构加三角形支撑型式，动力头可按土层自动调整扭矩和转速。11.2 国内旋挖钻机发展状况1984年天津探矿机械厂首次从美国RDI企业引起车载式旋挖钻机，1988年北京城建工程机械厂仿制土力企业1.5m直径附着式旋挖钻机，1994年郑州勘察机械厂引进英国BSP企业附着式旋挖钻机，1998年上海市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企业和徐州工程机械股份公司先后开发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。目前，国内的旋挖钻机主要生产厂家为：湖南山河智能、湖南三一、徐工、中联重科、徐州东明、北京巨力、天津宝峨、石家庄煤机、连云港黄海、哈尔滨四海、内蒙古北方重汽、宇通重工、南车时代、山东鑫国、郑州勘察等。我国最近几年开发的旋挖钻机技术水平起点高，但品种少，还不能满足不断发展的基础施工市场的需要。目前国内旋挖钻机生产厂家一般是在参考国外同娄型产品技术的基础上开发设计的，有的甚至是引进国外技术生产。所选用关键件一般为进口件，技术水平基本上达到了国外同类产品的先进水平。但品种较少，基本上属于动力头扭矩在180220 kN