1、根据市场调研情况，我们分别对国外生产的120t.m位级的履带式旋挖钻机情况进行了比较分析，主要参数见下表：机型重工YTR120MBG120CD1255HR120主机厂商宇通BAUER川岛MAIT机重kg53000345004100028000柴油发动机型号QSB6.7-173CAT3056E6bt5.9-C 功率kW129130转速rpm18002000生产厂家康明斯CAT由于目前国内外厂家在120t.m旋挖钻机应用较多的是康明斯柴油机和CAT柴油机。康明斯公司的柴油机无论在市场占有量还是在市场服务体系及配件供应方面都占有绝对的优势，见图2。而CAT柴油机虽然在国外有成功的应用，但在国产机市场
2、上使用较少，一般都是随底盘进口的。 图3 CUMMINS柴油发动机鉴于从柴油机的技术指标、价格、应用情况、配件供应、售后服务及技术支持等方面综合考虑，PRD12 0履带式旋挖钻机样机试制选用CUMMINS的柴油发动机,如图3:发动机型号：B5.9-C TAA额定功率：178HP/2000rpm功率133kW，以保证产品研发的速度和技术性能指标，在批量生产时再考虑其它柴油发动机，以降低生产风险。3.2液压传动系统根据对PRD12 0履带式旋挖钻机功能动作和国内外同类产品液压原理的对比分析，确定以下方案：（1）系统：采用目前履带式旋挖钻机最普遍采用的全功率变量开式液压系统。一个泵为左行走、主卷扬、
3、变幅、滑轮架、刮土提供压力油；一个泵为右行走、回转、起架调整、加压、辅卷扬、动力头提供压力油。作业时可实现合流。（2）泵组：泵组由两个变量泵组成，具备负载反馈功率电比例变功率控制功能，以充分利用发动机功率，提高作业效率。在功能上要便于计算机对泵组及发动机的综合控制。（3）主阀：主阀采用多路液控换向阀，由先导阀控制其开度及通流方向，以控制执行机构的动作方向及速度。合流也是通过主阀内的通路实现的。（4）控制系统：控制系统由一个定量泵供油，同时在控制油路上设有蓄能器，稳定控制压力。（5）执行机构：行走马达通过减速机驱动驱动轮行走，其上装有有制动器、过载保护阀、制动阀。回转马达为定量马达，内置制动器、
4、安全阀、补偿阀等。液压缸采用无锡恒立公司的产品，变幅和起架油缸的两腔均设置平衡阀，以保证变幅和起架油缸在任意位置可靠保持。3.3行走机构行走机构在方案设计时的总原则是尽量与标杆产品相同，为此我们向能提供这些产品的供应商进行了方案认证，最终倾向于以下方案：图3 MBG120底盘驱动轮、导向轮、支重轮、托链轮、涨紧机构、履带总成，均采用山推的履带总成中央回转接头：采用江阴长龄的产品3.4工作装置1）立柱 a、滑轮架a、HR120 b、MBG12 c、 SOILMEC291d、CMV TH14 e、BAUER BG15 f、WIRTH ECO40图4滑轮架方案采用MBG12形式，不仅调节方便，而且加
5、长立柱高度。b、立柱结构与截面形式 立柱应做成可调高度的，适应市政建设需要，见图5。其截面设计成c型最好，两个弯板对焊，截面面积小，抗弯、扭能力强；b型次之；d型再次，焊缝多，抗扭能力差；a型最差，虽然可收藏加压油缸，但截面尺寸大，自重大。根据上述比较，立柱采用起架油缸上部分节（滑轮架上节中节尾节）方案，截面选b方案，见图6：图5 考虑不同需求的立柱分节 图6 各种截面立柱比较2）变幅机构a、bauer b、CMV c、DELMAGd、LIEBHERR e、MAIT f、SOILMEC图7变幅机构方案采用SOILMEC形式。3）动力头a、Bauer方案 b、上海方案图7动力头方案 5）钻杆型号
6、外径尺寸（mm）层数（Z）可钻深度（m）重量（kg）鸿翔科技HXM16/377/4/44377444徐州汇达机械355545徐州神力机械北京神威基业机械4554/53660a、 机锁钻杆 b、 摩阻钻杆 c、 复合钻杆图8常用钻杆形式6）钻具a、短螺旋钻具 b、回转斗钻具图9常用钻具7）刮土器a、涡轮刮土器 b、抱夹刮土器图10刮土器方案3.5电器系统电控系统方案选用上海派芬的电气系统。上海派芬的电气系统控制方案：电控系统主要是实现旋挖钻机的桅杆垂直度自动检测调整、回转定位控制、履带伸缩控制、油散控制、发动机控制及液压系统与其功率匹配控制、孔深显示、液压系统的压力检测、GPS远程监测及对机器远
7、程锁机及密码锁机、发动机检测等功能。图11派芬电气系统控制原理图1）系统功能 系统借鉴国内外旋挖钻的应用经验，结合钻机的自身特点，采用电液比例控制技术和CAN总线分散控制技术设计本系统。2）桅杆姿态检测及桅杆控制（两油缸调平） 手动：当进入显示器的桅杆操作页面时，通过手柄控制桅杆动作速度及方向； 点动：通过显示器按键控制桅杆左右油缸的伸缩； 自动纠偏：通过显示器按键选择进入自动纠偏模式，通过手柄控制立/倒桅速度，控制器自动调节保证左右油缸的同步； 自动立桅：通过显示器按键选择进入自动立桅模式，控制器自动立桅（通过显示器可以设定立桅速度），当调平OK后延时5秒退出自动立桅模式。 自动倒桅：通过显
8、示器按键选择进入自动倒桅模式，控制器自动倒桅（通过显示器可以设定立桅速度），当 桅杆Y轴角度在5秒钟没有变化时， 停止自动倒桅。 自动调垂：当桅杆前后角度和左右角度都小于3度（可通过显示器重新设定，但要小于限位角度）时，通过 显示器按键选择进入自动调垂模式，当调平OK后延时5秒退出自动调垂模式。控制器自动调节桅杆垂直度，调垂精度0.15度；在阀和机械机构都很匹配的情况下5秒内完成自动调垂！ 3）深度测量 在额头滑轮测深方式：通过编码器计数，通过精密计算最后以深度在显器上显示；此方法对器件来说安装简单，但精度不高（钢丝绳的跳绳、滑轮磨损、轴承的磨损等因素）； 在卷扬测深方式：通过编码器计数，通过
9、精密计算最后以深度在显示器上显示；此方法要求每次换钢丝绳时参数都要重新标定（钢丝绳的层数及最外层钢丝绳股数不同），但精度高；推荐用此方式测深； 深度的显示方式：在显示器上显示成孔深度（已经成孔的深度），钻头位置（钻头所在的位置），单次进尺（每斗所挖度）,精 度0.2m（不含累计误差）；4）回转定位 通过显示器设置自动回转定位开（开机时默认关），且钻头要高于地面30cm（可通过显示器重新设定，但不要小于此值），通过按下手柄上自动回转定位按钮，控制器自动控制车体与原来相反的方向回转到定位位置（定位位置可以通过显示器设定）精度0.3度（在机械结构、液压都很匹配的情况下）；5）履带伸缩控制 通过显示器
10、按键控制履带的伸缩，如按下履带伸按键，履带伸电磁阀得电，松开失电；同理按下履带缩按键，履带缩电磁阀得电，松开失电；6）主卷浮动控制 按下主卷浮动按钮，主卷制动阀与浮动阀打开，主卷靠钻杆及钻头的自重自动跟进；7）触地及防埋钻提示 触地提示：当钻头位置等于成孔深度时显示器弹出触地提示；（在主卷可以电控停止的情况下可以做触地防护，需增加销轴传感器，根据当前的重量来判断钻头是否到底，到底后停止主卷下放，3秒后解除，防止钢丝绳乱绳） 防埋钻提示：当单次进尺大于设定的桶高时显示器弹出防埋钻提示；8）发动机转速控制 发动机的怠速启动：不管油门电位计停在什么位置，发动机启动的时候以怠速启动，启动后只要不动油门
11、电位计，发动机会一直处于怠速状态，只要动油门电位计（做防抖动处理），发动机会以一定斜坡自动跟随油门电位计所设定的转速； 发动机的自动怠速：通过显示器设置自动怠速允许（开机默认允许自动怠速），当10秒钟（通过显示器可以设定）压力没有达到设定的自动怠速压力值后（通过显示器可以设定），发动机会以一定斜坡自动减速到怠速速度（通过显示器可以设定）；当压力大于设定的自动怠速压力值后，发动机会以一定斜坡自动加速到油门电位计所设定的转速；9）极限载荷控制 通过对液压主泵的开度的控制保证发动机不会因为过载而熄火或很严重的失速；10）存储a） 当发动机有转速的时候且主泵压力大于300BAR（可以通过显示器设定）时
12、记录数据；b） 有故障的时候记录；11）发动机工作数据及故障报警监测发动机转速检测； 发动机水温检测； 发动机机油压力检测；发动机工作时间检测； 发动机燃油油位检测； 发动机水温高报警；发动机机油压力低报警； 燃油油位低报警；12）工作数据及故障报警监测桅杆角度检测； 回转角度检测； 液压油温检测；电瓶电压检测； 主泵压力检测； 副泵压力检测；先导泵压力检测； 桅杆限位报警； 液压油温高报警；电瓶电压低报警； 手柄故障； 倾角传感器故障；压力传感器故障； 液压油温传感器故障； 发动机通讯故障；GPS通讯故障； 回转编码器故障； 存储打印块通讯故障；控制器通讯故障14）控制器件清单序号名称数量单
13、位备注1控制器总成TTC60个含安装支架及线束2显示器总成HD104MK含线束和安装支架3倾角传感器ANN-2-90/HS001测桅杆垂直度桅杆操作手柄JC2000-T-XY-PPPP0-40-S2-R-P-S带接插件及线速测深编码器RI41-0/300ES.22VA带6米皮带6角度传感器530700-C20BX-20-1测桅杆与底盘的相对角度7回转编码器RSA5978销轴传感器待定9系统压力传感器WIKA MH-2 （0600BAR）主泵1压力、主泵2压力、副泵压力、先导泵压力4-20mA10液压油温传感器STT-T-A1-B3-C30-D1-M14*1.5-E2-F1-G1-H1-L1-P
14、A-T3-W0S0（北京赛亿凌） -50-20011燃油油位传感器STLP-R02-0A-TM3-P5-L（1米）-S3（北京赛亿凌） 4-20mA12存储模块HR001PAL-FIN4.设计计算4.1.工作载荷计算4.1.1钻孔载荷钻孔载荷包括最大扭矩和最大加压力，是在成孔至软岩层或遇到硬土层时出现的。因为液压系统设置了溢流阀的系统安全压力，当超出此值时，系统自动卸荷，这里按设定的最大扭矩和最大加压力计算。4.1.2提钻载荷提钻载荷包括了伸缩钻杆、钻具、动力头（当其被钻杆卡住时）、钻具上的岩土、钻具与孔壁之间摩擦阻力、提钻时产生的瞬态负压等。因为液压系统设置了溢流阀的系统安全压力，当超出此值
15、时，系统自动卸荷，这里按主卷扬设定的最大提升计算。4.1.3辅卷扬载荷辅卷扬载荷是在其起吊钢筋笼或辅助主卷扬作业时，这时除了辅卷扬的作业载荷，还有钻杆、钻具、动力头安装在立柱上，对立柱的影响较大。4.1.4起架载荷起架载荷是旋挖钻机场内移位后，立柱带有全部钻具并处于接近水平状态时起架所产生的载荷。4.2工作机构分析4.2.1立柱滑轮架分析1）主卷扬工况图12滑轮架收回状态 图滑轮架工作状态主卷扬单绳拉力FD=12.5t对C点取矩 FAB*547=FD*580 FAB=13.3t滑轮架油缸F=3.14*（125*125-90*90）/4 *25=14.8t 行程276 固定长度L=430mm27
16、6+430=706mm 706+276=982mm型号HA 320 125/90 276 - A 1 1 H12）辅卷扬工况辅卷扬工况相对主卷扬工况受力较小，故省略。4.2.2立柱分析1）钻孔工况主要外载荷是扭矩和加压力，相对提钻工况较小，故省略。2）提钻工况G臂架+G动力头=4t主卷扬单绳拉力=12.5tFAC=（12.5t*1505mm+4t*515）/847=24.7t液压缸受压FAB=（12.5*2504+4*1514）/980=38.1t对E点取矩FDx*552+FDy*552+FAC*878+FAB*303=0 对D点取矩FAB*886+FAC*174+FEx*552FEy*553
17、=0 FDx+FEx-FAC*sin19+FAB*sin3=0 FDy+FEy+FAC*cos19-FAB*cos3图13提钻工况（73）受力图 图14提钻工况（10）受力图FDF*sin89-FDG*sin73-FDy=0 FDF*cos89+FDx-FDG*cos73=0 FEx=6.069t FEy=74.873tFDx=-0.0217t FDy=-60.179tFDG=-3.889tFDF=-63.908tG臂架=3301.31kgFDx+FEx-FAC*sin19+FAB*sin3=0 FDy+FEy+FAC*cos19-FAB*cos3=0FDF*sin32-FDG*sin10-F
18、Dy=0 FDF*cos32+FDx-FDG*cos10=0 FDF=-158.21593tFDG=-136.2666t平行四边形变幅油缸 型号HA 320 140/100 1021 - A 1 1 H1140-100 固定长度L=480 行程S=2522.04-1501.18=1020.86=1021mmF=3.14*140*140/4 *32=49.24tF=3.14*（140*140-100*100）/4 *32=24.12t图15起架工况受力图3）起架工况G=G动力头+G钻杆+G桅杆+G钻具=9.5tG*4924=F*495F=94.5t 单油缸F=47.3/cos3.535=47.4
19、t 桅杆起架油缸 型号HA 320 140/100 1630 B 1 1 H1140-100 固定长度L=480行程S=3739.98-2109.51=1630.48=16304）辅卷扬工况因力较小，故省略。4.2.3底盘分析图16履带底盘转场（收缩）状态整机G=40t 摩擦系数f=0.6单侧扩履力F=40*0.75*0.6=18t扩履油缸：活塞直径110-80，行程500mm 固定长度L=387+18=405型号HA 320 110/80 500 - A 1 1 H1收履F=2*3.14*（110*110-80*80）/4 *30=26.8t扩履F=2*3.14*110*110/4 *30=
20、251200N=57t图17履带底盘作业（扩张）状态4.2液压系统计算4.2.1爬坡功率计算整机重量40000kg爬坡角度30主动轮直径644.7mm当行走速度VA2000m/h爬坡速度VB1000m/h时1、牵引力计算（1）牵引力平衡按最大滚动阻力系数计算：Pf=Gf=40*0.15=6t Pw=0.065*3.835*18*2*2/（3.6*3.6）*=1.38kgPk=6t爬坡30时的牵引力Pf=Gfcos30=40*0.15cos30=6tcos30=5.2tPa=40t*sin30=20tPk=5.2t+20t=25.2t A爬坡输入扭矩计算：总扭矩：q0牵引力F主动轮半径R2600000.6447/283811N-m单边轮扭矩：q总扭矩q0/283811/241905.5N-m行走减速机输出扭矩： 50000 N-m（力士乐减速机型号） B主动轮转速计算：1行走速度2km/h2000/3600=0.56mps1行走速度/主动轮周长0.56/0.64470.26rps16.6rpm2爬坡速度1km/h1000/3600=0.28mps2行走速度/主动轮周长0.28/0.64470.13rps8
