目 录
第1章 绪 论... .................................................. 1
1.1 旋挖钻机简介 ............................................... 4
1.1.1结构简介 .............................................. 4
1.1.2工作原理 .............................................. 4
1.1.3旋挖钻机的分类 ........................................ 5
第2章 旋挖钻机桅杆的设计 ................................ 6
2.1 桅杆的结构和功用简介 ....................................... 6
2.2 桅杆的方案选择 ............................................. 6
2.3桅杆截面的方案选择 ......................................... 10
2.4卷扬的安放 ................................................. 10
2.5旋挖钻机桅杆结构特征分析 ................................... 12
2.6旋挖钻机桅杆结构设计计算 ................................... 12
2.6.1 45T选挖钻机整机参数 ................................. 12
2.6.2 45T旋挖钻机桅杆强度校核 ............................. 14
1）桅杆受力及应力计算 ................................. 14
2）桅杆稳定性计算 ..................................... 19
3）桅杆刚度校核 ....................................... 19
第3章 旋挖钻机桅顶设计 ........................................ 19
3.1 桅顶工作原理分析 .......................................... 21
3.2钢丝绳的选取 ............................................... 21
3.3 桅顶的设计计算 ............................................ 22
3.3.1滑轮尺寸的确定 ....................................... 22
3.3.2销轴的计算 ........................................... 22
3.3.3支架形状等强度设计计算 ............................... 25
3.3.4轴承的设计计算 ....................................... 26
3.4 桅顶的结构设计 ............................................ 28
3.4.1支架的结构设计 ....................................... 28
3.4.2滑轮的结构设计 ....................................... 28
3.4.3销轴的结构设计 ....................................... 29
致谢 .............................................................. 30
参考文献 .......................................................... 31
英文翻译 .......................................................... 32
45T旋挖钻机桅设计
摘要：旋挖钻机是一种功能多、效率高、污染少的灌注桩成孔设备。桅杆为钻具提供运动导向、位置调整、动力传递，且承受钻机钻进时的各种载荷。桅杆中的中桅杆、滑轮架以及钻挖系统中的动力头是旋挖钻机的关键部件，中桅杆是钻挖系统和车体的联接件，承受钻具工作时产生的巨大弯矩作用；滑轮架安装于旋挖钻机的最高位置，且质量较大，为主、副卷扬钢丝绳的运动进行导向；动力头驱动钻杆旋转工作，承受载荷且工况复杂。
关键词：旋挖钻机，中桅杆，滑轮架，动力头
45T Rotary drill mast design
Abstract：Rotary drilling rig is a multi-function,high efficiency and less pollution into the pile hole equipment.As rotary drilling rig's key part,the mast is to provide drill-oriented campaign,position adjustments,and power transmission.The mast is bearing the loads when drilling;pulley yoke is to guide wire rope of the main and auxiliary winch.The pulley yoke is weighty,but installed at the highest position.The power drive drives the kelly bar,but it only has one buffer device.
Keywords:rotary drilling rig，middle-mast，pulley-yoke，power drive
第1章 绪论
1.1旋挖钻机简介
1.1.1结构简介
旋挖钻机一般由行走机构（履带底盘）、工作机构（主副卷扬、桅杆总成、伸缩式钻杆等）、回转机构、动力机构（回转动力头）、操作控制机构组成（具体结构如图1-1所示），其工作的核心元件是动力头、钻杆和钻头。这些机构集中配装到履带底盘的机身上，通过液压系统将动力分配到回转动力头、主副卷扬机、履带与监控转台中的马达，以及分配到给进和立放桅杆的油缸中。
图1-1旋挖钻机结构组成
1.1.2工作原理
旋挖钻机主要功能分为上车钻孔作业和下车移动行驶，两部分通过换向阀互锁。下车行驶工作由马达带动减速机实现底盘的行走、转向、制动等功能，通过控制底盘的伸
缩油缸用以改变履带中心距。旋挖钻机钻孔作业时，钻杆通过钢丝绳回转接头与主卷扬的钢丝绳相连，并通过动力头的中心孔，由主卷扬控制其升降。每节钻杆的外表面都焊有导向键，动力头的扭矩通过其内花键传递给外层钻杆及其它各层钻杆和钻头。芯部钻杆底部有方形接头，通过销子同钻头上相配合的箱插接。这样，动力头的扭矩就通过钻杆传递给了钻头，在钻头和钻杆的自重压力下实现钻进，如果需要，还可配合加压油缸进行加压钻进。钻头回转切入地层进尺，将钻屑装满一斗后，通过主卷扬将钻头提升到地面卸土。旋挖钻机移动运输时，桅杆可下放至水平位置，并将鹅头部分和下端动力头折叠（根据不同情况亦可将配重拆下）以减小运输长度，此时履带横向缩回至最小距离，这样钻机即可自行进行运输。
1.1.3旋挖钻机的分类
按旋挖钻机工作参数和施工能力等，旋挖钻机可分为大、中、小三种类别：
①小型旋挖钻机
扭矩100kN.m，发动机功率170kW，钻孔直径0.5~1m，钻孔深度40m左右，钻机整机质量40t左右的旋挖钻机为小型旋挖钻机。其主要适用于各种楼座的护坡桩，楼的部分承重结构桩，城市改造市政项目等各种小于1m的桩。
②中型旋挖钻机
扭矩180 kN.m，发动机功率200kW，钻孔直径0.8~1.8m，钻孔深度60m左右，钻机整机质量65t左右的旋挖钻机为中型旋挖钻机。其主要应用于各种高速公路、铁路等交通设施桥梁的桥桩，大型建筑、港口码头承重结构桩，城市内高架桥桥桩，其它适用桩。
③大型旋挖钻机
扭矩240kN.m，发动机功率300kW，钻孔直径1~2.5m，钻孔深度80m，钻机整机质量在100t以上的旋挖钻机为大型旋挖钻机。其主要应用于各种高速公路、铁路桥梁的特大桥桩，其它大型建筑的特殊结构承重基础桩。
第2章旋挖钻机桅杆设计
2.1桅杆的结构和功用
旋挖钻机桅杆作为钻机主执行机构的重要支撑和受力构件是钻机工作的重要组成部分，与其相关的一般包括顶部的两套导向滑轮机构（又称鹅头），桅杆主体立柱，动力头导向滑轨，动力头加压油缸，动力头限位块，各连接铰耳等部件（见图2-1）。
其功能主要包括：
1)为钻具、调整机构、加压机构（一部分机型还包括安装在桅杆立柱上的卷扬机（具体见2.5卷扬的安放分类））等提供结构支撑；
2)为钻具的工作进尺提供导向作用；
3)为卷扬机提供吊臂；
4)为液压管道、照明设备等提供附着支架；
5)桅杆下部的缓冲橡胶块＋金属下限位挡板可以控制动力头上下运动的范围。
2.2桅杆的方案选择
根据满足工程需要，桅杆的种类有很多，根据其结构形式，主要可以分为：整
体竖立式桅杆，分段式桅杆，伸缩式桅杆[14]~[18]。
1）整体竖立式桅杆
整体竖立式桅杆，顾名思义，是指桅杆各部分采用焊接或螺栓连接的形式构成
一个整体，无论是工作状态还是运输状态，各部分之间均不发生位置的相对变化。加压油缸固定在桅杆的前端面（旋挖钻机作业状态），其缸筒的头部铰接在桅杆前盖板的支耳中，缸筒的尾部与桅杆前盖板的另一支耳浮动连接，油缸活塞杆的头部与动力头支耳通过销轴连接，动力头两侧的滑块支架扣在桅杆导轨上，其间有滑块相隔。旋挖钻机作业时，加压油缸推动动力头在桅杆上移动，滑块随动力头沿着桅杆导轨表面上下运动。整体式桅杆根据其柱体形式可以分为整体箱形桅杆（见图2-1）和整体格构式桅杆（见图2-2）。
对于这两种桅杆形式，由于箱形桅杆体积小，刚度强度好，加之近年来开发出
的起落机构与之相配合，使其不需借助任何其它辅助设备即可自行起落，运输方便，所以应用比较广泛。但随着钻机钻挖能力的提升，桅杆高度和重量也需相应加大，因此落桅后运输过程中对于整机尺寸的要求导致了整体式桅杆一般多应用于小型机，中大型旋挖钻机则多采用以下介绍的折叠式桅杆；格构式桅杆虽然重量轻，但体积也相应增大，而且大部分机型起吊仍需辅助起重设备，所以并没有过多推广，多为起重机底盘改装的格构式旋挖钻机，也有一部分汽车底盘改装的格构式旋挖钻
机
。
2）分段式桅杆
旋挖钻机是目前灌注桩成孔工艺中的主要施工设备之一，随着国民经济的发展，越来越多高层建筑甚至超高层建筑不断拔地而起，同时也有越来越多的复杂工况需要面对，因此对钻孔深度和动力需求提出越来越高的要求。随着钻孔深度的不断加大，必然导致钻杆和作为钻杆支撑架的桅杆高度和重量的增加，如果此时仍旧使用整体式桅杆，在运输过程中，钻机整机运输尺寸大，移动稳定性差，而单独拆卸桅杆运输又费时费力，因此严重影响钻机的移动，进而影响施工进度，尤其是在狭窄有障碍的工地。为此，人们设计了各种方法解决这一问题，采用分段式桅杆就是其中之一。根据其放倒方式，可以分为后倾放倒式和前伏式。
3）分段折叠式桅杆
这种桅杆是目前市面上最为流行的一种桅杆形式，尤其是国内厂商，本次论文
研究对象也是针对这种桅杆形式进行的研究。
此种桅杆一般采用钢制，截面为大箱形截面，刚性好，重量轻，截面形式多为矩形，也有使用圆形截面和梯形截面的。桅杆主体分为三段，分别为上段桅杆（包含两套滑轮机构组成的鹅头，简称上桅），中桅（加压油缸所在桅段）和下桅。上桅和下
桅一般较短，与中桅之间采用可折叠结构，工作状态时，三段桅杆展开以满足钻挖需要，钻机移动时，无需拆卸，上桅和下桅即可向中桅折回，减少了整机运输尺寸，通过起落机构向后放倒，即可移动运输（见图2-3）。
上桅可以侧向折回，也可以前后折叠，目前比较流行的多为侧向折回。与折叠式桅杆相配合，起落装置采用流行的“三角形＋平行四边形”调整机构，在钻机运输或转场组装时，无需要任何辅助设备即实现了桅杆的自行起落和方便灵活的运输，降低了客户的使用成本，降低了设备装卸运输的时间，提高了稳定性和通过性，也有利于提高施工效率。但也应注意，折臂铰点的存在，使得此处容易发生应力集中。
4）分段式不可折叠桅杆
此种桅杆主体立柱部分一般分为主桅杆和桅杆延伸节两段，延伸节较长，加压油缸安装在桅杆延伸节上（见图2-4），运输过程中桅杆一般采取前倾式放倒，也有一部分厂家采用后倾放倒，在此处桅杆延伸节无法折向主桅杆一侧，所以为了减少整机运输尺寸和提高整机的稳定性，在运输条件下，尤其是上下较陡的坡道和遭遇高空障碍电线等情况下，需将延伸节桅杆拆卸后单运。其起竖时需利用辅助起重机协助起吊，比较麻烦，起竖调整机构为结构较为简单大三角支撑。
5）伸缩式桅杆
伸缩式桅杆也是一种基于提高钻机运输性能而采用的方案，他的主立柱是由一组矩形、梯形或其它形状的对称截面相互套装而成（见图2-5），最大的一段在桅杆立柱的底部可称其为根桅，截面积最小的一段在桅杆立柱的顶部，可称其为顶桅，两段桅杆之间根据钻机设计要求仍然可以套装一段或多段的桅杆，可称为第一中间段，第二中间段等（目前由于旋挖钻机发展年限比较短，而这种伸缩式桅杆又并没有普及，所以也没有统一的术语。），但不易过多，目前市面上可见的多为两段和三段，也有部分四段的。
当桅杆处于钻进或提升等工作工况时，桅杆各段桅杆呈伸展状态，当处于运输状态时则可将各级桅杆收缩，以有效减少整机运输长度，有利于整机运输的稳定性，提高钻机通过性，同时也为选配不同型号、直径、深度的钻杆与钻具提供了充分的选择空间。各级桅杆（根桅除外）的伸展与收缩均由若干液压油缸完成，这些油缸称为伸缩油缸。
图2-5伸缩式桅杆伸缩油缸安装在各段桅杆内，工作时油缸外伸则各级桅杆伸展，
运输液压油缸伸缩，各级桅杆缩至根桅内。虽然此种桅杆形式有利于钻机的运输，
但也要注意，这种桅杆各段之间的伸缩是靠滑垫、导向滑块或滚柱支撑，使用中，
特别是在尘土很多的环境，运动部件之间的磨损会使各级桅杆之间的间隙增大，造
成不同程度的松动，这种松动随着钻机的使用会不断在各级桅杆内积累起来，最终
就有可能导致事故的发生，所以要定期进行检查，而且这种桅杆相对于其它旋挖钻
机的桅杆形式结构更为复杂，精度要求也更高。
2.3桅杆截面形式
桅杆截面形式多样，除格构式桅杆，钢制箱形截面形式最常用的为矩形截面和圆形截
面，目前又出现了一种截面，如图2-6所示
.
2-6箱型桅杆常见截面形式
（1）目前市面上常见类型旋挖钻机桅杆的相关知识。根据其结构形式，桅杆主
要可分为：整体竖立式桅杆，分段式桅杆，伸缩式桅杆。本次选择分段式桅杆是根
据设计的要求且在小中型旋挖钻机设计应用比较广泛。
（2）这次方案选择桅杆截面形式是图2-6中的最后一种截面，这种截面设计节
省材料可以减轻本身重量且刚度较好应用也比较广。
2.4卷扬的安放
一般有两种处理方案：1、后置于回转平台上，位置在驾驶室与后部配重之间（具
体可参见图2-3），主要用于采用专用旋挖钻机底盘的机型；
2、前置于桅杆下部或动臂三角架上（具体可参见图2-4），
一般适用于由相近的起重机、挖掘机或履带吊底盘经改造而成的旋挖钻机机型。早
期使用经其它工程机械的底盘改造的旋挖钻机底盘，车体上没有卷扬安置位置，故
只能将卷扬安置在桅杆上。随着旋挖钻机的不断发展，此种结构也保留了下来，因
为卷扬安装在桅杆上，不但方便操作人员随时观察卷扬机工作第2章旋挖钻机桅杆
结构简介状态，工作过程中发现问题及时停机解决，也节省了回转平台上的安装空
间，便于转台的布置，使得整机外形尺寸较小，特别是回转平台和底盘显得比较小
但这样也就增加了车体前部的重量，使整机工作重心前移，外观上看起来前重后轻，
降低了整机行走的稳定性。卷扬机后置的旋挖钻机一般采用专门的旋挖钻机履带式
底盘，这样的布置使得整机结构布置更加合理，整机工作稳定性好但缺点是不利于
操作人员随时观察到主卷扬机的工作状况。上海三凰工程设备有限公司新研制的
SH645型旋挖钻机桅杆与主机之间采用U型连接方式（见图2-7），主卷扬机放置
于操作手的右方视野内U形凹中，解决了操作人员对于主卷扬机工作状况的观察，
结构简单实用。
2.5 45T旋挖钻机桅杆结构特征分析
旋挖钻机是一种机、电、液一体化的高效率、多用途的灌注桩成孔设备，具有成孔
快、质量好、噪声低、环境污染小等特点，综合效益高，代表着桩工机械发展的方向，
是一种很有前途的桩工机械。
国产的旋挖钻机由于考虑桩孔施工工艺的特殊要求（如要求一次成孔连续注浆并插
入钢筋笼），要求桅杆必须具有足够的高度。又考虑到运输条件的限制，长度不能过长、
重心应尽量降低；同时受到运输条件的限制，因此国产旋挖钻机设计一般都要将桅杆、
钻杆等拆卸下来运输。基于以上的几点因素，旋挖钻机的桅杆总成采用分段式可折迭式
结构，主要由四部分组成:下桅杆总成、中桅杆总成、上桅杆总成和滑轮架总成。各部
分之间通过螺栓相连接，运输时需拆卸开来，使用时再重新组装。桅杆总成在工作状态
时总高度为10.5m，在顶段、底段拆翻后桅架放倒时的总长度减至6m。各段桅杆杆身分
上、下两部分，这两部分对接焊组成截面是梯形的腔体杆身，腔体内部按一定的排列方
式布置加强筋板，以增强桅杆的刚度和强度。
2.6旋挖钻机桅杆结构设计计算
2.6.1旋挖钻机整机参数
发动机功率：246kW 动力头最大扭矩：70kN m；
最高工作转速：21r/min 最高甩土速度：135r/min
最大钻深：40m， 最大钻孔直径：1200mm，
主卷扬最大单绳拉力：200kN, 钢丝绳直径30mm
付卷扬最大单绳拉力：80kN， 钢丝绳直径18mm
行驶速度：>1.0km/h， 爬坡度：40%，
整机重量：45T（含钻杆） 动力头油缸推/拉力：200/140kN
如图 2.8旋挖钻机桅杆受力分析图
2.6.2旋挖钻机桅杆强度校核
桅杆在作业时，固定桅杆的两油缸作用在桅杆上的侧向推力平衡，相互抵消。但将两
油缸合力作为桅杆一支撑力，三角形架为桅杆另一支撑力。由于桅杆受轴向载荷较大，
因此对于桅杆主要进行轴向力校核。同时，本论文还将对桅杆的稳定性、刚度进行校核
以及在弯曲与扭转、压缩与弯曲作用力结合下、动力头在桅杆上滑动产生动应力、扭转
应力进行校核。
桅杆的结构简图及其受力分析图2.5。
已知条件如下表1：
1）桅杆受力及其应力计算
1、当钻机钻进时，钻进力F=10T，绳拉力T=0，受力分析如下：
（1）
①取桅杆最上端面A-A，此处N=0，σ=0
②取截面B-B(x=843mm处)，受力如图(1)。
∑F=0 N-G=0 N=G=0.45T
(1)
∵N=-Nˊ∴Nˊ=-0.45T
σ=-Nˊ/A=-0.45T/28785=-0.16 mpa
③取截面C-C(x=2748mm处)，受力如图(2)。 (2)
∑F=0
N=F+G+G1=10T+0.33x3.5T+1T=23.9T
∵N=-N∴Nˊ=-12.2T σ=-Nˊ/A=-12.2T/28785=-4.2MPa
④取截面D-D(中桅杆滑轮架x=3901mm处)， (3)
受力如图(3)。
解之得TA=11.8T Nx=4.2T Ny1=25.5T
∵Ny1=-Ny1ˊ∴Ny1ˊ=-25.5T
σ=-Ny1ˊ/A=-25.5/28785=-8.9MPa
τ=-Nxˊ/A=-4.2T/28785=-1.5MPa
⑤取截面E-E(桅杆油缸支架x=6970mm处
)
受力如图(4)。
(4)
解之得TBy=200T TBx=4.2T Ny2=-175T
∵Ny2=-Ny2ˊ∴Ny2ˊ=110T
σ=Ny2ˊ/A=175T/28785=60.8MPa
τ=-Nxˊ/A=-4.2T/28785=-1.5MPa
⑥取截面F-F(三角架支点x=9695mm处)，受力
如图（5） （5）
解之得
TC=-11.7T Ny3=-123.5T
∵Ny3=-Ny3ˊ∴Ny3ˊ=123.5T
σ=Ny3ˊ/A=123.5T/28785=42.9MPa
τ=-Nxˊ/A=-4.2T/28785=-1.6MP
⑦取桅杆最下端面G-G，此处N=0，σ=0
综上计算，在钻进时桅杆应力分布见图（1）和表
2.2
图（1）
由图表可以看出：当旋挖钻机在钻进时，
最大压应力位置是中桅杆滑轮架处，即σ压max=22.7MPa；
最大拉应力位置是桅杆油缸支架处，即σ拉max=52.6MPa。
2、当旋挖钻机主卷扬起吊钻杆和工作钻杆装置时，
转进力F=0，绳拉力Tmax=20T，受力分析如下：
① 取桅杆最上端面A-A，此处N=0，σ=0
②取截面B-B(x=1500mm处)，受力如图(6)。
（6）
∑F=0 N-F=0 N=G=2T=40T（G可忽略不计）
σ=-Nˊ/A=-40T/20896=-19.1MPa
③取截面C-C(x=6270mm处)，受力如图(7)。
∑F=0
∴N=F+G+G1=40T+0.33×8.78T+1T=43.89T ∵N=-Nˊ∴Nˊ=-40T
N=-Nˊ∴Nˊ=-43.89T
(7)
σ=-Nˊ/A=-43.89T/20896=-21MPa
④取截面D-D(中桅杆滑轮架x=7930mm处)，受力如图(8)
解之得TA=20.8T Nx=8.1T Ny1=68.9
∵Ny1=-Ny1ˊ∴Ny1ˊ=-68.9T (8)
σ=-Ny1ˊ/A=
-68.9T/20896=-33.0MPa
τ=-Nxˊ/A=-8.12T/20896=-3.88MPa
⑤取截面E-E(桅杆油缸支架x=13350mm处)，受力如图(9)。
解之得TBy=317.8T TBx=8.1T Ny2=-249.9T
∵Ny2=-Ny2ˊ∴Ny2ˊ=249.9T
σ
=Ny2ˊ/A=249.9T/20896=119.6MPa
τ=-Nxˊ/A=-8.1T/12800=-3.885MPa
(9)
⑥取截面F-F(三角架支点x=16040mm处)，受力如图。
解之得TC=-181.7T Ny3=-78.2T TCx=101.6T
∵Ny3=-Ny3ˊ∴Ny3ˊ=78.24T
σ=Ny3ˊ/A=78.24T/20896=37.4MPa
τ=-Nxˊ/A=-101.6T/20896=-48.7MPa
⑦取桅杆最下端面G-G，此处N=0，σ=0
综上计算，在钻进时，桅杆应力分布见表2.3和图（2）
图（2）
由图表可以看出：当旋挖钻机在钻进时，
最大压应力位置是中桅杆滑轮架处，最大值为σ压max=37.4MPa； 最大拉应力位置是桅杆油缸支架处，最大值为σ拉max=130.6MPa。 2、应力校核
已知：桅杆材料16Mnσs=270～340MPaσb=470～510MPa
许用拉应力〔σ〕拉=σb/nb =235～255MPa（安全系数取2）
许用压应力〔σ〕压=σs/ns=135～170MPa ※对于旋挖钻机在工作状态时
σ拉max=52.6MPa
σ压max=33MPa
由此应力校核可以得出结论：桅杆设计符合轴向应力要求，且剪切应力较小， 可以不予校核。 2）桅杆稳定性计算
已知：弹性模量E=1.96×108MPa；安全系数取n=6；
截面轴惯性矩I=12.8×108mm4(由平行移轴公式Iy=Iyc+a2A计算)
1、当旋挖钻机钻进时：临界载荷Pcr=ηEI/L12=4.136×1.96×10×
12.8×108/125652=6.5×105(T)（稳定系数η取4.136）
∴桅杆稳定的许用载荷P许=Pcr/n=6.5×105T/6=1.08×105(T) ∵此时桅杆实际最大受力为P=F+G=44.18(T) ∴P＜P许=1.08×105(T)
2、当旋挖钻机吊钻杆及工作装置时， 临界载荷Pcr=ηEI/L2×L2
=3.525×1.96×108×12.8×108/187402=2.5×105(T)（稳定系数η取3.525） ∴桅杆稳定的许用载荷P许=Pcr/n=2.5×105T/6=0.42×105(T) ∵此时桅杆实际最大受力为P=2T+G=64.18(T) ∴P＜P许=0.42×105(T)
由此可见，桅杆设计符合稳定性要求。 3）桅杆刚度校核
已知：桅杆材料16Mn；弹性模量E=1.96×108MPa； 截面轴惯性矩I=12.8×108mm4 1、当旋挖钻机钻进时：
所受弯矩：M=(F+G3)(a2+a-c2)+G1(a/2-c2)
=(20+1)×(190+560-150)+8.78×(280-150)=1.4×108(N·mm) 2、当旋挖钻机吊钻杆及工作装置时：(受力参考图2.1） 桅
杆
所
受
弯
矩
：
M=T(a+a1-c2)-T(C4+C2)+G1(a/2-c2
）
=20×(560+850-150)-20×(280+150)+8.78(280-150)=3.49×108(N·mm)
比较1、2结果，在这里取最大值M=3.49×108N·mm进行计算 桅杆上端转角：θ=-M(l+3a)/3EI=3.49×108
(2690+3×13350)/3×1.96×108×12.8×108=1.98×10-5 rad=(1.13×10-3)°
桅杆最大挠度：f=-Ma(2l+3a)/6EI=3.49×108
×13350×(2×2690+3×13350)=/6×1.96×108×12.8×108=0.14mm
已知旋挖钻机最大倾角为4°，则θ＜4°； 同时参照起重机许用挠度[f]=0.001×16040=16(mm)， 则f=0.14mm＜16mm
所以根据选挖钻机工况，桅杆在符合以上许用转角及许用挠度情况下，其结 构符合刚度要求。
第3章 旋挖钻机桅顶设计
3.1桅顶工作原理分析
此处省略NNNNNNNNNNNNNN字，由于图纸不能上传，如需全套设计和图纸资料请联系扣扣九七一九二零八零零！
3.3.2 销轴的计算
（1）第一组销轴：钢丝绳拉力78KN，销轴受到剪力作用，桅顶支架壁厚为30mm，于是计算出需要的销轴的截面直径d，受力分析如下
图4 销轴受力分析图
τ=≤[τ]
A
FQ
τu为极限切应力,说选材料为45，式中：A为剪切面的面积；查表得到[τ]=155Mpa,
2
所以，τ=0.5×78／π（d/2）≤155，解得d≥0.056×10-3m=56mm，这里我们取60mm
所以计算所得销轴直径为60mm。 （2）第二组销轴：
FQ
τ=≤[τ]
A
τu为极限切应力,说选材料为45，式中：A为剪切面的面积；查表得到[τ]=155Mpa,
2
所以，τ=0.5×60／π（d/2）≤155，解得d≥0.056×10-3m=49mm，这里我们取50mm.
所以计算所得销轴直径为50mm。
3.3.3 支架形状等强度设计计算（等强度计算）
将滑轮支架两边当作一个整体，因为支架厚30mm，所以简支梁宽度b=60mm，而高度h在满足等强度要求下是变化的。
满足σmax=M(x)/W(x)= [σ]，或者W(x)= M(x) /[σ]=Fx/[σ]=bh2(x)/6,得出 h（x）=(3Fx/b[σ])1/2，
对于连接钻杆的一端：分别取x1=606,x2=100,计算得h1=635.37mm,h2=258mm。 对于连接卷扬的一端：分别取x1=344,x2=100,计算得h1=595.37mm,h2=321mm。
立体图如下：
图6 桅顶立体图
3.3.4 轴承的设计计算 1)轴承分析与选择
因为旋挖钻机桅顶滑轮较简单，选用滑动轴承。滑动轴承特点：滑动轴承结构简单，成本低廉，运动平稳，寿命长，抗振动性能好，可以在强冲击和重载下工作。
旋挖钻机桅顶对轴承的工作要求不高，并且作低速间隙回转，所有选择类型：低速重载轴承、非液体摩擦轴承、径向轴承。同时，桅顶轴承只受径向载荷，所以选择径向滑动轴承。 2)滑动轴承结构形式
因为旋挖钻机桅顶滑轮工作特性是：低速、重载、间隙运动，所以选用整体式结构。
3)滑动轴承材料的选择
与桅顶滑轮连接的主副卷扬的提升速度为70m/min，拉力分别为78KN和60KN,所以属于中速重载，查表得，选用轴承材料为ZCuSn10P1（10-1锡青铜）。 4)滑动轴承的润滑
旋挖钻机桅顶难以经常供油，选用脂润滑，中速重载，轴颈周转速度为70m/min=1.17m/s＞1m/s，工作温度范围为-20～120查表得，润滑材料为：2号通用锂基润滑脂。
5)轴瓦及其轴套尺寸确定
选择整体式径向轴瓦，卷制轴套式。前面选了轴瓦材料为ZCuSn10P1（10-1锡青铜），查表得，许用值为：[p]=15MPa，[v]=10m/s，[pv]=15 MPa. m/s
① 销轴1（主卷扬对应）直径为d1=60mm，
查轴瓦表得：轴瓦壁厚eT=2mm，轴瓦外经为DL=62mm。(GB12613-90) 查轴套表得：轴套外经D=67mm，壁厚t=3mm,C=1.2,C1=0.6。(GB12613-90) 查表得，起重机中B/d取1.0～2.0，据表得B=70mm。（GB2931-82） ② 销轴2（对应副卷扬）直径d2=50mm，
查轴瓦表得，轴瓦壁厚eT=2mm，轴瓦外经为DL=52mm。(GB12613-90) 查轴套表得，轴套外经为D=56mm,轴瓦壁厚t=3mm，C=1.2,C1=0.6 (GB12613-90)
查表得，起重机中B/d取1.0～2.0，据表得B=60mm。（GB2931-82）
6)轴承验算
许用值为：[p]=15MPa，[v]=10m/s，[pv]=15 MPa. m/s ① 压强p验算
Pmax=Fmax/dB≤[p]MPa
式中: Fmax-----轴承所受的最大径向载荷 N， d-------轴颈的直径 mm， B-------轴颈的工作宽度 mm， [p]-------压强的许用值MPa 。
对轴承1（主卷扬对应）：Pmax= Fmax/dB=78000/（67×70）=14.31≤15 对轴承2（副卷扬对应）：Pmax= Fmax/dB=60000/（56×60）=14.57≤15 ② 滑动速度V验算
V=πdn/（60×1000）≤[v] 式中：d-------轴颈的直径 mm， n--------轴颈转速 r/min， [v]------许用滑动速度 m/s，
对轴承1：V=πdn/（60×1000）=3.14×67 ×2300/（60×1000）=8.06≤10
对轴承2：V=πdn/（60×1000）=3.14×56 ×2300/（60×1000）=6.74≤10
③ Pv值验算 Pv=Fn/19100B≤[pv]
F----轴所受到的平均径向载荷 N, n----轴颈转速 r/min ， B----轴颈的平均工作宽度，
[pv]----pv许用值 MPa。
对轴承1：Pv=Fn/19100B=78000×230/（19100×70）=13.4≤15 对轴承2：Pv=Fn/19100B=60000×230/（19100×60）=12.0≤15
7)轴颈与轴瓦配合
轴颈与轴承之间必须有必要的间隙，平均间隙为0.001d，所以对轴承1（与主卷扬对应）与销轴1的间隙为0.001×60=0.06mm；轴承2(与副卷扬对应)与销轴2之间的0.001×50=0.05mm。配合选用选用8级精度，H8/e7。 3.4 桅顶结构设计 3.4.1.支架结构设计
尺寸已经在上章计算了，其结构如下：
图7 支架零件图
3.4.2滑轮的结构设计
采用有轮辐的结构，其结构图如下：
图8.滑轮示意图结构图
桅顶立体图
3.4.3 销轴的结构设计
因为桅顶销轴用于连接作用，且两端需要固定，选择带孔销轴。销轴的直径已经在第四章计算出，销轴1，d=60mm；销轴2，d=50mm。销轴1（d=60）dk =8mm，孔直径d1=10mm；销轴2（d=50）dk=7mm，孔直径d1=10mm。根据支架设计尺寸，设计销轴长l1=l2=225mmm
其结构设计如下：
销轴1（60）：
图9 销轴1示意图
销轴2（50）：
图10 销轴2零件图
致 谢
本文是在周友行老师的悉心指导下完成的。承蒙周老师的亲切关怀和精心指导，虽然他工作极其繁忙，但仍抽出时间给予我学术上的指导和帮助，特别是对于我的毕业设计提出了宝贵建议，使我获益不浅。周老师平易近人的性格、广博的知识、深刻的思想和丰富的人生智慧对我产生了极大的影响。在此，谨向周老师致以深深的敬意和由衷的感谢。
感谢我的父母，他们在大学生活上给予我很大的支持和鼓励，是他们给予我努力学习的信心和力量。
如果说这篇论文是我几个月研究的结晶，那么它所折射的光芒中更多的是我身边诸位家人、朋友的殷殷期望之情和拳拳关爱之心。感谢所有关心我、支持我和帮助过我的同学、朋友和亲人，在这里，我仅用一句话来表明我无法言语的心情，感谢你们！
感谢各位百忙之中抽空来帮助完成论文答辩和指导的老师们!
感谢一路陪我走来的每一位良师、挚友!
参考文献
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模具中钻孔的一般算法
摘要：使用标准的G-code,提供一种程序设计方法的封闭循环的运动时的轴数控机床完成重复性的加工操作。然而，标准的封闭循环在数量上和容量上是有限的。因为这个原因，现代数控单元能够为不同的加工操作创造相似的周期，称为用户定义的周期。用户定义周期的创造不是个简单的任务，它需要大量的技术经验和努力。本论文以简易的方式描述了一项调查，这项调查是发展模具中的钻孔的一般算法。这种算法可以用于创建用户定义周期或者用于普通模具中，交错的模具中，单排及柱中钻孔的子程序。这种程序设计算法对于加工样板，鼓，特拉梅尔屏幕和隔板非常有用。通过测试这些算法的性能，许多工件都取得了令人满意的结果。
这里展示了这种工件的样板。发达算法节省了99%的时间去准备项目，另外还减少了程序设计错误。
关键字：数控机床，数控编程算法，封闭循环，用户定义周期
1.介绍
数控机床一次在工业中出现大约是在1957年。机床工具的性能和许多相关计算机技术的性能都大大提高了。数控机床为当今的制造业世界提供了许多优势。其中最大的一个优点是降低报废率。由于开关机而引起的错误及操作者的疲劳在数控机床中的发生都可能大大减少。在一套设备中，数控机床通常能够承担那种可能需要几种常规机器共同完成的工作。因此，在提升生产计划和降低机械操作时数方面的改善经常发生。同时，对更少夹具的需求，及存储空间的需求都大大减少了。检查过程也减少了，一旦机器的第一部分通过了检查，剩下的部分就只需要细微的检查了。总共的开销也随之减少了因为对复杂的夹具的需求减少了。随着操作过程中变化时间的需求加快，工作中领导时间就可能减少。数控机床另一个大的优势就是使复杂的机器操作变得更加简单，变得更具显著的一致性和更加高质量的结果，因为其先进的机器控制和 程序设计能力。
如今，个人有许多机会去发展程序设计算法来控制和操作这些机器。关于过程类型技术，基础计算机技术，特别是运用在加工应用的数控技术知识是最小的要求。一般一个数控编程，无论哪种机器类型都包括标题，磁带信息和操作信息。磁带信息包括所有必要的适合机器操作的信息，比如功能代码。这些信息会根据使用的实际工具的不同而不同。包括一下功能：序号，准备和杂工能，XYZ坐标信息，主轴速度，喂入机率和深度的选择。每个单词由字母数字编码组成，这些数字字母编码与注册在一组机器单位的特殊设置有关，还可以引发一些适当的机器控制运动或行动。用于数控编程的最著名的筹
备功能或循环代码就是G-code，他决定了操作系统的模型。这个代码被广泛的应用在封闭循环中。一个循环周期是一个机器运动的结合体，他产生了一种特别的机器功能，例如钻销，铣削，沸腾以及tapping。有封闭周期的控制可能要比没有控制周期的控制要贵，但是其带来的明显收益可以抵消这部分开销。通过编程周期编码，多达七个明显的运动可能发生。如果没有封闭循环这七个运动通常需要至少六个编程群。使用封闭循环有可能节省高达50%的编程时间和高达三分之一的数据处理时间。如今，大多数的控制加工商都同时拥有封闭和非封闭循环作为他们的部分标准控制包装。然而，他们的标准封闭循环在数量和质量上都是有限的。因为这个原因，现代数控单位有能力为不同的机器操作创造类似的周期，叫做用户定义周期。用户定义周期的创造不是一个简单的任务，他需要更多的技术经验和努力。这些机器的程序员将面临许多困难，如既不准在文学详细描述编程方式又不能在他们的手册中描述。用户定义周期是一个由用户由于一些特殊的加工过程而发展起来的以一种全球性的子程序。这中先进的周期可以与其他的储存项目储存在存储程序存储器中。用户定义周期是模态子程序，他可以控制每一个分区，这点与封闭循环相似。与常规的数控编程方式相比，用户定义周期（如图运用部分3）可以实现节省99%的编程时间以及超过2/3的数据处理时间。
本论文描述了模具中钻孔的一般算法。这种算法可以用于创建用户定义周期或者用于普通模具中，交错的模具中，单排及柱中钻孔的子程序。这种程序设计算法对于加工样板，鼓，特拉梅尔屏幕和隔板非常有用。通过测试这些算法的性能，许多工件都取得了令人满意的结果。
这里展示了这种工件的样板。
2， 用户定义周期算法
标准封闭循环使用了G-code，然而用户定义周期是一个积极的G-code使用者。用户定义周期被编程G800取消了。编程者将会用这种算法来创造一个用户定义子程序或者一个适合这台机器的用户定义周期。这个周期会被用于普通模具中，交错的模具中，单排及柱中的钻孔。在数控机床单位中存储了用户定义周期之后，编程者就只需要在一个分区而不是在数百个分区中使用安装这个程序来描述每一个钻孔中心。这个子程序在执行的时候不会显示在子目录或者缓存页面上。用户定义周期中字母地址（从A到Z）被用来向全球编程者传递价值。如，字母A 地址的价值存储在参数价值P202，而字母B地址的价值可能存储在P202中，等等。接下来的算法非常清楚的解释了为模具钻孔创造用户定义周期的方法。这种算法的目标就是输入所有复杂的计算公式，他被用来控制机器运动和夹具形式。
在这种算法中输入参数与下面的相似:x是x轴上第一个洞的钻孔中心。Y是y轴上第一个洞的钻孔中心，I 是两个洞之间的pitch ，J是两排之间的PITCH，U是洞数或者
排数，V是排数，R在接近Z轴的位置，Z是Z轴上的feed(孔深)，E是Z轴上收回水平，系统会产生两个计数器，P1和P2。P1计算孔数，P2计算排数（如图1所示）。
输入参数值决定夹具的维度。这个夹具可以由一排，一柱，或者多排多柱组成。如果输入了错误的数据，这种先进的算法可以给出出现错误的提示。依靠输入的数据这种算法可以运用所有必要的计算来加快和feed机器运动。根据两个孔之间的间隔,每排的孔数，两排之间的间隔，和夹具中的排数计算出每个孔的中心。图1 给出了适合创造用户定义子程序 或为任何使用现代数控机床的用户定义周期的具体算法。
3 应用
在前面的章节中提到这种算法被用于创造用户定义周期，用户定义周期适合giddings和刘易斯加工中心以及与数控机床单位8000向匹配的水平钻孔.图2给出了这种周期的细节。(G881)。
在数控机床单位中存储了用户定义周期软件之后，软件会被存储在数控记忆中。编程者和机器操作者看不到软件也无法改变它。软件包含了机器运动所需要的所有参数和计算。编程者只需要使用这个周期以及安装其地址，就像一个封闭循环周期。当然，这个夹具必须有个电脑平面，夹具中所有的孔必须在直线（行）上，夹具中所有的行必须彼此平行间隔相等。（比如 他的距离J 应该 一致）。行中孔的中心距离（I）也应该一致。U是每一行上的孔数，V是行数包括第一行。U x V就是所有的孔数。数控机床的控制执行定位在世界上所有的第一行，从起点开始。然后以第二行为起点直到所有的孔（V）都完成。图3显示了一个交错矩阵。
这个项目需要图3中的交错夹具，图4中也有显示。可以这样说一个交错夹具可以分成两个正常的夹具和两个独立的分区。在第一个夹具中，输入数据可以是如下所示： 第一个孔的中心（x=50，Y=50），x轴上的间隔（I=100）y轴上的间隔（Y=100）每行上的孔数（U=150），行数（V=50）。第二个孔的中心，X=100,Y=100,U=149,V=49，I，J 是常数。
许多工件都使用G881周期。这个周期可以降低98%的体积。这将会大大节省记忆面积。 许多使用这种周期的工件都取得了令人满意的结果。图5中的例子就是这种工件，鼓，屏幕和分割器。
4 结论
本论文以简易的方法描述了模具中钻孔的一般算法。如今展示的算法提供了一种简单的方法去为普通夹具，交错夹具，单行或者单柱夹具的钻孔部分项目。这种算法把需要去描述一个项目中钻孔中心分区的数量减少为一个分区。这意味着减少后的体积为使用普通循环方式的体积的45%。另外，这种先进的算法节省了约99%的准备项目时间及减少了程序设计错误。
目 录
第1章 绪 论... .................................................. 1
1.1 旋挖钻机简介 ............................................... 4
1.1.1结构简介 .............................................. 4
1.1.2工作原理 .............................................. 4
1.1.3旋挖钻机的分类 ........................................ 5
第2章 旋挖钻机桅杆的设计 ................................ 6
2.1 桅杆的结构和功用简介 ....................................... 6
2.2 桅杆的方案选择 ............................................. 6
2.3桅杆截面的方案选择 ......................................... 10
2.4卷扬的安放 ................................................. 10
2.5旋挖钻机桅杆结构特征分析 ................................... 12
2.6旋挖钻机桅杆结构设计计算 ................................... 12
2.6.1 45T选挖钻机整机参数 ................................. 12
2.6.2 45T旋挖钻机桅杆强度校核 ............................. 14
1）桅杆受力及应力计算 ................................. 14
2）桅杆稳定性计算 ..................................... 19
3）桅杆刚度校核 ....................................... 19
第3章 旋挖钻机桅顶设计 ........................................ 19
3.1 桅顶工作原理分析 .......................................... 21
3.2钢丝绳的选取 ............................................... 21
3.3 桅顶的设计计算 ............................................ 22
3.3.1滑轮尺寸的确定 ....................................... 22
3.3.2销轴的计算 ........................................... 22
3.3.3支架形状等强度设计计算 ............................... 25
3.3.4轴承的设计计算 ....................................... 26
3.4 桅顶的结构设计 ............................................ 28
3.4.1支架的结构设计 ....................................... 28
3.4.2滑轮的结构设计 ....................................... 28
3.4.3销轴的结构设计 ....................................... 29
致谢 .............................................................. 30
参考文献 .......................................................... 31
英文翻译 .......................................................... 32
45T旋挖钻机桅设计
摘要：旋挖钻机是一种功能多、效率高、污染少的灌注桩成孔设备。桅杆为钻具提供运动导向、位置调整、动力传递，且承受钻机钻进时的各种载荷。桅杆中的中桅杆、滑轮架以及钻挖系统中的动力头是旋挖钻机的关键部件，中桅杆是钻挖系统和车体的联接件，承受钻具工作时产生的巨大弯矩作用；滑轮架安装于旋挖钻机的最高位置，且质量较大，为主、副卷扬钢丝绳的运动进行导向；动力头驱动钻杆旋转工作，承受载荷且工况复杂。
关键词：旋挖钻机，中桅杆，滑轮架，动力头
45T Rotary drill mast design
Abstract：Rotary drilling rig is a multi-function,high efficiency and less pollution into the pile hole equipment.As rotary drilling rig's key part,the mast is to provide drill-oriented campaign,position adjustments,and power transmission.The mast is bearing the loads when drilling;pulley yoke is to guide wire rope of the main and auxiliary winch.The pulley yoke is weighty,but installed at the highest position.The power drive drives the kelly bar,but it only has one buffer device.
Keywords:rotary drilling rig，middle-mast，pulley-yoke，power drive
第1章 绪论
1.1旋挖钻机简介
1.1.1结构简介
旋挖钻机一般由行走机构（履带底盘）、工作机构（主副卷扬、桅杆总成、伸缩式钻杆等）、回转机构、动力机构（回转动力头）、操作控制机构组成（具体结构如图1-1所示），其工作的核心元件是动力头、钻杆和钻头。这些机构集中配装到履带底盘的机身上，通过液压系统将动力分配到回转动力头、主副卷扬机、履带与监控转台中的马达，以及分配到给进和立放桅杆的油缸中。
图1-1旋挖钻机结构组成
1.1.2工作原理
旋挖钻机主要功能分为上车钻孔作业和下车移动行驶，两部分通过换向阀互锁。下车行驶工作由马达带动减速机实现底盘的行走、转向、制动等功能，通过控制底盘的伸
缩油缸用以改变履带中心距。旋挖钻机钻孔作业时，钻杆通过钢丝绳回转接头与主卷扬的钢丝绳相连，并通过动力头的中心孔，由主卷扬控制其升降。每节钻杆的外表面都焊有导向键，动力头的扭矩通过其内花键传递给外层钻杆及其它各层钻杆和钻头。芯部钻杆底部有方形接头，通过销子同钻头上相配合的箱插接。这样，动力头的扭矩就通过钻杆传递给了钻头，在钻头和钻杆的自重压力下实现钻进，如果需要，还可配合加压油缸进行加压钻进。钻头回转切入地层进尺，将钻屑装满一斗后，通过主卷扬将钻头提升到地面卸土。旋挖钻机移动运输时，桅杆可下放至水平位置，并将鹅头部分和下端动力头折叠（根据不同情况亦可将配重拆下）以减小运输长度，此时履带横向缩回至最小距离，这样钻机即可自行进行运输。
1.1.3旋挖钻机的分类
按旋挖钻机工作参数和施工能力等，旋挖钻机可分为大、中、小三种类别：
①小型旋挖钻机
扭矩100kN.m，发动机功率170kW，钻孔直径0.5~1m，钻孔深度40m左右，钻机整机质量40t左右的旋挖钻机为小型旋挖钻机。其主要适用于各种楼座的护坡桩，楼的部分承重结构桩，城市改造市政项目等各种小于1m的桩。
②中型旋挖钻机
扭矩180 kN.m，发动机功率200kW，钻孔直径0.8~1.8m，钻孔深度60m左右，钻机整机质量65t左右的旋挖钻机为中型旋挖钻机。其主要应用于各种高速公路、铁路等交通设施桥梁的桥桩，大型建筑、港口码头承重结构桩，城市内高架桥桥桩，其它适用桩。
③大型旋挖钻机
扭矩240kN.m，发动机功率300kW，钻孔直径1~2.5m，钻孔深度80m，钻机整机质量在100t以上的旋挖钻机为大型旋挖钻机。其主要应用于各种高速公路、铁路桥梁的特大桥桩，其它大型建筑的特殊结构承重基础桩。
第2章旋挖钻机桅杆设计
2.1桅杆的结构和功用
旋挖钻机桅杆作为钻机主执行机构的重要支撑和受力构件是钻机工作的重要组成部分，与其相关的一般包括顶部的两套导向滑轮机构（又称鹅头），桅杆主体立柱，动力头导向滑轨，动力头加压油缸，动力头限位块，各连接铰耳等部件（见图2-1）。
其功能主要包括：
1)为钻具、调整机构、加压机构（一部分机型还包括安装在桅杆立柱上的卷扬机（具体见2.5卷扬的安放分类））等提供结构支撑；
2)为钻具的工作进尺提供导向作用；
3)为卷扬机提供吊臂；
4)为液压管道、照明设备等提供附着支架；
5)桅杆下部的缓冲橡胶块＋金属下限位挡板可以控制动力头上下运动的范围。
2.2桅杆的方案选择
根据满足工程需要，桅杆的种类有很多，根据其结构形式，主要可以分为：整
体竖立式桅杆，分段式桅杆，伸缩式桅杆[14]~[18]。
1）整体竖立式桅杆
整体竖立式桅杆，顾名思义，是指桅杆各部分采用焊接或螺栓连接的形式构成
一个整体，无论是工作状态还是运输状态，各部分之间均不发生位置的相对变化。加压油缸固定在桅杆的前端面（旋挖钻机作业状态），其缸筒的头部铰接在桅杆前盖板的支耳中，缸筒的尾部与桅杆前盖板的另一支耳浮动连接，油缸活塞杆的头部与动力头支耳通过销轴连接，动力头两侧的滑块支架扣在桅杆导轨上，其间有滑块相隔。旋挖钻机作业时，加压油缸推动动力头在桅杆上移动，滑块随动力头沿着桅杆导轨表面上下运动。整体式桅杆根据其柱体形式可以分为整体箱形桅杆（见图2-1）和整体格构式桅杆（见图2-2）。
对于这两种桅杆形式，由于箱形桅杆体积小，刚度强度好，加之近年来开发出
的起落机构与之相配合，使其不需借助任何其它辅助设备即可自行起落，运输方便，所以应用比较广泛。但随着钻机钻挖能力的提升，桅杆高度和重量也需相应加大，因此落桅后运输过程中对于整机尺寸的要求导致了整体式桅杆一般多应用于小型机，中大型旋挖钻机则多采用以下介绍的折叠式桅杆；格构式桅杆虽然重量轻，但体积也相应增大，而且大部分机型起吊仍需辅助起重设备，所以并没有过多推广，多为起重机底盘改装的格构式旋挖钻机，也有一部分汽车底盘改装的格构式旋挖钻
机
。
2）分段式桅杆
旋挖钻机是目前灌注桩成孔工艺中的主要施工设备之一，随着国民经济的发展，越来越多高层建筑甚至超高层建筑不断拔地而起，同时也有越来越多的复杂工况需要面对，因此对钻孔深度和动力需求提出越来越高的要求。随着钻孔深度的不断加大，必然导致钻杆和作为钻杆支撑架的桅杆高度和重量的增加，如果此时仍旧使用整体式桅杆，在运输过程中，钻机整机运输尺寸大，移动稳定性差，而单独拆卸桅杆运输又费时费力，因此严重影响钻机的移动，进而影响施工进度，尤其是在狭窄有障碍的工地。为此，人们设计了各种方法解决这一问题，采用分段式桅杆就是其中之一。根据其放倒方式，可以分为后倾放倒式和前伏式。
3）分段折叠式桅杆
这种桅杆是目前市面上最为流行的一种桅杆形式，尤其是国内厂商，本次论文
研究对象也是针对这种桅杆形式进行的研究。
此种桅杆一般采用钢制，截面为大箱形截面，刚性好，重量轻，截面形式多为矩形，也有使用圆形截面和梯形截面的。桅杆主体分为三段，分别为上段桅杆（包含两套滑轮机构组成的鹅头，简称上桅），中桅（加压油缸所在桅段）和下桅。上桅和下
桅一般较短，与中桅之间采用可折叠结构，工作状态时，三段桅杆展开以满足钻挖需要，钻机移动时，无需拆卸，上桅和下桅即可向中桅折回，减少了整机运输尺寸，通过起落机构向后放倒，即可移动运输（见图2-3）。
上桅可以侧向折回，也可以前后折叠，目前比较流行的多为侧向折回。与折叠式桅杆相配合，起落装置采用流行的“三角形＋平行四边形”调整机构，在钻机运输或转场组装时，无需要任何辅助设备即实现了桅杆的自行起落和方便灵活的运输，降低了客户的使用成本，降低了设备装卸运输的时间，提高了稳定性和通过性，也有利于提高施工效率。但也应注意，折臂铰点的存在，使得此处容易发生应力集中。
4）分段式不可折叠桅杆
此种桅杆主体立柱部分一般分为主桅杆和桅杆延伸节两段，延伸节较长，加压油缸安装在桅杆延伸节上（见图2-4），运输过程中桅杆一般采取前倾式放倒，也有一部分厂家采用后倾放倒，在此处桅杆延伸节无法折向主桅杆一侧，所以为了减少整机运输尺寸和提高整机的稳定性，在运输条件下，尤其是上下较陡的坡道和遭遇高空障碍电线等情况下，需将延伸节桅杆拆卸后单运。其起竖时需利用辅助起重机协助起吊，比较麻烦，起竖调整机构为结构较为简单大三角支撑。
5）伸缩式桅杆
伸缩式桅杆也是一种基于提高钻机运输性能而采用的方案，他的主立柱是由一组矩形、梯形或其它形状的对称截面相互套装而成（见图2-5），最大的一段在桅杆立柱的底部可称其为根桅，截面积最小的一段在桅杆立柱的顶部，可称其为顶桅，两段桅杆之间根据钻机设计要求仍然可以套装一段或多段的桅杆，可称为第一中间段，第二中间段等（目前由于旋挖钻机发展年限比较短，而这种伸缩式桅杆又并没有普及，所以也没有统一的术语。），但不易过多，目前市面上可见的多为两段和三段，也有部分四段的。
当桅杆处于钻进或提升等工作工况时，桅杆各段桅杆呈伸展状态，当处于运输状态时则可将各级桅杆收缩，以有效减少整机运输长度，有利于整机运输的稳定性，提高钻机通过性，同时也为选配不同型号、直径、深度的钻杆与钻具提供了充分的选择空间。各级桅杆（根桅除外）的伸展与收缩均由若干液压油缸完成，这些油缸称为伸缩油缸。
图2-5伸缩式桅杆伸缩油缸安装在各段桅杆内，工作时油缸外伸则各级桅杆伸展，
运输液压油缸伸缩，各级桅杆缩至根桅内。虽然此种桅杆形式有利于钻机的运输，
但也要注意，这种桅杆各段之间的伸缩是靠滑垫、导向滑块或滚柱支撑，使用中，
特别是在尘土很多的环境，运动部件之间的磨损会使各级桅杆之间的间隙增大，造
成不同程度的松动，这种松动随着钻机的使用会不断在各级桅杆内积累起来，最终
就有可能导致事故的发生，所以要定期进行检查，而且这种桅杆相对于其它旋挖钻
机的桅杆形式结构更为复杂，精度要求也更高。
2.3桅杆截面形式
桅杆截面形式多样，除格构式桅杆，钢制箱形截面形式最常用的为矩形截面和圆形截
面，目前又出现了一种截面，如图2-6所示
.
2-6箱型桅杆常见截面形式
（1）目前市面上常见类型旋挖钻机桅杆的相关知识。根据其结构形式，桅杆主
要可分为：整体竖立式桅杆，分段式桅杆，伸缩式桅杆。本次选择分段式桅杆是根
据设计的要求且在小中型旋挖钻机设计应用比较广泛。
（2）这次方案选择桅杆截面形式是图2-6中的最后一种截面，这种截面设计节
省材料可以减轻本身重量且刚度较好应用也比较广。
2.4卷扬的安放
一般有两种处理方案：1、后置于回转平台上，位置在驾驶室与后部配重之间（具
体可参见图2-3），主要用于采用专用旋挖钻机底盘的机型；
2、前置于桅杆下部或动臂三角架上（具体可参见图2-4），
一般适用于由相近的起重机、挖掘机或履带吊底盘经改造而成的旋挖钻机机型。早
期使用经其它工程机械的底盘改造的旋挖钻机底盘，车体上没有卷扬安置位置，故
只能将卷扬安置在桅杆上。随着旋挖钻机的不断发展，此种结构也保留了下来，因
为卷扬安装在桅杆上，不但方便操作人员随时观察卷扬机工作第2章旋挖钻机桅杆
结构简介状态，工作过程中发现问题及时停机解决，也节省了回转平台上的安装空
间，便于转台的布置，使得整机外形尺寸较小，特别是回转平台和底盘显得比较小
但这样也就增加了车体前部的重量，使整机工作重心前移，外观上看起来前重后轻，
降低了整机行走的稳定性。卷扬机后置的旋挖钻机一般采用专门的旋挖钻机履带式
底盘，这样的布置使得整机结构布置更加合理，整机工作稳定性好但缺点是不利于
操作人员随时观察到主卷扬机的工作状况。上海三凰工程设备有限公司新研制的
SH645型旋挖钻机桅杆与主机之间采用U型连接方式（见图2-7），主卷扬机放置
于操作手的右方视野内U形凹中，解决了操作人员对于主卷扬机工作状况的观察，
结构简单实用。
2.5 45T旋挖钻机桅杆结构特征分析
旋挖钻机是一种机、电、液一体化的高效率、多用途的灌注桩成孔设备，具有成孔
快、质量好、噪声低、环境污染小等特点，综合效益高，代表着桩工机械发展的方向，
是一种很有前途的桩工机械。
国产的旋挖钻机由于考虑桩孔施工工艺的特殊要求（如要求一次成孔连续注浆并插
入钢筋笼），要求桅杆必须具有足够的高度。又考虑到运输条件的限制，长度不能过长、
重心应尽量降低；同时受到运输条件的限制，因此国产旋挖钻机设计一般都要将桅杆、
钻杆等拆卸下来运输。基于以上的几点因素，旋挖钻机的桅杆总成采用分段式可折迭式
结构，主要由四部分组成:下桅杆总成、中桅杆总成、上桅杆总成和滑轮架总成。各部
分之间通过螺栓相连接，运输时需拆卸开来，使用时再重新组装。桅杆总成在工作状态
时总高度为10.5m，在顶段、底段拆翻后桅架放倒时的总长度减至6m。各段桅杆杆身分
上、下两部分，这两部分对接焊组成截面是梯形的腔体杆身，腔体内部按一定的排列方
式布置加强筋板，以增强桅杆的刚度和强度。
2.6旋挖钻机桅杆结构设计计算
2.6.1旋挖钻机整机参数
发动机功率：246kW 动力头最大扭矩：70kN m；
最高工作转速：21r/min 最高甩土速度：135r/min
最大钻深：40m， 最大钻孔直径：1200mm，
主卷扬最大单绳拉力：200kN, 钢丝绳直径30mm
付卷扬最大单绳拉力：80kN， 钢丝绳直径18mm
行驶速度：>1.0km/h， 爬坡度：40%，
整机重量：45T（含钻杆） 动力头油缸推/拉力：200/140kN
如图 2.8旋挖钻机桅杆受力分析图
2.6.2旋挖钻机桅杆强度校核
桅杆在作业时，固定桅杆的两油缸作用在桅杆上的侧向推力平衡，相互抵消。但将两
油缸合力作为桅杆一支撑力，三角形架为桅杆另一支撑力。由于桅杆受轴向载荷较大，
因此对于桅杆主要进行轴向力校核。同时，本论文还将对桅杆的稳定性、刚度进行校核
以及在弯曲与扭转、压缩与弯曲作用力结合下、动力头在桅杆上滑动产生动应力、扭转
应力进行校核。
桅杆的结构简图及其受力分析图2.5。
已知条件如下表1：
1）桅杆受力及其应力计算
1、当钻机钻进时，钻进力F=10T，绳拉力T=0，受力分析如下：
（1）
①取桅杆最上端面A-A，此处N=0，σ=0
②取截面B-B(x=843mm处)，受力如图(1)。
∑F=0 N-G=0 N=G=0.45T
(1)
∵N=-Nˊ∴Nˊ=-0.45T
σ=-Nˊ/A=-0.45T/28785=-0.16 mpa
③取截面C-C(x=2748mm处)，受力如图(2)。 (2)
∑F=0
N=F+G+G1=10T+0.33x3.5T+1T=23.9T
∵N=-N∴Nˊ=-12.2T σ=-Nˊ/A=-12.2T/28785=-4.2MPa
④取截面D-D(中桅杆滑轮架x=3901mm处)， (3)
受力如图(3)。
解之得TA=11.8T Nx=4.2T Ny1=25.5T
∵Ny1=-Ny1ˊ∴Ny1ˊ=-25.5T
σ=-Ny1ˊ/A=-25.5/28785=-8.9MPa
τ=-Nxˊ/A=-4.2T/28785=-1.5MPa
⑤取截面E-E(桅杆油缸支架x=6970mm处
)
受力如图(4)。
(4)
解之得TBy=200T TBx=4.2T Ny2=-175T
∵Ny2=-Ny2ˊ∴Ny2ˊ=110T
σ=Ny2ˊ/A=175T/28785=60.8MPa
τ=-Nxˊ/A=-4.2T/28785=-1.5MPa
⑥取截面F-F(三角架支点x=9695mm处)，受力
如图（5） （5）
解之得
TC=-11.7T Ny3=-123.5T
∵Ny3=-Ny3ˊ∴Ny3ˊ=123.5T
σ=Ny3ˊ/A=123.5T/28785=42.9MPa
τ=-Nxˊ/A=-4.2T/28785=-1.6MP
⑦取桅杆最下端面G-G，此处N=0，σ=0
综上计算，在钻进时桅杆应力分布见图（1）和表
2.2
图（1）
由图表可以看出：当旋挖钻机在钻进时，
最大压应力位置是中桅杆滑轮架处，即σ压max=22.7MPa；
最大拉应力位置是桅杆油缸支架处，即σ拉max=52.6MPa。
2、当旋挖钻机主卷扬起吊钻杆和工作钻杆装置时，
转进力F=0，绳拉力Tmax=20T，受力分析如下：
① 取桅杆最上端面A-A，此处N=0，σ=0
②取截面B-B(x=1500mm处)，受力如图(6)。
（6）
∑F=0 N-F=0 N=G=2T=40T（G可忽略不计）
σ=-Nˊ/A=-40T/20896=-19.1MPa
③取截面C-C(x=6270mm处)，受力如图(7)。
∑F=0
∴N=F+G+G1=40T+0.33×8.78T+1T=43.89T ∵N=-Nˊ∴Nˊ=-40T
N=-Nˊ∴Nˊ=-43.89T
(7)
σ=-Nˊ/A=-43.89T/20896=-21MPa
④取截面D-D(中桅杆滑轮架x=7930mm处)，受力如图(8)
解之得TA=20.8T Nx=8.1T Ny1=68.9
∵Ny1=-Ny1ˊ∴Ny1ˊ=-68.9T (8)
σ=-Ny1ˊ/A=
-68.9T/20896=-33.0MPa
τ=-Nxˊ/A=-8.12T/20896=-3.88MPa
⑤取截面E-E(桅杆油缸支架x=13350mm处)，受力如图(9)。
解之得TBy=317.8T TBx=8.1T Ny2=-249.9T
∵Ny2=-Ny2ˊ∴Ny2ˊ=249.9T
σ
=Ny2ˊ/A=249.9T/20896=119.6MPa
τ=-Nxˊ/A=-8.1T/12800=-3.885MPa
(9)
⑥取截面F-F(三角架支点x=16040mm处)，受力如图。
解之得TC=-181.7T Ny3=-78.2T TCx=101.6T
∵Ny3=-Ny3ˊ∴Ny3ˊ=78.24T
σ=Ny3ˊ/A=78.24T/20896=37.4MPa
τ=-Nxˊ/A=-101.6T/20896=-48.7MPa
⑦取桅杆最下端面G-G，此处N=0，σ=0
综上计算，在钻进时，桅杆应力分布见表2.3和图（2）
图（2）
由图表可以看出：当旋挖钻机在钻进时，
最大压应力位置是中桅杆滑轮架处，最大值为σ压max=37.4MPa； 最大拉应力位置是桅杆油缸支架处，最大值为σ拉max=130.6MPa。 2、应力校核
已知：桅杆材料16Mnσs=270～340MPaσb=470～510MPa
许用拉应力〔σ〕拉=σb/nb =235～255MPa（安全系数取2）
许用压应力〔σ〕压=σs/ns=135～170MPa ※对于旋挖钻机在工作状态时
σ拉max=52.6MPa
σ压max=33MPa
由此应力校核可以得出结论：桅杆设计符合轴向应力要求，且剪切应力较小， 可以不予校核。 2）桅杆稳定性计算
已知：弹性模量E=1.96×108MPa；安全系数取n=6；
截面轴惯性矩I=12.8×108mm4(由平行移轴公式Iy=Iyc+a2A计算)
1、当旋挖钻机钻进时：临界载荷Pcr=ηEI/L12=4.136×1.96×10×
12.8×108/125652=6.5×105(T)（稳定系数η取4.136）
∴桅杆稳定的许用载荷P许=Pcr/n=6.5×105T/6=1.08×105(T) ∵此时桅杆实际最大受力为P=F+G=44.18(T) ∴P＜P许=1.08×105(T)
2、当旋挖钻机吊钻杆及工作装置时， 临界载荷Pcr=ηEI/L2×L2
=3.525×1.96×108×12.8×108/187402=2.5×105(T)（稳定系数η取3.525） ∴桅杆稳定的许用载荷P许=Pcr/n=2.5×105T/6=0.42×105(T) ∵此时桅杆实际最大受力为P=2T+G=64.18(T) ∴P＜P许=0.42×105(T)
由此可见，桅杆设计符合稳定性要求。 3）桅杆刚度校核
已知：桅杆材料16Mn；弹性模量E=1.96×108MPa； 截面轴惯性矩I=12.8×108mm4 1、当旋挖钻机钻进时：
所受弯矩：M=(F+G3)(a2+a-c2)+G1(a/2-c2)
=(20+1)×(190+560-150)+8.78×(280-150)=1.4×108(N·mm) 2、当旋挖钻机吊钻杆及工作装置时：(受力参考图2.1） 桅
杆
所
受
弯
矩
：
M=T(a+a1-c2)-T(C4+C2)+G1(a/2-c2
）
=20×(560+850-150)-20×(280+150)+8.78(280-150)=3.49×108(N·mm)
比较1、2结果，在这里取最大值M=3.49×108N·mm进行计算 桅杆上端转角：θ=-M(l+3a)/3EI=3.49×108
(2690+3×13350)/3×1.96×108×12.8×108=1.98×10-5 rad=(1.13×10-3)°
桅杆最大挠度：f=-Ma(2l+3a)/6EI=3.49×108
×13350×(2×2690+3×13350)=/6×1.96×108×12.8×108=0.14mm
已知旋挖钻机最大倾角为4°，则θ＜4°； 同时参照起重机许用挠度[f]=0.001×16040=16(mm)， 则f=0.14mm＜16mm
所以根据选挖钻机工况，桅杆在符合以上许用转角及许用挠度情况下，其结 构符合刚度要求。
第3章 旋挖钻机桅顶设计
3.1桅顶工作原理分析
此处省略NNNNNNNNNNNNNN字，由于图纸不能上传，如需全套设计和图纸资料请联系扣扣九七一九二零八零零！
3.3.2 销轴的计算
（1）第一组销轴：钢丝绳拉力78KN，销轴受到剪力作用，桅顶支架壁厚为30mm，于是计算出需要的销轴的截面直径d，受力分析如下
图4 销轴受力分析图
τ=≤[τ]
A
FQ
τu为极限切应力,说选材料为45，式中：A为剪切面的面积；查表得到[τ]=155Mpa,
2
所以，τ=0.5×78／π（d/2）≤155，解得d≥0.056×10-3m=56mm，这里我们取60mm
所以计算所得销轴直径为60mm。 （2）第二组销轴：
FQ
τ=≤[τ]
A
τu为极限切应力,说选材料为45，式中：A为剪切面的面积；查表得到[τ]=155Mpa,
2
所以，τ=0.5×60／π（d/2）≤155，解得d≥0.056×10-3m=49mm，这里我们取50mm.
所以计算所得销轴直径为50mm。
3.3.3 支架形状等强度设计计算（等强度计算）
将滑轮支架两边当作一个整体，因为支架厚30mm，所以简支梁宽度b=60mm，而高度h在满足等强度要求下是变化的。
满足σmax=M(x)/W(x)= [σ]，或者W(x)= M(x) /[σ]=Fx/[σ]=bh2(x)/6,得出 h（x）=(3Fx/b[σ])1/2，
对于连接钻杆的一端：分别取x1=606,x2=100,计算得h1=635.37mm,h2=258mm。 对于连接卷扬的一端：分别取x1=344,x2=100,计算得h1=595.37mm,h2=321mm。
立体图如下：
图6 桅顶立体图
3.3.4 轴承的设计计算 1)轴承分析与选择
因为旋挖钻机桅顶滑轮较简单，选用滑动轴承。滑动轴承特点：滑动轴承结构简单，成本低廉，运动平稳，寿命长，抗振动性能好，可以在强冲击和重载下工作。
旋挖钻机桅顶对轴承的工作要求不高，并且作低速间隙回转，所有选择类型：低速重载轴承、非液体摩擦轴承、径向轴承。同时，桅顶轴承只受径向载荷，所以选择径向滑动轴承。 2)滑动轴承结构形式
因为旋挖钻机桅顶滑轮工作特性是：低速、重载、间隙运动，所以选用整体式结构。
3)滑动轴承材料的选择
与桅顶滑轮连接的主副卷扬的提升速度为70m/min，拉力分别为78KN和60KN,所以属于中速重载，查表得，选用轴承材料为ZCuSn10P1（10-1锡青铜）。 4)滑动轴承的润滑
旋挖钻机桅顶难以经常供油，选用脂润滑，中速重载，轴颈周转速度为70m/min=1.17m/s＞1m/s，工作温度范围为-20～120查表得，润滑材料为：2号通用锂基润滑脂。
5)轴瓦及其轴套尺寸确定
选择整体式径向轴瓦，卷制轴套式。前面选了轴瓦材料为ZCuSn10P1（10-1锡青铜），查表得，许用值为：[p]=15MPa，[v]=10m/s，[pv]=15 MPa. m/s
① 销轴1（主卷扬对应）直径为d1=60mm，
查轴瓦表得：轴瓦壁厚eT=2mm，轴瓦外经为DL=62mm。(GB12613-90) 查轴套表得：轴套外经D=67mm，壁厚t=3mm,C=1.2,C1=0.6。(GB12613-90) 查表得，起重机中B/d取1.0～2.0，据表得B=70mm。（GB2931-82） ② 销轴2（对应副卷扬）直径d2=50mm，
查轴瓦表得，轴瓦壁厚eT=2mm，轴瓦外经为DL=52mm。(GB12613-90) 查轴套表得，轴套外经为D=56mm,轴瓦壁厚t=3mm，C=1.2,C1=0.6 (GB12613-90)
查表得，起重机中B/d取1.0～2.0，据表得B=60mm。（GB2931-82）
6)轴承验算
许用值为：[p]=15MPa，[v]=10m/s，[pv]=15 MPa. m/s ① 压强p验算
Pmax=Fmax/dB≤[p]MPa
式中: Fmax-----轴承所受的最大径向载荷 N， d-------轴颈的直径 mm， B-------轴颈的工作宽度 mm， [p]-------压强的许用值MPa 。
对轴承1（主卷扬对应）：Pmax= Fmax/dB=78000/（67×70）=14.31≤15 对轴承2（副卷扬对应）：Pmax= Fmax/dB=60000/（56×60）=14.57≤15 ② 滑动速度V验算
V=πdn/（60×1000）≤[v] 式中：d-------轴颈的直径 mm， n--------轴颈转速 r/min， [v]------许用滑动速度 m/s，
对轴承1：V=πdn/（60×1000）=3.14×67 ×2300/（60×1000）=8.06≤10
对轴承2：V=πdn/（60×1000）=3.14×56 ×2300/（60×1000）=6.74≤10
③ Pv值验算 Pv=Fn/19100B≤[pv]
F----轴所受到的平均径向载荷 N, n----轴颈转速 r/min ， B----轴颈的平均工作宽度，
[pv]----pv许用值 MPa。
对轴承1：Pv=Fn/19100B=78000×230/（19100×70）=13.4≤15 对轴承2：Pv=Fn/19100B=60000×230/（19100×60）=12.0≤15
7)轴颈与轴瓦配合
轴颈与轴承之间必须有必要的间隙，平均间隙为0.001d，所以对轴承1（与主卷扬对应）与销轴1的间隙为0.001×60=0.06mm；轴承2(与副卷扬对应)与销轴2之间的0.001×50=0.05mm。配合选用选用8级精度，H8/e7。 3.4 桅顶结构设计 3.4.1.支架结构设计
尺寸已经在上章计算了，其结构如下：
图7 支架零件图
3.4.2滑轮的结构设计
采用有轮辐的结构，其结构图如下：
图8.滑轮示意图结构图
桅顶立体图
3.4.3 销轴的结构设计
因为桅顶销轴用于连接作用，且两端需要固定，选择带孔销轴。销轴的直径已经在第四章计算出，销轴1，d=60mm；销轴2，d=50mm。销轴1（d=60）dk =8mm，孔直径d1=10mm；销轴2（d=50）dk=7mm，孔直径d1=10mm。根据支架设计尺寸，设计销轴长l1=l2=225mmm
其结构设计如下：
销轴1（60）：
图9 销轴1示意图
销轴2（50）：
图10 销轴2零件图
致 谢
本文是在周友行老师的悉心指导下完成的。承蒙周老师的亲切关怀和精心指导，虽然他工作极其繁忙，但仍抽出时间给予我学术上的指导和帮助，特别是对于我的毕业设计提出了宝贵建议，使我获益不浅。周老师平易近人的性格、广博的知识、深刻的思想和丰富的人生智慧对我产生了极大的影响。在此，谨向周老师致以深深的敬意和由衷的感谢。
感谢我的父母，他们在大学生活上给予我很大的支持和鼓励，是他们给予我努力学习的信心和力量。
如果说这篇论文是我几个月研究的结晶，那么它所折射的光芒中更多的是我身边诸位家人、朋友的殷殷期望之情和拳拳关爱之心。感谢所有关心我、支持我和帮助过我的同学、朋友和亲人，在这里，我仅用一句话来表明我无法言语的心情，感谢你们！
感谢各位百忙之中抽空来帮助完成论文答辩和指导的老师们!
感谢一路陪我走来的每一位良师、挚友!
参考文献
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模具中钻孔的一般算法
摘要：使用标准的G-code,提供一种程序设计方法的封闭循环的运动时的轴数控机床完成重复性的加工操作。然而，标准的封闭循环在数量上和容量上是有限的。因为这个原因，现代数控单元能够为不同的加工操作创造相似的周期，称为用户定义的周期。用户定义周期的创造不是个简单的任务，它需要大量的技术经验和努力。本论文以简易的方式描述了一项调查，这项调查是发展模具中的钻孔的一般算法。这种算法可以用于创建用户定义周期或者用于普通模具中，交错的模具中，单排及柱中钻孔的子程序。这种程序设计算法对于加工样板，鼓，特拉梅尔屏幕和隔板非常有用。通过测试这些算法的性能，许多工件都取得了令人满意的结果。
这里展示了这种工件的样板。发达算法节省了99%的时间去准备项目，另外还减少了程序设计错误。
关键字：数控机床，数控编程算法，封闭循环，用户定义周期
1.介绍
数控机床一次在工业中出现大约是在1957年。机床工具的性能和许多相关计算机技术的性能都大大提高了。数控机床为当今的制造业世界提供了许多优势。其中最大的一个优点是降低报废率。由于开关机而引起的错误及操作者的疲劳在数控机床中的发生都可能大大减少。在一套设备中，数控机床通常能够承担那种可能需要几种常规机器共同完成的工作。因此，在提升生产计划和降低机械操作时数方面的改善经常发生。同时，对更少夹具的需求，及存储空间的需求都大大减少了。检查过程也减少了，一旦机器的第一部分通过了检查，剩下的部分就只需要细微的检查了。总共的开销也随之减少了因为对复杂的夹具的需求减少了。随着操作过程中变化时间的需求加快，工作中领导时间就可能减少。数控机床另一个大的优势就是使复杂的机器操作变得更加简单，变得更具显著的一致性和更加高质量的结果，因为其先进的机器控制和 程序设计能力。
如今，个人有许多机会去发展程序设计算法来控制和操作这些机器。关于过程类型技术，基础计算机技术，特别是运用在加工应用的数控技术知识是最小的要求。一般一个数控编程，无论哪种机器类型都包括标题，磁带信息和操作信息。磁带信息包括所有必要的适合机器操作的信息，比如功能代码。这些信息会根据使用的实际工具的不同而不同。包括一下功能：序号，准备和杂工能，XYZ坐标信息，主轴速度，喂入机率和深度的选择。每个单词由字母数字编码组成，这些数字字母编码与注册在一组机器单位的特殊设置有关，还可以引发一些适当的机器控制运动或行动。用于数控编程的最著名的筹
备功能或循环代码就是G-code，他决定了操作系统的模型。这个代码被广泛的应用在封闭循环中。一个循环周期是一个机器运动的结合体，他产生了一种特别的机器功能，例如钻销，铣削，沸腾以及tapping。有封闭周期的控制可能要比没有控制周期的控制要贵，但是其带来的明显收益可以抵消这部分开销。通过编程周期编码，多达七个明显的运动可能发生。如果没有封闭循环这七个运动通常需要至少六个编程群。使用封闭循环有可能节省高达50%的编程时间和高达三分之一的数据处理时间。如今，大多数的控制加工商都同时拥有封闭和非封闭循环作为他们的部分标准控制包装。然而，他们的标准封闭循环在数量和质量上都是有限的。因为这个原因，现代数控单位有能力为不同的机器操作创造类似的周期，叫做用户定义周期。用户定义周期的创造不是一个简单的任务，他需要更多的技术经验和努力。这些机器的程序员将面临许多困难，如既不准在文学详细描述编程方式又不能在他们的手册中描述。用户定义周期是一个由用户由于一些特殊的加工过程而发展起来的以一种全球性的子程序。这中先进的周期可以与其他的储存项目储存在存储程序存储器中。用户定义周期是模态子程序，他可以控制每一个分区，这点与封闭循环相似。与常规的数控编程方式相比，用户定义周期（如图运用部分3）可以实现节省99%的编程时间以及超过2/3的数据处理时间。
本论文描述了模具中钻孔的一般算法。这种算法可以用于创建用户定义周期或者用于普通模具中，交错的模具中，单排及柱中钻孔的子程序。这种程序设计算法对于加工样板，鼓，特拉梅尔屏幕和隔板非常有用。通过测试这些算法的性能，许多工件都取得了令人满意的结果。
这里展示了这种工件的样板。
2， 用户定义周期算法
标准封闭循环使用了G-code，然而用户定义周期是一个积极的G-code使用者。用户定义周期被编程G800取消了。编程者将会用这种算法来创造一个用户定义子程序或者一个适合这台机器的用户定义周期。这个周期会被用于普通模具中，交错的模具中，单排及柱中的钻孔。在数控机床单位中存储了用户定义周期之后，编程者就只需要在一个分区而不是在数百个分区中使用安装这个程序来描述每一个钻孔中心。这个子程序在执行的时候不会显示在子目录或者缓存页面上。用户定义周期中字母地址（从A到Z）被用来向全球编程者传递价值。如，字母A 地址的价值存储在参数价值P202，而字母B地址的价值可能存储在P202中，等等。接下来的算法非常清楚的解释了为模具钻孔创造用户定义周期的方法。这种算法的目标就是输入所有复杂的计算公式，他被用来控制机器运动和夹具形式。
在这种算法中输入参数与下面的相似:x是x轴上第一个洞的钻孔中心。Y是y轴上第一个洞的钻孔中心，I 是两个洞之间的pitch ，J是两排之间的PITCH，U是洞数或者
排数，V是排数，R在接近Z轴的位置，Z是Z轴上的feed(孔深)，E是Z轴上收回水平，系统会产生两个计数器，P1和P2。P1计算孔数，P2计算排数（如图1所示）。
输入参数值决定夹具的维度。这个夹具可以由一排，一柱，或者多排多柱组成。如果输入了错误的数据，这种先进的算法可以给出出现错误的提示。依靠输入的数据这种算法可以运用所有必要的计算来加快和feed机器运动。根据两个孔之间的间隔,每排的孔数，两排之间的间隔，和夹具中的排数计算出每个孔的中心。图1 给出了适合创造用户定义子程序 或为任何使用现代数控机床的用户定义周期的具体算法。
3 应用
在前面的章节中提到这种算法被用于创造用户定义周期，用户定义周期适合giddings和刘易斯加工中心以及与数控机床单位8000向匹配的水平钻孔.图2给出了这种周期的细节。(G881)。
在数控机床单位中存储了用户定义周期软件之后，软件会被存储在数控记忆中。编程者和机器操作者看不到软件也无法改变它。软件包含了机器运动所需要的所有参数和计算。编程者只需要使用这个周期以及安装其地址，就像一个封闭循环周期。当然，这个夹具必须有个电脑平面，夹具中所有的孔必须在直线（行）上，夹具中所有的行必须彼此平行间隔相等。（比如 他的距离J 应该 一致）。行中孔的中心距离（I）也应该一致。U是每一行上的孔数，V是行数包括第一行。U x V就是所有的孔数。数控机床的控制执行定位在世界上所有的第一行，从起点开始。然后以第二行为起点直到所有的孔（V）都完成。图3显示了一个交错矩阵。
这个项目需要图3中的交错夹具，图4中也有显示。可以这样说一个交错夹具可以分成两个正常的夹具和两个独立的分区。在第一个夹具中，输入数据可以是如下所示： 第一个孔的中心（x=50，Y=50），x轴上的间隔（I=100）y轴上的间隔（Y=100）每行上的孔数（U=150），行数（V=50）。第二个孔的中心，X=100,Y=100,U=149,V=49，I，J 是常数。
许多工件都使用G881周期。这个周期可以降低98%的体积。这将会大大节省记忆面积。 许多使用这种周期的工件都取得了令人满意的结果。图5中的例子就是这种工件，鼓，屏幕和分割器。
4 结论
本论文以简易的方法描述了模具中钻孔的一般算法。如今展示的算法提供了一种简单的方法去为普通夹具，交错夹具，单行或者单柱夹具的钻孔部分项目。这种算法把需要去描述一个项目中钻孔中心分区的数量减少为一个分区。这意味着减少后的体积为使用普通循环方式的体积的45%。另外，这种先进的算法节省了约99%的准备项目时间及减少了程序设计错误。