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工程鉆機的設計,學生姓名： 宋 欣 欣 所在院（系）： 機 電 學 院 所學專業(yè)： 機 電 技 術 教 育 導師姓名： 牛 愛 青,摘 要,以水平定向鉆機為背景，水平定向鉆機的主要結構主要包括：底盤結構、發(fā)動機系統(tǒng)結構、動力頭結構、鉆桿裝卸的結構、虎鉗的結構、錨固裝置的結構、導向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)的結構。 GCPS20型鉆機是一種復合式多功能鉆機，為適應我國深基礎工程和連續(xù)墻以及水利工程、橋梁工程的發(fā)展與需要，結合大口徑鉆機灌注樁和地下連續(xù)墻施工的特點，為解決在復雜地層、硬巖中成孔而研制，特別卵石層、基石、漂石層能大幅度提高施工效率，在各種成孔方法中是比較經濟有效的方法。 鉆機是集回轉、沖擊鉆進工藝于一體的多功能復合型鉆機，用鉆盤回轉鉆進時可用于第四世紀覆蓋層，沖擊鉆進時可用于卵石、灰?guī)r、花崗巖等硬巖地層。 本鉆機的特點是結構簡單，緊湊，而且各種操作手柄布置合理，操作簡單，便于使用與維護。 關鍵詞： 水平定向鉆機 沖擊鉆進 變速箱 減速器,Abstract,Taking Horizontal Directional Drilling Rig as the background , The main structures of Horizontal Directional Drilling Rig mainly include: Chassis structure, engine systematic structure , power head structure , drilling rod structure , structure , anchor firm structure , guidance system , mud structure of system . The types GCPS-20 drill the machine is a kind of compound type multi-function drill the machine, in order to adapt the our country development and demands of the deep foundation and consecution wall and marine hydraulic engineering, the bridge engineering, combine the big caliber to drill the machine to infuse to note the stake and the characteristics of underground continuous wall construction, in order to solve to become the bore but research to manufacture in complicated geologic strata, hard rock, significant exaltation of ability of special egg stone layer, sill, the stone layer construction efficiency, is a more economic valid method in variously become the bore method. Drill the machine is to gather the turn-over and pound at to drill into the craft in the integral whole of multi-function and compound type drill the machine, can used for to overlay the layer the fourth century while using to turn the dish turn-over to drill into, can used for the hard rock geologic strata of egg stone, ash rock, graniteetc, while pounding at to drill into. Drill the characteristics of the machine originally is a structure simple, tightly packed, and various operation hand handle arrange reasonable ,operate in brief, easy to usage and support. Keyword: Horizontal Directional Drilling Rig The impact drill into gearbox speed reducer,第1章 緒 論,1.1 項目的研究意義 隨著西氣東輸、京滬高速鐵路等一批國家重點項目的陸續(xù)啟動,國家對基本建設的投入持續(xù)增長,對工程鉆機技術要求更高，鉆機不僅要具有高效性、環(huán)保性，更要具有復合性。通常使用的工程鉆機在工作時只有鉆進，當遇到較為堅硬的巖石層，如卵石、灰?guī)r、花崗巖等硬巖石地層，就不得不改變鉆進方位，或另鉆它孔，為解決此問題在老師的指導下我設計這臺帶有沖擊鉆的多功能復合型鉆機，它可有效的解決上述問題。我相信這臺鉆機一定會有很廣闊的市場前景! 1.2 國內外的科技現狀 隨著全球經濟的高速發(fā)展,各類建筑和工程施工的數量激增,工程難度日益加大,質量要求越來越高,極大的推動了各類基礎處理施工技術的發(fā)展,尤其是近 20 年來,由于建筑的大型化和高層化,各種處理范圍廣,效率高,污染少,成本低的深基礎施工工法，如大型旋挖樁、地下連續(xù)墻、各種錨固、高壓旋噴、深層攪拌等已成為基礎工程施工的重要手段。而現有國產基礎施工設備效率低下,污染嚴重,不能適應新施工技術的要求,施工企業(yè)一直在大量進口該類設備。加大開發(fā)適合我國國情的新型基礎工程施工鉆機的力度,滿足市場急需,替代進口,是該類設備制造業(yè)的首要任務。,1.3設計產品的用途和應用領域 這臺鉆機設計為散裝式轉盤沖擊、回轉復合式多功能鉆機，適用于基礎工程和連續(xù)墻以及水利工程、鉆鑿高層建筑、橋梁、港口基礎樁孔的鉆進，也用于大口徑水井及其他工程孔的鉆鑿，主要用于第四世紀地層及其卵石、灰?guī)r、花崗巖、漂石層等硬巖地層。 主要應用于建筑工程、水利工程、橋梁工程、礦井鉆進等領域。,第2章 鉆機的總體設計,2.1 總體布局設計 鉆機由底座、傳動裝置、減速器（分動箱）、主副卷揚機、沖擊卷揚機、轉盤、鉆塔、氣動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、工具系統(tǒng)組成。 2.1.1傳動系統(tǒng) 電機的動力經皮帶傳至變速器，變速器為一進三出結構，一路輸出經齒輪傳至主副卷揚機；一路輸出至減速器，經由萬向軸傳至轉盤，供回轉鉆進；一路輸出經鏈輪傳動沖擊卷揚機，供沖擊提升。 2.1.2氣動系統(tǒng) 空壓機輸出壓力氣，由空氣包至氣控箱，分兩路經操縱閥控制，傳至沖擊卷揚機兩只氣胎離合器，完成沖擊提升及降落。 2.1.3電氣系統(tǒng) 控制電機啟動及關閉，為氣動系統(tǒng)提供電源控制，為操縱箱提供控制系統(tǒng)。 2.1.4工具系統(tǒng) 游動滑車、水龍頭、主動鉆桿、孔內鉆桿、加重塊、刮刀鉆頭、墊叉組成回轉鉆進工具系統(tǒng)。游動滑車、水龍頭、孔內鉆桿、沖擊排渣管、沖擊鉆頭、孔口導向工具、墊叉組成沖擊鉆進工具系統(tǒng)。,2.1.5各部件的功能 轉盤 轉盤用于驅動主動鉆桿及鉆具回轉，轉盤系一級圓錐齒輪傳動機構，通過大錐齒、轉臺、大、小補心驅動鉆桿工作。 減速器 減速器是進一步降低轉速、提高扭矩而設計的，有兩檔變速，由雙聯滑動齒輪實行。 變速箱 變速箱為二軸一級變速箱，有三擋變速，由單、雙聯齒輪滑移實現變速。變速箱內有正、反轉裝置，由雙向牙嵌離合器實現，單向牙嵌離合器實現卷揚機離合。 主、付卷揚機 主、付卷揚機均為行星式卷揚機，靠制動行星輪來實現鉆具的提升。 底座 底座由滑臺、下座、油缸、孔口板組成，轉盤、卷揚機組固定于滑臺上，鉆塔固定于下座上，油缸一端固定于滑臺，另一端與孔口板相聯，油缸用于滑臺的后移和孔口板開合。 鉆塔 鉆塔用于懸掛游動滑車、水龍頭和提升器等提升設備，結構形式為“n”型，鉆塔內設有導向槽和主動鉆桿后置懸掛裝置。導向槽用于水龍頭導向，懸掛裝置用于換接鉆桿時主動鉆桿不落地。鉆塔起落由油缸完成。,,2.2 主要設計參數 1. 沖擊卷揚機 提升能力 （KN） 60 提升速度 （m / s） 0.4 .05 0.6 2. 沖擊行程 (m) 0.54 3. 沖擊次數 (1/min) 614 4. 沖錘質量 (kg) 30005000 5. 主、副卷揚機 提升能力 (單繩KN) 30 卷繩速度 (m) 0.45, 0.68, 1.13, 1.69 0.31, 0.46, 0.77, 1.15 6. 轉盤轉速 (r/min) 13, 17, 21, 26, 42, 52 7. 主機動力型號(功率) YD280S 55 KW (1480 r/min ) 8. 鉆塔額定負載 (KN) 180 9. 空壓機型號( 排量，壓力) UB 300500 （3.55 /min, 0.8 MP） 10. 配備砂石泵型號（型號） 6BS (180/h) 或8BS（340 /h） 11. 外型尺寸 （長X寬X高） 10000X2400X1700 12. 重量 主機重量 （t） 10.4 全套設備總重 （t） 28,第一個問題：電機確定,工程鉆機動力來源于電機，電機小了，無法達到設計要求，大了就會造成資源的浪費，應該選取多大功率的電機才合適呢？,第3章 電機確定根據現場需要，電機的選擇偏大些，加大儲備系數，這樣可以提高鉆進效率。,3.1 按鉆頭所需功率計算 設電機輸出實際功率為N。 N。1.2Nj 式中：N j鉆機所需功率 KW N j（N hN y）/ 式中: N h回轉鉆進所需功率 （KW） 效率 =0.8 N y油泵所需功率 （KW） N h=N1+N2+N3 式中: N1井底破碎巖石、土層所需功率 （KW） N2鉆頭與孔底摩擦所需功率 （KW） N3回轉鉆桿所需功率 （KW）,1. N h=N1+N2+N3的計算 N1= 其中： m---鉆頭切削刀數 取m=4 n---轉盤轉數 鉆進時 =26 r/min h---轉進速度 試取h=0.8cm/min ---巖石抗壓強度 其值見表3-1 A---井底破碎環(huán)狀面積 A= 2. N 2=fen(R+r)/1944800 式中： f---鉆具與巖石之間的摩擦系數 f=0.5,,,e---側摩擦系數 e=1.1 R---鉆頭外圓半徑 R=200cm r---鉆頭內孔半徑 r=0cm 3. N3= (當n<200r/min時) 式中： L---孔深 取L=8000mm d---鉆桿直徑 d=100mm ---沖洗液比重 =1.5 將上述參數及轉盤的不同轉速分別代入以上各式，所得值列表 32中。,,3.2 當鉆機進行沖擊鉆進時功率計算,沖擊卷揚機的提升能力為 60KN 提升速度 V（m / s） 0.4 0.5 0.6 所需功率 P=FV P (KW) 為 24 30 36 變速器的傳遞效率=0.8 所需電機的功率 P電=45KW 根據表3-2可知，鉆進時所需的最大功率為 51.59 KW,沖擊時，轉盤不工作，根據現場需要，電機的選擇偏大些，加大儲備系數，這樣可以提高鉆進效率。按鉆進時選擇電機 P=55KW。 通過查閱機械設計手冊，經過計算，電機轉速 1480 r/min, 每天工作16 小時以上，則電機功率選為55KW,55KW電機實物圖如下圖所示：,第二個問題：帶輪選擇,有了動力就需要傳導機械能，帶輪在傳導能量的過程中起著至關重要的作用，那么應該選取何種類型的帶輪，選幾根呢？,第4章 帶輪選擇,軸轉速 793.8 r/min ,電機轉速 1480 r/min, 每天工作16 小時以上，=55KW 工作原理如圖4-1所示：,,1. 設計功率Pd = k A P電查：工況系數k A =1.6 Pd =1.655=88KW 2. 選定帶型 根據Pd =88KW n1 =1480 r/min 確定帶型為 C型 d d=200315mm 3. 傳動比 i= =1.86 （42） 4. 小帶輪直徑 =355 mm 大帶輪直徑 =355i = 661.88 mm 取 = 630 mm,,,,,,5. 軸的實際轉速 = （43） 由式（43）得： = =825.6 r/min 6. 帶速 V = （44） 由式（44）得： V = = 27.5 m/s 7. 初定軸間距,,,,,,,,,a0= 1500 mm 8. 所需基準長度 Ld0= 2a0+ （ + ）+ （45） 由式（45）得： =21500 + =4565.4 mm 查取 =4500 mm,,,,,,,,,9.實際軸間距 （46） 取 =1467.3 mm 10. 小帶輪包角 = - = （47） 11.單根V帶基本額定功率 由 = 200 mm 和 =1480 r/min 查得C型帶 =14012 KW,,,,,,,,,,,,,12. V帶的根數 Z = （48） 小帶輪包角修正系數 = 0.96 帶長修正系數 = 1.04 由式（48） 取 Z= 6根,,,,,,,,Z,Z,13. 單根V帶預緊力 （49） m 帶的每米質量 m= 0.3 由式（49）: = 654.65 N,,,,,經過計算 確定帶型為 C型 d d=200315mm 小帶輪直徑 dd1=355 mm 大帶輪直徑dd2 =630 mm V帶的根數 取 Z= 6根 單根V帶預緊力F0 = 654.65 N,實物圖如圖4.3所示：,第5章 變速箱的設計與計算,5.1 變 速 箱 的 結 構 特 點 變速箱為二軸一級變速箱，有三擋變速，由單、雙聯齒輪滑移實現變速。變速箱內有正、反轉裝置，由雙向牙嵌離合器實現，單向牙嵌離合器實現卷揚機離合。 5.2 結 構 計 算 5.3 錐 齒 輪 計 算 5.4 齒 輪 校 驗 5.5 變 速 箱 軸 的 計 算 5.6 軸 的 校 核,,,,由于時間原因，其余問題不再贅述， 在此僅對變速箱軸的計算進行探討。 前邊兩個問題都是確定具體類型，第三個問題解決一個范圍問題，變速箱的軸對于速度變化有不可或缺的作用，那么軸的直徑至少要多大才能保證其正常的運轉而不至于失效呢？,5.5 變 速 箱 軸 的 計 算,公式 （512） 式中 d軸的最小直徑 mm T軸傳遞的額定轉矩 軸的許用轉應力 軸的材料為 40Cr，查取 = 4052 取 =40,,,,,,,5.4.1 一軸 由轉速 功率 P=55KW，確定軸的最小直徑， 由式（512）得：軸最小直徑為: 一軸為矩形花鍵軸傳動，查手冊取d=46 mm 矩形花鍵軸為：,,,,,,5.4.2二軸 由最低轉速為: 由式（512）得：軸最小直徑為： 二軸為矩形花鍵軸傳動，查手冊取d=72mm 矩形花鍵軸為：,,,,,,5.4.3 三軸 在設計過程中二軸與三軸的轉速相同，故兩軸的最小軸徑相等， 三軸的最小軸徑為 ：,,,第6章 鉆機其余部分零件的選擇,6.1 聯軸器的選擇 通過計算，查取下表， 選擇聯軸器為： SWP-B200型（JB/T3241-2004）,實物圖如下圖圖,6.2 減速器齒輪安排 輸入轉速為（r/min）：167、261、519 輸出轉速為（r/min）：65、85、105、130、210、260 具體數據詳見說明書，在此不再贅述！,結 論,目前，我國加大基礎設施建設，工程建設機械市場前景愈來愈廣闊，需求量越來越大，工程鉆機作為建設機械中維護地基的主要機械，市場需求亦相應的大量增加。這是本設計的主要產生原因之一。 我所做的GCPS-20型鉆機設計是在GPS-20型鉆機的基礎上改進的，專門用于建設施工的專門鉆機。產品的目的在于以最低的成本，實現產品必要的功能，從而達到用戶滿意，增加制造企業(yè)和用戶的經濟效益，將價值工程運用到工程鉆機設計中，從分析產品的功能出發(fā)，然后分析產品的成本，進行功能與成本比較，從而判斷產品的價值，使工程鉆機動性價比更高。 此鉆機主要用于深基礎工程和連續(xù)墻以及水利工程、橋梁工程的發(fā)展與需要，結合大口徑鉆機灌注樁和地下連續(xù)墻施工的特點，為解決在復雜地層、硬巖中成孔而研制，在設計中盡可能的簡化結構，降低成本。,本鉆機利用國內外先進技術和成功經驗，結合我國國情和鉆機的具體使用要求。力求簡單和適用，采用純機械系統(tǒng)盡可能地利用最少的液壓元件來實現鉆機所具備的各種動作。這樣，能夠降低故障發(fā)生概率，提高能量利用率和鉆機的可靠性，降低工人勞動強度。 該鉆機的優(yōu)點為：為適應野外各種鉆探作業(yè)，該鉆機可采用柴油機或電動機驅動；原動機、變速箱、傳動箱分體式設計，便于拆卸、安裝、移動和運輸。由于該鉆機結構簡單無論是使用還是維修在費用方面都是十分經濟的。 在市場前景廣闊和成本降低的措施下，本設計可以達到預期的目的，具有開發(fā)價值。,致 謝,四年的大學生活即將結束，在這四年里我學會了不少的東西，無論在學習上、生活中、思想上都有很大的轉變，從一開始帶著家人的殷切希望，懷著充實自我，掌握一技之長，為以后找工作，實現自己的人生價值的目標作努力，到最后找工作進一步接觸社會，學到一些從理論上學不到東西，增加了許多經驗，這一切的成果都離不開眾多可敬師長諄諄教導、不厭其煩的耐心講解傳授，以及許多同學、朋友的坦誠相見、砥勵共勉；加上自己對本專業(yè)有一定的興趣，特別是在畢業(yè)設計期間，大家更是同心努力希望自己把設計搞好，因為這是四年大學生活最后的收尾工作，它是我們平時對我們所學的課程理解，接受能力，熟知程度，以及記憶能力的一個體現。在這四年中，從基礎課到專業(yè)課四五十門，但這都是零散的，成塊吸收，而最終的畢業(yè)設計就是把這些零散、成塊的知識有條理、系統(tǒng)化，綜合運用。達到檢驗所學程度的目的，既是對綜合運用知識的能力的培養(yǎng)，又是為將來走上工作崗位的做的一次實戰(zhàn)模擬。,參考文獻,濮良貴紀明剛機械設計（第八版）高等教育出版社，2007 趙運才機電工程專業(yè)英語北京大學出版社2006 施平機械工程專業(yè)英語（第八版）哈爾濱工程大學出版社，2007 胡家秀簡明機械零件設計使用手冊機械工業(yè)出版社1999 現代機械傳動手冊編輯委員會現代機械傳動手冊2001 王世剛張春宜，徐起賀機械設計實踐哈爾濱工程大學出版社，2001 王憲軍趙存友機械設計哈爾濱工程大學出版社，2002 王知行劉廷榮機械原理高等教育出版社，2007 成大先機械設計手冊減（變）速速器電機與電器化學工業(yè)出版 社，2004 成大先機械設計手冊聯接與緊固化學工業(yè)出版社，2004,GPS20型工程鉆機使用說明 上海金泰股份有限公司探礦機械廠 王隆太先進制造技術機械工業(yè)出版社，2003 陳鐵鳴機械設計哈爾濱工業(yè)大學出版社，2002 王文斌機械設計手冊（新版）機械工業(yè)出版社，2004 卜炎中國機械設計大典江西科學技術出版社，2002 殷琨發(fā)展中的沖擊回轉鉆進技術探礦工程（第5期），1997 李華機械制造技術機械工業(yè)出版社，1997 張躍峰，陳通編著AutoCAD2006入門與提高第1版，北京：清華大學出版社2006,