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河 南 科 技 學(xué) 院
2009屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）
GCPS-20型工程鉆機的設(shè)計
學(xué)生姓名： 宋 欣 欣
所在院（系）： 機 電 學(xué) 院
所學(xué)專業(yè)： 機 電 技 術(shù) 教 育
導(dǎo)師姓名： 牛 愛 青
完成時間：2009年6月2日
摘 要
GCPS—20型鉆機是一種多功能復(fù)合式的工程鉆機，可以有效提高我國深基礎(chǔ)工程和連續(xù)墻以及水利工程、橋梁工程的施工效率。本篇論文重點設(shè)計了工程鉆機的傳動系統(tǒng)，查閱相關(guān)機械手冊，按照機械設(shè)計的要求和機械原理的原則，進(jìn)行了包括電機的的確定，帶輪的選擇，和變速箱的設(shè)計及計算，變速箱的設(shè)計包括結(jié)構(gòu)計算和軸的計算，分別對變速箱進(jìn)行齒輪校驗和軸的校驗，同時進(jìn)行彎矩和扭矩的計算，確定危險截面及安全系數(shù)校核計算，并且確定聯(lián)軸器等其余部分零部件。
關(guān)鍵詞：工程鉆機，傳動系統(tǒng)，變速箱，校核
The Design of Model GCPS-20 Engineering Driller
Abstract
The types GCPS-20 drill the machine is a kind of compound type multi-function drill the machine, can effectively improve the efficiency of our country development and demands of the deep foundation and consecution wall and marine hydraulic engineering, the bridge engineering, This paper focused on the design of the drive system of drilling engineering, machinery inspection manual, in accordance with the requirements of mechanical design and mechanical principles of principle and conduct, including the determination of the motor, the choice of pulley and gearbox design and calculation speed box design includes the structure of the calculation and the calculation of axis, respectively, carried out on the gearbox shaft gear check and check, at the same time the calculation of bending moment and torque, to determine the risk of cross-section and check the safety coefficient calculation, and determine the coupling such as the rest of the parts.
Keywords: Engineering Driller, Transmission System, Gearbox, Check
目 錄
1 緒論 ……………………………………………………………………………………1
1.1 項目的研究意義…………………………………………………………………1
1.2 國內(nèi)外科技現(xiàn)狀…………………………………………………………………1
1.3 設(shè)計產(chǎn)品的用途和應(yīng)用領(lǐng)域……………………………………………………1
2 鉆機的總體設(shè)計 ………………………………………………………………………2
2.1 總體布局設(shè)計……………………………………………………………………2
2.1.1 傳動系統(tǒng)…………………………………………………………………2
2.1.2 氣動系統(tǒng)…………………………………………………………………2
2.1.3 電氣系統(tǒng)…………………………………………………………………2
2.1.4 工具系統(tǒng)…………………………………………………………………2
2.1.5 各部件的功能……………………………………………………………2
2.2 主要設(shè)計參數(shù)……………………………………………………………………3
3 電機確定 ………………………………………………………………………………4
3.1 按鉆頭鉆進(jìn)所需功率計算………………………………………………………4
3.2 按鉆機沖擊鉆進(jìn)所需功率計算…………………………………………………6
4 帶輪選擇 ………………………………………………………………………………6
5 變速箱的設(shè)計及計算 …………………………………………………………………9
5.1 變速箱的結(jié)構(gòu)特點 ……………………………………………………………9
5.2 結(jié)構(gòu)計算 ………………………………………………………………………9
5.2.1 初步選定 ………………………………………………………………9
5.2.2 選定變速箱傳動公比……………………………………………………9
5.2.3 按彎曲強度確定齒輪模數(shù) ……………………………………………10
5.2.4 按接觸強度確定齒輪分度圓直徑與中心距 …………………………11
5.2.5 齒寬的確定 ……………………………………………………………11
5.2.6 齒輪齒數(shù)確定 …………………………………………………………12
5.2.7 計算齒輪相關(guān)參數(shù)、確定齒輪 ………………………………………13
5.3 齒輪校驗 ………………………………………………………………………13
5.3.1 齒輪受力分析 …………………………………………………………13
5.3.2 齒輪傳動齒面接觸疲勞強度校核 ……………………………………14
5.3.3 齒輪傳動齒根彎曲疲勞強度校核 ……………………………………16
5.4 變速箱軸的計算 ………………………………………………………………18
5.4.1 一軸計算 ………………………………………………………………18
5.4.2 二軸計算 ………………………………………………………………19
5.4.3 三軸計算 ………………………………………………………………19
5.5 軸的校驗 ………………………………………………………………………19
5.5.1 按轉(zhuǎn)矩計算 ……………………………………………………………20
5.5.2 軸上受力分析 …………………………………………………………20
5.5.3 求支反力 ………………………………………………………………21
5.5.4 作彎矩和轉(zhuǎn)矩圖 ………………………………………………………21
5.5.5 確定危險截面及安全系數(shù)校核計算 …………………………………23
6 鉆機其余部分零部件選擇 ……………………………………………………………26
6.1 聯(lián)軸器的選用 …………………………………………………………………26
6.2 減速器齒輪安排 ………………………………………………………………27
7 結(jié)束語 …………………………………………………………………………………29
致謝 ………………………………………………………………………………………30
參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………31
1 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(shè)的投入持續(xù)增長,對工程鉆機技術(shù)要求更高，鉆機不僅要具有高效性、環(huán)保性，更要具有復(fù)合性。通常使用的工程鉆機在工作時只有鉆進(jìn)，當(dāng)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(jìn)方位，或另鉆它孔，為解決此問題在老師的指導(dǎo)下我設(shè)計這臺帶有沖擊鉆的多功能復(fù)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(nèi)外的科技現(xiàn)狀
隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展,各類建筑和工程施工的數(shù)量激增,工程難度日益加大,質(zhì)量要求越來越高,極大的推動了各類基礎(chǔ)處理施工技術(shù)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(chǔ)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(chǔ)工程施工的重要手段。而現(xiàn)有國產(chǎn)基礎(chǔ)施工設(shè)備效率低下,污染嚴(yán)重,不能適應(yīng)新施工技術(shù)的要求,施工企業(yè)一直在大量進(jìn)口該類設(shè)備。加大開發(fā)適合我國國情的新型基礎(chǔ)工程施工鉆機的力度,滿足市場急需,替代進(jìn)口,是該類設(shè)備制造業(yè)的首要任務(wù)。
1.3 設(shè)計產(chǎn)品的用途和應(yīng)用領(lǐng)域
這臺鉆機設(shè)計為散裝式轉(zhuǎn)盤沖擊、回轉(zhuǎn)復(fù)合式多功能鉆機，適用于基礎(chǔ)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(chǔ)樁孔的鉆進(jìn)，也用于大口徑水井及其他工程孔的鉆，主要用于第四世紀(jì)地層及其卵石、灰?guī)r、花崗巖、漂石層等硬巖地層。
主要應(yīng)用于建筑工程、水利工程、橋梁工程、礦井鉆進(jìn)等領(lǐng)域。
2 鉆機的總體設(shè)計
2.1 總體布局設(shè)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(zhuǎn)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(jīng)皮帶傳至變速器，變速器為一進(jìn)三出結(jié)構(gòu)，一路輸出經(jīng)齒輪傳至主副卷揚機；一路輸出至減速器，經(jīng)由萬向軸傳至轉(zhuǎn)盤，供回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；一路輸出經(jīng)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(jīng)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(guān)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(nèi)鉆桿、加重塊、刮刀鉆頭、墊叉組成回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工具系統(tǒng)。游動滑車、水龍頭、孔內(nèi)鉆桿、沖擊排渣管、沖擊鉆頭、孔口導(dǎo)向工具、墊叉組成沖擊鉆進(jìn)工具系統(tǒng)。
2.1.5 各部件的功能
轉(zhuǎn)盤 轉(zhuǎn)盤用于驅(qū)動主動鉆桿及鉆具回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤系一級圓錐齒輪傳動機構(gòu)，通過大錐齒、轉(zhuǎn)臺、大、小補心驅(qū)動鉆桿工作。
減速器 減速器是進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)速、提高扭矩而設(shè)計的，有兩檔變速，由雙聯(lián)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(lián)齒輪滑移實現(xiàn)變速。變速箱內(nèi)有正、反轉(zhuǎn)裝置，由雙向牙嵌離合器實現(xiàn)，單向牙嵌離合器實現(xiàn)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(xiàn)鉆具的提升。
底座 底座由滑臺、下座、油缸、孔口板組成，轉(zhuǎn)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(lián)，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(shè)備，結(jié)構(gòu)形式為“n”型，鉆塔內(nèi)設(shè)有導(dǎo)向槽和主動鉆桿后置懸掛裝置。導(dǎo)向槽用于水龍頭導(dǎo)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(shè)計參數(shù)
(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) 0.5—4
(3) 沖擊次數(shù) (1/min) 6—14
(4) 沖錘質(zhì)量 (kg) 3000—5000
(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(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)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(fù)載 (KN) 180
(9) 空壓機型號( 排量，壓力) UB 300—500
（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(shè)備總重 （t） 28
3 電機確定
根據(jù)現(xiàn)場需要，電機的選擇偏大些，加大儲備系數(shù)，這樣可以提高鉆進(jìn)效率。
3.1 按鉆頭所需功率計算
設(shè)電機輸出實際功率為N。
N。＝1.2Nj
式中：Nj—鉆機所需功率 KW
Nj＝（Nh＋Ny）/η
式中: Nh—回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)所需功率 （KW） η—效率 η=0.8
Ny—油泵所需功率 （KW）
Nh=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(zhuǎn)鉆桿所需功率 （KW）
Nh=N1+N2+N3的計算
N1= （1）
其中： m---鉆頭切削刀數(shù) 取m=4
n---轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù) 鉆進(jìn)時 =26 r/min
h---轉(zhuǎn)進(jìn)速度 試取h=0.8cm/min
δ---巖石抗壓強度 其值見表3-1
A---井底破碎環(huán)狀面積
A= （2）
N2=δ×f×e×n×(R+r)/1944800 （3）
式中： f---鉆具與巖石直間的摩擦系數(shù) f=0.5
e---側(cè)摩擦系數(shù) e=1.1
R---鉆頭外圓半徑 R=200cm
r---鉆頭內(nèi)孔半徑 r=0cm
N3=(當(dāng)n<200r/min時) （4）
式中： L---孔深 取L=8000mm
d---鉆桿直徑 d=100mm
γ---沖洗液比重 γ=1.5
將上述參數(shù)及轉(zhuǎn)盤的不同轉(zhuǎn)速分別代入以上各式，所得值列表 3—2中。
表 3 - 1抗壓強度
巖 石 名 稱
抗 壓 強 度 δ（N/cm2）
大理石、石灰?guī)r
1000
煤
2000
粘土、頁巖、片狀砂巖
4000
表 3 - 2
N (KW)
或C(N/cm2 )
13r/min
17 r/min
21 r/min
N1
1000
5.83
6.23
6.57
2000
11.65
12.46
13.14
4000
23.31
24.93
26.29
N2
1000
0.37
0.48
0.59
2000
0.74
0.96
1.19
4000
1.48
1.92
2.38
N3
0.49
0.77
1.10
N回
1000
6.69
7.48
8.26
2000
12.88
14.19
15.43
4000
25.28
27.62
29.77
N (KW)
或C(N/cm2 )
26r/min
42 r/min
52r/min
N1
1000
6.93
7.81
8.24
2000
13.82
15.56
16.42
4000
27.63
37.11
40.55
N2
1000
0.74
1.19
1.47
2000
1.47
2.38
2.94
4000
2.94
4.76
5.88
N3
1.59
3.59
5.16
N回
1000
9.26
11.59
14.87
2000
16.88
21.53
26.52
4000
32.16
45.46
51.59
3.2 當(dāng)鉆機進(jìn)行沖擊鉆進(jìn)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η=0.8
所需電機的功率 ==45KW
鉆進(jìn)時所需的最大功率為 51.59 KW
沖擊時，轉(zhuǎn)盤不工作，按鉆進(jìn)時選擇電機 P=55KW。
4 帶輪選擇
軸轉(zhuǎn)速 793.8 r/min ,電機轉(zhuǎn)速 1480 r/min, 每天工作16 小時以上，=55KW
工作原理如圖4-1所示：
圖4-1
(1) 設(shè)計功率 = （5）
查：工況系數(shù)=1.6
由式（5）得：=1.6×55=88KW
(2) 選定帶型 根據(jù)=88KW =1480 r/min
確定帶型為 C型 =200～315mm
(3) 傳動比 i==1.86 （6）
(4) 小帶輪直徑 =355 mm
大帶輪直徑 =355i = 661.88 mm
取 = 630 mm
位置關(guān)系見下圖4-2：
(5) 軸的實際轉(zhuǎn)速 = （7）
由式（7）得： ==825.6 r/min
(6) 帶速 V = （8）
由式（8）得： V = = 27.5 m/s
(7) 初定軸間距
= 1500 mm
(8) 所需基準(zhǔn)長度
= 2+（+）+ （9）
由式（9）得：=2×1500 +
=4565.4 mm
查取 =4500 mm
(9) 實際軸間距
（10）
取 =1467.3 mm
(10) 小帶輪包角
= - = （11）
(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
考慮傳動比的影響，額定功率的增量1=1.1KW
(12) V帶的根數(shù)
Z = （12）
——小帶輪包角修正系數(shù) = 0.96
——帶長修正系數(shù) = 1.04
由式（12）= 5.78
取 Z= 6根
(13) 單根V帶預(yù)緊力
（13）
m ——帶的每米質(zhì)量 m= 0.3
由式（13）
= 654.65 N
5 變速箱的設(shè)計與計算
5.1 變速箱的結(jié)構(gòu)特點
變速箱為二軸一級變速箱，有三擋變速，由單、雙聯(lián)齒輪滑移實現(xiàn)變速。變速箱內(nèi)有正、反轉(zhuǎn)裝置，由雙向牙嵌離合器實現(xiàn)，單向牙嵌離合器實現(xiàn)卷揚機離合。
5.2 結(jié) 構(gòu) 計 算
5.2.1 初步選定
轉(zhuǎn)盤所需的轉(zhuǎn)速為：10、15、24、30、33、65
減速器有兩擋減速，傳動比為:
再由轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速可知，變速器的處定轉(zhuǎn)速,
由表5.1可知，變速箱輸出轉(zhuǎn)速 (r/min) :160、250、500
表5.1
10
15
24
30
33
65
0.059
160
250
500
0.13
160
250
500
5.2.2 選定變速箱公比
=1.26
在變速箱中錐齒輪降速，二軸的轉(zhuǎn)速為（r/min） ：
500×1.26=630
250×1.26=315
160×1.26=202
確定一軸最高轉(zhuǎn)速為：=630×1.26=793.8 r/min
確定一軸其余傳動比為： = = 2.52 =
= = 3.9 =
5.2.3 按彎曲強度確定齒輪模數(shù)
由公式 （14）
式中： k ——載荷系數(shù)，一般取 k=1.2～2
取 k=1.5
——小齒輪傳遞的額定轉(zhuǎn)矩 N·M
= 636.7 r/min
——復(fù)合齒形系數(shù) 取 =4.5
——齒寬系數(shù) 取 =20
——小齒輪齒數(shù) 試取 =19
——許用彎曲應(yīng)力
=
——齒輪選用氣體滲碳處理的許用應(yīng)力
取=1300
——接觸強度計算的最小安全系數(shù)
取 = 1.1
= = 1300/1.1 =1181.8 N/
由式（14）計算 = 2.87
試取 m = 4 mm
5.2.4 按接觸強度確定齒輪分度圓直徑與中心距
由公式 （15）
式中 K——載荷系數(shù) 取 K = 1.5 ;
——小齒輪傳遞的額定轉(zhuǎn)矩（Nm）;
u—— 齒數(shù)比 u= 3.9
——齒寬系數(shù) = 1.0526
——許用接觸應(yīng)力 =
—— 實驗齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力（N/）
取 = 1300
——接觸強度計算的最小安全系數(shù)
取 = 1.1
= = = 1181.8 N/
由式（15）計算
d1 766×0.0935 = 71.62 mm
而 =4×19= 76 mm 71.62 mm
經(jīng)計算，齒輪可用。
5.2.5 齒寬的確定
齒輪相關(guān)參數(shù)之間幾何位置關(guān)系如圖5-1所示：
圖5-1齒輪個數(shù)據(jù)位置示意圖
由公式 （16）
已知 =20 = 19
由式（16）得 = = 1.0526
公式 （17）
式中 b ——齒寬
——齒輪分度圓直徑 =4×19= 76mm
由式（17）得 = 1.0526×76 = 80 mm
5.2.6 齒輪齒數(shù)確定
齒數(shù)確定見表5.2
傳動比
齒數(shù)和 s = 95
1.26
42
53
2.51
27
68
3.9
19
76
表5.2 齒數(shù)確定
5.2.7 計算齒輪相關(guān)參數(shù)、確定各齒輪
詳見表5.3
中心距 （18）
由式（18）得 中心距 142.5 mm
詳細(xì)數(shù)據(jù)見表5.3
齒輪
齒數(shù)
模數(shù)
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
全齒高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
19
4
76
4
5
9
84
66
76
4
304
4
5
9
312
294
27
4
108
4
5
9
116
98
68
4
272
4
5
9
280
262
42
4
168
4
5
9
276
158
53
4
212
4
5
9
220
202
表 5.3齒輪個具體數(shù)據(jù)
5.3 齒 輪 校 驗
經(jīng)設(shè)計可知，齒輪Z1、Z2在較高的轉(zhuǎn)速下工作，承受較大的載荷，在變速過程中又受較小的沖擊，故校驗齒輪Z1、Z2。
5.3.1 齒輪的受力分析
直齒輪端面分度圓上的額定圓周力
（19）
式中 T——齒輪額定轉(zhuǎn)矩
d ——齒輪分度圓直徑 d=304mm
由式（19）得
5.3.2 齒輪傳動齒面接觸疲勞強度校核
齒面接觸疲勞強度條件：
（1）公式 （20）
式中：——節(jié)點區(qū)域系數(shù) 取=2.5
——材料彈性系數(shù) 取=189.8
——接觸強度計算的重合度與螺旋角系數(shù)
取=1
——齒寬（mm） b=80 mm
——小齒輪分度圓直徑（mm） =76 mm
——傳動比 =3.9
——使用系數(shù) 取 =1.35
——動載系數(shù)
= （21）
式中 、—— 齒輪精度系數(shù) 7級精度
=26.8 =0.0193
——小齒輪齒數(shù) =19
——圓周速度 =nr=0.5m/s
由式（21）得=
取 = 1.02
——齒向載荷分布系數(shù)
=
=1.379
取 =1.4
——齒間載荷分配系數(shù) 取=1.1
由式（20）得：
計算應(yīng)力
= 1403.09 N/
（2）許用應(yīng)力計算
公式 （22）
式中 ——許用接觸應(yīng)力 （N/）
——實驗齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力 （）
= 1300
——接觸強度計算的壽命 取=1.2
——潤滑油膜影響系數(shù) 取 =0.95
——工作硬化系數(shù) 取 =1.0
——接觸強度計算的尺寸系數(shù) 取 =0.963
——接觸強度最小安全系數(shù) 取 = 1.00
由式（22）得：
計算許用應(yīng)力
故安全，可用。
5.3.3 齒輪傳動齒根彎曲疲勞強度校核計算
（1）強度條件
由公式 （23）
式中 ——計算彎曲疲勞強度 （）
——法面模數(shù) （mm）
——齒向載荷分布系數(shù) = =1.4
——齒間載荷分配系數(shù) = =1.1
——復(fù)合齒形系數(shù) 取= 4.5
——抗彎強度計算的重合度與螺旋角系數(shù)
=1.0
由式（5—10）得：
計算彎曲疲勞強度
= 483.65
（2） 許用應(yīng)力
（24）
式中 ——許用彎曲應(yīng)力 （）
——齒輪材料的彎曲疲勞強度基本值 （）
取 = 800
——抗彎強度計算的壽命系數(shù) 取 =1.2
——相對齒根圓角敏感性系數(shù) 取 =0.7
——相對表面狀況系數(shù) 取 = 1
——抗彎強度計算的尺寸系數(shù) 取 =0.95
——彎曲強度最小安全系數(shù) 取 =1.0
由式（24）得：
許用彎曲應(yīng)力
故安全，可用。
齒輪各個相關(guān)參數(shù)如下圖5-2所示：
圖5-2
5.4 變 速 箱 軸 的 計 算
根據(jù)公式 （25）
式中 ——軸的最小直徑 mm
——軸傳遞的額定轉(zhuǎn)矩
——軸的許用轉(zhuǎn)應(yīng)力
軸的材料為 ，查取= 40～52
取=40
5.4.1 一軸
由轉(zhuǎn)速 功率 P=55KW，確定軸的最小直徑，
由式（25）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(zhuǎn)速為
由式（25）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(shè)計過程中二軸與三軸的轉(zhuǎn)速相同，故兩軸的最小軸徑相等， 三軸的最小軸徑為
5.5 軸的校核
通過設(shè)計可知，變速箱三軸承受的轉(zhuǎn)矩、彎矩最大，故校核三軸。軸的材料為，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，查得材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)為：
硬度241—286HBS 抗拉強度 屈服點 彎曲疲勞極限 扭轉(zhuǎn)疲勞極限 許用靜應(yīng)力 許用疲勞應(yīng)力[-1]=194—233
軸的如下圖5-3圖示所示：
5.5.1 按轉(zhuǎn)矩計算
最小軸徑為 （26）
式中 A——按定的系數(shù) 取 A= 100
P——功率 P=55 KW
——最小轉(zhuǎn)速 =202 r/min
由式（26）得：
≥ 故安全。
5.5.2 軸上受力分析
軸傳遞的轉(zhuǎn)矩 （27）
圓柱齒輪圓周力 （28）
式中——三軸圓柱齒輪分度圓直徑 mm
徑向力 （29）
錐齒輪圓周力
式中 ——三軸錐齒輪分度圓直徑 mm
徑向力
（30）
軸向力
5.5.3 求支反力
（1）在水平面內(nèi)的支反力
由得
（31）
由公式（31）得：
A點的支反力為：
（32）
(1)在垂直平面內(nèi)的支反力
由得
（33）
由公式（5—20）得：
A點的支反力為：
（34）
5.5.4 作彎矩和轉(zhuǎn)矩圖
受力分析及轉(zhuǎn)矩見圖5-5。
（1）齒輪作用在水平面的彎矩圖
（35）
（36）
（2）齒輪作用在垂直平面內(nèi)的彎矩圖
（37）
（38）
（3）合成彎矩圖
（39）
（40）
（4）作轉(zhuǎn)矩圖
5.5.5 確定危險截面及安全系數(shù)校驗計算
（1） 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸及彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖、截面H處的轉(zhuǎn)矩、彎矩最大，且有花鍵槽引起的應(yīng)力集中和軸肩處的應(yīng)力，故H面處最危險，H面為危險截面。
（2） 安全系數(shù)校驗計算
由于變速器軸轉(zhuǎn)動，彎矩引起對稱循環(huán)的彎應(yīng)力，轉(zhuǎn)距引起的為脈動
循環(huán)的切應(yīng)力。
彎曲應(yīng)力幅為 （41）
式中 ——抗彎斷面系數(shù) 查得W=54.5=54.5m
由（5—28）得：
由于是對稱循環(huán)彎曲應(yīng)力，故平均應(yīng)力為 =0
根據(jù)公式 （42）
式中 ——40Cr彎曲對稱循環(huán)應(yīng)力時的疲勞極限
取 = 350
——正應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù) =1.99
——表面質(zhì)量系數(shù) =0.92
——尺寸系數(shù) 查=0.64
由公式（42）得：
計算
切應(yīng)力幅為
式中 ——抗扭斷面系數(shù)
===102.4×
根據(jù)公式 （43）
式中 ——40Cr扭轉(zhuǎn)疲勞極限 =200
——切應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù) =1.61
——表面質(zhì)量系數(shù) =0.92
——尺寸系數(shù) 查 =0.64
——平均應(yīng)力折算系數(shù) =0.21
由公式（43）得：
計算
軸 H 截面的安全系數(shù)由公式
S
由表可知=1.3～1.5
故>,該軸H截面是安全的。
鉆機的裝配圖示意圖如下圖圖5-5：
圖5-5鉆機裝配示意圖
6 鉆機其余部分零件的選擇
6.1 聯(lián)軸器的選擇
減速器與轉(zhuǎn)盤之間用萬向節(jié)聯(lián)軸器連接，由減速器輸出的最小轉(zhuǎn)速為，傳遞的功率為55KW，計算轉(zhuǎn)矩為：
（44）
聯(lián)軸器的計算功率： （45）
式中——聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速系數(shù) =1.25
——軸承壽命系數(shù) =1.8
——聯(lián)軸器的軸間角系數(shù) =1.5
——載荷性質(zhì)系數(shù) =1.3
由式（45）得：
計算轉(zhuǎn)矩
查取下表6.1， 選擇聯(lián)軸器為： SWP-B200型（JB/T3241-2004）
實物圖如下圖圖6-1:
圖6-1
6.2 減速器齒輪安排
如下表6.2
齒數(shù)
模數(shù) m
2 4
6
3 2
6
2 1
6
3 5
6
2 0
6
3 0
6
表 6.2減速器齒輪齒數(shù)和模數(shù)
降速比：
輸入轉(zhuǎn)速為（r/min）：167、261、519
輸出轉(zhuǎn)速為（r/min）：65、85、105、130、210、260
各軸轉(zhuǎn)速為，如下表表6.3所示：
表 6.3各軸傳動比和轉(zhuǎn)速
輸入轉(zhuǎn)速（r/min）
一 軸
二 軸
三 軸
傳動比
轉(zhuǎn)速（r/min）
傳動比
轉(zhuǎn)速（r/min）
167
167
127.5
85
97.5
65
261
261
195
130
157.5
105
519
519
390
260
315
210
7 結(jié)束語
GCPS-20型鉆機設(shè)計是在GPS-20型鉆機的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，是專門用于建設(shè)施工的專業(yè)鉆機。本篇論文重點設(shè)計了工程鉆機的傳動系統(tǒng)，查閱相關(guān)機械手冊，按照機械設(shè)計的要求和機械原理的原則，進(jìn)行了變速箱的設(shè)計及計算，變速箱的設(shè)計包括結(jié)構(gòu)計算和軸的計算，分別對變速箱進(jìn)行齒輪校驗和軸的校驗，同時進(jìn)行彎矩和扭矩的計算，確定危險截面及安全系數(shù)校核計算，并且確定聯(lián)軸器等其余部分零部件。產(chǎn)品的目的在于以最低的成本，實現(xiàn)產(chǎn)品必要的功能，從而達(dá)到用戶滿意，增加制造企業(yè)和用戶的經(jīng)濟效益，使工程鉆機性價比更高。
此鉆機主要用于深基礎(chǔ)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(jié)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(fù)雜地層、硬巖中成孔而研制，在設(shè)計中盡可能的簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。
本鉆機利用國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)和成功經(jīng)驗，結(jié)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(xiàn)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。
致謝
四年的大學(xué)生活即將結(jié)束，在這四年里我學(xué)會了不少的東西，無論在學(xué)習(xí)上、生活中、思想上都有很大的轉(zhuǎn)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(xiàn)自己的人生價值的目標(biāo)作努力，到最后找工作進(jìn)一步接觸社會，學(xué)到一些從理論上學(xué)不到東西，增加了許多經(jīng)驗，這一切的成果都離不開眾多可敬師長諄諄教導(dǎo)、不厭其煩的耐心講解傳授，以及許多同學(xué)、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(shè)計期間，大家更是同心努力希望自己把設(shè)計搞好，因為這是四年大學(xué)生活最后的收尾工作，它是我們平時對我們所學(xué)的課程理解，接受能力，熟知程度，以及記憶能力的一個體現(xiàn)。在這四年中，從基礎(chǔ)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(shè)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(dá)到檢驗所學(xué)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。
工程鉆機對我來說是陌生的，因為平時接觸這方面的知識很少。在整個設(shè)計過程中，我學(xué)會了如何把所學(xué)的知識應(yīng)用到設(shè)計中去，不是單一的設(shè)計一件東西，而是要靈活運用，舉一反三，能運用到別的設(shè)計中去，不過，在設(shè)計上還有很多缺陷，需要進(jìn)一步完善，希望各位領(lǐng)導(dǎo)和老師提出意見，批評指正，使以后不再犯同樣的錯誤，不斷成熟、進(jìn)步，在此我感謝各位領(lǐng)導(dǎo)和老師的孜孜不倦的教悔和熱心幫助。
經(jīng)過了近3個月的時間,我的畢業(yè)設(shè)計終于作完了,在整個設(shè)計過程中我尊敬的老師們和我的同學(xué)給予了我很大的幫助，在此我深表感謝，沒有他們的幫助我很難將這次畢業(yè)設(shè)計做好。我更加感謝的我的指導(dǎo)老師牛愛青老師，在我的整個設(shè)計過程中都給予了我很大的支持和幫助，在此,我對牛老師衷心的說一聲謝謝。我還要感謝院里的領(lǐng)導(dǎo)，因為是他們?yōu)槲姨峁┝诉@次機會。
謝謝!
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