大直径桩基础工程成孔钻具I型钻具总体设计

目 录第 1章 前言 1第 2章 概述 3第 3章 设计中要考虑的问题和方案 4第 4章 行星齿轮设计 84.1 行星齿轮的特点 84.2 行星齿轮的设计计算 94.3 行星齿轮均载装置 18第 5章 钻杆齿轮设计 20第 6章 钻杆回转驱动齿轮设计 22第 7章 钻具的设计 24第 8章 主钻头的设计 27第 9章 主轴的设计 299.1 主轴的结构设计 299.2 主轴的校核 30第 10章 泥浆循环系统的设计 32设计总结 35 参考文献 36致谢 37附录 138附录 245湖南工业大学 2007 届本科生毕业设计摘要本次毕业设计完成了大直径桩基础工程成孔钻具 I 型钻具总体设计。设计内容包括行星齿轮传动部分的设计、钻具的设计、主轴的设计以及泥浆循环系统的设计等几个主要部分。同时，本设计在 AutoCAD 的基础上，完成了该型钻具的总装图和绝大部分零件图的绘制。设计后的钻具配套功率小，既能够产生旋转运动又能产生冲击运动，且利用气举反循环排渣快速成孔。关键词：成孔钻具；行星运动；旋转冲击；气举反循环排渣湖南工业大学 2007 届本科生毕业设计ABSTRACTThe graduate design presents the collectivity design of I type drill hole machine,which can make a big diameter stake of substructure .The design contents include the main parts of the following,which are the spread of the planet wheel gear,drill facility,the principal spindle and the slurry circle system.Besides, it has finished the assembly drawing of the drill machine and also most of its part drawings based on the AutoCAD.As a result,the drill machine with a small power which not only could circumgrate movement, but also could impact movement,and could aliminate the dregs with air anti circulate. So it can quick drill the hole.Keywords: hole drill machine；planet movement；circumgyrateimpact ；aliminate the dregs with air anti circulate湖南工业大学 2007 届本科生毕业设计第 1章 前言长期以来，桥梁、港口、码头、水工和工民建筑物的基础工程，在 0.8 米以上 2.0米以下常规直径桩基础成孔施工中，广泛使用冲击钻和回旋钻两种基本钻型，以及泥浆护壁正循环排渣方法施工。随着国内外桩基础工程机械的研究开发，为了适应各种工程地质条件施工，提高成孔施工效率，降低设备投入量和适应大直径桩基成孔需要，目前在传统的冲击钻和回旋钻的基础上，已生产出了如：重型冲击钻、连杆冲击反循环钻、套管钻机、潜孔冲击锤、潜水回旋钻、回转斗钻、短螺旋钻和扩底钻头等施工机械设备，大部分产品实现了反循环排渣，明显地提高了成孔施工效率，一般岩层成孔直径可达到 2.5 米左右，进口设备成孔直径已可达 6 米。其中结构简单的国产重型冲击钻成孔直径也可达 3.0 米。但是仍然存在着种种不适应施工需要的问题，主要是：1、普通回旋成孔钻，对工程地质条件变化的适应性差，特别是不适应大砾石地质和无风化硬岩层成孔，地质适应范围受限。2、一般冲击钻虽然地质适应性好，但施工效率显低，同时大直径的重型冲击锤自旋性差，成孔失圆度大。3、设备和钻具通用和互换性差，即一种设备只能配套相应钻具。一种规格的钻具，只能适用于相应直径的成孔。4、国内大直径的钻具设备研发，少有研究采用新的运动原理和结构，一般只能采取加大直径，增加配套功率和扭矩，以及选用高硬刃具材料等办法，因而有趋向高功率配置和笨重方向发展的趋势，不仅固有的弱点问题没有解决，而且又更加大了施工设备投资，影响工程建设效益。如：湖南省道 1804 线周家店至常德公路改建工程，在柳叶湖大桥四根 3.0 米直径桩基础施工中，由于施工成本的原因，第一个枯水施工季节，没有进场大直径成孔设备，施工单位采取沉井明挖法施工失败。在第二个枯水施工季节，终于以 60 多万的价格，新购置到重型冲击钻机设备，开始进行返工施工。韶关产冲击锤重达 13 吨，配套设备均是个别设计生产，使用直径 4.5 公分钢丝绳。由于锤重绳粗，常规的设备匹配和连接方式，在这“重型”面前显得非常脆弱，出现了每两个工作班必须更换连接，每次需三小时，每 15 个工作班，损坏一次导轮或轴，每次更换需时间12 天的情况，另外 31# 桩基出现了严重的孔壁失圆现象，明显地影响了工程质量、进度和效率。5、适应桩基础沉井护壁不排水施工的设备缺乏。而不排水施工可避免发生沉井严重偏位、沉井滞留和井口沉陷以及下沉缓慢等诸多问题。各项工程基础的施工进度往往是影响整个项目建设工期的关键，其造价也是影响项目投资的主要不定因素。鉴于以上情况，为适应各类建筑工程材料、设计和施工技术的发展需要，如何从钻孔桩基础施工成孔设备着手，综合冲击钻和回旋钻两种基本钻型成孔原理的优点，研究开发出新型成孔钻具，以解决桩基工程施工，要求快速高效、湖南工业大学 2007 届本科生毕业设计稳定可靠、广泛适用和适应超大直径方向发展的问题，是长期以来国内外业内人士不乏探索的命题。湖南工业大学 2007 届本科生毕业设计第 2章 概述在桩基工程施工中大量使用的冲击钻和回旋钻，它们工作状态的一个共同特点，是切削刀刃与孔壁和孔底保持整体的或线或面的接触，摩擦阻力大，切削相对速度低，能量分散，分布不合理，无效功耗大，效率低。如果单个刃具能实现如下图所示的平面单迹线星形运动，并同时具有径向旋削软散颗粒，轴向冲击破碎整体岩石的功能。则数个小直径的刃具也将会产生高效率的复合运动和作用，由若干连续点的运动，形成连续的曲线运动，若干曲线的运动，使施工面呈周边包络线为圆形的细密网状曲面，实现钻具逐层从上至下的整体成孔运动。本课题设计源于 1984 年以来一件孩童游戏工具，因其游戏时规则均匀的迹线运动（如右图所示） ，令人眼花的组合变化，激起了我的思考和对生产及生活现象的观察。星形运动的钻具主要由钻架、动力轴、齿轮组、钻杆、钻头组成。其特征在于钻架由外支架圈和斜支杆组成，动力轴是中空的圆管，位于钻架的中心轴线上，与支架用轴承连接，在外支架圈内，有齿轮组，齿轮组由一个中心齿轮、三个行星齿轮、齿轮圈和托盘组成，中心齿轮用键固定在动力轴上，大小相同的 3 个行星齿轮均匀分布在中心齿轮周围，行星齿轮与中心齿轮和齿轮圈上段的内齿同时啮合，齿轮圈与外支架圈固定在一起，齿轮圈内圆周的下段为光滑的圆柱面，与托盘外圆周动配合，托盘为一侧面光滑的圆盘，其上有 3 个与行星齿轮相对应的 3 个行星孔，行星孔内为齿轮圈，每一个行星轮外侧周边的下部用轴承均匀固定着 3 个或若干个钻杆，钻杆的下端安装有钻头刃具，钻杆的中部用键固定有被动转动齿轮，此转动齿轮与托盘上的行星孔的内齿相啮合，齿轮圈上部和下部都有内沿，上部内沿的表面和行星齿轮上沿的下表面接触，下部内沿的表面和行星齿轮下沿的上表面接触。湖南工业大学 2007 届本科生毕业设计第 3章 设计中要考虑的问题和方案1、采用弹簧蓄能，增强间歇锤的冲击破石能效。由于该机械间歇锤难能产生高频大幅的冲击运动，每次冲击破石也不在一固定点，而对于脆性的岩石面的破碎，也数首次的冲击破碎效果最佳，所以必须保证每次冲击的能量足够大。如采取加大锤重和行程的办法，则钻具空间有限，冲击频率会更降低，也与轻型化设计要求不相适应，仅自由落体能量是远远不够的。解决方案可采用加簧的蓄能锤，从而有效保证钻具的破石能力。2、解决冲击碎石功能的第二种方法。冲击碎石能量的输入、传递和转换的问题，这是一个涉及本钻具是否有实用价值的关键问题。为了提高刃具在大粒径砾石层和岩石层等特殊地质条件的成渣能力，加强刃具冲击碎石能量的输入、传递和转换，是解决问题的关键。为此还可采取“气动力冲击盘锤”的概念解决。即利用星动齿轮组以上钻架圈以内的空间，在上钻架圈设置“气动力缸” ，在三个星形轮钻杆群上，再设置联体的“冲击动盘”,汽缸与动盘体间弹性且滑动约束。压缩空气驱动“气动缸”使“冲击动盘”往复连动,其能量通过“冲击动盘”向其下面的钻杆群传递和作用，以提高和强化冲击碎石的频率和能量，从而充分发挥刃具复合运动（扭掰撬削等效应）的作用，确保“星动钻具”适应硬岩地质条件的成孔能力。气动冲击的排气可作为气举排渣动力的利用和补充。3、为有利于成孔垂直度的控制，根据需要星形齿轮及托盘可采取适宜的圆锥形布置设计，但将会加大机械设计和加工的难度。另外，主轴（排渣管）的端头要求能安装绞削式刃具或小径牙轮中心钻头，以适应在不同地质条件下，有利于稳定成孔中心位置和控制钻进面均衡程度。4、配套采购标准部件，以减少设计和生产的工作量以及投入。如：型结构中的“万向传动结” ，可采购汽车标准配件设计配套。5、增加泥渣拢耙功能和适配泥渣分离器以及排渣动力。能否及时的排空出渣，直接影响着钻具的安全稳定运行和成孔效率。所以需要在托板上以主动轴为圆心，分别围绕星形齿轮一侧，安装三条带状螺旋机构，以将渣土实时拢耙集中在中空轴孔中排出。对于反循环排渣，要求压缩机或泥浆泵功率相匹配，且及时和充分的分离泥渣，返回泥浆确保施工泥浆面高度。另外气升排渣除需解决气体密封问题外，还需在气道安装活门，解决意外停机时泥渣反流沉淀堵塞气管的问题。6、保证型结构的钻杆，具有一定的轴向弹性自由度。为保证间歇锤对钻杆的冲击能完全传递到刃具尖部，从而充分作用于岩石面，另外在刃具未触及到孔底面，而湖南工业大学 2007 届本科生毕业设计升举钻杆使螺旋间歇机构足以生效时，不使钻杆轴产生间歇运动的举力，都必须使钻杆在轴向向上方向，具有一定的弹性约束的自由度。7、合理布置型结构中刃具的数量和位置。理论上只需在星形轮周边均匀布满钻杆轴和刃具，就可获得最大、细密和均匀的网状迹线运动面积。但实际上是只要钻具固定圈与孔底摩擦产生的反向平衡扭矩能得到保证（后有祥述） ，则无论在星形轮面范围内，还是托板上空出的周边，都可以分布安装钻杆轴和刃具，从而加大星形运动产生的网状迹线密度。从模块化的概念出发，设计上可从密布置，在实际施工应用时，可根据不同配套设备和功率以及地质情况，留待现场决定安装的数量和位置。8、合理确定型结构中刃具的工作层面高度。安装在三个行星轮上的钻杆及刃具，如在松软地质层施工，以均衡的分布在 3 个不同的工作层面高度为宜，这样可以提高整体工作效率。但在大砾石和岩体层面破碎施工时，则宜使钻杆及刃具工作在两个层面高，以增加岩体破碎临空面，提高冲击破石效率。以上要求钻杆及刃具能方便更换或调整其工作高。9、合理确定型结构中刃具的形状和直径。要求刃具既能绞削软散颗粒，又能冲击破碎和侧挤破碎（对于孔壁边缘）岩石，同时又便于刃具随孔底地面高度变化而滑动过度（此是冲击破石功能的需要） ，宜使刃具呈圆锥状造型，不过锥侧面均匀布设三道刃口和数条齿槽，锥顶呈三菱锥形刃尖。另外必须保证每个星形轮，至少有一组刃具的最大绞削范围超出钻具固定圈 5 厘米左右，以使钻具顺利的整体钻进进尺。这需要在不与其它刃具和排渣管运动相扰的情况下，综合考虑确定其最大刃具直径。10、要求钻具适配性好。既能适配一般回旋钻机，也可适配潜水钻机。即既可设计为地面驱动，也可采用潜水变速电机一体化设计或液压马达驱动。11、有效保证钻具运行的反向平衡力矩。钻具切削运动必须的反向平衡力矩，对于有沉井护壁施工，即由与井壁联系的定位约束产生。对于无护壁施工，型钻具宜采用潜水一体化变速电机配套型，同时配套 34 组同步钢丝绳滑轮组控制升降并产生反向力偶。井口地面驱动型钻具则由固定圈底部，与孔底地面产生相对运动的摩擦阻力产生。潜水驱动型钻具则由地面约束力和孔底地面产生相对运动的摩擦阻力产生。当然也可以另辅助增设接触孔壁的单向连动自锁机构，以有效增加和确保钻具运行的超强反向平衡力矩。12、合理解决机械运动润滑的问题。任何事物都具有两面性，由于机构特性决定和为了简化结构，建立刃具星形运动的齿轮组等大部件，不可避免的只能在泥浆中润滑，这就需要齿轮组采用高锰类耐磨钢特性材料（履带、锷板和道岔类材料） ，有适应在泥浆砂石中工作的材质要求。以解决有关部件难以密封的滚动、滑动和齿轮摩擦的润滑以及锈蚀问题。另外还需加设防护罩和隔离板，以防异物影响和损坏机件运行。湖南工业大学 2007 届本科生毕业设计13、解决固定圈底承力土体控制切削的第二种方法。以上关于钻具固定圈下的土体，是考虑由星形轮上一组专用刃具随运动周期进行切削，其随星形运动周期切削的厚度、速度、超切尺度和间断长度，应控制与星形轮上刃具的切削平均进度及排渣效率相适应，亦即应与钻具的整体进尺速度控制相协调，而且还要保证有足够大的切削扭矩力。为了使钻具的刃具有进一步的功能性分工，现提出在托盘上每两星形齿轮间的三角区内，安装一从动齿轮与外齿圈啮合，带动其轴端有 13 个刀刃的刃具头产生间歇切削运动，以适当的间歇周期控制切削固定圈下的土体，通过保证土体承受钻具固定圈所需的压力动态平衡，从而保证钻具整体进尺的均衡性和稳定性。这样就可以充分发挥星形轮上刃具群在大面积切削中的功能性作用。有待进一步考证其机械运动原理的新颖性和适用范围。据有关业内人士的感觉判断，此机械运动的机构及原理具有独立、独创和实用性。目前的应用除适用于开发桩基钻具外，还可应用于开发土工“灌砂法密实度检测”取样机。其型机构原理还可应用于引进技术开发生产的异形大断面“地铁隧道盾构机”和“顶管掘进机”刀盘的新型化设计、改造和完善。由于其具有可临空施工的条件，因而更有利于采取其他措施（如电动） ，大大强化冲击碎石功能。主要是由对岩土体的磨削或压碎掘进，改为绞削和冲击破碎掘进。有望开发生产出掘进刀盘（控制系统除外）结构原理全新、工况条件合理、效率更高、易维护和适用于各类地质情况的新刀盘类型的机械。 （也需要在托板上以主动轴为圆心，分别围绕星形齿轮一侧，安装三条带状螺旋机构，以将渣土拢耙集中在中空轴孔中排出，实现各单元独立排渣）综上所述，桩基础工程施工的效率，首先决定于成孔设备的效率，成孔设备的效率