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I摘要GCPS20型钻机是一种复合式多功能钻机，为适应我国深基础工程和连续墙以及水利工程、桥梁工程的发展与需要，结合大口径钻机灌注桩和地下连续墙施工的特点，为解决在复杂地层、硬岩中成孔而研制，特别卵石层、基石、漂石层能大幅度提高施工效率，在各种成孔方法中是比较经济有效的方法。钻机是集回转、冲击钻进工艺于一体的多功能复合型钻机，用转盘回转钻进时可用于第四世纪覆盖层，冲击钻进时可用于卵石、灰岩、花岗岩等硬岩地层。本钻机的特点是结构简单，紧凑，而且各种操作手柄布置合理，操作简单，便于使用与维护。关键词冲击钻进变速箱减速器转盘IIABSTRACTTHETYPESGCPS20DRILLTHEMACHINEISAKINDOFCOMPOUNDTYPEMULTIFUNCTIONDRILLTHEMACHINE,INORDERTOADAPTTHEOURCOUNTRYDEVELOPMENTANDDEMANDSOFTHEDEEPFOUNDATIONANDCONSECUTIONWALLANDMARINEHYDRAULICENGINEERING,THEBRIDGEENGINEERING,COMBINETHEBIGCALIBERTODRILLTHEMACHINETOINFUSETONOTETHESTAKEANDTHECHARACTERISTICSOFUNDERGROUNDCONTINUOUSWALLCONSTRUCTION,INORDERTOSOLVETOBECOMETHEBOREBUTRESEARCHTOMANUFACTUREINCOMPLICATEDGEOLOGICSTRATA,HARDROCK,SIGNIFICANTEXALTATIONOFABILITYOFSPECIALEGGSTONELAYER,SILL,THESTONELAYERCONSTRUCTIONEFFICIENCY,ISAMOREECONOMICVALIDMETHODINVARIOUSLYBECOMETHEBOREMETHODDRILLTHEMACHINEISTOGATHERTHETURNOVERANDPOUNDATTODRILLINTOTHECRAFTINTHEINTEGRALWHOLEOFMULTIFUNCTIONANDCOMPOUNDTYPEDRILLTHEMACHINE,CANUSEDFORTOOVERLAYTHELAYERTHEFOURTHCENTURYWHILEUSINGTOTURNTHEDISHTURNOVERTODRILLINTO,CANUSEDFORTHEHARDROCKGEOLOGICSTRATAOFEGGSTONE,ASHROCK,GRANITEETCWHILEPOUNDINGATTODRILLINTODRILLTHECHARACTERISTICSOFTHEMACHINEORIGINALLYISASTRUCTURESIMPLE,TIGHTLYPACKED,ANDVARIOUSOPERATIONHANDHANDLEIIIARRANGEREASONABLE,OPERATEINBRIEF,EASYTOUSAGEANDSUPPORTKEYWORDTHEIMPACTDRILLINTOBECOMESOONBOXDECELERATETHEMACHINETURNTHEDISHIV目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111项目的研究意112国内外科技现状113设计产品的用途和应用领域1第2章钻机的总体设计221总体布局设计2211传动系统2212气动系统2213电气系统2214工具系统2215各部件的功能222主要设计参数323主要性能特点4第3章动力机确定531按钻头钻进所需功率计算532按钻机冲击钻进所需功率计算7第4章带轮选择9第5章变速箱的设计及计算1251变速箱的结构特点1252结构计算12521初步选定12522选定变速箱传动公比12523按弯曲强度确定齿轮模数13524按接触强度确定齿轮分度圆直径与中心距14525齿宽的确定15526齿轮齿数确定16V527计算齿轮相关参数、确定齿轮1653锥齿轮计算17531初步计算17532几何计算1754齿轮校验22541齿轮受力分析22542齿轮传动齿面接触疲劳强度校核22543齿轮传动齿根弯曲疲劳强度校核2555变速箱轴的计算27551一轴计算27552二轴计算27553三轴计算2856轴的校验28561按转矩计算28562轴上受力分析29563求支反力29564作弯矩和转矩图30565确定危险截面及安全系数校核计算33第6章转盘的计算3661转盘输出转速3662大、小锥齿轮计算36621初步计算36623几何计算3763锥齿轮齿面接触疲劳强度校验42631计算公式42632许用接触应力计算43633齿面接触强度校核结果4464齿根抗弯疲劳强度校核44641计算公式44642齿根许用弯曲应力计算45643齿根弯曲强度校核结果4665转盘轴结构计算46第7章钻机其余部分零部件选择48VI71联轴器的选用4872减速器齿轮安排48第8章钻机的维护保养5181钻机维护保养的重要性5182维护保养要求5183主要部件保养项目52831转盘52832变速箱52833减速器52834主、副卷扬机52835水龙头52836钻具53837冲击卷扬机53838气路系统53839传动链条538310冲击钢丝绳538311气胎离合器538312主离合器5484安全操作注意事项54第9章经济性分析56第10章专题水平定向钻机的结构探讨58结论64致谢65参考文献66附录1中文（译文）68附录2英文（原文）741第1章绪论11项目的研究意义随着国家基本建设的投入持续增长,尤其是像京沪高速铁路、奥运场馆等一批国家重点项目的陆续启动,将对工程钻机技术要求更高、钻机不仅要具有高效性、环保性，更要具有复合性。通常使用的工程钻机在工作时只有钻进，当遇到较为坚硬的岩石层，如卵石、灰岩、花岗岩等硬岩石地层，就不得不改变钻进方位，或另钻它孔，为解决此问题在老师的指导下我设计这台带有冲击钻的多功能复合型钻机，它可有效的解决上述问题。我相信这台钻机一定会有很广阔的市场前景12国内外的科技现状随着全球经济的高速发展,各类建筑和工程施工的数量激增,工程难度日益加大,质量要求越来越高,极大的推动了各类基础处理施工技术的发展,尤其是近20年来,由于建筑的大型化和高层化,各种处理范围广,效率高,污染少,成本低的深基础施工工法，如大型旋挖桩、地下连续墙、各种锚固、高压旋喷、深层搅拌等已成为基础工程施工的重要手段。而现有国产基础施工设备效率低下,污染严重,不能适应新施工技术的要求,施工企业一直在大量进口该类设备。加大开发适合我国国情的新型基础工程施工钻机的力度,满足市场急需,替代进口,是该类设备制造业的首要任务。13设计产品的用途和应用领域这台钻机设计为散装式转盘冲击、回转复合式多功能钻机，适用于基础工程和连续墙以及水利工程、钻凿高层建筑、桥梁、港口基础桩孔的钻进，也用于大口径水井及其他工程孔的钻，主要用于第四世纪地层及其卵石、灰岩、花岗岩、漂石层等硬岩地层。主要应用于建筑工程、水利工程、桥梁工程、矿井钻进等领域。2第2章钻机的总体设计21总体布局设计钻机由底座、传动装置、减速器（分动箱）、主副卷扬机、冲击卷扬机、转盘、钻塔、气动系统、电气系统、工具系统组成。211传动系统电机的动力经皮带传至变速器，变速器为一进三出结构，一路输出经齿轮传至主副卷扬机；一路输出至减速器，经由万向轴传至转盘，供回转钻进；一路输出经链轮传动冲击卷扬机，供冲击提升。212气动系统空压机输出压力气，由空气包至气控箱，分两路经操纵阀控制，传至冲击卷扬机两只气胎离合器，完成冲击提升及降落。213电气系统控制电机启动及关闭，为气动系统提供电源控制，为操纵箱提供控制系统。214工具系统游动滑车、水龙头、主动钻杆、孔内钻杆、加重块、刮刀钻头、垫叉组成回转钻进工具系统。游动滑车、水龙头、孔内钻杆、冲击排渣管、冲击钻头、孔口导向工具、垫叉组成冲击钻进工具系统。215各部件的功能1转盘转盘用于驱动主动钻杆及钻具回转，转盘系一级圆锥齿轮传动机构，通过大锥齿、转台、大、小补心驱动钻杆工作。2减速器减速器是进一步降低转速、提高扭矩而设计的，有两档变速，由双联滑动齿轮实行。3变速箱变速箱为二轴一级变速箱，有三挡变速，由单、双联齿轮滑移实3现变速。变速箱内有正、反转装置，由双向牙嵌离合器实现，单向牙嵌离合器实现卷扬机离合。4主、付卷扬机主、付卷扬机均为行星式卷扬机，靠制动行星轮来实现钻具的提升。5底座底座由滑台、下座、油缸、孔口板组成，转盘、卷扬机组固定于滑台上，钻塔固定于下座上，油缸一端固定于滑台，另一端与孔口板相联，油缸用于滑台的后移和孔口板开合。6钻塔钻塔用于悬挂游动滑车、水龙头和提升器等提升设备，结构形式为“N”型，钻塔内设有导向槽和主动钻杆后置悬挂装置。导向槽用于水龙头导向，悬挂装置用于换接钻杆时主动钻杆不落地。钻塔起落由油缸完成。22主要设计参数1冲击卷扬机提升能力（KN）60提升速度（M/S）0405062冲击行程M0543冲击次数1/MIN6144冲锤质量KG300050005主、副卷扬机提升能力单绳KN30卷绳速度M045,068,113,169031,046,077,1156转盘转速R/MIN13,17,21,26,42,527主机动力型号功率YD280S55KW1480R/MIN8钻塔额定负载KN1809空压机型号排量，压力UB300500（355/MIN,08MP）3M10配备砂石泵型号（型号）6BS180/H4或8BS（340/H）3M11外型尺寸（长X宽X高）10000X2400X170012重量主机重量（T）104全套设备总重（T）2823主要性能特点这台钻机的主要性能特点是1钻机是集回转、冲击钻进工艺于一体的多功能复合型钻机，用转盘回转钻进时可用于第四世纪覆盖层，冲击钻进时可用于卵石、灰岩、花岗岩等硬岩地层；2最大钻孔直径为2000毫米；3钻机为机械传动，机械、液压操动，操作方便、可靠；4钻机转速范围广，有6档变速，适用于不同地层要求，利于提高钻进效率；5整套设备安装在滑撬式底座上，对孔就位方便，机动性强6液压操纵滑台平移让出孔口，孔口开阔，起下大直径钻具灵活、方便；7钻塔上设有导向槽，有助于提高钻孔垂直度，降低超径系数。钻塔上有水龙头后置悬挂装置，主动钻杆不落地，减轻劳动强度，缩短辅助作业时间；8主、付卷扬机均采用行星式卷扬机构，提生能力强，辅助水龙头后置悬挂装置，可实现塔上无人作业；9钻进可采用加重块加压（根据不同地层选用）；10排渣方式为泵吸反循环，排屑效率高，减少孔底重复破碎，钻进速度快；11整机尺寸设计合理，便于汽车运输及安装；12动力为电机；13经济耐用、性能可靠。5第3章动力机确定根据现场需要，动力机的选择偏大些，加大储备系数，这样可以提高钻进效率。31按钻头所需功率计算设电机输出实际功率为N。N。12NJ式中NJ钻机所需功率KWNJ（NHNY）/式中NH回转钻进所需功率（KW）效率08NY油泵所需功率（KW）NHN1N2N3式中N1井底破碎岩石、土层所需功率（KW）N2钻头与孔底摩擦所需功率（KW）N3回转钻杆所需功率（KW）1NHN1N2N3的计算N1306/43AMNH其中M钻头切削刀数取M4N转盘转数钻进时26R/MININ6H转进速度试取H08CM/MIN岩石抗压强度其值见表31A井底破碎环状面积A222/410/47850DDCM2N2FENRR/1944800式中F钻具与岩石直间的摩擦系数F05E侧摩擦系数E11R钻头外圆半径R200CMR钻头内孔半径R0CM3N3当N,该轴H截面是安全的。S37第6章转盘的计算61转盘输出转速转盘输出转速（R/MIN）13、17、21、26、42、52输入转盘转速R/MIN65、85、105、130、210、260转盘用于驱动主动钻杆及钻具回转，转盘系一级圆锥齿轮传动机构，通过大锥齿、转台、大、小补心驱动钻杆工作。62大、小锥齿轮计算621初步计算（1）按齿面接触强度计算由设计公式得13195EHPKTDU式中载荷系数K15齿数比5转矩1908076TNMN估算时的齿轮许用接触应力22LIM3/1/HPNS估算结果3125807934EDM38（2）按齿根抗弯强度计算由式得132FSEPKTYMZU式中K载荷系数取K15复合齿形系数取46FSFSY小齿轮齿数181Z1Z齿轮许用弯曲应力FPFES式中抗弯强度600FEFE2/NM抗弯强度的安全系数18SFSFP2603/18计算321580749EMM取16MME（3）齿轮齿数1ZED2341652取18139622几何计算（1）齿数181Z518902U（2）分锥角113112ARCTNZ2190378（3）大端模数6EM（4）分度圆直径1618288MM1DE1Z16901440MM2E2（5）外锥距73488MM1SINEDR（6）齿宽系数取03RB220464MMDE取B200MM实际齿宽系数207348REB（7）中点模数（105）138MMMER中点分度圆直径2488MM1D054012442MM2105MRD（8）切向变位系数001TXT高变位系数002（9）顶隙021632MMGB123691990ECM（10）大端齿顶高MM16MM116AEHX2AH大端齿根高MM019FCMM226FEHXM全齿高H352MMEC齿根角119ARTNARCT147738FFEHR222RCTRTFFE齿顶角149714971A2F21AF（11）顶锥角13497A22880A根锥角1134973FF22820FF（12）大端齿顶圆直径41112COS8216COS3198AEADHMMM243E（13）冠顶距2110SIN16SIN7168KADAH1228II7823KAM（14）大端分度圆弧齿厚111TAN620TAN2512ETSMXM215E（15）大端分度圆弦齿厚MM221151668SSD22（16）当量齿数18137COSVZ2904698VZ当量齿轮分度圆直径42221514837VMUDM2215376VV当量齿轮顶圆直径1128573VAADH26346VM当量齿轮根圆直径VB1DCOS0257COS023842634596071V当量齿轮传动中心距12573284VVADM当量齿轮基圆齿距COS3416COS01VBMP（17）啮合线长度2212INVAVABVAVBVTGDD212857346375960713984SIN20VVVAVB1199101128157095MM（18）端面重合度47VABGP（19）齿中部接触线长度4321205186VABMLM齿中部接触线的投影长度1856BML63锥齿轮齿面接触疲劳强度校核631计算公式211AVHTHMBHELSKHPMBKFUZZDL式中中点分度圆上的切向力12080764952TMTN使用系数225AKAK动载系数由7级精度和中点节线速度V取111059/6MDNSV齿向载荷分布系数取12HKHEK有效工作齿宽取1518085EBHE端面载荷系数H/64957/203479/10/TETFBNMN44取1HK节点区域系数25ZHZ中点区域系数MB22112TAN1VTVAABVVBVZDDFFZZ式中参数21F2504221TAN87363751044890639MBZ1123弹性系数1898EZEZ2N/M螺旋角系数直齿轮1锥齿轮系数08KK载荷分配系数1LSZLSZ计算接触应力22518649571351890H204/NM632许用接触应力45LIMNHPNLVRXWZS式中实验齿轮的接触疲劳极限1300LILIMH2/N寿命系数1NZNZ润滑油影响系数095LVRLVR工作硬化系数1WW尺寸系数1XZXZ最小安全系数11MINHSMINHS许用接触应力值21309517/PN633齿面接触强度校核结果；221045/17/HHPNMM通过。64齿根抗弯疲劳强度校核641计算公式AVFTFFSKLFPNMKYB46式中复合齿形系数FSY1482483FSY重合度系数057/057/1204VA锥齿轮系数KY10322118560441BML载荷分配系数LSY2LSYZ齿根弯曲应力计算值21250186495780751360/3FNM2221/2FSYNM642齿根许用弯曲应力MINFEPNTRELRLTXYS式中齿根弯曲疲劳强度基本值FE260/FENM寿命系数1NTYTY相对齿根圆角敏感系数1RELREL47相对齿根表面状况系数1RRELTYRRELTY尺寸系数X12X最小安全系数14MINFSMINFS许用弯曲应力值26014857/4FPN643齿根弯曲强度校核结果2212360/4857/8FFPNMMN齿轮安全，可用。65转盘轴结构计算选择轴的材料为45钢，经调质处理，材料力学性能数据为抗拉强度为屈服点650BMPA360SMPA弯曲疲劳极限扭转疲劳极限12715许用静应力60A许用疲劳应力1827P轴的最小直径为483MININPDA式中A按定的系数取A100P功率P55KW最小转速65R/MINMINMIN计算得3IN510406D取最小轴径为MIN轴的结构如图49第7章钻机其余部分零件的选择71联轴器的选择减速器与转盘之间用万向节联轴器连接，由减速器输出的最小转速为，传递的功率为55KW，计算转矩为65/MINRIN9058076PTNM联轴器的计算功率CNHANKT式中联轴器转速系数125NK轴承寿命系数18H3510H联轴器的轴间角系数15K载荷性质系数13AAK计算转矩80712581327CTNM查取，选择联轴器为0/491SWPGJBT型（72减速器齿轮安排如表72150齿数模数M1Z246232632164Z35652066306表721降速比135824I27输入转速为（R/MIN）167、261、519输出转速为（R/MIN）65、85、105、130、210、260各轴转速为，如表72251二轴三轴输入转速（R/MIN）一轴传动比转速（R/MIN）传动比转速（R/MIN）123Z1275851671673479756512Z195130261261347157510512Z390260519519347315561Z210表72252第8章钻机的维护与保养81钻机维护保养的重要性钻机的使用寿命在很大程度上取决于对它的维护保养，钻机的使用者必须全面的了解钻机的各种结构、作用原理、安全操作、维护保养等各方面的知识，认真的做好维护保养工作，不但能够延长钻机的使用寿命还能防止不必要的机械故障，提高钻机的工作效率和经济效益。82维护保养的要求1钻机各部表面和机台上，必须保清洁。2对各轴承和摩擦副必须经常注意温升情况。轴承温升不大于，最高40温升不大于。如超过比值应停车检查。803谁时注意各齿轮副和传动件的运转响声，发现异常声响应立即停车检查。4随时观察钻机各部件的运转情况，如发现不正常的振动、晃动、位移等现象应及时检查处理。5如发现漏油、漏气、非正常漏水、及紧固件松动等现象，应及时检查和消除。6经常检查三角皮带及链条的松紧程度和破裂，检查各防护罩的牢固程度，避免发生以外事故。7气路系统操作时，要观察气压表是否正常，如有异常现象，应立即修理。8按润滑要求及时进行润滑。9在气温过低或过高时钻进，在复杂地层中钻进，可适当缩短期。10钻机停止使用时，空压机及储气筒中空气应全部排空。11本钻机用的润滑油、润滑脂如下变速箱、减速器和转盘120号工业齿轮油（冬季用）90号工业齿轮油（夏季用）53其他部位润滑油润滑脂钙基润滑脂空压机非溶剂性油气动三联件20号机油83主要部件保养项目831转盘1经常检查转盘定位螺栓的松紧，确保转盘工作是稳定2经常检查转盘内润滑油是否渗进泥等杂物，并及时清除。检查液面高底，保证正常润滑。3定期检查推力轴承间隙大小，并加以调整，避免使转盘产生不必要的冲击和轴承摩损。832变速箱1变速箱用油必须干净，清洁2定期观察箱内齿轮啮合情况，如影响手把定位，应更换相应的联接件，保证操作的准确性。3把手的定位装置要保证弹簧具有一定的力量，避免因振动等原因使手把跳挡。833减速器1定期检查润滑油液面高低，确保良好的润滑。2定期观察箱内齿轮啮合情况，磨损情况。3经常检查与万向轴的联接。834主副卷扬机1适当调节制动带的松紧程度，保证松开时不与卷筒摩擦，制动时凸轮有自锁力。2制动带厚度磨损至少小于3MM时必须更换，如遇制动力不够，经调节无效时，必须检查铜钉是否露或是否有油污，如有应排除。54835水龙头当密封处发现渗漏现象，应适当压紧密封圈。如压紧无效，应确保操作的安全及管路的密封性。836钻具1钻杆、主动钻杆、导正器连接法兰处应涂油防腐，搬运时避免碰坏。2钻杆、钻杆法兰处如有裂纹等影响强度的缺陷，不应下孔。3对可疑杆件应经探伤后，再决定使用否。4冲击钻头的切削刃如磨损需堆焊。5排渣管用O形密封圈需经常检查，如损坏需更换并存有一定量的备件。837冲击卷扬机检查卷扬与机架，机架与底座的连接螺栓的松紧，确保工作稳定。理顺钢丝绳，防止早期磨损。838气路系统1检查各处联接，防止松动。2空压机储气筒使用完毕，打开泻水阀，消除积水；空压机油每5小时更换，并保证压缩机油位在指定范围内；三联件润华油应在上下红线范围内，工作时呈滴状流动，否则应予调整。839传动链条保证链条适当张紧，松动太多需加以调整并经常加入钙基润滑脂。8310冲击钢丝绳钢丝绳需经常除尘，保持清洁，并涂油润滑；检查绳端夹紧装置，不允许松动；检查钢丝绳的断丝、磨损、变形、锈蚀情况，必要时更换，以确保安全。8311气胎离合器1不许用油漆或其它油类摸气胎表面。雨天施工应搭蓬，防止进水引起55打滑。2摩擦片磨损3MM后必须更换。3由于长期工作、疲劳、高温、龟裂等原因导致气胎老化而不能正常工作，必须更换气胎。4更换内气胎或摩擦片时，只须拆去两侧挡板及摩擦轮毂即可进行。8312主离合器1三角皮带轮支撑轴承处用黄油润滑，加油量不必太多，并注意周围油污的清理工作，防止油污进入摩擦片表面。2为了使皮带轮能空载运转，摩擦片脱开的间隙应为15MM，并经常检查三个弹簧弹力大小，随时更换失去弹力的弹簧，以免发生摩擦片脱不开的现象。3防止不必要的离合动作，尽量避免在重负荷下挂合离合器，严禁摩擦片在负载下长时间打滑。遇到发热、冒烟等情况，必须立即脱开检查。如传递力不足，应检查原因并处理。4当发现摩擦片烧毁、老化、脆裂和磨损；铆钉松动和外露，应予更换。84安全操作注意事项1使用钻机前，应先熟悉钻机构造及操作要求。2各防护罩都应固定在正确位置，并时常检查牢固程度。3随时检查钻机和钻塔支承情况，防止因地沉引起的机械和钻塔的倾斜。4随时检查钻机各部件固定情况，特别是主、副卷扬机及冲击卷扬机、冲击钻具死绳端固定情况发现异常，应立即采取措施。5对各机件的异常响声、变形、发热、冒烟、漏水等不正常情况，必须查出原因及时清除，以防事故。6经常检查各手把定位和换挡位置是否正确。7操作手把时，不得违反以下原则56（1）主、副卷扬机工作时，提升与刹车手把不得同时扳死。（2）严禁冲击卷扬离合器手把与转盘离合器手把同时合上。（3）换挡时必须先脱开离合器，使齿轮降速至将停时换挡，如换挡困难，可以让离合器稍接合，严禁高速运转时挂挡。（4）钻进时如遇蹩钻情况，可停止给进或脱开主离合器手把，情况严重时，须停钻提升钻具。8钻塔不允许作超负荷工作，如遇孔内事故等需要做超负荷提升，必须另行采取措施。9游动滑车的“U”行环上挡板的挡销，拉出时必须旋转90使定位可靠，防止脱落。10钻杆各法兰连接必须牢固，密封必须可靠。11各手把、螺钉、螺母等禁止用锤击，垫叉、提引器、大小补芯，使用时要轻放以免损坏。12冬季停工时，应将砂石泵、3PNL泥浆泵、离心水泵、泥浆管线中的存水放掉，以免冻裂机件。13每日施工完毕，放尽空压机及储气筒中空气。14电机高速、低速间切换时，必须脱开主离合器，待电机停转后方可按下高速或低速按钮，启动双速电机。严禁带负载启动，确保电机及电气线路的安全。57第9章经济性分析目前，我国加大基础设施建设，奥运场所建设，开发大西部，大力整治大江大河等政策环境影响下，工程建设机械市场前景愈来愈广阔，需求量越来越大，工程钻机作为建设机械中维护地基的主要机械，市场需求亦相应的大量增加。这是本设计的主要产生原因之一。我所做的GCPS20型钻机设计是在GPS20型钻机的基础上改进的，专门用于建设施工的专门钻机。产品的价值工程的目的在于以最低的成本，可靠的实现产品必要的功能，从而达到用户满意，增加制造企业和用户的经济效益，将价值工程运用到工程钻机设计中，从分析产品的功能出发，然后分析产品的成本，进行功能与成本比较，从而判断产品的价值，使工程钻机动性价比更高。根据工程钻机的设计功能要求出发，钻机在工作过程中要求有六挡转速13R/MIN、17R/MIN、21R/MIN、26R/MIN、42R/MIN、52R/MIN，原动机根据施工地点的不同选用电动机，也可用柴油机，保证其互换性，扩大原动机的使用范围，使钻机使用地点扩大，为保证六挡转速，尤其是从原动机到转盘降速比大的特点，采用变速器和减速器依次减速的同时进行变速，并可保证变速箱和减速箱的尺寸较小。此钻机主要用于深基础工程和连续墙以及水利工程、桥梁工程的发展与需要，结合大口径钻机灌注桩和地下连续墙施工的特点，为解决在复杂地层、硬58岩中成孔而研制，在设计中尽可能的简化结构，降低成本。本钻机每台可售价600000元，每台可获利税10000元左右，如果某企业每年生产100台，年利润可达100万元。由于该钻机的售价比较不高，一般用户都可承受得起。本钻机利用国内外先进技术和成功经验，结合我国国情和钻机的具体使用要求。力求简单和适用，采用纯机械系统尽可能地利用最少的液压元件来实现钻机所具备的各种动作。这样，能够降低故障发生概率，提高能量利用率和钻机的可靠性，降低工人劳动强度。该钻机的优点为为适应野外各种钻探作业，该钻机可采用柴油机或电动机驱动；原动机、变速箱、传动箱分体式设计，便于拆卸、安装、移动和运输。由于该钻机结构简单无论是使用还是维修在费用方面都是十分经济的。在市场前景广阔和成本降低的措施下，本设计可以达到预期的目的，具有开发价值。59第10章专题水平定向钻机常用结构的探讨摘要以水平定向钻机为背景，分析了水平定向钻机的主要结构，主要包括底盘结构、发动机系统结构、动力头结构、钻杆装卸的结构、虎钳的结构、锚固装置的结构、导向系统、泥浆系统的结构等。关键词水平定向钻机、结构、设计、探讨；ABSTRACTTAKEDIRECTIONALRIGOFLEVELASTHEBACKGROUND,HASANALYZEDTHEMAINSTRUCTUREOFTHEDIRECTIONALRIGOFCOMPETENCE,MAINLYINCLUDECHASSISSTRUCTURE,ENGINESYSTEMATICSTRUCTURE,POWERHEADSTRUCTURE,DRILLINGRODSTRUCTURE,STRUCTURE,ANCHORFIRMSTRUCTURE,GUIDANCESYSTEM,MUDSTRUCTUREOFSYSTEM,ETCOFDEVICEOFVICEOFLOADINGANDUNLOADINGKEYWORDDIRECTIONALRIGOFLEVEL,STRUCTURE,DESIGN,DISCUSSION一、概述60水平定向钻机作为非开挖技术中最具活力的一项施工技术，具有导向准确、有利环保、效率高等特点。它能在一定曲率半径范围内绕开障碍物，能避免破坏管线经过地区的生态环境，施工速度快，效率高，穿越长度长，深度深。目前在国内已越来越多地应用于石油、天然气、电力、电信等领域。目前生产水平定向钻机的国内企业厂家有河北廊坊勘探技术研究所、原地矿部中地装备集团技术中心、徐工集团、中联重科、上海隧道股份有限公司、中南冶金机械厂、宣化英格索兰公司、北京煤矿机械厂、山东探矿机械厂、重庆探矿机械厂、石油物探局装备制造厂、河南畅通电信管道工程有限公司，以及部分高校科研院所，如清华大学、重庆大学（含原重庆建筑大学）、同济大学、长春科技大学、煤炭科学研究院上海分院、中国地质大学、上海市政工程研究院、浙江大学等在研发水平定向钻机。徐工研究院在调查研究的基础上已开发出水平定向钻，整机主要有底盘、动力头、钻架、发动机系统、钻杆自动存取装置、钻杆自动润滑装置、虎钳、锚固装置、钻具、液压系统、电气系统及泥浆系统等部件组成，结合目前的国内外水平定向钻机结构，对水平定向钻机主要结构设计进行探讨，有着十分重要的意义。二、主要结构、底盘的结构水平定向钻机的底盘是指机体与行走机构相连接的部件，它把机体的重量传给行走机构，并缓和地面传给机体的冲击，保证水平定向钻机行驶的平顺性和工作的稳定性，底盘是水平定向钻机的骨架，用来安装所有的总成和部件，使整机成为一个整体。水平定向钻机底盘目前的结构一般为液压驱动，刚性连接式车架，底盘主要包括车架及行走装置，车架为框架焊接结构，上面有发动机、油水散热器、燃油及液压油箱、操纵装置等的安装支架；底盘的行走装置主要包括驱动轮、导向轮、支重轮、托链轮、履带总成、履带涨紧装置及行走减速机、纵梁等组成。行走装置中左、右纵梁分别整体焊接后，与中间整体框架式车架用高强度螺栓连接成为一个整体车架。底盘的车架后端设计时可两个蛙式支腿或两个垂直的支腿，可有效降低支腿部分重量及简化结构，水平定向钻机工作时支腿支起，增强整车的稳定性。底盘的行走减速机目前一般选用进口的内藏式行星减速机（包括马达）或两点式变量马达减速机，行走时能够实现行走快慢双速，输出扭矩大、结构紧凑。底盘的行走装置主要包括履带张紧装置、橡胶履带总成、驱动轮、导向轮、支重轮及行走减速机等组成。底盘的61橡胶履带有两种结构方式可选择，一可采用公司的整体式橡胶履带；二可采用公司的组合式橡胶履带的结构，二者相比前者结构简单，节距较小，车架高度较低，但后者强度高，可承受更大的载重量，损坏后可以更换，驱动轮、导向轮、支重轮、履带张紧装置都可直接配套。底盘的履带张紧装置由张紧油缸、张紧弹簧、导向轮、油杯等组成。履带张紧装置的作用是保持履带一定的张紧度。一般设计时优先选用整体式橡胶履带，若不能选到适合水平定向钻机重量的履带，则要选用公司的橡胶履带。另外底盘的结构在设计前应协调知道以下几个方面的（）与发动机系统设计者和发动机罩设计者及其它相关人员协调相对安装结构布置形式尺寸及与车架的连接形式；（）支腿布置尺寸具体结构应满足几何相容；无机构干涉现象；（）进行车架结构强度计算并出具计算书；（）如有问题请及时反馈，并与相关设计者协调等等。徐工研究院开发出水平定向钻采用的底盘的结构为底盘为液压驱动，刚性连接式车架。、发动机系统的结构水平定向钻机的发动机系统一般包括发动机、散热器，空滤器，消音器，燃油箱等。一般水平定向钻机设计时发动机选用国外的增压水冷发动机或选用美国康明斯公司的增压中冷发动机，为了适应不同用户的需求，也可选装国内的二汽东风的康明斯发动机及玉柴等厂的发动机。其水散热器、空滤器等附件选用国产配套件，燃油箱自制发动机系统设计时应先知参数为发动机型号及发动机参数功率（）扭矩（）和详细参数参考。由上来确定发动机选件及安装形式采用几点式安装；向液压系统设计者提供发动机取力口（）旋向及输出功率的资料；与散热系统设计者协调发动机风扇直径，速比及风量的数据；与电器设计者协调发动机电路连接方案；选定并安装联轴器；进排气附件安装；设计要求满足发动机工况并加装进气阻塞指示报警装置；具体安装形式和安装结构与相关设计者协调，如有问题请及时互相反馈等。徐工研究院开发出水平定向钻采用的发动机的结构为国外的增压水冷发动机及玉柴的发动机等。、动力头的结构水平定向钻的动力头的结构一般由一个高速马达驱动减速机，由减速机驱62动动力头，由减速箱输出轴驱动钻杆转动，输出轴中空。动力头有以下功能（）驱动钻杆钻头回转；（）承受钻进、回拖过程中产生的反力；（）泥浆进入钻杆的通道。目前国内水平定向钻的动力头的结构基本一样，不同点在于、减速机的选型不一样同吨位的水平定向钻选不到完全相同的减速机，所以各厂家的该减速机的减速比和性能参数有所变动。、动力头的减速比不一样由于减速机传动比的改变，所以动力头的减速比也有变动。目前，动力头的传动方式主要有链传动和齿轮传动；如钻机的动力头的传动方式为链传动；链传动的优点是结构简单，制造容易，缺点是传动平稳性差、寿命短、输出扭矩小。公司钻机的动力头的传动方式为齿轮传动；齿轮传动的优点是传动平稳、使用寿命长、输出扭矩大，缺点是制造要求精度高。另外动力头推拉装置是动力头回拉或进给运动的执行机构，一般由一对低速大扭矩马达驱动一对减速机，由减速机驱动链轮链条机构，由链轮链条机构向动力头提供进给力或回拉力。动力头推拉装置目前各厂家不同，如公司的链轮链条机构，该机构的优点是工作速度快，工作平稳，结构紧凑，成本适中。缺点是链轮链条受力较大；公司的链轮链条倍力机构，该机构的优点是链条受力是推拉力的一半，工作平稳，缺点是工作速度慢，结构尺寸大，成本高；国内廊坊双油缸机构，该机构的优点是回拖力大于钻进力，成本较低，缺点是结构尺寸太大，工作的平稳性差，使用寿命低，不能用于自动化要求高和自行走的机型上等。徐工研究院开发出水平定向钻采用的动力头的结构为由一对低速大扭矩马达驱动一对减速机，由减速机驱动链轮链条机构，由链轮链条机构向动力头提供进给力或回拉力。动力头推拉装置的结构为动力头推拉装置是动力头回拉或进给运动的执行机构，通过液压马达，减速机，主动链轮，链条，由链条向动力头提供进给力或回拉力。前后油缸协调动作，以调节合适的钻进角（钻进角的调整范围各机要求不同）。、钻杆装卸的结构目前水平定向钻的钻杆装卸的机构该机构一般由钻杆、钻杆箱、钻杆起落、能伸出缩回的梭臂、钻杆列数自动选择装置等组成。国内外各厂家的结构不尽相同，主要在钻杆的存取、输送上有差别，有的采用人工存取钻杆，人工装卸钻杆方式作业不仅效率低而且增加了操作人员的劳动强度；有的采用四连杆机构存取钻杆，但它们普遍利用弹簧的回缩力作为夹紧力，经常出现钻杆脱63落等事故，工作不可靠，不但影响作业效率，而且可能引起已钻孔的坍塌、埋钻等重大事故；有的采用旋转结构输送钻杆，该机构可较方便地装卸钻杆，减轻操作者的劳动强度，提高工作效率。该机构采用柔性进给装置，协调性较高。需对钻杆的升降、梭臂的伸缩、动力头的位置、装卸完成的检测等功能进行逻辑控制，实现多动作间的自动切换，控制系统采用先进的控制；总之，上述的动作过程及逻辑控制基本相似，以公司的最为先进，沟神的液压抓手、梭臂液压止动、丝扣油自动涂抹、列数自动选择装置等功能，已被作为钻杆存取的速度、可靠性、效率方面的行业标准。而威猛、两家公司的水平定向钻机中的梭臂上没有夹持器，所以在工作中会出现钻杆伸不出、缩不到位或钻杆滑落等问题，影响了工作效率。徐工研究院开发出水平定向钻采用的钻杆存取装置采用液压梭臂伸缩存取钻杆。、虎钳的结构水平定向钻的虎钳位于钻机的前部，由前、后虎钳组成。前、后虎钳都可由液压油缸径向推动卡瓦来夹持钻杆，且后虎钳可在液压油缸的作用下与前虎钳产生相对旋转，前后配合以便钻杆拆卸。国内除沟神公司外各厂家的结构相似，沟神公司的整个虎钳是装在浮动支撑座上，以保护虎钳在钻杆装卸时免受冲击。徐工研究院开发出水平定向钻采用的虎钳的结构为按常规设计，将浮动缓冲机构改在动力头上等。、锚固装置的结构水平定向钻的锚固装置的作用是在作业时对整机起稳定、锚固作用，提高整机作业稳定性，该部件位于整机的前端。目前各厂家普遍采用的是螺旋钻进机构用低速大扭矩马达驱动螺旋杆，用液压油缸施加推、拉力进行钻进或钻出，各厂家在具体结构上略有差别。另外，水平定向钻机锚固装置的配合整机外形的设计上，一般采用了两种方案地锚阀放在锚固装置，结构布置方便，布管容易；或者地锚阀另行放置如放在发动机罩内等，但彻底改变了主机的造型和外观。徐工研究院开发出水平定向钻采用的锚固装置的结构为螺旋钻进机构，地锚阀有的放在锚固装置，有的地锚阀放在发动机罩内等。、导向系统水平定向钻的目前导向系统有手持式跟踪系统和有缆式导向系统。前者经济、使用方便，但要操作人员直接到达钻头上方的地面，易受地形、电磁干扰及探测深度的限制，多在中小型钻机上使用；后者可跨越任意地形，不受电磁64干扰，但复杂，使用麻烦，效率低，价格高。目前国内市场上主要有公司的导向装置、雷迪公司的型导向仪等，以的应用最为广泛，精度和数据处理速度更快，技术较为先进，用户反应较好。徐工研究院开发出水平定向钻采用的导向系统的结构为选用的或导向仪。手持式跟踪系统，该系统由三部分组成孔底探头，地表手持式接收机和同步显示器。、泥浆系统的结构水平定向钻的泥浆系统由随车泥浆系统与泥浆搅拌系统组成；泥浆搅拌系统用于泥浆混配、搅拌、向随车泥浆系统提供泥浆，随车泥浆系统将泥浆加压，通过动力头、钻杆、钻头打入孔内，以稳定孔壁，降低回转扭矩、拉管阻力，冷却钻头、发射探头，清除钻进产生的土屑等。随车泥浆泵采用液压马达驱动方式，选用公司的活塞泥浆泵或国产的衡阳的活塞泥浆泵，最大流量，泥浆流量大，可确保泥浆要求；泥浆搅拌系统的要求搅拌系统应具有搅拌快速均匀、提供大流量泥浆、可调节泥浆配比、搅拌与输送同时进行等功能，搅拌系统装置包括料斗、汽油机泵、搅拌罐、车载泥浆泵、相关管路等，泥浆搅拌泵可选用日本等公司的产品。泥浆罐容量为加仑和加仑两种泥浆系统，用户还可选用两个泥浆罐并联，一个搅拌一个供应泥浆。徐工研究院开发出水平定向钻采用的泥浆系统的结构为加仑和加仑两种泥浆系统。65结论时间如水，毕业设计的完成代表四年的大学生活即将结束。也是对我四年学业的综合检验。本次设计我设计的是GCPS20型工程钻机。钻机是国民经济中重要的生产设备，主要用于建筑物松软地层的改良、基础的加固、隧道掘进的超前支护及加固、边坡加固和滑坡治理,以及地面不均匀沉降的控制、隔水墙、挡土墙等各种领域中。工程钻机技术要求高、钻机不仅要具有高效性、环保性，更要具有复合性。通常使用的工程钻机在工作时只有钻进，当遇到较为坚硬的岩石层，如卵石、灰岩、花岗岩等硬岩石地层，就不得不改变钻进方位，或另钻它孔，为解决此问题我设计这台带有冲击钻的多功能复合型钻机，它可有效的解决上述问题。这台钻机是集回转、冲击钻进工艺于一体的多功能复合型钻机，用转盘回转钻进时可用于第四世纪覆盖层，冲击钻进时可用于卵石、灰岩、花岗岩等硬岩地层。在近三个月的设计过程中，我了解了一些钻机的内容以及其它有关的内容66的知识。为了使自己能够完成任务，我严格要求自己，使自己的设计按照国家的标准进行制图,并且从中学到很多的知识。整个设计是在边绘制边计算的过程中完成的。我也发现仅仅书本上的知识在实际设计应用中是远远不够的，只有通过长期的实践经验才能设计出满意的产品。通过这次设计，使我对机械产品的研发过程有了一个总体的认识，为以后工作打下了坚实的基础。同时，也是对大学四年学习知识的一次检验，达到了毕业设计的根本目的。67致谢四年的大学生活即将结束，在这四年里我学会了不少的东西，无论在学习上、生活中、思想上都有很大的转变，从一开始带着父母的殷切希望，怀着充实自我，掌握一技之长，为以后找工作，实现自己的人生价值的目标作努力，到最后找工作进一步接触社会，学到一些从理论上学不到东西，增加了许多经验，这一切的成果都离不开众多可敬师长谆谆教导、不厌其烦的耐心讲解传授，以及许多同学、朋友的坦诚相见砥励共勉；加上自己对本专业有一定的兴趣，特别是在毕业设计期间，大家更是同心努力希望自己把设计搞好，因为这是四年大学生活最后的收尾工作，它是我们平时对我们所学的课程理解，接受能力，熟知程度，以及记忆能力的一个体现。在这四年中，从基础课到专业课四五十门，但这都是零散的，成块吸收，而最终的毕业设计就是把这些零散、成块的知识有条理、系统化，综合运用。达到检验所学程度的目的，既是对综合运用知识的能力的培养，又是为将来走上工作岗位的做的一次实战模拟。工程钻机对我来说是陌生的，因为平时接触这方面的知识很少。在整个设计过程中，我学会了如何把所学的知识应用到设计中去，不是单一的设计一件东西，而是要灵活运用，举一反三，能运用到别的设计中去，不过，在设计上还有很多缺陷，需要进一步完善，希望各位领导和老师提出意见，批评指正，使以后不在犯同样的错误，不断成熟、进步，在此我感谢各位领导和老师的孜孜不倦的教悔和热心帮助。经过了近3个月的时间,我的毕业设计终于作完了,在整个设计过程中我尊敬的老师们和我的同学给予了我很大的帮助，在此我深表感谢，没有他们的帮助我很难将这次毕业设计做好。我更加感谢的我的指导老师陈少云老师，在我的整个设计过程中都给予了我很大的支持和帮助，在此,我对陈老师衷心的说一声谢谢。我还要感谢院里的领导，因为是他们为我提供了这次机会。谢谢68参考文献1胡家秀简明机械零件设计使用手册机械工业出版社19992现代机械传动手册编辑委员会现代机械传动手册20013王世刚张春宜，徐起贺机械设计实践哈尔滨工程大学出版社，20014张春宜田荣芝等机械设计哈尔滨理工大学，19975王宪军赵存友机械设计哈尔滨工程大学出版社，20026濮良贵纪明刚
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