回旋冲击钻钻具星型运动结构设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 中文摘要与关键词 摘 要 ： 本毕业论文在建立星型运动原理的基础上，阐述了大直径桩基础 工程 施工中 成孔钻具的总体设计 的内容 ，其主要内容包括 整体结构设计、传动方案设计、冲击功能 的实施方案、 气举排渣方案、 钻具 主要零件的 材料选择及热处理 方式、传动部分的齿轮设计 、小钻具的设计以及传动 轴的设计等几个主要部分。 通过对行星轮传动的研究，结合目前桩工基础工程存在的问题，建立起了大直径桩基础工程成孔钻具复合行星传动的运动结构，设计出来的 钻具 兼有冲击钻 具 和回旋钻具 两种成孔 钻具 的优点 ， 设计出来的钻具结构 确保了钻具冲击和快速、及时排渣功能的实现 。 关键词 ： 复合行星运动；整体结构； 气举反循环排渣 ；气动驱动 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 on of of in of of of to of to of of on of of so of of is on of s in of s by 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第一章 前言 目前，大口径钻孔灌注桩在重大基础工程中得到了广泛的应用。在现实生活中桥梁、港口、码头、水工和工民建筑物的建筑工程中，在 泛使用冲击钻和回旋钻两种基本钻型。但是这两种钻具存以下缺点，主要是： 1、普通回旋成孔钻，成孔稳定，但成渣能力低，对不同工程地质条件适应性差，特别不适应胶结砾石地质和破岩成孔，地质适应范围受限。 2、一般冲击钻虽然地质适应性好，破岩能力强，但大直径成孔施工进度慢，震动大易致孔壁坍塌，同时大直径的重型冲击锤自旋性差，还易使成孔失圆。 3、大直径的成孔设备研发需要创新思路，以及泥浆护壁正循环排渣方法施工。在钻具方面还需要对刃具切削运动和机构继续进行创新探索，因为使用常规钻头解决大直径成孔需要，一般采取了开发大功率钻机，寻求超硬刃具材料等办法，而有逼向大功率配置和设备笨重的方向发展趋势。这样不仅固有的问题没有解决，而且又更加大了施工设备投资，影响了工程建设效益。 4、沉井护壁非排水施工的设备缺乏。非排水沉井护壁施工可避免发生沉井偏位、滞留和井口沉陷以及下沉缓慢等诸多问题，还可解决如污水处理需要的大直径曝气井的同步施工问题。 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 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 是仍然避免不了上文提及的一些实际问题，如钻具的使用寿命短，钻具的成本高；有的 只是提高了成孔的效率，没有结合工程实际解决钻具实用性的要求。 最近，日本利根公司生产的 过理论分析钻机能综合实现回旋钻具和冲击钻具的优点，但实践表明：这种钻机在实际运用过程中只具回旋钻的工作特点，不能实现冲击钻的冲击功能，只能实现回旋钻的基本功能；而且其工作范围也因它的工作原理受到一定的局限，比如在地质条件较差的工地上施工，其工作效率低，消耗的能量也比较多。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 鉴于以上情况，为适应各类建筑工程钻孔灌注桩基础设计和施工的发展需要，通过探索一种能建立起成孔刃具群进行复星形运动的机构，使钻具兼有冲 击钻和回旋钻两种基本钻型成孔原理的优点，创新开发出一种新型成孔钻具是发展的需要，这样可以满足桩基工程施工要求快速高效、稳定可靠、广泛适用的要求以及超大直径方向发展。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第二章 建立 星形 运动的基本原理 在桩基工程施工中大量使用的回旋钻头，其工况状态的一个最大特点，就是切削刀刃与孔壁和孔底保持整体的线面接触状态，以挤压作用效应为主，刮削切入阻力大，成渣能力低，且线速分布不均，作用能量分散，无效功耗大，所以刮削作用难以有效发挥。如果能使单个 小直径刃具能实现如图 1 所示的平面 单迹线运动，切削刀刃与孔壁和孔底保持近似点状态接触，并同时具有径向旋削和轴向冲击破碎岩石的功能，则由数个小直径刃具组成的刃具群将会在成孔运动中产生群体作用效应，这样由若干连续点的钻削运动，形 成周边圆形的细密网状的成孔平面 ，从而实现钻具群体逐层由上至下的整体成孔运动。 图 1 群钻运动轨迹示意图 为了实现这种复杂的运动，其中复合行星运动则可以实现这种运动。 通过研究得出这种运动的运动原理，其运动原理如 图 2 所示。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 2 星型运动原理图 由运动原理图，可得出钻具 各零部件的连接关系 ，其结构简 示意 图如“图 3”。 图 3 结构简图 在图 3 中： 1 主传动轴 ， 2 中心太阳轮， 3 行星轮， 4 内齿圈 ， 5 孔底钻 杆 及 齿轮 ， 6 托盘 ， 7 孔壁钻 杆 及 齿轮 ， 8 外壳 。 其中，外壳与内齿圈为一个整体，托盘与外壳之间有滑动摩擦。 在整个运动过程中，由中心太阳轮带动 3个均布在内齿圈的行星轮作自转、公转运动；托盘通过套在行星轮上的孔底钻 杆及齿轮 带动托盘作圆周运动（绕太阳轮的中心作公转）， 同时，受结构的约束， 孔底钻杆齿轮则与行星轮运动形式一致：既作 绕中心轴 作 公转运动，又 绕钻杆中心作自转运动 ，其运动轨迹是一个复杂曲线运动，如图 1 所示 ； 孔壁钻的动作是通过连在托盘上面的孔壁钻杆，通过托盘的圆周运动带动整个孔壁钻 杆齿轮与内齿买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 圈啮合：既绕中心 太阳轮做公转， 同时 绕钻杆中心作自转运动， 其运动轨迹和托盘一样：绕太阳轮作圆周运动。 2 1 运动条件 根据机械原理的知识，机构要实现有规律的运动应满足原动件的数目应等于运动链的自由度数。通过以上分析则可以得出： 2 与 3 之间为一个高副， 3 与 4 之间为一个高副，孔底钻齿轮 与 托盘 之间为一个高副， 孔壁钻齿轮 与 内齿圈 之间为一个高副；中心太阳轮与机架之间有一个回转副， 孔底钻 杆与行星轮之间有一个转动副，孔壁钻杆与托盘之间有 一个转动副 ，托盘与外壳之间有一个回转副。 同时 ， 孔底钻 杆及齿轮既 绕行星轮中心作回转运动 又绕中心轴作回转运动 ， 即存在两个回转副； 同时钻杆与其齿轮之间有上下的移动副 。 即： F=3 (1) 通过计算，满足原动件的数目等于机构的自由度数的基本条件，因而这种机构具有确定的运动。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第三章 整体 结构 设计 要考虑的问题 为了很好地解决当前 建筑工程钻孔灌注桩基础设计和施工中出现的问题，创新开发一种回旋冲击钻，使钻具兼有冲击钻和回旋钻两种基本钻型 成孔原理的优点 ，在设计过程中应考虑以下问题： 3 1 回旋冲击钻具的 适用范围及 性能要求 在目前的建筑工程上， 主要采用旋转式钻孔机和冲击式成孔机。其中旋转式成孔机具有适应性强（只要变更钻头类型和压重数量，就可以适应各种松软覆盖层直至极应的硬岩层），并可以满足各种施工要求：桩径可以由 10至几米；钻孔深度可以由几米直至上千米。还具有噪声低、振动轻微、成孔率高等特点，故广泛应用在建筑工程上。冲击式成孔机 的工作原理是利用成孔机的曲柄连杆机构，将动力的回转运动改变为往复运动，通过钢丝绳带动钻头上下运动，使钻头产生冲击作用，将地质层的卵石或岩石破碎，同时钻渣由取渣筒取出。冲击式成孔机能适用于任何土质条件，对于直径大于 300量又在 10%以上的大漂石岩层或整体岩层只能采用冲击式成孔。 但是， 1、普通回旋成孔钻，成孔稳定，但成渣能力低，对不同工程地质条件适应性差，特 别不适应胶结砾石地质和破岩成孔，地质适应范围受限，所需配备设备功率大 ，能量损耗大。 2、一般冲击钻虽然地质适应性好，破岩能力强，但 对于 大直径成孔施工进度慢，震动大易致孔壁坍塌，同时大直径的重型冲击锤自旋性差，还易 使成孔失圆。 回旋冲击钻 建立起了切削刃具群 的星形运动。通过小直径刃具群的星形运动，又同时具有转动切削和冲击破石的功能， 则小直径刃具群的复合运动和作用， 可提高成孔效率，使钻具兼有冲击钻和回旋钻两种基本钻型成孔原理的优点， 即保留旋转钻机的成孔率高，成孔稳定等特点，同时利用冲击钻地质适应性强的特点 ，较好地回避了岩石的韧性和耐磨性，而利用了岩石的脆性和不耐冲击的特性， 增大了 钻具的地质适用范围，既适用于在松软地层和砾石层成孔，也适用于基岩嵌入成孔 。同时利用气举排渣实现快速排渣， 根据实际工作要求的需要 使钻具用较小的功率达到 旋转钻机和冲击式钻机的综合优点 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 通过 综合比较，创新设计出来的回旋冲击钻应广泛适用于各种软硬不同的地质条件 ： 适用 于 地质等级为 X 即 流沙，沼泽土壤，含水黄土及其他含水土壤 至比较坚固的页岩层、 各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩，砂质页岩，页岩或砂岩 （ 岩石的单轴抗压强度 为 3 50。 参照一般普通回旋钻具，回旋冲击钻的主轴旋转速度为 16 45r/考 水电机主轴转速） ,传递 扭矩 为 m，冲击频率为 45r/ 同时，设计出来 的 钻具有以下特点： 1、 在钻同直径的地下孔，回旋冲击 钻 与普通的旋转式成孔机和冲击式成孔机相 比，所消耗的功率要小，成孔效率要高； 2、设计出来的回旋冲击钻要求其小钻兼有自旋运动和往复移动的冲击功能， 实现地下成孔。 其中自旋运动是用来拨松孔底的泥土沙石，往复的冲击功能则是用来击碎孔底较大的沙石颗粒，便于钻具实现快速排渣； 3、回旋冲击钻 的使用寿命比一般的钻具使用寿命长。 3 2 回旋冲击钻成孔原理及存在的问题 由图 1 可以看出，回旋冲击钻的工作面积是一个网状的包络面。通过实地考查， 结合回旋冲击钻的性能要求，我们发现要达到这种加工目的，在冲击过程中，要实现分阶段分别对孔底钻，孔壁钻和钻具的外壳进行冲 击。同时在冲击完成后，需要有装置将小钻头提回至一定的高度，实现小钻头的自旋和拨松泥土沙石的功能。其冲击工作状态如图 4。 在图 4（ a）中， 1 孔壁钻杆和 2 孔底钻杆在传动装置的作用下实现自旋运动，实现拨松泥土沙石的作用，使得土层 a 变为碎石状态；在冲击力的作用下，空底钻和孔壁钻进 100入坚硬的岩石层。同时在冲击力的作用下，整个钻具的外壳和中心钻连同上面的整个传动部分的零部件往下钻进 100击力撤消后，钻杆在回位装置的作用下，往上移动 50作自转运动。在整个冲击过程中，（ a）中的碎石状孔渣在钻 头的自转变为流沙状，最后在反循环气举升渣的作用下，将直径小于 180颗粒排到工地上。 图中装置 4 是三个均布在托盘上面的撑架，钻具在作回旋运转的时候，撑架将整个钻具撑起，使得钻具的传动机构离孔底工作面有一定的高度，从而使得小买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 钻头在没有压力的情况下作自转运动，实现拨松泥土的功能；同时在冲击状态下，冲击锤先作用于孔底钻，后作用在孔壁钻，最后冲击力落到钻具的外壳上面，通过连在托盘上面的撑架将大部分冲击力传至地面。随着托盘绕钻具中心做回转运动，带动撑架和滚筒作纯滚动，同时起到松散石块的作用。 为了实现快速排渣，排 渣口不得设置的太高，必须控制在在回旋状态下钻头的工作范围内。这样才能保证钻具在不同的工作状态下，钻具形成的孔渣不至于上升到整个钻具的传动装置内，磨损整个装置传动的零部件。 1 孔壁钻， 2 孔底钻， 3 中心钻， 4 撑架 a 碎石状， b 坚固岩石层 (a) 回旋状态 b 坚固岩石层被击破 (b) 冲击状态 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 a 流沙状， b 碎石状， c 岩石层 (c) 回位 状态 图 4 钻具成孔过程示意图 3 3 回旋冲击钻结构的具体布局 3 3 1 抗扭装置 由图 2 和图 3 分析可以得出，传动装置里面的内齿圈 与钻具的外壳要作为一个固定件 ，实现内齿圈的抗扭转作用。结合实际工程的情况， 在钻具的外壳位置安装一个抗扭装置，如图 5。在图中 1 为板簧， 板簧的一端与上支架采用圆柱副连接，另一端采用滑动副。通过 两个支架 和螺栓 一起将整个部件连接到钻具的外壁。钻具在工作时，板簧在外力的作用下，发生变形，紧贴靠在孔的内壁，通过板簧作用在地下孔内壁的静摩擦力来实现整个钻具的抗扭功能，使得整个钻具按照规定的运动工作。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 5 抗扭装置 在钻具向下钻进的过程中，在摩擦力的作用下，板簧向孔壁张开， 板簧向上移动， 加大与井壁的摩擦力，有效地实 现抗扭作用。在提钻过程中，由于摩擦力的作用下，板簧向下移动，使整个装置脱离井壁，减少与井壁的摩擦 ，这样有效地避免了功率的损耗。 3 3 2 小钻具复位装置 由于整个钻具的性能要求：小钻头既要实现自转运动，又要实现往复运动。小钻具在冲击力的作用下可以使小钻头实现冲击功能，但同时又要实现复位功能。同时，在复位之后冲击之前小钻头要具有一定的压力实现拨松泥土的作用。 为了实现这样的功能要求，故在小钻头的两端加上两个弹簧：上弹簧要求弹性系数较小，容易发生弹性变形，这样才可以减少冲击力的损失；下弹簧要求具有较大的弹 性系数，这样才能保证小钻头在上升的过程中 具有一定的向下的压力，有效实现小钻头的拨松泥土的功能。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第四章 设计主要内容 方案比较 该钻具的创新就是利用行星轮运动的特点，行星传动的特点有： （ 1）体积小，质量小，结构紧凑，承载能力大 由于行星齿轮传动具有功率分流和各中心轮构成共轴线式的传动以及合理地应用内啮合齿轮副，因此可使其结构紧凑。再由于在中心轮的周围均匀地分布着数个行星轮来共同分担载荷，从而使得每个齿轮所承受的负荷较小，并允许这些齿轮采用较小的模数。此外，在结构上充分利用了内啮合承载 能力大和内齿圈本身的可容积体积，从而有利于缩小其外廓尺寸，使其体积小，质量小，结构非常紧凑，且承载能力大。一般，行星齿轮传动的外廓尺寸和质量约为普通齿轮的 1/2 1/5（即在承受相同的载荷条件下）。 （ 2）传动效率高 由于行星齿轮传动结构的对称性，即它具有数个匀称分布的行星轮，使得作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力能互相平衡，从而有利于达到提高传动效率的作用。在传动类型选择恰当、结构布置合理的情况下，其效率值可达 （ 3）传动比较大，可以实现运动的合成与分解 只要适当选择行星齿 轮传动的类型及配齿方案，便可以用少数几个齿轮而获得很大的传动比。在仅作为传递运动的行星齿轮传动中，其传动比可到几千。应该指出，行星齿轮传动在其传动比很大时，仍然可保持结构紧凑质量小、体积小等许多优点。而且，它还可以实现运动的合成与分解以及实现各种变速的复杂的运动。 （ 4）运动平稳、抗冲击和振动的能力较强 由于采用了数个结构相同的行星轮，均匀的分布于中心轮的周围，从而可使行星轮与转臂的惯性力相互平衡。同时，也使参与啮合的齿数增多，故行星齿轮传动的运动平稳，抵抗冲击和振动的能力较强，工作较可靠。 通过 对 整个钻具的工作原理的研究，钻具的小钻头要具有自转和公转运动的功能， 以实现小钻头旋削泥土，拨松泥土实现快速排渣的功能。 同时为了实现钻 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 空心钻杆公转方向装有刀具的钻盘自转方向图 6 钻头运动轨迹图 具的冲击功能小钻头的钻杆需要具有往复移动的功能。这样才能整个钻具将回旋功能、冲击功能和快速排渣功能集为一体。 钻头的运动轨迹如图 6。 结合行星轮传动的特点， 根据钻具的性能要求拟订以下方案： 方案一、潜水电动机将动力传递给减速器，减速器通过差动装置将动力分别传递公转齿轮轴和自转齿轮轴，再由公转齿 轮轴带动公转箱作公转，而由自转齿轮轴带动行星齿轮作自转运动。 方案二、由潜水电机直接将动力传给主传动轴，通过中心太阳轮和三个齿轮杆 驱动套在小钻杆上面的齿轮做自转运动，同时绕中心轴做公转运动。 同时，通过钻杆和液压缸连接实现钻杆的往复直线运动，以实现小钻头的冲击功能。 方案三、通过潜水电机将动力直接传给主传动轴，通过中心太阳轮、行星轮、内齿圈、孔底钻杆、托盘以及孔底钻杆齿轮带动钻杆做自转和公转运动，同时通过托盘机构、孔壁钻杆、内齿圈以及孔壁钻杆齿轮带动孔壁钻绕中心轴做公转运动，同时绕孔壁钻杆做自转运动。同时，整 个机构钻杆和钻杆齿轮用滑动的花键连接和附属的两个弹簧以实现钻杆的往复运动。 通过比较可以看出，方案一能实现钻杆的自转和公转运动功能，但 小钻具没有上下往复运动的功能，使得 整个钻具不具有冲击功能，其作用效果如同普通的回旋钻；方案二能实现钻杆的自转和公转运动功能，同时钻具具有一定的冲击功能。但是采用液压冲击不能实现快速冲击功能。同时，由于在整个装置中，液压缸随钻具作回转运动，这样将导致液压管道旋扭在一起，不能很好地实现冲击功能 。同时由于外壳的存在限制了小钻杆的工作范围，使得钻具不能向下钻进。 方案三既能实现钻杆的自 转和公转运动功能，又能实现钻杆的往复运动的功能，通过孔壁钻杆、中心钻杆和孔壁钻杆的群体作用很好的将钻具下面的 土掏空，在冲买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 击力的作用下使得整个钻具整体下降，实现 层进钻孔。 通过比较得出方案三为最佳方案。故采用方案三进行设计。 4 2 气举升渣方案设计 15 在目前的桩工机械建筑工程上，为了实现快速排渣功能，主要采用泵吸反循环排渣和气举 反循环 排渣两种方法。 泵吸反循环施工原理。先在桩位上插入比桩径大 10% 15%的钢护筒，护筒的顶面标高至少应比最高地下水位高出 2m。钻机水龙头出口与砂石泵由橡胶软管联在一起， 同时与砂石泵组装在一起的还有真空泵。钻孔时，真空泵先启动，通过软管将孔内的泥浆吸出水龙头，顺着吸渣软管到达砂石泵内，砂石泵启动后，孔内的泥浆与钻渣从空心钻杆内被吸出，送入沉渣池，稀浆流入孔内，这样的循环方式称为泵吸反循环。泵吸反循环由于受到真空度的制约，一般的钻孔深度约为 50m，深度大于 50m 的钻孔桩，则应采用气举反循环的方式排渣。 气举 反循环 排渣的工作原理。 在钻进过程中，空压机将高压空气 通过 空气管道送到主传动杆排渣口附近，并向空心轴内喷出。当气体与泥浆混合后，混合体的密度大大降低，从而迅速从中心轴的中心孔 上升，使轴的下端形成真空，于是将钻渣 吸上来，并随着气浆混合体从出口排出。 当钻孔深度超过 50m，一般 压的空压机产生的风压无法有效冲入钻杆，排渣能力下降，此时可改为在主传动杆中间位置通气。通气孔一般放在孔深 40m 处左右，比较几种排渣方法的排渣效率可知，采用气举反循环，孔深在 80m 处排渣的效率仍然良好，而泵吸反循环排渣，在孔深 50m 处就十分困难了。因此，施工中对浅孔往往采用泵吸反循环，而对深孔则采用气举反循环。 通过比较可以得出：采用泵吸反循环，其排渣能力容易受到孔深的限制，且设备成本比气举排渣所采用 的设备要高，所以在排渣方面优先选择气举排渣方案。 同时，在气举排渣的基础上，可以采用泥浆循环系统排渣。它的主要作用是利用 主要作用是利用泥浆作为载体进行排渣；另一个重要的作用是具有较好的护壁作用，可以减少甚至完全阻止孔内外的渗漏，因此又具有稳定水头的作用。施工中对泥浆的要求较高，泥浆的好坏对成孔的质量以及桩的质量都有重要的影响。买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 泥浆一般有纯硼润土泥浆与硼润土黄泥混合泥浆。在泥浆中加入一定比例的纯碱（或碳酸氢纳）和纤维素（如 可以大大地提升孔壁的稳定性。高质量的泥浆主要用于支承桩，对一般摩擦桩，则多采用 混合泥浆或黄土泥浆。 4 3 冲击锤的具体实施方案 4 3 1 气动冲击的优点 冲击锤的冲击功能采用气动冲击，与液压冲击系统 、机械传动 相比其具有以下优点： 1、以空气为介质，供应、排放处理都比较方便。 2、气动动作迅速、反应快； 3、气动结构容易安装，拆卸； 3、工作环境适应性较好。 结合钻具的整体性能要求和安装维修方面的要求采用气动冲击方案较为合理。 4 3 2 气动结构设计 30 由于整个钻具 的 钻具群做不规则的旋转运动， 要实现对每个小钻头均匀的冲击功能，锤体的中心应与中心传动轴的中心重合。同时 ，锤体要和整个气动系统安装在传动轴上。 为了解决气动管路不旋扭在一起，实现畅通快速充气和放气，故将气动驱动结构设计成为如图 7。图中， 1 主传动轴， 2 气缸护套， 3 气缸压盖， 4 活动活塞， 5 固定活塞， 5 气缸外壁， 7 锤体， 8 快排气缸。其中，主传动轴与潜水电机直接连接，气缸护套通过上部的支架与外壳保持静止，气缸部件套在气缸护套上保持静止。同时，锤体通过螺栓连接在气缸的外壁上保持同气缸护套、气缸外壁一致。这样的结构就可以实现气路的管道不至于旋扭打结，从而保持气路通气顺畅。为了实现冲击功能，采用活塞固定、气缸 运动的方式，通过气缸外壁的往复运动带动锤体实现冲击。在图中，活动活塞和快排气缸是为了实现气体快排的机构。其中，快排型冲击气缸的动作包括准备过程和冲击过程两个阶段。 准备过程：先使 充气， 通大气，活动活塞在压力的作用下被推到下边，通过密封圈的作用切断气缸上腔到 通道。然后 气使得缸体带动买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 锤体上升，充气一直通至气源压力。 图 7 气缸驱动结构 冲击过程：先使 气， 气，活动活塞开始上移，这时固定活塞的上腔受密封的切口打开，受压缩的气体通过 体壁上的方孔快速直接排到大气中。因为 这个排气通道的通流面积较大，所以活塞的上腔压力可以在极短的时间内降低。当降到低于蓄气缸压力的 1/9 时，缸体和锤体锤体自重的作用下开始下降，同时缸体的下腔快速充气，使得缸体和锤体在最大的压差的作用下以最高的速度向下冲击，以满足钻具的需要。 4 3 3 气动冲击力的计算 通过对钻具整体性能的分析，冲击力的大小应大于岩石的抗压力。 单个 小钻买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 具作用在岩石上的作用面积为 825 2 那么 单个钻具 所需要的冲击力大小1F： 1F=S*P 式中，1F 单个钻具所需 冲击力， S 钻头作用面积， P 岩石的抗压强度；在上文已提到钻具使用范围为 岩石抗压能力为 3 50地质范围。故 1F=S*P=825 250于钻具群做不规则的运动 （取系数为 驱动动力为群钻的 总和 F， 1F n F 式中 ， F 驱动动力， n 钻杆数， n=15，1F 单个钻杆破岩力， 冲击力系数， 1 1 5 4 1 . 2 5 0 . 8 4 9 5F n F K N 即总驱动动力为 495 4 3 4 气动结构的密封 有关气动方面的密封问题可以参考液压密封的技术参数。 由于气动结构部分的密封有压力的要求， 而且有些 密封处有相对运动 。 为了很好的解决 有 气压 要求的 密封 问题 采用图 8(a)密封结构，有相对直线运动 零件之间的 密封 采用图 8(b)密封装置，以解决 O 型密封圈变形问题。 在图中， 1 橡胶挡块， 2 O 型密封圈。 4 4钻具的密封与润滑 30 由于钻具采用复合行星运动，使得整个钻具的润滑与密封加大了难度。为此在解决该钻具的润滑与密封问题时，其实施原则是：采用局部封闭式润滑和开式润滑相结合。为了减少运动零件相互之间的摩擦问题，在相互运动零件之间添加防摩擦体，减少运动体之间的接触面积。同时，为了保证钻具的使用寿命，可选用耐磨材料、采用适当的热处理工艺等方法。其具体实施方法见装配图纸。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 8 密封装置 示意图 4 5 整体结构功能分析 为了钻具能很好地实现冲击功能，保证 钻具能实现层进成孔，这就要求整个钻具在冲击力的作用下能整体下降。 4 5 1 钻进过程 在钻进过程中， 整个钻具在冲击力的作用下有向下的运动趋势，使得抗扭装置上的板簧向孔壁张开，加大与孔壁的摩擦力，保持内齿圈不运动的特点。 小钻买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 具在气缸壁带动冲击锤的作用下将孔底坚硬的卵石冲碎。完成一次冲击后，小钻具在复位弹簧的作用下自动复位。在传动齿轮的带动下，小钻具做自转和公转的复合运动把钻渣搅拌至中心轴的排渣口，钻渣气举升渣机构的作用下， 底的钻渣通 过气举 升力将其排到 工地上 。 实现钻具的排渣快速功能。 同时托盘在小钻杆的作用下，带动托盘绕中心轴做回转运动。连接在托盘上面的支撑架 与其底部的滚筒也起到松散钻渣的作用。 由于支撑架和抗扭装置的作用，钻具 悬空在孔底的上方。当冲击锤的冲击力作用到钻具的外壁上，钻具的外壳将带动内齿圈和上面的罩壳整体有向下的作用力。冲击力通过托盘上面的防摩擦装置和托盘传至支撑架上；同时部分冲击力通过罩壳与其连接为一体的机构 传至中心传动轴的轴肩，将钻具的主传动轴往下压，从而实现整个钻具整体向下进行层进成孔。钻具在往下钻进的过程中，其主传动轴 始终做回转运动。 4 5 2 提钻过程 钻具在工地上面支撑架和电机的作用下往上移动。在移动过程中， 抗扭装置的板簧在孔壁摩擦力的作用下，减少钻具与孔壁的摩擦；同时，通过主传动轴轴肩的作用将拉力通过罩壳等结构将力传至外壳上，从而带动整个钻具上升。在提钻过程中，连接在主传动轴上的电机停止工作。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 五 章 回旋冲击钻的性能 、 技术参数 及注意事项 5 1 回旋冲击钻的性能、技术参数 22 表 1 回旋冲击钻的性能、技术参数 适用地 质条件 适用 于地质等级为 X 即 流沙，沼泽土壤，含水黄土及其 他含水土壤 至比较坚固的页岩层、 各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩，砂质页岩，页岩或砂岩 （ 岩石的单轴抗压强度 为 3 50 钻机总重 （ /吨） 型尺寸 （ / m m m m m m） 1 5 6 0 1 5 6 0 4 3 0 0成 孔直径 （ /m） 孔深度 （ /m） 80 主轴转速 （ r/ 32 钻杆转速 （ r/ 30 配套潜水 电机功率 （ / 22 输出功率 （ / 20 冲击压力 （ / 495 冲击频率 （次 / 45 钻进速度 （ m/冲击） 击行程 （ /m） 渣效率（ h） 渣气源气压 （ / 孔效率 （根 /天） 9 5 2 钻进注意事项 1） 钻孔开始时，在钻机外壳不转的前提下应先打开气动排渣回路，再启动潜水电机，待钻机托盘的支撑系统 稳定 下降到地面后启动冲击 气缸 气动回路 ；提钻时应先断开冲击回路的气源，然后关闭潜水电机的电源。同时，在提钻的过程中通过钻具与孔壁之间的空间向孔底灌注泥浆，通过调 整排渣气源压力，将地下多余的 水排到工地上 （建议水位为 3m 左右） 。 2） 在钻进过程中，应有专人负责，保证孔内外水头差的高度，尽量减小水头过快的变化。同时应随时注意钻渣的形式：若排出来的钻渣是黄泥和细沙，可买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 以适当加大冲击的频率，实现快速钻进；若排出来的钻渣是大颗粒的胶结卵石和岩石，可以适当的加大冲击力，减少主轴的转速，保证破岩的压力。 3） 钻进过程中，每班工作人员应坚守岗位，司机、技术人员要随时观察各种情况， 并做好相关的记录工作。 如钻机工作是否正常，空压机、供浆量及排浆量是否正常等等，若发现异常现象 应及时采取相应的措施。 4） 在正常钻进时， 若发现钻机在长时间内不能钻进，可略提起钻具，并调整钻机的位置 再下钻 。 5） 钻机使用后应对钻机的整个零部件进行检查，并清洗钻机上面的泥沙。对那些磨损较大的零部件做好记录并进行适当的维修，为以后钻机结构设计的完善工作提供必要的参考资料。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 六 章 主要零 部件参数及结构 设计 6 1 主传动轴设计 轴的设计也和其它零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两方面。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。 由于主轴要完全处于水下的泥浆之中，在满足强度、刚度的情况下，要有一定的防腐蚀能力，这就要求合理的选择材料。轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数是用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。合金钢比碳钢具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈 的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。 初步选择主轴 的材料为 40 6 1 1 主轴的结构设计 10 轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴联接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。其主要考虑的问题如下： 1）、 定轴上零件的装配方案 拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。由于钻具的外形特点为圆筒形，这样就存在三种装配方案：一种是 零件在主轴从上到下进行装配；一种是零件在主轴上从下到上进行装配；还有一种是零件从主轴两端进行装配。分析可知，前两种装配方案对加工精度和装配工艺要求很高，且存在主轴在一个方向上存在过多阶梯的情况，影响轴的强度。最后一种装配方案能从主轴的两端分别进行装配，轴的径向尺寸变化不大，这对轴的结构将大大简化，提高了轴的强度。根据以上分析，选择零件从主轴上两端进行装配的方案。 同时综合考虑现行的加工水平，为了减少加工的成本，主轴采用分段加工买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 制造。初步拟订整个钻具的主轴分三段，各段装配完后用法兰盘连接。 2)、 轴上零件的定位 为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求者外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置。 轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈和轴承端盖来保证的。对钻具来说，其工作时受到的轴向力很大，且变化较大。这样安装其上的齿轮将用轴肩来进行定位。 由于整个结构采用对称的形式， 不能很好地解决装配问题， 故轴肩通过焊接的方法加工出来。 由资料得，定位轴肩的高度 h=(0.1)d，其中 d 为与零件相配处轴径尺寸。对下端太阳轮的轴肩高度 h=( 150=15 12端中心传动齿轮处 h=( 150=5 12 周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。齿轮 与轴的周向定位均采用 矩形花键 连接。为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 H7/推力 轴承与轴的定位是借过渡配合来保证的，其值径尺寸公差为 6 1 2 主轴的校核 进行轴的强度 校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采用相应的计算方法，并恰当的选其许用应力。分析主轴的载荷分布情况可知， 主传动轴主要是受钻具电机的旋转扭矩，故采用扭矩强度校核。计算过程 如 表 2 下： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 表 2 主轴的校核 10 计 算 数 据 计 算 结 果 主轴承受的最大扭矩 根据初定的参数选最大量 轴结构参数 根据结构初定外径为 240径为 180 抗扭截面系数 3 3 44 ( 1 )( 1 )1 6 5t d d = 4341802 4 0 (1 )2405 =1598400 3轴的扭剪应力 = 01598400 =已选定轴的材料为 40质钢，查得 1 =70此 1 ，故初定的 结构参数在安全范围内 。 6 2 传动齿轮设计 6 2 1 针式齿轮设计说明 1）齿轮机构的类型很多，但直齿圆柱齿轮传动乃是最简单、最基本， 但是对于本设计而言，其维修不方便，故在本设计中采用针式齿轮传动。但为了计算方便，其计算设计过程采用等效方法，用圆柱齿轮的设计计算方法计算、校核针式齿轮的强度。 2）该机构为一般工作机器，速度不高， 但其 工作环境恶劣， 参考相关资料 选用 9级精度。 3） 与常规齿轮一样，针式齿轮的工作部分的齿轮材料采用 20为了减少制造成本， 其他的固定部分采用铸钢。 4） 初 选中心太阳轮齿数 30，而一般 i=1 3， 参考桩工机械 查齿轮传动比经验值，取 i=2 = 6 2 2 按齿面接触度 强计算 2 由设计计算公式进行试算 ,即 : 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 23 12 . 3 2 (1) 确定公式内的各计算数值 表 3 传动齿轮计算 1 设计计算项目 设计依据 设计结果 载荷系数 t=（ 取 矩 T 根据实际工况要求 取 T=宽系数+u) a 取a=料影响系数 查机械设计 手册 接触疲劳强度 查机械设计 手册 11300 2560 算应力循环次数 N=60108 108 接触疲劳寿命系数 查机械设计 手册 2触疲劳许用应力 H = 1 取失效概率为 1%,安全系数 S=1 H 1 =1248 H 2=文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 （ 2）计算 表 4 传动齿 轮计算 2 设计计算项目 设 计 依 据 计算结果 小齿轮分度圆直径 23 12 . 3 2 H 取最小值 65算圆周速度 116 0 1 0 0 0 m s 计算齿宽 b b= d b=106算齿宽与齿高比 b/h 06/30= *2 h C m=b/h=算载荷系数 K= 用系数 载系数 荷分布系数 K 2 31 . 1 5 0 . 1 8 ( 1 0 . 6 ) 0 . 3 1 1 0H d = K=正后分度圆直径11d=337数 m 11 m= 2 3 按齿根弯曲强度设计 2 由式 (10弯曲强度的设计公式为 ： 13 212 F a S （ 1） 确定公式内的各计算数值 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 表 5 传动齿轮计算 3 设计计算项目 设计计算依据 设计计算结果 齿轮的弯曲疲劳极限1机械设计手册 1 620 P a 2 380 P a 疲劳强度系数11 2 疲劳许用应力 1F 11F N F 1 0 . 8 6 6 2 0 3 8 0 . 8 61 . 4F M P a M P a 2 0 . 8 8 3 8 0 2 3 8 . 8 61 . 4F M P a M P a 载荷计算 K A V F K K K 1 . 5 1 . 0 6 1 . 4 1 . 2 4 2 . 7 6K 齿形系数11 2 应力校正系数 11