非开挖水平定向钻机动力头装置设计【4张CAD图纸】【优秀】

非开挖水平定向钻机动力头装置设计

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非开挖水平定向钻机动力头装置设计说明书.doc

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目录

摘  要 ........................I

第一章绪论1

1.1课题研究的背景及其意义1

1.2 国内外研究情况2

1.3 非开挖水平钻机的结构及工作原理3

1.4 课题的研究3

第2章 非开挖水平定向钻机动力头装置设计的方案5

2.1动力头现阶段情况5

2.2 动力头方案对比与选择6

第3章 非开挖水平定向钻机动力头装置参数的确定10

3.1最大回拖力10

3.2最大回转扭矩10

3.3动力头零部件选型与设计12

第4章 动力头的三维建模25

  4.1 动力头的三维建模26

4.2 动力头传动运动仿真现象.......28

第5章 总结30

参考文献:31

非开挖水平定向钻机动力头装置设计

摘    要

   非开挖水平定向钻机是完成地下管线铺设和修复的重要机械装置之一，在加大城市化建设的过程中起着不可替代的作用。在该钻机中，动力头起着重要性的作用，它是给钻机提供推进和回拖运动的机械传动执行结构，其性能直接影响整机的工作效率。本文基于非开挖水平钻机动力头进行结构设计，并对其进行三维建模与运动仿真。首先以非开挖水平钻机的背景和意义为入手点，介绍了研究该课题的必要性；接着通过对动力头不同结构的分析，选择出适合该课题的结构类型，并对内部结构进行选型和设计；采用传统的设计和强度校核方法，验证了设计的合理性；最后完成三维建模，并对模型进行整体装配，完成传动部分的运动仿真。本文研究的水平定向钻机，在设计和疲劳强度方面基本符合产品的要求。

关键词：非开挖水平钻机；动力头；设计；三维建模

Trenchless horizontal directional drill head unit design

Abstract

　　Trenchless horizontal directional drilling is completed underground pipeline repair and laid one of the important mechanical device, the application of trenchless  horizontal  rigs plays an irreplaceable role during the process of increasing urbanization. Trenchless horizontal drilling rig, the power head plays a role of importance;  it is the mechanical drive to the rig and implementation structures provide propulsion and drag back to  the action,  its performance directly  affects  the efficiency of the machine.  The paper is based on thesefeatures of  trenchless horizontal drill head for structure design,  and carries on themodeling and Dynamic Simulation. First, this paper through the background and signifc-ance of trenchless  horizontal  drilling rigs starting point,  introduces the necessity to do this project;  followed by an analysis of the internal structure of the different power head,choose the appropriate type of structure we need,  and completed the selection and designof the internal structure; using the traditional method of design and strength check, verify the rationality of the design;  Finally,  complete it’s the 3D-modeling based on  thewhole assembly model and transmission part of Dynamic Simulation. In this paper, in terms of design and fatigue strength aspect basically with the requirement of product in our study the horizontal directional drilling.

Key Words: Trenchless Horizontal Drill; Power Head; Design; 3D-modeling.　　　　　　

 第一章 绪 论

　　　非开挖施工技术虽然距今已有近百年的历史,但其重大发展始于本世纪50年代,尤其是近十几年"近年来,非开挖管线工程施工量已占全部地下管线工程的10%,个别地区如德国柏林市己达到40%左右"我国非开挖技术的市场前景与现代化建设的进程密切相关,加速基础设施和基础工业的建设是最基本的前提,因此对石油管道!煤气管道!电力电缆管道!自来水以及污水管线等各种地下管线的需求可望在短期内内有较大幅度的增长,这为我国非开挖技术的发展提供了有利的条件,市场潜力巨大。

　　　目前,为了避开现有的密集管网系统,大城市管线埋深有加大的趋势,例如上海,北京等,有些管线的埋深已达10m左右"开挖施工的成本随埋深的加大而提高,非开挖施工的优越性更为显著"研究表明,当埋管深度超过4m时,开挖施工的成本开始高于非开挖施工的成本,此外,随着设备利用率的提高,施工经验的丰富,非开挖的施工的成本也会逐渐降低。

　　　此外,随着现代文明意识和环保意识的逐渐加强,开挖路面进行地下管线施工导致的社会问题!交通问题和污染问题已越来越受到人们的关注"城市限制开挖施工的法规也己经陆续出台,其适用面将逐渐扩展,这对非开挖技术的推广应用无疑会产生极大的推动作用"例如,为了保护城市道路,减少地下管线施工导致的交通堵塞,国务院于1996年10月1日公布的5城市道路管理条例6规定,新建道路5年内不准开挖;修复道路3年内不准开挖。

　　　综合社会效益!行业发展趋势!施工规范要求以及不断提高的水平定向钻进施工技术水平几个方面,可见对水平定向钻机的研究有着重要的实际应用意义。

1.3 非开挖水平钻机的结构及工作原理

　　　非开挖水平钻机其整机主要由动力头、底盘、钻架、发电机系统、钻杆自动存取装置、钻杆自动润滑装置、虎钳、瞄固装置、钻具、液压系统、电气系统及泥浆系统等部件组成。动力头是非开挖水平定向钻机的核心部件，其可靠性及质量的好坏将直接影响整机的正常使用，是实现回转钻进和泥浆输送的部件。动力头能够产生驱动钻杆钻头回转，承受钻进、扩孔、回拖过程的反力。

　　　非开挖水平钻机的工作原理：由动力源提供的动力驱动液压泵，经液压泵带动马达，马达驱动钻头旋转钻机，接着通过连续加长钻杆在地下形成导向孔，导向孔形成后将扩孔钻头安装在钻杆上进行多次扩孔，随后将管线安装在钻杆前部进行管线的回拖，完成管道铺设[7]

1.4 课题的研究

　　　本课题来源于湖南省自科省市联合基金会项目“非开挖水平定向钻机变型产品关键部件的快速设计及疲劳寿命分析”。本文以研究非开挖水平钻机动力头为来体现该课题的一部分内容。具体做法如下：

通过介绍非开挖水平钻机研究背景、意义及现阶段国内外的发展水平，来明确做该课题的意义。

通过对动力头类型的介绍和各种型号的对比，分析出不同结构的动力头的优缺点，选出自己运用的动力头内部结构。

采用传统的计算方法，对动力头内部结构的设计及强度校核，分析该结构的合理性。

通过三维建模与运动仿真，对动力头的结构进行设计分析。

对该次设计做出总结，提出改进的方法。第2章 非开挖水平定向钻机动力头装置设计的方案

2.1动力头现阶段情况

　　　动力头是一种能实现主运动和进给运动，并且拥有自动工件循环动力部件的机械装置，在绝大多数机械设备中暂有重要的地位。按其工作类型可分为：钻孔动力头、扩孔动力头、绞孔动力头、攻丝动力头、镗孔动力头、锪平面动力头。非开挖水平钻机里面的动力头就是结合动力头的钻孔和扩孔的原理来实现管道的铺设和修复。通过《2013年中国动力头市场调查研究报告》分析得出，动力头在机械设备中的应用遍布全国各地，并且在全国的供应量上每年都处在增长趋势。通过图2.1近几年来动力头的增长情况可以充分得到证明。　　　水平定向钻机中动力头也是其空中部分的关键部件，是整机作业是提供回转及给进动作的机械传动和执行机构，其性能对整机作业有着直接影响[8]。目前，我国对非开挖水平钻机动力头研究主要集中在结构设计和液压系统两个方面。

　　　动力头在结构设计方面的研究有：（1）徐成宇通过有限元方法在非开挖钻机动力头主轴设计中的应用得出主轴的受力分析情况，分析出了其危险截面，和其改进的措施，对其作用在不同的工作环境做出了合理性的分析，为后面主轴的设计奠定了基础[9]；（2）花蓉对动力头结构进行了详细的研究，并通过比较国内外不同型号的水平定向钻机，总结了动力头的驱动方式以及进给机构的给进方式，并分析了它们的优缺点，为后人对动力头设计做了一定的理论参考[10]。（3）刘长右，对动力头箱体等零部件采用ANSYS软件进行谐响应分析，分析零部件的动态性能，并根据分析结果进行合理化的优化与改进[11]。

　　　动力头液压系统方面的研究：（1）韩宇通过比较动力头各种液压系统的优缺点，确定了变量泵和变量马达容积调速的设计方案，在负载、液压泵、液压马达和发动机间的参数匹配问题中做出了详细的研究，实现了液压系统与发动机之间良好匹配，提高了发动机功率利用率和液压系统的传动效率[12]。（2）柳利平通过动力头液压系统力学研究及动态仿真的过程针对动力头液压系统的方案对比与液压马达的选型，和电动机的选型，得出了不同动力头基本设施的计算[13]。（3）李根营通过给出动力头最大回转扭矩的算法和液压系统的参数确定，为我们以后适用不同地质的水平钻机动力头的计算提供了有效的理论指导[14]。

　　　动力头是实现回转钻进和输送泥浆的主要部件，它的使用寿命和性能条件决定了工程的完成质量和效率，其重要性相单于人的心脏，是整机中不可或缺的部分。根据它的最大回拖力和最大扭矩，我们可以将非开挖水平钻机分成大型、中型、小型和三中类型。具体的分类情况及各中型号的增加比例如表2—1和图2.2所示[15]。然而不同的液压马达在减速箱上的布置将会产生不同的效果。单液压马达放置在齿轮减速箱前端或后端，如图2.7所示，这种形式一般适用在所需回转扭矩较小的情况下；双液压马达对称布置在齿轮减速箱两侧，如图2.8所示，这种方式两个液压马达同轴驱动主动齿轮，传动扭矩大，同步性高，且由于齿轮箱在动力头设备的宽度方向可以保持一个较小的结构尺寸，对于动力头宽度结构尺寸的设计要求更容易满足，但对主动齿轮的强度要求高；液压马达在减速箱上同侧并排放置，如图2.9 所示，使用这种方式动力头的结构紧凑，且两个液压马达各自有主动齿轮，对主动齿轮的强度要求有所减低，但是两个对于安装精度要求高，在进行总体设计时要考虑到总宽度不要超出设计要求；四液压马达对称布置在减速箱的两侧，这种分布方式结合了双液压马达同侧和异侧布置马达的优点，且给动力头提供了充足的动力，因此选用四液压马达对称分布在减速箱两侧的齿轮传动的动力头驱动系统，如图2.10所示。　　　本文的研究对象是非开挖水平定向钻机中的动力头，针对非开挖定向水平钻机的研究背景和意义做出了调查和分析，根据分析的结构选出适合市场需求的钻机，针对该钻机的应用环境和条件做出相应改进。由于动力头是给非开挖水平定向钻机提供回转及给进运动的机械传动和执行机构，是非开挖水平钻机的核心部分之一，其性能的好坏将直接影响整机的作业。本文主要是针对水平定向钻机动力头装置进行改进，对动力头的不同结构、工作原理进行深入的研究，选则出满足市场需求的装置，并运用传统的设计方法，对动力头装置的核心部件：齿轮、输出轴做了详细的计算说明和强度分析，验证了设计的合理性。最后利用三维建模建立出动力头的三维模型，从视觉上直观的展现出了动力头该装置的总体结构。

　　　这次毕业设计的制作过程是将前面所学知识的整体运用，让我对机械制图有了一个更加全面的认识，不在局限在二维模式中。三维制图方法的应用，能够直观的表现出产品的外在形状和内部结构，帮助人们理解和记忆。由于三维软件各模块之接的相互联系关系，它能帮助我们在设计的过程中及时发现错误，并加以修改，大大的缩短了设计所需的时间。

参考文献:

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