泥土输送装置机【6张图纸】【优秀】【Word说明书+CAD图纸】
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泥土
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3.1 原始数据
1.输送物料为泥土，最大输送量：40 t/h；
2.物料细度为50 mm，松散密度为1.8 t/m3；
3.输送机布置形式为上运；
4.给料点位于机头位置；
5.工作环境：室外、潮湿、少量尘土；
6.输送机倾角为18°；
7.动堆积角为30°。
3.2 输送带速度选择
1)输送散状物料一般取带速v=0.8~2 m/s；
2)输送成件物品一般取带速v=0.25~1 m/s;
3)输送易碎、易飞扬的物料一般取带速v=0.8~1 m/s为宜。
本次设计输送物品为泥土，且有少量尘土，因此选择带速v=1 m/s。
目录
AbstractII
第一章 文献综述1
1.1 非开挖水平定向钻机简介1
1.2 非开挖钻机国内外发展概况及发展趋势1
1.2.1 非开挖钻机国内外发展概况1
1.2.2 非开挖钻机发展趋势2
第二章 泥土输送装置设计方案3
2.1 输送装置简介3
2.2 输送装置方案3
2.3 带式输送机简介4
2.4 带式输送机布置方式5
第三章 带式输送机设计选型6
3.1 原始数据6
3.2 输送带速度选择6
3.3 输送带宽度计算6
3.4 功率计算7
3.5 最大张力计算8
3.6 输送带层数计算9
3.7 驱动装置选型9
3.8 分配各级传动比、各轴功率计算10
3.9 托辊选型11
3.10 其他部件选型11
第四章 减速器设计12
4.1 齿轮设计计算12
4.2 轴设计计算16
4.3 轴的校核19
4.4 轴承的选择及校核计算21
4.5 键的选择及校核计算22
4.6 联轴器选择23
4.7 减速器箱体设计23
4.8 减速器润滑密封24
第五章 带传动设计25
5.1 确定计算功率25
5.2 选择带型号25
5.3 选取带轮基准直径25
5.4 确定轴间距和带的基准长度25
5.5 验算小带轮包角26
5.6 确定v带根数z26
5.7 计算初拉力26
5.8 计算作用在轴上的压轴力26
5.9 V带轮的结构设计26
第六章 快速接头选型28
6.1 快速接头简介28
6.2 快速接头选型29
第七章 总结30
参考文献31
致谢32
附录Ⅰ：翻译原文33
附录Ⅱ：翻译41
非开挖水平定向钻机泥土输送装置设计
[摘要]： 通过分析非开挖钻机泥土输送装置国内外研究现状，应用和具体的检测方法，经过查阅相关资料、讨论，拟定采用分节带式输送机实现该功能，带式输送机为电机驱动，通过一级齿轮减速箱和V带传动将动力传输到滚筒，滚动转动带动皮带运输泥土。本文的设计思路主要是先计算出带式输送机的运输量及阻力，对带式输送机相关设备进行选型，通过阻力计算选择电机型号，再设计减速箱、V带传动以及快速接头。最后对关键部件进行校核，通过校核计算得到了该机构的零件选型与零件加工尺寸，并验证了方案的可行性。通过AutoCAD出图，最终完成设计说明书的书写和外文翻译。
[关键字]：非开挖水平钻机；泥土输送；减速器；带式输送机
- 内容简介：
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湘潭大学湘潭大学兴湘学院兴湘学院 毕业论文（设计）评阅表毕业论文（设计）评阅表 学号 2010963111 姓名 胡志平 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计）题目 非开挖水平定向钻机泥土输送装置设计 评价项目 评 价 内 容 选题 1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的； 2.难度、份量是否适当； 3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。 能力 1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力； 2.是否有综合运用知识的能力； 3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力； 4.是否具备一定的外文与计算机应用能力； 5.工科是否有经济分析能力。 论文 （设计）质量 1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范； 2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何； 3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。 综 合 评 价 胡志平同学毕业设计立论正确，论述充分，结构严谨；具有较强的文献查阅、资料综合归纳整理能力，能在设计中熟练运用所学知识，设计方案合理可行，工作量较大，论文质量一般，图纸完整。 同意参加答辩。 评阅人： 年 月 日 湘潭大学兴湘学院毕业论文 题题 目：目：非开挖水平定向钻机泥土输送装置非开挖水平定向钻机泥土输送装置 专专 业：业：机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 学学 号：号： 20201096311110963111 姓姓 名：名： 胡志平胡志平 指导教师：指导教师： 周友行周友行 教授教授 完成日期：完成日期： 2012014 4 年年 5 5 月月 2 28 8 日日 湘潭大学湘潭大学兴湘学院兴湘学院 毕业论文（设计）鉴定意见毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 2010963111 姓名： 胡志平 专业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 46 页 图 表 6 张 论文（设计）题目：非开挖水平定向钻机泥土输送装置设计 内容提要： 通过分析非开挖钻机泥土输送装置国内外研究现状，应用具体的检测方法，经过查 阅相关的资料、讨论，拟定采用分节带式输送机实现该功能，带式输送机为电机驱动， 通过一级齿轮减速箱和 V 带传动将动力传输到滚筒，滚动转动带动皮带运输泥土。本文 的设计思路主要是先计算出带式输送机的运输量及阻力，对带式输送机相关设备进行选 型，通过阻力计算选择电机型号，再设计减速箱、V 带传动以及快速接头。最后对关键 部件进行校核，通过校核计算得到了该机构的零件选型与零件加工尺寸，并验证了方案 的可行性。通过 AutoCAD 出图，最终完成设计说明书的书写和外文翻译。 指导教师评语 胡志平同学在本次毕业设计过程中，态度端正，并对毕业设计任务作了深刻的理解与分析，查阅了钻机泥土输送装置相关资料，能够清楚了解工作装置主要构件的种类与连接方式，并对其进行了运动学分析，校核了齿轮和轴的强度，绘制了二维图纸，具备一个机械专业学生所应该有的的机械设计知识。设计说明书书写认真，条理清晰，观点明确，具有一定的文本撰写能力与外文文献翻译能力。建议成绩评定为： 同意答辩。 指导教师： 年 月 日 答辩简要情况及评语 答辩小组组长： 年 月 日 答辩委员会意见 答辩委员会主任： 年 月 日 目录AbstractII第一章 文献综述11.1 非开挖水平定向钻机简介11.2 非开挖钻机国内外发展概况及发展趋势11.2.1 非开挖钻机国内外发展概况11.2.2 非开挖钻机发展趋势2第二章 泥土输送装置设计方案32.1 输送装置简介32.2 输送装置方案32.3 带式输送机简介42.4 带式输送机布置方式5第三章 带式输送机设计选型63.1 原始数据63.2 输送带速度选择63.3 输送带宽度计算63.4 功率计算73.5 最大张力计算83.6 输送带层数计算93.7 驱动装置选型93.8 分配各级传动比、各轴功率计算103.9 托辊选型113.10 其他部件选型11第四章 减速器设计124.1 齿轮设计计算124.2 轴设计计算164.3 轴的校核194.4 轴承的选择及校核计算214.5 键的选择及校核计算224.6 联轴器选择234.7 减速器箱体设计234.8 减速器润滑密封24第五章 带传动设计255.1 确定计算功率255.2 选择带型号255.3 选取带轮基准直径255.4 确定轴间距和带的基准长度255.5 验算小带轮包角265.6 确定v带根数z265.7 计算初拉力265.8 计算作用在轴上的压轴力265.9 V带轮的结构设计26第六章 快速接头选型286.1 快速接头简介286.2 快速接头选型29第七章 总结30参考文献31致谢32附录：翻译原文33附录：翻译41 非开挖水平定向钻机泥土输送装置设计摘要： 通过分析非开挖钻机泥土输送装置国内外研究现状，应用和具体的检测方法，经过查阅相关资料、讨论，拟定采用分节带式输送机实现该功能，带式输送机为电机驱动，通过一级齿轮减速箱和V带传动将动力传输到滚筒，滚动转动带动皮带运输泥土。本文的设计思路主要是先计算出带式输送机的运输量及阻力，对带式输送机相关设备进行选型，通过阻力计算选择电机型号，再设计减速箱、V带传动以及快速接头。最后对关键部件进行校核，通过校核计算得到了该机构的零件选型与零件加工尺寸，并验证了方案的可行性。通过AutoCAD出图，最终完成设计说明书的书写和外文翻译。 关键字：非开挖水平钻机；泥土输送；减速器；带式输送机 Trenchless horizontal directional drilling mud conveying designAbstract: Through the analysis of trenchless rig mud conveyer domestic and foreign research present situation, application and specific detection method, through access to relevant data, discussion and formulate the function is realized by using sectional belt conveyor, belt conveyor for motor drive, through a gear reducer and V belt driving power transmission to the roller, roller rotation drive belt transporting soil. Design idea of this article is mainly to calculate the volume and resistance of belt conveyor, the selection of belt conveyor equipment, choose motor model, through the calculation of resistance to design reducer, V belt transmission and fast connection. Finally, the key components, this article got the agency by checking calculation of the selection of the components and parts processing size, and verify the feasibility of the scheme. Through the AutoCAD drawing, the final design specification writing and foreign language translation.Key words: Trenchless horizontal drilling; Soil transport; gear reducer; belt conveyor II第一章 文献综述1.1 非开挖水平定向钻机简介水平定向钻机是不开挖表面的时候，建设地下公用设施的一种机器，水平定向钻进技术将石油的定向钻进技术与传统管线施工方法结合在一起，具有施工快、精度高成本低等优点1。广泛运用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等铺设管线施工中，可以适用沙土、粘土、卵石等各种地况，在我们国家的大部分非硬质岩地区都可以施工。工作温度为-15+45。一般来说适用于铺设直径管道3001200 mm的钢管及PE管，最大铺管的长度甚至可以达到1500 m左右。使用水平定向钻机进行管线铺设施工，一般分为两个阶段：第一阶段按照设计好的曲线钻一个导向孔；第二阶段将导向孔扩大孔径，并把管线沿扩大的导向孔回拖到导向孔中从而完成整个管线的铺设工作。水平定向钻机主要是由钻机系统、控向系统、动力系统、泥浆系统、钻具及辅助机具组成。他们的功能分别是：钻机系统为穿越的设备钻进工作以及回拖工作的主体控向系统为通过计算机检测并且控制钻头在地下具体位置和其它的参数，引导钻头正确的钻进的方向性的工具；动力系统是由液压动力源和发电机组成的动力源为钻机系统提供高压的液压油作为钻机的动力。泥浆系统是为钻机系统提供适合钻机的工况的泥浆。钻具及辅助的机具为钻进中钻孔和扩孔时使用的机具2。1.2 非开挖钻机国内外发展概况及发展趋势1.2.1 非开挖钻机国内外发展概况非开挖的水平钻机是20世纪80年代在发达国家兴起的，随着控制和通讯技术的快速发展，非开挖水平钻机的整体性能已经十分完美。因为非开挖水平钻机是地下工作的所以必须要求它有较高的稳定性和可靠性。钻杆的顶进和回拖都采用的是一体化技术用先进的无缆或者有缆式的导向仪引导。同时机器也必须具有长时间和不间断的作业的能力2。行业主要生产厂家有美国的Ditch Witch、VERMEER、AUGERS、Case公司；德国TT、FLX、HUTTE公司；加拿大UTILX公司；意大利TECNIWELL公司；加拿大UTILX公司；英国POWERMOLE、STEVE VICK公司；瑞士TERRA公司等。国内主要有中国科学院勘探技术研究生产的GBS-10、GBS-8、GBS-5拖式非开挖钻机和GBS-40、GBS-20、GBS-12自动行走式的非开挖钻机。徐工集团生产ZD1245等系列非开挖水平钻采用进口的涡轮增压柴油发动机为钻机提供动力，国际的液压元器件的厂商为它提供配套的设备，整机性能可靠而稳定3。有独立的液压驱动的顶进回拖、旋转和泥浆输送功率供给更加充足，双速驱动的动力头，进一步的提高机器生产的效率，自动装卸钻杆的装置很先进，有线控制可以操控机器的单独的行走。另外，北京土行孙公司开发生产的DDW80、DDW200等定向钻；连云港黄海机械厂与首钢地址勘察院共同开发的FDP-15及FDP-12水平定向钻；深圳钻通公司生产的ZT20、ZT1 ZT10水平定向钻中联重科的KSD25水平定向钻是收购了英国保路捷公司推出的新产品，采用分体式的结构，用户可以选配空压机和泥浆系统得以实现干湿两用4。水平定向钻按提供的推拉力、扭矩大小分为小、中、大型三大类。各类钻机性能参数应用范围见表1.1。表1.1 水平定向钻机参数分类大型中型小型推拉力（KN）450100-450100扭矩(KN/m)303-303功率(KW)180100-180100钻杆长度(m)9.0-12.03.0-9.01.5-3铺管直径(mm)600-1200350-60050-350铺管长度(m)600-1500300-600300铺管深度(m)156-1561.2.2 非开挖钻机发展趋势水平定向钻设备在十几年时间内得到了飞速的发展，成为发达国家新兴产业。目前它的发展朝着大型化、微型化、自备锚固系统、钻杆自动堆放提取、钻杆连接初自动润滑防触电等自动化功能、适应硬岩作业、超深度导向、应用范围大等特征发展3。第二章 泥土输送装置设计方案2.1 输送装置简介输送装置按照工作的原理主要可以分为两类：机械输送以及气流输送。机械输送设备主要有：管链输送机、皮带输送机、滚筒输送机、斗式提升机、螺旋输送机以及板链斗式提升机等。气流输送装置主要有：负压真空输送、正压稀相输送、正压稀相闭路输送、旋转阀密相输送、密相动压气力输送、密相高压发送罐输送方式等。钻机泥土输送常采用的有螺旋输送和皮带输送方式。2.2 输送装置方案 钻机泥土输送常采用螺旋输送和皮带输送装置。下面对这两种方案进行对比并选择。 皮带输送机的性能特点：输送带是根据摩擦传动的原理运动，具有输送量很大输送距离很远、输送稳定，物料和输送带之间没有相对的运动，噪音较小，维修较方便能量消耗少且结构简单、部件标准等优点5。螺旋输送机（又称绞龙）。其整体结构与内部结构由头节中间节、尾节和驱动部分构成。螺旋输送机具有结构简单、占地少、方便多点装料、设备很容易密封以及能多点卸料、管理和操作相对简单等优点。常用于水平或小于20倾斜方向输送各种各样的粉状和粒状物料，如水泥、矿渣、生料和煤粉等。螺旋输送机的缺点主要是运行阻力很大，相比其他输送机来说动力消耗更大，机件磨损很快，维修量较大。不适宜于输送粘性较大、容易结块、粒状块大、磨琢大的物料，被输送的物料温度一般要低于200度5。而且一般用于中小输送量以及输送距离小于50 m的场合。考虑到本文研究的是非开挖水平定向钻机的泥土输送装置，因此需要输送的是粘性较大的泥土，而螺旋输送装置不能够很好的输送粘性较大的物料，因此在本课题中皮带输送机更能够满足工作条件的要求。本次课题拟定采用皮带输送机来实现钻机的泥土输送。钻机钻进过程中钻杆慢慢的深入地下，皮带输送机随着钻杆一起进入，因此皮带输送机应该与钻杆配套，尺寸也应该相当，所以采用分节式皮带输送机，相邻两节之间运用快速接头连接。考虑到每一节皮带输送装置的设计参数一样，因此取一节进行设计计算即可。本次设计主要内容为：带式输送机设计选型以及减速器设计。其中带式输送机设计主要为输送机的布置的形式，驱动的方式，输送带的选型，拉紧装置的设计，清扫装置的设计等，以设计出合适的驱动和控制系统。设计出各个系统后，还要对某些关键部位进行校核，以保证所设计的系统能符合工作要求正常运行。2.3 带式输送机简介皮带输送机包括： 180度皮带转弯机、90度皮带转弯机、不锈钢皮带转弯机、45度皮带转弯机、皮带提升机、电子原件皮带输送机、灯检皮带输送机、不锈钢皮带输送机、塑料喷嘴皮带输送机、多层皮带输送机等。主要由：头架、驱动装置、传动滚筒、尾架、托辊、中间架、尾部改向装置、卸载装置、清扫装置、安全保护装置等部件组成5。皮带输送机是利用输送带间歇或连续运动来输送轻重不同的物品，既可以输送各种散料，又可以输送各种纸箱、包装袋等单件重量不大的件货，用途非常的广泛。结构形式主要有：槽型皮带机、爬坡皮带机、转弯皮带机、平型皮带机等，输送带上还可以增设提升挡板、裙边等附件，从而能满足各种工艺要求。输送带是带式输送机承载物料的构件，带上物料随输送带运行，物料根据需要可以在输送机的端部和中间部位卸下。输送带用旋转的托棍支撑，运行阻力小。带式输送机可以水平或沿倾斜的线路布置。使用光面输送带沿倾斜的线路布置时，不同物料的最大运输倾角不同，具体数据如下表2-1所示：表2-1 不同物料的最大运角5物料种类角 度物料种类角 度煤 块18 筛分后的石灰石 12煤 块20 干 沙 15筛分后的焦碳17 未筛分的石块180350mm矿石16 水 泥200200mm油田页岩22干 松 泥 土202.4 带式输送机布置方式电动机通过联轴器、减速器带动传动滚筒转动或其他驱动机构，再借助滚筒或其他的驱动机构与输送带的摩擦力，使输送带运动。通用固定式输送带输送机一般采用单点驱动，驱动装置集中安装在输送机长度某一位置，一般在机头处。单点驱动方式按传动滚筒的数目分，可分为单滚筒和双滚筒驱动两种。对每个滚筒的驱动又可以分为单电动机驱动和多电动机驱动方式。因为单点驱动方式最常用，因此凡是没有指明是多点驱动方式的，一般都为单驱动方式6。单筒、单电动机驱动方式最简单，考虑驱动方式时是首选。在大运量、长距离钢绳芯胶带输送机中常采用的是多电动机驱动。综上：针对本次设计要求，决定采用单筒单电机驱动，向上运输布置形式的移动带式输送机。带式输送机传动方案如图2-2所示： 1-电动机；2 -联轴器；3-减速器；4、5-齿轮；6、7-带轮；8-滚筒图2-1 带式输送机传动简图第三章 带式输送机设计选型3.1 原始数据1. 输送物料为泥土，最大输送量：40 t/h；2. 物料细度为50 mm，松散密度为1.8 t/m3；3. 输送机布置形式为上运；4. 给料点位于机头位置；5. 工作环境：室外、潮湿、少量尘土；6. 输送机倾角为18；7. 动堆积角为30。3.2 输送带速度选择1) 输送散状物料一般取带速v=0.82 m/s；2) 输送成件物品一般取带速v=0.251 m/s;3) 输送易碎、易飞扬的物料一般取带速v=0.81 m/s为宜。本次设计输送物品为泥土，且有少量尘土，因此选择带速v=1 m/s。3.3 输送带宽度计算对于散状物料，输送带宽度按照：式中：B输送带宽度，m； Q所需输送量，t/h； 物料松散密度，t/m3； V输送带速度，m/s； Y断面系数，动堆积角为30的两节式槽型托辊取y=0.132； C倾角系数，输送机倾角为18时倾角系数为0.85； K装载系数，一般取h=0.80.9。所以：取带宽为：200 mm。3.4 功率计算传动滚筒轴功率P0按下式计算：式中：P0传动滚筒轴功率，KW； P1空载功率，KW； P2水平负载功率，KW； P3垂直负载功率，KW； P4附加功率，KW； f托辊阻力系数，取f=0.03； L传动滚筒至尾部滚筒的水平中心距，m； 中心距修正值，m，取=49 m； H垂直提升高度，m； W除物料外，输送机单位长度内所有运动部件质量之和，Kg/m，带宽为200 mm时W=15 Kg/m。附加功率P4按下式计算： 式中：F1导料槽阻力，N； F2犁式卸料器阻力，N； F3内、外清扫器阻力，N； V带速，m/s； B带宽，m； 物料松散密度，t/m3； L1导料槽长度，0.5 m； 输送带上每米长度物料的质量，=A，kg/m； a犁式卸料器阻力系数。带宽小于300时不用犁式卸料器，所以a=0。所以：故：电动机功率按下式计算：式中：P电动机功率，KW； P0传动滚筒轴功率，KW； 传动总效率； K备用系数，P05 KW时取K=11.1。查机械课程设计可知：闭式齿轮传动、滚动轴承和联轴器的效率分别取：=0.97 =0.99、 =0.99；所以传动总效率所以：即电动机功率为1.348 KW，分10节所以电机总功率为13.48 KW。3.5 最大张力计算在单驱动的带式输送机中，驱动滚筒的趋入点的张力通常为输送带的最大张力，可按下式计算：式中：趋入点张力，N； e自然对数的底； 输送带与滚筒的摩擦系数，=0.2； 输送带在滚筒上的包角，=180；所以：3.6 输送带层数计算输送带层数按下式计算：式中：Z输送带带芯层数； 最大工作张力，N； n安全系数，一般多层带取n=810； B输送带宽度，mm； 带芯径向扯断强力，N/（mm层） 经计算Z1，所以输送带为单层。 3.7 驱动装置选型QD80轻型带式输送机有与其配套的QDF风冷电动滚筒，而驱动装置即电机应与Q D F风冷电动滚筒相匹配。查运输机械设计选用手册可知：带宽200 mm时QDF风冷滚筒的参数如下表3-1：表3-1 QDF风冷滚筒参数5带宽 mm滚筒直径 mm名义转矩 Nm功率 KW参考重量 kg2001602500.55或0.755570电动机功率经计算为P=13.48 KW，所以选用电动机功率为15 KW，滚筒轴转速为：配合计算出的功率决定选择Y200L型电动机，其参数见表3-2：表3-2 YH132S-8型电动机7电动机型号额定功率转速轴外伸轴径轴外伸长度Y200L15kw730 r/min28mm60mm3.8 分配各级传动比、各轴功率计算（1）总传动比: （2）分配带传动比为2，则减速器传动比为4.1，传动比小于5，可以采用一级圆柱齿轮减速器。 （4）计算各轴的转速:I轴转速：轴转速：（5）各轴的输入功率：I轴输入功率:II轴输入功率：（6）各轴的转矩各轴的输出转矩： 各轴转速、功率及转矩见下表3-3：表3-3各轴转速、功率及转矩轴号转速n/(r/min)输入功率P（kW）转矩T（）传动比i轴73014.8531.54.1轴16114.1122.83.9 托辊选型本系列配置的托辊分为：分为平行托辊和槽型托辊两类，此处选择槽型托辊。初选QDC11型托辊。3.10 其他部件选型 由于本次设计的是小型输送机，机长较短，功率较小，故可以采用螺旋拉紧装置采用固定落地式机架，角钢焊接。该输送机输送速度慢不用考虑制动装置，只选择空段清扫器、头部清扫器。螺旋拉紧装置采用QDD13型，空段清扫器采用QDE11型头部清扫器采用QDE24型。机架采用QDJ1-55型。导料槽采用QDJ1-91型5。第四章 减速器设计4.1 齿轮设计计算按图2-1所示的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。运输机为一般工作机器，速度不高，所以选用七级精度（GB 10095-88）。选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为2 80HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，硬度相差40HBS。选择小齿轮齿数z1=20,大齿轮齿数z2=204.1=82，取z2=82。螺旋角通常在之间选择这里取。按齿面接触疲劳强度设计：式中：K载荷系数，初选K=1.3； T1小齿轮传递的转矩； 齿宽系数，初选=1； 材料的弹性影响系数，根据材料选择=189.8； 齿轮接触疲劳强度极限，按齿面硬度查得小齿轮；大齿轮；应力循环次数：式中：j齿轮转一圈时，同一齿面啮合次数，j=1； 齿轮工作寿命，取=48000 h；所以大小齿轮应力循环次数分别为：查机械设计手册可知：大小齿轮接触疲劳寿命系数分别为：和。接触疲劳许用应力：式中：S安全系数，取S=1；所以大小齿轮接触疲劳许用应力：1. 计算1) 计算小齿轮分度圆直径，带入中较小的值：2) 计算圆周速度v：3) 计算齿宽：4) 计算齿宽与齿高比：模数：齿高：齿宽与齿高比：5) 计算载荷系数：根据,7级精度，查得动载系数；直齿轮：；查机械设计可知：使用系数：；七级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，；由，查得：；故动载系数：6) 按实际的载荷系数校正分度圆直径：7) 计算模数m:2. 按齿根弯曲强度设计式中：齿形系数； 应力校正系数。查机械设计可知：小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲强度极限；弯曲疲劳寿命系数：，；1) 计算弯曲疲劳许用应力：取弯曲疲劳安全系数S=1.4，则：2) 计算载荷系数K：3) 查齿形系数及应力校正系数：由齿数查得 ，。4) 计算大小齿轮的并比较：显然大齿轮的数值较大。5) 设计计算：由于齿轮模数大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，所以齿轮模数按弯曲强度计算的更接近真实情况，就近圆整为标准值：m=2。小齿轮齿数：大齿轮齿数： ，取。3. 几何尺寸计算：A. 计算分度圆直径：B. 计算中心距：C. 计算齿宽：，取,减速器齿轮数据见表5-1：4-1减速器齿轮数据齿轮齿数齿顶高齿根高分度圆直径中心距齿宽齿顶圆直径齿根圆直径小齿轮341.5268164557164大齿轮1301.52260502632564.2 轴设计计算(一) 高速轴设计1. 初定轴的最小直径轴的材料为45钢，调质处理。由机械设计取圆整后：d=20 mm。输入轴与输出轴之间的最小直径是安装联轴器处轴的直径所以先选联轴器。联轴器计算转矩，查机械设计，由于转矩的变化很小，所以=1.3，则：联轴器选择弹性柱销联轴器，型号为：HL3型联轴器7，转矩高速轴联轴器的孔径应该与电动机外伸轴直径（d=28 mm）相当，所以半联轴器长度，半联轴器与轴配合的毂孔长度为：。2、轴的结构设计1) 轴上零件定位，固定及装配齿轮左面是由套筒定位，右面是由轴肩定位，联接均以平键作为过渡配合固定两轴承均以轴肩定位。2) 确定轴各段直径和长度为了满足半联轴器轴向定位要求，轴段右端必须制出一轴肩，所以取段的直径，半联轴器与轴配合的毂孔长度：，所以为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴端面上，这一段的长度应比略短取：因为轴承只承受径向力的作用，所以选用深沟球轴承，参照工作要求并根据：，选取6308型轴承8，尺寸：所以，左边的滚动轴承用套筒进行轴向定位，右边轴承采用轴肩定位。所以取，齿轮轴轴段的直径：取：,。 轴承端盖总宽度为：，所以取：。取。至此，初步确定了轴的各段直径和长度。3) 轴上零件的周向定位齿轮,半联轴器与轴的周向定位均采用平键联接。a.齿轮与轴的连接由于齿轮分度圆直径过小，因此采用齿轮轴形式。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：b.半联轴器与轴的联接选用平键为：，半联轴器与轴的配合为： 滚动轴承与轴的周向定位是通过过渡配合来实现的，选轴的直径尺寸公差为：。4) 确定轴上圆角和倒角尺寸取轴端倒角1.645，处圆角为R2，轴肩处圆角半径为。轴尺寸参数如图4-1：图4-1 高速轴参数(二) 低速轴设计1)初步估计轴的最少直径轴材料为45钢，调质处理。根据机械设计取取d=40mm。2)轴的结构设计初步选择滚动轴承。因为轴承同时受到径向力与轴向力的作用，所以决定选用6311型深沟球轴承。参照轴的最小直径，其尺寸，所以：，。左边的滚动轴承采用套筒实现轴向定位，右边的滚动轴承用轴肩定位，所以取。3) 确定轴各段直径和长度轴段右端必须制出一轴肩，所以段直径，带轮与轴配合的毂孔长度为，为保证轴端挡圈只压在带轮上而不压在轴的端面上，所以该段的长度应比带轮长度略短，取：。选取安装齿轮处轴段的直径为，齿轮左边与左边轴承之间用套筒进行定位，已知齿轮轮毂的宽度为，为使套筒端面可靠地压紧齿轮，该轴段应略短于轮毂宽度，所以取：，齿轮右端用轴肩定位，轴肩高度为，所以取，则轴环处的直径：，轴环宽度：,取。 轴承端盖的总宽度为：，所以取。取，至此初步确定了低速轴各段直径和长度。4)轴上零件的周向定位齿轮及半联轴器与轴的周向定位均采用平键联接。a齿轮与轴的连接按得：平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为：。为保证齿轮与轴的配合有良好对中性，所以选择齿轮轮毂与轴的配合为：b带轮与轴的联接选用平键为：，半联轴器与轴的配合为： 由于滚动轴承与轴的周向定位是通过过渡配合来实现的，所以选轴的直径尺寸公差为：。5)确定轴上的圆角和倒角尺寸取轴端倒角，处圆角R2，轴肩处圆角半径。轴尺寸参数如图4-2：图4-2 低速轴参数4.3 轴的校核(1) 求轴上的载荷确定轴承支点位置时，深沟球轴承的作用点在对称中心处，而作为简支梁的轴的支撑跨距，根据轴的计算简图可以作出轴的弯矩图、扭矩图和计算弯矩图，可看出截面处计算弯矩最大的是轴的危险截面。轴的弯矩图如图4-3：图4-3 弯矩图(2) 按弯扭合成应力校核轴的强度从轴的结构图以及弯矩图和扭矩图中可以看二面C是轴的危险截面。作用在齿轮上的圆周力、径向力和轴向力分别为：圆周力：径向力：轴向力：根据轴承支反力作用点以及轴承和齿轮在轴上的安装位置得：水平面径向支反力：垂直面径向支反力：水平面弯矩：垂直面弯矩： 合成弯矩： 转矩：因为轴是单向回转的，所以转矩为脉动循环，。危险截面初的当量弯矩：。前面选择轴的材料为45钢，调制处理，查得9。因此轴是安全的。4.4 轴承的选择及校核计算1. 轴承选择轴承1：深沟球轴承6308型，409023。轴承2：深沟球轴承6311型，5512029。2. 校核轴承校核轴承1，查机械设计课程设计得，。取由于轴承只受径向力作用所以：，对于球轴承，所以：按每年300个工作日，每天两班制，寿命大概为30年，所以该深沟球合适。校核轴承2，查机械设计课程设计，取由于轴承只受到径向力作用，所以，对于球轴承，按每年300个工作日，每天两班制，寿命大概为34年，所以该深沟球合适。4.5 键的选择及校核计算1. 选择键联接的类型8级以上精度尺寸齿轮有定心的精度要求，所以应当采用平键，且键的材料为钢，所以2. 轴与联轴器相联处键的校核键A：，为单键。由：所以轴与联轴器相连的键满足要求。3. 轴上键的校核1）齿轮与轴相联处键A：，为单键。由：所以齿轮与轴相连的键满足要求。2）带轮与轴相联处键A：，为单键。由：所以带轮与轴相连的键满足要求。上述计算可知全部键均满足要求。4.6 联轴器选择由前面设计已经选择弹性柱销联轴器，HL3型联轴器，其公称转矩为：，经计算能够满足要求。联轴器的孔径为，联轴器长度为，联轴器与轴配合毂孔的长度为：。4.7 减速器箱体设计减速器箱体结构计算汇总见表4-2：表4-2 减速器箱体参数7名称符号计算公式结果箱座壁厚8箱盖壁厚6箱盖凸缘厚度9箱座凸缘厚度12箱座底凸缘厚度20地脚螺钉直径查机械设计课程设计18地脚螺钉数目n查机械设计课程设计4轴承旁联接螺栓直径9机盖与机座联接螺栓直径=（0.50.6）8轴承端盖螺钉直径=（0.40.5）8视孔盖螺钉直径=（0.30.4）5定位销直径=（0.70.8）10外机壁至轴承座端面距离=+（812）15大齿轮顶圆与内机壁距离1.219齿轮端面与内机壁距离16机盖，机座肋厚64.8 减速器润滑密封对于一级圆柱齿轮减速器，传动装置为轻型，而且传速较低，所以采用飞溅润滑即可，故箱体内选用全AN150全耗损系统用油（GB443-1989），油装至规定高度10。密封性为了保证机盖与机座联接处密封，联接凸缘应有足够的宽度，联接表面应精创，其表面粗度应为密封的表面要经过刮研。而且，凸缘联接螺柱之间的距离不宜太大，并匀均布置，保证部分面处的密封性11。第五章 带传动设计5.1 确定计算功率查机械设计手册得：工作情况系数：KA=1.1，则计算功率：5.2 选择带型号根据，,选用带型为B型带5.3 选取带轮基准直径1）初选小带轮基准直径 根据和查机械设计手册得小带轮基准直径为。取小带轮直径2）验算带速v在525m/s范围内，故V带合适3）计算大带轮基准直径5.4 确定轴间距和带的基准长度查机械设计手册初步选取中心距所以带长，=选取基准长度得实际中心距中心距地变化范围为438510mm5.5 验算小带轮包角包角合适，所以不用采用张紧轮。5.6 确定v带根数z1）计算单根V带额定功率由和查得，转速，传动比，得。查得，2）带的根数所以选Z=5根带。5.7 计算初拉力单根普通V带张紧后的初拉力为：5.8 计算作用在轴上的压轴力5.9 V带轮的结构设计（1）（2）小带轮设计采用材料HT150铸铁9因为D1=120mm3d，d为减速器轴的直径d=40mm， 而且300mm，所以采用腹板式。腹板上不开孔。部分结构尺寸如下：（3）大带轮设计由于 D2=240mm， 故仍采用腹板式。有关结构尺寸如下：第六章 快速接头选型6.1 快速接头简介 快速接头多用于移动管道中，主要分为以下几种：（1） 插座式接头：具有结构简单，使用方便的优点。有一定的挠度，能适应管道随温度变化而伸缩变形的工况。其原理是靠摩擦力定位因此不能承受轴向力。压力过大时容易产生脱节现象。（2） 牙扣式快速接头：主要可分为两种：三爪式和消防水带式，前一种结构为承口内有凹槽，插口有三个凸缘，和高压锅的锅盖类似。后一种插口和承口结构一样，靠牙扣和凹槽结合初承受轴向力。（3） 搭扣式接头：可分为单挂钩式和双挂钩式，前一种挂钩在插口上，由挂钩承受轴向力，且接头处允许有15到20度的转角。后一种挂钩在承口上，插口上边有挂钩槽，靠插口硬插入自动挂钩。具有使用方便、受力好以及性能好的优点，其缺点是连接速度较慢。（4） 暗锁式接头：该接头常用于金属管道上，承口开四个孔，可以插锁片，插口上有四个锁槽，插入承口后旋转管道使锁片进入锁槽即可卡死。其缺点是连接速度慢优点是连接可靠。（5） 弹簧压紧式接头：弹簧压紧式接头用钢管加工，热浸电镀后焊接在管子两端承口和插口做成了两个直径不同的球形。这种接头的优点是可抗震动，允许转角较大缺点是承受轴向力不大。（6） 杠杆紧扣式接头：杠杆紧扣式接头的承口和插口都呈半球形，其原理与箱子上的扣吊挂钩相同，利用杠杆原理压紧，所以具有结合牢固，密封性好挠性好的优点，主要缺点是需要人工拆卸，速度较慢。（7） 双平口抱箍式接头：其承口和插口结构相同，都是在管端加工出45度角的凸缘，在凸缘端面设置止水垫，再用两段铰接的抱箍扣在承插口的凸缘上，通过旋转抱箍上的连接螺栓卡紧。优点是可在较小的空间实现连接；缺点是连接速度慢，不允许有连接转角。6.2 快速接头选型 将快速接头运用到带式输送机连接装置中的主要要考虑的有以下几点：1. 结构简单，制造方便；2. 连接可靠，不会产生脱节现象；3. 装卸简单快捷；4. 有一定的挠度，在接头处允许有一定的转角；5. 有一定的刚度，能承受一定的重量而不用支撑装置；6. 能承受一定的轴向力。结合快速接头工作环境以及各种快速接头的优缺点，决定采用双挂钩式接头。第七章 总结 本人自3月20号起开始毕业设计，按照学院及指导老师安排的进度循序渐进。在查阅参考文献的基础上，理论联系实际，基于我国现阶段的非开挖水平钻机泥土输送装置，参考国内外一些先进的钻机生产厂家，对带式输送装置和传动方案进行合理选型及设计，并且深入了解了影响减速器以及其它主要设备正常运转的原因。通过阻力计算得出电动机功率，再选择电动机，根据电动机转速分配传动比再计算齿轮、轴以及带轮并进行校核，最后对快速接头进行选型。从而设计出一套技术先进，经济合理的钻机泥土输送装置 。在设计过程中，就所选技术方案及工艺参数进行了论证，比较及说明。在设计过程中，通过自己查阅文献以及指导老师的帮助，解决了在设计中遇到的一些问题。在计算完相关的数据后，自行绘制图纸，主要绘制了减速器装配图，以及轴和齿轮的零件图。最后详细、规范的书写了设计说明书。顺利地完成设计工作。 通过完成本次毕业设计使我熟悉了机械设计的基本内容和方法以及非开挖水平定向钻机的运行流程。提高了自己的动手能力、学习能力以及解决问题的能力。参考文献1 刘军.非开挖水平定向钻进铺管施工技术及工程应用研究D.西安建筑科技大学,2004.2 花蓉. 非开挖水平钻机中几种主要结构的设计J.探矿工程(岩土钻掘工程).2009(08) 3 徐工水平定向钻机亮相2013国际非开挖展J.建筑机械化,2013,11:14.4 赵丁选,杨力夫,李锁云,尚涛,乌效鸣.国内外非开挖定向钻机及其智能控制技术J.吉林大学学报(工学版),2005. 5 运输机械设计选用手册编辑委员会.运输机械设计选用手册M.北京：化学工业出版社2006.6 孙靖民.机械优化设计.4版.北京：机械工业出版社,2009.7 成大先.机械设计手册.化学工业出版社,2002.8 王振华.实用轴承手册.上海：上海科学技术文献出版社,1991.9 张代东，机械工程材料应用基础.北京：机械工业出版社,2001.10 濮良贵，纪名刚.机械设计.8版.北京：高等教育出版社,2006.11 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册M.3版.北京：高等教育出版社,2006.致谢通过几个月的努力，我的毕业设计终于完成了，这也意味着我的大学生活即将结束。大学四年，无论是在学习上还是思想上，我都得到了显著的提升，这除了我自身的努力外跟老师和同学们的关心支持也是分不开的。特别是在本次毕业设计过程中，我的导师周友行老师以及黄健凯师兄从选题到开题再到中期检查一直都耐心的指导我严格把关、循循善诱让我受益匪浅。同时也要感谢在这期间给予我帮助的王望以及其他同学。毕业设计能系统的训练我们对知识的运用能力，在本次毕业设计中我各方面的能力都得到了一定的提升，对机械设计的流程也更了解。毕业设计的完成也意味着我将开始人生新的旅程。我将永远铭记我曾是湘潭大学兴湘学院的一名学生，在今后的工作和生活中时刻牢记博学笃行、盛德日新的校训。再次感谢老师以及同学们对我的帮助，谢谢！附录：翻译原文Modeling of an obstacle detection sensor for horizontal directional drilling (HDD) operationsA.P. Jaganathan a, J.N. Shah a, E.N. Allouche a, M. Kieba b, C.J. Ziolkowski bKeywords: Look-ahead；Numerical modeling；Differential impedance；Obstacle detection；Horizontal directional drillingAbstract: Horizontal Directional Drilling (HDD) is a commonly used construction method for the installation of underground pipelines, conduits and cables in urban areas and across obstacles such as rivers, railways and highways. A key concern in using the HDD method is the risk of hitting existing buried utilities during the pilotboring operation, which could potentiallly result in significant economic losses, disruption of services and injuries and/or loss of life. The Differential Impedance Obstacle Detection (DIOD) is a “look-ahead” sensory system, developed for the purpose of detecting metallic and thermo plastic pipes in the path of the boring head. The DIOD sensor was numerically simulated, and the model was validated by comparing its predictions with experimental measurements performed on a physical prototype in a controlled environment. Following validation of the model, a parametric study was undertake n to predict the performance of the DIOD under various scenarios that could be encountered in practice.1、 IntroductionBeneath the US landscape lie a vast network of buried utilities and pipelines, stretching for nearly 10.6million miles, which include natural gas lines, power lines, water distribution and collection systems and optical-fiber communication lines 1. The need for laying new utilities to support newtechnologies (i.e., the lastmile program), coupled with increasing dem ands of an ever growing population, has resulted in a highly congested underground space, particularly in urban areas. A parallel trend is the increase in the utilization of newer construction methods that minimize excavation, and reduce disruption to traffic patterns and the built environment. Horizontal Directional Drilling (HDD), a trenchless method for installing pipelines and conduits underground, has become in recent years a midstream construction method due to its versatility, cost effectiveness and relatively small foot print 2. A major concern in employing t he HDD method is the occurrence of an inadvertent utility strike during the boring process. As the drill head advances underground, it might damage an existing utility located along its path. Such utility strikes can cause significant economic losses (i.e., service interruptions, damage to a buried utility or building foundation) as well as injuries and fatalities if a hazardous utility (i.e., flammable liquid lines, electrical conduits, natural gas lines) is hit. Thousands of inadvertent utility strikes have been reported over the past fifteen years, some with severe consequences. The Damage Information Reporting Tool (DIRT), sponsored by the Common Ground Alliance, reported 258 HDD related utility hits in 2005 alone across the country 3. A specific concern during HDD installations in urban areas is the accidental placement of a natural gas line in a way that it transects a lateral connection or a gravity sewer line. Such occurrences, commonly named cross-bores, could create a long-term risk as an attempt to remove blockade in the drain (induced by the presence of the transecting gas line) could compromise the gas line, resulting in leakage of natural gas into adjacent homes via the sewer system4. Fig. 1 shows photographs of typical cross-bores created during HDD installations. Between 1996 and 200 6 at least 20 explosions occurred in 13 states due to attempts to clear sewer laterals that were blocked by a natural gasline, resulting in loss of life, severe injuries and over one hundred million dollars in damages. In one case (Madill, Oklahoma), the explosion (November 14, 2007) occurred 15 years following the installation of the natural gas line (1992). Projects undertaken by various utilities for identifying legacy cross bores resulted in the detection of an average of 2 to 3 cross bores of natural gas lines into sewer mains and laterals per each mile of sewermain inspected, which translate into several hundred cross-bores for some cities 5. Current practices for avoiding physical damage during HDD operations include search of GIS based databases (i.e., One Call system in U.S) to identify existing buried utilities within the project boundaries and surface surveys using geophysical tools such as cable locators, ground penetrating radar (GPR) and other locating methods. However, in some cases the One Cal l system is not fully effective due to inaccurate (or non-existing) records, cluttered environment (e.g., utilities that are stacked vertically or that are braided horizontally), excessive environ mental noise (e.g., overhead power lines, reinforced concrete pavement) and/or loopholes in local legislations that exempt owners of non-pressurized pipeline networks from the need to locate their assets in advance of construction projects .In recent years there were multiple efforts to develop a look-ahead sensor technology that can be incorporated within the HDD drill head in an effort to eliminate HDD related utility hits.Fig. 1. Utility hits (cross-bore) resulting from HDD installationsA literature review of current and emerging look-ahead technology development efforts is presented. Thereafter, a description of the Differential Impedance Obstacle Detection DIOD system developed by the Gas Technology Institute (GTI) in collaboration with the Trenchless Technology Center (TTC) is provided. The DIOD system induces a low frequency electric fie ld within the soil medium surrounding the drill head. The obstacle is detected by measuring changes in impedance occurring due to distortion of the electric field caused by the presence of the obstacle 7. This paper describes the development and validation of a comprehensive 3-D numerical model created to predict and optimize the performance of the DIOD system. Following experimental validation of the numerical model, an extensive parametric study was undertaken to study the performance of the DIOD under varying conditions expected to be en countered in practice, including various soil types, different orientations of the obstacle with respect to the advancing drill head and different pipe (or obstacle) materials.2、 Current and emerging borehole technologies for obstacle detection To avoid a utility strike, HDD operators have to detect buried utilities before a physical contact between the drill head and the utility takes place. In recent years several efforts have been made to develop sensor technology that could be incorporated into the HDD drill head with the capablity of detecting both, metallic and nonmetallic obstacles in near real-time. Nakauchiet al. 8 developed a small ground-penetrating radar system that is incorporated within a HDD drill head. It consists of a pair of antennas located at the cutting edge of th e drill head and protected by a ceramic cover, a signal generator, a receiver and a communication link for transfering data gathered to the ground surface. The principle of operation behind this technology is similar to that of a pulsed GPR, where an electromagnetic signal with duration of 0.6 ns is transmitted ahead of the drill head and the backscattered electromagnetic wave is used to discriminate the obstacle 8. Another GPR based technology for HDD was reported by Hirsch 9. This particular radar employed electromagnetic signals with frequencies between 25 MHz and 500 MHz. Hirsh reported that a proof of concept for the sensor was tested by pulling the prototype device through a 100 mm diamet erpolyethelene conduit, simulating the borehole created by a HDD rig, while attempting to locate metallic and non-metallic pipes located adjucent and perpendicular to the polyethelene conduit from a distance of 1 to 2 m ahead. California Energy Commission (CEC) 10 reported the development of a multisensory platform named SafeNav for HDD operations. The SafeNav system has been coupled with the AccuNav guidance system, used for establishing the location of the drill head 11. Safe Nav and AccuNavwork in conjunction to detect underground obstacles, and also to communic ate the information gathered by the various sensory systems to the surface 12. The system consists of 25 sensors including two sets of magnetometers for detecting buried electrical power lines, two sets of triaxial sensors for tracing specific frequencies for the purpose of detecting telecommunication lines, geophones for detecting acoustic signals, accelerometers for tracking the drill heads position, and temperature sensors for monitoring the operating condition of the electronics in the harsh operating conditions often associated with HDD operations. The sensors were designed to locate obstacles situated either parallel or perpendicular to the trajectory of the drill ahead. The design is compatible with most conventional directional drilling rigs. Various field tests were conducted resulting in several design enhancements 12.SoniPulse Inc. has developed a seismic based obstacle detection system for HDD. It employs an array of geophones located on the ground surface above the HDD path for detecting the seismic signals generated by the drill head 13. The seismic energy generated by the drill head is scattered by the buried obstacles along its path, and this scattered energy is recorded by geophones located 0.3 m apart. The geophones were coupled with the ground such that the signal-to background noise ratio was minimized. The high-intensity sound was continuously monitored, cross-correlated, and processed to detect peaks in the intensity. As the sound wave s generated by the drill head are too weak to detect below a certain depth, a noisemaker consisting of a rotating hammer that generates specific sound frequency was added to the drill head assembly. The technology has been tested for detecting large-diameter pipes at distances of 5 to 10 m and small diameter pipes at distances of 2 m ahead of the drill head.Fig. 2. A HDD drill mounted with DIOD; original device (top) and the corresponding CAD model (bottom).3、 Differential impedance obstacle detection (DIOD) sensor The operating principle of the DIOD sensor is based on the Wheat stone bridge circuit. When the sensor is buried within a homogeneous soil with no obstacles (e.g., metallic pipe) in its vicinity, the bridge circuit is in a balanced state with the differential output between the sensing electrodes returning a null value. As the sensor approaches the obstacle, the impedance of the soil medium changes, and as a result the bridge reaches an unbalanced state with differential voltage observed between each pair of diametrically placed sensing electrodes. Fig. 2 show an image of a prototype DIOD sensor integrated within a mock HDD drill head as well as a 3-D CAD rendering of the sensory system. The prototype drill head is 900 mm long and 63 mm in diameter. The cutting edge (blade) of the drill head is used to inject a low frequency (50500 kHz) signal into the formation. There are four electrically isolated sensing copper electro des placed orthogonally around the circumference of the drill head ,which are in resistive cont act with the ground. In an earlier version of the sensor, the copper electrodes were capacitively coupled with the soil (copper electrodes were covered with an external plastic tube and were not in direct contact with the soil). In later versions the copper electrodes were redesigned to have a resistive coupling with the soil (direct contact with the soil) to improve contact potential 14. A practical implication of this modification is that the width of the slanted face duck-bill will need to be approximately equal diameter of the drill rod. A potential difference is maintained between the blade and the sleeve, such that the electric field originating from the blade intersects the sleeve. The differential voltage between the diametrically placed copper electrodes is measured after amplification and filtering. In a homogeneous soil medium, the output signal from the electrodes will remain steady as the drilling rod advances forward .However, when an obstacle is presents the output signal changes indicating its presence. Compared with expensive and complex high frequency electronics used in GPRs, which generally operate at from few hundred megahertz to about 2.5 GHz, the low frequency electronics (50500 kHz) used in the DIOD sensor is significantly lower in cost and complexity. This cost-effective technology concept has the potential for detecting metallic and nonmetallic objects in the soil medium, as well as identifying the position of the buried obstacle with respect to the drill head. A limitation of the DIOD sensor when compared with ground penetrating radar technology is that GPR has better spatial resolution due to shorter signal wavelength. Also, with DIOD sensor it is difficult to directly estimate the distance to the detected obstacle, whereas in a GPR the time-of-flight principle is used to calculate the separation distance from the sensor to the obstacle.4、 Finite element modelingNumerical modeling of the DIOD sensor was carried out using the commercially available finite element software COMSOL Multiphysics with AC/DC module 15. Since the wavelengths of the electric signal used in DIOD are very large compared with the dimensions of the modeled structure, the problem was treated as static/quasi-static in nature 15. Two separate numerical models were created using the electrostatic and quasi-static modes available in CO MSOL AC/DC module. The electrostatic mode was used to predict the performance of the sensor while the drill head was suspended in open space (i.e., surrounded by air; =1), while the quasi-static mode was used to predict the performance of the sensor within a partially conductive dielectric medium (i.e., the soil formation). During simulations using the quasi-static mod e, two separate cases were considered. In the first case, approximations were made by neglecting the coupling between the magnetic and electric fields using the quasi-static electric current mode. In the second case, the coupling between the electric and magnetic fields was considered using the quasi-static electromagnetic mode。Fig. 3. 3-D mesh of the numerical model containing a HDD drill mounted with DIOD.A 3-D rendering of the numerical model (approximately 220,000 interior elements and 19,500 exterior elements) is shown in Fig. 3. The cutting edge of the drill was assigned a value of +30 V and the sleeve was assigned a value of 30 V, similar to the actual system. The external boundary of the modeled domain was assumed to be grounded as it was sufficiently distanced from the modeled device. The interfaces between the dielectric mediums were assigned electrical continuity boundary condition. To electrically isolate each electrode from directly influencing every other electrode, a grounded metallic cylinder was placed within the Teflon cylinder. In simulations conducted using the electrostatic mode, the four electrodes we re assigned a floating potential boundary condition. In simulation runs where the quasi-static electromagnetic mode was deployed, the exterior boundaries were assumed to be magnetically insulated and the electrodes were assigned impedance boundary conditions, a condition commonly used for modeling conductive films 16. The geometry of the borehole was modeled based on the assumption that the soil was in contact with the drill head.附录：翻译水平定向钻机障碍检测传感器运行建模A.P. Jaganathan a, J.N. Shah a, E.N. Allouche a, M. Kieba b, C.J. Ziolkowski关键词：预见性；数值模拟；差分阻抗；障碍物探测；水平定向钻机摘要：水平定向钻进(HDD)是一种常用的安装地下管道的施工方法,管道和电缆在城市地区和跨越障碍,如河流、铁路和高速公路。使用HDD方法的一个关键问题是钻孔过程中有破坏现有的公用设施造成生命威胁。差分阻抗的障碍检测(二极管)是一种“预见性”传感系统,开发的目的是检测金属和热塑性塑料管道在镗头的路径。采用二极管传感器数值模拟,并通过比较其预测模型进行验证与实验测量物理原型在受控的环境中执行。验证后的模型中,参数研究能对二极管在实践中可能遇到的各种情况进行预测。1. 引言美国景观下埋着庞大的网络工具和管道，绵延近10.6百万英里，其中包括天然气线，电源线，配水和收集系统和光纤通信线路。需要铺设新的管道，以支持新技术 （即“ 用户距离 ”计划） ，再加上不断增长的人口的不断增长的需求，导致了高度拥挤的地下空间，特别是在城市地区。新的施工方法能最大限度地减少开挖，减少对交通的影响和建筑环境的利用率。水平定向钻进（HDD） ，一个非开挖方法安装管道和地下管道的技术，已成为近年来流行的施工方法，由于它的多功能性，成本效益和相对较小的施工
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