非开挖定向钻系统的（气动冲击钻）设计及动力学分析
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非开挖定向钻系统的（气动冲击钻）设计及动力学分析,开挖,定向,系统,气动,冲击钻,设计,动力学,分析
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沈阳理工大学学士学位论文摘要在国内外关于非开挖式装备的大背景下，深入了解有关气动非开挖系统的国内外发展状况。了解了有关气动非开挖装置的工作原理和结构特点，并对气动冲击矛这一复杂的运动系统进行了一次设计，在设计完成后依靠设计时的参数在UG软件中进行建模并装配，在本文的最后对其部分参数方面建立了简单的数学模型。由于气动冲击矛在运动时各个参数都在变化，因此在设计时没有准确的公式能够计算出确定某一参数，因此我们在本文中利用了经验公式对其进行设计，这种经验公式能够确保设计时的准确，可靠。在建立数学模型时，我们建立了许多的假设，因此本文所建立数学模型只能在理想状况下实现。关键字：非开挖；气动矛；结构参数；数学模型；运动仿真IVAbstractIn the background of trenchless equipment at home and abroad, the development status of pneumatic trenchless system is deeply understood. The working principle and structural characteristics of the pneumatic trenchless device are understood. The complex motion system of pneumatic impact Spear is designed, and the design parameters are modeled and assembled in UG software, and a simple mathematical model is set up in the last part of this paper. Because the aerodynamic impact spear in the movement of various parameters are changing, so in the design of no accurate formula can be calculated to determine a certain parameter, so we use the empirical formula to design it, this empirical formula to ensure that the design of accurate and reliable. In the establishment of mathematical models, we have established many hypotheses, so the mathematical model established in this paper can only be achieved in an ideal situation.Keywords：Non-excavation; pneumatic spear; structural parameters; mathematical model; motion simulation目录1 绪论11.1 国外的非开挖技术发展现状11.2 国内的非开挖技术发展现状21.3 国内外有关非开挖系统的公司32 气动冲击矛的结构设计52.1 基本结构52.2 工作原理52.3 参数的选取72.4 结构参数的确定82.4.1由单次冲击功确定的参数82.4.2由行程确定的参数102.4.3矛体（气缸）的参数设计122.4.4 其他零件的选取142.5 各部件之间的关系153 零件的建模和装配163.1 基本建模163.1.1 确定基准163.1.2 图层管理173.1.3 标准件的画法183.2 各部件的建模过程183.3 装配264：气动冲击矛的数学建模414.1 假设414.2 矛体所受的阻力414.3 气腔内气体压力方程434.4 活塞的各个参数随时间的变化45结论48致谢49参考文献50附录52英文文献52中文翻译611 绪论1随着科学技术的发展，生活水平的提高，人们对于高效率的生活、工作方式越来越重视。无论是供水，排水，燃气，热力，电力，网络等有关日常生活方面提高，还是工业管道，石油管道等工业相关的的需要，地下管道作为城市基础设施的重要组成部分取缔了传统的地上管路运输成为了人类最重要的一部分。然而曾经的地下管路建设的方式-开挖埋设方法正为人类带来严重甚至不可挽回的问题，在这种情况下，非开挖技术作为一种不需要开挖就能完成地下管路铺设的技术正在日益兴起，随着国内外的不断发展，当今世界已经有了很多种类型的气动冲击设备。当下非开挖设备的类型主要分为气动冲击锤和水平定向钻两种。这两种设备均能完成非开挖管路的铺设，更新和修复。非开挖系统是一种利用钻掘方法，在较小的开挖量或者不开挖的情况下完成管路的铺设，更换和修复的新技术。虽然非开挖技术有悠久的历史，但是直到1970年后，国外才开始有了真正意义上的非开挖技术，国内的非开挖技术比国外还要晚，在上世纪90年代中后期，国内才开始对部分小型非开挖装置有了自主研发，目前，我国对于非开挖技术还处于上升阶段，我国的非开挖技术还没有部分发达国家的那么大的知名度，但是由于国家的提倡，政府的重视，人民的需要，非开挖技术在国内已经有了飞速的发展和进步，在21世纪初期，随着我国管道建设的快速发展，电力，燃气，通信，排水，供热等等管线由地上转入地下，而部分大中型城市已经不允许在城市内进行开挖工程，因此非开挖技术成为了我国目前最适用也是最有前景的一项管路铺设技术，其前景和价值也是一片大好的。1.1 国外的非开挖技术发展现状非开挖系统拥有着其良好的铺设技术和很好的市场前景，受到了全世界大部分国家的重视和提倡。目前，非开挖技术已经成为西方发达国家的一项不可或缺的技术，在许多西方的发达国家，非开挖技术已经得到了政府的支持，社会的提倡，人民的信赖。1986年，ISTT成立，ISTT全称为国际非开挖技术协会，该协会致力于非开挖技术的研发和促进非开挖技术的广泛应用。到目前为止，已经该组织已经有32个成员国和地区。该协会每年都会举办一些有关非开挖设备的技术交流和设备展览会，使得非开挖技术在该协会的帮助下得以进步，提升。近年来，在西方的发达国家，每年利用非开挖技术铺设和更新修复管路的工程量已经占到了总工程量的10%，并且每年还有飞速的增长。由于每个国家的地下管路现状和地层条件有所不同，因此在关于非开挖技术方面的侧重也有所不同。日本关于非开挖技术主要应用于交通拥挤，道路狭窄的市内污水管道铺设；在英国，其侧重点多为修复更新原有的就管路，因此开发了许多了修复更换的方法；在美国，由于其石油天然气的运输多依靠地下管路的运输，而这些管路经常需要穿越一些障碍物，因此美国的技术研究侧重于导向施工和定向施工。在20世纪90年代，有很多的科研单位，公司均对气动冲击矛进行了研究，均提出了各种各样的设计方案并申请了专利。在国外，最具有代表性的为美国的FOS-TERMILLER公司的专利（US5322391），德国的Teacto-technik公司的Grundosteer75可控冲击矛，德国Essig公司的可控地下火箭CM-98Z以及俄罗斯矿业研究院研制的可控气动装置冲击器，以上气动冲击矛均为当时世界上最优的技术产品。非开挖技术在国外经历了30多年的发展，依靠着国家政府的支持和人民的信赖，渐渐地成为了一项拥有着不断优化的高科技技术应用，它已发展成为一个技术门类齐全，市场分工明确，工程施工对环境友好的高科技技术产业，他能为社会带来客观的就业人数，使之成为发达国家的一个新技术增长点。目前，很多发达国家利用其发达的技术手段和积极的财力支持，解决了许多技术障碍，并且这些国家也依靠着先进的设备和优秀的技术垄断了非开挖技术地下管路作业市场。21.2 国内的非开挖技术发展现状我国在上世纪70年代末，对于一些零星的特殊工程不允许开挖，这就使得非开挖技术在我国开始有了概念性的认识。在80年代中期到90年代中期的时候，由于西方发达国家的垄断，管线铺设需求的增加，使得我国开始引进大量的外国专业设备，这一时期也成为了我国非开挖管道铺设的高潮。在90年代中后期，随着国家的“九五”推广计划，部分相关单位和组织开始了自主研发阶段，通过有组织的进行学术交流，组织各种协会，出版各种学术刊物等等，使得我国在一些小型设备的自主研发上有了一些成绩。虽然我国的非开挖技术研发和设备的研究开发上起步晚于西方的发达国家，即使是大城市，新增的管道铺设采用非开挖技术的占比不超过10%，管路修复中技术占比不超过百分之25%，远远落后于西方国家，但是，由于其环保和广阔的市场前景，使之在我国发展的速度非常快，当前我国的非开挖技术和应用已经遥遥领先于业界的平均水平。与此同时，非开挖技术的研究进度也是很快的，迄今为止，我国在北京，上海，广州，武汉四个城市开设了非开挖技术研究中心并建立了研制基地。此外，我国也开始了相关的培训工作，CSTT与中国地质大学联合编写了部分非开挖培训的教材，出版了相关的书籍专著，开设了相关的专业和课程，专门培养这一领域的人才。目前，国内比较突出的非开挖技术的产品有同济大学机械工程系研制的SDH-70气动冲击矛，吉林大学建设工程学院研制的KCM-130型可控冲击矛以及哈尔滨工程大学研制的“穿地龙”机器人。他们均以工作稳定，控向灵活，回退可靠，能够穿出曲线轨迹的钻孔为优点，使其大受好评。目前，除“穿地龙”机器人外，其他的气动冲击矛均在加以完善，如安装探头，优化部件等。国内气动冲击矛的生产厂家较多，例如长沙中联重工科技发展股份有限公司，江苏泰州创源机床有限公司等，国内的气动冲击矛质量 优良，结构简单，便于使用和修理，造价低廉，前来国内购买的外国厂商络绎不绝，同时也为其购买的产品表示好评。1.3 国内外有关非开挖系统的公司1 德国Tracto-Technik公司3德国的Tracto-Technik集团于1962年建立，是世界上最早进行非开挖装备研究制造的公司，同时也是世界上最为知名的非开挖设备制造公司，该公司拥有300多项有关非开挖设备的专利，这一数字遥遥领先于同行业的其他公司，该公司所生产的定向钻曾获得过欧洲201年最佳设计金奖。该公司设计的产品遍布全世界的57个国家和地区并设有分公司和服务机构。特别是该公司专门开发设计的静压和气动碎管机弥补了在不开挖的情况下破碎旧管线和更换新管线领域的空白，并在该领域一直处于领先地位。2 美国Vermeer公司美国威猛公司建立于1948年，主要产品为地下管线铺设设备，威猛开创了一个有关管道铺设作业的新时代，无论是定向钻的技术还是产品质量上，该公司都在业内一直保持着领先，在2013年时，该公司对外销售1231台产品并且成为了销量第一的非开挖设备制造商。3 中国地质科学院勘探技术研究所中国地质科学院勘探技术研究所成立于1957年，是我国国内第一所用于探矿工程的技术性研究所，该单位在1993年研究开发了非开挖技术，是国内第一所研究该项技术的研究中心，因此该单位也成为了中国非开挖技术协会(CSTT)常务理事单位，国际非开挖技术协会(ISTT)会员单位。该单位与1993年率先研究了有关非开挖技术，在1996年时有两项成果被评定为“国内领先，接近国外同类技术先进水平”，其生产的设备也被评价为“达到国外90年代前期同类产品先进水平”，因此，该单位也被国家列为“九五”科技成果重点推广计划单位。4 上海隧道工程股份有限公司该公司于1965年成立于上海，是我国最早进行盾构隧道试验和工程应用专业工程建设单位。该公司研制的DH系列地下穿孔机弥补了国内大于1000mm直径地下管道施工机械的空白，其总体技术水平已经达到领先级别，DH型地下钻孔机不仅可以应用于非开挖管路铺设作业，同时也可用于垂直打桩，打水井，打锚桩等作业。42 气动冲击矛的结构设计52.1 基本结构非开挖技术中主要进行钻孔的设备为气动冲击矛（锤）和水平定向钻两种，本文将主要对气动冲击矛进行结构设计。气动冲击矛的主要结构有矛体，活塞，内活塞密封环等装置构成，如图2.1所示1后座2矛体3输气管4密封圈 5内活塞6活塞7阀孔8后室9前室图2.1 气动冲击矛模型2.2 工作原理气动冲击矛是一个低频率、大冲击功的气动装置，它由空压机通过输气管向气动冲击矛内部输入气体进行驱动，通过活塞撞击矛体达到运动的目的，气动冲击矛通过冲击土层形成管道孔，其工作状态类似于家用缝纫机的针头，工作时在空压机不断向气动冲击矛的后室输送工作空气的作用下，活塞在矛体内运动并与矛体发生碰撞产生冲击力,，通过能量的转换,，使得活塞带动矛体向前运动， 随着活塞与矛体的相对位置的不同, 矛体内空气的压力与流向也不同, 因而活塞与矛体的受力情况也不同, 通过分析可将气动矛运动过程分为两个大过程，六个小阶段：1 活塞冲击过程：第一阶段：后室与前室不向通，空压机将工作气压通过输气管输送给后室，致使后室中的气压升高，前室由于与排气室相通，因此前室中的气压为大气压，在后室工作的气压的作用下，活塞开始运动，并且能在一段时间内保持着加速运动。图2.2 第一阶段系统示意图第二阶段：随着活塞向前运动，阀口被配气阀所挡住，前室不再与排气室相通，此时后室、前室均为密闭状态，由于工作气压比前室中的气压高的远古，活塞依旧向前做加速运动。图2.3 第二阶段系统示意图第三阶段：当活塞逐渐运动，使得阀口超过密封环时，前后室通过阀口使得两室内气压相通，但前室作用面积大于后室，会使得活塞受到前室中工作压力的作用而变为减速运动，为了保证活塞能够冲击矛体，因此此阶段应该很短。伴随着活塞撞击矛体，活塞冲击过程阶段也将结束。图2.4 第三阶段系统示意图活塞返回过程：第四阶段：活塞在撞击到矛体后，由于矛体作为负载并且进行的为钻孔作业，因此会使得系统的速度变为0m/s，然而此时前后室相通，前后室中的气体压力均为工作气压，前室的作用面积还要比后室大，所以活塞将会作反向的加速运动。第五阶段：由于活塞冲击过程的第三阶段很短，所以很快阀口就会被密封环所超越，此阶段类似于活塞冲击过程的第二阶段，但有所不同的是此时前室的气体压力几乎为工作气压，再加上作用面积大的缘故，致使得活塞做向后的加速运动。在这一阶段前后室均为密闭状态，我们也可以将此段视为绝热状态。图2.5 第五阶段系统示意图第六阶段：当阀口完全被密封环超越后，此时系统进入第六阶段，前室通过阀口与排气阀相通，此时前室内的工作气压变为大气压，活塞开始做减速运动。当整个活塞返回过程行程结束时，原本向后的加速运动在此阶段的作用下使得速度逐渐降到0m/s。与此同时，后室在不断的输入工作气压的同时，也在不断的积蓄能量，准备下一次活塞冲击过程的开始。图2.6 第六阶段系统示意图在活塞返回过程结束时，后室气体压力比前室气体压力大，因此会开始一段新的活塞冲击过程，致使活塞的第二次工作开始，进而达到循环的目的。2.3 参数的选取气动冲击矛动力来源于空压机储气罐通过输气管向气动矛的后室输送工作气体，导致压力差进而达到运动的目的，因此选择动力源的参数就变得尤为重要，他能决定着活塞的加速度，速度，重量等重要的数据。我们本次设计选取的空压机中工作气体压力为0.5MPa。在活塞运动过程中，根据气压乘以作用面积等于力的公式我们可以得知，作用面积的大小也决定了活塞的受力，进而影响了活塞对于矛体的单次冲击力的大小，所以选取合适的作用面积是至关重要的，本次设计中活塞的后室面积径为0.00785m2。在运动到第五阶段时有绝热过程的产生，因此我们需要得知绝热系数，本次设计采用的工作空气为干空气，其绝热指数为k=1.4。2.4 结构参数的确定气动冲击矛的结构参数既应该满足输出功的要求，也应该满足效率的要求，因此矛的单次冲击功就是矛工作的保证。当我们分析有关单次冲击功发现在活塞返回过程时由于其变化复杂，不易计算有关单次冲击功的各类数据，因此我们选择简化过的活塞冲击过程作为研究对象进行计算。在设计有关活塞返回阶段时，我们将分为三段进行计算。本论文中使用的很多公式均为可靠的经验公式，并且只考虑主要因素，次要因素不及与考虑。2.4.1由单次冲击功确定的参数我们通过单次冲击功根据动能定理可以得到活塞的质量m为：m=2EV2 （2.1）式中：V活塞撞击矛体时的速度（m/s） E活塞单次冲击矛体所做的功J缸体和活塞的材料、形状等因素限制了活塞冲击矛体时速度的大小，这个速度有一个极限值VL，VL一般取79m/s，取V=VL，那么根据公式2.1即可确定活塞质量m。取VL=V=8m/s，E=500J，则活塞质量m为：m=2x500/82=15.625kg根据牛顿第二定律可以确定活塞在活塞冲击矛体的过程时的加速度为：a=P1A1-P2A2+Pd（A2-A1）m (2.2)式中：a活塞在冲击过程时的加速度 m/s2 P1工作空气的压力 Pa A1后室空气作用面积 m2 P2前室空气压力 Pa A2前室空气作用面积 m2 Pd大气压 Pa由于两室的压力无时无刻都在变化，因此我们略去前后室压力变化，前室空气压力用系数1=1.25来修正，后室空气压力用2=0.95来修正，则公式2.2可表示为：a=2P1A1-PdA1（1a-a+1）m （2.3）设其中的P1=0.5MPa，A1=0.00785m2，a为前后室面积的比值，其合理值为（1.692.2），取a=2，则加速度a为：a=0.95x5x105x0.00785-1x105x0.00785x(1.25x2-2+1)/15.625=163.28m/s2根据面积可知前后室的直径为：d=4A1 （2.4）由A1=0.00785m2，a=2得到前后室的直径为：d1=0.1m d2=0.14m根据行程公式确定活塞行程S为：S=V22a （2.5）考虑到活塞在活塞返回过程时不能和尾座连接座相撞，因此需要添加一个一余量来保证两者不相撞，=1020mm，则结构行程Sd为：Sd=V22a+ （2.6）设为0.014m即14mm，带入末速度V，加速度a后得：Sd=210m由单次冲击功确定能行程即为活塞在冲击矛体的过程或是返回过程中的最大行程量，这一结果能过作为下面活塞返回阶段的参考依据。2.4.2由行程确定的参数2.4.1中主要确定行程参数的主要部分是单次冲击功，而且用活塞冲击过程算出了行程，为了确保行程，需要设计合理的前室气垫Vd，密封环宽度L以及配气阀位置h，他们不仅影响了行程而且影响了整个气动冲击矛的效率，前室气垫体积决定了前室气体压力的变化率以及前室的活塞返回过程时活塞所能达到的储能能力，：密封环的宽度决定了前室向排气室排气的时间，配气阀位置决定了在活塞返回过程时活塞所能达到的最大速度值，他们互相关联进而决定了行程的大小。由于活塞返回过程阶段气压变化比较复杂，为了简化计算，我们将活塞返回过程分为三个阶段，即由配气阀决定的充气段h，密封环段决定的密封段L和排气段（S-L-h）。图2.7示意图由于配气阀位置h是可以调节的，所以设充气段行程h=0.18S=0.035m，此段行程结束前，前室压力P2=0.84P1，并取阀孔直径d0=h。在充气段，工作气体通过后室经过阀孔向前室输送气体，前室的空气压力会在短时间之内达到与工作气压相通的状态，而前室作用面积比后室的大，因此整个活塞将会向后运动，由于此段行程空气压力变化复杂，因此我们略去前室压力的变化，用压力系数3=0.85修正，那么活塞将会作匀加速运动，活塞加速度可求得：a1=P2A2-P1A1-Pd（A2-A1）m （2.7）将修正系数2和3带入公式得：a1=P1A1a3-2-PdA1（a-1）m （2.8）将式子中的各个值带入可以得到a1的值为：a1=138.16m/s2根据运动学原理可以得到充气段结束时活塞的速度为：V1=2ha1 （2.9）将各值带入后可得V1的值为：V1=3.12m/s接下来系统将会进入密封段L，由于前室被密封环隔开出于密封状态，因此可以看做为绝热过程，绝热方程为：P1V1k=P2V2k （2.10）式中：P1充气段结束时前室的压力 Pa V1充气段结束时前室体积V1=aA1h+Vd P2密封段结束时前室的压力 Pa V2密封段结束时前室体积V2=aA1h+(L-d0)+VdVd前室气垫的体积。K绝热指数由于气体选择的是干空气，k=1.4。将式子2.10改写为：aA1h+(L-d0)+Vd=kP1 P2(aA1h+Vd) （2.11）绝热过程中膨胀功为：Is=P11m1k-11- P2P1k-1k=P1V1k-11- P2P1k-1k （2.12）式中：m1充气段结束时前室气体质量 kg1充气段结束时前室气体比容 m3/kg后室的气体做功为：Is=3P1A1L-d0+PdL-d0A1a-1 （2.13）根据功能原理可知：12mV22-V12=0.84P1aA1h+Vdk-11- P2P1k-1k-3P1+Pda-1A1(L-d0) （2.14）式中：V2密封段结束时活塞的速度 m/s进入排气段后，前室开始通过气阀进行排气，在膨胀功做功后前室压力已经很低了，并且排气结束后近乎等于大气压，活塞的速度在完成活塞返回过程后速度变为0m/s，取密封段结束后到活塞返回过程结束前这段时间的前室压力平均值的60%作为前室压力值，则活塞可看做匀加速运动，活塞的加速度为：a2=0.6P2A2-2P1A1-Pd（A2-A1）m （2.15）根据运动学公式可确定此段行程开始的时候活塞的速度V2：V22=-2a2S-h-L-d0 （2.16） 综合公式（2.11）、（2.14）、（2.16）可以得到一个关于L、Vd、V2、P2的代数方程组：aA1h+L-d0+Vd=kP1 P2aA1h+Vd12mV22-V12=0.84P1aA1h+Vdk-11- P2P1k-1k-3P1+Pda-1A1L-d0V22=-2a2S-h-L-d0 （2.17）该方程中有L、Vd、V2、P2四个未知数，设P2=0.56P1 ，则可根据2.17求出其余的三个未知数，因此，可以确定密封环段的长度L以及前室气垫体积Vd：L=0.054m=54mm Vd=3.39x10-5m=3.39x10-2mm2.4.3矛体（气缸）的参数设计由于活塞和矛体组成的系统工作方式类似于单作用气缸，因此它的输出推力：F=A1P1-Ft+ma （2.18）式中：Ft摩擦阻力 N由于本次设计考虑的均为主要因素，次要因素不给予考虑，因此2.18中Ft不做考虑，视为0N。实际情况中，此摩擦力由密封环和矛体内壁摩擦产生，因此可以自润滑的密封环即可降低产生的摩擦阻力，可使其近乎为0N。计算输出推力F为：F=1373.75N对于系统运动特性的研究可知，要精确确定系统的是实际输出力是很难的，于是在研究矛体性能和确定气缸的输出力时，优势为了简化分析过程，常用到负载率来初步确定。矛体的负载率为：=FFtx100% （2.19）由于整个气动冲击矛在地下钻孔，属于阻性负载，因此不产生惯性力，一般选取=0.8，因此可计算矛体的理论输出力Ft：Ft=1717.19N矛体直径也就是矛体的内径，要根据外负载的大小决定，当气源供气压力为P时，气缸内径为D为：D4FtP （2.20）将数据带入2.20中可得气缸内径为：D0.132m即132mm由于活塞的外径为140mm，因此取矛体的内径也取140mm 虽然输气管在气缸内部不需要移动，但也需要设计最小导向长度来保证输气管的稳定性，因此由设计最小导向长度的公式：HL20+D2 （2.21）其中：L气动冲击矛的最大工作行程mD矛体内径m22将最大工作行程和矛体内径带入公式得到最小导向长度H为：H0.08m即H80mm由于矛体的外壁类似于缸体，因此其壁厚可以直接通过常用气缸直径，材料和壁厚的关系来直接选取，根据表2-1：表2-1 矛体筒的壁厚直径材料5080100125160200250320铸铁HT1507810101214161645钢Q2355788991112铝合金ZL20381212141417由于矛体在地下进行钻孔作业，磨损程度较大，因此在选取矛体壁厚时，应比选取的值稍大些，因此取矛体材料为45刚，壁厚为10mm。2.4.4 其他零件的选取1 气管连接内活塞部分的气管选用精制铝合金气管，为了保证空压机的气体能够顺利的通过气管到达后室，并且保证气压的前提下，选择36的精制铝合金气管。保证导向长度的输气管选择与连接内活塞的气管相同，但是需要选取比前者更小直径的气管，因此选择20的精制铝合金气管2 配气阀配气阀的主要作用是利用配气阀上的密封环封闭或是打开活塞的阀孔进而达到活塞的前后室换气的作用。配气阀需要根据密封段的长度进行选择，由于密封段的长度L=54mm，密封圈的长度为40mm，因此配气阀的总长l应比密封圈长，所以选择的配气阀长度l为80mm，安装密封环预留的槽宽B=40mm，沉头孔直径为52mm，深度28mm，螺纹孔为M39。3 密封环作为封闭阀孔的重要部件或是实现活塞与矛体内壁密封的装置，密封环的尺寸选择至关重要本次选取的密封环主要有三个尺寸，一种为厚度8.5mm长度为40mm，另一种为厚度7mm长度为40mm，最后一种为厚度8.5mm长度25mm。材料为丁晴橡胶。4 尾座尾座的作用是用来提供排气室与大气之间的通路，并且使得输气管能够在尾座和系统内部保持稳定，在气动冲击矛进行工作时保证输气管不被破坏。尾座上的孔为两种，一种为12用来安装螺栓的通孔，另一种为14用来排气的通孔，这些孔呈环形分布，共12个。5 尾座连接套尾座连接套是主要用于连接尾座和矛体的装置，同时，它也为排气室提供了通往大气的通道。尾部连接座上设有14的通孔和10的螺纹孔，通孔保证了工作气体能够排出气动冲击矛，螺纹孔保证了尾座能够安装到连接座上，同时尾部连接座上还有与矛体连接的145的螺纹，用来保证连接套和矛体能有稳定的连接。2.5 各部件之间的关系1 活塞与矛体之间的定位基准依靠着密封环与矛体接触得以确定,由于密封环为弹性元件，因此密封环在保证了密封的同时也扩大了矛体内壁或者活塞在制造时允许的误差。 2 配气阀与活塞之间的定位类似于活塞与矛体之间的定位，我们需要将配气阀安装到活塞中，用密封环来密封两者之间的间隙，因此与矛体和活塞之间的关系相同。3 配气阀与配气阀中的螺栓依靠螺纹连接，其螺纹的大径为39mm，小径为36mm，螺距为1.75mm，角度60度。4 配气阀中的螺栓与铝合金输气管的也是依靠螺纹连接，铝合金输气管内螺纹参数与螺栓的螺纹参数相同。5 锁紧套与铝合金输气管之间采用锁紧的方法进行连接，依靠锁紧套在拧紧螺母后能够使作用面的直径变小，挤压气管达到锁紧的目的，而与空压机的气管连接方式为螺纹连接，其螺纹的大径为64mm，小径为60mm，螺距为4mm，角度为60度。6 尾部连接座与矛体采用螺纹连接，螺纹为大径为145mm，小径为140mm，螺距为5mm，角度60度。7 在尾部连接座上有一橡胶材质的密封环，用来保证连接座与矛体之间没有缝隙。8 尾部连接座与尾座之间用螺栓进行连接，螺栓采用双头螺栓，采用GB 90188中的M10x250螺栓，连接连接座一端长度为50mm，在外部与螺母进行配合的一端长度为45mm。3 零件的建模和装配UG NX 是一款专业化，一三维实体建模为主的设计软件，其模块中提供了各种标准设计特征，主要包括体素特征、扫描特征和设计特征等部分。各个标准特征突出关键特征尺寸与定位吃荤，能够很好的传达设计意图，易于调用和编辑。与其他一些实体造型的CAD软件相比较，UG NX软件在三维实体建模的过程中能够获得更大，更自由的设计空间，减少在建模操作上花费的时间，从而提高设计效率。3.1 基本建模3.1.1 确定基准对于任何一个零件的建模，选取一个正确、合适的基准是至关重要的。如果只是绘制草图，那么任何一个基准面都可以作为绘制草图的基准，但是有些随着模型复杂程度的加深，特征多，结构复杂的零件越来越多，这时候只有坐标原点和仅有的参数是远远不够的，尤其在对特征阵列、特征镜像、特征复制的过程中，如果没有基准，模型想要完成建模是很难的，所以基准的确定是至关重要的。基准包括基准平面和基准轴两个方面，建立基准平面和基准轴的方法有很多种，如图3.1所示，我们可以通过很多种方法进行基准的选择，甚至我们可以通过自动构筑基准的方式根据图形自动获得想建立的基准。图3.1建模中基准相关项在对配气阀进行建模时，我们需要创建基准轴来完成对草图的回转，如图3.2所示图3.2配气阀草图在对活塞进行建模时，需要选择草图本身中的直线作为基准轴，如图3.3所示图3.3活塞草图至此我们可以知道，在建模过程中设置基准是最基本也是最重要的步骤之一。3.1.2 图层管理随着深入学习UG软件的使用我们发现在建模过程中会经常需要层的概念，就如同在cad中画图将不同颜色，不同粗细，不同类型的线放在不同的图层上一样，在绘制过程中当某个线条出现错误或是不合理的情况，而又不想修改与之重叠或是共线的线条时，设置图层就变得至关重要。在三维建模中也是同理，为了方面线条的修改，显示或者隐藏的时候，图层这个概念又再一次出现了。UG中最多可以设置256个图层，每层可以包含任意个数的对象，所有的对象可以位于同一层，但是工作层只有一个，通过设置，可以使得其他图层变为显示或是隐藏，在“格式”的菜单中有关于图层的相关操作如图3.4所示，这其中包括：层设置，层的编辑状态，层组的编辑和信息，移动，辅助到层等操作。图3.4“格式”中的图层选项3.1.3 标准件的画法应用UG的标准件库进行标准件的建模，可以快速的完成有关标准件的建模，只要输入需要的标准件相关型号或是系列的代号，给出一个初始点，就可以直接得到这个标准件的建模图型，这个建模的过程是由系统自动生成的额，因此这个标准件库是非常有用的，能够为大部分进行建模的人员减少很多负担，同时也缩短了建模的时间。但是利用这种方法得到的标准件不能直接用UG的工具进行材料的去除工作，因此在有些时候，还是需要利用传统的方法进行标准件的建模。传统的建模方式，在对标准件进行建模时，我们往往不画出“详细”的螺纹，反而是利用一个圆筒来代替螺栓上的螺纹，这个圆筒的大径就是螺纹的大径。这样做的目的是为了提高零件的显示性能，在提高性能的同时不会影响装配时的检查干涉。3.2 各部件的建模过程对于零件的建模，我们需要在不同的文件中建立不同的零件，因此在每次建立新的零件的时，我们就需要新创建一个空白文件来绘制新的零件。一般绘制零件的操作步骤如下：建立新文件选择建模，输入文件名创建草图定位基准绘制零件大体草图完成草图对草图进行拉伸或是回转操作建立新的草图绘制细节方面的草图对细节草图进行指令操作布尔操作对零件整体进行其他操作（螺纹等）完成建模。以上过程为本次零件的基本建模步骤，有特殊情况如阵列操作等会在具体操作步骤时说明。1 活塞(1) 绘制草图绘制出草图的回转截面以及回转轴，以方便回转指令的操作。点击插入草图平面方法创建平面YC-ZC平面确定，之后在草图平面上绘制出活塞的截面。如图3.5所示。图3.5活塞截面草图(2) 回转操作选择“草图”为回转截面，草图最下端的线为回转轴，进行回转操作。点击工具栏中的“回转”指令，选择草图为回转截面，选择草图最下段的直线为回转轴，点击确定。如图3.6所示。图3.6草图回转 (3) 作阀孔草图阀孔作为前室、后室、排气室连接的通道，其位置关系到了各个行程的长度长短，因此，对于阀孔的定位至关重要。绘制孔的草图如3.7所示。图3.7阀孔草图(4) 做阀孔实体通过拉伸孔的草图然后进行布尔求差即可达到目标孔，制作过程和结果见图3.8和图3.9。点击工具栏中的“拉伸”指令，选择孔的草图为截面曲线，极限对话框中的开始和结束数值的绝对值总和大于所在部分的活塞直径（图示为500和-500），布尔对话框中选择求差，选择活塞为目标体，点击确定。图3.8阀孔制作过程图3.9阀孔利用刚才的方法一次性能做出两个孔，因此我们需要重复(3)和(4)的方法做出其他6个孔。建模如图3.10所示图3.10所有阀孔2 尾部连接座作为连接矛体的尾部装置，尾部连接座不仅需要有对应排气室的排气孔，还要有与矛体相对应的螺纹，并且还要有与尾座对应的螺纹孔。(1) 草图绘制点击插入草图平面方法创建平面YC-ZC平面确定，之后在草图平面上绘制出配气阀的截面。如图3.11所示。图3.11尾部连接座截面草图 (2) 回转操作点击工具栏中的“回转”指令，选择草图为回转截面，选择草图最下段的直线为回转轴，点击确定。如图3.12所示。图3.12回转操作(3) 添加螺纹点击工具栏中的“螺纹”指令，选中如图3.13所示的圆柱面添加螺纹，螺纹类型选择详细，小径为144，长度为76，螺距为8，角度为60度。图3.13添加螺纹(4) 做排气孔草图插入新的草图，创建XZ为基准平面，之后在该草图绘制平面上找到尾部连接座上14孔的位置，完成草图的绘制。图3.14排气孔草图(5) 做排气孔图3.15做排气孔 (6) 对排气孔进行阵列由于零件的排气孔是呈环形阵列在零件上的，因此我们可以用UG软件中的“插入”中的“对特征形成图样”的操作完成孔的阵列，操作如下：27点击“插入”，选择菜单中的“关联复制”，从分列表中选择“对特征形成图样”，在弹出对话框后选择排气孔作为“选择特征”，选择回转轴为“指定矢量”，选择回转轴的起点为“指定点”，间距选择“数量和节距”，数量为6个，节距角为60度，点击确定。如图3.16所示。图3.16阵列排气孔(7) 作螺纹孔草图图3.17螺纹孔草图(8) 作螺纹孔图3.18作螺纹孔(9) 阵列螺纹孔图3.19阵列螺纹孔(10) 添加螺纹为螺纹孔添加螺纹图3.20做螺纹孔用同样的方法为其他5个孔添加螺纹。至此部分零件的建模完成。3.3 装配在所有的零件都建模完成以后，利用UG软件就能将所有的零件进行组装，这种虚拟实现组装的方式就被成为装配，完成装配之后，就能对设计的产品进行各种检查以及各种仿真。利用UG软件进行装配装配的优点有以下几点。1 装配要求的空间小。2装配中不需要编辑的下层部件可以简化显示，提高显示速度。3 当构成装配的部件修改时，装配自动更新。在装配时，我们的装配大体思路如下：配气阀组件输气管活塞活塞的密封环矛体尾部连接座螺栓尾座平垫螺母。1 配气阀与密封环的装配首先建立UG的装配文件，命名为“zhuangpei”之后将配气阀和密封环分别导入装配件文件中，如图3.21所示。图3.21零件导入选择“装配”菜单下的“组件位置”，选择其中的“装配约束”，类型先选择“距离”，选取如图3.21所示的两个面，之后在距离后输入“0”如图3.22所示，再选择类型为同心，选择密封环内壁和配气阀上安装密封环的外壁，点击确定，结果如3.23所示。图3.22零件导入53图3.23装配约束图3.24装配完成2 螺栓与配气阀的装配同样的，将螺栓与1中同样的方式导入装配文件中，如图3.24所示，继续选择“装配约束”，类型选择距离，选择图3.25所示的两个平面，设置距离为0，再选择类型为同心，选择如图3.26所示的两个圆，点击确定，装配好的图如图3.27所示。图3.25导入图形图3.26选择对象图3.27选择对象图3.28装配用同样的方法将活塞上的密封圈进行装配，在此不再赘述。3 铝合金气管的装配在导入铝合金气管后，选择“装配约束”，类型选择距离，选择如图3.29所示的两个平面，在距离中填写0。图3.29选择平面之后选择类型为接触对其，选择刚才的两个面点击应用，如图3.30所示图3.30选择平面之后选择同心，继续选择这两个面，在装配完成后点击确定，如图3.31所示图3.31装配完成4 活塞的装配将活塞导入后，调出装配约束对话框，在类型中选择“接触对其”，在其后面的下拉框中选择“首选对齐”之后选择如图3.31所示的两个平面，如图3.32所示。图3.32平面选择图3.33接触对齐之后在类型中选择“同心”，依旧选择之前的两个平面，点击确定，得到的装配图如图3.34。图3.34装配5 矛体的装配导入矛体，调出装配约束对话框，选择“接触对齐”类型，在方位后选择“首选接触”，之后选择如图3.35所示的两个平面，点击“应用”。图3.35平面选择之后选择“同心”类型，选择图3.35的两个平面，点击确定。装配好的模型如图3.36所示图3.36装配完成6 锁紧套装配导入锁紧套，将矛体和活塞进行隐藏，调出装配约束对话框，类型选择“接触对齐”，方位为“对齐”，选择如图3.37所示的两个平面，点击应用。（图中锁紧套只为示意图，不代表真正的锁紧套）图3.37平面选择之后选择“同心”类型，选择如图3.38所示的两个圆，点击确定，得到如图3.38所示的装配图。图3.38选择同心圆图3.39装配7 输气管的装配导入输气管，调出装配约束对话框，选择类型为“接触对齐”，方向为“接触”，之后选择如图3.40所示的两个面，点击应用。图3.40选择平面之后选择类型为“同心”，选择如图3.41所示的两个圆，点击确定。得到如图3.42所示的装配图形。图3.41选择同心圆图3.42选择同心圆8 尾座连接套的装配导入尾部连接座，调出装配约束对话框，选择类型为“接触对齐”，方位为“接触”，之后选择如图3.43所示的两个平面，点击应用。图3.43选择平面之后在装配约束对话框中选择类型为“同心”，选择如图3.44所示的两个圆，点击确定。图3.44选择同心圆9 装配螺栓导入螺栓，调出装配约束对话框，选择“距离”类型，之后选择螺栓的中心线和尾部连接座的内螺纹的中心线，设置距离为0，点击确定，得到图3.45。图3.45选择同心圆用同样的方法将其他5个螺栓装配到对应位置，如图3.46所示。图3.46装配螺栓10 尾座装配导入尾座建模，调出装配约束选项卡，选择类型为“同心”，选择如图3.47所示的两个圆，点击应用。图3.47选择同心圆之后选择“距离”类型，选择螺栓的轴线和尾座上用来放置螺栓的通孔的中心线，设置距离为0，点击确定，得到的装配如图3.48所示。图3.48装配图3.48装配11 螺母、平垫的装配导入螺母和平垫，调出装配约束选项，选择类型为“接触对齐”，选择其中的“接触”方位，先选择平垫的一面和尾座的后端面，点击应用，之后在对话框内选择“距离”类型，选中平垫的孔的轴线和螺栓的轴线，点击确定，如此重复6次，将6个平垫全部装配在目标位置，如图3.49所示。图3.49装配用同样的方法将6个螺母也装配到螺栓上，装配图如图3.50所示。图3.50装配整个装置的剖面图如图3.51所示。图3.51气动矛剖面图至此，气动冲击矛的三维建模以及装配完成。4：气动冲击矛的数学建模4.1 假设气动冲击矛在工作状态下的运动方式非常复杂，因此，根据气动矛的结构、工作原理和构造的目的，根据需要对问题进行了简化，先要抓住主要因素，暂时不考虑不重要的因素，将其理想化、简单化。该模型的目的是为了求解气动矛系统在工作时的各性能参数：冲击频率和冲击功。因此，能影响这些参数的基础数据都不能忽略。因此，在仔细研究过了气动矛系统结构和工作原理的基础上，提出了以下假设：假设：1）空压机和工作系统中的气体为理想气体，压缩过程和膨胀过程视为气体绝热过程，压力是恒定的。理想空气是一种假设气体，它被定义为气体中的分子是没有体积的质点，并且分子之间没有作用力。这是一个理想的气体模型。气动矛以压缩空气为工作流体。分子之间的距离很大，分子之间的力很小，分子本身的体积也很微小。在这种情况下，忽略分子本身的体积和他们之间的力不会引起较大的误差。因此，气动矛中内的工作流体可视为理想气体。2）前后室均经历绝热过程，气体的热力学过程视为静态过程。气动矛的热力学过程十分复杂，所有的过程都会破坏当前的平衡，新的平衡到来之前，部分部件的状态参数都是不均匀的，即系统几乎不平衡，但在气动矛系统中，活塞的速度不会超过10m/s，而气体中压力波传播速度为几百米每秒，所以这会显得气动矛系统的过程非常缓慢。因此，气动矛系统中的气体的热力学过程可以看做是一个静态过程。3）气动矛漏气量忽略不计4）所有的摩擦力均忽略不计在气动矛的结构运动中金属表面实际上很少会相互摩擦，相对于金属表面，比如矛体和活塞、活塞和配气阀的内外壁，主要进行摩擦的为密封环。在设计中我们采用自润滑材料，单个润滑系统几乎没有油故障，这样就能确保气动矛不会卡死或出现其他故障。所以摩擦力通常很小，可以忽略不计。4.2 矛体所受的阻力以前的研究工作为我们今天的研究打下了基础，在本次数学模型的建立，是在之前研究的基础上，利用动力学和气体动力学原理，将矛体和活塞视为一个系统，去考虑土壤对整个系统的阻力。因为系统的主要工作原理就是通过活塞撞击矛体做功，使得矛体向前运动进而使得气动矛冲击土层达到钻孔的效果。因此，研究时不能将外部阻力视为无限大，也就是说系统是运动的，为了使得气动矛更好的工作，活塞的单次冲程功是相关设计人员最为关心的。因此，在考虑土层对系统的阻力效应下，有必要研究系统的各个参数对冲击功所产生的影响。在施工前，工作人员需要对土层的可夯性进行评价，根据土层的各个参数，计算出来在铺设管路时所需要的推力大小。土壤的性质对可夯性参数有着很大的影响，土壤的本质包括种类、密度、重力、含水量、密实度、饱和度等，这其中，类型和含水量对可夯性的影响最大。管道铺设的阻力主要包括矛体与土壤接触时土壤给予的摩擦力和法向应力，如图4.1所示，图中的P是活塞对矛体的冲击力，G为矛体自重，N为土壤对系统的总侧向反力。图4.1矛体受力分析根据非开挖顶管施工规范提供的定理计算公式，土层对气动矛矛体的摩擦阻力可以通过修改铺设管道的施工方式来近似获得F1：F1=fDH2+KaH+D22+D+LD （3.1）式中：土壤的比重 f矛体与土壤之间的摩擦系数 H管顶以上覆盖的土的厚度 D矛体外径 Ka主动土压力系数 单位长度气动矛的自重 Ld顶进长度根据矛体在土层上的作用形式，正面阻力可以分为切割阻力和积压阻力，正常情况下，主要是切割阻力。F2=D2R4 （3.2）式中：R矛体前端中心线处的被动土压力 H管道中心深度 c土的黏聚力 R=HKp+2cKp （3.3）式中：Kp被动土压力系数Kp=tg245+2 （3.4）式中：砂土内摩擦角系统受到的总摩擦力为：F=F1+F2 （3.5）4.3 气腔内气体压力方程根据假设中的第二点则有：Pvk=常数 （3.6） 式中：P为气室中的气体压力 Mpa k绝热指数 v气室中气体的比容 m3/kg 将v=V/m带入3.1中，两边对时间t进行求导，经过整理可以得到：dpdt=-pkdVdtv-1-dmdtm-1 （3.7） 式中：m气室中气体的质量 kg t时间 s气动矛的后室与输气管和前室连接，在整个工作过程中，后室始终被冲入工作空气，并将该工作空气通过阀孔输送到气动矛的前室，因此后室的体积V、空气质量m不断变化。由于活塞的位置变化，气动矛在工作时其前室可以通过阀孔与后室或排气室相连，因此在不同的阶段压力的变化很大。另外，气动矛前室的气压决定了活塞的行程以及气动矛对外作的功。因此前室的压力是很重要的参数。后室气体的容积为：V2=V1+sA2 活塞冲击过程（3.8）V2=V1+sd-sA2 （活塞返回过程）（3.9）式中：V2后室气体的容积 m3 V1空压机中储气罐的容积 m3 A2后室活塞受力面积 m2 s活塞位移 m前室气体的容积为：V3=V4+sA3 （活塞返回过程时）（3.10）V3=V4+sd-sA3 （活塞冲击过程时）（3.11）式中：V3前室气体的容积 m3 V4前室气垫的容积 m3A3前室活塞受力面积 m2之后对前后室的气体容积对t进行求导得：dV2dt=A2dsdt=A2sp （活塞冲击过程时）（3.12）dV2dt=-A2dsdt=-A2sp （活塞返回过程时）（3.13）dV3dt=A3dsdt=A3sp （活塞冲击过程时）（3.14）dV3dt=-A3dsdt=-A3sp （活塞返回过程时）（3.15）式中：sp活塞运动速度 m/s将式子3.7代入得到：dP2dt=-P2kA2spV1+A2s-dm2dtm2-1（活塞冲击过程时）（3.16）dP2dt=P2kA2spV1+A2(smax-s)-dm2dtm2-1（活塞返回过程时）（3.17）dP3dt=P3kA3spV4+A3(smax-s)-dm3dtm3-1（活塞冲击过程时）（3.18）dP3dt=-P3kA3spV4+A3s-dm3dtm3-1（活塞返回过程时）（3.19）式中：P2后室气体压力 MPa P3前室气体压力 MPa m2后室气体质量 kg m3前室气体质量 kg4.4 活塞的各个参数随时间的变化根据假设4，活塞在矛体内只会受到空气压力的作用，因此活塞的运动微分方程为：d2sdt=(P2A2-P3A3)/m106（活塞冲击过程时）（3.20）d2sdt=(P3A3-P2A2)/m106（活塞返回过程时）（3.21）式中：m活塞的质量 kg根据假设3，气动冲击矛整体结构中的后室一直与空压机相连接，因此后室中气体的质量变化率为：dm2dt=Q0-dm3dt （3.22）式中：Q空压机的排气量 m3/s 0标准状态下空气的密度 kg/m3在活塞冲击过程时，很长一段时间前后室不通，前后室基本无气体交换，因此：dm3dt=0 （3.23）在活塞在运动过程中，有时前后室的气体通过阀口相通，有时候前室通过阀口与大气相通，并且密封环在通过阀口时阀口的面积是变化的，因此要分段考虑前室空气的变化：1 前室通过阀口与大气相通时：dm3dt=3900(P32-P3Pd)0.5(273T)0.5As,t （3.24）2 前后室由密封环隔开时：dm3dt=9.103d3T0(P3-Pd)LP3 （3.25）3 前室和后室相通时：dm3dt=3900(P22-P3P2)0.5(273T)0.5As,t （P2p31.893）（3.27）dm3dt=3900(P32-P3P2)0.5(273T)0.5As,t （P2p31）（3.28）式中：Pd大气压力 MPa T气体温度 K T0标准状态下气体的温度 K d后室直径 m 阀孔大小 m 气体动力粘度 pas 阀孔收缩系数 L阀孔长度 m A(s,t)阀孔直径相对时间的变化量 m至此，总结上述公式，可以得到活塞与矛体之间的数学模型为：dsdt=sp d2sdt=P2A2-P3A3m106 (活塞冲击过程时)d2sdt=P3A3-P2A2m106 活塞返回过程时dP2dt=-P2kA2spV1+A2s-dm2dtm2-1 活塞冲击过程时dP2dt=P2kA2spV1+A2smax-s-dm2dtm2-1 活塞返回过程时dP3dt=P3kA3spV4+A3smax-s-dm3dtm3-1 活塞冲击过程时dP3dt=-P3kA3spV4+A3s-dm3dtm3-1 活塞返回过程时dm3dt=0 前后室不互通时dm3dt=3900P32-P3Pd0.5273T0.5As,t 排气段dm3dt=9.103d3T0P3-PdLP3 密封段dm3dt=3900P22-P3P20.5273T0.5As,t P2p31.893dm3dt=3900P32-P3P20.5273T0.5As,t P2p31利用以上数学模型可以得到系统在任意时刻的位移，速度，加速度，前后室还有排气室的压力，活塞在一个行程中运动的时间等，进而能得到系统的冲击频率，冲击能量，活塞工作时的压力等。结论气动冲击矛的运动过程复杂，其前进过程依靠活塞与矛体的不断撞击得意实现，当活塞冲击矛体时，大部分行程都是在做加速增大的变加速运动，由于加速度的不断变化，导致在冲击矛体阶段不易求得活塞的速度以及运动的行程，因此我们采用简化的方法，将变化的空气压力变为固定的空气压力的倍数进行计算，得到了易于求得的行程。在活塞返回过程中，由于其工作行程中气体的变化比冲击矛体阶段还要复杂，因此我们将这一过程分为三段进行计算，并且每一段都进行了简化，使得我们得到了这三段各自的行程长短以及阀孔的参数大小，利用这种简化方法，使我们对于气动冲击矛有了一个更加简单的设计方法，同时也贴合了实际状况。 通过数学建模我们发现气动冲击矛的内部运动无时无刻都在变化，同时也能得到在不同的阶段，其不同参数的数学模型也有所不同，利用做出的数学模型，能够得到活塞在任意时刻的速度，加速度，行程，前后室的空气压力，活塞运动时达到各个阶段所需的时间等，这些数据对于研究气动冲击矛的动力学仿真有着重大的意义。致谢首先向所有的指导教师还有帮助过我的同学，朋友们表示诚挚的谢意和谢意！在此特别感谢我的毕业设计指导教师于晓琳老师，能够圆满地完成此次毕业设计，与于晓琳老师每周的严格的指导和亲切的答疑是分不开的，本次论文也是在于老师的不断批改和严格要求下完成的。于老师严谨的态度和和蔼的教导使我倍感亲切。同时我也要感谢各位评阅人老师，感谢你们在百忙之中抽出时间评阅我的论文，并提出宝贵的意见。最后我要感谢一直默默支持的家人和朋友们，有了你们的支持才使我有了足够的动力完成了此次论文，在此致谢！参考文献1 徐大鹏. 非开挖气动回扩锤的参数分析及优化设计研究D. 中南大学, 2008.2 何宜章. 国内外非开挖管线技术与设备发展概况J. 工程机械与维修, 2000(11):30-33. 3 宋翔雁, 郝丁. 我国非开挖管线工程技术发展现状的调查报告J. 特种结构, 2001, 18(3):1-9.4 王兰锟. 发展中的非开挖产业J. 西部探矿工程, 2003, 15(12):172-174.5 何宜章. 2005年中国非开挖行业调查C/ 2006非开挖技术会议. 2006:1-6.6 张志兵. 夯管锤结构参数的设计J. 矿产勘查, 2001(11):30-31.7 邝昊, 郭岗. 气动矛锤活塞的冲击能量分析J. 建设机械技术与管理, 2003, 16(3):17-19.8 徐绍军, 徐大鹏, 徐海良,等. 气动回扩锤的计算机仿真与优化研究J. 工程机械, 2008, 39(1):16-19.9 江涛, 李锻能. 基于仿真计算的气动潜孔冲击器性能分析J. 机床与液压, 2010, 38(3):101-103.10 谢含华. 国内外非开挖气动锤的技术现状J. 凿岩机械气动工具, 2006(4):1-8.11 郭丽, 闫明印, 白琳琳,等. 侵彻原理在气动矛穿越过程中的应用J. 沈阳理工大学学报, 2006, 25(5):65-68.12 张志兵, 刘静, 祝世平. 气动矛性能的计算机仿真研究J. 地质与勘探, 2001, 37(2):77-79.13 张志兵, 刘静. 气动矛活塞运动规律的计算机仿真J. 中南大学学报(自然科学版), 2000, 31(5):388-391.14 徐小荷. 冲击凿岩的理论基础与电算方法M. 东北工学院出版社, 1986.15 于晓琳. 气动矛工作状态分析与仿真D. 沈阳工业学院 沈阳理工大学, 2003.16 王忠发. 压气活塞式冲击机构仿真计算J. 凿岩机械气动工具, 1994(2):1-9.17 张志兵. 气动冲击锤的计算机模拟研究D. 中南大学, 2001.18 王新月. 气体动力学基础M. 西北工业大学出版社, 2012.19 张国忠. 气动冲击设备及其设计M. 机械工业出版社, 1991.20 李建藩. 气压传动系统动力学M. 华南理工大学出版社, 1991.21 朱文鉴, 乌效鸣, 李山. 水平定向钻进技术规程M. 中国建筑工业出版社, 2016.22 徐涛. 水平定向钻进随钻测量方法及定位技术研究D. 国防科学技术大学, 2006.23 舒代吉. 气动冲击器的设计与研究方法一例J. 凿岩机械气动工具, 1987(2):17-24.24 Coady P A, Chaudhry N, Adelman R A. Pneumatic retinopexy for displaced macular laceration from intraocular foreign body:J. American Journal of Ophthalmology Case Reports, 2016, 4(C):18-20.25 Anantharaman A, Cahyadi A, Hadinoto K, et al. Impact of particle diameter, density and sphericity on minimum pickup velocity of binary mixtures in gas-solid pneumatic conveyingJ. Powder Technology, 2016, 297:311-319.26 Graczykowski C. Mathematical models and numerical methods for the simulation of adaptive inflatable structures for impact absorptionM. Pergamon Press, Inc. 2016.27 Uzi A, Ami Y B, Levy A. Erosion prediction of industrial conveying pipelinesJ. Powder Technology, 2016, 309:49-60.28 Szymczak W, Menzel N, Keck L. Emission of ultrafine copper particles by universal motors controlled by phase angle modulationJ. Journal of Aerosol Science, 2007, 38(5):520-531.29 王忠发. 实用新型气动冲击机构J. 凿岩机械气动工具, 1996(2).30 王茁, 张波, 石东兵,等. 穿地龙机器人气动冲击机构的分析与优化设计J. 中国机械工程, 2009(23):2816-2820.附录英文文献A method for detecting soil conditions of trenchless projectsD.B. Fu & C. XiaFuzhou Planning Design and Research Institute, Fuzhou, ChinaY.F. GuoFujian Key Laboratory of Geohazard Prevention, Fuzhou, ChinaABSTRACT: Trenchless technologies have been steadily growing in underground projects in urban areas. It is essential to obtain soil data at trenchless zones in order to successfully complete construction of underground projects. Consequently, a method for detecting soil conditions has been developed in this paper by the integrating Horizontal Directional Drilling (HDD) technique and cross-hole seismic tomography. Firstly, several small-diameter holes along trenchless projects are drilled by using the HDD technique, and Polyethylene (PE) pipes are installed along the designed path followed by placing detecting instrumentations in PE pipes. Travel times of each sourcereceiver pair are collected to reconstruct the velocity distributions between the boreholes. Finally, the soil conditions and anomalous zones are determined. To verify the feasibility of the proposed method, a main water pipe constructed by the pipe jacking technique is taken as an example to detect obstacles distributed beneath bridges. The field results show that the proposed method is capable of detecting soil conditions for trenchless projects.521 INTRODUCTIONTrenchless technologies such as pipe jacking and micro tunneling have been used progressively in the installation and renovation of underground pipelines in urban areas owing to little disruption to traffic and nearby businesses (Struzziery et al. 1998). Compared to open-cut methods, the soil data is seen indirectly for trenchless methods, which may bring high risks during construction. Therefore, it is fundamental to develop a favorable method for detecting the subsurface conditions at a site.Several geophysical exploration methods have been used extensively to detect underground information, which was primitively developed for natural resources exploration (Gupta & Roy 2007). Sakai & Takatsuka (1999) listed major geophysical exploration methods and their survey areas. Unlike borehole method, geophysical exploration methods assess ground 54conditions by measuring indirect data (such as velocity, attenuation, and wavelength of sound), which is controlled by ground properties. Among these existing geophysical exploration methods, the cross-hole seismic tomography is the most efficient exploration tool for detecting ground conditions. So far, a large number of applications and research about this method have been reported in the literature. Sakai & Takatsuk (1999) developed a new electric wave exploration system for detecting shallow strata boundaries in urban areas and gave three experiments to verify its effectiveness. Bichkar et al. (1998) presented a genetic algorithm approach for detecting subsurface voids in cross-hole seismic tomography. Trivino & Mohanty (2015) assessed the crack initiation and propagation in rock from explosion induced stress waves and gas expansion by cross-hole seismometry and FEM-DEM method. However, with the investigation and application increasing, problems gradually emerged in the cross-hole seismic method applied to detection of ground conditions, which involves:Cross-hole configuration. Boreholes are perpendicular to the ground. Because underground pipelines in urban areas are usually linear underground structures, the borehole is simply able to show the results at the sections and the limit number along the planned route give insufficient information.Image resolution and accuracy. The distances of boreholes directly determine the image resolution and accuracy. In the field surveys, the cross-hole configuration scheme needs to consider the distance of boreholes and the cost.Complex surface conditions. Municipal pipelines are commonly seen beneath the road and constructed using the trenchless method when roads appear. Drilling the ground inevitably affects the traffic. In addition, difficulties exist in the detection of soil conditions beneath existing structures when a subway crosses the existing buildings.On account of the above issues, a geographical exploration technique for detecting obstacles of trenchless engineering (PN: ZL201310305447.5) is proposed (Xia et al. 2013). By integrating the HDD technology and cross-hole seismic tomography, the soil conditions in trenchless zones are perceived. The main water pipe constructed by pipe jacking technique is taken as an example to verify the feasibility of the proposed method.2 A BRIEF DESCRIPTION OF EXISTING TECHNIQUES2.1 Horizontal directional drilling technique The HDD technology dates back to 1891 when the first patent was granted for equipment to53place a horizontal hole from a vertical well (Carpenter 2002). The use of this technology hasincreased dramatically since the mid-1980s because of its environmentally friendly character.The HDD process consists of three stages: pilot bore, back reaming, and pipe installation (Gokhale et al. 1999). The pilot bore stage consists of drilling a borehole along the designed path by using a small-diameter drill. Once the pilot hole is completed, the drill head is switched to a reamer. During the back-reaming stage, the reamer is pulled back to enlarge the bore path. On the final pipe installation stage, the pipe installation can either be performed in conjunction with the reaming stage or after the reaming is completed.2.2 Cross-hole seismic tomographyThe cross-hole seismic tomography involves the measurement of travel of the ray path between two or more boreholes aiming to derive an image of seismic velocity in the intervening ground (Jackson et al. 2001).The cross-hole seismic tomographic processing consists of measuring the travel times of all rays and restructuring the velocity distribution of target exploration zones. Firstly, the seismic sources and seismic receivers are placed in two boreholes. The travel times of each sourcereceiver pair are collected. Then the velocity distributions between the boreholes are reconstructed with the aid of mathematical inversion approaches such as the back-projection technique (Gilbert 1972), the algebraic reconstruction technique (Gordon 1974), and the genetic algorithm-based technique (Bichkar 1998) and so on. Because each soil property is corresponding to a velocity vdue, the anomaly of the resulting velocity image can be regarded as obstacles. 3 A METHOD FOR DETECTING SOIL CONDITIONS OF TRENCHLESS PROJECTSIn this paper, a method based on HDD technique and cross-hole seismic tomography is developed to detect the soil condition in tunneling zones of trenchless projects, especially linear underground engineering (see Figure 1).The proposed method includes five steps and is shown in Figure 2.Step 1: Exploradon scheme design According to the field condition and exploration accuracy, the test scheme is designed, including determining the start point, end point, pipe number, and so forth. Three bore pathschemes are delivered in Figure 3.54analysis andFigure 1. A method for detecting soil conditions ofFigure 2. Steps of the proposed method.(a) Scheme 1(b) Scheme 255(c) Scheme 3Figure 3. Design path schemes.Step 2: Drilling and pipe installationSeveral horizontal holes along the tunneling direction are drilled by utilizing HDD technique. These holes are close to the tunneling zones. Small-diameter PE pipes (usually 90 mm) are placed in holes due to its flexibility, abrasion resistance, and toughness. Step 3: Coordinate measurementThe coordinate of boreholes is measured by the use of a gyroscope to minimize the error of velocity image.Step 4: Instrument installationSources and receivers are placed in boreholes, The borehole layouts are dependent on the tunneling area and exploration. Figure 4 illustrates three borehole layouts.Step 5: Cross-hole seismic tomography The velocity image is termed a tomogram by using measurements, which has taken a large number of rays with wide angular ray coverage (as illustrated in Figure 5). Consequently, the soil conditions and anomalous velocity zones are able to be determined.(a) Scheme 156(b) Scheme 2(c) Scheme 3Figure 4. Schematic diagrams of drill layouts.Figure 5. Cross-hole configuration.4 EXAMPLEThe proposed technique is applied to explore the tunneling zone of the main water pipe beneath the existing bridge. The pipe is constructed by the pipe jacking technique. The diameter and depth of water pipe are 1000 mm and 10.5 m. The bridge width is approximately 30 meters. The field condition is shown in Figure 6.57Figure 6. Exploration zoneThe obstacles such as the piers of the bridge, ripraps, and root may appear in the tunneling zones. Therefore, it is necessary to explore the dis-tribution of obstacles for successfully constructing the water pipe.Figure 7. Source-receiver geometry and test sections.Table 1. Anomalous zones.4.2 Results and discussionFigures 8 and 9 show the result images of WI and W2. It seems that the average velocity of test zones is 1800 m/s, and some anomalous zones (as listed in Table 1) appear in the exploration zone These anomalous zones are beneath bridges, which may be stones. The 58following boreholes verify these results. It shows that the proposed method is able to detect the soil conditions and identify obstacles. Figure 8. Inversion imaging results of W1.Figure 9. Inversion imaging results of W2.5 CONCLUSIONSA new method based on HDD technique and crosshole seismic tomography is developed to detect the soil conditions in the tunneling zones of trenchless projects. A water pipe project constructed by pipe jacking technique is taken as an example to verify the feasibility of the proposed method. The test results demonstrate that the proposed method is capable of identifying the anomalous zones and has little impact on field conditions. Yet, this method has been applied to several projects and produced a good effect. Authors believe that this method would be able to expand on another similar engineering, such as subway, electric power tunnel, and utility tunneling, and so on.REFERENCESBichkar, R.s., Singh, S.K. & Ray, A.K. 1998. Genetic algorithmic approach to the detection of subsurface voids in cross-hole seismic tomography. Pattern recognition letters 19(5): 527536.Carpenter, R. 2002. Embattled HDD industry sees change as necessary, ultimately beneficial: industry maturity, poor economy forcing massive market overhaul. Underground Construction 57(6): 3032.Gilbert, P. 1972. Iterative methods for the reconstruction of three-dimensional objects from projections. Journal of theoretical biology 36(105): 117127.59Gokhale, S., Hamm, R. & Sterling, R. 1999. A comprehensive survey on the state of horizontal directional drilling in the North America provides an inside look at this increasingly growing industry, Directional Drilling 7:2023.Gordon, R. 1974. A tutorial on ART (algebraic reconstruction techniques). Nuclear Science, IEEE Transactions on 21(3):7893.Gupta, H.K. & Roy, Sukanta. 2007. Geothermal energy: an alternative resource for the 21st century. Elsevier: Holland.Jackson, PD., Gunn, D.A. & Flint, R.c., et al. 2001. Cross-hole seismic measurements for detection of disturbed ground beneath existing structures. NDT & E International 34(2): 155162.Sakai, S. & Takatsuka, T. 1999. Development of a geophysical exploration technique for detecting shallow strata boundaries. Tunneling and Underground Space Technology 14:21-29.Struzziery, J.J., Spruch, A.A. & Blondin, C.A. 1998. Trenchless pipe repair for urban renewal project, Journal of New England Water Environment Association 32(2): 118-125.Trivino, L.F. & Mohanty, B. 2015. Assessment of crack initiation and propagation in rock from explosion induced stress waves and gas expansion by cross-hole seismometry and FEMDEM method. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 77: 287-299.Xia, C., Gao, X.L. & Chen, Y. A survey method for geotechnical engineering. China Patent: 201310305447.60中文翻译一种非开挖工程的土壤条件检测方法D.B. Fu & C. Xia福州规划设计研究院，中国福州Y.F.郭福建省地质灾害防治重点实验室，福州市摘要:在城市地下工程中，无沟技术稳步发展。为了成功地完成地下工程的建设，必须在无沟区取得土壤数据。因此，本文采用水平定向钻井技术和井间地震层析相结合的方法，提出了一种检测土壤条件的方法。首先，采用HDD技术，在非开挖工程上钻几个小直径孔，沿设计的路径安装聚乙烯(PE)管，在PE管中放置检测仪器。收集各震源-接收器对的传播时间，重建钻孔之间的速度分布。最后，确定了土壤条件和异常区。为验证该方法的可行性，以顶管技术施工的主水管为例，对桥下障碍物进行检测。现场试验结果表明，该方法能有效地检测非开挖工程的土壤条件。1介绍由于交通和附近业务的中断，在城市地区的地下管线的安装和改造中，已经逐步采用了管道顶管和微隧道等非开挖技术(Struzziery等，1998)。与开挖法相比，非开挖法的土壤数据是间接的，在施工过程中会带来很大的风险。因此，开发一种有利的方法来检测现场的地下条件是很重要的。几种地球物理勘探方法已被广泛应用于探测地下信息，这些信息最初是为自然资源勘探而开发的(Gupta & Roy 2007)。Sakai和Takatsuka(1999)列出了主要的地球物理勘探方法及其调查区域。与钻孔法不同，地球物理勘探方法通过测量间接数据(如速度、衰减和声波波长)来评估地面条件，而这些数据是由地面性质控制的。在现有的地球物理勘探方法中，井间地震层析成像是探测地面条件最有效的勘探工具。到目前为止，已有大量文献报道了该方法的应用和研究。Sakai & Takatsuk(199
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