JX03-256@非开挖水平定向钻机动力头装置设计
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机械毕业设计全套
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JX03-256@非开挖水平定向钻机动力头装置设计,机械毕业设计全套
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湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）任务书 论文（设计）题目： 水平定向钻机动力头装置设计 学号： 2010963124 姓名： 田锟 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 周友行 系主任： 刘柏希 一、主要内容及基本要求 水平非开挖定向钻机动力头装置设计，设计出适应现实情况下更好的提高工作效率以及使用寿命的动力头装置 设计工作量：总装图纸，零件图； 设计说明书； 英文翻译成汉语（ 3000 字） 二、重点研究的问题 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 。 三、进度安排 nts 序号 各阶段完成的内容 完成时间 1 查阅资料、调研 2014.3.12 2014.3.16 2 方案评审 2014.3.16 3 计算、总体布局、原理 2014.3.16 2014.3.21 4 绘图、设计 2014.3.21 2014.5.4 5 整理说明书、英文翻译 2014.5.4 2014.5.25 6 准备答辩 2014.5.25 2014.5.29 四、应收集的资料及主要参考文献 1 张启君，杨满江，张忠海 .水平定向钻机及施工工艺 J.建筑机械化 .2004， 25(1):61-62. 2 胡汉月 . 国内外岩石非开挖现状及我们的对策 . 探矿工程 J 2003，（ 1）： 31 34 3 沙永柏，刘宝仁 .于萍 .非开挖导向钻机给进机构分析 .探矿工程 J.2005(5):46 48 4 张启君 张忠海 . 水平定向钻机概况与市场前景的探讨 . 机械工程 J. 2004(6) 26 28 5 陈黎明 . 现行水平定向钻技术规范的对比及分析 . 非开挖技术 J. 2013（ 4） 31 34 6 张宏 .HDD 施工技术及发展 J.筑路机械与施工机械化 .2004,21(1):52-54. 7 刘军 . 非开挖水平定向钻进铺管道施工技术及工程应用研究 . 建筑机械化 J. 2004,(5) 35 38 8 颜纯文， D.Stein. 非开挖地下管线施工技术及其应用 M.北京：地震出版社， 1999 9 徐成宇有限元方法在非开挖钻机动力头主轴设计中的应用 D. 吉林：吉林大学， 2002 10 花蓉 . 非开挖导向钻机中几种主要结构的设计 . 探矿工程 J. 2009（ 8） 11 14 11 刘长佑 . 水平定向钻机 DL360 人机工程设计与结构分析 D. 南京： 东南大学， 2006. 12 韩宇 . 45t 水平定向钻机液压驱动系统研究 D.长安大学，硕士学位论文， 2007 13 柳利平 . Z6500 水平定向钻机动力头及其液压驱动系统动力学研究 D. 西安：长安大学 ,2009. 14 李根营 . 水平定向钻机结构研究及分析 D. 吉林大学，硕士学位论文 .2011 15 刘河 . 非开挖水平定向钻机拉管施工技术应用 . 北京水务 . 2009,(增刊 )（ 1） 31 33 nts 湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）评阅表 学号 2010963124 姓名 田锟 专业 机械设计及其自动化 毕业论文（设计）题目： 水平非开挖定向钻机动力头装置设计 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 评阅人： 2010年 5月 日 nts 湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 2010963124 姓名： 田锟 专业： 机械设计及其自动化 毕业论文（设计说明书） 31 页 图 表 1 张 论文（设计）题目： 水平非开挖定向钻机动力头装置设计 内容提要： 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。 nts 指导教师评语 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 nts 毕业设计说明书 题 目： 非开挖水平定向钻机动力头装置设计 学 院： 专 业： 机械设计及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2014 年 5 月 28日 nts 目录 摘 要 .I 第一章 绪论 - 4 1.1 课题研究的背景及其意义 - 4 1.2 国内外研究情况 - 5 1.3 非开挖水平钻机的结构及工作原理 - 6 1.4 课题的研究 - 6 第 2 章 非开挖水平定向钻机动力头 装置设计 的方案 - 8 2.1 动力头现阶段情况 - 8 2.2 动力头方案对比与选择 - 9 第 3 章 非开挖水平定向钻机动力头 装置 参数的确定 - 13 3.1 最大回拖力 - 13 3.2 最大回转扭矩 - 13 3.3 动力头零部件选型与设计 - 15 第 4 章 动力头的 三维 建模 - 28 4.1 动力头的三维建模 - 29 4.2 动力头传动运动仿真现象 .28 第 5 章 总结 - 33 参考文献 : - 34 nts 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 pipelinerepair 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, introducesthe 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 its 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. nts 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。 1.1 课题研究的背景及其意义 据调查，在 2011 年特大暴雨袭击了我国多个城市，暴雨过后，积水成涝，出现了“水漫金山”、“城市看海”、“地铁观水帘洞”等现象，然而造成这种现象的主要原因是城市排水管网建设滞后， 排水管道老化。因此，为了保证城市化建设的顺利进行，地下管线（污水排水管道、煤气天然气管道、电力电缆管道）的修复和铺设尤为重要。 然而传统的管线铺设方法是采用“挖槽埋管法”。所谓的“挖槽埋管法”是指通过使用挖沟机、反铲等设备或人工进行挖槽的开挖，其主要缺点是妨碍交通（堵塞、中断或改道）、破坏环境（绿化带、公园和花园）、影响市民生活和单位的正常工作、安全性差、综合施工成本高。并且“挖槽施工”给道路带来了潜在的安全隐患，给城市居民的生活带来了巨大的困扰。因此，很多大城市为了保证人民的正常出行生活，纷纷出台禁止在中心 城区开挖施工的规nts 定或行政命令，这给非开挖技术的产生提供了社会性的条件。 非开挖技术（ Trenchless Technology）是指利用各种岩土钻掘设备和技术手段，在地表最小开挖量的条件下进行地下管线铺设、更换或修复作业的一种高科技新技术，国外叫做 TT 技术。它与传统的“挖槽埋管法”相比较，克服了传统施工方法中的缺点，提高了施工的效率，保证了居民生活和城市化规划的正常进行。实践证明，在大多数情况下，尤其是在繁华市区或管线的深度埋深时，非开挖施工是明挖施工很好的替代方法；在特殊情况下，例如穿越公路、铁路、河流、 建筑物等时，该项施工方法更是一种经济可行的施工方法。并且该项技术符合了 目前 国家发展计划提出的“建立资源节约型和环境友好型社会”的要求 。 因而自其进入工程施工市场以来，便日益受到人们的青睐，取得了非常好的经济、社会效益。目前发达国家应用此项技术铺设管线的比例已占到 9% 15%，我国更是以 20%的速度在快速增长。 非开挖水平定向钻机（ Horizontal Directional Driller,简称 HDD） 作为非开挖技术 中的典型机械施工设备 ，具有节能环保、作业安全、施工准确度高、施工效率高、周期短，管线铺设长、埋 深大等特点。因而逐步发展成一种最具活力的非开挖施工机械。它被广泛应用于穿越文物保护区、铁路、城市道路、江河、机场、森林保护区以及闹市区等进行 供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线的修复和铺设中 ，适用于沙土、粘土、卵石等地质情况，在我国大部分地区的施工中都在运用，工作环境温度是 -15 45。 近年来，随着人们环保意识的逐渐增强，国家对节能环保技术的实施给与了很多的支持，特别是，在我们最为熟悉的西气东输、南水北调等国家发展战略和重大基础建设工程中，非开挖技术的引进发挥了巨大的实际作用 ，更加充分体现了国家对 该技术的支持和基础设施的投入。 2011年 4月 16 17日在武汉召开的第十五届中国国际非开挖技术研讨会，多个国家的专家都纷纷出席了这次研讨会，提出了他们对于这项技术的看法和发展，充分体现了国家对该项技术的支持。 1.2 国内外研究情况 在国外， 非开挖技术起始于 20 世纪 70 年代， 80 年代中期被人们逐渐接受和认可，在 21世纪 80年代成为发达国家的一种新型产业。据调查，目前国外大约有 30 多家非开挖水平钻机的制造商，主要集中在美国、日本、德国等几发达国家，生产厂家主要有 威 猛 公 司 、沟神公司、奥格公司、 凯 斯 公 司等。它们生产的水平定向钻机产品规格齐全、品种较多、功能齐全，充分体现了以人为本的设计理念。具体表现在：中小型水平定向钻机采用橡胶履带底盘，减少对草坪和路面的损坏，钻杆自动装卸装置、减少操作者的劳动强度；对于大型设备则带有随车吊，便于钻杆的吊装，提高了工作效率 5。动力头采用电液比控制技术和国nts 际先进的液压产品进行装配，同时采用 PLC 控制技术实现了自动钻进、自动回拖、自动瞄固和行走时的无极变速控制及转向控制，采用防触电安全技术 和远程控制技术，因为自带驾驶室，所有驾驶员操作舒适安全。国外的非开挖水平钻机目前正朝着微型化、大型化和超深度导向监控、机械自动化和硬岩作业等方向发展 6。 而国内，非开挖技术的发展起始于 20世纪 80年代中期，经历了三个阶段的发展，分别为：技术引进期、研发期和发展与进口期。近年来，国内非开挖水平钻机的产业也得到迅速发展，涌现了大批优秀的生产厂家，如北京土行孙、南京地龙、徐工集团、连云港、湖南立威等。虽然我们起步晚，目前和国外产品仍有较大差距，但是这并不影响非开挖技术水平钻机在我国的生产。虽然在 2011 年发达 国家受到主权债务危机的影响，导致各国的经济增速均在普遍下滑，但是我国在非开挖行业确取得了不错的成绩。图 1.1 为进几年来非开挖水平钻机的新增数量。 图 1.1 历年来非开挖水平钻机的新增数量 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nts 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： （ 1） 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。 （ 2） 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。 （ 3） 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。 （ 4） 通过三维建模与运动仿真，对动力头的结构进行设计分析。 （ 5） 对该次设计做出总结，提出改进的方法。 nts 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。 图 2.1 近几年来动力头的增长情况 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nts 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。 表 2 1 钻机的分类与应用 分类 小型 中型 大型 最大推拉力（ KN） 100 100 450 450 最大扭矩（ KN.m） 3 3 30 30 功率（ kW） 100 100 180 180 钻杆长度（ m） 1.5 3.0 3.0 9.0 9.0 12.0 铺管直径（ mm） 50 350 350 600 600 1200 铺管长度（ m） 300 300 600 600 1500 铺管深度（ m） 6 6 15 15 11.50%36.30%52.20%大型中型小型图 2.2 2011 年各种型号水平定向钻机的增长比例 2.2 动力头方案对比与选择 水平定向钻机动力头结构分成动力回转系统和动力推拉系统，其系统具体结构框架如图 2.3 所示。 nts 动 力 头 系 统回 转 系 统 推 进 回 拖 系 统回转传动系统回转液压驱动系统推进回拖传动系统推进回拖液压驱动系统图 2.3 水平定向钻机动力头结构 2.2.1 动力头回转系统 动力头回转系统决定了动力头的最大回转扭矩，同时也决定了水平定向钻机的扩孔能力大小 16。其传动方式主要有链传动和齿轮传动。链传动结构简单，成本低，但是链条磨损快、输出扭矩小、平衡性差。然而相对于链 传动，齿轮传动的优点是输出扭矩大、寿面长、平衡性好等，因此在动力头回转系统中，绝大多数商家都采用了齿轮传动 17。 目前，国内外的动力头回转系统采用齿轮传动的驱动方式主要有以下三种：（ 1）液压马达直接驱动 这种方式通常采用的是通孔式低速大扭矩液压马达直接与主轴相连接，泥浆直接经由马达的通孔输入。此种驱动方式结构简单、传动效率高，但中间无液力转换机构，受液压马达型号的限制，仅局限在用于小型钻机中。如 GBS 10 型钻机，驱动方式如图 2.4 所示。 （ 2）液压马达经齿轮减速箱减速驱动 这种方式通常选用低速大扭 矩液压马达经齿轮减速箱将动力传递到主轴。根据回转扭矩的需要可以由一个、两个、三个、甚至四个液压马达驱动。所选液压马达的布置很灵活，可以布置在齿轮箱的同侧分布、异侧对称分布、也可以绕输出轴成扇形或环形的布置。回转器设置一级齿轮减速箱以改善液压马达的输出特性，增加了输出扭矩。此种驱动方式应用非常普遍，市场占有率很大，如国产的 XZ280，驱动连接方式如图 2.5 所示。 （ 3）液压马达经减速机和齿轮箱减速驱动 这种方式采用一个或多个高速液压马达与减速机相连接后经减速箱将动力传递到主轴，减速机选用行星齿轮减速机，一般 为一级减速箱。此种驱动方式能够提供较宽的转速范围，但是整体结构较大，能力传递环节多，效率不高。 HT 58L 就是采用了这种驱动方式的，驱nts 动连接方式如图 2.6 所示。 经过动力头回转系统的三种驱动方式的优缺点对比，并且结合现在市场的需求能力，我选用动力头回转系统为齿轮传动里面的液压马达经齿轮减速箱减速驱动的方式。 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。 图 2.4 液压马达直接驱动 图 2.5 液压马达经齿轮减速箱减速驱动 图 2.6 液压马达经减速机 图 2.7 单马达 +减速箱驱动 和减速箱减速驱动 （ 1-液压马达 2-传动箱 3-主轴 4-接头） nts 图 2.8 异侧双马达 +减速箱驱动 图 2.9 同侧双马达 +减速箱驱动 （ 1-液压马达 2-传动箱 3-主轴 4-接头 ） （ 1-液压马达 2-减速箱 3-主轴 5-接头） 图 2.10 四液压马达 +减速箱驱动 （ 1-液压马达 2-传动箱 3-主轴 4-接头） 2.2.2 动力头推进回拖系统 动力头推进回拖系统决定了动力头装置的最大回拖力，同时也就决定了水平定向钻机铺设地下管线的长度、钻孔质量和钻机各项技术性能的发挥，推拉系统配合钻架带动动力头一起做直线往复运动。目前国内外动力头推拉系统的形式有三中，分别为 :（ 1）液压油缸推拉式，此种方法机构简单，无其它中间传动元件，成本低，但是油缸活塞 杆伸出较长时容易出现失稳现象；（ 2）液压马达 链轮链条推拉方式，该方式属于链传动，结构紧凑成本较低，能够吸收震动，适用范围广泛，但其链条易磨损、易松弛和易生锈；（ 3）液压马达 齿轮齿条推拉方式，此种方式承载能力强，传动平稳、但加工精度高，成本大，故适用于较大吨位的水平定向钻机的运用。 nts 第 3 章 非开挖水平定向钻机动力头装置参数的确定 3.1 最大回拖力 研究结果表明：在水平定向钻机穿越施工中，最大回拖力受各种因素的影响，如：地质条件、穿越曲线、泥浆性能、扩孔工艺、管道规格等。因而实际工程中大多情况采用经验估算 法来计算回拖力，估算的结果由于受到到一些实际因素、使用的方法和施工经验的不同影响而存在较大的差异 18。结合有关研究的结果和力学理论，以工程实际的统计资料为依据，目前国内外对穿越管道最大回拖力的计算常用卸荷拱土压力计算法，净浮力计算法和绞盘计算法等三种计算方法。本文主要根据净浮力计算方法来进行最大回拖力的计算。此方法在轨迹曲线和扩孔质量良好的情况下运用。 净浮力算法的基本思路是：穿越管段在孔道内仅受到重力和泥浆浮力的作用。泥浆对管段的净浮力构成对孔道的正压力。基本公式为： m a x o f mP P f LT 对于钢质油气管道，忽略不计外防腐层的厚度和重量，则： 20 0 04 ( )4f s mP P D r D r 故 2m a x 0 04 ( )4 s m mT D r D r f L 式中：fP 单位长度穿越管段在孔内所受到的浮力 (KNm ）； mf 综合摩擦系数（无量纲，一般取 0.5 0.8） ，取 0.6； 穿越管段的壁厚，取值 300mm，即 0.03m； sr 钢材重量（3KN78.5 m） mr 孔内泥浆土混合液容量（ 11.0 12.03KNm）， 取3KN12.0 m； 0D 铺管直径，取值为 600mm，即 0.6m； L 铺设管线的长度，取值为 500m。 因此： 2m a x 4 ( 0 . 6 0 . 0 3 ) 0 . 0 3 7 8 . 5 0 . 6 1 2 0 . 5 4 0 0 2 0 5 . 9 2 0 04T K N K N 3.2 最大回转扭矩 动力头的回转扭矩主要有两方面的作用：一方面是孔穴内整个钻杆系统回转时所受到的摩擦阻力距；另一方面是为刀盘（回扩钻头等）提供动力，即克服刀盘阻力矩。 nts （ 1）钻杆摩擦阻力矩计算： 钻杆在孔穴内所受到的阻力矩可以看成是单位长度上的摩擦力矩沿钻杆轴线方向上的一次积分。钻杆摩擦阻力矩出现在机器回拖作业中回扩钻头刚进入土壤的时候。 根 据文献 45t钻杆摩擦阻力矩具体计算公式： 21 2T r Lf式中 ：1T 钻杆最大摩擦阻力矩； r 的回转半径，取值为 73/2mm，即 0.365m L 长度，取值为 400m f 阻力，取值为 1kN/m2 代入数据可以求出钻杆在土壤中回转时的最大摩擦阻力矩1 3 .3 5 K N .mT 。 （ 2）刀盘阻力矩计算 刀盘阻力矩与刀盘半径及土壤抗剪强度有关，根据文献【 45t】得到其计算公式如下： 32 23 fTr 式中：2T 所受到土壤对其的阻力矩 r 半径，为所铺设管线半径的 1.2-1.5 倍，管线半径为 300mm f 的抗剪强度，不同地质土 壤的抗剪强度见表 2-1 所示。 根据公式，代入数据，可以求得水平定向钻机在硬 -坚硬粘土中回拖作业时受到的刀盘阻力矩2 0 .1 8 k N .mT 表 3-1 各种地质中土壤的抗剪强度 地质类型 f （ kN/m2） 地质类型 f （ kN/m2） 致密砂层 4047 粉砂层、淤积层 235 中等致密砂层 2403 软 -硬粘土 368 砂砾石层 5275 硬 -坚硬粘土 1782 软岩、 固结土 10069 松散砂层 1063 （ 3）最大回转扭矩 动力头的回转扭矩为在一定安全系数的前提下钻杆摩擦阻力矩与刀盘阻力矩之和，具体公式如下： 12T K T T 式中： T 动力头的最大回转扭矩 1T 钻杆摩擦阻力矩， 3.35KN.m 2T 刀盘阻力矩， 0.18kN.m nts K 系数 ， 可取 1.0 2.5 代入数据，可以求得动力头的最大回转扭矩为 7.0kN.m 。 根据算得的最大推进力 200kNF 和最大回转扭矩1 7.0kN .mT ，对比国内外各种不同型号的水平定向钻机的参数，可以类比得到本水平定向钻机的最大推拉力时进给速度 4.5m/minv ，动力头最高回转速度 150r/minn 。因此，本次设计的水平定向钻机动力头参 数如表 3-2。 表 3-2 动力头主要技术参数 最大回拖力 （ kN ） 最大回转扭矩 （ kN.m ） 最大推拉力时进给速度 （ m/min ） 最大回转速度 （ r/min ） 200 7.0 4.5 150 3.3 动力头零部件选型与设计 3.3.1 液压马达的选型 根据前面章节对动力头结构的研究，本文采用动力头回转系统由 4 个相同的液 压马达驱动。根据最大回转扭矩等数据可以求得单个液压马达的输出扭矩，计算公式如下： 0 4 rrTT i 式中：0T 液压马达的输出扭矩 T 最大回转扭矩， T =7.0kN.m ri 的传动比， 2.43ri r 为 0.96r 代入数据求得单个马达的输出扭矩0 7 5 1 .7 N .mT 根据液压马达的输出轴扭矩，可以计算马达的排量，具体计算公式如下： 02gmmTV p 式中：gV 的排量 0T 液压马达的输出扭矩，0 7 5 1 .7 N .mT mp 的工作压力， 17M Pamp m 效率， 0.95m nts 代入数据求得马达的排量 2 9 2 .3 m LgV 由于动力头的最高转速度为 r150min ,，折算到液压马达输出轴上的转速为1 5 0 2 . 4 3 3 6 4 . 5 / m i nnr ，即液压马达的最高转速不应低于 r370min 。 由上述计算可知，所选的液压马达排量不得小于 292.3mL，最大输出扭矩不得小于 751.7N.m，最高转速不得小于 370r/min。液压马达的常用类型有：齿轮马 达、柱塞马达、摆线马达、多作用内曲线马达、五星马达等。通过对比可知，摆 线马达为中小功率低速大扭矩马达且其 可靠性好、效率高、寿命长、噪音低、用途广等特点 。故选用 BM4W 320 型摆线液压马达，技术参数表 3 3所示： 表 3 3 BM4W 320型摆线液压马达技术参数 型号 排量 ml/r 最大压降 Mpa 最大扭矩 N.m 转速 r/min 流量 L/min 功率 KW 重量 Kg 连续 尖峰 连续 尖峰 BW4W-320 295.9 20 28 902 1322 7 380 125 25.2 22.4 3.3.2 发动机选型与计算 根据马达输出功率的计算公式：9549TnP 式中： T 马达输出扭矩； n 马达转速； 对于动力头回转系统，马达的计算用动力头老替代，可以得到回转系统所需要的出 入功率，即m a x 7 . 0 K N . mTT， r150 m inn ,回转系统总效率 =0.63 则 1 9549TnP =174KW。 根据运动学上功率的定义，可以计算出动力头推拉系统所需要的输入功率，P=FV，此时动力头最大推拉力m ax 200 kNF ， 推进速度 V=4.5m/min， 该系统总效率 =0.57，则2P maxFV=26.3KW 综上所述，动力头液压马达驱动系统所需要的输入功率：12P P P=198KW。 由于水平定向钻机在工作时是由泥浆泵和动力头液压驱动系统联合工作，故考虑nts 到泥浆泵的需要，发动机选用重庆康明斯 NTA855 GA，该发动机的计算参数如表 3 4 所示： 表 3 4 重庆康明斯 NTA855 GA 发动机参数 发动机型号 机组型号 功率（ KW） 缸数及类型 缸径 行程 压缩比 排气量（ L） 燃油消耗（ 1/h） NTA855 GA GF200 231 6 缸直列 140 152 15.0/1 14.0 57 3.3.3 回转系统齿轮设计 1.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 （ 1）选用直齿圆柱齿轮传动； （ 2）选用 7级精度（ GB10095 88）； （ 3）选择小齿轮材料为 40Cr （调质）， 齿面硬度为 280HBS；大齿轮选用 45钢（调质），齿面硬度为 250HBS； （ 3）选用小齿轮齿数为1 21Z ，齿数比 u=2.43，故大齿轮齿数为：2 51Z 2.按齿面接触疲劳强度设计计算 按式计算小齿轮分度圆直径： 21312 1 EHdHZ Z ZKT udu 确定各参数值： （ 1）载荷系数 K=1.3； （ 2）小齿轮传递的扭矩1T= 61.336 10 ； （ 3）齿宽系数d=0.5( 1)ai ，取a=0.8，则 d =1.27 （ 4）材料弹性影响系数 1 8 9 . 8 M P aEZ ； 区域系数 2.5HZ ； （ 5）重合度系数，因12111 . 8 8 3 . 2 ( ) 1 . 6 7t ZZ ， 则可得 43 tZ 0.88 （ 6）许用应力，查图可知：lim 1 7 7 0 M P aH ，lim 2 6 1 0 M P aH ； （ 7）计算应力循环次数 nts 1160 hN n jL= 96 0 3 6 4 . 5 1 2 8 3 0 0 3 0 1 . 5 1 0 9 8121 . 5 1 0 6 . 5 1 02 . 4 3NN u （ 8）接触疲劳寿面系数1 0.90HNK ，2 0.95HNK ； 计算接触疲劳许用应力 取失效概率 1%。安全系数 1HS 则 1 l i m 110 . 9 7 7 0 6 9 3 M P a1H N HH K S 2 l i m 22 0 . 9 5 6 1 0 5 8 0 M P a1H N HH K S 两式计算中的值比较取较小值，则 5 8 0 M P aH ； 故 21312 1 EHdHZ Z ZKT udu 263 2 1 . 3 1 . 3 3 6 1 0 2 . 4 3 1 1 8 9 . 8 2 . 5 0 . 8 8 1 2 6 . 4 m m1 . 2 7 2 . 4 3 5 8 0 3.确定模数 计算模数111 2 6 . 4 6 . 0 221dm Z 取标准值 6mmm 4.按齿根弯曲疲劳强度校核计算 由公式 112F F S FKT YYb d m式中：（ 1）小齿轮分度圆直径1d=1mZ=6 21=126 ； （ 2） 齿轮啮合宽度 1 160dbd（ 3） 复合齿形系列，查图可知：1 4.37FSY ， 2 3.93FSY （ 4） 重合度系数 0 . 7 50 . 2 5 0 . 6 9 9 1tY （ 5） 许用应力，查图可得lim 1 3 1 0 M P aF ，lim 2 2 4 0 M P aF nts 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4 （ 6）弯曲疲劳寿命系数：1 0.85FNK ，2 0.95FNK 则 1 l i m 11 1 8 8 . 2 2 M P aF N FFK S 2 l i m 22 1 6 2 . 8 6 M P aF N FFK S （ 7） 计算大小齿轮的 FSFY，并进行比较 1 1 4 . 3 7 0 . 0 2 3 21 8 8 . 2 2FSFY ， 2 2 3 . 9 3 0 . 0 2 4 11 6 2 . 8 6FSFY 由于 12F S F SFFYY，故 61212 2 1 . 3 1 . 3 3 6 1 0 3 . 9 3 0 . 6 9 9 11 6 0 1 2 6 6F F SKT YYb d m 27 8 . 8 9 FM P a 因此满足齿根弯曲疲劳强度要求。 5. 几何尺寸计算 11 6 2 1 1 2 6 m md m Z 22 6 5 1 3 0 6 m md m Z 12 2162dda mm 由于2 160mmb ，则12 ( 5 1 0 ) m mbb ，取1b 165mm6.大齿轮结构如图 3.1所示。 图 3.1 大齿轮结构图 nts 3.3.4 动力头主轴的尺寸确定及校核 1 拟定轴上零件的装配方案，如图 3.2所式。 图 3.2 主轴零件装配图 2 各段轴轴径与轴长的确定 根据扭转强度计算轴径，选用 45钢（调质处理），由于发动机的功率 231KW，效率为 70%，经过减速箱后，机械磨损为 85%，故，作用在主轴上的功率为 129.36。 则根据公式：m a x3 3m i n 1 2 9 . 3 6( 1 0 3 1 2 6 ) 7 2 . 5 6 8 8 . 7 6370pdC n ； （ 1）由于右起第一段连接钻杆，且上面安装有键槽，故轴径应在最小直接的基础上加 5%，故取该段轴直径为 80mm ，长为 85mm； （ 2）右起第二段考虑到轴的定位和轴承的承载能力的问题，则取直径为 92mm长为 80mm； （ 3）右起第三段，考虑到轴的轴向承载能力和轴承端盖的连接，取该段直径为100mm ，长为 70mm； （ 4）右起第四段。由于有轴 承和齿轮的定位问题，选择轴承型号为 30222A，即1 1 0 2 0 0 4 1D d B ，故轴的直径为 110mm ，长为 75mm； （ 5）右起第五段，该段装有齿轮，直接取 140mm 。轴和齿轮之间采用矩形花键连接如图 3.2 所示，采用花键连接的优势是：花键连接比平键连接承载能力高、对轴削弱程度小（齿浅、应力集中小）、定心好和导向性能好等。它适合与定心精度高，载荷大或经常滑移的连接。根据齿轮宽度可以求得该段轴的长 度为 165mm； （ 6）右起第六段，考虑齿轮的轴向定位，需有定位轴肩，取轴肩直径 180mm ，长为 25mm； nts （ 7）右起第七段，该段为圆锥滚子轴承安装处，故直径为 110mm ，考虑到轴承的定位，该段长度取为 100mm。 （ 8）右起第八段，该段与旋转解头相连接，参照 GB/T1095-2003，选用普通 A型平键连接，直径为 80mm ， 长度为 70mm。 图 3.2 矩形花键的截面形状 3.齿轮上作用力的大小 圆周力：222 4 5 7 5 1 . 6 N . mtTF d 径向力： t a n 4 5 7 5 1 . 6 t a n 2 0 1 6 6 5 2 . 2 N . mc o s c o s 0trFF 轴向力： 1 6 6 5 2 . 2 N . marFF4轴承的径向支反力 根据轴承支反力的作用点以及轴承和齿轮在轴上的安装位置，建立如图 3.3所示的力学模型。 水平面的径向支反力： 2 2 8 7 5 . 8 N . m2 tH A H B FFF ； 垂直面的径向支反力： 2( 1 3 0 )2 1 4 7 3 N . m260arVAdFFF 2( 1 3 0 )2 1 8 1 2 5 N . m260arVBdFFF 5. 画弯矩图，如图 3.3 由于轴在与轴承的配合过程中，引起应力集中，故该截面处有较大的弯矩，nts 该截面成为截面 B，并且在轴承配合引起的应力集中，截面 C 处弯矩也较大，直接较小，又有圆角引起的应力集中，截面 D 处弯矩最大，且有齿轮配合与键槽引起的应力集中，故属于危险截面。现对 D 截面进行校核，剖面 D 处的弯矩如下： 水平面的弯矩： 31 3 0 4 5 7 5 1 . 6 1 3 0 5 . 9 4 1 0 N . mH C H AMF ； 垂直面的弯矩： 31 1 3 0 1 4 7 3 1 3 0 1 . 9 1 1 0V C V AMF ； 222 3061 3 0 1 4 7 3 1 3 0 1 6 6 5 2 . 222V C V A a dM F F 32 .3 5 1 0 N .m 合成弯矩： 2 2 3 2 3 2 311 ( 1 . 9 2 1 0 ) ( 5 . 9 4 1 0 ) 5 . 9 4 1 0 N . mC H C V CM M M 2 2 3 2 3 2 322 ( 5 . 9 4 1 0 ) ( 2 . 3 5 1 0 ) 6 . 3 8 1 0 N . mC H C V CM M M 6画转矩图，如图 3.3 22 222 3064 5 7 5 1 . 6 5 9 9 9 N . m22C H C V C t dM M M T F 7. 画当量弯矩图，如图 3.3 因轴是单向回转，转矩为脉动循环， 0.6 。剖面 D 处的当量弯矩如下： 22 2 3 2 22 ( ) (
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