【JX180】大直径桩基础工程成孔钻具II型钻具总体设计[KT]【2A0】
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【JX180】大直径桩基础工程成孔钻具II型钻具总体设计[KT]【2A0】,jx180,直径,桩基础,工程,成孔钻具,ii,型钻具,总体,整体,设计,kt,a0
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本科生毕业设计 (论文 )开题报告书 题 目 : 大直径桩基础工程成孔钻具 钻具总体设计 学生姓名 : 何 奇 峰 专业班级 : 机自 00103 班 指导老师 : 曾 经 梁 机 械 工 程 系 2004 年 02 月 12 日 论文（设计）题目 大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 课题来源、目的、意义、国内外概况和发展趋势 1. 课题来源、目的、意义 长期以来，桥梁、港口、码头、水工和工民建筑物的基础工程，在 以上 以下常 规直径桩基础成孔施工中，广泛使用冲击钻和回旋钻两种基本钻型，以及泥浆护壁正循环排渣方法施工。而 大量使用的冲击钻和回旋钻，它们工作状态的一个共同特点，是切削刀刃与孔壁和孔底保持整体的或线或面的接触，摩擦阻力大，切削相对速度低，能量分散，分布不合理，无效功耗大，效率低。这样便产生了一个想法，即是否可以采用点接触来进行切削。本课题的目的就是利用星型运动原理来设计一种，采用多个刀具来钻削岩层的钻具，使其切削速度更快，工作效率更高。根据初步的理论分析，这种钻具将具有相对配套功率小，能耗低，效率高，设备配套性好，运动可 靠的优点。并能广泛实用于各种岩层以及各种直径的桩孔施工。 2. 国内外概况和发展趋势 随着国内外桩基础工程机械的研究开发，为了适应各种工程地质条件施工，提高成孔施工效率，降低设备投入量和适应大直径桩基成孔需要，目前在传统的冲击钻和回旋钻的基础上，已生产出了如：重型冲击钻、连杆冲击反循环钻、套管钻机、潜孔冲击锤、潜水回旋钻、回转斗钻、短螺旋钻和扩底钻头等施工机械设备，大部分产品实现了反循环排渣，明显地提高了成孔施工效率，一般岩层成孔直径可达到 左右，进口设备成孔直径已可达 6 米。其中结构简单的国产重型冲击 钻成孔直径也可达 。但是仍然存在着种种不适应施工需要的问题，主要是： 1、普通回旋成孔钻，对工程地质条件变化的适应性差，特别是不适应大砾石地质和无风化硬岩层成孔，地质适应范围受限。 2、一般冲击钻虽然地质适应性好，但施工效率显低，同时大直径的重型冲击锤自旋性差，成孔失圆度大。 3、设备和钻具通用和互换性差，即一种设备只能配套相应钻具。一种规格的钻具，只能适用于相应直径的成孔。 4、国内大直径的钻具设备研发，少有研究采用新的运动原理和结构，一般只能采取加大直径，增加配套功率和扭矩，以及选用高硬刃具材料等办法，因 而有趋向高功率配置和笨重方向发展的趋势，不仅固有的弱点问题没有解决，而且又更加大了施工设备投资，影响工程建设效益。 5、适应桩基础沉井护壁不排水施工的设备缺乏。而不排水施工可避免发生沉井严重偏位、沉井滞留和井口沉陷以及下沉缓慢等诸多问题。 已有工作基础和解决的主要问题 星型运动是一种比较成熟而又相当有用的运动，在现实生活中，我们都经常用到他。而且在机械原理的学习中，我们对他也有了比较深刻的理解。这就为我们设计此钻具奠定了最基本的基础。在建筑工地和常德桩工机械厂的见 习和考察使我们对大直径桩基础工程 成孔钻具有了更深刻的理解和认识。 当然，这个设计对我们来说还存在很多的问题，因为他需要我们在掌握了机械设计的各种知识后，还需要我们懂得一些关于土壤、岩层方面的知识，特别是某些数据对我们的设计起着相当重要的作用。还有本次设计是直接面对生产的，这在无形之中加大了我们的压力。也因为这是一种创新的设计观念，所以还有很多东西需要我们来摸索、实验和检验。 研究内容和研究目标 本次课程设计是采用一种新的运动原理 星型运动原理来设计一个用于基础工程成孔的钻具，需要我们充分考虑到现实条件和材料等方面的因素。所以我们首先要检验星型运动原理在此钻具上的可行性，再要计算出各零件在工作过程中的受力情况并利用原有资料和知识，完善 型钻具的基本结构和功能，设计出各零件的尺寸大小，材料，寿命，精度等，最后对此钻具的实用性进行检验。 研究思路和研究方案 采用理论和实际充分结合的方法。具体的就是进工地，考察现有设备的工作状况，及常见的问题所在，看重点需要解决的地方是什么。还有就是进工厂了解制造设备的基本情况，以便在设计中尽量运用现有设备，再有就是在翻阅大量相关资料的同时和老师、师傅、同学共同研究讨论，选择最合理，最有说服力的方 法进行设计。 研究方案大体就是： 1. 论证星型运动是否能满足轨迹运动要求； 2. 计算各零件在施工过程中的受力情况； 3. 根据现有设备进行选择； 4. 综合考虑设备条件和计算的结果选择材料，设计出各零件的尺寸大小，并计算出各零件的寿命； 5. 进行检查和验证。 工作进度计划 1. 熟悉星型运动原理，并论证星型运动是否能满足轨迹运动的要求； 2. 完成各零件在施工过程中的受力计算； 3. 完成各零件的材料选择； 4. 完成零件的尺寸大小，精度等方面的设计； 5. 整理完善说明书及图纸； 打印说明书及图纸。 主要参考文献 作模主编 机械原理 北京：高等教育出版社 2001 官兴著 中国钻孔灌注桩新发展 北京：人民交通出版社 1999 3. 2003 4名刚主编 机械设计 北京：高等教 育出版社 1996 圣国主编 机械设计课程设计 北京：高等教育出版社 1999 机械原理课程设计手册 北京：高等教育出版社 1998 材料力学 北京：高等教育出版社 金属工艺学 北京：高等教育出版社 金属材料及热处理 上海科学技术出版社 1983 理论力学 北京：机械工业出版社 导教师意见： 签名： 年 月 日 开 题 报 告 会 纪 要 时 间 地 点 与 会 人 员 姓 名 职务（职称） 姓 名 职务（职称） 姓 名 职务（职称） 会议记录摘要： 会议主持人： 记 录 人： 年 月 日 系工作小组意见 负责人签名： 年 月 日 大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 摘 要 本次毕业设计完成了大直径桩基础工程成孔钻具 钻具总体设计。设计内容包括差动轮系传动部分的设计、钻具的设计、主轴的设计以及箱体部分的设计等几个主要部分。同时，本设计在 基础上，完成了该型钻具的总装图和绝大部分零件图的绘制。设计后的钻具配套功率小，传动平稳，既能够产生自转运动又能产生公转运动，且利用气举反循环排渣快速成孔。 关键词：成孔钻具；行星运动；气举反循环排渣。 大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 he a of of of it of of on a a So it 目 录 中文摘要 英文摘要 1. 前言 1 2. 概述 2 景技术状况 2 水平分析（可行性研究报告） 2 务要求 3 3. 方案设计 4 艺动作分析、执行动作的确定 章小结 4. 零件设计 转高速齿轮的设计 转低速齿轮的设计 转齿轮的设计 速轴的设计计算 心管的设计 心自转轴的设计计算 转轴的设计计算 体的结构设计 5. 设计总结 6. 参考文献 7. 致谢 大直径桩基础工程成孔钻具型钻具总体设计 1 第一章 前 言 在科技高速发展的今天，生命科学和信息工程的发展已经成为社会的焦点，各国都在努力地追赶时代潮流，力争在新的世纪能赢得头酬，中国作为一个发展中国家，也不例外地倾其全力来缩短其与发达国家间的距离。改革开放以来所取得的成绩是有目共睹的。 桩工工程作为一种基础工程在社会建设中发挥了巨大的作用。一条条的公路和铁路象人体内的血管延伸到祖国的每个地方，一幢幢高楼拔地而起，一座座桥梁飞跃大江大河，把祖国的江山打扮得亮力多姿。 桩工机械的发展也取得了长足的进步，但有的还不是很理想。 通过考察 ，我们发现基础工程中的成孔钻具的种类比较单调，工作效率不高，而且有朝着笨重和耗能方面发展的趋势。 本设计就是在考虑到目前成孔钻具的发展状况，结合周转轮系中差动轮系的特点，采用一种全新的设计原理来对成孔钻具进行设计。这是一次理论和实际紧密联系的设计，由于经验的缺乏及知识上的不足，本设计不是尽善尽美，恳请老师及读者批评指正。 大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 30 致 谢 在本次设计中，我首先得感谢我的指导老师曾经梁老师给我的悉心指导和耐心帮助，他严谨的工作作风和渊博知识深深地感染了我，给了我很大的帮助。接下来我要感谢我的同学及朋友，他们帮我解决了许多的难题，并为我的设计提出了许多的宝贵意见。 最后，在此想所有的论文评审老师和答辩委员会的全体老师表示由衷地感谢。 大直径桩基础工程成孔钻具型钻具总体设计 4 第三章 方 案 设 计 能分析和工作原理 本课程设计是考虑目前中国桩工机械中普遍利用钻头做整体旋转，依靠压力对岩石和土壤的摩擦来进行钻孔，这样的钻具比较耗能，也耗时。我们注意到，岩层和土壤具有强脆硬性和弱韧性，再联系到从点到线，从线到面的切削机理，故形成了一种采用星型运动原理来设计此钻具的可行性。 艺动作分析、执行动作的确定 为了实现钻削的目的，光靠小刀盘在固定的位置上自转是不能 达到要求的，它需要小刀盘在快速的自转的同时也以一定的速度进行公转。并使其运动方向相反，这样刀头将具有扒拢泥沙 的作用，将有利于泥沙迅速地从空心钻杆中排出。轨迹原理图如下： 空心钻杆公转方向装有刀具的钻盘自转方向图一 钻头运动轨迹图 械运动方案的设计与评价 案一 潜水电动机将动力传递给减速器，并从减速箱中轴输出，通过中心太阳轮带动 3个行星轮，将刀具直接按装在行星齿轮和中心太阳轮上，这样通过行星齿轮的自转和公转从而达到钻削的目的。 本方案比较简单，但由于齿轮是暴露在外的。而其作业环境是处于泥沙和岩石之中，大直径桩基础工程成孔钻具型钻具总体设计 5 所以齿轮啮合面面临着相当严重的磨损，甚至有可能被卡死。 案二 潜水电动机将动力传给减速器，并使其从减速箱的中轴输出到公转齿轮机构上，以公转齿轮机构来带动自转动力头。 本方案与方案一有近似之处，不同的是从减速器中轴出来的动力不是驱动中心太阳轮，而是用来驱动公转齿轮机构，它虽然不具备特别好的密封性能，但是通过毛毡等的作用，能将泥沙等固体杂质较好地阻挡在外面，从而保护了齿轮由于泥沙而受到的磨损，但由于公转箱体的运行比通过中心太阳轮来带动行星轮运动要复杂得多。 案三 潜水电动机将动力传递给减速器，减速器通过差动装置将动力分别传递公转齿轮 轴和自转齿轮轴，再由公转齿轮轴带动公转箱作公转，而由自转齿轮轴带动行星齿轮作自转运动。 本方案是从周转轮系中的差动轮系变化而来的。差动轮系具有 2 个自由度，为了确定其运动轨迹，需要给定轮系两个独立的动力 个用来驱动自转中心轴来带动三个行星轮作自转运动，一个用来驱动公转中心轴来带动公转箱作公转运动。 章小结 综合分析这三种方案，第一种方案在理论上是可以行得通的，但在实际环境中 ,由于泥沙和石块的影响 ,齿轮磨损是很严重的 ,甚至会被石块给卡死 ,所以是不可行的，所以摒去 ;而第二种方案在配齿的问题 上很复杂所以也不采用。第三种方案虽不是采用行星运动的原理但是其传动方案是可行的，它不仅解决了齿轮的密封性问题，而且传动比较平稳，所以选用这种方案进行设计。其原理图如下： 大直径桩基础工程成孔钻具型钻具总体设计 6 自转 高 速 轴 ， 2 - 齿 轮 ， 3 - 中 心 自 转 轴 ， 4 - 中 心 公 转 轴 ，5 - 公 转 高 速 轴 ， 6 - 公 转 箱 ， 7 - 自 转 轴 ， 8 - 刀 盘电动机电动机图二 结构方案草图 电动机带动轴 1 旋转，利用齿轮驱动中心自转轴 3转动，再用同轴齿轮驱动三个行星齿轮转动，在行星齿轮轴 7的下端安装有刀盘，以用来切削。公转高速轴 5在电动机的驱动下，利用齿轮传动带动中心公转轴旋转，而中心公转轴和公转箱 6是固连在一起的，所以公转箱将会以一定的 速度进行转动，从而带动行星齿轮轴进行公转。 空心钻杆的内径不能太小，根据经验我们常取 150据经验选择输出功率为p=11速 750r/潜水电动机，最终钻头以转速为 32r/ 18r/步确定此机构的总的自转传动比 i=730/32=总的公转传动比i=730/18=在进行传动比的分配。因为中心自转轴是一空心轴，所以经过传统方法初步计算，可以得出中心自转轴下端的齿轮尺寸比空心钻杆内径尺寸要小，而空心钻杆的内径是不能减小的，所以只 能来增大齿轮的尺寸，如果将其作为一减速装置将会使自转轴上的齿轮尺寸过大，而超出设计要求尺寸。所以只能采用一增速装置来解决这一矛盾。现取增速装置的传动比 ，则中心自转轴的转速 2/2=16r/整个自转装置的减速部分的总传动比为 730/16=们考虑到，若全部采用齿轮传动的话，将要采用至少两级以上的减速装置，而且安装尺寸将很大，为了解决这一问题，决定在上面采用一减速器（该减速器按输出功率为 10出转速为 64r/,该减速器的设计略。则自转部分的减速传动比为 ，而公转部分的传动比为 大直径桩基础工程成孔钻 具 型钻具总体设计 2 第二章 概 述 景技术状况 “长期以来，桥梁、港口、码头、水工和工民建筑物的基础工程，在 以上 泛使用冲击钻和回旋钻两种基本钻型，以及泥浆护壁正循环排渣方法施工。随着国内外桩基础工程机械的研究开发，为了适应各种工程地质条件施工，提高成孔施工效率，降低设备投入量和适应大直径桩基成孔需要，目前在传统的冲击钻和回旋钻的基础上，已生产出了如：重型冲击钻、连杆冲击反循环钻、套管钻机、潜孔冲击锤、潜水回旋钻、回转斗钻、短螺旋钻和扩底钻头等施工机械设备 ，大部分产品实现了反循环排渣，明显地提高了成孔施工效率，左右，进口设备成孔直径已可达 6 米。其中结构简单的国产重型冲击钻成孔直径也可达 。但是仍然存在着种种不适应施工需要的问题，主要是： 1、普通回旋成孔钻，对工程地质条件变化的适应性差，特别是不适应大砾石地质和无风化硬岩层成孔，地质适应范围受限。 2、一般冲击钻虽然地质适应性好，但施工效率显低，同时大直径的重型冲击锤自旋性差，成孔失圆度大。 3、设备和钻具通用和互换性差，即一种设备只能配套相应钻具。一种规格的钻具，只能适用于相应 直径的成孔。 4、国内大直径的钻具设备研发，少有研究采用新的运动原理和结构，一般只能采取加大直径，增加配套功率和扭矩，以及选用高硬刃具材料等办法，因而 有趋向 高功率配置和笨重方向发展的趋势，不仅固有的弱点问题没有解决，而且又更加大了施工设备 投 资 ，影 响 工 程 建 设 效 益 。 5、适 应 桩 基 础 沉 井 护 壁 不 排 水 施 工 的 设备缺乏。而不排水施工可避免发生沉井严重偏位、沉井滞留和井口沉陷以及下沉缓慢等诸多问题。 各项工程基础的施工进度往往是影响整个项目建设工期的关键，其造价也是影响项目投资的主要不定因素。鉴于以上情况，为适应各类建筑工程材 料、设计和施工技术的发展需要，如何从钻孔桩基础施工成孔设备着手，综合冲击钻和回旋钻两种基本钻型成孔原理的优点，研究开发出新型成孔钻具，以解决桩 基工程施工，要求快速高效、稳定可靠、广泛适用和适应超大直径方向发展的问题，是长期以来国内外业内人士不乏探索的命题。“（摘自张昌平 关于建立星形运动和模块化结构解决大直径桩基础工程成孔钻具的 大直径桩基础工程成孔钻 具 型钻具总体设计 3 思考 ） 求水平分析（可行性研究报告） 在桩基工程施工中大量使用的冲击钻和回旋钻，它们工作状态的一个共同特点，是切削刀刃与孔壁和孔底保持整体的或线或面的接触，摩擦阻力大 ，切削相对速度低，能量分散，分布不合理，无效功耗大，效率低。如果单个刃具能实现如下图所示的平面单迹线星形运动，并同时具有径向旋削软散颗粒，轴向冲击破碎整体岩石的功能。则数个小直径的刃具也将会产生高效率的复合运动和作用，由若干连续点的运动，形成连续的曲线运动，若干曲线的运动，使 施工面呈周边 包络线为 圆形的细密网状曲面 ，实现钻具逐 层从上至下的整体成孔运动。“ 务要求 本次设计就是根据这一运动轨迹来对成孔钻具进行整体设计，要求其传动平稳可靠，能达到降低能耗的目的，并延长其使用寿命。 大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 28 5. 设计总结 本次设计是进入社会工作之前的一次演练，在本次设计中，通过 对自己所学知识进行归类总结和 认真的学习，及时地发现了许多问题并认真细致的予以了解决。通过这次毕业设计，全面复习、 巩固了机械设计和有关技术基础课程所学的内容，掌握了机械设计的基本方法、步骤以及机械设计的一些基本技能（如计算、绘图、查阅设计资料和手册，熟悉标准和规范等）。 基本能综合运用所学知识独立分析、设计、解决 机械设计加工中的工艺、材料及性能等实际 生产问题， 提高了自己分析问题、解决问题的综合能力； 养成了严肃、认真、细致地从事技术工作 的优良作风。另外，还进一步熟悉了有关标准和规范，能比较熟悉地编写技术文件和设计说明书，进一步提高了自己的科技写作能力。 为即将走向社会从事机械行业的工作奠定了良好的基础。 本次设计不仅使我认识到了自己现在所学的知识是有限的，激发了自己不断学习进取的愿望；还让我懂得了只有 在学习中勇于探索钻研，将理论与实践相结合起来才能使自己成为一个对社会有用的人才。所以说人是要通过不断的学习钻研来使自己进步的。 通过这次毕业设计，让我了解到了我国桩工机械工业的一些现状以及未来几年的发展趋势，坚定了我以后从事机械行业的决心。 大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 29 参考文献 1孙恒，陈作模 . 机械原理 M高等教育 出版社， 2001 2濮良贵，纪名刚 M等教育出版社， 2001 3王伯惠，上官兴著 M民交通出版社， 1999 4吴宗泽，罗圣国 . 机械设计课程设计 M等教育出版社， 1999 5邹慧君 . 机械原理课程设计手册 M等教育出版社， 1998 6刘鸿文 . 材料力学 M等教育出版社， 7现代机械传动手册编辑委员会 册 M 机械工业出版社， 2002 8成大先 第 2、 3、 5 卷 ) M学工业出版社， 2002 9刘古岷，王渝，胡国庆 M械工业出版社， 2001 10 成大先 . 机械设计图册 (第 5 卷 )M学工业出版社， 2000 11机械工程手册编委会 第 11 卷机械产品 (一 ) M. 北京：机械工业出版社， 1982 12郭爱莲 M济日报出版社， 1991 13日本机械学会 . 机械技 术手册 M械工业出版社， 1975 14机械工程手册编委会 专用机械卷 (二 )M：北京：机械工业出版社， 1997 15汪应洛 M学出版社， 1991 16吴宗泽 00 例 M械工业出版社， 1996 17卜炎 . 机械传动装置设计手册 M. 北京：机械工业出版社， 1997 18吴宗泽、雷天觉 M学工业出版社， 1999 19 齿轮手册 编委会 . 齿轮手册 M 械工业出版社， 2001 20李维荣 M国标准出版社， 2001 大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 7 第四章 零 件 设 计 转高速齿轮的设计 由前面可知，小齿轮转速 4r/，可以得出大齿轮的转速 6r/齿轮传递的转矩 52公斤 使用期限为 5年（每年以 300 工作日计），每日工作 16小时，进行设计。 现大、小齿轮材料用 40质处理 80，精度等级按级 8 解： 表的参数选取均出自机械设计手册中册） 计 算 项 目 计 算 公 式 及 数 据 说 明 按 接 触 强 度 初 定 主 要 尺 寸 工况系数 1 由表 8取 接触强度的齿向载荷分布系数 表 8得 试验齿轮的接触疲劳极限 15kg/ 00kg/图 8齿数比 u u= 初定小齿轮分度圆直径 d1 d 1 120图 8齿数 z 取 0 则 z2= 30=120 确定模数 m m=d1/20/30=4 m=5复算小齿轮分度圆直径 d1 d1= 30 150齿宽 b 取齿宽系数 R=0.9 b= 150=135形制 按 形制， =20， h* =1， c*=接 触 疲 劳 强 度 校 核 计 算 分度圆上的圆周力 t=2000T1/000 152/150=2026大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 8 分度圆圆周速度 v v=9100=150 64/19100=s 动载系数 v=1（ 7 级精度） 由表 8得 端面载荷分配系数 表 8e 由图 8接触强度的齿宽影响系数图 8节点区域系数 H=图 8弹性系数 E=kg/1/2 由表 8得 接触应力 H H=（ 1/2=齿 1 当量循环次数 =600 1 730 5 300 16 =109 109/2=108 见表 8触强度的寿命系数 见第 388页 润滑剂系数 择润滑油黏度 77厘池 表 8 图 8得 速度系数 v=图 8光洁度系数 择齿面光洁度为 6 图 8工作硬化系数 W=1 由表 8齿 轮 的 接 触 疲 劳 极 限 15 1 1 = 00 1 1 大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 9 =触强度的最小安全系数 （按失效概率为 1%） 由表 8接触强度的安全系数 H= H=触疲劳强度通过 弯曲疲劳强度校核计算 弯曲强度的齿向载荷分布系数 表 8弯曲强度的齿宽影响系 数图 8齿形系数 1= 1 C 由图 8得 刀盘直径影响系数 O=表 8弯曲应力 F Y0/66= 直齿 1,1 试验齿轮的弯曲疲劳极限 0kg/ 4kg/图 8弯曲强度的寿命系数 见第 394页 尺寸系数 X=图 8齿 轮 的 弯 曲 疲 劳 极 限 01 41大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 10 弯曲强度的最小安 全系数(按失效概率为 1%) 由表 8弯曲强度的安全系数 曲疲劳强度通过 计 算 项 目 计 算 公 式 及 数 据 小 齿 轮 大 齿 轮 齿顶高 ha ha*m=1 5=5mm ha*m=1 5=5高 h h=(2c*)m=(21+ 5=11根高 hf （ c*） m=5=6mm c*） m=5=6度圆直径 d d1= 30=150mm d2= 120=600顶圆直径 da =150+2 5 =160mm = 600+2 5 =610根圆 df =15038mm =60088心距 a a=m（ z1+ 39 226 33 重合度 端面重合度 a=线重合度 B=0 总重合度 r=面重合度 a=线重合度 B=0 总重合度 r=转低速齿轮的设计 根据桩孔直径为 1200根据刀盘的分布规律来确定刀盘的直径大小。 大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 11 令刀盘半径为 R，则（ 31/2+1） R=600得刀盘的半径 20刀盘的中心线即是自转轴的中心线，故可以知道自转轴和中心钻杆的距离为 380就是低速级齿轮的中心距 a=380前面可知，小齿轮转速 2r/，可以得出大齿轮的转速 6r/以大小齿轮的分度圆半径之和即为中心距，则有（ 2=380 则初步得到小齿轮的分度圆直径为 虑到齿轮在工作时所 承受的载荷较大，所以也相应增大其模数，选用 6小齿轮的齿数 z=42，大齿轮的齿数为 84，精确计算大小齿轮的直径为 d=52 d=504时的中心距为 a=378为钻孔直径的精度不需要很精确，故分度圆直径不矛盾。小齿轮传递的转矩 31 公斤 使用期限为 5 年（每年以 300工作日计），每日工作 16小时，进行设计。 现大、小齿轮材料用 40质处理 80，精度等级按级 8 解： 表的参数选取均出自机 械设计手册中册） 计 算 项 目 计 算 公 式 及 数 据 说 明 按 接 触 强 度 初 定 主 要 尺 寸 工况系数 1 由表 8取 接触强度的齿向载荷分布系数 表 8得 试验齿轮的接触疲劳极限 15kg/ 00kg/图 8齿数比 u u= 初定小齿轮分度圆直径 d1 d 1 图 8齿数 z 取 2 则 z2= 42=84 确定模数 m m=d1/20/30=6 m=6复算小齿轮分度圆直径 d1 d1= 42 252齿宽 b 取齿宽系数 R=0.6 b= 252=160直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 12 齿形制 按 形制， =20， h* =1， c*=接 触 疲 劳 强 度 校 核 计 算 分度圆上的圆周力 t=2000T1/000 231/252=1833分度圆圆周速度 v v=9100=252 32/19100=s 动载系数 v=1（ 7 级精度） 由表 8得 端面载荷分配系数 表 8e 由图 8接触强度的齿宽影响系数图 8节点区域系数 H=图 8弹性系数 E=kg/1/2 由表 8得 接触应力 H H=（ 1/2=齿 1 当量循环次数 =600 1 730 5 300 16 =109 109/2=108 见表 8触强度的寿命系数 见第 388页 润滑剂系数 择润滑油黏度 77厘池 表 8 图 8得 速度系数 v=图 8光洁度系数 择齿面光洁度为 6 图 8工作硬化系数 W=1 由表 8齿 轮 的 接 触 疲 劳 极 限 大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 13 15 1 1 = 00 1 1 =触强度的最小安全系数 （按失效概率为 1%） 由表 8接触强度的安全系数 H= H=触疲劳强度通过 弯曲疲劳强度校核计算 弯曲强度的齿向载荷分布系数 表 8弯曲强度的齿宽影响系数图 8齿形系数 1= 1 C 由图 8得 刀盘直径影响系数 O=表 8弯曲应力 F Y0/. 466= 直齿 1,1 试验齿轮的弯曲疲劳极限 0kg/ 4kg/图 8弯曲强度的寿命系数 见第 394页 尺寸系数 X=图 8大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 14 齿 轮 的 弯 曲 疲 劳 极 限 013 41弯曲强度的最小安全系数(按失效概率为 1%) 由表 8弯曲强度的安全系数 曲疲劳强度通过 计 算 项 目 计 算 公 式 及 数 据 小 齿 轮 大 齿 轮 齿顶高 ha ha*m=1 6=6mm ha*m=1 6=6高 h h=(2c*)m=(21+ 6=根高 hf （ c*） m=6= c*） m=6=度圆直径 d d1= 42=252mm d2= 84=504顶圆直径 da =252+2 6 =264mm 504+2 6 =516根圆 df = =心距 a a=m（ z1+ 14 323 21 重合度 端面重合度 a=线重合度 B=0 端面重合度 a=线重合度 B=0 大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 15 总重合度 r=重合度 r=转齿轮的设计 由前面可知，公转小齿轮转速 4r/以得出大齿轮的转速8r/齿轮传递的转矩 52 公斤 使用期限为 5 年（每年以 300 工作日计），每日工作 16 小时，进行设计。 现大、小齿轮材料用 40质处理 80，精度等级按级 8 解： 表的参数选取均出自机械设计手册中册） 计 算 项 目 计 算 公 式 及 数 据 说 明 按 接 触 强 度 初 定 主 要 尺 寸 工况系数 1 由表 8取 接触强度的齿向载荷分布系数 表 8得 试验齿轮的接触疲劳极限 15kg/ 00kg/图 8齿数比 u u=初定小齿轮分度圆直径 d1 d 1 137图 8齿数 z 取 3 则 z2=33=117 确定模数 m m=d1/37/33= m=5复算小齿轮分度圆直径 d1 d1= 33 165齿宽 b 取齿宽系数 R=0.9 b= 165=148形制 按 形制， =20， h* =1， c*=接 触 疲 劳 强 度 校 核 计 算 分度圆上的圆周力 t=2000T1/000 152/165=1842分度圆圆周速度 v v=9100=165 64/19100=s 大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 16 动载系数 v=1（ 7 级精度） 由表 8得 端面载荷分配系数 表 8e 由图 8接触强度的齿宽影响系数图 8节点区域系数 H=图 8弹性系数 E=kg/1/2 由表 8得 接触应力 H H=（ 1/2=齿 1 当量循环次 数 =600 1 730 5 300 16 =109 109/2=108 见表 8触强度的寿命系数 见第 388页 润滑剂系数 择润滑油黏度 77厘池 表 8 图 8得 速度系数 v=图 8光洁度系数 择齿面光洁度为 6 图 8工作硬化系数 W=1 由表 8齿 轮 的 接 触 疲 劳 极 限 15 1 1 = 00 1 1 =直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 17 接触强度的最小安全系数 （按失效概率为 1%） 由表 8接触强度的安全系数 H= H=触疲劳强度通过 弯曲疲劳强度校核计算 弯曲强度的齿 向载荷分布系数 表 8弯曲强度的齿宽影响系数图 8齿形系数 1= 1 C 由图 8得 刀盘直径影响系数 O=表 8弯曲应力 F Y0/. 3866= 直齿 1,1 试验齿轮的弯曲疲劳极限 0kg/ 4kg/图 8弯曲强度的寿命系数 见第 394页 尺寸系数 X=图 8齿 轮 的 弯 曲 疲 劳 极 限 01m 41弯曲强度的最小安全系数 (按失效概率为 1%) 由表 8 型钻具总体设计 18 弯曲强度的安全系数 曲疲劳强度通过 计 算 项 目 计 算 公 式 及 数 据 小 齿 轮 大 齿 轮 齿顶高 ha ha*m=1 5=5mm ha*m=1 5=5高 h h=(2c*)m=(21+ 5=11根高 hf （ c*） m=5=6mm c*） m=5=6度圆直径 d d1= 33=165mm d2= 117=585顶圆直径 da =165+2 5 =175mm = 585+2 5 =595根圆 df =16553mm =58573心距 a a=m（ z1+ 37 230 07 重合度 端面重合度 a=线重合度 B=0 总重合度 r=面重合度 a=线重合度 B=0 总重合度 r=速轴的设计计算（各参数均出自机械设计第六版） 根据前面的已知条件，我们可以得到此轴上的功率 矩 按使用期限为 5年（每年以 300工作日计），每日工作 16小时，进行设计。 大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 19 解： 1. 0550000P1/550000 10/64=. 求作用在齿轮上的力： T1/d 1=2 1492187/150 =19895N F = 135 141N F =1141633 54 =1020N F =1141 54 =510N t/135/336N 3. 初步确定轴的最小直径 先按式（ 15步估算轴的最小直径。选取轴的材料为 40质处理。根据表 15 7，于是得 0（ P3/1/3=97 （ 10/64） 1/3=52端的最小直径是用来安装联轴器的，为了使所选的轴直径 d - 与联轴器的孔径相适应，故需要同时选取联轴器型号。 联轴器的计算转矩 表 14虑到转矩变化较大，故取 143904=照计算转矩 标准 5014用 弹性柱销联轴器，公称转矩为 联轴器 的孔径 d =56取d - =56联轴器长度 L=142联轴器与轴配合的彀孔长度 07 4. 轴的结构设计 1） 拟定轴上零件的装配方案 根据安装的实际情况，齿轮采用轴肩来定位，且定位轴肩处于齿轮的下方。 2） 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 （ 1） 为了满足半联轴器的轴向定位要求， - 轴段下端需制出一轴肩，故取 - 段的直径 d - =d - 上端用轴端挡圈定位 D=220应比孔彀长度稍短，取 L - =105 （ 2） 初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向 力和轴向力的作用，故选用单列大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 20 圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据 d - =轴承产品目录中初步选取 0 基本游隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承 30213，其尺寸为d D T=65 120 d - =d - =65 （ 3） 取安装齿轮处的轴段 - 的直径 d - =70轮上端与上轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮彀的宽度为 135了使套筒端面能可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮彀宽度，故取 l - =131轮的下端采用轴肩定位，轴肩高度 h 大于 h=10轴环 处的直径 d - =90环宽度 据中心轴的尺寸，取 l - =240 （ 4） 取齿轮距箱体内壁之距离 a=16端的轴承是采用透盖来定位的，所以l - = - 间的距离需要考虑到透盖和联轴器与箱体的距离的影响，取为 l - =50 （ 5） 公转小齿轮安装在轴肩的下端，故取 d - =70轮下端与下轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮彀的宽度为 144了使套筒端面能可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮彀宽度，故取 l - =140中心轴的尺寸，取 l - =232 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。按 d - 由手册查得平键截面 b h l=16 10 90 ，按 d - =65 手 册 查 得 平 键 截 面b h l=20 12 56。为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮彀与轴的配合为 H7/样，半联轴器与轴的配合为 H7/动轴承与轴的周向定位是借过渡配合来保证的，此出选轴的直径尺寸公差为 4） 确定轴上圆角和倒角尺寸 参考表 15轴端倒角为 45，各轴肩处的圆角半径为 5求轴上的载荷 根据轴的结构图，作出轴的计算简图。对于圆锥滚子轴承，由手册查得a=此，作为简支梁的轴的支承跨距 3= 中 3= 从结构图上可以看出圆锥齿轮的中心处是轴的危险截面。现将计算出的截面处大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 21 的 R H 1R v 1水平面 H 垂直面 V 支反力 R 582N， 320N， 30N 弯矩 M 44973N 4910N， 7864N 总弯矩 矩 T 算弯矩 84617 2=145186 进行校核时，通常只校核轴上承受最大计算弯矩的截面的强度。由上表可得 =184617/（ 703） =表 15 60 此 故安全。 1）判断危险截面 截面 、 等只受扭矩作用，虽然键槽、轴肩及过渡配合所引起的应力集中均将削弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕地确定的，所以这些截面无须校核。 从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面 和 处过盈配合引起的应力集中较严重；从受载的情况来看，截面 面 应力集中不大，而且这里的轴径最大，故截面 面 和 显然更不必校核。键槽的应力集中系数比过盈配合的小，因而该轴只须校 核截面 左右两侧。 1） 截面 左侧 抗弯截面系数 W=453=17561扭截面系数 453=35123直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 22 截面 左侧的弯矩 M=163183 （ 上的扭矩 面上的弯曲应力 b=M/W=102879/17561=面上的扭转切应力 T=T=143904/35123=的材料 为 45#，调质处理。由表 15得 B=640 75 55 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数 附表 3取。因r/d=5=D/d=52/45=插值后可查得 由附图 3有效应力集中系数按式为 1+ 1） =1+=1+ 1） =1+=附图 3 =附图 3 = 轴按磨削加工，由附图 3 = =未经表面强化处理，即 q=1，则按式（ 3（ 3综合系数为 / +1/ +1/ ， =是，计算安全系数 式（ 15-（ 15得 a+ m） =275/（ 0） = = + m） =155/（ +） = /（ +） 1/2= 1/2=S=可知安全。 3）截面 右侧 抗弯截面系数 W=523=14060 扭截面系数 523=28120 面 左侧的弯矩 M=163183 （ 上的扭矩 直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 23 截面上的弯曲应力 b=M/W=102879/14060=面上的扭转切应力 T=T=143904/28120=的材料为 45#，调质处理。由表 15得 B=640 75 55 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数 附表 3取。因r/d=2= D/d=66/52=插值后可查得 由附图 3有效应力集中系数按式为 1+ 1） =1+=1+ 1） =1+=附图 3 =附图 3 = 轴按磨 削加工，由附图 3 = =未经表面强化处理，即 q=1，则按式（ 3（ 3综合系数为 / +1/ +1/ ， =是，计算安全系数 式（ 15-（ 15得 a+ m） =275/（ 0） = = + m） =155/（ +） = /（ +） 1/2= 1/2=S=可知安全。 因无大的瞬时过载，故可略去静强度校核。 心管的设计 根据经验，我们采用气举法来排渣。即是采用输入高压空气，来使泥沙通过空心钻杆排出。钻杆空心直径通 常为 150于空心钻杆仅起到一个输出泥沙的作用，所以对其材料、壁厚尺寸等要求不是很高，现初步确定其材料为 45#钢 ,壁厚为 10此可知空心钻杆的外径为 170杆和中心自转轴之间是没有力的传递作用的，为了有利于安装，初步设定中心自转轴和空心钻杆间的间隙大小为 5中心自转轴的内径大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 24 为 180径需通过对其扭矩进行计算后才能确定。 心自转轴的设计计算 根据前面的设计计算可以得到中心自转轴的输入功率 0 速也由前面可知为 6r/中心自转轴为一空心轴，内径通过前面的设计可知为 d 内 =180 因为传递的力矩较大，所以中心自转轴的材料也选用 40质处理。按使用期限为 5年（每年以 300工作日计），每日工作 16小时，进行设计。 根据前面的已知条件，我们可以得到此轴上的功率 矩 550000P3/550000 6=T3/ 488840/108 （ =10650N F = Ft 0650 876N F =38766=3484N F =3876 1699N t/876/124N 5. 初步确定轴的最小直径 先按式（ 15步估算轴的最小直径。 根据表 15 7， =是得 0P3/1） 1/3=88为 80 则 d=180/40。轴端的最小直径是用来安装轴承的，为了使所选的轴直径 d - 与轴承的孔径相适应，故需要同时选取轴承的型号。查表选用97176 推力调心滚子轴承， d*D*T=240*400*210，即有 d - =240l - =210 。按每一级 5 6. 轴的结构设计 1） 轴上零件的装配方案 根据安装的实际情况，齿轮采用轴肩来定位，且定位轴 肩处于齿轮的下方。 2） 据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 （ 1）为了满足轴承的轴向定位要求， - 轴段下端需制出一轴肩，故取 -大直径桩基础工程成孔钻具 型钻具总体设计 25 段的直径 d - =245轮上端采用套筒来定位，轴承和齿轮间需要有一定的间隙，故取 l - =30 （ 2）取安装齿轮处的轴段 - 的直径 d - =250轮上端与上轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮彀的宽度为 131了使套筒端面能可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮彀宽度，故取 l - =127轮的下端采用轴肩定位，轴肩高度 h=10轴环处的直径 d - =270虑到轴承和公转齿轮的安装，取 l - =911 （ 3）取安装齿轮处的轴段 - 的
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