




文档简介
诚信声明本人郑重声明:本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的,在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名:年月日毕业设计任务书设计题目:GCPS20型工程钻机的设计系部:机械工程系专业:机械设计制造及其自动化学号:学生:指导教师(含职称):(副教授)(助教)1课题意义及目标随着国家基本建设的投入持续增长,将对工程钻机技术要求更高、钻机不仅要具有高效性、环保性,更要具有复合性。通常使用的工程钻机在工作时只有钻进,当遇到较为坚硬的岩石层,如卵石、灰岩、花岗岩等硬岩石地层,就不得不改变钻进方位,或另钻它孔,为解决此问题,本文希望学生设计一台带有冲击钻的多功能复合型钻机。2主要任务(1)钻机总体方案的设计与选定。(2)钻机的变速箱结构设计、转盘的设计、动力机确定、机构传动系统设计。(3)钻机各部分零件图及装配图的绘制。(4)查阅相关资料,撰写毕业设计开题报告。按照学院毕业设计说明书撰写要求,写出设计说明书一份,并提供计CAD图纸。要求有各部分零件图和完整的装配图。3主要参考资料1濮良贵纪明刚机械设计(第七版)M高等教育出版社,20042GPS20型工程钻机使用说明上海金泰股份有限公司探矿机械厂3殷琨发展中的冲击回转钻进技术J探矿工程(第5期),19974进度安排设计各阶段名称起止日期1调查研究,收集资料,撰写毕业设计开题报告2015.01.10至2015.03.102总体设计方案确定2015.03.10至2015.04.013完成各部分的设计计算,并绘制零件图和装配图2015.04.01至2015.05.204编写设计说明书。指导教师审核资料,修改资料。2015.05.20至2015.06.155准备毕业设计答辩。2015.06.15至2015.06.20审核人:年月日IGCPS20型工程钻机的设计摘要:GCPS20型钻机是一种复合式多功能钻机,为适应我国深基础工程和连续墙以及水利工程、桥梁工程的发展与需要,结合大口径钻机灌注桩和地下连续墙施工的特点,为解决在复杂地层、硬岩石地层中成孔而研制,特别是在卵石层、基石、漂石层能大幅度提高施工效率,在各种成孔方法中是比较经济有效的方法。该钻机是集回转、冲击钻进工艺于一体的多功能复合型钻机,用转盘回转钻进时可用于第四世纪覆盖层,冲击钻进时可用于较为坚硬的岩石层,如卵石、灰岩、花岗岩等硬岩石地层。本篇设计重点设计了工程钻机的机构传动系统,查阅相关机械手册,按照机械设计和机械原理来进行包括变速箱的设计及计算、转盘的计算、动力机确定、带轮的选择等。本钻机的特点是结构简单,紧凑,而且各种操作手柄布置合理,操作简单,便于使用与维护。关键词:冲击钻进,变速箱,减速器,转盘IIDesignofGCPS-20typeengineeringdrillAbstract:GCPS-20drillisakindofdrillwhichiscompositeandmulti-function,inordertoadaptingourcountrysdevelopmentandthedemandsofthedeepfoundations,continuouswall,marinehydraulicengineeringandthebridgeengineering,combiningthecharacteristicsofthebigcaliberandtheundergroundcontinuouswallconstruction,inordertosolvethedifficultyofpore-forminginthecomplicatedgeologicstrata,hardrock,whichcanespeciallyimprovetheconstructionefficiencyinthepebblelayer,foundationandboulders,thiskindofpore-formingmethodismoreeconomicandmorevalidinvariouspore-formingmethods。Thiskindofdrillingmachineisamultifunctionalcompositedrillingwhichcombinesbothrotaryandpercussiondrillingtechnology,Therotarytablerotarydrillingcanbeusedforthefourthcenturycoveringlayer,theimpactofdrillingcanbeusedformorerigidrocklayer,suchasgravel,limestone,graniteandotherhardrockstrata.Thisarticlefocusesonthedesignofthetransmissionsystemofengineeringdrillingmachine,accesstorelevantmechanicalmanual,inaccordancewithmechanicaldesignandmechanicalprinciples,includingthedesignandcalculationofthegearbox,theCalculationoftheturntable,theconfirmationofthepowermachine,andthebeltwheelselection。Thecharacteristicsofthemachineisthesimplestructure,tightlypacked,andtheoperatinghandledarrangereasonable,whichhasasimpleoperationandisveryeasyforusageandmaintenance。Keywords:Percussiondrilling,Gearbox,Thedecelerator,TheturntableIII目录1前言.11.1课题项目的研究意义.11.2国内外研究进展.21.3设计产品所解决的问题和应用领域.32钻机的总体设计.32.1主要性能特点.32.2总体布局设计.42.2.1传动系统.42.2.2气动系统.42.2.3电气系统.42.2.4工具系统.42.2.5各部件的作用.42.3主要参数的选取.53动力机确定.63.1按钻头钻进所需功率计算.63.2按钻机冲击钻进所需功率计算.94变速箱的设计及计算.94.1变速箱的结构特点.94.2结构计算.94.2.1初步选定.94.2.2选定变速箱传动公比.104.2.3按弯曲强度确定齿轮模数.104.2.4按接触强度确定齿轮分度圆直径与中心距.114.2.5齿宽的确定.124.2.6齿轮齿数确定.134.2.7计算齿轮相关参数、确定齿轮.134.3锥齿轮计算.134.3.1初步计算.13IV4.3.2几何计算.144.4齿轮校验.174.4.1齿轮受力分析.174.4.2齿轮传动齿面接触疲劳强度校核.184.4.3齿轮传动齿根弯曲疲劳强度校核.204.5变速箱轴的计算.214.5.1一轴计算.214.5.2二轴计算.224.5.3三轴计算.224.6轴的校验.224.6.1按转矩计算.224.6.2轴上受力分析.234.6.3求支反力.234.6.4作弯矩和转矩图.244.6.5确定危险截面及安全系数校核计算.265带轮选择.286转盘的计算.316.1转盘输出转速.316.2大、小锥齿轮计算.316.2.1初步计算.316.2.3几何计算.326.3锥齿轮齿面接触疲劳强度校验.356.3.1计算公式.356.3.2许用接触应力计算.376.3.3齿面接触强度校核.376.4齿根抗弯疲劳强度校核.376.4.1计算公式.376.4.2齿根许用弯曲应力计算.386.4.3齿根弯曲强度校核.396.5转盘轴结构计算.39V7钻机其余部分零部件选择.407.1联轴器的选用.407.2减速器齿轮安排.418钻机的维护保养.438.1钻机维护保养的重要性.438.2维护保养要求.438.3主要部件保养项目.438.3.1转盘.448.3.2变速箱.448.3.3减速器.448.3.4主、副卷扬机.448.3.5水龙头.448.3.6钻具.448.3.7冲击卷扬机.448.3.8气路系统.458.3.9传动链条.458.3.10冲击钢丝绳.458.3.11气胎离合器.458.3.12主离合器.458.4安全操作注意事项.459结论.47参考文献.48致谢.50太原工业学院毕业设计11前言1.1课题项目的研究意义随着国民经济的飞速发展,基础设施和建设项目规模的扩大,现代大口径钻孔技术应用日益广泛,如应用于钻孔灌注桩的工程施工。用于钻孔施工各种大型水井、大型建筑基桩(包括高层和大型建筑物基桩、铁路和公路桥梁基桩、海港码头、海上石油平台和滨海建筑基桩等)及地下油库、安装核设施和特种试验工程钻孔等钻孔工作量非常巨大。因此各种大口径基础工程施工用钻机,以其经济有效、施工快速的特点,越来越受到设计与建筑单位的重视1。目前国内大口径钻孔多采用单一功能的冲击钻机或回转钻机,采用的是单一的回转钻进或冲击钻进方法。即在土层、砂土层、粘土层等软地层应用回转钻进;在砂砾、卵砾层、漂石、基岩层等硬地层,采用冲击钻进。但在实际工程施工中存在的问题是,往往同一个孔位的钻孔需要穿越的地层情况复杂,通常一个数十米的孔,要穿越软地层、砂砾、卵砾、砾石层和基岩层等在这样的地层钻孔,目前的施工方法只能采用一种钻进方法,施工效率低;而有的地层单独一种钻进方法难以实现,需要冲击和回转两台钻机现场转换,这样一是钻孔速度慢、钻进效率低,因为占据了大量的辅助时间,二是由于需要配备两台钻机,钻进成本高。为解决此问题,我们需要设计GCPS20型工程钻机2。GCPS-20型工程钻机就是一种用于水坝、港口、码头、桥梁、高层建筑等工程的大口径灌注桩施工的复合式多功能钻机,为适应我国深基础工程和连续墙以及水利工程、桥梁工程的发展与需要,结合大口径钻机灌注桩和地下连续墙施工的特点,为解决在复杂地层、硬岩中成孔而研制,特别卵石层、基石、漂石层能大幅度提高施工效率,在各种成孔方法中是比较经济有效的方法。常见工程钻机的结构由动力部分、变速箱、减速箱、主副卷扬机、转盘、液压部分、水龙头、钻塔、机架、控制箱以及其他辅助部件构成3。随着国家基础建设的投入快速增长,尤其像京沪高速铁路、奥运比赛场地等一批国家重点项目的启动,将对工程钻机的技术要求更高,钻机不仅要具有高效、环保的特性,更要具有一定的复合性。一般使用的工程钻机在工作时只有钻进功能,当遇到太原工业学院毕业设计2较为坚硬的岩石层时(如卵石、灰岩、花岗岩等硬岩石地层)就必须改变钻进方位或另钻它孔。为解决此类问题,在老师的指导下我设计这台带具有冲击钻的多功能复合型钻机,它可以有效的解决上述问题。我相信这台钻机一定会有很广阔的市场前景4!1.2国内外研究进展GCPS-20型工程钻机是一种复合式旋挖钻机。其实旋挖钻机在二战以前首先在美国卡尔维尔特公司问世,二战之后在欧洲得以发展,在1948年意大利的迈特公司首先开始研制,接着在意大利和德国得以开始发展,到7080年代在日本得到快速发展,当时日本称其为回转斗成桩,也叫阿司特利工法(EarthDrill),在德国、日本这类钻机应用相当普遍。国外产品发动机功率达到448kW,最大扭矩可以达到360kNm,钻孔直径达到4m,钻深90余米等,其品牌主要集中于土力、宝峨、意马、巨力、麦特、卡萨格兰第、日本产小扭矩旋挖等。目前国外的旋挖钻机一般都有摇管装置、自锁互扣钻杆、液压系统采用恒功率变量自动控制、由两个或三个液压马达驱动的大扭矩动力头(可配套管连结器)、先进的监控仪表(如发动机和液压系统自动监测和报警系统、钻孔深度显示、钻桅自动测斜纠偏装置),还配有各种保险装置(如防止带负载起动,卷扬机超高限位等),但是各家公司的旋挖钻机都有各自的技术特点5。中国在80年代初从日本引进过其工作装置,当时配装在KH-125型履带起重机上。1984年,天津探矿机械厂曾引进美国RDI公司的旋挖钻机并进行研究。1987年,北京展览馆首次展出了意大利土力公司(SOILMEC)的钻机产品,1988年,北京城建机械厂根据土力公司的样机设计了直径为1.5m的履带起重附着式旋挖钻机。1994年,郑州勘察机械厂曾引进英国BSP公司的附着式旋挖钻孔机生产技术,但都没有形成大批量生产。1992年,宝峨公司在中国北京设立了代表处并开始对我国的业务于1995年在天津成立了独资子公司即宝峨天津机械工程有限公司,主要生产适合中国市场的宝峨BG20型旋挖钻机。1998年,在上海又成立了中德合资上海宝峨金泰工程机械股份有限公司,主要生产BG15型和BG24型旋挖钻机。1998年,徐工集团开始自主开发RD18旋挖钻机,于1999年试制成功并投入批量生产,最近几年中国旋挖钻机取得了较快的发展。后来,北京经纬巨力、三一重工等公司也纷纷涉足旋挖钻机的生产,太原工业学院毕业设计3目前为止国内外生产旋挖钻孔机的厂商有近二十家。随着全球经济的高速发展,各类建筑和工程施工的数量激增,工程难度日益加大,质量要求越来越高,极大的推动了各类基础处理施工技术的发展,尤其是近20年来,由于建筑的大型化和高层化,各种处理范围广,效率高,污染少,成本低的深基础施工工法,如大型旋挖桩、地下连续墙、各种锚固、高压旋喷、深层搅拌等已成为基础工程施工的重要手段。而现有国产基础施工设备效率低下,污染严重,不能适应新施工技术的要求,施工企业一直在大量进口该类设备。加大开发适合我国国情的新型基础工程施工钻机的力度,满足市场急需,替代进口,是该类设备制造业的首要任务。1.3设计产品所解决的问题和应用领域本设计产品所解决的问题GCPS-20型工程钻机是集回转、冲击钻进工艺于一体的多功能复合型钻机,适用于基础工程和连续墙以及水利工程、钻凿高层建筑、桥梁、港口基础桩孔的钻进,也用于大口径水井及其他工程孔的钻,主要用于第四世纪地层及其卵石、灰岩、花岗岩、漂石层等硬岩地层。主要应用于建筑工程、水利工程、桥梁工程、矿井钻进等领域。2钻机的总体设计2.1主要性能特点GCPS-20型工程钻机的主要性能特点:(1)该钻机是集回转、冲击钻进工艺于一体的多功能复合型钻机,用转盘回转钻进时可用于第四世纪覆盖层,冲击钻进时可用于卵石、灰岩、花岗岩等硬岩地层;(2)该钻机转速范围广,有6档变速,适用于不同地层要求,利于提高钻进效率;(3)该钻机为机械传动,机械、液压操动,操作方便、可靠;(4)该钻机的最大钻孔直径为2000毫米;(5)该钻机的整套设备安装在滑撬式底座上,对孔就位方便,机动性强;(6)该钻机的液压操纵滑台平移让出孔口,孔口开阔,起下大直径钻具灵活、方太原工业学院毕业设计4便;(7)该钻机的主、付卷扬机均采用行星式卷扬机构,提生能力强,辅助水龙头后置悬挂装置,可实现塔上无人作业;(8)该钻机的钻塔上设有导向槽,有助于提高钻孔垂直度,降低超径系数。钻塔上有水龙头后置悬挂装置,主动钻杆不落地,减轻劳动强度,缩短辅助作业时间;(9)该钻机的钻进可采用加重块加压(根据不同地层选用);(10)该钻机的排渣方式为泵吸反循环,排屑效率高,减少孔底重复破碎,钻进速度快;(11)该钻机的动力为电机;(12)该钻机的整机尺寸设计合理,便于汽车运输及安装;(13)该钻机经济耐用、性能可靠。2.2总体布局设计该钻机由底座、传动装置、减速器(变速箱)、主副卷扬机、冲击卷扬机、转盘、钻塔、气动系统、电气系统、工具系统组成6。2.2.1传动系统电机的动力经皮带传至变速器,变速器为一进三出结构,一路输出经齿轮传至主副卷扬机;一路输出至减速器,经由万向轴传至转盘,供回转钻进;一路输出经链轮传动冲击卷扬机,供冲击提升。2.2.2气动系统空压机输出压力气,由空气包至气控箱,分两路经操纵阀控制,传至冲击卷扬机两只气胎离合器,完成冲击提升及降落。2.2.3电气系统控制电机启动及关闭,为气动系统提供电源控制,为操纵箱提供控制系统。2.2.4工具系统游动滑车、水龙头、主动钻杆、孔内钻杆、加重块、刮刀钻头、垫叉组成回转钻进工具系统。游动滑车、水龙头、孔内钻杆、冲击排渣管、冲击钻头、孔口导向工具、垫叉组成冲击钻进工具系统。2.2.5各部件的作用1.转盘转盘用于驱动主动钻杆及钻具回转,转盘系一级圆锥齿轮传动构,通过太原工业学院毕业设计5大锥齿、转台、大、小补心驱动钻杆工作。2.减速器减速器是进一步降低转速、提高扭矩而设计的,有两档变速,由双联滑动齿轮实行。3.变速箱变速箱为二轴一级变速箱,有三挡变速,由单、双联齿轮滑移实现变速。变速箱内有正、反转装置,由双向牙嵌离合器实现,单向牙嵌离合器实现卷扬机离合。4.主、副卷扬机主、副卷扬机均为行星式卷扬机,靠制动行星轮来实现钻具的提升。5.底座底座由滑台、下座、油缸、孔口板组成,转盘、卷扬机组固定于滑台上,钻塔固定于下座上,油缸一端固定于滑台,另一端与孔口板相联,油缸用于滑台的后移和孔口板开合。6.钻塔钻塔用于悬挂游动滑车、水龙头和提升器等提升设备,结构形式为“n”型,钻塔内设有导向槽和主动钻杆后置悬挂装置。导向槽用于水龙头导向,悬挂装置用于换接钻杆时主动钻杆不落地。钻塔起落由油缸完成。2.3主要参数的选取1.冲击卷扬机提升能力(KN)60提升速度(m/s)0.4.050.62.冲击行程(m)0.543.冲击次数(1/min)6144.冲锤质量(kg)300050005.主、副卷扬机提升能力(单绳KN)30卷绳速度(m)0.45,0.68,1.13,1.690.31,0.46,0.77,1.156.转盘转速(r/min)13,17,21,26,42,527.主机动力型号(功率)YD280S55KW(1480r/min)8.钻塔额定负载(KN)1809.空压机型号(排量,压力)UB300500太原工业学院毕业设计61N(3.553m/min,0.8MP)10.配备砂石泵型号(型号)6BS(1803m/h)或8BS(3403m/h)11.外型尺寸(长X宽X高m)10X2.4X1.712.重量主机重量(t)10.4全套设备总重(t)283动力机确定3.1按钻头钻进所需功率计算设动力机实际输出功率为(3.1)式中:钻机所需功率KW(3.2)式中回转钻进所需功率(KW)效率=0.8油泵所需功率(KW)(3.3)式中井底破碎岩石、土层所需功率(KW)钻头与孔底摩擦所需功率(KW)回转钻杆所需功率(KW)1.的计算341/3060000NmnhA(3.4)其中:m-钻头切削刀数取m=4n-转盘转数钻进时minn=26r/minh-转进速度试取h=0.8cm/min-岩石抗压强度其值见表3.10NyhjNNNjNhNyN321hNNNN2N3N321hNNNNj02.1NN太原工业学院毕业设计7A-井底破碎环状面积2222()/4(1000)/47850ADdcm2.2N=fen(R+r)/1944800(3.5)式中:f-钻具与岩石之间的摩擦系数f=0.5e-侧摩擦系数e=1.1R-钻头外圆半径R=200cmr-钻头内孔半径r=0cm3.1121.737.810NLdn(当nS,该轴H截面是安全的。66350101.391.9974.391000.920.64S13655955020212.70220.2810mapTMPaW1mSK666200105.761.6112.7100.2112700100.920.64S22221.395.761.351.395.76SSSSS太原工业学院毕业设计28钻机的装配图示意图如下图图4.3图4.3钻机装配示意图5带轮选择轴转速793.8r/min,电机转速1480r/min,每天工作16小时以上,动P=55KW.其工作原理图如下图5.1图5.1带轮的工作原理图大轮直径(从动轮)小轮直径(主动轮)带轮中心距太原工业学院毕业设计291.设计功率(5.1)查:工况系数Ak=1.6dp=1.655=88KW2.选定带型根据dp=88KW1n=1480r/min确定带型为C型dd=200315mm3.传动比4.小带轮直径1dd=355mm大带轮直径2dd=355i=661.88mm取2dd=630mm位置关系见图5.15.轴的实际转速由公式则6.带速(5.2)由上公式得:7.初定轴间距01500amm8.所需基准长度(5.3)1480/min1.86793.8ri1212(1)ddndnd2(10.01)1480355825.6min630nr11601000ddnV355148027.5601000Vms20dddd0da4d-ddd2a212210L动pkpdA太原工业学院毕业设计30由式(5.3)得查取4500dLmm9.实际轴间距取a=1467.3mm10.小带轮包角11.单根V带基本额定功率由1dd=200mm和1n=1480r/min查得C型带1p=14012KW考虑传动比的影响,额定功率的增量11.14PKW。12.V带的根数(5.4)ak小带轮包角修正系数ak=0.96lk带长修正系数lk=1.04由上式取Z=6根13.单根V带预紧力(5.5)m带的每米质量m=0.31.kgm023.1427.521500(630355)2410004565.4dLmm0045004565.415001467.322ddLLaammodd126.1693.57ad-d-180a12o()dalpZppkk88Z=5.78(14.121.14)0.961.04202.5500(1)dapFmvKZV太原工业学院毕业设计31由上式计算6转盘的计算6.1转盘输出转速转盘输出转速(r/min):13、17、21、26、42、52输入转盘转速(r/min):65、85、105、130、210、260转盘用于驱动主动钻杆及钻具回转,转盘系一级圆锥齿轮传动机构,通过大锥齿、转台、大、小补心驱动钻杆工作。6.2大、小锥齿轮计算6.2.1初步计算(1)按齿面接触强度计算由设计公式(6.1)式中:载荷系数K=1.5齿数比u5转矩:估算时的齿轮许用接触应力估算结果(2)按齿根抗弯强度计算202.588500(1)0.327.50.96627.5654.65FN1311951eHPKTdu195509550558080.7765PTNmn22lim1300/1182/1.1HHPHNmmNmmS3121.58080.771951234.4451182edmm太原工业学院毕业设计32由公式(6.2)式中K载荷系数取K=1.5FSY复合齿形系数取FSY=4.61Z小齿轮齿数1Z=18FP齿轮许用弯曲应力(6.3)式中FE抗弯强度FE=6002/NmmFS抗弯强度的安全系数FS=1.8计算取em=16mm(3)齿轮齿数取1Z=186.2.3几何计算(
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