《水下注浆工艺模型总体设计》13000字（论文）

水下注浆工艺模型总体设计摘要水下注浆工艺是一项实用意义十分重大的工程应用技术，在矿山开矿、透水封堵水口、海底隧道施工、地下透水事故救援、跨海大桥建设等方面有着重大价值。在矿山开矿过程中，有时会遇到地下水层，而在不慎打通地下水层之后，若单位时间内出水量过大并且排水泵出现故障的情况下容易发生透水事故，而在发生透水事故时，应在尽快排水的同时第一时间对地下的出水口进行混凝土灌浆封堵，尽可能减小地下水层的出水量，从而在最大程度上避免可能出现的人员伤亡与财产损失。另一方面，在海/河底隧道以及跨海大桥的建设中，地基建设是一个绕不过去的坎。一次成型并且稳固的水下注浆地基就成了一个相当不错的替代选项，该项目的优点有：一次成型，再出现施工失误时可以补救；运料方便，不需要大规模其他技术配合；对地形的要求没有直接进行地桩安放那么大，另外在引入计算机进行实时监控的情况下，出现施工失误的情况会更为微小。关键词：水下注浆工艺；混凝土灌浆；地基建设；目录摘要 I第一章概述 11.1水下注浆工艺的研究现状 11.2设计目标 3第二章龙门架 42.1龙门架结构 52.2龙门架传动 62.3龙门架电机选型 6第三章旋转喷浆机构 83.1固定件 93.2刀片环 93.3轴系的设计以及装配 103.4总体设计 14第四章浆泵系统 194.1水泥泵的选型 194.2浆泵系统总体设计 20第五章水下注浆工艺模型总体设计 21结束语 23参考文献 23第一章概述水下注浆工艺，在包括矿山开矿、抢险救援、地质勘探、水下地基施工还有水坝工程中，都有着非常重要的作用。而这项技术的开发与应用将为之后的类似工程提出更为简洁的施工方案，同时也在结构、材料、控制、编程等方面也为下一代系统提出了更加严苛的要求，为下一代更先进更可靠的系统打下了坚实的基础。毕竟在很多项目最开始的时候，原型机一般都十分简陋，而在测试及使用过程中暴露出的诸多问题，也会为下一代系统的更新规避可能的雷区与弯路。水下注浆工艺从一开始就不止这六个字所代表的意思，它们代表着稳定的结构设计、较高的效率、较低的故障率、可靠的控制系统以及为封堵可能出现的孔洞所需要的较高的精准度和可靠、便于快速凝结的混凝土这些关键要求。其中抛开最后一点有关封堵孔洞的材料方面的问题不谈，在前几个方面的结构设计以及编程要求上，国内外的相关资料都表明目前没有直接完成的所谓水下注浆工艺装置，因此，这项研究从一开始就有着广袤的市场以及广大的发展前景：一方面，在陆地/海洋的矿山/石油开采作业中，对地下矿脉、海底石油储量的勘测及开采中时常会出现钻头打到类似高压气田、地下水脉等意外情况以及打到高压油田等会出现类似井喷、地下水倒灌矿洞等极为危险的情况，这点在以王进喜为原型的电视剧中也有体现，其中，前者极有可能造成大面积的严重污染（尤其是海上钻井平台），而后者在非露天矿场的开采中轻则造成矿山企业停工、采矿设备因进水报废而造成的天文数字般的经济损失，重则因为地下水倒灌矿洞造成大量人员被困的极为恶性的矿山安全事故，严重的甚至会出现极为惨痛的人员伤亡与财产损失，譬如智利的铜矿透水事故以及我国前几年煤炭行业发生的特大透水事故，两者都造成了大量人员被困甚至有生命危险的严重后果，其中智利甚至做出了永久关闭圣何塞铜矿的决策。而当这种情况出现时，最有效的也是最直接的措施就是对位于破口处进行快速封堵以达到减小进水量乃至完全封堵入水口的目的，为更多井下人员逃生争取时间的同时为接下来的救援以及对井下的清理、复工打下基础。另一方面，在跨河/海大桥、海底隧道施工等方面，这项技术依旧有着广袤的应用价值以及开阔的市场前景。跨海大桥的桥墩施工在平常都是在陆上完成浇筑之后通过驳船进行运输，这就造成了可能的航运拥堵以及成功率问题：前者的运输船排水量以及数量必不可少，而后者则是对装卸机械以及人员熟练度提出了极高的要求，因为在复杂的水文条件下完成地基的安装已经是一项极高难度的挑战了，更不要说在首次安装失败后将已经沉入水底的地基再次捞出。这对于需要效率的建筑部门来说简直就是灾难。因此，在这种较高难度的施工条件下，完成对水下注浆工艺的研究对于施工方来说显得极为重要：毕竟没有人会拒绝一个有着较高容错率、有着较低的建设成本和较高精准度的工艺产品来对抗变化莫测的天气以及复杂的水文情况（这点在跨海工程上尤其重要），从而完成预定工期吧。1.1水下注浆工艺的研究现状目前来看，无论国内外，都没有出现直接完成水下注浆工艺的设计成果，而在目的设计方向上与该工艺所要求的结果相近的，则是在北京市密云水库进行水下岩石层爆破时所采用的技术以及工程解决方案，这个方案为了保证有良好的施工环境，保证山体结构不会出现较为严重的改变从而造成严重后果，在诸多设计中选择了使用军用舟桥作为承载结构，在舟桥上完成钻机的组装以及施工准备，而由图1可知，军用舟桥的承载力，动力和两舟桥之间保持的距离，使得该机械系统可以在任何方向移动，并且完成在任何位置上进行施工并保证施工完成的要求，另外，该方案在打孔的同时需要对大打完的孔进行灌浆以维持孔洞周围的岩石受力结构的稳定，因此在打孔基础上加入了灌浆装置，并且由于是冬季施工，因此在混凝土喷射口上加装了搅拌装置保证混凝土尽快完成凝固以减少岩石受力结构变化的可能性，加固岩石。尽管该机械系统是在军用舟桥上完成了设计以及使用，并且并没有完成电气化、智能化操作在精准度上并不能达到真正意义上的，较低误差，然而这是我能找到的最接近水下注浆工艺这一命题的施工方案，所以我认为在我的毕业设计中该方案有着较高的参考价值。图1水上平台上注浆孔位平面布置图在确定了设计方向后，就需要找出具体的设计方案，在没有真正意义上的工程方案以供参考的情况下，只能通过结构、目的较近的方案以作为参考并完成结构设计参考与可能的工作模拟，在这里我找到了类似的工业机器人系统和其基本的设计作为接下来进行毕设结构设计的具体参考，现将其具体的结构与工作原理摘录如下：龙门架式焊接机器人系统构成如图2所示，其中，焊接机器人7是六自由度工业焊接机器人，焊接精度高，但工艺范围小，适合高精度焊接的小工艺范围；底座1、龙门架3、伺服电动机4与5、传动支承6等组成一个用于将焊接机器人移至特定工作区域的二维XY工作台。在实际操作中，一是根据焊接工件的不同特点，结合焊接机器人7的工艺范围，将整个工件分成不同的焊接子区；接着，龙门架二维工作台将焊接机器人7按照一定的程序转移到各个焊接子区域。焊接机器人7在每个焊接子区域内按焊接要求焊接，每个子区域焊接完毕，整个工件即焊接完毕。工作台由底座1、伺服电动机4与5、减速机、龙门架3、传动支承6等组成，如图1所示。X方向伺服电动机4经过减速机和X方向齿轮齿条驱动龙门架3在底座1上沿X方向运动;Y方向伺服电动机经过减速机和Y方向齿轮齿条2驱动焊接机器人7在龙门架3上沿Y方向运动，保证焊接机器人7初始焊接位置的精确定位。为避免焊接机器人7与其他焊接专机发生运动干涉，龙门架3横梁设计得比较宽。两个方向均采用滑动导轨作为支承。部件选型如下。1)齿轮齿条传动副:选用德国亚特兰大型直齿齿轮齿条，其中X轴齿轮节圆半径为98.7mm，模数为3，允许扭矩为367.4N·m，大于实际所需扭矩306.2N·m(由X轴载荷、X轴节圆半径、X轴加速度、载荷系数、运行时间系数及安全系数计算得来)，传动副行程为6000mm;Y轴齿轮节圆半径为70.03mm，模数为3，允许扭矩为34.9N·m，大于实际所需扭矩20.64N·m(计算方法同X轴)，传动副行程为4000mm。2)伺服系统:选用欧姆龙公司的OMNUCG系列高性能伺服系统，其中，X轴采用R88M-G2K020H-Z型2kW伺服电动机，其额定转矩为9.54N·m，径向负载为490N，轴向负载为196N，额定转速为2000r/min，电子齿轮比可调，所选伺服驱动器型号为R88DGT20H-Z。Y轴为R88M-G1K020H-Z型1kW伺服电动机，其额定转矩为3.18N·m，径向负载为392N，轴向负载为147N，额定转速为2000r/min，电子齿轮比可调;伺服驱动器型号为R88D-GT15H-Z。3)减速机:由齿轮节圆半径、模数和工作速度可以计算出X轴减速机输出转速≤48.4r/min，Y轴减速机输出转速为68.2r/min;而X、Y轴伺服电动机4与5的转速均为2000r/min，这就是两减速机输入转速，于是可计算出X轴和Y轴减速机减速比分别为41.3∶1和29.3∶1。参考亚特兰大减速箱手册，并考虑载荷，最终选择减速比分别为39和29的高扭矩蜗轮蜗杆减速箱。图2龙门架式焊接机器人1.2设计目标由以上的叙述可知，通过参考较为接近的工程设计理念与机械结构，在接下来的设计与仿真过程中，该系统为我们提出了以下的要求：精准度要求。在由透水事故引发的矿难和地壳出现裂口而引发的原油泄漏中，最重要的是在确定漏水/油口之后，立即完成封堵工作，因此，在该设计中，精准度要求必须得到满足，这是对自身结构的要求，更是对质量的要求。可靠度要求。在（1）中已经明确写出了该系统的工作环境，即井下可能的粉尘、潮湿、腐蚀等恶劣陆上环境以及潮湿、锈蚀等恶劣海上工作环境。同时，由于风力、海浪等气象因素与洋流等水文因素的影响，在后期还需要加入抗干扰系统以避免可能出现的灌浆点偏离等失控情况，在这里由于是在实验室条件下进行测试，故对抗干扰系统的设计暂不进行开发，只对模拟条件下的工作环境进行相应的设计开发。简洁性要求。无论是在封堵漏水/油口以及正常的进行地基浇筑的工作过程中，都会不可避免的会出现糟糕的环境影响机械的工作效率的情况，因此，在结构上，简洁的机械构造势必会成为保养工人的福音，不论是日常的保养还是故障的维修。因为在恶劣的工作环境下，越是精密复杂的机械，出问题的概率也就越大，这点在德国曾经设计的虎式坦克上可见一斑，因此在优秀的性能之外还需要的就是尽量简单的机构，在保证性能的同时减少故障率。而在机械结构之外，驱动机械的代码界面以及执行过程同样需要尽可能简洁，这样既保证了整个系统的简洁性，也为工作人员们的工作节省宝贵的时间，尤其是在抢修透水/漏油事故的时候，在那种争分夺秒的时候，傻瓜式的自动确认零点、坐标实时显示、必要时可手动接入的系统以及简洁明了的注浆操作手册与看似精密实则缺乏效率的坐标矫正、零点确认、计算并通过弹窗输入坐标的复杂的操作手册和检修说明，那个更受欢迎不言而喻，毕竟这不是精密机床，不需要过于复杂的操作方式。第二章龙门架龙门架是根据中小型工厂(公司)日常生产所需的搬运设备、仓库进出货物、起吊维修重型设备和物资运输的需要而研制的一种新型小型起重龙门架。适用于制造模具，汽修工厂，矿山，土建施工现场，以及起重所需的场合。常见的在建筑施工中兼作物料运输和施工人员上下使用，实现起重机械化作业。能够减少人力，生产经营成本降低，工作效率提高。移动式龙门架最大的优点是具有全方位的机动性，可以快速拆卸安装，占地面积小，可以转移到另一块场地上，用微型轿车安装使用。宽度和高度可分级调节，钢结构设计合理，可承受100~5000kg的重量。特别适合车间设备的安装，搬运，调试。车内货物的装卸、汽修车间发动机大件的起吊等。在这里选择龙门架的原因是，水下注浆工艺模型并不是成品，在这里需要的也仅仅是一个模型，考虑到在这个整体设计中旋转喷浆系统模型的重量并不会过高，不需要龙门吊式的较大的载重要求，而且在生产实习车间中可供搭设实验实体模型的实验场地空间并不算过于宽裕，以及必须考虑到的经济效益和传感器的安装、龙门架驱动电机电压控制要求和最终毕设所需要的系统应该达成的设计目标和成果，最终在各个不同的包括塔吊式、龙门架式在内的支架机构设计中选择了龙门架式承重装置，在该项目中，龙门架的优势之处在于有成熟的设计思路、便于拆卸，占地面积小，在生产车间的架设过程中十分的节省材料和空间。采用龙门架式承重结构，不仅在整个生产实习车间中为其他的研究项目节省了宝贵的空间，更是节省了宝贵的毕设经费与时间，为接下来的其他设计尤其是旋转喷浆结构的设计、零件订购生产以及组装节省了宝贵的时间以及经费，使得设计更加简洁方便快捷。因此，在该项目中，最终的毕设的承重结构和基础结构选择了龙门架式结构，为接下来的旋转喷浆机构的设计组合以及最终完成毕设系统部分的组合奠定下了坚实的基础。通过第一章对水下注浆工艺模型应用前景以及市场前景的概述、对水下注浆工艺模型具体需要实现的功能进行确定以及通过对类似的工程项目的设计思路和对实现类似功能的机械系统的结构进行设计参考之后，以需要实现的目标为重点，以之前龙门焊接机器人的结构作为参考，做出了设计，具体设计如下：2.1龙门架结构在之前的对毕设的概述、对毕设中水下注浆工艺模型将要实现的功能以及为实现功能而进行的参考其他工程项目和设计理念的具体结构设计分析中，我们不难得出以下对龙门架的要求：该实验装置需要满足可以在三维空间内任意一点进行定位和完成工作的能力，该能力在之前的军用舟桥以及焊接机器人上可以得到部分的体现，即两个不同的工程/机械系统可以在平面二维空间内快速移动并完成确定点的位置，然后在那个确定的点上完成具体的水下注浆/焊接工作。这点在现在的水下注浆工艺模型设计工程中尤其重要，可以作为主要的参考对象予以借鉴。在完成定位的同时，由于需要对水下进行注浆，因此机构需要进行在工作面上的竖直方向的移动以保证注浆状态下的混凝土有较为平衡的厚度，避免出现某处厚薄不均造成安全隐患的情况出现。因为需要在施工过程中进行来回喷射以增加混凝土厚度并保证各个位置有相同的厚度，以完成预定的施工目标，如在打出的孔壁上喷速凝水泥封堵孔洞，以及海底隧道、跨海大桥施工时进行地基建设以及打桩固定。因此该机构需要在工作面上作竖直移动以保证注浆质量。由以上分析可知，我们需要的是一个可以在三维平面内任意移动的点，同时考虑到这个装置是用作实验，不需要进行过大的设计安排。因此在之前焊接机器人的设计基础上，对其进行二次设计：原焊接机器人的龙门架设计是X-Y平面运动，而本项目的龙门架系统需要在X-Y-Z轴上完成运动，因此在最终完成的项目中，在之前的设计上加入了Z轴的控制系统。因此完成的就是如图所示的X-Y-Z轴系统。图3龙门架2.2龙门架传动在这里需要对X、Y、Z轴上移动导轨的运动方式加以讨论。目前广泛运用在龙门架导轨上的传动形式为同步齿形带，因此在本课题中依旧使用该传动方式。图4同步齿形带图5T型同步齿形带轮齿型尺寸2.3龙门架电机选型在说完具体的龙门架结构与龙门架传动方式之后，需要讨论的就是作为传动核心的伺服电机。伺服电机(Servomotor)是指控制伺服系统中机械部件运转的发动机，是对马达间接变速装置的一种补贴。伺服马达能控制速度，位置精确度很高，能将电压讯号转换为力矩及转速，带动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，作为执行元件使用，且具有机电时间常数小、线性度高等特点，可以将接收到的电信号转换成角位移或角速度输出在电机轴上。它分为两大类：直流和交流伺服电动机，其主要特点是信号电压为零时不会出现自转的现象，并且随着转矩的增大，转速会匀速下降。各型号伺服电机的规格项中都有额定转矩、最大转矩和伺服电机惯量等参数，每一参数与负载转矩和负载惯量之间必然存在着相关的联系，选择伺服电机的输出转矩应满足加速的快慢、机构的重量等负载机构的运动条件要求；机构运动方式(横向、纵向转动)等；运动状况与伺服马达的输出功率没有直接关系，但一般情况下，输出功率越大的伺服马达，其相对输出扭矩也会越高。因此，影响伺服电机的选择因素的不仅仅是电机和执行机构的质量大小，而且在执行机构的运动状态发生改变时，伺服电机的选择同样也需要发生变化。惯量越大，加速减速转矩就需要越大；加速减速时间越短，伺服电机输出转矩也需要越大。选择伺服电机时，应该要注意以下的注意方向，并通过合适的公式及计算选择出恰当的伺服电机，如果计算结果不满意，则需要重新进行计算。(1)在选择伺服电机之前要确认执行机构的运动要求并根据要求选准大致的伺服电机范围，具体的条件有需要满足的最大加速度，最大运动速度，执行机构本身的质量大小以及执行机构本身的运动方式等，这些是讨论伺服电机选择范围的先决条件。(2)在(1)中已经讨论并明确执行机构的运动方式的情况下，对负载惯量的计算公式的选择并对不同的肯恶搞的伺服电机的执行机构的负载惯量加以计算，以确定伺服电机范围。(3)通过计算出的负载惯量，与伺服电机的惯量进行对比，以确认伺服电机可能的选型范围。(4)通过查询得到的伺服电机的惯量以及执行机构的负载惯量，对伺服电机的加速转矩和减速转矩进行计算。(5)执行机构本身的负载转矩的影响因素是执行机构本身的重量，执行机构的配置方式，摩擦系数以及保持转矩。(6)在确定范围时，要求伺服电机的最大输出转矩必须高于负载转矩与加速转矩的和，如果不符合这一要求，则必须要重新对伺服电机的选型进行讨论直到出现符合这一要求的伺服电机为止。(7)连续瞬时转矩的计算条件为之前计算出的负载转矩、加/减速转矩和负载转矩。(8)在讨论伺服电机的选型范围时，必须满足的条件为在(7)中计算出的连续瞬时转矩小于伺服电机的额定转矩，如果该条件不满足，则淘汰该电机，进行下一个最大输出转矩满足条件的伺服电机的讨论比较，直到出现满足条件的伺服电机为止。(9)在(6)(8)均满足的情况下，对电机的额定功率进行讨论，最终完成伺服电机的选定。图6部分伺服电机的技术规格由于在这里是做一个水下注浆工艺模型实验装置，并不需要在工地完成具体的注浆工作。因此电机的功率不需要太大即可完成定型。在这里进行电机的选型计算：加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出：Tm:加到电机轴上的负载力矩(Nm)F:沿坐标轴移动一个部件(工作台或刀架)所需的力(kgf)L:电机转一转的移动距离Tf:摩擦力矩=2Nm通过计算可知，Tm=2.87（Nm）通过计算可知，J=0.0000198(kgf.cm.s^2)<0.0000239(kgf.cm.s^2)因此在充分考虑额定功率、力矩以及负载惯量之后，选用YK-80ST-M02430这一伺服电机即可完成对于龙门架的具体驱动工作。图7部分伺服电机第三章旋转喷浆机构这一部分是该毕设的一个重点项目。如果说之前的龙门架设计是为了整个系统做基础，那么这个旋转喷浆机构就是该毕设的核心项目。在讨论该机构的构成时，需要注意该项目需要完成的目标。这些目标分别是：需要将速凝水泥导入到所需要的位置。这需要的不仅是一个可靠的水泥泵以泵送水泥，还需要是一根足够长、足够坚固的空心钢管，另外考虑到与水源接触，长期暴露在潮湿环境下，还需要对作为泵送水泥的钢管做可能的防锈处理以免出现故障。速凝要求。在这里除了对水泥自身的要求之外，还需要的是对已经被泵送到指定位置的水泥进行快速搅拌以达到使水泥摊到较薄的状态，从而达到快速凝固的要求。因此在（1）的条件下还需要设计一套搅拌装置以达到以上目的。传动要求。在（2）中已经提出，需要设计一套传动装置以满足设计要求。在定型电动机的同时，还需要考虑的是传动方式。在考虑到包括经济性、实用性和可能的失效形式后，需要对以下的传动方式进行讨论和选择：蜗杆传动、齿轮传动、皮带传动、链条传动等。通过以上的要求不难看出，在这里需要设计一个将水泥泵送到指定位置的机构的同时还要满足对水泥进行搅拌以快速成型的旋转机构。很明显，在这里直接在作为水泥导管的钢管上设计一套旋转机构并不现实，因此需要在导管上设计一套拥有内外两层钢管的轴系作为传动装置的核心机构，并且为其做好密封以防止水泥倒灌入轴承和两钢管之间以造成卡顿的故障可能性，同时也要注意该机构的易于维护性以避免过于复杂的维护造成不必要的麻烦。3.1固定件这一零件是在Z轴上的固定件，在起到需要将旋转机构和驱动这一旋转机构的电机固定在Z轴上，随着Z轴进行上下移动的固定作用的同时完成部分对电动机和轴系的保护作用，该零件使用螺栓固定，同时使用螺栓固定在其上的电机和轴系。图8固定件三维设计图图9固定件设计图3.2刀片环在这里设计刀片环的作用是为水泥浆提供一个搅拌零件，通过电机的工作带动轴系的运动以完成旋转运动，其中完成固定的是螺栓，并且在连接处进行密封以保证轴系上的轴承和两钢管之间的空隙不被水泥倒灌已造成轴系卡死、传动失效甚至损坏电机的事故。图10刀片环三维设计图11刀片环设计3.3轴系的设计以及装配在轴系的设计中，需要注意的是，我们不仅仅要考虑到轴系的装配，还要考虑到电动机以及轴系之间的传动方式，并且要注意的是，在这个轴系的设计中，引入了法兰连接，而这里引入法兰连接的目的是在固定保护管内水泥泵送管的同时，在出现刀片环的密封失效的情况下对下半部分的轴系进行快速的拆卸以及清理更换，使得该机构在防止保护管与水泥泵送管出现磕碰减少使用寿命的同时，使装置便于维修保养，减少维修工作的繁琐程度。以下是具体的零件：水泥输入管。该装置与浆泵系统通过一个连接弯头连接以完成对水泥的泵送。连接弯头。外置保护管。管接法兰（连接法兰）。密封件。轴承。从动轮轴上端。这里的轴上端设计目的是在保护内部注入水泥管道的情况下，连接轴承、从动链轮及整个轴系，完成搅拌机构的运转。刀片环。图12连接弯头三维设计图图13连接弯头设计图图14轴上端三维设计图图15轴上端设计图图16连接法兰三维设计图图17连接法兰设计图图18轴系装配三维图图19轴系装配设计图通过所有轴系零件的设计以及组合，在这里完成了对轴系全部图纸的设计绘图和三维建模，并在Solidworks中进行组合，以达到设计中的保护水泥泵送管、搅拌水泥和便于进行机构维修及维护的轴系设计目标。3.4总体设计在总体上设计时，需要使用轴承固定轴系的同时还需要考虑两个问题：第一个问题是电动机的选型问题，第二个是电动机与轴系的传动方式。对电机轴上的负载力矩的计算参考龙门架电机的选型计算，计算公式如下：通过计算可知，Tm=2.36（Nm）通过计算可知，J=0.00001768(kgf.cm.s^2)<0.0000239(kgf.cm.s^2)因此在充分考虑额定功率、力矩以及负载惯量之后，选用YK-80ST-M02430这一伺服电机即可完成对该轴系的具体驱动工作。具体的伺服电机工作参数可以参考图6中的电机参数。在电动机与轴系之间的传动方面，有以下的几种传动方式：蜗杆传动：尽管该传动方式的机构十分紧凑，体积小，重量轻，并且传动过程中的噪音较小，但是该传动方式的成本过高，并且容易发热，可能导致加快传动失效的进度，因此不予选择。齿轮传动：该传动方式的精度、效率较高，可以用作减速器，且工作效率高，使用寿命较长，但是在水下注浆工艺的使用环境中不可避免地出现了较高的成本以及维护费用，还有对于工作环境的严苛要求以及对于振动的敏感性也使得该传动方式在该项目的工作中显得不是那么可靠，在潮湿/粉尘环境中也有因胶合而导致传动失效的可能，因此该传动方式也不予选择。皮带传动：皮带传动结构简单，制造成本低，安装维护方便。富于弹性，可以缓和冲击和振动，因此运转平稳，工作时噪声较低。传动外廓尺寸大，紧凑性差。故传动比不准确。效率和耐久性低。由于在之前的固定件和轴系的设计中已经明确了传动机构的设计不可能有较大的空间，并且由于在进行水泥搅拌的过程中会出现较大的阻力，因此在该工艺的实际运用中会增大皮带的磨损以及发热问题。另外，由于皮带的寿命较短，而水下注浆是一项长期工程，因此在使用中会增加大量的磨损、润滑，因此会导致增加成本问题，由上可知，该传动方式也不可能在考虑范围之内。链传动：在链传动中，由于链条与齿轮进行啮合，因此不会像皮带传动一样，出现弹性滑动和可能的打滑现象使得传动失效，并且由于是链条为传动媒介，因此链传动的传动效率相当的高，并且在这里是用于在固定件的狭小范围内，而他的传动尺寸小的特点也正好满足。最重要的是，在水下注浆工艺模型的工作环境中总是会有包括潮湿以及扬沙的糟糕工作环境，而在这里的链条传动正好对这类环境有着极高的适应性。在该系统中，传动尺寸由于固定件的限制不可能过大，并且所需张紧力小，可以保护轴与钢管不会出现过早的金属疲劳现象延长使用寿命，最重要的是能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作，这恰恰满足了水下注浆工艺需要在矿山以及海洋、河流等地方进行工作的要求，因此在这里的传动方式选择就是链传动。链传动计算：i=Z2(从动轮直径)/Z1(主动轮直径)=1计算从动转速：n2=n1/i=3000r/min传动比=使用扭矩÷9550÷电机功率×电机功率输入转数÷使用系数传动比=主动轮转速除以从动轮转速的值=它们分度圆直径比值的倒数。即：i=n1/n2=D2/D1通过在完成了的固定件以及轴系在装配时还需要装配轴承进行固定，对于轴承的计算以及选型的讨论，结果如下：轴承如何正确选择？在选择轴承的时候，要根据几个重要参数：轴承的负荷，轴承的转速，调心的要求，空间的允许，安装和拆卸轴承，公差等级，价格方面等来进行选择。轴承的精度，噪音等都与机械的使用和寿命有着直接的关系。一般来说，轴承的选择需要从以下几个方面入手：1、在讨论轴承工作条件之后，确认轴承的基本类型，游隙以及轴承的公差等级，这里讨论的轴承工作条件包括轴承的种类，轴的转速，轴承的润滑方式，同轴度要求，定位或非定位，轴承的安装维护，工作环境等2、在分析轴承工作环境和轴承的受力状况之后，通过载荷等关键值的计算确定轴承的选型，或者通过确认轴承型号的选型并通过轴承的校核来对选择的轴承是否满足轴承工作环境的要求进行讨论并加以确定。3、通过验算轴承的额定载荷和极限转速对轴承是否适配轴系进行验算。圆锥滚子轴承主要承受直径和轴向的联合载荷，以径向为主。轴承的承重能力要看外圈的滚道角度，越大的角度承重越大。该类轴承属于分离型轴承，按轴承中滚动体的列数分为圆锥滚子轴承的单、双、四列。单列锥形滚子轴承在安装时需要用户自行调节游隙；双、四列锥形滚子轴承产品出厂时已按用户要求给定游隙，不需用户自行调节。圆锥滚子轴承内圈和外圈滚道均为圆锥形，圆锥滚子在两者之间排列。所有圆锥表面的投射线都聚集在轴承轴心的同一点上。这样的设计使得锥形滚子轴承尤其适用于复合(径向和轴向)负荷的承受。轴承的轴向负荷能力多由接触角α值的大小所决定；α角越大，轴荷容量越高。角度大小以计算系数E表示；E值越大，接触角度越大，承受轴向负荷的轴承的适用性也就越大。允许误差当量动载荷P=Fr[KN]当Fa/Fr≤e时P=0.4Fr+YFa[KN]当Fa/Fr＞e时单列圆锥滚子轴承成对使用时(基本外形尺寸可有差异)，必须在计算轴承当量动载荷时，将轴向力附加到径向载荷所致。单列圆锥滚子轴承的附加轴向力S可以近似地按下式计算：S=FR/2Y输出轴上轴承型号取GB╱T299-2008[双列圆锥滚子轴承352208]输出轴上轴承型号取GB╱T299-2008[双列圆锥滚子轴承352208]图20部分轴承参数dDB=408023对当量动载荷Pr=XFr+YFa当Fa/Fr<1.5tana时，X=1,Y=0当Fa/Fr>1.5tana时，X=0.4，Y=0.4cosaa是圆锥滚子的压力角这里需要注意的是在这里加了轴承固定件，以固定轴承和轴系避免打滑。一根轴需要两个支点，即支撑承重的两套滚动轴承。而轴承配置恰恰解决了轴承在支点上如何轴向固定轴系，轴承受热膨胀后如何避免卡死的难题。滚动轴承固定方式：1.两端固定支承(单向固定双支点)。这样的配置形式就是让每个支点在一个方向上固定轴系。对于深沟球轴承还应留出轴承外圈与轴承盖之间的轴向间隙c，取c=0.2~0.4mm，以补偿受热伸长的轴。对于角接触轴承来说，热补偿间隙是以轴承内部的游隙为保证的。2.一端固定一端游动支承(双向固定单支点)。对于固定支点，深沟球轴承可以在轴向力不大时使用，它的外圈左右两侧是固定的。当轴向力较小时，外圈可用弹力档圈固定。固定支点的内圈为了承受向右的轴向力，也必须做轴向固定。对于游动支点常用深沟球轴承，圆柱滚子轴承也可在径向力较大时使用。在选用深沟球轴承时，轴承的外圈与轴承盖之间留有很大的空隙，这样可以在热膨胀的情况下让轴自由伸长，但是它的内圈需要通过轴向的固定来防止轴承松动。设计时应注意，轴承的内外圈不应有多余或不足的轴向固定现象发生。3.两端游移支撑。当两个支点都设计为游动支承时，必须依靠其他措施来定位轴系部件的位置。例如：对于支承人字齿轮的轴系部件，可以通过人字齿轮的几何形状来确定其位置，此时必须设计两个支点作为游动支承，但与其啮合使用的人字齿轮所在的轴系部件必须固定在两端，这样才能使两个轴都在轴向上定位。这里使用的是两端固定式支承。轴承固定件以及安装完成的旋转喷浆机构的设计绘图与三维设计图如下：图21上轴承固定件三维图图22上轴承固定件设计图图23下轴承固定件三维图图24下轴承固定件三维图图25旋转喷浆系统三维图图26旋转喷浆系统设计图第四章浆泵系统浆泵系统在整个水下注浆工艺模型系统中负责存放水泥浆并且将水泥浆进行泵送，将水泥以较高的压力泵送至指定的位置，在此过程中，需要注意的是，由于水下注浆工艺模型需要在水下完成喷射水泥浆的工作，因此在喷射过程中需要注意来自水下的水压，在抵抗水压的同时需要将水泥浆喷出，因此这对于喷射水泥的水泥泵提出了较高的性能与功率要求。另外还需要注意的是，水泥浆的临时存储问题，在本系统中，由于是实验装置，不需要较大的水泥浆临时储藏与抗凝结方法，因此只需要在实验时完成水泥配置并放入水泥槽中即可。4.1水泥泵的选型在市面上常见的有卧式泥浆泵与立式泥浆泵两种规格的泥浆泵，而他们的使用方向，使用场合各不相同，在这里我选用了卧式的泥浆泵。立式泥浆泵的产品特点是占地面积小，可深入到液下(可定制加长轴渣浆泵)产品通过泵体、轴承座、立管、护板、护套等主要配件，由一根主轴将所有配件连接起来安装。卧式泥浆泵产品重要的一点是所有设备都采用机械密封或填料密封的形式同时安装在地面以上，过流配件主要有渣浆泵护套、叶轮、护板等，比较方便维修更换配件。同时重要的一点是耐磨性好，比立式泥浆泵的耐磨性要好。可以通过较大的颗粒浆体。这里需要注意的是在水泥浆中，往往会出现包括较大的砂石颗粒，会对泵的叶片造成磨损，并且由于设计时泵体就在地面，因此我选择了卧式泵。部分卧式/立式泥浆泵的参数如下图所示：图27部分卧式/立式泥浆泵的性能参数卧式泥浆泵的三维设计图如下：图28卧式泥浆泵三维设计图4.2浆泵系统总体设计在完成了卧式泥浆泵的选型之后，需要对浆泵系统进行总体设计，其中包括了从泵输出水泥浆的软管、向泵输入水泥浆的