回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 中文摘要與關鍵詞 摘 要 ： 本畢業(yè)論文在建立星型運動原理的基礎上，闡述了大直徑樁基礎 工程 施工中 成孔鉆具的總體設計 的內容 ，其主要內容包括 整體結構設計、傳動方案設計、沖擊功能 的實施方案、 氣舉排渣方案、 鉆具 主要零件的 材料選擇及熱處理 方式、傳動部分的齒輪設計 、小鉆具的設計以及傳動 軸的設計等幾個主要部分。 通過對行星輪傳動的研究，結合目前樁工基礎工程存在的問題，建立起了大直徑樁基礎工程成孔鉆具復合行星傳動的運動結構，設計出來的 鉆具 兼有沖擊鉆 具 和回旋鉆具 兩種成孔 鉆具 的優(yōu)點 ， 設計出來的鉆具結構 確保了鉆具沖擊和快速、及時排渣功能的實現(xiàn) 。 關鍵詞 ： 復合行星運動；整體結構； 氣舉反循環(huán)排渣 ；氣動驅動 回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 on of of in of of of to of to of of on of of so of of is on of s in of s by 旋沖擊鉆具星形運動結構設計 第一章 前言 目前，大口徑鉆孔灌注樁在重大基礎工程中得到了廣泛的應用。在現(xiàn)實生活中橋梁、港口、碼頭、水工和工民建筑物的建筑工程中，在 泛使用沖擊鉆和回旋鉆兩種基本鉆型。但是這兩種鉆具存以下缺點，主要是： 1、普通回旋成孔鉆，成孔穩(wěn)定，但成渣能力低，對不同工程地質條件適應性差，特別不適應膠結礫石地質和破巖成孔，地質適應范圍受限。 2、一般沖擊鉆雖然地質適應性好，破巖能力強，但大直徑成孔施工進度慢，震動大易致孔壁坍塌，同時大直徑的重型沖擊錘自旋性差，還易使成孔失圓。 3、大直徑的成孔設備研發(fā)需要創(chuàng)新思路，以及泥漿護壁正循環(huán)排渣方法施工。在鉆具方面還需要對刃具切削運動和機構繼續(xù)進行創(chuàng)新探索，因為使用常規(guī)鉆頭解決大直徑成孔需要，一般采取了開發(fā)大功率鉆機，尋求超硬刃具材料等辦法，而有逼向大功率配置和設備笨重的方向發(fā)展趨勢。這樣不僅固有的問題沒有解決，而且又更加大了施工設備投資，影響了工程建設效益。 4、沉井護壁非排水施工的設備缺乏。非排水沉井護壁施工可避免發(fā)生沉井偏位、滯留和井口沉陷以及下沉緩慢等諸多問題，還可解決如污水處理需要的大直徑曝氣井的同步施工問題。 隨著國內外樁基礎工 程機械的研究開發(fā)，為了適應各種工程地質條件施工，提高成孔施工效率，降低設備投入量和適應大直徑樁基成孔需要，目前在傳統(tǒng)的沖擊鉆和回旋鉆的基礎上，已生產出了如：重型沖擊鉆、連桿沖擊反循環(huán)鉆、套管鉆機、潛孔沖擊錘、潛水回旋鉆、回轉斗鉆、短螺旋鉆和擴底鉆頭等施工機械設備，大部分產品實現(xiàn)了反循環(huán)排渣，明顯地提高了成孔施工效率，一般巖層成孔直徑可達到 口設備成孔直徑已可達 6米。其中結構簡單的國產重型沖擊鉆成孔直徑也可達 是仍然避免不了上文提及的一些實際問題，如鉆具的使用壽命短，鉆具的成本高；有的 只是提高了成孔的效率，沒有結合工程實際解決鉆具實用性的要求。 最近，日本利根公司生產的 過理論分析鉆機能綜合實現(xiàn)回旋鉆具和沖擊鉆具的優(yōu)點，但實踐表明：這種鉆機在實際運用過程中只具回旋鉆的工作特點，不能實現(xiàn)沖擊鉆的沖擊功能，只能實現(xiàn)回旋鉆的基本功能；而且其工作范圍也因它的工作原理受到一定的局限，比如在地質條件較差的工地上施工，其工作效率低，消耗的能量也比較多。 回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 鑒于以上情況，為適應各類建筑工程鉆孔灌注樁基礎設計和施工的發(fā)展需要，通過探索一種能建立起成孔刃具群進行復星形運動的機構，使鉆具兼有沖 擊鉆和回旋鉆兩種基本鉆型成孔原理的優(yōu)點，創(chuàng)新開發(fā)出一種新型成孔鉆具是發(fā)展的需要，這樣可以滿足樁基工程施工要求快速高效、穩(wěn)定可靠、廣泛適用的要求以及超大直徑方向發(fā)展。 回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 第二章 建立 星形 運動的基本原理 在樁基工程施工中大量使用的回旋鉆頭，其工況狀態(tài)的一個最大特點，就是切削刀刃與孔壁和孔底保持整體的線面接觸狀態(tài)，以擠壓作用效應為主，刮削切入阻力大，成渣能力低，且線速分布不均，作用能量分散，無效功耗大，所以刮削作用難以有效發(fā)揮。如果能使單個 小直徑刃具能實現(xiàn)如圖 1 所示的平面 單跡線運動，切削刀刃與孔壁和孔底保持近似點狀態(tài)接觸，并同時具有徑向旋削和軸向沖擊破碎巖石的功能，則由數(shù)個小直徑刃具組成的刃具群將會在成孔運動中產生群體作用效應，這樣由若干連續(xù)點的鉆削運動，形 成周邊圓形的細密網(wǎng)狀的成孔平面 ，從而實現(xiàn)鉆具群體逐層由上至下的整體成孔運動。 圖 1 群鉆運動軌跡示意圖 為了實現(xiàn)這種復雜的運動，其中復合行星運動則可以實現(xiàn)這種運動。 通過研究得出這種運動的運動原理，其運動原理如 圖 2 所示。 回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 圖 2 星型運動原理圖 由運動原理圖，可得出鉆具 各零部件的連接關系 ，其結構簡 示意 圖如“圖 3”。 圖 3 結構簡圖 在圖 3 中： 1 主傳動軸 ， 2 中心太陽輪， 3 行星輪， 4 內齒圈 ， 5 孔底鉆 桿 及 齒輪 ， 6 托盤 ， 7 孔壁鉆 桿 及 齒輪 ， 8 外殼 。 其中，外殼與內齒圈為一個整體，托盤與外殼之間有滑動摩擦。 在整個運動過程中，由中心太陽輪帶動 3個均布在內齒圈的行星輪作自轉、公轉運動；托盤通過套在行星輪上的孔底鉆 桿及齒輪 帶動托盤作圓周運動（繞太陽輪的中心作公轉）， 同時，受結構的約束， 孔底鉆桿齒輪則與行星輪運動形式一致：既作 繞中心軸 作 公轉運動，又 繞鉆桿中心作自轉運動 ，其運動軌跡是一個復雜曲線運動，如圖 1 所示 ； 孔壁鉆的動作是通過連在托盤上面的孔壁鉆桿，通過托盤的圓周運動帶動整個孔壁鉆 桿齒輪與內齒回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 圈嚙合：既繞中心 太陽輪做公轉， 同時 繞鉆桿中心作自轉運動， 其運動軌跡和托盤一樣：繞太陽輪作圓周運動。 2 1 運動條件 根據(jù)機械原理的知識，機構要實現(xiàn)有規(guī)律的運動應滿足原動件的數(shù)目應等于運動鏈的自由度數(shù)。通過以上分析則可以得出： 2 與 3 之間為一個高副， 3 與 4 之間為一個高副，孔底鉆齒輪 與 托盤 之間為一個高副， 孔壁鉆齒輪 與 內齒圈 之間為一個高副；中心太陽輪與機架之間有一個回轉副， 孔底鉆 桿與行星輪之間有一個轉動副，孔壁鉆桿與托盤之間有 一個轉動副 ，托盤與外殼之間有一個回轉副。 同時 ， 孔底鉆 桿及齒輪既 繞行星輪中心作回轉運動 又繞中心軸作回轉運動 ， 即存在兩個回轉副； 同時鉆桿與其齒輪之間有上下的移動副 。 即： F=3 (1) 通過計算，滿足原動件的數(shù)目等于機構的自由度數(shù)的基本條件，因而這種機構具有確定的運動。 回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 第三章 整體 結構 設計 要考慮的問題 為了很好地解決當前 建筑工程鉆孔灌注樁基礎設計和施工中出現(xiàn)的問題，創(chuàng)新開發(fā)一種回旋沖擊鉆，使鉆具兼有沖擊鉆和回旋鉆兩種基本鉆型 成孔原理的優(yōu)點 ，在設計過程中應考慮以下問題： 3 1 回旋沖擊鉆具的 適用范圍及 性能要求 在目前的建筑工程上， 主要采用旋轉式鉆孔機和沖擊式成孔機。其中旋轉式成孔機具有適應性強（只要變更鉆頭類型和壓重數(shù)量，就可以適應各種松軟覆蓋層直至極應的硬巖層），并可以滿足各種施工要求：樁徑可以由 10至幾米；鉆孔深度可以由幾米直至上千米。還具有噪聲低、振動輕微、成孔率高等特點，故廣泛應用在建筑工程上。沖擊式成孔機 的工作原理是利用成孔機的曲柄連桿機構，將動力的回轉運動改變?yōu)橥鶑瓦\動，通過鋼絲繩帶動鉆頭上下運動，使鉆頭產生沖擊作用，將地質層的卵石或巖石破碎，同時鉆渣由取渣筒取出。沖擊式成孔機能適用于任何土質條件，對于直徑大于 300量又在 10%以上的大漂石巖層或整體巖層只能采用沖擊式成孔。 但是， 1、普通回旋成孔鉆，成孔穩(wěn)定，但成渣能力低，對不同工程地質條件適應性差，特 別不適應膠結礫石地質和破巖成孔，地質適應范圍受限，所需配備設備功率大 ，能量損耗大。 2、一般沖擊鉆雖然地質適應性好，破巖能力強，但 對于 大直徑成孔施工進度慢，震動大易致孔壁坍塌，同時大直徑的重型沖擊錘自旋性差，還易 使成孔失圓。 回旋沖擊鉆 建立起了切削刃具群 的星形運動。通過小直徑刃具群的星形運動，又同時具有轉動切削和沖擊破石的功能， 則小直徑刃具群的復合運動和作用， 可提高成孔效率，使鉆具兼有沖擊鉆和回旋鉆兩種基本鉆型成孔原理的優(yōu)點， 即保留旋轉鉆機的成孔率高，成孔穩(wěn)定等特點，同時利用沖擊鉆地質適應性強的特點 ，較好地回避了巖石的韌性和耐磨性，而利用了巖石的脆性和不耐沖擊的特性， 增大了 鉆具的地質適用范圍，既適用于在松軟地層和礫石層成孔，也適用于基巖嵌入成孔 。同時利用氣舉排渣實現(xiàn)快速排渣， 根據(jù)實際工作要求的需要 使鉆具用較小的功率達到 旋轉鉆機和沖擊式鉆機的綜合優(yōu)點 。 回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 通過 綜合比較，創(chuàng)新設計出來的回旋沖擊鉆應廣泛適用于各種軟硬不同的地質條件 ： 適用 于 地質等級為 X 即 流沙，沼澤土壤，含水黃土及其他含水土壤 至比較堅固的頁巖層、 各種不堅固的頁巖，致密的泥灰?guī)r，砂質頁巖，頁巖或砂巖 （ 巖石的單軸抗壓強度 為 3 50。 參照一般普通回旋鉆具，回旋沖擊鉆的主軸旋轉速度為 16 45r/考 水電機主軸轉速） ,傳遞 扭矩 為 m，沖擊頻率為 45r/ 同時，設計出來 的 鉆具有以下特點： 1、 在鉆同直徑的地下孔，回旋沖擊 鉆 與普通的旋轉式成孔機和沖擊式成孔機相 比，所消耗的功率要小，成孔效率要高； 2、設計出來的回旋沖擊鉆要求其小鉆兼有自旋運動和往復移動的沖擊功能， 實現(xiàn)地下成孔。 其中自旋運動是用來撥松孔底的泥土沙石，往復的沖擊功能則是用來擊碎孔底較大的沙石顆粒，便于鉆具實現(xiàn)快速排渣； 3、回旋沖擊鉆 的使用壽命比一般的鉆具使用壽命長。 3 2 回旋沖擊鉆成孔原理及存在的問題 由圖 1 可以看出，回旋沖擊鉆的工作面積是一個網(wǎng)狀的包絡面。通過實地考查， 結合回旋沖擊鉆的性能要求，我們發(fā)現(xiàn)要達到這種加工目的，在沖擊過程中，要實現(xiàn)分階段分別對孔底鉆，孔壁鉆和鉆具的外殼進行沖 擊。同時在沖擊完成后，需要有裝置將小鉆頭提回至一定的高度，實現(xiàn)小鉆頭的自旋和撥松泥土沙石的功能。其沖擊工作狀態(tài)如圖 4。 在圖 4（ a）中， 1 孔壁鉆桿和 2 孔底鉆桿在傳動裝置的作用下實現(xiàn)自旋運動，實現(xiàn)撥松泥土沙石的作用，使得土層 a 變?yōu)樗槭癄顟B(tài)；在沖擊力的作用下，空底鉆和孔壁鉆進 100入堅硬的巖石層。同時在沖擊力的作用下，整個鉆具的外殼和中心鉆連同上面的整個傳動部分的零部件往下鉆進 100擊力撤消后，鉆桿在回位裝置的作用下，往上移動 50作自轉運動。在整個沖擊過程中，（ a）中的碎石狀孔渣在鉆 頭的自轉變?yōu)榱魃碃?，最后在反循環(huán)氣舉升渣的作用下，將直徑小于 180顆粒排到工地上。 圖中裝置 4 是三個均布在托盤上面的撐架，鉆具在作回旋運轉的時候，撐架將整個鉆具撐起，使得鉆具的傳動機構離孔底工作面有一定的高度，從而使得小回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 鉆頭在沒有壓力的情況下作自轉運動，實現(xiàn)撥松泥土的功能；同時在沖擊狀態(tài)下，沖擊錘先作用于孔底鉆，后作用在孔壁鉆，最后沖擊力落到鉆具的外殼上面，通過連在托盤上面的撐架將大部分沖擊力傳至地面。隨著托盤繞鉆具中心做回轉運動，帶動撐架和滾筒作純滾動，同時起到松散石塊的作用。 為了實現(xiàn)快速排渣，排 渣口不得設置的太高，必須控制在在回旋狀態(tài)下鉆頭的工作范圍內。這樣才能保證鉆具在不同的工作狀態(tài)下，鉆具形成的孔渣不至于上升到整個鉆具的傳動裝置內，磨損整個裝置傳動的零部件。 1 孔壁鉆， 2 孔底鉆， 3 中心鉆， 4 撐架 a 碎石狀， b 堅固巖石層 (a) 回旋狀態(tài) b 堅固巖石層被擊破 (b) 沖擊狀態(tài) 回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 a 流沙狀， b 碎石狀， c 巖石層 (c) 回位 狀態(tài) 圖 4 鉆具成孔過程示意圖 3 3 回旋沖擊鉆結構的具體布局 3 3 1 抗扭裝置 由圖 2 和圖 3 分析可以得出，傳動裝置里面的內齒圈 與鉆具的外殼要作為一個固定件 ，實現(xiàn)內齒圈的抗扭轉作用。結合實際工程的情況， 在鉆具的外殼位置安裝一個抗扭裝置，如圖 5。在圖中 1 為板簧， 板簧的一端與上支架采用圓柱副連接，另一端采用滑動副。通過 兩個支架 和螺栓 一起將整個部件連接到鉆具的外壁。鉆具在工作時，板簧在外力的作用下，發(fā)生變形，緊貼靠在孔的內壁，通過板簧作用在地下孔內壁的靜摩擦力來實現(xiàn)整個鉆具的抗扭功能，使得整個鉆具按照規(guī)定的運動工作。 回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 圖 5 抗扭裝置 在鉆具向下鉆進的過程中，在摩擦力的作用下，板簧向孔壁張開， 板簧向上移動， 加大與井壁的摩擦力，有效地實 現(xiàn)抗扭作用。在提鉆過程中，由于摩擦力的作用下，板簧向下移動，使整個裝置脫離井壁，減少與井壁的摩擦 ，這樣有效地避免了功率的損耗。 3 3 2 小鉆具復位裝置 由于整個鉆具的性能要求：小鉆頭既要實現(xiàn)自轉運動，又要實現(xiàn)往復運動。小鉆具在沖擊力的作用下可以使小鉆頭實現(xiàn)沖擊功能，但同時又要實現(xiàn)復位功能。同時，在復位之后沖擊之前小鉆頭要具有一定的壓力實現(xiàn)撥松泥土的作用。 為了實現(xiàn)這樣的功能要求，故在小鉆頭的兩端加上兩個彈簧：上彈簧要求彈性系數(shù)較小，容易發(fā)生彈性變形，這樣才可以減少沖擊力的損失；下彈簧要求具有較大的彈 性系數(shù)，這樣才能保證小鉆頭在上升的過程中 具有一定的向下的壓力，有效實現(xiàn)小鉆頭的撥松泥土的功能。 回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 第四章 設計主要內容 方案比較 該鉆具的創(chuàng)新就是利用行星輪運動的特點，行星傳動的特點有： （ 1）體積小，質量小，結構緊湊，承載能力大 由于行星齒輪傳動具有功率分流和各中心輪構成共軸線式的傳動以及合理地應用內嚙合齒輪副，因此可使其結構緊湊。再由于在中心輪的周圍均勻地分布著數(shù)個行星輪來共同分擔載荷，從而使得每個齒輪所承受的負荷較小，并允許這些齒輪采用較小的模數(shù)。此外，在結構上充分利用了內嚙合承載 能力大和內齒圈本身的可容積體積，從而有利于縮小其外廓尺寸，使其體積小，質量小，結構非常緊湊，且承載能力大。一般，行星齒輪傳動的外廓尺寸和質量約為普通齒輪的 1/2 1/5（即在承受相同的載荷條件下）。 （ 2）傳動效率高 由于行星齒輪傳動結構的對稱性，即它具有數(shù)個勻稱分布的行星輪，使得作用于中心輪和轉臂軸承中的反作用力能互相平衡，從而有利于達到提高傳動效率的作用。在傳動類型選擇恰當、結構布置合理的情況下，其效率值可達 （ 3）傳動比較大，可以實現(xiàn)運動的合成與分解 只要適當選擇行星齒 輪傳動的類型及配齒方案，便可以用少數(shù)幾個齒輪而獲得很大的傳動比。在僅作為傳遞運動的行星齒輪傳動中，其傳動比可到幾千。應該指出，行星齒輪傳動在其傳動比很大時，仍然可保持結構緊湊質量小、體積小等許多優(yōu)點。而且，它還可以實現(xiàn)運動的合成與分解以及實現(xiàn)各種變速的復雜的運動。 （ 4）運動平穩(wěn)、抗沖擊和振動的能力較強 由于采用了數(shù)個結構相同的行星輪，均勻的分布于中心輪的周圍，從而可使行星輪與轉臂的慣性力相互平衡。同時，也使參與嚙合的齒數(shù)增多，故行星齒輪傳動的運動平穩(wěn)，抵抗沖擊和振動的能力較強，工作較可靠。 通過 對 整個鉆具的工作原理的研究，鉆具的小鉆頭要具有自轉和公轉運動的功能， 以實現(xiàn)小鉆頭旋削泥土，撥松泥土實現(xiàn)快速排渣的功能。 同時為了實現(xiàn)鉆 回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 空心鉆桿公轉方向裝有刀具的鉆盤自轉方向圖 6 鉆頭運動軌跡圖 具的沖擊功能小鉆頭的鉆桿需要具有往復移動的功能。這樣才能整個鉆具將回旋功能、沖擊功能和快速排渣功能集為一體。 鉆頭的運動軌跡如圖 6。 結合行星輪傳動的特點， 根據(jù)鉆具的性能要求擬訂以下方案： 方案一、潛水電動機將動力傳遞給減速器，減速器通過差動裝置將動力分別傳遞公轉齒輪軸和自轉齒輪軸，再由公轉齒 輪軸帶動公轉箱作公轉，而由自轉齒輪軸帶動行星齒輪作自轉運動。 方案二、由潛水電機直接將動力傳給主傳動軸，通過中心太陽輪和三個齒輪桿 驅動套在小鉆桿上面的齒輪做自轉運動，同時繞中心軸做公轉運動。 同時，通過鉆桿和液壓缸連接實現(xiàn)鉆桿的往復直線運動，以實現(xiàn)小鉆頭的沖擊功能。 方案三、通過潛水電機將動力直接傳給主傳動軸，通過中心太陽輪、行星輪、內齒圈、孔底鉆桿、托盤以及孔底鉆桿齒輪帶動鉆桿做自轉和公轉運動，同時通過托盤機構、孔壁鉆桿、內齒圈以及孔壁鉆桿齒輪帶動孔壁鉆繞中心軸做公轉運動，同時繞孔壁鉆桿做自轉運動。同時，整 個機構鉆桿和鉆桿齒輪用滑動的花鍵連接和附屬的兩個彈簧以實現(xiàn)鉆桿的往復運動。 通過比較可以看出，方案一能實現(xiàn)鉆桿的自轉和公轉運動功能，但 小鉆具沒有上下往復運動的功能，使得 整個鉆具不具有沖擊功能，其作用效果如同普通的回旋鉆；方案二能實現(xiàn)鉆桿的自轉和公轉運動功能，同時鉆具具有一定的沖擊功能。但是采用液壓沖擊不能實現(xiàn)快速沖擊功能。同時，由于在整個裝置中，液壓缸隨鉆具作回轉運動，這樣將導致液壓管道旋扭在一起，不能很好地實現(xiàn)沖擊功能 。同時由于外殼的存在限制了小鉆桿的工作范圍，使得鉆具不能向下鉆進。 方案三既能實現(xiàn)鉆桿的自 轉和公轉運動功能，又能實現(xiàn)鉆桿的往復運動的功能，通過孔壁鉆桿、中心鉆桿和孔壁鉆桿的群體作用很好的將鉆具下面的 土掏空，在沖回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 擊力的作用下使得整個鉆具整體下降，實現(xiàn) 層進鉆孔。 通過比較得出方案三為最佳方案。故采用方案三進行設計。 4 2 氣舉升渣方案設計 15 在目前的樁工機械建筑工程上，為了實現(xiàn)快速排渣功能，主要采用泵吸反循環(huán)排渣和氣舉 反循環(huán) 排渣兩種方法。 泵吸反循環(huán)施工原理。先在樁位上插入比樁徑大 10% 15%的鋼護筒，護筒的頂面標高至少應比最高地下水位高出 2m。鉆機水龍頭出口與砂石泵由橡膠軟管聯(lián)在一起， 同時與砂石泵組裝在一起的還有真空泵。鉆孔時，真空泵先啟動，通過軟管將孔內的泥漿吸出水龍頭，順著吸渣軟管到達砂石泵內，砂石泵啟動后，孔內的泥漿與鉆渣從空心鉆桿內被吸出，送入沉渣池，稀漿流入孔內，這樣的循環(huán)方式稱為泵吸反循環(huán)。泵吸反循環(huán)由于受到真空度的制約，一般的鉆孔深度約為 50m，深度大于 50m 的鉆孔樁，則應采用氣舉反循環(huán)的方式排渣。 氣舉 反循環(huán) 排渣的工作原理。 在鉆進過程中，空壓機將高壓空氣 通過 空氣管道送到主傳動桿排渣口附近，并向空心軸內噴出。當氣體與泥漿混合后，混合體的密度大大降低，從而迅速從中心軸的中心孔 上升，使軸的下端形成真空，于是將鉆渣 吸上來，并隨著氣漿混合體從出口排出。 當鉆孔深度超過 50m，一般 壓的空壓機產生的風壓無法有效沖入鉆桿，排渣能力下降，此時可改為在主傳動桿中間位置通氣。通氣孔一般放在孔深 40m 處左右，比較幾種排渣方法的排渣效率可知，采用氣舉反循環(huán)，孔深在 80m 處排渣的效率仍然良好，而泵吸反循環(huán)排渣，在孔深 50m 處就十分困難了。因此，施工中對淺孔往往采用泵吸反循環(huán)，而對深孔則采用氣舉反循環(huán)。 通過比較可以得出：采用泵吸反循環(huán)，其排渣能力容易受到孔深的限制，且設備成本比氣舉排渣所采用 的設備要高，所以在排渣方面優(yōu)先選擇氣舉排渣方案。 同時，在氣舉排渣的基礎上，可以采用泥漿循環(huán)系統(tǒng)排渣。它的主要作用是利用 主要作用是利用泥漿作為載體進行排渣；另一個重要的作用是具有較好的護壁作用，可以減少甚至完全阻止孔內外的滲漏，因此又具有穩(wěn)定水頭的作用。施工中對泥漿的要求較高，泥漿的好壞對成孔的質量以及樁的質量都有重要的影響?；匦龥_擊鉆具星形運動結構設計 泥漿一般有純硼潤土泥漿與硼潤土黃泥混合泥漿。在泥漿中加入一定比例的純堿（或碳酸氫納）和纖維素（如 可以大大地提升孔壁的穩(wěn)定性。高質量的泥漿主要用于支承樁，對一般摩擦樁，則多采用 混合泥漿或黃土泥漿。 4 3 沖擊錘的具體實施方案 4 3 1 氣動沖擊的優(yōu)點 沖擊錘的沖擊功能采用氣動沖擊，與液壓沖擊系統(tǒng) 、機械傳動 相比其具有以下優(yōu)點： 1、以空氣為介質，供應、排放處理都比較方便。 2、氣動動作迅速、反應快； 3、氣動結構容易安裝，拆卸； 3、工作環(huán)境適應性較好。 結合鉆具的整體性能要求和安裝維修方面的要求采用氣動沖擊方案較為合理。 4 3 2 氣動結構設計 30 由于整個鉆具 的 鉆具群做不規(guī)則的旋轉運動， 要實現(xiàn)對每個小鉆頭均勻的沖擊功能，錘體的中心應與中心傳動軸的中心重合。同時 ，錘體要和整個氣動系統(tǒng)安裝在傳動軸上。 為了解決氣動管路不旋扭在一起，實現(xiàn)暢通快速充氣和放氣，故將氣動驅動結構設計成為如圖 7。圖中， 1 主傳動軸， 2 氣缸護套， 3 氣缸壓蓋， 4 活動活塞， 5 固定活塞， 5 氣缸外壁， 7 錘體， 8 快排氣缸。其中，主傳動軸與潛水電機直接連接，氣缸護套通過上部的支架與外殼保持靜止，氣缸部件套在氣缸護套上保持靜止。同時，錘體通過螺栓連接在氣缸的外壁上保持同氣缸護套、氣缸外壁一致。這樣的結構就可以實現(xiàn)氣路的管道不至于旋扭打結，從而保持氣路通氣順暢。為了實現(xiàn)沖擊功能，采用活塞固定、氣缸 運動的方式，通過氣缸外壁的往復運動帶動錘體實現(xiàn)沖擊。在圖中，活動活塞和快排氣缸是為了實現(xiàn)氣體快排的機構。其中，快排型沖擊氣缸的動作包括準備過程和沖擊過程兩個階段。 準備過程：先使 充氣， 通大氣，活動活塞在壓力的作用下被推到下邊，通過密封圈的作用切斷氣缸上腔到 通道。然后 氣使得缸體帶動回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 錘體上升，充氣一直通至氣源壓力。 圖 7 氣缸驅動結構 沖擊過程：先使 氣， 氣，活動活塞開始上移，這時固定活塞的上腔受密封的切口打開，受壓縮的氣體通過 體壁上的方孔快速直接排到大氣中。因為 這個排氣通道的通流面積較大，所以活塞的上腔壓力可以在極短的時間內降低。當降到低于蓄氣缸壓力的 1/9 時，缸體和錘體錘體自重的作用下開始下降，同時缸體的下腔快速充氣，使得缸體和錘體在最大的壓差的作用下以最高的速度向下沖擊，以滿足鉆具的需要。 4 3 3 氣動沖擊力的計算 通過對鉆具整體性能的分析，沖擊力的大小應大于巖石的抗壓力。 單個 小鉆回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 具作用在巖石上的作用面積為 825 2 那么 單個鉆具 所需要的沖擊力大小1F： 1F=S*P 式中，1F 單個鉆具所需 沖擊力， S 鉆頭作用面積， P 巖石的抗壓強度；在上文已提到鉆具使用范圍為 巖石抗壓能力為 3 50地質范圍。故 1F=S*P=825 250于鉆具群做不規(guī)則的運動 （取系數(shù)為 驅動動力為群鉆的 總和 F， 1F n F 式中 ， F 驅動動力， n 鉆桿數(shù)， n=15，1F 單個鉆桿破巖力， 沖擊力系數(shù)， 1 1 5 4 1 . 2 5 0 . 8 4 9 5F n F K N 即總驅動動力為 495 4 3 4 氣動結構的密封 有關氣動方面的密封問題可以參考液壓密封的技術參數(shù)。 由于氣動結構部分的密封有壓力的要求， 而且有些 密封處有相對運動 。 為了很好的解決 有 氣壓 要求的 密封 問題 采用圖 8(a)密封結構，有相對直線運動 零件之間的 密封 采用圖 8(b)密封裝置，以解決 O 型密封圈變形問題。 在圖中， 1 橡膠擋塊， 2 O 型密封圈。 4 4鉆具的密封與潤滑 30 由于鉆具采用復合行星運動，使得整個鉆具的潤滑與密封加大了難度。為此在解決該鉆具的潤滑與密封問題時，其實施原則是：采用局部封閉式潤滑和開式潤滑相結合。為了減少運動零件相互之間的摩擦問題，在相互運動零件之間添加防摩擦體，減少運動體之間的接觸面積。同時，為了保證鉆具的使用壽命，可選用耐磨材料、采用適當?shù)臒崽幚砉に嚨确椒?。其具體實施方法見裝配圖紙。 回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 圖 8 密封裝置 示意圖 4 5 整體結構功能分析 為了鉆具能很好地實現(xiàn)沖擊功能，保證 鉆具能實現(xiàn)層進成孔，這就要求整個鉆具在沖擊力的作用下能整體下降。 4 5 1 鉆進過程 在鉆進過程中， 整個鉆具在沖擊力的作用下有向下的運動趨勢，使得抗扭裝置上的板簧向孔壁張開，加大與孔壁的摩擦力，保持內齒圈不運動的特點。 小鉆回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 具在氣缸壁帶動沖擊錘的作用下將孔底堅硬的卵石沖碎。完成一次沖擊后，小鉆具在復位彈簧的作用下自動復位。在傳動齒輪的帶動下，小鉆具做自轉和公轉的復合運動把鉆渣攪拌至中心軸的排渣口，鉆渣氣舉升渣機構的作用下， 底的鉆渣通 過氣舉 升力將其排到 工地上 。 實現(xiàn)鉆具的排渣快速功能。 同時托盤在小鉆桿的作用下，帶動托盤繞中心軸做回轉運動。連接在托盤上面的支撐架 與其底部的滾筒也起到松散鉆渣的作用。 由于支撐架和抗扭裝置的作用，鉆具 懸空在孔底的上方。當沖擊錘的沖擊力作用到鉆具的外壁上，鉆具的外殼將帶動內齒圈和上面的罩殼整體有向下的作用力。沖擊力通過托盤上面的防摩擦裝置和托盤傳至支撐架上；同時部分沖擊力通過罩殼與其連接為一體的機構 傳至中心傳動軸的軸肩，將鉆具的主傳動軸往下壓，從而實現(xiàn)整個鉆具整體向下進行層進成孔。鉆具在往下鉆進的過程中，其主傳動軸 始終做回轉運動。 4 5 2 提鉆過程 鉆具在工地上面支撐架和電機的作用下往上移動。在移動過程中， 抗扭裝置的板簧在孔壁摩擦力的作用下，減少鉆具與孔壁的摩擦；同時，通過主傳動軸軸肩的作用將拉力通過罩殼等結構將力傳至外殼上，從而帶動整個鉆具上升。在提鉆過程中，連接在主傳動軸上的電機停止工作。 回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 第 五 章 回旋沖擊鉆的性能 、 技術參數(shù) 及注意事項 5 1 回旋沖擊鉆的性能、技術參數(shù) 22 表 1 回旋沖擊鉆的性能、技術參數(shù) 適用地 質條件 適用 于地質等級為 X 即 流沙，沼澤土壤，含水黃土及其 他含水土壤 至比較堅固的頁巖層、 各種不堅固的頁巖，致密的泥灰?guī)r，砂質頁巖，頁巖或砂巖 （ 巖石的單軸抗壓強度 為 3 50 鉆機總重 （ /噸） 型尺寸 （ / m m m m m m） 1 5 6 0 1 5 6 0 4 3 0 0成 孔直徑 （ /m） 孔深度 （ /m） 80 主軸轉速 （ r/ 32 鉆桿轉速 （ r/ 30 配套潛水 電機功率 （ / 22 輸出功率 （ / 20 沖擊壓力 （ / 495 沖擊頻率 （次 / 45 鉆進速度 （ m/沖擊） 擊行程 （ /m） 渣效率（ h） 渣氣源氣壓 （ / 孔效率 （根 /天） 9 5 2 鉆進注意事項 1） 鉆孔開始時，在鉆機外殼不轉的前提下應先打開氣動排渣回路，再啟動潛水電機，待鉆機托盤的支撐系統(tǒng) 穩(wěn)定 下降到地面后啟動沖擊 氣缸 氣動回路 ；提鉆時應先斷開沖擊回路的氣源，然后關閉潛水電機的電源。同時，在提鉆的過程中通過鉆具與孔壁之間的空間向孔底灌注泥漿，通過調 整排渣氣源壓力，將地下多余的 水排到工地上 （建議水位為 3m 左右） 。 2） 在鉆進過程中，應有專人負責，保證孔內外水頭差的高度，盡量減小水頭過快的變化。同時應隨時注意鉆渣的形式：若排出來的鉆渣是黃泥和細沙，可回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 以適當加大沖擊的頻率，實現(xiàn)快速鉆進；若排出來的鉆渣是大顆粒的膠結卵石和巖石，可以適當?shù)募哟鬀_擊力，減少主軸的轉速，保證破巖的壓力。 3） 鉆進過程中，每班工作人員應堅守崗位，司機、技術人員要隨時觀察各種情況， 并做好相關的記錄工作。 如鉆機工作是否正常，空壓機、供漿量及排漿量是否正常等等，若發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象 應及時采取相應的措施。 4） 在正常鉆進時， 若發(fā)現(xiàn)鉆機在長時間內不能鉆進，可略提起鉆具，并調整鉆機的位置 再下鉆 。 5） 鉆機使用后應對鉆機的整個零部件進行檢查，并清洗鉆機上面的泥沙。對那些磨損較大的零部件做好記錄并進行適當?shù)木S修，為以后鉆機結構設計的完善工作提供必要的參考資料。 回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 第 六 章 主要零 部件參數(shù)及結構 設計 6 1 主傳動軸設計 軸的設計也和其它零件的設計相似，包括結構設計和工作能力計算兩方面。軸的結構設計是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結構形式和尺寸。軸的工作能力計算指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。 由于主軸要完全處于水下的泥漿之中，在滿足強度、剛度的情況下，要有一定的防腐蝕能力，這就要求合理的選擇材料。軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。鋼軸的毛坯多數(shù)是用軋制圓鋼和鍛件，有的則直接用圓鋼。合金鋼比碳鋼具有更高的機械性能和更好的淬火性能。因此，在傳遞大動力，并要求減小尺寸與質量，提高軸頸 的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常采用合金鋼。 初步選擇主軸 的材料為 40 6 1 1 主軸的結構設計 10 軸的結構設計包括定出軸的合理外形和全部結構尺寸。軸的結構主要取決于以下因素：軸在機器中的安裝位置及形式；軸上安裝的零件的類型、尺寸、數(shù)量以及和軸聯(lián)接的方法；載荷的性質、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。其主要考慮的問題如下： 1）、 定軸上零件的裝配方案 擬定軸上零件的裝配方案是進行軸的結構設計的前提，它決定著軸的基本形式。由于鉆具的外形特點為圓筒形，這樣就存在三種裝配方案：一種是 零件在主軸從上到下進行裝配；一種是零件在主軸上從下到上進行裝配；還有一種是零件從主軸兩端進行裝配。分析可知，前兩種裝配方案對加工精度和裝配工藝要求很高，且存在主軸在一個方向上存在過多階梯的情況，影響軸的強度。最后一種裝配方案能從主軸的兩端分別進行裝配，軸的徑向尺寸變化不大，這對軸的結構將大大簡化，提高了軸的強度。根據(jù)以上分析，選擇零件從主軸上兩端進行裝配的方案。 同時綜合考慮現(xiàn)行的加工水平，為了減少加工的成本，主軸采用分段加工回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 制造。初步擬訂整個鉆具的主軸分三段，各段裝配完后用法蘭盤連接。 2)、 軸上零件的定位 為了防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向或周向的相對運動，軸上零件除了有游動或空轉的要求者外，都必須進行軸向和周向定位，以保證其準確的工作位置。 軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、圓螺母、軸端擋圈和軸承端蓋來保證的。對鉆具來說，其工作時受到的軸向力很大，且變化較大。這樣安裝其上的齒輪將用軸肩來進行定位。 由于整個結構采用對稱的形式， 不能很好地解決裝配問題， 故軸肩通過焊接的方法加工出來。 由資料得，定位軸肩的高度 h=(0.1)d，其中 d 為與零件相配處軸徑尺寸。對下端太陽輪的軸肩高度 h=( 150=15 12端中心傳動齒輪處 h=( 150=5 12 周向定位的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對轉動。齒輪 與軸的周向定位均采用 矩形花鍵 連接。為了保證齒輪與軸配合有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為 H7/推力 軸承與軸的定位是借過渡配合來保證的，其值徑尺寸公差為 6 1 2 主軸的校核 進行軸的強度 校核計算時，應根據(jù)軸的具體受載及應力情況，采用相應的計算方法，并恰當?shù)倪x其許用應力。分析主軸的載荷分布情況可知， 主傳動軸主要是受鉆具電機的旋轉扭矩，故采用扭矩強度校核。計算過程 如 表 2 下： 回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 表 2 主軸的校核 10 計 算 數(shù) 據(jù) 計 算 結 果 主軸承受的最大扭矩 根據(jù)初定的參數(shù)選最大量 軸結構參數(shù) 根據(jù)結構初定外徑為 240徑為 180 抗扭截面系數(shù) 3 3 44 ( 1 )( 1 )1 6 5t d d = 4341802 4 0 (1 )2405 =1598400 3軸的扭剪應力 = 01598400 =已選定軸的材料為 40質鋼，查得 1 =70此 1 ，故初定的 結構參數(shù)在安全范圍內 。 6 2 傳動齒輪設計 6 2 1 針式齒輪設計說明 1）齒輪機構的類型很多，但直齒圓柱齒輪傳動乃是最簡單、最基本， 但是對于本設計而言，其維修不方便，故在本設計中采用針式齒輪傳動。但為了計算方便，其計算設計過程采用等效方法，用圓柱齒輪的設計計算方法計算、校核針式齒輪的強度。 2）該機構為一般工作機器，速度不高， 但其 工作環(huán)境惡劣， 參考相關資料 選用 9級精度。 3） 與常規(guī)齒輪一樣，針式齒輪的工作部分的齒輪材料采用 20為了減少制造成本， 其他的固定部分采用鑄鋼。 4） 初 選中心太陽輪齒數(shù) 30，而一般 i=1 3， 參考樁工機械 查齒輪傳動比經(jīng)驗值，取 i=星齒輪齒數(shù) 6 2 2 按齒面接觸度 強計算 2 由設計計算公式進行試算 ,即 : 回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 23 12 . 3 2 (1) 確定公式內的各計算數(shù)值 表 3 傳動齒輪計算 1 設計計算項目 設計依據(jù) 設計結果 載荷系數(shù) t=（ 取 矩 T 根據(jù)實際工況要求 取 T=寬系數(shù)+u) a 取a=料影響系數(shù) 查機械設計 手冊 接觸疲勞強度 查機械設計 手冊 11300 2560 算應力循環(huán)次數(shù) N=60108 108 接觸疲勞壽命系數(shù) 查機械設計 手冊 2觸疲勞許用應力 H = 1 取失效概率為 1%,安全系數(shù) S=1 H 1 =1248 H 2=旋沖擊鉆具星形運動結構設計 （ 2）計算 表 4 傳動齒 輪計算 2 設計計算項目 設 計 依 據(jù) 計算結果 小齒輪分度圓直徑 23 12 . 3 2 H 取最小值 65算圓周速度 116 0 1 0 0 0 m s 計算齒寬 b b= d b=106算齒寬與齒高比 b/h 06/30= *2 h C m=b/h=算載荷系數(shù) K= 用系數(shù) 載系數(shù) 荷分布系數(shù) K 2 31 . 1 5 0 . 1 8 ( 1 0 . 6 ) 0 . 3 1 1 0H d = K=正后分度圓直徑11d=337數(shù) m 11 m= 2 3 按齒根彎曲強度設計 2 由式 (10彎曲強度的設計公式為 ： 13 212 F a S （ 1） 確定公式內的各計算數(shù)值 回旋沖擊鉆具星形運動結構設計 表 5 傳動齒輪計算 3 設計計算項目 設計計算依據(jù) 設計計算結果 齒輪的彎曲疲勞極限1機械設計手冊 1 620 P a 2 380 P a 疲勞強度系數(shù)11 2 疲勞許用應力 1F 11F N F 1 0 . 8 6 6 2 0 3 8 0 . 8 61 . 4F M P a M P a 2 0 . 8 8 3 8 0 2 3 8 . 8 61 . 4F M P a M P a 載荷計算 K A V F K K K 1 . 5 1 . 0 6 1 . 4 1 . 2 4 2 . 7 6K 齒形系數(shù)11 2 應力校正系數(shù) 11 ，2 計算齒輪的 111 2 . 5 5 1 . 6 1 0 . 0 1 0 7 83 8 0 . 8 6F a S 222 2 . 3 9 1 . 6 6 6 0 . 0 1 6 6 72 3 8 . 8 6F a S 行星輪的數(shù)值大 （ 2）設計計算 63 22 2 7 6 2 . 3 1 0 0 . 0 1 6 6 7 6 . 1 71 3 0m 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) 于齒輪模數(shù) 與齒輪直徑（即模數(shù)與齒輪的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數(shù) 并就近圓整為標準值 m=8接觸強度算得分度圓直徑1 337d 出中心太陽輪的齒數(shù) : 1 337 4 2 . 1 2 58Z 。取1 42Z ，則行星輪齒數(shù) ：21 1 . 5 6 4 2 6 5Z ?；匦龥_擊鉆具星形運動結構設計 這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊。 6 2 4 幾何尺寸計算 根據(jù)保證滿足同心條件 ，可以計算內齒圈的齒數(shù)： 3 1 22 4 2 2 6 5 1 7 2Z Z Z 根據(jù)設計計算可得 中心太陽輪、行星輪、內齒圈的幾何尺寸 ， 如下 表 ： 表 6 傳動齒輪幾何尺寸 (單位 :名稱 符號 計算公式 結果 太陽輪 行星輪 內齒圈 模數(shù) m 根據(jù)齒輪強度定出的標準值 8 壓力角 a 20 20 分度圓直徑 d d 334 520 1374 齒頂高 *h m8 8 8 齒根高 *h c m10 10 10 齒高 h h h 18 18