工程鉆機的設(shè)計學生姓名：宋欣欣所在院（系）：機電學院所學專業(yè)：機電技術(shù)教育導師姓名：牛愛青

摘要以水平定向鉆機為背景，水平定向鉆機的主要結(jié)構(gòu)主要包括：底盤結(jié)構(gòu)、發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、動力頭結(jié)構(gòu)、鉆桿裝卸的結(jié)構(gòu)、虎鉗的結(jié)構(gòu)、錨固裝置的結(jié)構(gòu)、導向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。GCPS—20型鉆機是一種復(fù)合式多功能鉆機，為適應(yīng)我國深基礎(chǔ)工程和連續(xù)墻以及水利工程、橋梁工程的發(fā)展與需要，結(jié)合大口徑鉆機灌注樁和地下連續(xù)墻施工的特點，為解決在復(fù)雜地層、硬巖中成孔而研制，特別卵石層、基石、漂石層能大幅度提高施工效率，在各種成孔方法中是比較經(jīng)濟有效的方法。鉆機是集回轉(zhuǎn)、沖擊鉆進工藝于一體的多功能復(fù)合型鉆機，用鉆盤回轉(zhuǎn)鉆進時可用于第四世紀覆蓋層，沖擊鉆進時可用于卵石、灰?guī)r、花崗巖等硬巖地層。本鉆機的特點是結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，而且各種操作手柄布置合理，操作簡單，便于使用與維護。關(guān)鍵詞：水平定向鉆機沖擊鉆進變速箱減速器AbstractTakingHorizontalDirectionalDrillingRigasthebackground,ThemainstructuresofHorizontalDirectionalDrillingRigmainlyinclude:Chassisstructure,enginesystematicstructure,powerheadstructure,drillingrodstructure,structure,anchorfirmstructure,guidancesystem,mudstructureofsystem.ThetypesGCPS-20drillthemachineisakindofcompoundtypemulti-functiondrillthemachine,inordertoadapttheourcountrydevelopmentanddemandsofthedeepfoundationandconsecutionwallandmarinehydraulicengineering,thebridgeengineering,combinethebigcalibertodrillthemachinetoinfusetonotethestakeandthecharacteristicsofundergroundcontinuouswallconstruction,inordertosolvetobecometheborebutresearchtomanufactureincomplicatedgeologicstrata,hardrock,significantexaltationofabilityofspecialeggstonelayer,sill,thestonelayerconstructionefficiency,isamoreeconomicvalidmethodinvariouslybecometheboremethod.Drillthemachineistogathertheturn-overandpoundattodrillintothecraftintheintegralwholeofmulti-functionandcompoundtypedrillthemachine,canusedfortooverlaythelayerthefourthcenturywhileusingtoturnthedishturn-overtodrillinto,canusedforthehardrockgeologicstrataofeggstone,ashrock,granite…etc,whilepoundingattodrillinto.Drillthecharacteristicsofthemachineoriginallyisastructuresimple,tightlypacked,andvariousoperationhandhandlearrangereasonable,operateinbrief,easytousageandsupport.Keyword:HorizontalDirectionalDrillingRigTheimpactdrillintogearboxspeedreducer第1章緒論

1.1項目的研究意義隨著西氣東輸、京滬高速鐵路等一批國家重點項目的陸續(xù)啟動,國家對基本建設(shè)的投入持續(xù)增長,對工程鉆機技術(shù)要求更高，鉆機不僅要具有高效性、環(huán)保性，更要具有復(fù)合性。通常使用的工程鉆機在工作時只有鉆進，當遇到較為堅硬的巖石層，如卵石、灰?guī)r、花崗巖等硬巖石地層，就不得不改變鉆進方位，或另鉆它孔，為解決此問題在老師的指導下我設(shè)計這臺帶有沖擊鉆的多功能復(fù)合型鉆機，它可有效的解決上述問題。我相信這臺鉆機一定會有很廣闊的市場前景!1.2國內(nèi)外的科技現(xiàn)狀隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展,各類建筑和工程施工的數(shù)量激增,工程難度日益加大,質(zhì)量要求越來越高,極大的推動了各類基礎(chǔ)處理施工技術(shù)的發(fā)展,尤其是近20年來,由于建筑的大型化和高層化,各種處理范圍廣,效率高,污染少,成本低的深基礎(chǔ)施工工法，如大型旋挖樁、地下連續(xù)墻、各種錨固、高壓旋噴、深層攪拌等已成為基礎(chǔ)工程施工的重要手段。而現(xiàn)有國產(chǎn)基礎(chǔ)施工設(shè)備效率低下,污染嚴重,不能適應(yīng)新施工技術(shù)的要求,施工企業(yè)一直在大量進口該類設(shè)備。加大開發(fā)適合我國國情的新型基礎(chǔ)工程施工鉆機的力度,滿足市場急需,替代進口,是該類設(shè)備制造業(yè)的首要任務(wù)。1.3設(shè)計產(chǎn)品的用途和應(yīng)用領(lǐng)域這臺鉆機設(shè)計為散裝式轉(zhuǎn)盤沖擊、回轉(zhuǎn)復(fù)合式多功能鉆機，適用于基礎(chǔ)工程和連續(xù)墻以及水利工程、鉆鑿高層建筑、橋梁、港口基礎(chǔ)樁孔的鉆進，也用于大口徑水井及其他工程孔的鉆鑿，主要用于第四世紀地層及其卵石、灰?guī)r、花崗巖、漂石層等硬巖地層。主要應(yīng)用于建筑工程、水利工程、橋梁工程、礦井鉆進等領(lǐng)域。第2章鉆機的總體設(shè)計2.1總體布局設(shè)計鉆機由底座、傳動裝置、減速器（分動箱）、主副卷揚機、沖擊卷揚機、轉(zhuǎn)盤、鉆塔、氣動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、工具系統(tǒng)組成。2.1.1傳動系統(tǒng)電機的動力經(jīng)皮帶傳至變速器，變速器為一進三出結(jié)構(gòu)，一路輸出經(jīng)齒輪傳至主副卷揚機；一路輸出至減速器，經(jīng)由萬向軸傳至轉(zhuǎn)盤，供回轉(zhuǎn)鉆進；一路輸出經(jīng)鏈輪傳動沖擊卷揚機，供沖擊提升。2.1.2氣動系統(tǒng)空壓機輸出壓力氣，由空氣包至氣控箱，分兩路經(jīng)操縱閥控制，傳至沖擊卷揚機兩只氣胎離合器，完成沖擊提升及降落。2.1.3電氣系統(tǒng)控制電機啟動及關(guān)閉，為氣動系統(tǒng)提供電源控制，為操縱箱提供控制系統(tǒng)。2.1.4工具系統(tǒng)游動滑車、水龍頭、主動鉆桿、孔內(nèi)鉆桿、加重塊、刮刀鉆頭、墊叉組成回轉(zhuǎn)鉆進工具系統(tǒng)。游動滑車、水龍頭、孔內(nèi)鉆桿、沖擊排渣管、沖擊鉆頭、孔口導向工具、墊叉組成沖擊鉆進工具系統(tǒng)。2.1.5各部件的功能轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤用于驅(qū)動主動鉆桿及鉆具回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤系一級圓錐齒輪傳動機構(gòu)，通過大錐齒、轉(zhuǎn)臺、大、小補心驅(qū)動鉆桿工作。減速器減速器是進一步降低轉(zhuǎn)速、提高扭矩而設(shè)計的，有兩檔變速，由雙聯(lián)滑動齒輪實行。變速箱變速箱為二軸一級變速箱，有三擋變速，由單、雙聯(lián)齒輪滑移實現(xiàn)變速。變速箱內(nèi)有正、反轉(zhuǎn)裝置，由雙向牙嵌離合器實現(xiàn)，單向牙嵌離合器實現(xiàn)卷揚機離合。主、付卷揚機主、付卷揚機均為行星式卷揚機，靠制動行星輪來實現(xiàn)鉆具的提升。底座底座由滑臺、下座、油缸、孔口板組成，轉(zhuǎn)盤、卷揚機組固定于滑臺上，鉆塔固定于下座上，油缸一端固定于滑臺，另一端與孔口板相聯(lián)，油缸用于滑臺的后移和孔口板開合。鉆塔鉆塔用于懸掛游動滑車、水龍頭和提升器等提升設(shè)備，結(jié)構(gòu)形式為“n”型，鉆塔內(nèi)設(shè)有導向槽和主動鉆桿后置懸掛裝置。導向槽用于水龍頭導向，懸掛裝置用于換接鉆桿時主動鉆桿不落地。鉆塔起落由油缸完成。2.2主要設(shè)計參數(shù)1.沖擊卷揚機提升能力（KN）60提升速度（m/s）0.4.050.62.沖擊行程(m)0.5—43.沖擊次數(shù)(1/min)6—144.沖錘質(zhì)量(kg)3000—50005.主、副卷揚機提升能力(單繩KN)30卷繩速度(m)0.45,0.68,1.13,1.690.31,0.46,0.77,1.156.轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速(r/min)13,17,21,26,42,527.主機動力型號(功率)YD280S55KW(1480r/min)8.鉆塔額定負載(KN)1809.空壓機型號(排量，壓力)UB300—500（3.55/min,0.8MP）10.配備砂石泵型號（型號）6BS(180/h)或8BS（340/h）11.外型尺寸（長X寬X高）10000X2400X170012.重量主機重量（t）10.4全套設(shè)備總重（t）28第一個問題：電機確定

工程鉆機動力來源于電機，電機小了，無法達到設(shè)計要求，大了就會造成資源的浪費，應(yīng)該選取多大功率的電機才合適呢？第3章章電電機確確定根據(jù)現(xiàn)場場需要，，電機的的選擇偏偏大些，，加大儲儲備系數(shù)數(shù)，這樣樣可以提提高鉆進進效率。。3.1按按鉆頭所所需功率率計算設(shè)電機輸輸出實際際功率為為N。N。＝1.2Nj式中：Nj——鉆機所所需功率率KWNj＝＝（Nh＋Ny））/η式中:Nh—回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鉆進所所需功率率（KW）ηη——效率ηη=0.8Ny——油泵所所需功率率（（KW））Nh=N1+N2+N3式中:N1—井底破破碎巖石石、土層層所需功功率（（KW））N2—鉆頭與與孔底摩摩擦所需需功率（（KW）N3—回轉(zhuǎn)鉆鉆桿所需需功率（（KW）1.Nh=N1+N2+N3的計算N1=其中：m---鉆鉆頭切削削刀數(shù)取取m=4n---轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)鉆鉆進時時=26r/minh---轉(zhuǎn)進速速度試試取h=0.8cm/minδ---巖石抗抗壓強度度其其值值見表3-1A---井底破破碎環(huán)狀狀面積A=2.N2=δ×f×e××n×(R+r)/1944800式中：f---鉆具與與巖石之之間的摩摩擦系數(shù)數(shù)f=0.5e---側(cè)摩擦擦系數(shù)e=1.1R---鉆頭外外圓半徑徑R=200cmr---鉆頭內(nèi)內(nèi)孔半徑徑r=0cm3.N3=(當n<200r/min時時)式中：L---孔深取取L=8000mmd---鉆桿直直徑d=100mmγ---沖洗液液比重γγ=1.5將上述參參數(shù)及轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤的不不同轉(zhuǎn)速速分別代代入以上上各式，，所得值值列表3—2中。3.2當當鉆鉆機進行行沖擊鉆鉆進時功功率計算算沖擊卷揚揚機的提提升能力力為60KN提升速度度V（（m/s））0.40.50.6所需功率率P=FVP(KW)為為243036變速器的的傳遞效效率η=0.8所需電機機的功率率P電=45KW根據(jù)表3-2可可知，鉆鉆進時所所需的最最大功率率為51.59KW沖擊時，，轉(zhuǎn)盤不不工作，，根據(jù)現(xiàn)現(xiàn)場需要要，電機機的選擇擇偏大些些，加大大儲備系系數(shù)，這這樣可以以提高鉆鉆進效率率。按鉆鉆進時選選擇電機機P=55KW。通過查閱閱機械設(shè)設(shè)計手冊冊，經(jīng)過過計算，，電機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速1480r/min,每每天工作作16小小時以以上，則則電機功功率選為為55KW55KW電機實實物圖如如下圖所所示：第二個問問題：帶帶輪選擇擇有了動力力就需要要傳導機機械能，，帶輪在在傳導能能量的過過程中起起著至關(guān)關(guān)重要的的作用，，那么應(yīng)應(yīng)該選取取何種類類型的帶帶輪，選選幾根呢呢？第4章帶帶輪選擇擇軸轉(zhuǎn)速793.8r/min,電電機轉(zhuǎn)速速1480r/min,每天天工作16小小時以上上，=55KW工作作原原理理如如圖圖4-1所所示示：：1.設(shè)設(shè)計計功功率率Pd=kAP電查：：工工況況系系數(shù)數(shù)kA=1.6Pd=1.6××55=88KW2.選選定定帶帶型型根據(jù)據(jù)Pd=88KWn1=1480r/min確定定帶帶型型為為C型型dd=200～～315mm3.傳傳動動比比i==1.86（（4——2））4.小小帶帶輪輪直直徑徑=355mm大帶帶輪輪直直徑徑=355i=661.88mm取=630mm5.軸軸的的實實際際轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速=（（4——3））由式式（（4——3））得得：：==825.6r/min6.帶帶速速V=（（4——4））由式式（（4——4））得得：：V==27.5m/s7.初初定定軸軸間間距距a0=1500mm8.所所需需基基準準長長度度Ld0=2a0+（（+））+（（4——5））由式式（（4——5））得得：：=2××1500+=4565.4mm查取取=4500mm9.實實際際軸軸間間距距（4——6））取=1467.3mm10.小小帶帶輪輪包包角角=-=（（4——7））11.單單根根V帶帶基基本本額額定定功功率率由=200mm和和=1480r/min查查得得C型型帶帶=14012KW12.V帶帶的的根根數(shù)數(shù)Z=（（4——8））———小小帶帶輪輪包包角角修修正正系系數(shù)數(shù)=0.96———帶帶長長修修正正系系數(shù)數(shù)=1.04由式式（（4——8））取Z=6根根ZZ13.單單根根V帶帶預(yù)預(yù)緊緊力力（4——9））m————帶帶的的每每米米質(zhì)質(zhì)量量m=0.3由式式（（4——9））:=654.65N經(jīng)過過計計算算確定定帶帶型型為為C型型dd=200～～315mm小帶帶輪輪直直徑徑dd1=355mm大帶帶輪輪直直徑徑dd2=630mmV帶帶的的根根數(shù)數(shù)取Z=6根根單根根V帶帶預(yù)預(yù)緊緊力力F0=654.65N實物物圖圖如如圖圖4.3所所示示：：第5章章變變速速箱箱的的設(shè)設(shè)計計與與計計算算5.1變變速速箱箱的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)特特點點變速速箱箱為為二二軸軸一一級級變變速速箱箱，，有有三三擋擋變變速速，，由由單單、、雙雙聯(lián)聯(lián)齒齒輪輪滑滑移移實實現(xiàn)現(xiàn)變變速速。。變變速速箱箱內(nèi)內(nèi)有有正正、、反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)裝裝置置，，由由雙雙向向牙牙嵌嵌離離合合器器實實現(xiàn)現(xiàn)，，單單向向牙牙嵌嵌離離合合器器實實現(xiàn)現(xiàn)卷卷揚揚機機離離合合。。5.2結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)計計算算5.3錐錐齒齒輪輪計計算算5.4齒齒輪輪校校驗驗5.5變變速速箱箱軸軸的的計計算算5.6軸軸的的校校核核由于時間原原因，其余余問題不再再贅述，在此僅對變速箱軸的的計算進行行探討。前邊兩個問問題都是確確定具體類類型，第三三個問題解解決一個范范圍問題，，變速箱的的軸對于速速度變化有有不可或缺缺的作用，，那么軸的的直徑至少少要多大才才能保證其其正常的運運轉(zhuǎn)而不至至于失效呢呢？5.5變變速箱箱軸的的計算算公式（（5—12））式中d——軸的的最小直徑徑mmT——軸傳傳遞的額定定轉(zhuǎn)矩——軸的許許用轉(zhuǎn)應(yīng)力力軸的材料為為40Cr，查取取=40～52取=405.4.1一軸由轉(zhuǎn)速功率P=55KW，確定軸軸的最小直直徑，由式（5——12）得得：軸最小小直徑為:一軸為矩形形花鍵軸傳傳動，查手手冊取d=46mm矩形花鍵軸軸為：5.4.2二軸由最低轉(zhuǎn)速速為:由式（5——12）得得：軸最小小直徑為：：二軸為矩形形花鍵軸傳傳動，查手手冊取d=72mm矩形花鍵軸軸為：5.4.3三三軸在設(shè)計過程程中二軸與與三軸的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速相同，，故兩軸的的最小軸徑徑相等，三三軸的最最小軸徑為為：第6章鉆鉆機其余余部分零件件的選擇6.1聯(lián)聯(lián)軸器的的選擇通過計算，，查取下表表，選擇擇聯(lián)軸器為為：SWP-B200型（（JB/T3241-2004）實物圖如下下圖圖6.2減減速器齒齒輪安排輸入轉(zhuǎn)速為為（r/min）：：167、、261、、519輸出轉(zhuǎn)速為為（r/min）：：65、85、105、130、210、260具體數(shù)據(jù)詳詳見說明書書，在此不不再贅述?。〗Y(jié)論論目前，我國國加大基礎(chǔ)礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)設(shè)，工程建建設(shè)機械市市場前景愈愈來愈廣闊闊，需求量量越來越大大，工程鉆鉆機作為建建設(shè)機械中中維護地基基的主要機機械，市場場需求亦相相應(yīng)的大量量增加。這這是本設(shè)計計的主要產(chǎn)產(chǎn)生原因之之一。我所做的GCPS-20型鉆鉆機設(shè)計是是在GPS-20型型鉆機的基基礎(chǔ)上改進進的，專門門用于建設(shè)設(shè)施工的專專門鉆機。。產(chǎn)品的目目的在于以以最低的成成本，實現(xiàn)現(xiàn)產(chǎn)品必要要的功能，，從而達到到用戶滿意意，增加制制造企業(yè)和和用戶的經(jīng)經(jīng)濟效益，，將價值工工程運用到到工程鉆機機設(shè)計中，，從分析產(chǎn)產(chǎn)品的功能能出發(fā)，然然后分析產(chǎn)產(chǎn)品的成本本，進行功功能與成本本比較，從從而判斷產(chǎn)產(chǎn)品的價值值，使工程程鉆機動性性價比更高高。此鉆機主要要用于深基基礎(chǔ)工程和和連續(xù)墻以以及水利工工程、橋梁梁工程的發(fā)發(fā)展與需要要，結(jié)合大大口徑鉆機機灌注樁和和地下連續(xù)續(xù)墻施工的的特點，為為解決在復(fù)復(fù)雜地層、、硬巖中成成孔而研制制，在設(shè)計計中盡可能能的簡化結(jié)結(jié)構(gòu)，降低低成本。本鉆機利用用國內(nèi)外先先進技術(shù)和和成功經(jīng)驗驗，結(jié)合我我國國情和和鉆機的具具體使用要要求。力求求簡單和適適用，采用用純機械系系統(tǒng)盡可能能地利用最最少的液壓壓元件來實實現(xiàn)鉆機所所具備的各各種動作。。這樣，能能夠降低故故障發(fā)生概概率，提高高能量利用用率和鉆機機的可靠性性，降低工工人勞動強強度。該鉆機的優(yōu)優(yōu)點為：為為適應(yīng)野外外各種鉆探探作業(yè)，該該鉆機可采采用柴油機機或電動機機驅(qū)動；原原動機、變變速箱、傳傳動箱分體體式設(shè)計，，便于拆卸卸、安裝、、移動和運運輸。由于于該鉆機結(jié)結(jié)構(gòu)簡單無無論是使用用還是維修修在費用方方面都是十十分經(jīng)濟的的。在市場前景景廣闊和成成本降低的的措施下，，本設(shè)計可可以達到預(yù)預(yù)期的目的的，具有開開發(fā)價值。。致謝謝四年的大學學生活即將將結(jié)束，在在這四年里里我學會了了不少的東東西，無論論在學習上上、生活中中、思想上上都有很大大的轉(zhuǎn)變，，從一開始始帶著家人人的殷切希希望，懷著著充實自我我，掌握一一技之長，，為以后找找工作，實實現(xiàn)自己的的人生價值值的目標作作努力，到到最后找工工作進一步步接觸社會會，學到一一些從理論論上學不到到東西，增增加了許多多經(jīng)驗，這這一切的成成果都離不不開眾多可可敬師長諄諄諄教導、、不厭其煩煩的耐心講講解傳授，，以及許多多同學、朋朋友的坦誠誠相見、砥砥勵共勉；；加上自己己對本專業(yè)業(yè)有一定的的興趣，特特別是在畢畢業(yè)設(shè)計期期間，大家家更是同心心努力希望望自己把設(shè)設(shè)計搞好，，因為這是是四年大學學生活最后后的收尾工工作，它是是我們平時時對我們所所學的課程程理解，接接受能力，，熟知程度度，以及記記憶能力的的一個體現(xiàn)現(xiàn)。在這四四年中，從從基礎(chǔ)課到到專業(yè)課四四五十門，，但這都是是零散的，，成塊吸收收，而最終終的畢業(yè)設(shè)設(shè)計就是把把這些零散散、成塊的的知識有條條理、系統(tǒng)統(tǒng)化，綜合合運用。達達到檢驗所所學程度的的目的，既既是對綜合合運用知識識的能力的的培養(yǎng)，又又是為將來來走上工作作崗位的做做的一次實實戰(zhàn)模擬。。參考文獻濮良貴﹒紀紀明剛﹒機機械設(shè)計（（第八版））﹒高等教教育出版社社，2007趙運才﹒機機電工程專專業(yè)英語﹒﹒北京大學學出版社﹒﹒2006施平﹒機械械工程專業(yè)業(yè)英語（第第八版）﹒﹒哈爾濱工工程大學出出版社，2007胡家秀﹒簡簡明機械零零件設(shè)計使使用手冊﹒﹒機械工業(yè)業(yè)出版社﹒﹒1999《現(xiàn)代機械械傳動手冊冊》編輯委委員會﹒現(xiàn)現(xiàn)代機械傳傳動手冊﹒﹒2001王世剛﹒張張春宜，徐徐起賀﹒機機械設(shè)計實實踐﹒哈爾爾濱工程大大學出