毕业设计论文GCPS—20复合式多功能型钻机设计

《毕业设计论文GCPS—20复合式多功能型钻机设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文GCPS—20复合式多功能型钻机设计（39页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、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。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。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 AbstractThe types GCPS-20 drill

2、the machine is a kind of compound type multi-function drill the machine, in order to adapt the our country development and demands of the deep foundation and consecution wall and marine hydraulic engineering, the bridge engineering, combine the big caliber to drill the machine to infuse to note the

3、stake and the characteristics of underground continuous wall construction, in order to solve to become the bore but research to manufacture in complicated geologic strata, hard rock, significant exaltation of ability of special egg stone layer, sill, the stone layer construction efficiency, is a mor

4、e economic valid method in variously become the bore method.Drill the machine is to gather the turn-over and pound at to drill into the craft in the integral whole of multi-function and compound type drill the machine, can used for to overlay the layer the fourth century while using to turn the dish

5、 turn-over to drill into, can used for the hard rock geologic strata of egg stone, ash rock, granite.etc. while pounding at to drill into.Drill the characteristics of the machine originally is a structure simple, tightly packed, and various operation hand handle arrange reasonable, operate in brief,

6、 easy to usage and support.Keyword：The impact drill into Become soon box Deceleratethe machine Turn the dishVI 目 录摘 要IAbstract II第1章 绪论 11.1 项目的研究意11.2 国内外科技现状11.3 设计产品的用途和应用领域1第2章 钻机的总体设计 22.1 总体布局设计22.1.1 传动系统22.1.2 气动系统22.1.3 电气系统22.1.4 工具系统22.1.5 各部件的功能22.2 主要设计参数32.3 主要性能特点4第3章 动力机确定 53.1 按钻头钻进

7、所需功率计算53.2 按钻机冲击钻进所需功率计算7第4章 带轮选择 9第5章 变速箱的设计及计算125.1 变速箱的结构特点 125.2 结构计算 12 5.2.1 初步选定 12 5.2.2 选定变速箱传动公比 12 5.2.3 按弯曲强度确定齿轮模数 13 5.2.4 按接触强度确定齿轮分度圆直径与中心距 14 5.2.5 齿宽的确定 15 5.2.6 齿轮齿数确定 16 5.2.7 计算齿轮相关参数、确定齿轮 165.3 锥齿轮计算 17 5.3.1 初步计算 17 5.3.2 几何计算 175.4 齿轮校验 22 5.4.1 齿轮受力分析 22 5.4.2 齿轮传动齿面接触疲劳强度校核

8、 22 5.4.3 齿轮传动齿根弯曲疲劳强度校核 255.5 变速箱轴的计算 27 5.5.1 一轴计算 27 5.5.2 二轴计算 27 5.5.3 三轴计算 285.6 轴的校验 28 5.6.1 按转矩计算 28 5.6.2 轴上受力分析 29 5.6.3 求支反力 29 5.6.4 作弯矩和转矩图 30 5.6.5 确定危险截面及安全系数校核计算 33第6章 转盘的计算366.1 转盘输出转速 366.2 大、小锥齿轮计算 36 6.2.1 初步计算 36 6.2.3 几何计算 376.3 锥齿轮齿面接触疲劳强度校验 42 6.3.1 计算公式 42 6.3.2 许用接触应力计算 43

9、 6.3.3 齿面接触强度校核结果 446.4 齿根抗弯疲劳强度校核 44 6.4.1 计算公式 446.4.2 齿根许用弯曲应力计算 456.4.3 齿根弯曲强度校核结果 466.5 转盘轴结构计算 46第7章 钻机其余部分零部件选择 487.1 联轴器的选用 487.2 减速器齿轮安排 48第8章 钻机的维护保养 518.1 钻机维护保养的重要性 518.2 维护保养要求 518.3 主要部件保养项目 52 8.3.1 转盘 52 8.3.2 变速箱 52 8.3.3 减速器 52 8.3.4 主、副卷扬机 52 8.3.5 水龙头 52 8.3.6 钻具 53 8.3.7 冲击卷扬机 5

10、3 8.3.8 气路系统 53 8.3.9 传动链条 53 8.3.10 冲击钢丝绳53 8.3.11 气胎离合器53 8.3.12 主离合器548.4 安全操作注意事项 54第9章 经济性分析56第10章 专题 水平定向钻机的结构探讨 58结 论64致 谢65参考文献 66附录1中文（译文） 68附录2英文（原文） 74第1章 绪 论1.1 项目的研究意义随着国家基本建设的投入持续增长,尤其是像京沪高速铁路、奥运场馆等一批国家重点项目的陆续启动,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

11、岗岩等硬岩石地层，就不得不改变钻进方位，或另钻它孔，为解决此问题在老师的指导下我设计这台带有冲击钻的多功能复合型钻机，它可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!1.2 国内外的科技现状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

12、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设计产品的用途和应用领域这台钻机设计为散装式转盘冲击、回转复合式多功能钻机，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。第2章 钻机的总体设计2.1 总体布局设计 钻机由底座、传动装置、减速器（分动箱）、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。2.1.

13、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。2.1.2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。2.1.3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。2.1.4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。2.1.5各部件的

14、功能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机构，通过大锥齿、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、付卷扬机 主、付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

15、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。2.2 主要设计参数1. 冲击卷扬机 提升能力 （kN） 60提升速度 （m/s） 0.4 .05 0.62. 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, 1.69 0.31, 0.46, 0.77, 1.156. 转盘转速 (r/min)

16、 13, 17, 21, 26, 42, 527. 主机动力型号(功率) YD280S 55 KW (1480 r/min )8. 钻塔额定负载 ( kN) 1809. 空压机型号( 排量，压力) UB 300500 （3.55 /min, 0.8 MP）10. 配备砂石泵型号（型号） 6BS (180/h) 或8BS（340 /h）11. 外型尺寸 （长X宽X高） 10000X2400X170012. 重量 主机重量 （t） 10.4 全套设备总重 （t） 282.3 主要性能特点这台钻机的主要性能特点是：1. 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

17、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. 最大钻孔直径为2000毫米；3. 钻机为机械传动，机械、液压操动，操作方便、可靠；4. 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；5. 整套设备安装在滑撬式底座上，对孔就位方便，机动性强6. 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、方便；7. 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；8. 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；9. 钻进可采用加重块加压（

18、根据不同地层选用）；10. 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. 整机尺寸设计合理，便于汽车运输及安装；12. 动力为电机；13. 经济耐用、性能可靠。第3章 动力机确定根据现场需要，动力机的选择偏大些，加大储备系数，这样可以提高钻进效率。3.1 按钻头所需功率计算 设电机输出实际功率为N。N。1.2Nj式中：Nj钻机所需功率 KW Nj（NhNy）/式中: Nh回转钻进所需功率 （KW） 效率 =0.8 Ny油泵所需功率 （KW） Nh=N1+N2+N3式中: N1井底破碎岩石、土层所需功率 （KW） N2钻头与孔底摩擦所需功率 （KW） N3回转钻杆所需功

19、率 （KW）1. Nh=N1+N2+N3的计算N1=其中： m-钻头切削刀数 取m=4 n-转盘转数 钻进时 =26 r/min h-转进速度 试取h=0.8cm/min -岩石抗压强度 其值见表3-1 A-井底破碎环状面积 A=2. N 2=fen(R+r)/1944800式中： f-钻具与岩石直间的摩擦系数 f=0.5 e-侧摩擦系数 e=1.1 R-钻头外圆半径 R=200cm r-钻头内孔半径 r=0cm3. N3= (当n200r/min时) 式中： L-孔深 取L=8000mm d-钻杆直径 d=100mm -冲洗液比重 =1.5将上述参数及转盘的不同转速分别代入以上各式，所得值列

20、表 32中。表 3 - 1岩 石 名 称抗 压 强 度 （N/cm2）大理石、石灰岩1000煤2000粘土、页岩、片状砂岩4000表 3 - 2N (KW)或C(N/cm2 )13r/min17 r/min21 r/minN110005.836.236.57200011.6512.4613.14400023.3124.9326.29N210000.370.480.5920000.740.961.1940001.481.922.38N30.490.771.10N回10006.697.488.26200012.8814.1915.43400025.2827.6229.77N (KW)或C(N/cm

21、2 )26r/min42 r/min52r/minN110006.937.818.24200013.8215.5616.42400027.6337.1140.55N210000.741.191.4720001.472.382.9440002.944.765.88N31.593.595.16N回10009.2611.5914.87200016.8821.5326.52400032.1645.4651.593.2 当钻机进行冲击钻进时功率计算冲击卷扬机的提升能力为 60KN提升速度 V（m/s） 0.4 0.5 0.6所需功率 P=FV P (KW) 为 24 30 36变速器的传递效率=0.8所

22、需电机的功率 =45KW钻进时所需的最大功率为 51.59 KW冲击时，转盘不工作，按钻进时选择电机 P=55KW。第4章 带轮选择轴转速 793.8 r/min ,电机转速 1480 r/min, 每天工作16 小时以上，=55KW1. 设计功率 = 查：工况系数=1.6 =1.655=88KW2. 选定带型 根据=88KW =1480 r/min确定带型为 C型 =200315mm3. 传动比 i=1.864. 小带轮直径 =355 mm 大带轮直径 =355i =661.88 mm 取 = 630 mm5. 轴的实际转速 =825.6 r/min6. 带速 V = = = 27.5 m/

23、s7. 初定轴间距 = 1500 mm8. 所需基准长度 = 2+（+）+ =21500 + =4565.4 mm 查取 =4500 mm9. 实际轴间距 取 =1467.3 mm10. 小带轮包角 = - = 11. 单根V带基本额定功率 由 = 200 mm 和 =1480 r/min 查得C型带 =14012 KW 考虑传动比的影响，额定功率的增量 12. V带的根数Z = 小带轮包角修正系数 = 0.96 带长修正系数 = 1.04= 5.78取 Z= 6根13. 单根V带预紧力 m 带的每米质量 m= 0.3 = 654.65 N 第5章 变速箱的设计与计算 5.1 变速箱的结构特点

24、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。 5.2 结 构 计 算5.2.1 初步选定转盘所需的转速为：10、15、24、30、33、65减速器有两挡减速，传动比为 再由转盘转速可知，变速器的处定转速为1015243033650.0591602505000.13160250500由表可知变速箱输出转速 (r/min) :160、250、5005.2.2 选定变速箱公比：=1.26在变速箱中锥齿轮降速，二轴的转速为（r/min） ： 5001.26=630 2501.26=315 1601.26=2

25、02确定一轴最高转速为：=6301.26=793.8 r/min确定一轴其余传动比为： = = 2.52 = = = 3.9 = 5.2.3 按弯曲强度确定齿轮模数 由公式 式中： k 载荷系数，一般取 k=1.22 取 k=1.5 小齿轮传递的额定转矩 NM = 636.7 r/min 复合齿形系数 取 =4.5 齿宽系数 取 =20 小齿轮齿数 试取 =19 许用弯曲应力 = 齿轮选用气体渗碳处理的许用应力取=1300 接触强度计算的最小安全系数 取 = 1.1 = = 1300/1.1 =1181.8 N/计算 = 2.87 试取 m = 4 mm5.2.4 按接触强度确定齿轮分度圆直径

26、与中心距 由公式 得 式中 K载荷系数 取 K = 1.5 ; 小齿轮传递的额定转矩（Nm）; u 齿数比 u= 3.9 齿宽系数 = 1.0526 许用接触应力 = 实验齿轮的接触疲劳极限应力（N/） 取 = 1300 接触强度计算的最小安全系数 取 = 1.1 = = = 1181.8 N/计算= 7660.0935 = 71.62 mm =419= 76 mm经计算，齿轮可用。5.2.5 齿宽的确定 由公式 已知 =20 = 19 = = 1.0526 由公式 式中 b 齿宽 齿轮分度圆直径 =419= 76mm = 1.052676 = 80 mm5.2.6 齿轮齿数确定传动比 齿数和

27、 s = 95 1.2642532.5127 683.9 19765.2.7 计算齿轮相关参数、确定各齿轮详见表 中心距 = 142.5 mm齿轮齿数模数 分度圆直径齿顶高齿根高全齿高齿顶圆直径齿根圆直径194764598466764304459312294274108459116986842724592802624241684592761585342124592202025.3 锥齿轮计算5.3.1 初步计算 由设计公式 得 载荷系数 K= 1.5 齿数比 1.26估算时的齿轮许用接触应力 估算结果 mm5.3.2 几何计算（1） 齿数 取 =48 =1.2648=60.48 取 =60 实

28、际齿数比为 = =1.25（2） 分锥角 =37.9 （3） 大端模数 =3.315 mm 取 =5 mm（4） 分度圆直径 = =548=240 mm = =560=300 mm（5） 外锥距 = 193.72（6） 齿宽系数 取 =0.3 b =58.116 mm 取 b=55 mm 实际齿宽系数 =0.284（7） 中点模数 =（1-0.5）=4.29 mm 中点分度圆直径 =205.9 mm =257.4 mm（8） 切向变位系数 =0 =0 高变位系数 =0 =0（9） 顶隙 0.25 =1 mm (GB12369-1990)（10） 大端齿顶高 mm =5 mm 大端齿根高 mm

29、mm 全齿高 h=11 mm 齿根角 齿顶角 =1.77 = 1.77（11） 顶锥角 根锥角 （12） 大端齿顶圆直径 mm（13） 冠顶距 （14）大端分度圆弧齿厚 mm（15） 大端分度圆弦齿厚 mm （16） 当量齿数 当量齿轮分度圆直径 当量齿轮顶圆直径 mm当量齿轮根圆直径 当量齿轮传动中心距 当量齿轮基圆齿距 （17） 啮合线长度 =143.38 mm（18） 端面重合度 （19） 齿中部接触线长度 齿中部接触线的投影长度 5.4 齿 轮 校 验经设计可知，齿轮、在较高的转速下工作，承受较大的载荷，在变速过程中又受较小的冲击，故校验齿轮、。5.4.1 齿轮的受力分析直齿轮端面分度

30、圆上的额定圆周力 式中 T齿轮额定转矩 d 齿轮分度圆直径 d=304mm 额定圆周力 5.4.2 齿轮传动齿面接触疲劳强度校核齿面接触疲劳强度条件： （1）由公式 得： 式中：节点区域系数 取=2.5 材料弹性系数 取=189.8 接触强度计算的重合度与螺旋角系数 取=1 齿宽（mm） b=80 mm 小齿轮分度圆直径（mm） =76 mm 传动比 =3.9 使用系数 取 =1.35 动载系数 = 式中 、 齿轮精度系数 7级精度=26.8 =0.0193小齿轮齿数 =19 圆周速度 =nr=0.5m/s= =1.02 取 = 1.02 齿向载荷分布系数 = =1.379 取 =1.4 齿间

31、载荷分配系数 取=1.1 计算应力 = 1403.09 N/ （2）许用应力计算由公式 式中 许用接触应力 （N/） 实验齿轮的接触疲劳极限应力 （） = 1300 接触强度计算的寿命 取=1.2 润滑油膜影响系数 取 =0.95 工作硬化系数 取 =1.0 接触强度计算的尺寸系数 取 =0.963 接触强度最小安全系数 取 = 1.00计算许用应力 故安全，可用。5.4.3 齿轮传动齿根弯曲疲劳强度校核计算 强度条件 （1） 由公式 得： 式中 计算弯曲应力 （） 法面模数 （mm） 齿向载荷分布系数 = =1.4 齿间载荷分配系数 = =1.1 复合齿形系数 取= 4.5 抗弯强度计算的重

32、合度与螺旋角系数 =1.0计算弯曲疲劳强度 = 483.65 （2） 许用应力 式中 许用弯曲应力 （） 齿轮材料的弯曲疲劳强度基本值 （） 取 = 800 抗弯强度计算的寿命系数 取 =1.2 相对齿根圆角敏感性系数 取 =0.7 相对表面状况系数 取 = 1 抗弯强度计算的尺寸系数 取 =0.95 弯曲强度最小安全系数 取 =1.0许用弯曲应力 故安全，可用。5.5 变 速 箱 轴 的 计 算 由公式 得：式中 轴的最小直径 mm轴传递的额定转矩 轴的许用转应力 轴的材料为 ，查取= 4052 取=40 5.5.1 一轴 由转速 功率 P=55KW，确定轴的最小直径， 轴最小直径为 一轴为

33、矩形花键轴传动，查手册取d=46 mm矩形花键轴为：5.5.2 二轴 由最低转速为 轴最小直径为 一轴为矩形花键轴传动，查手册取d=72mm矩形花键轴为：5.5.3 三轴 在设计过程中二轴与三轴的转速相同，故两轴的最小轴径相等， 三轴的最小轴径为 5.6 轴 的 校 核 通过设计可知，变速箱三轴承受的转矩、弯矩最大，故校核三轴。轴的材料为，经调质处理，查得材料力学性能数据为：硬度 抗拉强度 屈服点 弯曲疲劳极限 扭转疲劳极限 许用静应力 许用疲劳应力 5.6.1 按转矩计算 最小轴径为 式中 A按定的系数 取 A= 100 P功率 P=55 KW 最小转速 =202 r/min 计算得 故安全。5.6.2 轴上受力分析轴传递的转矩 圆柱齿轮圆周力 式中 三轴圆柱齿轮分度圆直径 mm径向力 锥齿轮圆周力 式中 三轴锥齿轮分度圆直径 mm径向力 轴向力 5.6.3 求支反力 （1）在水平面内的支反力 由得 A点的支反力为： （2） 在垂直平面内的支反力由得 A点的支反力为：5.6.4 作弯矩和转矩图 受力分析及转矩见图5-1。（1）齿轮作用在水平面的弯矩图 （2）齿轮作用在垂直平面内的弯矩图 （3）合成弯矩图 （4）作转矩图 33