毕业设计论文-工程钻机设计

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1、目 录摘 要IAbstract II第1章 绪论 1 项目的研究意1 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2.1 传动系统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 5 按钻头钻进所需功率计算5 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 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 按接触强度确

2、定齿轮分度圆直径与中心距 14 齿宽的确定 15 齿轮齿数确定 16 计算齿轮相关参数、确定齿轮 165.3 锥齿轮计算 17 初步计算 17 几何计算 175.4 齿轮校验 22 齿轮受力分析 22 齿轮传动齿面接触疲劳强度校核 22 齿轮传动齿根弯曲疲劳强度校核 255.5 变速箱轴的计算 27 一轴计算 27 二轴计算 27 三轴计算 285.6 轴的校验 28 按转矩计算 28 轴上受力分析 29 求支反力 29 作弯矩和转矩图 30 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 初步计算 36 几何计算 376.3

3、 锥齿轮齿面接触疲劳强度校验 42 计算公式 42 许用接触应力计算 43 齿面接触强度校核结果 446.4 齿根抗弯疲劳强度校核 44 计算公式 44 齿根许用弯曲应力计算 45 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 48 联轴器的选用 48 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 转盘 52 变速箱 52 减速器 52 主、副卷扬机 52 水龙头 52 钻具 53 冲击卷扬机 53 气路系统 53 传动链条 53 冲击钢丝绳53 气胎离合器53

4、 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

5、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.

6、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。2.1.1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

7、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

8、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 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

9、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） 6043. 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) 306. 转盘转速 (r/min) 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8

10、BS（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） 28 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

11、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（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

12、N。j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 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=cm/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 e-侧摩擦系数 R-钻头外圆半径 R

13、=200cm r-钻头内孔半径 r=0cm3. N3= (当n,该轴H截面是安全的。 第6章 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 初步计算 （1）按齿面接触强度计算 由设计公式 得 式中： 载荷系数 K= 1.5 齿数比 5 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由式得： 式中 K

14、载荷系数 取 K=1.5 复合齿形系数 取= 4.6 小齿轮齿数 =18 齿轮许用弯曲应力 = 式中 抗弯强度=600 抗弯强度的安全系数 =计算 取 =16 mm（3）齿轮齿数 = 取 =18 几何计算（1） 齿数 =18 =518=90 （2） 分锥角 = （3） 大端模数 （4） 分度圆直径 = =1618=288 mm = =1690=1440 mm（5） 外锥距 = 734.88 mm（6） 齿宽系数 取 b =220.464 mm 取 b=200 mm 实际齿宽系数 （7） 中点模数 =）=13.8 mm 中点分度圆直径 =248.8 mm =1244.2 mm（8） 切向变位系数

15、 =0 =0 高变位系数 =0 =0（9） 顶隙 16 =3.2 mm (GB12369-1990)（10）大端齿顶高 mm =16 mm 大端齿根高 mm mm 全齿高 h=35.2 mm齿根角 齿顶角 = （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 （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 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 = 1199.10 - 1128.15 = 70.95 mm （18） 端面重合度 （19） 齿中部接触线长度 齿中部接触

16、线的投影长度 6.3 锥齿轮齿面接触疲劳强度校核 计算公式式中 中点分度圆上的切向力 使用系数 =2.25 动载系数 由7级精度和中点节线速度 取=1.1 齿向载荷分布系数 取 =1.2 有效工作齿宽 取 =1.8 端面载荷系数 取 =1 节点区域系数 中点区域系数 式中 参数=2 弹性系数 螺旋角系数 直齿轮 =1 锥齿轮系数 载荷分配系数 =1计算接触应力 许用接触应力 式中 实验齿轮的接触疲劳极限 =1300 寿命系数 =1 润滑油影响系数 =0.95 工作硬化系数 =1 尺寸系数 =1 最小安全系数 许用接触应力值 齿面接触强度校核结果；通过。6.4 齿根抗弯疲劳强度校核 计算公式 式

17、中 复合齿形系数 重合度系数 锥齿轮系数 载荷分配系数 齿根弯曲应力计算值 齿根许用弯曲应力 式中 齿根弯曲疲劳强度基本值 寿命系数 =1 相对齿根圆角敏感系数 =1 相对齿根表面状况系数 =1 尺寸系数 最小安全系数 许用弯曲应力值 齿根弯曲强度校核结果 齿轮安全，可用。6.5 转 盘 轴 结 构 计 算选择轴的材料为45钢，经调质处理，材料力学性能数据为：抗拉强度为 屈服点弯曲疲劳极限 扭转疲劳极限许用静应力 许用疲劳应力轴的最小直径为 式中 A按定的系数 取 A= 100 P功率 P=55 KW 最小转速 =65 r/min 计算得取最小轴径为 轴的结构如图： 第7章 钻机其余部分零件的

18、选择7.1 联轴器的选择减速器与转盘之间用万向节联轴器连接，由减速器输出的最小转速为，传递的功率为55KW，计算转矩为：联轴器的计算功率： 式中联轴器转速系数 轴承寿命系数 联轴器的轴间角系数 载荷性质系数 计算转矩 查取， 选择联轴器为：7.2 减速器齿轮安排1齿数模数 m2 463 262 163 562 0 63 06 1降速比： 输入转速为（r/min）：167、261、519输出转速为（r/min）：65、85、105、130、210、2602输入转速（r/min）一 轴二 轴三 轴传动比转速（r/min）传动比转速（r/min）167167856526126119513010551

19、9519390260315210 2第8章 钻机的维护与保养8.1 钻机维护保养的重要性钻机的使用寿命在很大程度上取决于对它的维护保养，钻机的使用者必须全面的了解钻机的各种结构、作用原理、安全操作、维护保养等各方面的知识，认真的做好维护保养工作，不但能够延长钻机的使用寿命还能防止不必要的机械故障，提高钻机的工作效率和经济效益。 8.2 维护保养的要求 1. 钻机各部表面和机台上，必须保清洁。2. 对各轴承和摩擦副必须经常注意温升情况。轴承温升不大于，最高温升不大于。如超过比值应停车检查。3. 谁时注意各齿轮副和传动件的运转响声，发现异常声响应立即停车检查。4. 随时观察钻机各部件的运转情况，如

20、发现不正常的振动、晃动、位移等现象应及时检查处理。5. 如发现漏油、漏气、非正常漏水、及紧固件松动等现象，应及时检查和消除。6. 经常检查三角皮带及链条的松紧程度和破裂，检查各防护罩的牢固程度，避免发生以外事故。7. 气路系统操作时，要观察气压表是否正常，如有异常现象，应立即修理。8. 按润滑要求及时进行润滑。9. 在气温过低或过高时钻进，在复杂地层中钻进，可适当缩短期。10. 钻机停止使用时，空压机及储气筒中空气应全部排空。11. 本钻机用的润滑油、润滑脂如下：变速箱、减速器和转盘： 120号工业齿轮油（冬季用） 90号工业齿轮油（夏季用） 其他部位润滑油： 润滑脂： 钙基润滑脂 空压机：

21、非溶剂性油 气动三联件： 20号机油8.3 主要部件保养项目 转盘1. 经常检查转盘定位螺栓的松紧，确保转盘工作是稳定2. 经常检查转盘内润滑油是否渗进泥等杂物，并及时清除。检查液面高底，保证正常润滑。3. 定期检查推力轴承间隙大小，并加以调整，避免使转盘产生不必要的冲击和轴承摩损。 变速箱1. 变速箱用油必须干净，清洁2. 定期观察箱内齿轮啮合情况，如影响手把定位，应更换相应的联接件，保证操作的准确性。3. 把手的定位装置要保证弹簧具有一定的力量，避免因振动等原因使手把跳挡。 减速器1. 定期检查润滑油液面高低，确保良好的润滑。2. 定期观察箱内齿轮啮合情况，磨损情况。3. 经常检查与万向轴

22、的联接。 主副卷扬机 1. 适当调节制动带的松紧程度，保证松开时不与卷筒摩擦，制动时凸轮有自锁力。 2. 制动带厚度磨损至少小于3mm时必须更换，如遇制动力不够，经调节无效时，必须检查铜钉是否露或是否有油污，如有应排除。 水龙头 当密封处发现渗漏现象，应适当压紧密封圈。如压紧无效，应确保操作的安全及管路的密封性。 钻具 1. 钻杆、主动钻杆、导正器连接法兰处应涂油防腐，搬运时避免碰坏。 2. 钻杆、钻杆法兰处如有裂纹等影响强度的缺陷，不应下孔。 3. 对可疑杆件应经探伤后，再决定使用否。 4. 冲击钻头的切削刃如磨损需堆焊。 5. 排渣管用O形密封圈需经常检查，如损坏需更换并存有一定量的备件。

23、 冲击卷扬机 检查卷扬与机架，机架与底座的连接螺栓的松紧，确保工作稳定。理顺钢丝绳，防止早期磨损。 气路系统1. 检查各处联接，防止松动。 2. 空压机储气筒使用完毕，打开泻水阀，消除积水；空压机油每5小时更换，并保证压缩机油位在指定范围内；三联件润华油应在上下红线范围内，工作时呈滴状流动，否则应予调整。 传动链条 保证链条适当张紧，松动太多需加以调整并经常加入钙基润滑脂。 冲击钢丝绳 钢丝绳需经常除尘，保持清洁，并涂油润滑；检查绳端夹紧装置，不允许松动；检查钢丝绳的断丝、磨损、变形、锈蚀情况，必要时更换，以确保安全。 气胎离合器 1. 不许用油漆或其它油类摸气胎表面。雨天施工应搭蓬，防止进水

24、引起打滑。 2. 摩擦片磨损3mm后必须更换。 3. 由于长期工作、疲劳、高温、龟裂等原因导致气胎老化而不能正常工作，必须更换气胎。 4. 更换内气胎或摩擦片时，只须拆去两侧挡板及摩擦轮毂即可进行。 主离合器 1. 三角皮带轮支撑轴承处用黄油润滑，加油量不必太多，并注意周围油污的清理工作，防止油污进入摩擦片表面。 2. 为了使皮带轮能空载运转，摩擦片脱开的间隙应为1.5mm，并经常检查三个弹簧弹力大小，随时更换失去弹力的弹簧，以免发生摩擦片脱不开的现象。 3. 防止不必要的离合动作，尽量避免在重负荷下挂合离合器，严禁摩擦片在负载下长时间打滑。遇到发热、冒烟等情况，必须立即脱开检查。如传递力不足

25、，应检查原因并处理。 4. 当发现摩擦片烧毁、老化、脆裂和磨损；铆钉松动和外露，应予更换。8.4 安全操作注意事项 1. 使用钻机前，应先熟悉钻机构造及操作要求。 2. 各防护罩都应固定在正确位置，并时常检查牢固程度。 3. 随时检查钻机和钻塔支承情况，防止因地沉引起的机械和钻塔的倾斜。4. 随时检查钻机各部件固定情况，特别是主、副卷扬机及冲击卷扬机、冲击钻具死绳端固定情况发现异常，应立即采取措施。5. 对各机件的异常响声、变形、发热、冒烟、漏水等不正常情况，必须查出原因及时清除，以防事故。6. 经常检查各手把定位和换挡位置是否正确。7. 操作手把时，不得违反以下原则： （1）主、副卷扬机工作时，提升与刹车手把不得同时扳死。 （2）严禁冲击卷扬离合器手把与转盘离合器手把同时合上。 （3）换挡时必须先脱开离合器，使齿轮降速至将停时换挡，如换挡困难，可以让离合器稍接合，严禁高速运转时挂挡。（4）钻进时如遇蹩钻情况，可停止给进或脱开主离合器手把，情况严重时，须停钻提升钻具。8. 钻塔