工程钻机的设计

工程钻机的设计学生姓名：宋欣欣所在院（系）：机电学院所学专业：机电技术教育导师姓名：牛爱青摘要以水平定向钻机为背景，水平定向钻机的主要结构主要包括：底盘结构、发动机系统结构、动力头结构、钻杆装卸的结构、虎钳的结构、锚固装置的结构、导向系统、泥浆系统的结构。GCPS—20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，用钻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：水平定向钻机冲击钻进变速箱减速器AbstractTakingHorizontalDirectionalDrillingRigasthebackground,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:HorizontalDirectionalDrillingRigTheimpactdrillintogearboxspeedreducer第1章绪论1.1项目的研究意义随着西气东输、京沪高速铁路等一批国家重点项目的陆续启动,国家对基本建设的投入持续增长,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。1.3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凿，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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。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。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。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。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。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）0.4.050.62.冲击行程(m)0.5—43.冲击次数(1/min)6—144.冲锤质量(kg)3000—50005.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0.31,0.46,0.77,1.156.转盘转速(r/min)13,17,21,26,42,527.主机动力型号(功率)YD280S55KW(1480r/min)8.钻塔额定负载(KN)1809.空压机型号(排量，压力)UB300—500（3.55/min,0.8MP）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）10000X2400X170012.重量主机重量（t）10.4全套设备总重（t）28第一个问题：电机确定工程钻机动力来源于电机，电机小了，无法达到设计要求，大了就会造成资源的浪费，应该选取多大功率的电机才合适呢？第3章电机确定根据现场需要，电机的选择偏大些，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＝（Nh＋Ny）/η式中:Nh—回转钻进所需功率（KW）η—效率η=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=26r/minh---转进速度试取h=0.8cm/minδ---岩石抗压强度其值见表3-1A---井底破碎环状面积A=2.N2=δ×f×e×n×(R+r)/1944800式中：f---钻具与岩石之间的摩擦系数f=0.52222()/4(1000)/47850Ddcm3060000/43Amnh3060000/43Amnh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=0cm3.N3=(当n200r/min时)式中：L---孔深取L=8000mmd---钻杆直径d=100mmγ---冲洗液比重γ=1.5将上述参数及转盘的不同转速分别代入以上各式，所得值列表3—2中。7.1211108.7nLd3.2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）0.40.50.6所需功率P=FVP(KW)为243036变速器的传递效率η=0.8所需电机的功率P电=45KW根据表3-2可知，钻进时所需的最大功率为51.59KW冲击时，转盘不工作，根据现场需要，电机的选择偏大些，加大储备系数，这样可以提高钻进效率。按钻进时选择电机P=55KW。通过查阅机械设计手册，经过计算，电机转速1480r/min,每天工作16小时以上，则电机功率选为55KW55KW电机实物图如下图所示：第二个问题：带轮选择有了动力就需要传导机械能，带轮在传导能量的过程中起着至关重要的作用，那么应该选取何种类型的带轮，选几根呢？第4章带轮选择轴转速793.8r/min,电机转速1480r/min,每天工作16小时以上，=55KW工作原理如图4-1所示：1.设计功率Pd=kAP电查：工况系数kA=1.6Pd=1.6×55=88KW2.选定带型根据Pd=88KWn1=1480r/min确定带型为C型dd=200～315mm3.传动比i==1.86（4—2）4.小带轮直径=355mm大带轮直径=355i=661.88mm取=630mm1480/min793.8r1dd2dd2dd2dd5.轴的实际转速=（4—3）由式（4—3）得：==825.6r/min6.带速V=（4—4）由式（4—4）得：V==27.5m/s7.初定轴间距2n121(1)ddndd2n(10.01)1480355630(10.01)14803556