管道钻孔机结构设计

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毕业设计说明书（论文）

回转式钻孔机的设计

学生姓名

所学专业 班 级 学 号 指导教师

XXXXXXXXX系

二○**年XX月

目录

一、绪论........................................................................................................................................... 3

1.1打孔机简介与种类 ............................................................................................................ 3 1.2打孔机得发展情况 ............................................................................................................ 4 1.3.研究得背景与意义 ........................................................................................................... 4 二、 总体设计方案确定及动力元件选择 ..................................................................................... 6

2.1总体设计的要求 ................................................................................................................ 6 2.2机型与传动形式得选择 .................................................................................................... 7

2.2.1机型得选择 .............................................................................................................. 7 2.2.2传动形式的选择 ...................................................................................................... 7 2.3 打孔机的整体布局 ........................................................................................................... 7

2.3.1打孔机得总体布局 .................................................................................................. 7 2.3.2打孔机的驱动和动力输入方式 .............................................................................. 8 2.3.3打孔机整体参数确定 .............................................................................................. 8 2.4钻机的功能单元及实现方法 .......................................................................................... 11

2.4.1钻具 ........................................................................................................................ 11 2.4.2回转机构 ................................................................................................................ 11 2.5 电动机的选型 ................................................................................................................. 12 三、 减速装置设计 ..................................................................................................................... 13

3.1传动比确定及各级传动比分配 ...................................................................................... 13 3.2 运动参数及动力参数计算 ............................................................................................. 14

3.2.1 计算各轴转速 ....................................................................................................... 14 3.2.2 计算各轴的功率 ................................................................................................... 14 3.2.2 计算各轴的功率 ................................................................................................... 15 3.3 齿轮传动的设计计算 ..................................................................................................... 15

3.3.1 第一级齿轮传动副的设计计算 ........................................................................... 15 3.3.2第二级齿轮传动副的设计计算 ............................................................................ 18 3.3.3 三级齿轮传动副的设计计算 ............................................................................... 22 3.4 传动轴的设计 ................................................................................................................. 26

3.4.1第一传动轴的设计及计算 .................................................................................... 26 3.4.2第二轴的结构设计及计算 .................................................................................... 29 3.4.3三轴的结构设计及计算 ........................................................................................ 35 3.5减器箱体结构尺寸 .......................................................................................................... 38

3.5.1结构尺寸 ................................................................................................................ 38 3.5.2油标 ........................................................................................................................ 40 3.5.3通气罩 .................................................................................................................... 40 3.5.4.螺塞 ........................................................................................................................ 41

四、链传动设计 ............................................................................................................................. 41

4.1链传动的特点 .................................................................................................................. 41

4.2链的类型 .......................................................................................................................... 42 4.3链传动选择 ...................................................................................................................... 43 五、支架的设计 ............................................................................................................................. 49

5.1.机架设计准则 ................................................................................................................. 49 5.2.支架的效核 ..................................................................................................................... 50

5.2.1 ................................................................................................................................. 50 5.3梁的效核 .......................................................................................................................... 52

5.3.1梁的强度效核 ........................................................................................................ 52 5.4传动轮的设计 .................................................................................................................. 52 六、钻杆钻头的设计 ..................................................................................................................... 53

6.1钻杆在扩孔时的作用 ...................................................................................................... 54 6.2扩孔器 .............................................................................................................................. 54 6.3转速的确定 ...................................................................................................................... 55 6.4钻进液量的确定 .............................................................................................................. 55 6.5管线回拖工艺 .................................................................................................................. 56 6.6导向钻进 .......................................................................................................................... 57

6.6.1钻孔回扩时钻进液的作用 .................................................................................... 57 6.6.3泥浆的蓦本性能 .................................................................................................... 59 6.6.4泥浆处理剂 ............................................................................................................ 60 6.7冲击回转钻进原理 .......................................................................................................... 60

6.7.1冲击回转钻进碎岩特点 ........................................................................................ 60 6.7.2冲击回转钻进优点 ................................................................................................ 61 6.7.3冲击回转钻进时碎岩工具作用的应力分布 ........................................................ 61

七、钻头的设计 ............................................................................................................................. 65

7.1吹洗孔和排粉槽 .............................................................................................................. 66 7.2钻头体硬度 ...................................................................................................................... 67 7.3钻头布齿 .......................................................................................................................... 67 7.4扩孔钻头 .......................................................................................................................... 69 7.5力学模型中的几个简化处理量 ...................................................................................... 71 7.6模型建立 .......................................................................................................................... 71 7.7小结 ................................................................................................................................... 75 八、底座的设计 ............................................................................................................................. 76 结束语 ............................................................................................................................................ 78 参考文献......................................................................................................................................... 78 致 谢 ............................................................................................................................................ 80 翻译部分........................................................................................................................................... 1

英文原文 ................................................................................................................................... 1 中文译文 ................................................................................................................................... 6

一、绪论

1.1打孔机简介与种类

打孔机械广泛应用与桥梁建筑、道路施工等诸多领域。目前，打孔机械已发展成为品种众多、门类齐全的专业化机械。

打孔机的发展也与其他机械发展一样经历了漫长的发展过程。

打孔技术起源于我国。根据古书《川盐纪要》记载，我国早在2200多年前的秦代就开始利用钻探技术凿井取盐。后来钻探技术流传到欧、美。而近代的钻探技术在欧、美发展迅速。

早期的打孔机是由人力驱动的简单冲击式机械，经长期不断演变、发展，成为现代具有机动动力驱动的各种冲击式钻机。冲击式打孔机作为唯一曲钻探机械，在世界上一直沿用了相当长的历史时期。这种打孔机有如下缺点：效率低，只能钻垂直孔；打孔过程中不能及时排出岩屑、土壤等。随着社会生产的不断发展，这种打孔机已逐渐不能适应要求。l 9世纪中期以后，出现了回转式的打孔机。回转式打孔机具有钻进效率高，能钻进各种倾角的钻孔；有利于多种钻探工艺和方法的使用等优点，因此发展很快，井迅速在钻探、穿孔领域中占据了主导地位。

钻探技术虽然起源于我国，并在古代曾有一段兴盛时期．但后来由于经历封建社会的漫长岁月．一直停滞不前，到1949年解放时，我国仍没有自己的钻探穿孔机械制造业。旧中国遗留下来的各类钻探穿孔机也不足百台，新中国成立后，我国的钻探穿孔机械制造业从无到有、从小到大逐步得到涟勃发展。40多年来，我国的钻探机械发展过程大致可分为三个阶段。

第一阶段为50代，是建国初期。新中国刚诞生时，百废待兴，为了尽快恢复相发展生产，一方面从国外引进了部分钻机及配套设备，另一方面积极筹建自己的钻探穿孔机械生产厂和研究设计队伍。

第二阶段为60年代，是自行设计和研制阶段。经过解放后十年的艰苦奋斗，到50年代末，我国已逐步走上自行设计和制造钻探穿孔机械的通路。在这一阶段，我国不仅可以生产钻探穿孔工具和辅助设备，同时，在引进液压钻机的基础上，通过仿制和研制出一批具有我国特点的钻机。

第三阶段为70年代以后，是我国钻探穿孔机械蓬勃发展的时期。70年代以来，我国国民经济有了较大的发展，国家各项公路、桥梁建设迅速发展，各种钻探穿孔工作量大大增加。在这种形势下，我国的钻探穿孔机械制造业也得到迅猛的发展。现在，我国不仅可以成套生产各种钻深机械，而且有许多产品已形成具有我国特点的系列。产品的品种逐渐齐全、质量不断提高、性能也更加完善。某

些产品已接近或达到国际先进水平，并开始进入国际市场。

打孔机的分类很多，采用的钻进方法不同，钻机的结构和组成有较大的区别。按各种钻进方法不同钻孔机可分为以下几种：

1、冲击式打孔机 通过钻头周期性的运动冲击破碎土壤、岩石。 2、回转式打孔机 通过钻头在孔底回转而破碎土壤、岩石的钻机称为回转式钻机，回转式钻机可以完成多种类型的钻孔，是目前数量最多的一种钻机。

3．振动式打孔机 它是采用扳动器迫使钻具产生轴向周期性振动，依靠振动所产生的力使钻头吃入地层，实现钻进。振动式钻机适用于松软地层钻进。

4．复合式打孔机 具备两种以上钻进方法的钻机视为复合式钻机。常用的有冲击—回转复合式钻机及冲击—回转—振动—静压复合式钻机。

1.2打孔机得发展情况

早期得打孔机是由人力驱动得简单冲击式机械，经长期不断演变、发展，成为现代具有机动动力驱动的各种冲击式钻机。冲击式打孔机作为唯一的钻探机械，在世界上一直沿用了相当长的历史时期，这种钻机钻孔有如下缺点：效率低；无法取出完整的岩芯；打孔过程中不能及时排出泥浆等。随着社会生产的不断发展，这种打孔机机已逐渐不能适应要求。19实际中期以后，出现了回转式打孔机。回转式打孔机具有钻进效率高；可取出完整的岩芯；能钻进各种倾角的钻机；有利于各种钻探工艺和方法的使用等优点，因此发展很快，并迅速在钻探领域占据了主导地位。

近年来，随着电子技术的飞速发展，打孔机自动化的进程也在加快。目前，俄、日、美等过已经研制出由电子计算机程序控制的全自动打孔机：另外，有不少国家正在研究新式钻岩技术，如电子束钻、爆炸钻、高压水射流钻、激光钻、火箭喷射钻、弹射钻等等。一旦这些心的钻岩方法研究成功，打孔机也将再次产生根本性的变故。

由打孔机的发展过程可以看出。打孔机的发展取决于两个因素：（1）打孔方法和打孔工艺的发展；（2）冶金工业、机械制造和电子工业等科学技术的发展。

1.3.研究得背景与意义

3.1研究的背景、意义与内容

据国家统计局的资料显示，2000年，全国共有城市666个，其中100万人口以上的城市有34个，我国的城市人口达到4.5亿人，城市人口的增加，将使市政基础设施的增容改造工程量大幅度增加。近几年来，我国一直在重点建设陕北、西南、新疆等地的油、气输送管道，仅新疆库车一郡善输油管道一处就有3.68公里管线需穿越江河、公路、铁路。另外，我国的电信、燃气、供热、电力、有

线电视等部

「〕每年都有大量的管线需要铺设。所有这一切，均为非开挖技术提供了广阔的用武空间，作为非开挖领域最具活力的定向钻进铺管技术，其前景更为可观。 受施工设备和技术的限制，国内定向钻进铺管主要用于粘土、亚粘粉沙土、回填土等松软地层或含有少量卵砾的地层。由于施工设备远远不能满足现场需要，制、开发以及相应的工艺。

每年都有不少施工单位因此而放弃施工任务，仅中国地质科学院勘探技术研究所就岩石定向钻进非开挖铺管一项一年就放弃工程量约400万元，尽管国外有可完成相应地层施工的设备，但价格奇高，单套设备300一500万元，一般施工单位根本无力承受。因此，开发符合中国国情的定向钻进铺管设备和工艺就成为中国钻掘工程技术人员的一项使命。科学技术部科研院所技术开发专项资金项目“西部地区复杂地层非开挖新工艺及新器具研究”(NCSTE一2001一JKZX一185在此背景下孕育而出。作为该课题的子项目一一岩层定向钻进非开挖技术，重点研究岩层中新钻具的研制、开发以及相应的工艺。 3.2打孔机得特点及设计要求

打孔机与其他机械育某些共同之处，但钻机具有独特的生产对象和使用条件．因而形成自身的一些特点。其王耍特点反映在以下几方面： 1.打孔方法扣钻进工艺的多样性

钻机生产采用的钻近方法扣钻近工艺昼多种多样的．就钻近方法而言，按破碎岩石的方式可分为冲击．回转．振动．复合式几种；采集用的破岩材料分为：钻粒钻进、硬合金钻进、金刚石钻进。超硬材料钻进；按是否取芯又分为取芯钻进和全面钻进，就钻进工艺而言按照冲洗液循环方式可分为正循环钻进，局部反循环钻进及全孔反循环钻进，全孔反循环钻进工艺又分为水力反循环，气举反循环‘按照取芯方法可分为常规提钻取芯、连续取芯、绳索取芯。而且随着钻探生产的发展，抖技的进步，会出现更多的钻探方法和钻进工艺。对于某一种具体的钻机，不可能实现所有的钻进方法和钻近工艺。这就产生了能实现不同钻进方法和钻进工艺的各种类型的钻进。 2.使用条件的复杂性

钻进工作的区域广泛，从平原到山区，从陆地到海洋，从地面到地下，从热带到寒带， 几乎地球上的每个地方都可能是钻进工作的地方。不同地区有不同的环境、气候条件，这就带来了钻进使用条件的复杂性。加之钻进属露天作业机械，作业对象为岩石，一般使用易产生污染的泥浆作冲洗液，这进一步造成钻进工作条件的恶化。为适应这些条件，钻进必须满足一些特殊的要求。 3.类型与结构的多样性

由于咱国家需要完成不同类型、不同目的的钻孔，加之钻进方法和钻进工艺的多样性，使用条件的复杂性，要求钻机有多种类型和不同的结构形式。根据不完

全统计，目前世界上各种类型的钻机达上千之多，而且有很多类型差异很大。 4.生产小批量性

打孔机相对交通运输、建筑、轻工业等机械生产的批量小，特别是一些特殊用途的打孔机生产数量更少，

本毕业设计所设计的钻孔机属于回转式钻孔机，主要可应用于短距离路面下方以及建筑物下方的非开挖管道铺设施工。整个设计由总体方案设计、机械传动系统布置、动力部件及连接件选型、钻管支架布置设计、钻管及钻头设计以及钻进土壤的排出装置设计组成，着重进行了传动系统中减速装置设计及较核计算。

二、 总体设计方案确定及动力元件选择

2.1总体设计的要求

打孔机是直接用于钻孔的机械，设计打孔机时，首先应以保证设计的打孔机能高效、地质、安全、低耗完成钻孔为前提，使设计的打孔机技术先进、经济合理，具有良好的经济技术指标。在进行具体设计时，应以满足下述的 要求为依据。 （1）打孔机的性能及其参数应具有广泛的适应性，能根据不同地层，不同钻进方法及不同的钻头类型和结构实现合理的钻进规程参数。

（2）要配备必要的检测及指示仪表，以便及时掌控和控制打孔机的运转和孔内钻进情况

（3）打孔机应能传递足够的动力，保证各工作机构正常工作的性能 （4）应具有较强的孔处理孔内事故的能力和完成特种功能的性能。 （5）运转平稳，震动小，打孔时对钻杆的导向性好。

（6）自动化、机械化程度要高；钻进过程中最理想的是打孔机能根据孔内情况自动调节和控制打孔参数；及时选择、调整和保持最优钻进工程。

（7）为提高打孔机生产可靠性，应设备必要的过载保护装置和互锁机构；重要机构要配备重复装置。

（8）打孔机还应满足机械设备的一般要求“ a具有足够的强度、刚度和耐久性； b传动效率高、能耗少；

C对使用环境条件使用性好，能在恶劣的环境下正常工作； D结构简单、制造容易、便于维修； E拆装方便、搬迁容易、便于维修； F标准化、通用化、系列化程度高； G操作简便、劳动强度小

h、造型美观．对环境污染小。为文明生产创造条件!

2.2机型与传动形式得选择

2.2.1机型得选择

打孔机是属于工程用的。工程钻探包括工程侦查和工程施工钻探，但不管是工程斟查还是工程施工，其打开深度都不大，多数打孔机都在数十米以内。钻孔的施工周期很短，搬迁 频繁，工程斟查打孔直径多在200mm以内。工程钻探多遇地层基本为第四纪地层、人工填造地层及风化、半风化基岩层，一般较松软、破碎。工程施工打孔机在多少情况下为密集不知，而且是个场地狭窄，还要受到环保的限制，给施工带来一定的难度。

为满足工程钻探的要求，工程钻机形成了如下的特点；

（1）打孔机类型繁多，由于工程钻探服务领域广泛。钻孔的类型多样，促进了工程机电多品种、多类型化。

（2）打孔方法和钻进工艺的多样性，打开方法和钻进工艺的多样性是为了适应钻进不同地层和不同类型工程孔的需要，工程打孔机可采用冲击、回转、振动、静压等钻进方法 2.2.2传动形式的选择

不同的传动方式，不仅会造成打孔机总体结构型式的差异，而更重要是关系到打孔机性能好坏、制造难易、成本高低、使用及维修保养的方便程度。设计打孔机时，应根据各种传动方式的特点。考虑钻机用途、性能、使用、制造、维修等方面的要求和科学技术发展情况加以正确选择。

目前打孔机中使用的传动方式有机械传动、液压传动和气压传动。

机械传动具有结构简单；传动可靠；传动效率高；易于加工和制造，成本低；便于大功率传递优点。但具有体积和质量大；不便于远距离传动；布置不及液压和气压传动灵活；在传动中有较大的振动和冲击等问题。

在打孔机中，机械传动是最常用的传动方式，但纯机械传动式的打孔机已逐渐减少，目前，只有是在结构比较简单的轻便浅孔打孔机中应用。本次设计得道路地下打孔机，便可以采用此种传方式。

2.3 打孔机的整体布局

2.3.1打孔机得总体布局

打孔机的总体布局是打孔机设计的重要内容，直接影响钻机的性能和质量。总

体布局与各种部件的结构和传动系统的确定是密切相关的。设计时，要对各部件的结构、传动方案、各部件间的相对位置关系、连接固定方式进行综合分析，进行多方案的对比，从中选择理想的总体布局方案。 2.3.2打孔机的驱动和动力输入方式 打孔机的驱动方式：单独驱动

打孔机的输入方式：直线输入 打孔机的输入轴和动力机的输出轴布置在一条直线上，二者之间常采用弹性或半弹性联轴器、法兰盘、液力变矩器的直接输入方式，此种输入方式传动效率高、轴及轴承受力条件好、结构紧凑。但过载保护和动力机的互换性较差，适用于单独驱动方式。 2.3.3打孔机整体参数确定

打孔钻机工作参数主要指钻具施予孔底得轴推(压)力、钻具得回转速度、扭矩和排渣风量等。合理的选择这些参数，不仅能获得最高的钻孔效率，还能延长钻具得使用寿命。合理的钻机工作参数与钻头直径、孔向、岩石坚固性、空气压力、冲击频率以及钻头结构形式等因素有关，至今而未掌握其规律。因此，只能根据生产或用经验公式来计算它得工作参数。 2.3.3.1轴推力

（1）合理得轴推力 潜孔凿岩也主要是靠钻头得冲击能量来破碎岩（矿）石，钻头回转只是用来更换位置，避免重复破碎。因此，潜孔凿岩不许愿很大得轴推力。轴推力过大，不仅易产生剧烈震动，还会加速硬质合金得磨损，使钻头过早损坏;轴推力过小，则钻头不能与岩（矿）石很好地接触，影响冲击能量得传递效率，甚至导致冲击器不能正常工作，低气型潜孔钻机得合理周推理可用以下经验公式计算：

PH=（30~35）DF （2---1） 式中 PH-------合理得轴推力，N； D-------钻孔直径，cm;

f-------岩石普氏硬度系数，f=σD|10 式中 σD----抗压强度，10-1Mpa。

根据f值的大小，普氏将所有得演示划分为10个等级，如2--1表所示。 等级 Ⅰ Ⅱ

坚固性程度 最坚固 很坚固 岩石 最坚固，最细致和有韧性的石英岩和玄武岩，其他各种最坚固得岩石 最坚固得花岗质岩石，石英斑岩，很坚硬花岗岩，硅f 20 15

质岩，比上一级较不坚固得石英岩，最坚固得砂岩和石灰岩 Ⅲa Ⅲ Ⅳ Ⅳa Ⅴ Ⅴa Ⅵ 坚 固 坚 固 较坚固 较坚固 中 等 中 等 较软弱 花岗岩和花岗岩质岩石，很坚固得砂石和石灰岩，石英质矿脉，坚固得烁岩，极坚固得铁矿 坚固得石灰岩，不坚固的花岗岩，坚固得砂石，坚固得大理石和白云岩，黄铁矿 一般得砂岩和铁矿石 砂质页岩页岩质砂岩 坚固得黏土质岩石，不坚固的砂岩和石灰岩 各种页岩（不坚固得），致密得泥灰岩 较软弱的页岩，很软得石灰岩，岩盐，石膏，冻结的土壤，无烟煤，普通泥灰岩，破碎得砂岩，胶结烁石，石质土壤 Ⅵa Ⅶ Ⅶa Ⅷ Ⅸ Ⅹ 较软弱 软 弱 软 弱 松散型岩石 流沙类岩石 根据国内经验，低气压型潜孔钻机得轴推力又可按表2---2选取。

钻头名义直径合理轴推力PH|KN 钻头名义直径合理轴推力PH|KN D|mm 100 150 4~6 6~10 D|mm 200 250 10~14 14~20 流砂，沼泽土壤，含水黄土及其它含水土壤 0.3 碎石质土壤，破碎的页岩，凝结成块的烁石和碎石，1.5 坚固得煤，硬化得粘土 致密得粘土，软弱得烟煤，坚固得冲击层，粘土质土壤 轻砂质粘土，黄土，烁石 砂，细烁石，松土，采下得煤 0.8 0.6 0.5 土质岩石 腐植土，泥煤，轻砂质土壤，湿砂 1.0 6 5 4 3 2 8 10 2.3.3.2调节推力得计算

潜孔钻机钻孔时，钻进部分（含钻具和回转供风机构）得自重施予孔底有一个力（向下钻时为正，向上钻时为负），它会影响合理轴推力得大小。同时，在钻进时钻杆与孔壁之间还有摩擦阻力，所以潜孔钻机必须设有调压机构，以便调节施予钻具上得作用力（推力）。调压机构施予钻具上的调节推（压）力按下公式计算：

PT=PH-gMsinβ+gμMcosβ+R （2---2） 式中 PT------施予钻具上得调节推（压）力，N;

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