GCPS—20型工程复合式多功能钻机的设计

摘      要
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 

Abstract
The types GCPS-20 drill 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 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 more 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 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, easy to usage and support.
Keyword：The impact drill into     Become soon box  Deceleratethe machine     Turn the dish

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，它可有效的解决上述问题。我相信这台钻机一定会有很广阔的市场前景!

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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  0.6
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)      YD280S  55 KW (1480 r/min )
8. 钻塔额定负载 ( kN)      180
9. 空压机型号( 排量，压力)  UB 300—500
                           （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） 10000X2400X1700
12. 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；




目   录
摘  要……………………………………………………………………………I
Abstract  ………………………………………………………………………II
第1章 绪论 ……………………………………………………………………1
1.1 项目的研究意…………………………………………………………1
1.2 国内外科技现状………………………………………………………1
1.3 设计产品的用途和应用领域…………………………………………1
第2章 钻机的总体设计 ………………………………………………………2
2.1 总体布局设计…………………………………………………………2
2.1.1 传动系统………………………………………………………2
2.1.2 气动系统………………………………………………………2
2.1.3 电气系统………………………………………………………2
2.1.4 工具系统………………………………………………………2
2.1.5 各部件的功能…………………………………………………2
2.2 主要设计参数…………………………………………………………3
2.3 主要性能特点…………………………………………………………4
第3章 动力机确定 ……………………………………………………………5
3.1 按钻头钻进所需功率计算……………………………………………5
3.2 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…………………………………………………12
5.1 变速箱的结构特点 …………………………………………………12
5.2 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 ……………………………16
5.3 锥齿轮计算 …………………………………………………………17
    5.3.1 初步计算 ……………………………………………………17
    5.3.2 几何计算 ……………………………………………………17
5.4 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 …………………………22
    5.4.3 齿轮传动齿根弯曲疲劳强度校核 …………………………25
5.5 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 ……………………………………………………28
5.6 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……………………………………………………………36
6.1 转盘输出转速 ………………………………………………………36
6.2 大、小锥齿轮计算 …………………………………………………36
    6.2.1 初步计算 ……………………………………………………36
    6.2.3 几何计算 ……………………………………………………37
6.3 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
    6.3.3 齿面接触强度校核结果 ……………………………………44
6.4 齿根抗弯疲劳强度校核 ……………………………………………44
    6.4.1 计算公式 ……………………………………………………44
6.4.2 齿根许用弯曲应力计算 ……………………………………45
6.4.3 齿根弯曲强度校核结果 ……………………………………46
6.5 转盘轴结构计算 ……………………………………………………46
第7章 钻机其余部分零部件选择  …………………………………………48
7.1 联轴器的选用 ………………………………………………………48
7.2 减速器齿轮安排 ……………………………………………………48
第8章 钻机的维护保养  ……………………………………………………51
8.1 钻机维护保养的重要性 ……………………………………………51
8.2 维护保养要求 ………………………………………………………51
8.3 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 …………………………………………………53
(优秀毕业设计:www.2bysj.cn)
    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……………………………………………………54
8.4 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