〔大学论文〕GCPS20型工程钻机的设计（含word文档） .pdf

本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） gcps-20gcps-20gcps-20gcps-20 型工程钻机的设计型工程钻机的设计型工程钻机的设计型工程钻机的设计 学生姓名：学生姓名：学生姓名：学生姓名： 所在院（系所在院（系所在院（系所在院（系） ： 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院 所学专业：所学专业：所学专业：所学专业： 机机机机 电电电电 技技技技 术术术术 教教教教 育育育育 导师姓名：导师姓名：导师姓名：导师姓名： 完成时间：完成时间：完成时间：完成时间： 摘摘摘摘要要要要 gcps20 型钻机是一种多功能复合式的工程钻机，可以有效提高我国深基础工程和连 续墙以及水利工程、桥梁工程的施工效率。本篇论文重点设计了工程钻机的传动系统，查阅 相关机械手册，按照机械设计的要求和机械原理的原则，进行了包括电机的的确定，带轮的 选择，和变速箱的设计及计算，变速箱的设计包括结构计算和轴的计算，分别对变速箱进行 齿轮校验和轴的校验，同时进行弯矩和扭矩的计算，确定危险截面及安全系数校核计算，并 且确定联轴器等其余部分零部件。 关键词：关键词：关键词：关键词：工程钻机，传动系统，变速箱，校核 thethethethe designdesigndesigndesign ofofofof mmmmo o o odeldeldeldel gcps-20gcps-20gcps-20gcps-20 engineeringengineeringengineeringengineering drillerdrillerdrillerdriller abstractabstractabstractabstract the types gcps-20 drill the machine is a kind of compound type multi-function drill the machine, can effectively improve the efficiency of our country development and demands of the deep foundation and consecution wall and marine hydraulic engineering, the bridge engineering, this paper focused on the design of the drive system of drilling engineering, machinery inspection manual, in accordance with the requirements of mechanical design and mechanical principles of principle and conduct, including the determination of the motor, the choice of pulley and gearbox design and calculation speed box design includes the structure of the calculation and the calculation of axis, respectively, carried out on the gearbox shaft gear check and check, at the same time the calculation of bending moment and torque, to determine the risk of cross-section and check the safety coefficient calculation, and determine the coupling such as the rest of the parts. keywords:keywords:keywords:keywords: engineering driller, transmission system, gearbox, check 目目目目 录录录录 1 绪论1 1.1 项目的研究意义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 2 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 3 电机确定4 3.1 按钻头钻进所需功率计算4 3.2 按钻机冲击钻进所需功率计算6 4 带轮选择6 5 变速箱的设计及计算9 5.1 变速箱的结构特点9 5.2 结构计算9 5.2.1 初步选定9 5.2.2 选定变速箱传动公比9 5.2.3 按弯曲强度确定齿轮模数 10 5.2.4 按接触强度确定齿轮分度圆直径与中心距 11 5.2.5 齿宽的确定 11 5.2.6 齿轮齿数确定 12 5.2.7 计算齿轮相关参数、确定齿轮 13 5.3 齿轮校验 13 5.3.1 齿轮受力分析 13 5.3.2 齿轮传动齿面接触疲劳强度校核 14 5.3.3 齿轮传动齿根弯曲疲劳强度校核 16 5.4 变速箱轴的计算 18 5.4.1 一轴计算 18 5.4.2 二轴计算 19 5.4.3 三轴计算 19 5.5 轴的校验 19 5.5.1 按转矩计算 20 5.5.2 轴上受力分析 20 5.5.3 求支反力 21 5.5.4 作弯矩和转矩图 21 5.5.5 确定危险截面及安全系数校核计算 23 6 钻机其余部分零部件选择 26 6.1 联轴器的选用 26 6.2 减速器齿轮安排 27 7 结束语 29 致谢 30 参考文献 31 1 绪论 1 1 1 1.1.1.1.1 项目的研究意义项目的研究意义项目的研究意义项目的研究意义 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! 1.21.21.21.2 国内外的科技现状国内外的科技现状国内外的科技现状国内外的科技现状 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。 1.31.31.31.3 设计产品的用途和应用领域设计产品的用途和应用领域设计产品的用途和应用领域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。 2 2 2 2 钻机的总体设计钻机的总体设计钻机的总体设计钻机的总体设计 2.12.12.12.1 总体布局设计总体布局设计总体布局设计总体布局设计 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。 2.1.12.1.12.1.12.1.1 传动系统传动系统传动系统传动系统 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。 2.1.22.1.22.1.22.1.2 气动系统气动系统气动系统气动系统 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。 2.1.32.1.32.1.32.1.3 电气系统电气系统电气系统电气系统 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。 2.1.42.1.42.1.42.1.4 工具系统工具系统工具系统工具系统 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。 2.1.52.1.52.1.52.1.5 各部件的功能各部件的功能各部件的功能各部件的功能 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。 2.22.22.22.2 主要设计参数主要设计参数主要设计参数主要设计参数 (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)0.54 (3) 冲击次数(1/min)614 (4) 冲锤质量(kg)30005000 (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)yd280s55 kw (1480 r/min ) (8) 钻塔额定负载 (kn)180 (9) 空压机型号( 排量，压力)ub 300500 （3.55 3 m /min, 0.8 mp） (10) 配备砂石泵型号（型号）6bs (180 3 m /h) 或8bs（340 3 m /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 3 3 3 3 电机确定电机确定电机确定电机确定 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。 3.13.13.13.1 按钻头所需功率计算按钻头所需功率计算按钻头所需功率计算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回转钻杆所需功率 （kw） nh=n1+n2+n3的计算 n1= 3060000/ 43 amnh （1） 其中：m-钻头切削刀数取 m=4 n-转盘转数钻进时 min n =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= 2222 ()/4(1000)/47850ddcm= （2） n2=fen(r+r)/1944800（3） 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=0cm n3= 7 . 1211 108 . 7nld (当 n s,该轴 h 截面是安全的。 钻机的装配图示意图如下图图 5-5： 图 5-5 钻机装配示意图 6 6 6 6钻机其余部分零件的选择钻机其余部分零件的选择钻机其余部分零件的选择钻机其余部分零件的选择 6.16.16.16.1 联轴器的选择联轴器的选择联轴器的选择联轴器的选择 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65 /min r ，传递的 功率为55kw，计算转矩为： min 95509550 55 8080.77 65 p tn m n =（44） 联轴器的计算功率： cnhan tt kkkkt =（45） 式中 n k联轴器转速系数 n k=1.25 h k轴承寿命系数 3 35 10 h k=1.8 k联轴器的轴间角系数k=1.5 a k载荷性质系数 a k=1.3 由式（45）得： 计算转矩8080.77 1.25 1.8 1.15 1.327.2 c tkn m= 查取下表 6.1， 选择联轴器为： swp-b200 型（jb/t3241-2004） 实物图如下图图 6-1: 图 6-1 6.26.26.26.2减速器齿轮安排减速器齿轮安排减速器齿轮安排减速器齿轮安排 如下表 6.2 齿数模数 m 1 z 2 46 2 z 3 26 3 z 2 16 4 z 3 56 5 z 2 06 6 z 3 06 表 6.2 减速器齿轮齿数和模数 降速比： 1 35 18 2 34 42 i= 2 22 18 2.5 47 42 i= 输入转速为（r/min）：167、261、519 输出转速为（r/min）：65、85、105、130、210、260 各轴转速为，如下表表 6.3 所示： 表 6.3 各轴传动比和转速 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） 167167 1 2 1.33 z z = 127.585 3 4 1.7 z z = 97.565 261261 1 2 1.33 z z = 195130 5 6 1.5 z z = 3 4 1.7 z z = 157.5105 519519 1 2 1.33 z z = 390260 3 4 1.7 z z = 315210 7 7 7 7 结束语结束语结束语结束语 gcps-20 型钻机设计是在 gps-20 型钻机的基础上改进的，是专门用于建设施工的专业钻 机。本篇论文重点设计了工程钻机的传动系统，查阅相关机械手册，按照机械设计的要求和 机械原理的原则，进行了变速箱的设计及计算，变速箱的设计包括结构计算和轴的计算，分 别对变速箱进行齿轮校验和轴的校验，同时进行弯矩和扭矩的计算，确定危险截面及安全系 数校核计算，并且确定联轴器等其余部分零部件。产品的目的在于以最低的成本，实现产品 必要的功能，从而达到用户满意，增加制造企业和用户的经济效益，使工程钻机性价比更高。 此钻机主要用于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，在设计中 尽可能的简化结构，降低成本。 本钻机利用国内外先进技术和成功经验，结合我国国情和钻机的具体使用要求。力求简 单和适用，采用纯机械系统尽可能地利用最少的液压元件来实现钻机所具备的各种动作。这 样，能够降低故障发生概率，提高能量利用率和钻机的可靠性，降低工人劳动强度。 致谢致谢致谢致谢 四年的大学生活即将结束，在这四年里我学会了不少的东西，无论在学习上、生活中、 思想上都有很大的转变，从一开始带着家人的殷切希望，怀着充实自我，掌握一技之长，为 以后找工作，实现自己的人生价值的目标作努力，到最后找工作进一步接触社会，学到一些 从理论上学不到东西，增加了许多经验，这一切的成果都离不开众多可敬师长谆谆教导、不 厌其烦的耐心讲解传授，以及许多同学、朋友的坦诚相见、砥励共勉；加上自己对本专业有 一定的兴趣，特别是在毕业设计期间，大家更是同心努力希望自己把设计搞好，因为这是四 年大学生活最后的收尾工作，它是我们平时对我们所学的课程理解，接受能力，熟知程度， 以及记忆能力的一个体现。在这四年中，从基础课到专业课四五十门，但这都是零散的，成 块吸收，而最终的毕业设计就是把这些零散、成块的知识有条理、系统化，综合运用。达到 检验所学程度的目的，既是对综合运用知识的能力的培养，又是为将来走上工作岗位的做的 一次实战模拟。 工程钻机对我来说是陌生的，因为平时接触这方面的知识很少。在整个设计过程中，我 学会了如何把所学的知识应用到设计中去，不是单一的设计一件东西，而是要灵活运用，举 一反三，能运用到别的设计中去，不过，在设计上还有很多缺陷，需要进一步完善，希望各 位领导和老师提出意见，批评指正，使以后不再犯同样的错误，不断成熟、进步，在此我感 谢各位领导和老师的孜孜不倦的教悔和热心帮助。 参考文献参考文献参考文献参考文献 1濮良贵纪明刚机械设计（第八版）m高等教育出版社，2007 2赵运才机电工程专业英语m北京大学出版社2006 3施平机械工程专业英语（第八版）m哈尔滨工程大学出版社，2007 4胡家秀简明机械零件设计使用手册j机械工业出版社1999 5现代机械传动手册编辑委员会j现代机械传动手册2001 6王世刚张春宜，