FW1206000型非开挖钻机供杆系统设计论文计算说明书

1、摘要导向钻进或定向钻进是非开挖技术中发展最快的一种施工技术，用水平定向钻进的方法可以进行各种管经管线的安装，应施工能力的要求，其可非为微型，小型，中型，大型四类。该设计题目是在对国内外市场做出恰当评估后，本着方便性，灵活性与经济性的目的，进行了非开挖钻机供杆系统的设计计算本次设计的是自动供杆系统供杆系统，自动供杆系统供杆系统是送取，存放和接卸钻杆的装置，也称钻杆架。本次设计米用了液压直推式供杆系统，该系统结构紧凑，动作平稳可靠，便丁送出钻杆，造价便宜，并且为了维修更加方便，在一些链接处采用了一些辅助零件，如在进给杆和连接板处之间加了辅助版，这样进给杆与连接板不会被焊缝焊死，便丁维护拆装。为了减

2、少整个机构的重量，钻杆箱采用了钢条焊接的箱体，使得较少箱体的重量。并且将钻杆箱分为了三个槽可存放18根钻杆。关键词：道向钻进，定向钻进，非开挖技术，供杆系统。AbstractGuidedrillingordirectionaldrillingisexcavationtechnologythefastestdevelopingakindofconstructiontechnology,usingthemethodofhorizontaldirectionaldrillingcaninstallbypipelineoftubeshouldbeconstructionrequirementsofab

3、ility,itscannotformicro,small,medium,largefourcategories.Thisdesigntopicisindomesticandabroadmarketaftermakeappropriateevaluation,inlinewithconvenience,flexibilityandefficiency,thepurposeoftrenchlessrigforrodsystemdesigncalculation.Thisdesignisautomaticforrodsystemforrodsystem,automaticforrodsystemf

4、orrodsystemissenttotake,storeandpickdischargepipedevice,alsocalledthedrillpiperack.ThisdesignUSESahydraulictransductivebarsystem,thissystemforcompactstructure,stableandreliable,andfacilitatemovementsentoutpipe,costcheap,andmoreconvenientinmaintenance,insomelinksplaceadoptedsomeauxiliaryparts,suchasf

5、eedleverandconnectionboardplaceaddedauxiliaryedition,betweenconnectedtostemandsointodeathwouldnotbeweldsweldedplate,easytomaintaintearopenoutfit.Inordertoreducetheweightofthewholeorganization,pipeboxadoptsthesteelweldingchamber,makelessweightofthebox.Andwillbedividedintothreeslotdrillingboxcandeposi

6、t18rootdrillpipe.Keywords:dishtodrilling,Directionaldrilling,TrenchlesstechnologyForrodsystem.目录1绪论11.1非开挖技术概述11.2本次设计的意义与目的21.3非开挖技术国内外发展现状21.4本次设计难点及分析31.5完成课题所采用的手段方法42课题分析及方案分析选择52.1自动供杆系统工作原理52.2自动供杆系统方案分析及选择53供杆系统的设计计算73.1.4 3.1钻杆箱的设计73.1.1对放置的钻杆箱受力分析及底板角度的确定73.1.2挡板长度的确定113.1.3钻杆箱材料及尺寸11计算钻杆箱

7、总重16焊缝的设计计算163.2进给杆设计193.2.1进给杆设计简图203.2.2进给杆受力分析203.2.3进给杆的材料选择213.2.4进给杆的防脱钩设计223.2.5摩擦衬板的设计计算243.3进给杆的支撑设计263.3.1托板设计263.3.2进给杆支撑设计263.4进给杆连接杆设计283.4.1进给杆材料选择283.4.2辅助杆293.5油缸设计303.5.1拟定油路图303.5.2液压缸载荷力的计算303.5.3计算液压缸的主要结构尺寸313.5.4选择工程液压缸323.6支座设计333.6.1与活塞杆连接支座的设计333.6.2与缸筒联结支座的设计343.7销的设计363.8轴

8、挡肩的设计373.9侧支撑板的设计373.9.1计算侧支撑板与主梁联结的螺栓373.9.2侧板厚度384润滑油自动供给系统404.1钻机润滑的必要性404.2甘油集中自动润滑系统以及采用润滑油种类405操作系统的设计计算425.1操作系统的结构作用425.2操作机构类型的选择425.3操作机构的布置436结论45参考文献46附录47致谢491绪论1.1非开挖技术概述随着社会主义现代化的蓬勃发展，伴随建设中新的问题不断产生，各向针对性的技术也应运而生。非开挖技术就是其中发展较快，较成熟的一门新兴科学。非开挖技术是指利用少开挖或不开挖的方法对地下管线、管道进行铺设、维修或更换、探测的一门施工技术。

9、非开挖施工应用了定向钻进技术的原理，极大地降低了地下管线施工对交通、环境、基础设施、居民生活工作等造成的影响，成为现代城市基础设施建设、管理的一个重要组成部分。目前在石油天然气城市给排水、煤气供应、电力、通讯、供热、输卤等管道铺设与维护领域得到广泛应用。非开挖技术与传统的开挖施工相比优点非常明显，非开挖技术是对传统地下管线开挖铺设、修复、更换的一次革命，它具有如下一些特点不影响城市地面交通不破坏施工地点周围的环境不响周边居民的工作与生活对不能开挖的地方，诸如穿越铁路、公路、河流、建筑物、闹市区等地时，其它方法无法替代投入人力少，施工周期短综合成本低，社会效益与经济效益明显劳动强度低，施工安全性

10、高。但非开挖技术的一次性设备投人高、设备维护成本局、施工技术要求局。非开挖技术包括非开挖管道铺设技术、非开挖管道修复或置换技术、非开挖管道探测技术等三方面。目前在我国应用较普遍的是非开挖管道铺设技术，其施工方法乂包括顶管法、盾构法微型隧道法、导向钻进法、水平螺旋钻进法夯管法、冲击矛法。非开挖管道修复或置换技术在我国还届丁刚刚起步阶段，目前已引起一些有战略眼光公司的兴趣，其常用施工方法有爆管法、吃管法、抽管法、内衬法、喷涂法、缠绕法等。非开挖管道探测技术应用较多的有探地雷达、管道影像仪等，该技术一般与非开挖管道铺设、修复及转换技术结合使用，为后者施工提供技术基础。定向钻进的一个优点是钻进轨迹不要

11、求是直线，钻头可导向，钻传河流，公路和铁路等，并在预定的位置钻出地表。最近几年，钻孔的导向精度有了很大的改进，有些钻机目前亦可用与重力管道的铺设。方向的改变是通过钻头的设计来达到的，对小型和中型钻机来讲，钻头类似丁铲子，当钻杆柱回转时，钻头就顺着铲子的斜面前进。大型钻机则是使用钻头后面一段带斜面的钻杆（弯接头）来实现导向的。一旦导向钻孔完成后，将扩孔器连接在钻杆柱上，由钻杆回拉钻杆以扩大导向孔0.,成品管则通过回转接头连在扩孔器后，在扩孔的同时被拉入孔内。在有些情况下，拉入成品管之前需要进行一次扩孔或多次扩孔。大多数的定向钻机都是采用射流辅助钻进，即使用钻进液来润滑钻孔，排泄和稳定钻孔，钻进液

12、可以是活水，但是在大多数情况下是为特定场合和地层而制备的膨润土或聚合物。对丁大型钻机来讲，钻进液还可以用驱动钻头处的泥浆马达，以利用钻进硬地层。工程中长将小型的工程施工称之为导向钻进而将大规模的工程称之为定向钻进，就施工能力来讲，定向钻进处丁气动矛和微型隧道法之间。大多数的气动矛都使用小直径，长度相对较短的直线段管线施工。而微型隧道法一般是用丁大直径对坡度要求较严的管线施工，施工距离较长，而且可适应各种地层。定向钻进通常是由丁小到中等直径管线施工，虽然有时大型钻机的施工能力可与微型隧道法相同。1.2本次设计的意义与目的随着社会的发展，非开挖技术已经成为新型科学。其采用非开挖的方式对地下管线、管

13、道进行铺设、维修或更换、探测较传统开挖施工有明显的优势。现在国内外对丁非开挖施工的需求越来越大，同时发展也越来越快。我们这次设计非开挖钻机是在原研制成功的基础上进行改进。我这次设计的是非开挖钻机自动供杆系统，此系统可以自动送取钻杆和存放钻杆，由丁人工换杆的话有些缓慢和需要多人协同有些不便，钻杆的存放也不便，而采用自动供杆系统则可以自动接杆，并且只需一个人就可以完成此工作，大大提高了工作效率和节省劳动力。随着社会的发展，竞争越来越激烈，工作效率和成本的高低决定着在竞争中所占优势的多少，而自动供杆系统提高了非开挖钻机的自动控制能力，并且其有钻杆存放箱，有利丁钻杆的输送。通过本次的设计也使我更了解非

14、开挖技术的应用和设计的方法。1.3非开挖技术国内外发展现状据资料统计，导向（定向）钻机非开挖管线技术在过去十年取得了长足的进展，仅在北美地区就已经形成了一个年产值超过10亿美元的新兴产业。迄今在美国和西欧各国已有20多家厂商生产制造定向钻机，此外，还有几十家公司提供其它相关辅助设备和机修。目前，水平定向钻机的一年产业有一个亿万美元和数以白计的承包商和成千上万的钻探平台，在非开挖技术市场中中国境内经营是成长最快的一部分。据估计，在2006年有超过2000台水平定向钻机由以前670台增加到现存的市场，其中37台水平定向钻机是马勒从国外进口。同时，用此工艺进行管线铺设的工程也在不断增加。据估计，仅在

15、美国和加拿大，每年导向（定向）钻机工艺铺设的地下管线总长达610卜22500km到2000年，将近30吩40%勺地下管线都用该技术铺设。此外，由丁工艺，技术和设备性能不断发展和完善，不断涌现出许多新的工程记录。如1994年最大的铺设直径为1219mM施工长度为658n）,1988年有成功的穿越河流铺设了直径为1092mm长度达到1036m的管道。总的来说，中国的水平定向钻机市场有以下特点：一、保持快速发展趋势比2004年总建筑价值和数量的硬盘钻机都增加了2005年的47%尽管如此还是小丁2003年和2004年总和，分别比在2003年和2004年的数量大很多。这增长率比在世界上其他任何一个国家快

16、得多。二、进口硬盘钻机的数量会继续降低。从国外进口了37台硬盘钻机是2005年的21%与2004年降低了从他47岁。产品的市场占有率，减少了5咐卜国硬盘钻机，在2005年底完成。三、完成一些高风险、复杂的建筑工程。在2005年，有几个大直径、超长距离的硬盘项目，已经成功完成了，包括江西九江项目“长江石油管道安装”。一个16米长的，457毫米直径的钢质管道使用安装了DD-1100巨型硬盘钻机由美国钻孔机械厂制造。1.4本次设计难点及分析本设计中的非开挖钻机除了具备一般钻机的特性和优点外，还利用了钻杆的自动堆放和提取系统。在此系统中，施工用钻杆可随机装载，置丁专用的钻杆存放仓中，施工时利用进给杆可

17、将钻杆逐一从存放仓内取出，加接与钻杆柱进行钻进。由丁国内非开挖钻机基本上都是人工供杆，设计时参考较少，供杆时各机构运动要协调，但由丁都是机械运动，运动是难免有误差。误差的引起有可能是加工精度不够高，也有可能装配误差和设计的不够完美的。由丁整个供杆系统都是焊接在主梁一侧，考虑到主梁的承受能里，应尽量减少重量1.5完成课题所采用的手段方法这次设计所采用的主要采用了数学计算，计算机绘图以及参考他人做成功的产品和查阅相关资料。此次设计的非开挖钻机，我们以经研制成功的YM16W液压锚杆钻机为设计蓝本，借鉴了其中一些结构和设计经验，如主梁轨道，采用矩形导轨结构，动力头钻孔组作业时大部分跨在主梁一侧钻孔，导

18、轨磨损较快，钻机使用一段时间后，便会有松动现象，采用燕尾楔形结构后，就保证了动力头钻孔作业时不左右晃动，实现平稳作业以高钻孔质量，防止塌孔。同时我们也借鉴了YM160型液压锚杆钻机的行走底盘。这样是整个钻机的成本大大减少。在供杆系统上采用了直推式供杆机构。供杆油缸完成推送或收回钻杆，它的特点是结构简单紧凑，动作稳妥可靠，成本较低，维修方便。2课题分析及方案分析选择2.1供杆系统工作原理钻杆堆放丁钻杆箱中，钻杆在重力作用下落入进给杆上，当前一根钻杆已经钻进时，动力头反转并后退，触动电磁换向阀开关，使油缸无杆腔进油，活塞杆前进并推动进给杆前移，当达到动力头中心线位置时，溢流阀卸油，此时动力头已开使

19、前移，动力头与钻杆螺纹接触，推动钻杆前移一段后，夹紧机构夹紧钻杆，动力头马达转动，这样钻杆被拧紧夹紧机构松开，动力头继续前移乂触动电磁换向阀开关，换向阀换向油缸有杆油腔进油，进给杆后退，准备接收下一根钻杆，如此往复，当底下土壤被钻穿后，动力头回托时，只要切断电磁换向阀的电路是换向阀处丁中间位置，这样进给机构就可以停止工作。当机构乂需要钻杆时只需打开电磁换向阀开关即可2.2供杆系统方案分析及选择供杆系统是送取，存放和接卸钻杆的装置，也称钻杆架。供杆系统是低速，间歇运动的组合部件经常受到冲击振动作用。对供杆系统的设计要求是：结构紧凑，动作平稳可靠，便丁送出，收入和接卸钻杆，造价便宜，要有足够的强度

20、和刚度。一.供杆系统方案分析按供杆机构的不同，可分为平行四连杆式，直推式和转臂式三种类型，按照使用动力的不同，可分为电动的，气动的和液动的三种类型。以下是参考的二种方案：方案一：平行四连杆式供杆系统，在此机构中，上连杆，下连杆，钻杆架体和钻架构成平行四连杆。这个机构用供杆油缸完成推送或收回钻杆，并由固锁装置将钻杆架锁在存放位置。它的特点是结构简单紧凑，动作稳妥可靠。其简图如图21。方案二：直推式供杆机构，它是由上下油缸带动上，下送杆臂实现送娶钻杆动作的。它的结构特点是结构简单，动作灵活，易丁制造和修理。但气动送杆机构不够平稳，不够准确，液压直推式比较好些。其简图如图22。方案三：转臂式供杆机构

21、：他通过电动机正反转带动涡轮转速器和传动轴以及上下转臂完成送取钻杆的动作。它的特点是操作简单方便,但结构比较复杂，占用空间较大，可用在大，中，小各种钻机上。动作平稳可靠,其简图如图23o图21四连杆式图22直推式图23转臂式二.供杆系统类型的确定由以上对比可知平行四连杆式传动不够灵活，制造维修不便；转臂式结构比较复杂，占用空间较大，造价贵；直推式动作灵活，易丁制造和修理，成本便宜。因此对丁三种方案我选择直推式供杆系统，并为了节省成本在此基础上再进行一定的改进，将两个液压缸变成只有一个液压缸从而降低成本。3供杆系统的设计计算3.1钻杆箱的设计钻杆箱的作用是用来存放钻杆的，由丁其是焊接在非开挖钻机

22、的主梁一侧，钻杆箱存放的钻杆的多少直接影响其总的重量，若其重量太重主梁可能承受不了，太轻则存放钻杆太少影响其效率。一般工程上存放十几根钻杆可满足，故我选用了三槽钻杆箱第一个槽放7根，第二槽6根，第三槽5根。钻杆箱体采用钢条焊接而成，使得节省材料，降低成本并且减少重量。钻杆箱的结构见图如下图3-1:1隔板；2挡板；3底板图3-1钻杆箱的结构简图3.1.1对放置的钻杆箱受力分析及底板角度的确定(1)钻杆的选取：钻杆是快速优质钻进的重要工具，它是地面钻机与孔内钻头的动力传递环节，承受和传作用丁钻头上的给进力、回转扭矩、反向扩孔和铺管时的回拖力，并作为冲洗介质的通道，向钻头输送钻进液、压缩空气等。由丁

23、导向钻进多用丁中、短距离的穿越铺管工作，钻孔轨迹一般在中小曲率半径的范围内，故一般多数采用普通钢钻杆配以适合的钻头。进行导向钻进时，因为钻孔轨迹一般为空间曲线，钻杆除承受和传递上述的各种力外，在造斜段还承受相当复杂的弯曲应力，因此对杆的强度、韧度和耐磨性要求都比较高。实际施工中，钻杆的外径根据所需的给进/回拖力和扭矩来确定，一般为57一127mm:内径则根据所需流向钻头的泥浆流量来确定，一般45一76mm,如果采用有缆随钻测控系统，则应选择内平钻杆。对丁整个钻杆来说，钻杆接头是最薄弱的部位，除了选用优质的材料外，还必须对接头螺纹副进行特殊热处理和高精度加工，以提高其使用寿命，减少断钻事故的发生

24、。钻杆的长度直接影响钻进的效率。使用较短的单根钻杆，必然会增加大量的装卸钻杆时间：在采用有缆控向系统进行较长距离和较深地层的穿越时，短钻杆也增加了控向系统的接线时间；如果中途提钻，进行钻头、控向探头的更换或检修等工作，辅助时间所占的比例会更大。从减少非钻进时间、提高施工效率角度考虑，钻机应选用尽可能长的单根钻杆。但受施工场地或钻机结构型式的限制，单根钻杆长度乂必须适当限制。对丁一般市政管道工程用钻机而言，钻杆单根长度变化范围为1.53m,以适应市区场地狭窄的状况；对丁野外跨越工程用钻机而言，单根钻杆长度很大,可达9-10m。总之，随着钻进长度的不断增加，钻进工艺的不断发展，对钻杆的结构和性能要

25、求越来越高。钻杆不仅要具有足够的轴向强度承受钻机给进力和回拖力，足够的抗扭强度承受钻机施加的扭矩；还要有足够的柔韧性以适应钻进时的方向改变:要尽可能地轻、以方便运输和使用、要能耐磨损等。钻杆采用外经60mm,壁厚15mm,长3m的尺寸结构，则钻杆的体积为：v=m(R2-r2)!_其中R钻杆外圆半径；r钻杆内圆半径；L钻杆长度；-_W3得出：v=6.410m钻杆的质量：m=P，v(31)其中一一不锈钢的密度，v钻杆体积(注：P=7."103kg/m3查自机械设计手册表16)m=50.6kg(2)钻杆的受力分析:对丁放置在第3槽中低杆接触钻杆的受力分析:图32第3槽中低杆受力分析由图3-

26、2可知:N35GcoaF3=5Gtaa式中：a底板角钢与水平面的火角对丁放置在第2槽中低杆接触钻杆的受力分析:由图3-3可知:N26GCOS3F2=F3/N2sina图33第2槽中低杆受力分析注：因为a不大，可以近似认为F3作用丁挡板的力等丁挡板作用丁2槽中钻杆的力，即：,巳所以得：F2=5Gtana6Gtana=11Gtana对丁放置在第1槽中最后一根钻杆的受力分析:T-f.T'.、F图3-4第1槽中最后一根钻杆的受力分析当第1槽中剩余最后一根钻杆此时最难滑下，要让杆能滑下则有:(3-2)G_TiT2由图34知：N1=F；=F2=11GtaaT1=T2=uN1u钻杆与钻杆箱壁的摩擦系

27、数T1与T2钻杆与钻杆箱壁的摩擦力a钻杆箱底板倾斜角度其中查自机械设计手册1(1-8)钢的摩擦系数得u=0.15故得：T1=T2=uN=1.65GtaR而杆能顺利滑下有：所以得出：a壬16.8G_工T2=3.3Gtaa要使钻杆能在钻杆箱底板上滑动有摩擦力小丁下滑力，即:f:Gsina其中.f=uGcosa即：tana0.15得a>8.5所以取整a=10K16G650.69.8N2=3021.2因此得出：cosacos105G550.69.8N3=251.6cosacos103.1.2挡板长度的确定如下图8所示取A点到底板距离为100mm,则挡板长为:100L=102mmcos10挡板最大

28、开度与隔板的火角:-.66Q=arcsin=40.3102（注：两隔板间距取66mm）B点到挡板最大开度位置的距离为66mm,所以钻杆可以通过，丁是取挡板AB的长度为102mm。图35挡板简图3.1.3钻杆箱材料及尺寸1、支柱2、边框3、隔板4、边框5、挡板6、支撑角钢7、栏板8、底板角钢图3-6钻杆箱剖析图（1）钻杆箱支柱：钻杆箱的支柱作用是支撑钻杆箱和箱里的钻杆重量，所以要有足够的强度和刚度，查看资料和参考其他机械后采用热轧不等边角钢，型号6.3/4（注:查自机械设计手册，卷一P"104）,基本尺寸如下表一：表1热轧不等边角钢尺寸表型号尺寸（mm）横截面积（cm2）理论质量（Kg

29、m）外表面积（mZ）Bbdr6.3/46340574.9933.9200.202角钢剖面图如下图3-7:图3-7角钢剖面图B一长边宽；b一短边宽；d一边厚度;1r一内圆弧牛役；r1边跚内圆弧半径，为-d°3钻杆箱支柱长：L=607=420mm(2) 钻杆箱边框：钻杆箱边框采用热轧钢带，厚度5mm宽度80mm则横向边框长：Li=3乂槽隔板间距十隔板厚度十支柱角钢厚-支柱短支宽=3662525-240=138mm则纵横向边框长：L2=钻杆长+2支柱角钢厚度之和-支柱长支宽=300010-263=2884mm由丁钻杆长度和钻杆箱的加工有误差，为了方便钻杆下落，故取纵横向边框长L2=2910

30、mm。(3) 钻杆箱栏板：钻杆箱边框采用热轧钢带，厚度5mm宽度40mm则两长边框间焊接栏板长：L=支柱长-2边框宽=420-280=260在底板角钢与短边边框间焊接的栏板，L值分别为：240m的223mm图38栏板简图(4) 钻杆箱隔板：钻杆箱隔板边框采用热轧钢带，厚度5mm宽度80mmL值分别为260mnffi248mm简图如下图3-9图39钻杆箱隔板简图(5) 钻杆箱底板角钢：为了制造方便底板角钢采用与支柱一样的材料和尺寸，即采用热轧不等边角钢，型号6.3/4,基本尺寸如下：长角边：a=63mm短角边：b=40mm角钢厚度d=5mm(6) 钻杆箱支撑角钢：支撑角钢是用来联结钻杆箱和支撑箱

31、体与钻杆的重量的，支撑角钢和支撑结构的侧支撑板采用螺栓联结。在此机构中，支撑角钢承受着11根钻杆的重量，初步估计钻杆箱质量50kg。则钻杆箱和钻杆总重：G=钻杆箱重+总钻杆重=509.81150.69.8=5944.6N螺栓的选择：取角钢厚度为t,则由公式六卜】(3-3)式中：F角钢受到的力d螺栓直径得：F=594也=1486.2N4由丁角钢是由4个螺栓连接，故每个螺栓也承受2354N的载荷。(3-4)根据公式：d1芝其中：tr=°(35)由机械设计手册3,表25.111,表25.115可查得取n=1.3s=320MPa由320MPa则：I1a=246.2MPa1.3d1.66148

32、6=3.2mm246.2故螺栓直径d大丁3.2mm即可，但由丁机械在施工时有震动和钻杆箱和钻杆总重有误差，故为了安全选大点的螺栓,其直径d=8mm,型号如下：六角头螺栓型号GB/T5781-1986M816螺母型号GB/T411986M8垫片由以上可得：d=8mmF1486.2型号GB/T9"1987M8t0.75mmdkT8246.2便丁选材和牢弁取t=5mm因此支撑角钢采用热轧等边角钢，型号5.6，基本尺寸如下图3-10a=120mmb=50mm,d=5mm.图310支撑角钢结构及尺寸(7) 钻杆箱挡板：钻杆箱挡板与隔板一样采用热轧钢带，厚度5mm宽度80mm长L为102mm3.

33、1.4计算钻杆箱总重为了节省材料在可行的情况下尽量少用钢材，现总结如下：钻杆箱由4根支柱，6根边框，12根栏板，4根隔板和2根底板角钢组合而成。则由m=Pv得(1) 每根支柱质量：m1=：6340一55420。7.9103=1.6kg(2) 横向边框质量：m2=58014010弱7.9103=0.44kg(3) 纵向边框质量：m3=5802910107.9103=9.2kg(4) 隔板和挡板质量：应为倾角a不大，为了便丁计算，可认为长度相等，则有:m4=26068010°7.9103=0.98kg(5) 底板角钢质量:36040633q606340-557.91010cos10=1.

34、2kg由以上可得钻杆箱的总质量mm=4m12m24m34m42m5=41.620.4449.240.9821.2=50.4kg3.1.5焊缝的设计计算(1)底板角钢的焊缝设计:图311底板角钢受力分析图对丁钻杆箱底部受力最大，焊缝要求比较高，角焊缝的焊角尺寸hf不宜过大,一般hfV.5涂，其中t焊板厚度，应为底板角钢厚度t=5mm,所以有hf=_1.55=3.35mm因此取焊缝的焊角hf=4mm而N；=3021.2N；N3=2517.6N则有：T1T2=N；N3.cosa=3021.22517.6cos10=5450.5N其中：T1-ab段焊缝受到的力T2cd段焊缝受到的力由图14底板角钢受力

35、分析且ZMa（F）=0可得：T2667272-N；cos107266-n2cos1066-N：sin10tan106672-n2sin10tan1066=0其中：N2=3021.2N；N3=2517.6N则可计算出cd段焊缝受到的力T2=2631NT1=5455N-2631N=2824N1）校核对接焊缝ab段：其基本尺寸为L=94mm,Lw=2x（94-10）=168mm，焊接工艺采用手工焊,三级焊缝A3钢，取钢每平方毫米承受力的临界值为fvW=125N；m2（注:黄=125>12查自与钢结构表3T）。而:/2Aw=LwTw=168mm5mm=840mm其中Lw一是ab段焊缝的长度;Tw

36、一是ab段焊缝的厚度;Ab段焊缝收到的力v=T1=2824N则可得焊缝每平方毫米所到的力t:.f=3.4N2Aw840mm2mm因为J3.4Nmm2<fvw'所以ab段焊缝安全。2）校核对接焊缝cd段：其基本尺寸L=40mm,-2=81.2mm；cd段焊缝长度为cos10Lw=（40.6-102=61.2mm,焊接工艺采用手工焊，取钢每平方毫米承受力的临界值为甘=125Nmm2。焊缝面积aw为:/2Aw=LwTw=61.2mm5mm=306mm式中：Lw一是cd段焊缝的长度;Tw一是cd段焊缝的厚度;cd段焊缝受收到的力v=T2=2631N则可得焊缝每平方毫米所到的力"

37、.竺来=8.6N2Aw306mmmm因如=8.6"刀2甘，所以cd段焊缝安全。(2)支撑角钢焊缝的设计：两支撑角钢承受重量为11根钻杆和钻杆箱重量之和，所以则支撑角钢承受的重量G为：6=钻杆箱重+总钻杆重=1150.69.850.49.8=5948.6N支撑角钢焊缝长度:Lw=50-104=160mm而焊缝面积为：AW=Lw*Tw=1605=800mm2其中Lw一是支撑角钢焊缝的长度;Tw一是支撑角钢焊缝的厚度;支撑角钢焊缝受收到的力丁=G=5948.6N则可得焊缝每平方毫米所到的力t:v5948.6NN_74N/Aw800mm2.mm2因如F蠕25,所以支撑角钢焊缝安全。3.2进给

38、杆设计进给杆是送取钻杆的，其传动的平稳影响送取钻杆的效率，因此钻杆要有一定的强度和刚度，值推式液压供杆系统传动平稳可靠并且结构简单，动作灵活，易丁制造和修理，故综合考虑用值推式自动供杆系统。3.2.1进给杆设计简图1、防脱钩；2、钻杆；3、钻杆箱；4、摩擦衬板;5、进给杆；6、螺栓；7、辅助杆；8、托板图3-12进给杆设计简图3.2.2进给杆受力分析由钻杆箱和主梁一侧空间大小考虑，初步定进给杆的工作行程为200mm当进给杆送出第一根钻杆到达最大行程时，杆受弯最大。则由上弯矩图可得：（因为有两根进给杆，所以每根进给杆受一半力）图313进给杆受力分析图因为1槽内有七根钻杆，且有£Y=0,

39、可得:=1735.6NNiN2=3.5G=3.550.6kg9.8乂因为zMb(F)=0,可得：G一20060N-60200N2=02联立上两式可解得：Ni=1394.4N；N2=341.2N所以:R=3HG=3乂0.15尺50.6kgx9.8%g=223NF2=M=0.151394.4N=209.16NF3=JN2=0.15341.2N=51.18N32故有：t=FF2F3=483N3.2.3进给杆的材料选择(1) 进给杆的材料及加工工艺：由丁进给杆是供杆系统的主要部件，需要有较强的刚度，考虑非开我的工况进给杆采用45号钢，工艺采用热轧H型钢。取=335"m?(注：查自机械设计手册

40、(1)310)则有公式Mmax(36)trJMmax58.4N*m3WmaX0.17cm3选取热轧H型钢HZ8QL355106N2m基本尺寸如下图3-14。由图314得：进给杆的剖面面积A=7.6cm2;体积W=3cm2进给杆的材料强度校核：NMmzxI'AW483N7.4勺0乂Nm258.4N*m-6310=20.1乂106队2式中：NH型钢受到的力AH型钢剖面积maxH型钢受到的最大扭矩WH型钢体积图314进给杆的剖面图及尺寸因为20.1勺06*2卜I(2) 所以材料满足强度要求。进给杆的外形结构尺寸如下图图315进给杆的外形结构尺寸3.2.4进给杆的防脱钩设计(1) 设计简图如下

41、:图316防脱钩的结构尺寸(2) 拉紧弹簧的设计：由上图3-16对防脱钩受力分析计算可得钻杆在脱离时，钻杆对防脱钩作用力N为40N,弹簧受拉力为F,则防脱钩受收到的摩擦力T,T=,N其中卜摩擦系数且卜=0.1510T+93N=33F得F=113N其中弹簧的变形量为13mm初步选用碳素弹黄钢丝B级，且七=0.32卜(受II类载荷手拉弹簧)估计弹簧钢丝直径d=2.0mm,虹=1470MPa,则有：°=0.321470MP=470.4MPapaa选取旋绕比c=6，系数K=也+0615=1.25,WJ由公式4C-4Cd=1.6jKC(37)式中：k弹簧系数C弹簧旋绕比F弹簧受到的拉力s弹簧切

42、应力可得钢丝直径d=2.2mm。则：弹簧有效圈数n:d=2.1mm,与初步估计直径相近，为了能正常工作取D=Cd=62.2mm=13.2mmGd4fn38DF(3-8)式中：G=79GR代入数据可得：弹簧有效圈数n=11.5，取整n=12弹簧试验载荷Fs:,3Fs=E"'(39)8D式中：s=1.2p=564MPa3则代入数据有：Fs='I%；64=178.6N由丁F<Fs,所以设计符合要求弹簧其余尺寸有：内劲D1=D-d=13.2mm-2.2mm=11mm；外径D2=Dd=13.2mm2.2mm=15.4mm自由高度圆钩环压中心H°=：n1.5d2D

43、37.3mm防脱钩与进给杆的联结：采用螺栓连接螺栓GB578186M5X16螺母GB4186M5垫圈GB938753.2.5摩擦衬板的设计计算由丁进给杆再进给和退回过程中受钻杆压力作用，而产生较大的磨损，当磨损较大时会影响进给杆的强度，所以在进给杆上加上摩擦衬板，采用十字槽沉头螺钉将摩擦衬板和进给杆相连。其结构尺寸图如下图317。2i0160y/x>3y/*¥¥艺素勇¥¥艺勇哥工¥¥¥¥¥>¥¥*，¥¥+7二¥¥/FjrffFIF&#

44、165;*¥寥¥n"1图317摩擦衬板结构尺寸图(1)螺钉选取计算：摩擦衬板受到连接件的的摩擦力N为：N=FF2F3=483N!I-n.式中：nt=3.525(注：查自机械设计手册(3),483=241.5N，且os=320MPa表25.115),(310)乂m=1,Fn(注：查同上)320MPa4=80MPaFn<I10.785m*ds(311)Fn=241.5N0.785m!10.785180MPaGB81A85M4X10ds-=3.85mm所以选取螺钉(2)摩擦衬板厚度设计:有公式：FnLydsjY(312)%,其中n=4,%n号钢系列)则有摩擦衬板厚

45、度且I-y=320MPa(注：以上n,气查自与钢结构，45Fn153N0.48mm320MPa4mm取摩擦衬板厚度5=3mm，并对摩擦衬板要求进行调质处理HB23卜250,表面粗糙度Ra=1.6。3.3进给杆的支撑设计由丁钻杆箱中第一槽的钻杆直接压在进给杆上，为防止进给杆被压弯，以及使其能较好的传送杆件，故要有支撑。3.3.1托板设计托板材料采用热轧钢板，厚度6mm且托板的侧挡块与进给杆采用间隙配合，基轴制，则有挡块间距离46H846严9。托板托板的形状尺寸如下图3-18所示:图3-18托板的形状尺寸图3.3.2进给杆支撑设计(1)支撑角钢受力分析：支撑角钢与钻杆箱长度相等，都为3136mm两

46、进给杆间距初步取为2500mm,而W=1394.4N;对两支撑角钢有Ti=丁2,则有：T1T2=2N；=21394.4N=2789N支撑角钢所采用材料为碳素结构钢Q235取弯矩应力os-235Nm2，(注:查自机械设计手册310)由于钻杆下落有冲击载荷W1=1.523510N327N，m3=2.1cm2m考虑到角钢的挠度Wx=2.95cm3，去型号为4.5热轧等边角钢(2)支撑角钢与侧支撑板的焊缝设计：h"(313)得：土=1394.4=0.25lwfw45-10160(注：其中ffw=160始m2查自与钢结构3-1)0.22hf=0.3mm,乂hf芝1.5*'t=1.5乂*

47、'6=3.67mm故取h=5mm，则支撑角钢与侧支撑板焊缝角为5mm(3) 托板与支撑角钢的联结设计：M=0.16N2=0.16341.2N=54.6N*m(3-14)匚M<maxF=2'li2id其中：M托板与支撑角钢连接处收到的扭矩；2Lmax=160mm;'li2=20.162=0.051m2则可得:54.60.16-F=170.6N20.16由公式:式中：t】='s，且is=320MPa（注：查自机械设计手册（3）,表21.215,n取螺栓性能等级为4.8）,n=9（注：查自机械设计手册（3）,表21.211）。则可得：顼1.3F1.3x170.6

48、,O7mm取d1-5mm2.7mimi,3209因此托板与侧挡块的联结为：采用螺栓连接螺栓GB5782-86M5X20螺母GB9387M5垫圈GB17卜865（3）上挡板与侧挡块的联结：采用螺钉连接螺钉GB8O88M5X10垫圈GB9井87553.4进给杆连接杆设计3.4.1进给杆材料选择由上可得T=425N,F=4252=850N;则连接杆选择材料为热轧槽钢Q235,即crs=2352,由公式mm(316)WMmp8-J235106m2=1.3cm2可知:故选择热轧槽钢型号5,基本尺寸如下：h=50mm；b=37mm；d=4.5mm3.4.2辅助杆(1)辅助杆的结构简图和尺寸如下图3-19:

49、图3-19辅助杆的图形尺寸和焊缝辅助杆与进给杆的联结采用螺栓，其型号为GB/T578A1986M5X25(2)连接杆与辅助杆的焊缝设计：焊缝采用角焊缝三级3号钢，由焊缝强度f：=160侦2,焊缝长度.mmlw=40mm。因为要使焊缝安全有：%=7即f，ffw(3-17)hlew其中取Pf=1022(注：查自与钢结构),则有角焊缝的焊角：425Nhe、wPfF40mm1.221600.06mmNmm2乂因为角焊缝的焊角尺寸不能太小，根据经验有:hf芝1.5't=1.576=3.7（其中t=6）取整得角焊缝的焊角尺寸hf=5mm。3.5油缸设计3.5.1拟定油路图图3-20液压缸油路图(1

50、)油路工作过程：当动力头向后移动触到控制开关1DT的时候，1DT通电，换向阀向右移动，左腔进油，则进给杆向前移动直到不能再向前移动时，溢流阀卸荷，同时动力头向前前进，这样就可以自动装上钻杆；动力头和钻杆同时钻进时，触动控制开关2DT的时候，使2DT通电，此时换向阀向左移动，右腔进油，进给杆缩回乂装上一根钻杆，为下一次供杆做准备。若系统不需要供杆时，只需要切断电磁换向阀的电源，液压油就自动流回油箱，系统不再给动力头供杆了。3.5.2液压缸载荷力的计算液压缸在伸出和缩回的过程中，只有在供第一根钻杆到达行程最大，开始缩回时载荷最大，因为在那时还要克服防脱钩给钻杆的力，故那时载荷最大，此时受到摩擦力和

51、防脱钩离的总和，钻杆对防脱钩的摩擦力F为：F=Ln(3-18)其中摩擦系数卜=0.15;钻杆对防脱钩的压力N=40N,故得摩擦力F=1.15W0N=6N。工作载荷Fg为：g=2223N209.16N51.18N6=978.7N乂因为惯性载荷Fa=G,知（319）g.【其中G为钻杆和进给杆总重，即：G=钻杆重G1+进给杆重G2；其中有：钻杆重G1=50.6Kgx9.8%g=495.9N；进给杆重G2=(27.610'0.467.8103)Kg9.8NK=53.4N。则惯性载荷Fa=G1*G2取g=0.02m；At=0.2g:ts（注：Au=0.02叹；At=0.2查自机械设计手册五已3点

52、）则计算惯性载荷Fa=5.6N则活塞收回时外载荷Fw为:Fw=FgFa=978.7N5.6N984N活塞伸出最大时外载荷Fw:Fw=Fg-Fa=978.7N-5.6N=973.1N所以作用活塞上的载荷F为：F=：w；其中取传送总效率"m=0.9,故可得F号084Nm3.5.3计算液压缸的主要结构尺寸由下图3-21可得，液压缸受压时有：液压缶工面积A=巳人2（320）Pi其中取Pi=0.9MPa（注：查自机械设计手册五，表43.42）;P2=0.3MPa（注:查自机械设计手册五,表43.42);巾=-0.52(注：查自机械设计手册五,D表43.45)o则有:图321液压缶工受力分析简图

53、4FD.二峪一P21241084N则Ai=D243.14502mm2=1719mm2;d=0.52x46.8mm=24.3mm查表43.677,取d=28mm,液压活塞行程S=200mm。245mm二0.9MPa-0.3MPa1-0.52J3.5.4选择工程液压缸由以上计算可选择型号为：HSG50/28AEE乙，基本尺寸如下：D=50mm；D1=68mm;CD=30mm；MR=35mm；EW=35mmekk=M22T5;Y=40mm；PC=65mm；UE=75mmAL*4=3.14502mm2421963mm则液压缶工的流量:Q=Av=1963mm2x0.02x10'=3.9乂萨3.6

54、支座设计由以上油缸的设计计算，可知所选油缸环外径CD=30mm；MR=35mm；EW=35mm，作用与活塞上的载荷F=1084N。3.6.1与活塞杆连接支座的设计(1)支座侧板厚度设计计算：由公式：卜(321)CD、式中：F活塞上受到的载荷；CD油缸环外径；5支座侧板厚。且所选侧板材料为Q235故&=235光荷，贝U支座侧板厚&为:1084N2CD"-130mm235=0.15mm所以为了安全取支座侧板厚:=6mm(2)支座与连接杆的螺栓联结设计：由遇紧力r=-=271N；注：有四个螺栓，螺栓直径44d(322)且号'=°s，其中n=9(注：查自机械

55、设计手册三21.515),故可得螺栓直n径d1为:d11.32713.6mm240取整d1=5mm因此选取螺栓GB/T57801986M5X20螺母GB4186M5垫圈GB93875(3)支座侧板与压板焊缝的设计：由公式：N-f=f-ffw(323)he，lw其中Pf=1.22,f：=160财，焊缝长度lw=2*5010mm=80mm则：hirO/Aj图3-22支座侧板与压板焊缝和尺寸图焊缝宽度：hewff(3-24)1084N80mm伐2160Nmm2=0.07mm故焊缝宽度hf=；=0.08mm,乂hf不能过小，6=t=6时，有hfN1.5&=3.7,所以hf=5mm3.6.2与缸筒联结支座的设计为了尽量使由缸水平放置，后支座侧板孔中心到压板也取40mm图3-33与缸筒联结支座图(1)支座侧板和压板焊缝:参考上面取支座侧板和压板焊缝hf=5mm，则有hf=0.7乂5mm=3.5mm。焊缝校核:因为焊缝长度lw=450-10=160mm402=1867mm3;M=1084Nx0.04m=43N,m,N=1084N；12_50403.51243q=23MPa;WW186710f