管道钻孔机结构设计

本科毕业设计（论文）通过答辩目录一、绪论 11.1打孔机简介与种类 11.2打孔机得发展情况 21.3.研究得背景与意义 2二、总体设计方案确定及动力元件选择 42.1总体设计的要求 42.2机型与传动形式得选择 52.2.1机型得选择 52.2.2传动形式的选择 52.3打孔机的整体布局 62.3.1打孔机得总体布局 62.3.2打孔机的驱动和动力输入方式 62.3.3打孔机整体参数确定 62.4钻机的功能单元及实现方法 92.4.1钻具 92.4.2回转机构 92.5电动机的选型 11三、减速装置设计 113.1传动比确定及各级传动比分配 113.2运动参数及动力参数计算 123.2.1计算各轴转速 123.2.2计算各轴的功率 123.2.2计算各轴的功率 133.3齿轮传动的设计计算 133.3.1第一级齿轮传动副的设计计算 133.3.2第二级齿轮传动副的设计计算 163.3.3三级齿轮传动副的设计计算 203.4传动轴的设计 243.4.1第一传动轴的设计及计算 243.4.2第二轴的结构设计及计算 273.4.3三轴的结构设计及计算 333.5减器箱体结构尺寸 363.5.1结构尺寸 363.5.2油标 383.5.3通气罩 383.5.4.螺塞 39四、链传动设计 394.1链传动的特点 394.2链的类型 404.3链传动选择 41五、支架的设计 475.1.机架设计准则 475.2.支架的效核 485.2.1 485.3梁的效核 505.3.1梁的强度效核 505.4传动轮的设计 50六、钻杆钻头的设计 516.1钻杆在扩孔时的作用 526.2扩孔器 526.3转速的确定 536.4钻进液量的确定 536.5管线回拖工艺 546.6导向钻进 556.6.1钻孔回扩时钻进液的作用 556.6.3泥浆的蓦本性能 576.6.4泥浆处理剂 586.7冲击回转钻进原理 586.7.1冲击回转钻进碎岩特点 586.7.2冲击回转钻进优点 596.7.3冲击回转钻进时碎岩工具作用的应力分布 59七、钻头的设计 637.1吹洗孔和排粉槽 647.2钻头体硬度 657.3钻头布齿 657.4扩孔钻头 677.5力学模型中的几个简化处理量 697.6模型建立 697.7小结 73八、底座的设计 74结束语 76参考文献 76翻译部分 77英文原文 77中文译文 83致谢 86

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。l9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。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。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。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。运转平稳，震动小，打孔时对钻杆的导向性好。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。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。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；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。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。轴推力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（21）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。等级坚固性程度岩石fⅠ最坚固最坚固，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20Ⅱ很坚固最坚固得花岗质岩石，石英斑岩，很坚硬花岗岩，硅质岩，比上一级较不坚固得石英岩，最坚固得砂岩和石灰岩15Ⅲa坚固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10Ⅲ坚固坚固得石灰岩，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8Ⅳ较坚固一般得砂岩和铁矿石6Ⅳa较坚固砂质页岩页岩质砂岩5Ⅴ中等坚固得黏土质岩石，不坚固的砂岩和石灰岩4Ⅴa中等各种页岩（不坚固得），致密得泥灰岩3Ⅵ较软弱较软弱的页岩，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2Ⅵa较软弱碎石质土壤，破碎的页岩，凝结成块的烁石和碎石，坚固得煤，硬化得粘土1.5Ⅶ软弱致密得粘土，软弱得烟煤，坚固得冲击层，粘土质土壤1.0Ⅶa软弱轻砂质粘土，黄土，烁石0.8Ⅷ土质岩石腐植土，泥煤，轻砂质土壤，湿砂0.6Ⅸ松散型岩石砂，细烁石，松土，采下得煤0.5Ⅹ流沙类岩石流砂，沼泽土壤，含水黄土及其它含水土壤0.3根据国内经验，低气压型潜孔钻机得轴推力又可按表22选取。钻头名义直径D|mm合理轴推力PH|KN钻头名义直径D|mm合理轴推力PH|KN1001504~66~1020025010~1414~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（22）式中PT施予钻具上得调节推（压）力，N;PH计算得合理轴推力。，N；M钻进部件得质量，kg；Β孔向与水平面所成得夹角，（°）；μ摩擦系数，一般取μ=0.25；R冲击器钻头得反弹力，其值为活塞在每一工作循环中使气缸返回到初始位置所需的最小轴推力，N；g重力加速度，m|s。如向上钻孔时，则（2--2）式等号右边第二项为“+”号。当PR为负值时，表明钻进部件自重施予孔底得轴推力大于PH，必须通过调压机构进行减压钻进；反之，则需加压，进行加压钻进。当PR为零时，表明只靠钻进部件得自重力即可合理钻进，无需调压。钻具的回转速度钻头每冲击一次，只能破碎一定范围得岩石。当钻具转速过高时，在两次凿痕之间，势必留下一部分未被冲击破碎的岩瘤，使回阻力增大，钻具震动加剧，钻头磨损加快，因没有充分利用钻头得冲击能量，钻速降低。钻具得最优转数应当根据钻头两次冲击之间既不留岩瘤，又不产生重复破碎来确定。然而，这个合理得转角与钻头直径、岩石性质、冲击能量、冲击频率、轴推力、钻头结构以及硬质合金片（柱）得磨损程度等诸多因素有关，很难做出准确得计算，通常只能根据生产经验和试验方法确定。根据国内潜孔钻机得使用经验和参考国外资料，钻具得合理转速可按表23选取，或用下列经验公式计算；n1=（6500|D）0.78~0.95（23）式中n1钻具得合理转数，r|min；D钻孔直径，mm。表23回转转数与钻头直径得关系钻头直径D|mm回转转数n1|(r.min-1)钻头直径D|mm回转转数n1|(r.min-1)10015030~4015~2520025010~208~15钻具得回转扭矩钻具得回转扭矩主要用来克服钻头与孔底岩石得摩擦阻力矩与剪切阻力矩、钻具与孔壁得摩擦阻力矩，以及因裂隙等引起的夹钻阻力矩等。因此，钻具回转力矩得大小与孔径得大小、岩石性质、钻头形状、轴推力和回转速度的大小等因素有关。根据国内外生产实践得总结，回转扭矩与钻孔直径得关系可按表24确定，也可按下列公式计算。M=KMD2|8.5(24)式中M钻具得回转扭矩，N.m；D钻孔直径，mm；KM力矩系数，KM=0.8~1.2，一般取KM=1表24钻头直径与回转扭矩得关系钻头直径D|mm回转扭矩M|（N.m)钻头直径D|mm回转扭矩M|（N.m)100150500~10001500~30002002503500~55006000~90002.4钻机的功能单元及实现方法一般由钻具、回转供奉系统、推进机构、变幅机构和行走机构等组成。为了控制和操作这几个机构，设置了液压系统和操纵系统。2.4.1钻具潜孔钻具，主要由钻头、潜孔器和钻杆组成。在钻孔作业中，冲击器得活塞不断将其冲击能量通过钻头施予孔底岩（矿）石，而整个钻具又随同钻机得回转机构一起转动，使直接破碎岩（矿）石的工具钻头连续旋转、间歇冲击岩（矿）石。随着炮孔的延伸，冲击器通过推进机构也不断地向孔底移动，所以有潜孔冲击器之称，有的书中把钻头也包括在潜孔冲击器内。2.4.2回转机构回转机构是安装和支撑主支臂、使主支臂沿水平轴或者垂直轴旋转、使推进器翻转得机构，通过回转运动，使钻壁和推进器的动作范围达到巷道达到巷道掘进所需得钻孔工作区得要求。常见得回转机构有以下几种结构形式。转柱；螺旋幅式翻转机构（3）齿轮齿条式回转机构为了满足打孔工艺要求，提高钻孔精度，几乎所有现代钻车得钻壁都装设了自动平移机构，打孔机的平移机构是指当钻壁移动时，托架和推进器随机保持平行移位得一种机构，简称平移机构。在钻车中常用得平移机构，有机械式平移机构和液压平移机构两大类。属于机械式平移机构的有：箭式、平面四连杆式和空间四连杆等几种；属于液压平移机构得有：无平移引导缸式和有平移引导缸式等。箭式平移机构因外形尺寸较大，结构繁冗和凿岩盲区较大，故已被淘汰。该钻孔装置设计结构简单，主要应用于土质成分的地下短距离钻孔施工。整个钻孔机设备主要由动力元件、减速装置、链传动装置、钻管推进装置、钻管及钻头等部件组成。其工作装置结构如图1-1，其中1-电动机2-联轴器3-减速器4-传动链5-钻管6-支架钻孔推进装置主要由支架和3根主动及从动轴轴组成。电动机提供动力经减速器减速之后通过传动链带动钻孔推进装置的主动轴旋转，主动轴上布置了4个螺纹面轮毂，主动轴与2根从动轴共同夹紧钻管，主动轴回转带动钻管回转，通过螺旋面的作用推进钻管顶进，从而实现钻管钻进的目的。3根主动及从动轴由相应的支架支持（详见装配图），其中下面的两个支架可水平左右移动定位，上支架可垂直移动定位，通过支架的移动可控制夹紧顶进钻管的直径大小。该钻孔机设计的推进钻孔直径范围在100-300mm之间。2.5电动机的选型由于该钻孔装置设计为多直径钻管顶进，随顶管直径不同，所需电机功率也有所区别。而此设备主要应用于土质成分地下钻孔施工，钻进阻力不会太大，所需动力元件功率也不需太大，一般功率电机均可满足。因此，此处电动机选型计算不详细涉及功率计算，而依据工作装置转速进行电机选型。钻孔机的钻管推进速度要依据土层的软硬程度不同而不同。该钻孔机的设计是通过选用三相异步电机变极调速实现变速。异步电机的变极调速设备简单，运行可靠，机械特性较硬，虽然只能实现几种固定的速度变化，但对于该钻孔机设备已能满足调速要求。综合考虑钻管的顶进速度、功率要求选择电机型号为YG160L。异步电机转速表达式为式中——同步转速；——电源频率；——电机极对数；——转差率。电源频率为50Hz，通过电机的变极接法，使极对数=2、4不等，从而实现电机的1500r/min和750r/min两种不同的同步转速，其中高速时输出转速为1420r/min。选择电机高转速时额定功率为11Kw。三、减速装置设计3.1传动比确定及各级传动比分配首先设定钻管推进装置主动轴高转速为100r/min，取钻管推进装置主动轴链轮齿数=21，取减速器输出端链轮齿数=25。则可确定减速器总传动比为16.34分配传动比所要考虑的原则:对锥-圆柱齿轮减速器，为使大齿轮尺寸不致过大，高速级按下式计算：0.25对二级齿轮减速器：（1.3～1.4），——高低速传动比。分配传动比如下：1.3=16.34=16.34经计算得=4.609=3.545，——减速器各级传动比。3.2运动参数及动力参数计算3.2.1计算各轴转速第轴转速=n/=1420r/min第轴转速=/=1420/4.609=308.09r/min第轴转速=/=308.09/3.545=r/minn——电动机转速，r/min；，，——从电动机到减速器输出轴的各级传动比。3.2.2计算各轴的功率第轴功率==11×0.99×0.99=10.78KW第轴功率=×=10.78×0.99×0.95=9.72KW第轴功率=×=9.72×0.99×0.95=9.14KW式中=0.99，联轴器效率；=0.99，轴承效率；=0.95，齿轮效率。3.2.2计算各轴的功率第轴扭矩=9550/=9550×10.78/1420=69.47N·m第轴扭矩=9550×/=9550×9.72/308.09=301.30N·m第轴扭矩=9550/=9550×9.14/86.91=1004.34N·m3.3齿轮传动的设计计算3.3.1第一级齿轮传动副的设计计算（一）选择齿轮材料，确定许用应力考虑减速器传递功率不在，所以齿轮采用软齿面。小齿轮选用40Cr调质，齿面硬度为240～286HBS，取=260HBS。大齿轮选用45钢，正火，齿面硬度2169～217HBS，取=210HBS。确定接触应力：=查图表得小齿轮接触疲劳极限=700Mpa大齿轮接触疲劳极限=550Mpa接触强度寿命系数，应力循环系数N由下式决定：==60142011536512===60308.0911536512=查图表得==1。取接触强度最小安全系数=1.2，则=7001/1.2=584Mpa，=5501/1.2=458Mpa。确定许用弯曲应力：=弯曲疲劳极限，查资料取=540Mpa，=420Mpa弯曲强度寿命系数，查资料取==1弯曲强度的尺寸系数，查资料（模数m5mm）取=1弯曲强度最小安全系数，取=1.4则 =54011/1.4=386Mpa=4201/1.4=300Mpa(二)齿面接触疲劳强度设计、计算确定齿轮传动精度等级，7，由资料参数表选取小轮大端公差组等级为7级。分度圆直径为：齿宽系数查资料，取=0.5小齿轮齿数取=18大齿轮齿数取传动比误差可用小轮转矩载荷系数——使用系数。查资料取=1——动载系数。由推荐值1.05～1.4，取=1.2——齿向载荷分布系数。由推荐值1.0～1.2，取=1.1载荷系数=材料弹性系数，查资料，取节点区域系数，查资料，取故计算得齿轮模数，，按标准圆整得m=5mm小轮大端分度圆直径小轮平均分度圆直径圆周速度齿宽取（三）齿根弯曲强度校核计算当量齿数，齿形系数，小轮=2.58大轮=2.10应力修正系数，小轮=1.6大轮=1.9故齿根强度满足要求。（四）齿轮的主要尺寸参数3.3.2第二级齿轮传动副的设计计算（一）选择齿轮材料，确定许用应力查资料选择，小齿轮40Cr调质大齿轮45正火许用接触应力,=接触疲劳极限，接触强度寿命系数Zn应力循环次数N，N1=60n1×j×Ln＝60×308.09×1×（15×12×365）＝1.21×N2=N1/i＝1.21/3.545＝3.43×查资料知Zn1＝1，Zn2＝1.05接触强度最小安全系数＝1则＝700×1/1＝700＝550×1.05/1＝577许用弯曲应力，=其中=378=294弯曲疲劳极限，双向传动乘0.7弯曲强度寿命系数Yn，Yn1＝Yn2＝1弯曲强度尺寸系数Yx（设模数m小于5mm），Yx＝1弯曲强度最小安全系数＝1.4则＝378×1×1/1.4＝270＝294×1×1/1.4＝210（二）齿面接触疲劳强度设计计算确定齿轮传动精度等级按V1＝（0.013－0.022）×n1×估取圆周速度Vt＝4m/s，参考相关资料，得d1齿宽系数，取=0.8小轮齿数Z1，在推荐值20~40中选。Z1=25大轮齿数Z2=i×Z1=3.545×25=88.625，圆整为Z2=89齿数比u=Z2/Z1=89/25=3.56传动比误差/u=（3.56-3.545）/3.545=0.0042<0.05，合适小轮转矩T1=301300N·mm初定螺旋角=-使用系数，查资料取=1-动载系数，由推荐值知=1.2-齿间载荷分配系数=1.1--齿间载荷分布系数=1.1载荷系数K==1.45材料弹性系数,取=189.8重合度系数由推荐值知=0.78螺旋角系数==0.99故d1=81.52mm法面模数=d1z1=81.52*cos1225=3.19取标准=3.5中心距aa=（z1+z2）（2）=3.5（25+89）（2cos12）=203.95mm圆整取a=204mm分度圆螺旋角，=arccos=分度圆直径d1=mzcos12.51=89.628mm圆周速度v=3.14*d1*n160000=1.445ms齿宽bb==0.8*81.52=65.216圆整为65mm。大轮齿宽b2=b=65mm小轮齿宽b1=b2+（5~10）=70mm（三）齿根弯曲疲劳强度校核计算当量齿数===26.73===95.16齿形系数.小轮=2.58大轮=2.17应力修正系数.小轮=1.598大轮=1.80不变位时，端面啮合角=arctan（）=端面模数==3.535mm。重合度==2.13重合度系数=0.25+0.75=0.602螺旋角系数由推荐值为=0.89故==84.10==86.71齿根弯曲强度满足（四）齿根其他主要尺寸计算大轮分度圆直径===318.53mm根圆直径==89.628-2*1.25*3.5=80.878mm==318.53-2*1.25*3.5=309.78mm顶圆直径==89.628+2*3.5=96.628mm==318.53+2*3.5=325.53mm3.3.3三级齿轮传动副的设计计算（一）选择齿轮材料，确定许用应力小齿轮40Cr调质大齿轮45正火许用接触应力,=接触疲劳极限，接触强度寿命系数Zn应力循环次数N，N1=60n1×j×Ln＝60×86.91×1×（15×12×365）＝3.43×N2=N1/i＝3.43×/2.73＝1.26×查资料知Zn1＝1，Zn2＝1.05接触强度最小安全系数＝1则＝700×1/1＝700＝550×1.05/1＝577许用弯曲应力，=其中=378=294弯曲疲劳极限，双向传动乘0.7弯曲强度寿命系数Yn，Yn1＝Yn2＝1弯曲强度尺寸系数Yx（设模数m小于5mm），Yx＝1弯曲强度最小安全系数＝1.4则＝378×1×1/1.4＝270＝294×1×1/1.4＝210（二）齿面接触疲劳强度设计计算确定齿轮传动精度等级按V1＝（0.013~0.022）×n1×估取圆周速度Vt＝4m/s，d1齿宽系数，查资料得=0.8小轮齿数Z1，在推荐值20~40中选。Z1=25大轮齿数Z2=i×Z1=2.73×25=68.25，圆整为Z2=68齿数比u=Z2/Z1=68/25=2.72传动比误差/u=（2.73-2.72）/2.73=0.00366<0.05，合适小轮转矩T1=1004340N·mm-使用系数，取=1-动载系数，由推荐值知=1.2-齿间载荷分配系数=1.1-齿间载荷分布系数=1.1载荷系数K==1.45材料弹性系数,取=189.8节点区域系数（）=2.5重合度系数由推荐值知=0.87故d1=136.60mm齿轮模数mm=d1z1=136.6025=5.464取标准m=6小轮分度圆直径=mz1=6*25=150mm圆周速度v=3.14×d1×n160000=0.68ms标准中心距aa=m（z1+z2）2=6（25+68）2=279mm齿宽bb==0.8×150=120mm大轮齿宽b2=b=120mm小轮齿宽b1=b2+（5～10）=125mm（三）齿根弯曲疲劳强度校核计算由式6-16齿形系数，小轮=2.62大轮=2.21应力修正系数，小轮=1.59大轮=1.776重合度==1.56重合度系数=0.25+0.75=0.731故==423.31==440.99齿根弯曲强度满足。（四）齿根其他主要尺寸计算大轮分度圆直径===408mm根圆直径==150-2*1.25*6=135mm==408-2*1.25*6=393mm顶圆直径==150+2*6=162mm==408+2*6=520mm3.4传动轴的设计3.4.1第一传动轴的设计及计算（一）计算作用在齿轮上的作用力转矩T=9550P/N=955010.54/1420=70.89Nm圆周力=径向力轴向力（二）初步估算轴的直径选取作为轴的材料，调质处理由式计算轴的最小直径并加大5%考虑键槽的影响。查资料知取A=102=21.8mm（三）轴的结构设计确定轴的结构方式：考虑到锥齿轮的制造装配等方面的因素，采用齿轮轴并采用悬臂式结构。确定各轴段直径长度：根据圆整并取=40mm并由和n选取联轴器型号为基本尺寸d=40mmD=130mm=105mmL=84mm第一段长度2段二段主要是锁紧螺母和轴承，选取且符合轴承内径查GB/T297-1994暂选滚动轴承32909基本尺寸是d=45D=68，暂取=60mm3段为便于装拆轴承内圈定位，且，4段第四段的尺寸必须满足下列关系其中L为两轴承距离为有轴承与锥齿轮的距离暂选L=95mm，，。综合考虑减速箱的布置，确定：，，，（四）绘制轴的弯矩图和扭矩图齿轮轴受力如图（a）所示，求轴承反力：H水平面内受力如图(b)所示H竖直面内受力如图（d）求弯矩图：水平面内弯矩图如（d）垂直面内弯矩图如（e）弯矩图，扭矩图见下图：图2-1轴的弯矩、扭矩图T=115.54Nm合成弯矩见图（f）（五）判定危险截面，求危险截面的当量弯矩根据图，图及T图参照齿轮轴受力图，设B截面为危险截面，因该轴单向旋转，扭转剪应力按脉动循环考虑。轴为，调质处理查资料，由得，，。折算系数取当量弯矩B处当量弯矩C处当量弯矩（六）验算危险截面强度危险截面直径为因1段有一键槽，最小直径应为比较计算结果与结构设计B截面直径，满足强度要求。3.4.2第二轴的结构设计及计算（一）计算作用在锥齿轮上的作用力对于锥齿轮：转矩圆周力径向力轴向力对于斜齿轮：输出轴大齿轮分度圆直径为转矩T=圆周力径向力轴向力（二）初步计算轴的直径及各段长度选取45号钢作为轴的材料，调质处理，由式计算轴的最小直径，并加大3%以考虑键槽的影响查资料取A=115=36.24mm确定轴的结构方案：右轴承从轴的右端装入，靠轴肩定位。齿轮和左轴承从轴的左端装入，齿轮右端靠轴肩定位。锥齿轮和左轴承之间用定位套筒定位，齿轮右端靠轴肩定位。确定各轴段直径和长度为便于装拆轴承内圈，要符合标准轴承内径，根据GB/T297-1994，暂选滚动轴承32009X2。基本尺寸是但d=45，T=20，D=75，B=19，C=16，。轴承润滑的选择：选择脂润滑。综合考虑箱体的布置及对称要求，1段长度1段轴径=45mm2段与3段的选择锥齿轮宽度锥齿轮宽度为40mm，取=40-2=38mm。为使套筒可靠的压紧锥齿轮，并考虑对称，取=35mm综上4段取齿轮左端定位高度h=5mm，轴肩直径，=20mm。5段考虑对称布置及齿轮与箱体内壁距离要求，取，6段7段(三)轴的力学分析左右轴承支反力若按精确计算，应距外端盖截面16mm，这样选得支撑跨距l=276.5mm支反力作用点与齿轮作用力点及两齿轮作用力点之间的距离分别为。计算弯矩和扭矩：水平面内支撑点A的支反力：水平面内支撑点B的支反力水平面内剖面C-C处的弯矩：水平面内剖面D-D处的弯矩：水平面内剖面E-E处的弯矩垂直面内支撑点A的支反力：垂直面内支撑点B的支反力：垂直平面内剖面C-C处的弯矩：垂直平面内剖面D-D处的弯矩：垂直平面内剖面E-E处的弯矩：计算合成弯矩：剖面C－C处的合成弯矩：剖面D－D处的合成弯矩：剖面E－E处的合成弯矩：判定危险截面，求取各截面的当量弯矩：根据图图及T图并参照轴的受力图，断定CDE断面为危险截面。因该轴单向旋转，轴为45号钢，调质处理。查资料得按值查相关资料得则折旧系数当量弯矩C处当量弯矩：D处当量弯矩：E处当量弯矩：按弯扭合成强度校核轴的强度（中等精度）：对于C—C截面对于D—D截面对于E—E截面对于C—C截面考虑到键槽的影响，最小直径mm，其余截面类似。比较计算结果与结构设计，其它截面均满足强度要求。（四）精确校核轴的疲劳强度轴的细节结构设计如下：圆角半径，各轴肩的圆角半径均采用R＝1.0mm键槽，锥齿轮采用。选择危险截面：各截面均有应力集中源，选择其中应力较大，应力集中较严重截面。选择第五段轴截面。计算危险截面的工作应力：截面弯矩：M＝301458Nmm截面扭矩：T＝301300Nmm抗弯截面系数：抗扭截面系数：截面上的弯曲应力：截面上的剪应力：弯曲应力幅：弯曲平均应力：扭切应力：确定轴材料机械性能如下：查相关资料，弯曲疲劳极限，剪切疲劳极限，炭钢材料特性系数：，。确定综和影响系数，：轴肩圆角处有效应力集中系数，，根据，，由资料插值计算的＝2.05，＝1.35。配合处综和影响系数，，根据，，配合H7/r6，插值计算得，。尺寸系数，，根据d查得，。表面状况系数，根据，查得。轴肩处综和影响系数，为同一截面上如有两个以上的应力集中源，取其中较大的综和影响系数来计算安全系数，故按配合处取综和影响系数，。计算安全系数如下：取用安全系数[S]＝1.6则有轴的疲劳强度满足。3.4.3三轴的结构设计及计算（一）计算作用在齿轮上的作用力对于斜齿轮：圆周力径向力轴向力对于直齿轮：转矩T=圆周力径向力（二）初步计算轴的直径选取45号钢作为轴的材料，调质处理，由式计算轴的最小直径，并加大3%以考虑键槽的影响。查资料取A=115，=51.46mm（三）轴的结构方案确定确定轴的结构方案如下：右轴承从轴的右端装入，靠轴套定位。齿轮从轴的右端装入，轴肩定位，左轴承从轴的左端装入，齿轮右端靠轴肩定位。确定各轴段直径和长度如下：根据圆整取55mm，根据直齿小轮齿宽，并考虑倒角装配，选取长度L1=123mm。2段为使直齿轮定位，轴肩高度h=c+（2~3）mm。且符合标准密封内径，综合考虑齿轮配对和箱体内的整体布局，取=90mm3段为便于装拆轴承内圈，且符合标准轴承内径=65mm滚动轴承型号为32013，D=100mmT=23mmC=17.5mm，取=T=23mm4段=70mm。为了便于安装调配取=125.5mm。5段=65mm为了实现两斜齿轮的安装，斜齿轮宽度为65mm，使斜齿轮可靠的压紧，取=63mm。便于斜齿轮的定位以及轴承安装，滚动轴承型号为32912，D=85mm，T=17mm。6段综合考虑链轮配合及减速箱装配，取=60mm，=31.5mm。（四）计算弯矩和扭矩求轴承支反力如下：H水平面=-2365.7N,=--2938.1N,V垂直面=--1546.2N,=-1327.9N。求齿宽中点处弯矩如下：H水平面=23417.1Nmm,=-39654.2NmmV垂直面=-9846.7Nmm,=-104528.1Nmm合成弯矩M求解如下：M1=25326.1Nmm。M2=105732.4Nmm。扭矩T为：T=1004340Nmm。（五）按弯矩合成强度校核轴的强度轴的材料为45号钢，调质处理，查得查得材料许用应力则轴的计算应力为该轴满足强度要求。（六）精确校核轴的疲劳强度轴的细部结构设计如下：圆角半径、键槽及其配合可以参考现有设计图纸设计手册、图册。选择危险截面：各截面均有应力集中源，选择其中应力较大，应力集中较严重的截面。选择第六段轴截面。计算危险截面的工作应力：截面弯矩：M＝423151.3Nmm截面扭矩：T＝1004340Nmm抗弯截面系数：抗扭截面系数：。截面上的弯曲应力：截面上的剪应力：弯曲应力幅：弯曲平均应力：扭切应力：。确定轴材料机械性能如下：查资料，弯曲疲劳极限，剪切疲劳极限，炭钢材料特性系数：，。确定综和影响系数，：键槽处有效应力集中系数，，由相关资料插值计算得＝1.840，＝1.845。计算安全系数如下：取用安全系数[S]＝2.0，则有>2.0疲劳强度安全。3.5减器箱体结构尺寸3.5.1结构尺寸箱昨壁厚：二级传动：0.025a+1≥8取δ=8箱盖壁厚：二级传动：0.02a+3≥8取δ1=8箱座上臂凸缘厚度：b=1.5d=1.5×8=12箱盖凸缘厚度：b1=1.5δ1=1.5×8=12箱座底凸缘厚度:b2=2.5δ1=2.5×8=20地角螺钉直径:df=20地脚螺钉数目:a≤250:n=4轴承旁连接螺栓直径:d1=0.75df=0.75×20=16盖与座连接栓直径:d2=(0.5~0.6)df=10连接螺栓d2间距:L=15~200轴承端盖螺钉直径:D3=10检查孔盖螺钉直径：D4=8定位销直径:D=8D1d2d3至外箱壁距离:C1=22至凸缘边缘距离:C2=20轴承旁凸台半径:R1=20凸台高度:H根据低速级轴承底外径确定，便于扳手操作为准外箱壁至轴承座端面距离：L1=50齿轮顶圆与内箱壁距离:△1=10齿轮端面与内箱壁距离:△2=0箱盖肋厚:M1=6.8箱座肋厚:M2=6.8轴承端盖外径:D2=D+(5~5.5)d3D为轴承外径轴承旁连接螺栓距离：S尽量靠近，d1和d2不可干涉3.5.2油标3.5.3通气罩3.5.4.螺塞四、链传动设计4.1链传动的特点与带传动及齿轮传动相比较．链传动的优点是：(1)由于是啮合传动，没有打滑及弹性滑动现象．故平均传动比准确，工作可靠；(2）传动放率较高；(3）不需张紫，所以压轴力较小；（4）能在环境温度较高．多灰尘、温度较高及有脯蚀等恶劣条件下工作；（5）工况相同时，比帘传动结构紧凑；(6）可根据需要选取链条长度，故传动的中心距适用范围较大。链传动的缺点是：(1）瞬时传动比下恒定，传动不平稳；(2）工作时有噪声；（3）不宜在载荷变化很大和急速反问的传动中工作；(4)只限于平行袖传动，4.2链的类型按工作性质不同．链分为传动链：起重链和曳引链。起重链和拽引链王要用在起电机械和运输仉械中，而在一般机械传动中，常用的是传动链，传动链按结构主要分为短节距精密澴子链．简称滚子链；短节距精密娄简链，饰称套筒链，齿形链，及成型链；目前，应用最广是滚子链，已经标准化。将重点介绍滚于链传动的结构．和一般设计问题，套简链比滚子链结构简单，也己标准化，但套简易磨损，故只适用于低速（v<2m|s）传动。齿形链又称无声链，它传动平稳，振动和噪声均很小，但它比滚子链结构复杂，重量大，制造较堆，造价较高．故多用于高速或运动精嚏要求较高的传动装置中；4.3链传动选择由于滚子链与链轮的啮合属非共轭啮合传动，故链轮齿形的设计有较大的灵活性。本次设计均采用滚子链传动。在GB|T1243--1997中，规定了最大和最小齿槽形状，见表4-1。表4-1滚子链主要尺寸链轮齿形应满足下列需求：（1）保证链条能顺利进入和退出啮合；（2）受力均匀，不易拖链，）（3）便于加工。链传动相关尺寸如下表所示：2.链传动的设计计算1)选择链轮齿数,小链轮齿数,故取链速8-25m/s查表5.3取大链轮齿数2)确定链节数初选中心距则链节数为圆整3)确定链节距载荷系数查表5.4小链轮齿数系数查表5.5按套筒、磙子冲击疲劳多排链条系数查表5.6链长系数查表5-13由式5-9：根据小链轮转速和查图5-12确定链条型号12A单排链确定中心距由式5-125)验算链速v6)计算压轴力链条工作拉力F压轴力系数由式5-13压轴力7)链轮参数计算：分度圆直径：齿顶圆直径： 齿根圆直径：`轮毂厚度：轮毂长度：轮毂直径：分度圆直径：齿顶圆直径： 齿根圆直径：轮毂厚度：轮毂长度：轮毂直径：五、支架的设计在机器中支承或者容纳零、部件的零件称为机架。如支承贮罐的塔架、固定发动机的机架、容纳传动齿轮的减速器壳体、机床的床身等统称机架。而在本设计中，此机架用来支撑转动钻杆。不少机架都可以看成是由杆件组成的，但是并非把若干杆件随意组合起来就能称其为合理机架结构。必须包子机架杆系是几何不变杆系，应避免几何可变杆系和几何瞬变杆系。5.1.机架设计准则（1）工况要求任何机架的设计首先必须保证机器的特定工作要求。例如，保证机架上安装的零部件能顺利运转，机架的外形或内部结构不致有阻碍运动件通过的突起；设置执行某一工况所必须的平台；保证上下料的要求、人工操作的方便及安全等。（2）刚度要求在必须保证特定外形条件下，对机架的主要要求是刚度。例如机床的零部件中，床身的刚度决定了机床的生产率和加工产品的精度；在齿轮减速器中，箱壳的刚度决定了齿轮的啮合性及运转性能。（3）强度要求对于一般设备的机架，刚度达到要求，同时也能满足刚度的要求。但对于重载设备的强度要求必须引起足够的重视。其准则是在机器运转中可能发生的最大载荷情况下，机架上任何点的应力都不得大于允许应力。此外，还要满足疲劳强度的要求。（4）稳定性要求独语细长的或薄壁的受压结构及受弯-压结构存在失稳问题；某些板壳结构也存在失稳问题或局部失稳问题。失稳对结构会产生很大的破坏，设计时必须效核。（5）美观目前对机器的要求不仅要能完成特定的工作，还要使外形美观。如散热的要求；防腐蚀及特定环境的要求；对于机密机械、仪表等热变形小的要求等。5.2.支架的效核一般机架通过挠度效核，则强度是不会有问题的。但为了设计选材方便，先都进行强度效核计算。需用应力5.2.1基本许用应力5.3梁的效核5.3.1梁的强度计算主要是考考受弯时的正应力单项受弯时：双向受弯时：如果梁上还有纵向拉、压力F，则还应增加一项应力：5.4传动轮的设计在支架内布置的三个轮，用来给钻杆提供动力。上面的压紧轮用来为钻杆提供运动和动力同时压紧。此轮的上方采用螺杆传动。可以根据不同的钻杆直径，调节它的径向位置，从而达到使用的目的。如下图所示是此支架的简图；其中1上侧压紧轮（可径向调节）2两侧压紧轮铰链3钻杆4两侧压紧轮（可轴向调节）5支架考虑美观，并且满足条件的情况下个轮均取d=100mm支架总图（简图）：六、钻杆钻头的设计定向钻进导向孔施工完成后，一般需要用扩孔器来扩大钻孔，以便安装成品管线。扩孔的主要目的是将钻孔孔径扩大，一般要扩大到所铺管线管径的1.2一1.5倍，以使成品管线能顺利铺入地下，减少拉管时的工作量及阻力。对直径较小的管线，可不进行预扩孔施工而直接将回扩器与待铺管线连接后拉入孔中，对于直径较大的管线，必须先进行多次的预扩孔施工，使钻孔直径逐渐增大，直至孔径达到能满足待铺管线的要求，最后将待铺管线拉入孔中。扩孔过程同时也是一个混合钻屑和钻进液制成泥浆排出钻孔的过程。扩孔时，要在出口坑处将导向施工时钻杆前端安装的钻头卸下，连接上扩器及旋转接头，在旋转接头的后部再接上钻杆，回拉钻杆进行扩孔施工。扩孔器所用的配套钻具有钻杆、扩孔器、旋转接头等6.1钻杆在扩孔时的作用钻杆是钻具的关键部件，它可以提供作用在扩孔器上的回拉力、回转扭矩及钻进泥浆。钻杆应具备高强度、高弹性、耐高压等基本特性。在扩孔时，钻杆承受较大的拉力和扭矩，同时钻杆是在弯曲和回转的状态下工作的，因此钻杆材料还必须有高的抗疲劳强度，特别是钻杆的连接部位，接头螺丝必须经过特殊的热处理及高精度加工，以提高其使用寿命并防止断杆等事故的发生。6.2扩孔器扩孔器是扩孔时的最主要部件，扩孔器根据所需扩孔的土层不同，分为以下几种类型:a.快速切削型扩孔器，主要适用于软土层(又分为:螺旋型扩孔器、翼状切割器、螺旋齿轮型扩孔器、凹槽状扩孔器等。b.牙轮式扩孔器。主要适用于硬岩钻进。旋转接头放置在扩孔器与回拉钻杆之间，它是在扩孔时，实现扩孔钻头旋转，而连接在旋转接头后的钻杆或待铺管线不回转。在扩孔过程中，有三个技术参数用于控制扩孔钻进，它们分别是回拖力、转速及钻进液量三个参数指标。扩孔钻进时的参数选择是根据扩孔器在扩孔钻进时的孔内过程和工作性质而确定的。扩孔器的回拖力主要是根据不同类型的扩孔上镶嵌切削具的数目来计算总回拖力。即其中T回拖力，七为单个切削是上应用的压力，是根据切削具的型式及所钻土层而选定的。一般地，最小七值，需能保证切削具能够克服土层的前切强度。M扩孔器上切削具的数目。6.3转速的确定回扩器的转速即指每分钟转数，在扩孔钻进时，回扩器的转速(n)与单个切削的转速之间的关系为D一一回扩器的直径，v—直接反映了切削具转动的快慢，n—表示直径一定时钻头旋转的快慢。扩孔器的转速与扩孔器前进速度之间的关系是受岩石层的岩土性质及切削时间影响的。在软土层中扩孔钻进时，回扩器以一定的回拖力进行扩孔钻进时，其扩孔钻进的速度与扩孔器的转速是成正比的，即选择高的转速可以提高扩孔器的钻进速度，但是在实际工作中，转速的提高受到相关因素和条件的限制，过高的转速会导致钻具的弹性振动加剧，同时回转和切削土层以及克服摩擦阻力所需的功率也大幅度地增加。因此，提高转速也受到钻具组合的强度、长度，切削具的强度及设备能力的制约。6.4钻进液量的确定扩孔器上均安装有若干个喷嘴，用于向孔内输送钻进液。在实际扩孔钻进过程中，需要通过钻杆向扩孔器送入钻进液，将送入孔内的钻进液，称为冲洗液量。在扩孔钻进中，冲洗液量的大小是钻进液中其中一个重要参数。是影响钻孔效率的关键因素，钻进液体参数指标中，钻进液的品种和质量，选用清水，泥浆还是无固相冲洗液等对钻孔的效果都有很大影响，衡量冲洗液量的指标主要是总泵量Q，即送入钻孔中的冲洗液量及每单位扩孔器直径的泵量q。一般是以在单时间内扩孔所产生的土屑量来确定的，随着泵量的增加，冲洗液对土层的切割能力及孔内土屑的清除能力增强，扩孔钻进的能力也增强。可避免重复切削土屑和消耗功率，减少扩孔器切削具的磨损，同时对扩孔器有清洗的作用，减少了糊钻现象的发生，扩孔时采用大的泵量对扩孔钻进是有益的。扩孔钻进的施工步骤为:a.卸下导向钻头换上扩孔器回转接头。b.将回转接头后连接回拉钻杆。c.进行扩孔钻进。d.扩孔钻头到达钻机一侧的工作坑后，卸下扩孔器及回转接头，将钻机上的钻杆与回拉钻杆连接起来。e.在出土坑中的连接钻杆后连接另一扩孔器及回转接头，后再接第二次回拉用钻杆。f.进行第二次的扩孔钻进。g.往复扩孔直至达到要求。在扩孔过程中，特别注意选择适用于不同土层的扩孔器及扩孔时转速、冲洗液量与钻进速度及成孔质量、孔壁稳定的关系。同时注意钻进泥浆的用量及品种、质量对孔的完整性及糊钻事故的影响。6.5管线回拖工艺钻孔扩大至所需孔径后，即可在出土坑处连接成品管线，然后将管线回拉进入充满泥的孔中。在回拉前，可将扩孔器安装在钻杆后，然后再用一个单动接头和拉管头与成品管线连接好。拉管头与所铺管线的连接方式对钢管主要采用焊接方式，对PE管等主要采用管道连接头或夹管装置。回拉铺管时，钻机的拉力是关键的参数，当钻机拉力大于管壁与孔壁之间的摩擦力、液体阻力、非均匀压力及弯曲阻力总和时，即可用钻机直接将管线拉入孔中。其中最重要的是摩擦力。管壁与孔壁之间的摩擦力计算公式为:由公式可知，w主要取决于土对管线的压力p及摩擦系数f，同时，孔内泥浆阻力:不平衡重力、弯曲、外箍环、管道支撑、入土管线的弯曲度等均对阻力有较大影响，施工时应注意减小这些因素对回拖的影响。回拖力的构成F二F解十F液体阻力十F管线呀曲阻力+-一FN减少摩擦力可在施工导向孔时，注意轨迹的缓慢平滑，尽量增大轨迹转弯处的弯曲半径。减小孔内岩屑量。对钻进液的品种和质量要做充分的考虑，泥浆护壁功能的增强和泥浆悬浮岩屑能力及携带能力增强，可大大降低摩擦力。对于成品管线，管道内注水可以使管道下沉处于钻孔的中央，可大大减少管道作用于孔上壁的摩擦阻力等。在定向钻进施工中，在导向钻孔管孔回拖及回拉铺管时，均提到了泥浆(钻进液)的使用及作用，对非开挖定向钻进铺管，钻进液的使用是非常重要的，各个环节中均发挥出它不同的重要作用。不同施工环节中钻进液的作用:6.6导向钻进在导向钻进过程中，钻过液的主要作用是冷却钻头及切削土体携带岩屑。这时所使用的钻进液主要是现场的淡水，而不须加入其它成分。6.6.1钻孔回扩时钻进液的作用钻孔回扩时钻进液(泥浆)的作用是非常关键的，其主要的作用可概括为以下几点:喷射钻进:钻进液在扩孔钻进的过程中，自钻机通过钻杆输送到支扩孔器，在扩孔器的喷嘴中喷出，通过调节泵量可以控制钻进液喷出时的射流速度和作用于土体上的作用力，从而辅助切削土层，增加钻进速度，同时清洁扩孔器，防止泥包现象的发生。b.悬浮和携带岩屑:泥浆的基本功用之一，就是将钻头破碎下来的岩屑从钻孔内带出，保持钻孔的清洁。当临时停止泥浆循环时，钻进液又能把钻孔内的钻屑悬浮在泥浆中，不至于下沉，从而防止沉砂卡钻，泥浆保持钻孔清洁，不致造成钻头重复切削和破碎土体保证回扩器在孔内始终接触和破碎新地层，提高钻头的工作效率，从而提高钻进速度，这一功效要求泥浆有一定的粘度、切力等流变性能。c.润滑和冷却钻具:在扩孔的过程中，回扩器一直在高速与土层摩擦旋转，产生大量热量，温度很高，这些热量很难通过土层传递出去，而泥浆可以通过泥浆循环吸收井带走热量，从而起到冷却钻头和钻具的作用，延长了钻具的使用寿命。同时使钻头、回扩器等钻具在泥浆中旋转和拖动时，降低了土层的摩擦阻力，起到了润滑的作用和保护钻具的作用。d.稳定孔壁:孔壁稳定，钻孔形状规则是优质快速铺管的重要基础条件，也是采用泥浆的基本立足点，良好的泥浆能借助泥浆中水的流失在孔壁上形成一层很好的泥皮，以巩固孔壁及地层，阻止液体流入地层，减少土中泥页岩的水化膨胀和分散。e.平衡地层压力:在钻进施工中遇到压力系统复杂的地层时，可在较大范围内调节泥浆的比重，平衡地层压力，防止塌孔、缩径及泥浆漏失等现象的发生。泥浆在回扩时所起的作用在回拖铺管时起同样的作用外，在回拖铺管时，泥浆起到降低管线与孔壁之间的磨擦阻力，对管线外壁起保护作用。有利于回拉铺管作业。同时，泥浆在回拉铺管时，还可以通过观察泥浆循环返回的情况判断孔内情况。适合的钻进液可以明显降低回拉铺管的阻力减少回拖时液压锁现象的发生。从以上泥浆在各环节的作用可以看出，泥浆在非开挖定向钻施工中起着相当重要的作用，是非开挖定向钻进施工的“血液”。在施工过程中，根据不同的土层情况进行合理的泥浆配制是一个非常关键和重要的工作。6.6.2泥浆的组成组成非钻进泥浆的基本物质是水和粘土，而其中粘土对泥浆性能的影响是一个决定性的因素。泥浆的性质和性能主要取决于粘土颗粒的矿物类型及其在水中的性质、分散粒度的大小、分布粘土的总含量及这些微粒和处理剂的作用等。粘土主要是膨润土。膨润土晶胞间联系松散，可交换的阳离子数目多，水分子易进入晶胞间，所以易膨胀水化，分散性好，造浆率高。由于一般膨润土均为钙质膨涨土，为了提高钙质膨润土的造浆性能，须对其进行碱化处理，在用钙质膨润土配浆时时，加入适量纯碱，改变土的性能，使其成为钠质膨润土。一般地加入纯碱碳酸钠的比重约为粘土重量的5”水平定向钻进施工土层一般是地表土。地表土壤一般可分为粗土和细土两大类。粗土是指砂性土，如:细沙，中沙，粗沙及卵砾石等，针对不同的土层，可进行不同泥浆配比。6.6.3泥浆的蓦本性能泥浆的基本性能是指泥浆的基本组成以及各组分之间的物理化学作用的宏观反映，是泥浆质量的基本参数。泥浆的性能及变化，直接影响钻进速度、钻头、钻杆寿命、孔壁稳定性、孔内清洁及回拖铺管等一系列钻进工艺问题，泥浆的主要性能有:密度:是测定泥浆静水压力的标准。它的大小主要决定于泥浆中的固相含量和固相比重。固相含量是指固体颗粒的重量百分比。粘土及重晶石为有用固相，造浆率高泥浆的固相含量控制在4%左右为宜。b.粘度:粘度是指泥浆颗粒之间摩擦力的总和，是测量泥浆的流变性能。一般用漏斗测量，粘度值是指每流出1升泥浆所需的时间。在水平定向钻进时，粘度升高则钻进效率降低，但从携带钻屑和维护孔壁角度来看，粘度增加是有益的，所以要配制适当粘度的泥浆。c.泥浆的切力:泥浆静止时，颗粒之间相互吸引而形成一定的化学结构，结构中束缚一定的水，而当有外力作用而流动时，结构拆散，水放出，泥浆流动性增加，这称为泥浆的触变性，适当的静切力可以悬浮岩屑，过高的泥浆静切力却易造成泵压过高，开泵困难，压裂地层等，可以通过添加回稀释剂来，降低泥浆切力，清除泥浆的无用固相。同时加入无机盐和膨润土可用来提高切力。d.泥浆的失水和造壁性。这是泥浆的重要性能，它对松散，破碎和遇水失稳的地层孔壁的稳定起重要影响。泥浆失水是指泥浆中的自由水在压差作用下向孔壁土层中的裂隙中渗透，从而失去水分。泥浆中的自由水进入地层，泥浆中的固相颗粒附着在孔壁上形成泥皮，便称为泥浆的造壁性。泥浆中细粘土颗粒多，则形成泥皮薄而密，泥浆失水大。反之，粗颗粒多而细颗粒少则形成的泥皮厚而松，泥浆失水大，造壁性能差，易产生泥皮跨塌或泥浆循环阻力大。e.泥皮的摩擦力主要是指泥皮表面的粘滞性能，摩擦力大，对钻具和管线磨损大，可加入润滑剂改变摩擦力。f.泥浆的PH值。泥浆的PH值对泥浆性能影响很大，固相颗粒带负电荷，它必须在碱性条件下才能维持稳定。因此，泥浆必须维持在碱性范围，PH值应维持在8“10，过高的PH值，泥浆对孔壁的分散性增强，腐蚀性增大。要提高泥浆的PH值可以在泥浆中加入NA(OH)或碳酸钠等。6.6.4泥浆处理剂为了保证泥浆在钻进过程中的稳定性，提高泥浆的性能以适应各种情况下的钻进要求，必须对泥浆进行化学处理，加泥浆处理剂是处理泥浆的常用方法。处理剂分无机处理剂和有机处理剂，针对不同的土层，可选用不同的泥浆处理剂进行处理:。a.对于易于塌孔的土层，如松软的砂层等，可使用失水量较小的泥浆，这时需要高矿化度的泥浆、盐水泥浆、氯化钙泥浆及石膏、钾基泥浆。b.对于破碎带的土层，泥浆必须要有良好的造壁性。可加入钠质的膨润土。c.对于漏失地层，应在泥浆中加入锯末、纸屑等纤维材料。对于任何化学添加剂，必须与膨润土一起使用才能起作用。无机处理剂主要指碳酸钠，作用是改变泥浆的PH值;有机处剂主要是使泥浆具有分散稳定，絮凝，发泡，乳化，减摩润滑，抑制粘土质岩石化，膨化，造浆抑制水敏地层坍塌，及对钻具的腐蚀等多种作用。可降低失水，降低粘度和切力，增加润滑等，主要有:钠梭甲基纤维，水解聚丙烯晴，聚丙烯胺其水解物等。6.7冲击回转钻进原理6.7.1冲击回转钻进碎岩特点冲击回转碎岩是在钻头上部连接一冲击器，钻进时，钻头在常规的回转钻进基础上，被施加由冲击器产生的冲击载荷。(l)冲击回转钻进时岩石的破碎是两种机械碎岩方法冲击和回转联合作用的结果切削具回转方向上的回转力(M)和轴心方向上的静压力P。，及冲击力P，这三个力共同作用、协同碎岩，如图所示，冲击力使岩石崩裂或产生裂纹，轴向力克服钻具受到的反弹力，改善冲击能的传递条件，在冲击力和轴向力的共同作用下，切削具切入岩石较深，在加上强制性的回转运动，有利于充分发挥剪切破碎效果。(2)冲击回转钻进时岩石破碎是在静载和冲击两种荷载作用下进行对脆性和塑性岩石来说，冲击动载与静压入力的作用过程基本相同，即压力与侵深的关系是条波浪式上升的曲线。冲击碎岩，时间很短，一般以毫秒计，破碎岩石是跃进式的破坏，裂纹发展同时从很多弱的地方开始破坏，所形成的破碎坑穴，不论其侵深、面积还是体积，相对来说比较接近〔7];而静载施加时间则是秒，破岩作用时间比冲击动载长得多，有利于裂纹向更深更广得范围发展，慢速加载破坏往往只从一个或少数弱面扩展，所以即使载荷相同，其破碎坑波动幅度也很大。因此在同样的冲击功作用下，静载的侵深较大。冲击回转钻进时，钻头既作用着预加静载(钻压)，又作用着冲击力，因此它具有静、动载双重效应，是两种碎岩特点结合的一种新的破岩方法。在花岗岩、石灰岩、大理岩上的试验表明，静、动荷载同时作用时，岩石破碎深度和体积都比单纯的静载或冲击破碎大。6.7.2冲击回转钻进优点(1)能够大幅度提高钻进速度。(2)有利于消除岩屑垫层效应，改善井底清岩效果。(3)钻头磨损较慢，寿命延长。(4)钻压较常规的回转钻进低，减少了大钻压带来的钻杆磨损及疲劳破坏，改善了钻杆的工作环境，减低了孔内事故的发生。(5)降低了钻进成本。6.7.3冲击回转钻进时碎岩工具作用的应力分布球形齿压入时，依海尔茨理论，传递的荷载不是均布的，如图所示，这时的压力边缘是一个圆。圆半径为:式中，p一总压力r一球的半径p一泊松系数E一弹性模数E一弹性模数此时压力面上的压力分布是随着压力点离开压力面中心的距离x而变的一个函数，即:在压力面中心:在压力面边缘:利用布希涅希克集中力作用于弹性半无限空间平面上的求解，得出对称轴上的应力分布为:在对称轴上所有的应力都是压应力，当在2=0时:若p二0.25，则压力面中心的压应力:即接触面中心的应力状态接近于各向均匀压缩的状态。接触面中心的剪应力:由式可知，随着与压面距离的增加(即Z的增加)，所有的正应力都要减少，而x=。，比。z减