【正文】 目 錄 第 1 章 前言 ………… ……………………………………………………… 1 第 2 章 概述 …… …………………………………………………………… 3 第 3 章 設(shè)計中要考慮的問題和方案 ……………………………………… 4 第 4 章 行星齒輪設(shè)計 ……………………………………………………… 8 行星齒輪的特點 ?????????????????????? 8 行星齒輪的設(shè)計計算 ??????????????????? … 9 行星齒輪均載裝置 …………………………………………… ………… 18 第 5 章 鉆桿齒輪設(shè)計 ……………………………………………………… 20 第 6 章 鉆桿回轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪設(shè)計 …………………………………………… 22 第 7 章 鉆具的設(shè)計 ……………… ……………………………………… 24 第 8 章 主鉆頭的設(shè)計 …………………………………………………… 27 第 9 章 主軸的設(shè)計 ………… ……………………………………………… 29 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 … ????????????????????? 29 主軸的校核 ……… ……………………………………………… … 30 第 10章 泥漿循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計 …… ……………………………………… 32 設(shè)計 總結(jié) ………………………………………………………………… 35 參考文獻 …………………………………………………………………… 36 致謝 …………………… …………………………………………………… 37 附錄 1…………………… …………………………………………………… 38 附錄 2…………………… …………………………………………………… 45 摘要 本次畢業(yè)設(shè)計完成了大直徑樁基礎(chǔ)工程成孔鉆具 I型鉆具總體設(shè)計。設(shè)計內(nèi)容包 括行星齒輪傳動部分的設(shè)計、鉆具的設(shè)計、主軸的設(shè)計以及泥漿循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計等幾個主要部分。同時，本設(shè)計在 AutoCAD 的基礎(chǔ)上，完成了該型鉆具的總裝圖和絕大部分零件圖的繪制。設(shè)計后的鉆具配套功率小，既能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動又能產(chǎn)生沖擊運動，且利用氣舉反循環(huán)排渣快速成孔。 關(guān)鍵詞 ：成孔鉆具；行星運動；旋轉(zhuǎn)沖擊；氣舉反循環(huán)排渣 ABSTRACT The graduate design presents the collectivity design of I type drill hole machine,which can make a big diameter stake of substructure .The design contents include the main parts of the following,which are the spread of the pla wheel gear,drill facility,the principal spindle and the slurry circle , it has finished the assembly drawing of the drill machine and also most of its part drawings based on the a result,the drill machine with a small power which not only could circumgrate movement, but also could impact movement,and could aliminate the dregs with air anti circulate. So it can quick drill the hole. Keywords: hole drill machine； pla movement； circumgyrateimpact；aliminate the dregs with air anti circulate 第 1 章 前言 長期以來，橋梁、港口、碼頭、水工和工民建筑物的基礎(chǔ)工程，在 米以上 米以下常規(guī)直徑樁基礎(chǔ)成孔施工中，廣泛使用沖擊鉆和回旋鉆兩種基本鉆型， 以及泥漿護壁正循環(huán)排渣方法施工。隨著國內(nèi)外樁基礎(chǔ)工程機械的研究開發(fā)，為了適應(yīng)各種工程地質(zhì)條件施工，提高成孔施工效率，降低設(shè)備投入量和適應(yīng)大直徑樁基成孔需要，目前在傳統(tǒng)的沖擊鉆和回旋鉆的基礎(chǔ)上，已生產(chǎn)出了如：重型沖擊鉆、連桿沖擊反循環(huán)鉆、套管鉆機、潛孔沖擊錘、潛水回旋鉆、回轉(zhuǎn)斗鉆、短螺旋鉆和擴底鉆頭等施工機械設(shè)備，大部分產(chǎn)品實現(xiàn)了反循環(huán)排渣，明顯地提高了成孔施工效率，一般巖層成孔直徑可達到 米左右，進口設(shè)備成孔直徑已可達 6 米。其中結(jié)構(gòu)簡單的國產(chǎn)重型沖擊鉆成孔直徑也可達 米。但是仍然存在著種種不適應(yīng)施工 需要的問題，主要是： 普通回旋成孔鉆，對工程地質(zhì)條件變化的適應(yīng)性差，特別是不適應(yīng)大礫石地質(zhì)和無風(fēng)化硬巖層成孔，地質(zhì)適應(yīng)范圍受限。 一般沖擊鉆雖然地質(zhì)適應(yīng)性好，但施工效率顯低，同時大直徑的重型沖擊錘自旋性差，成孔失圓度大。 設(shè)備和鉆具通用和互換性差，即一種設(shè)備只能配套相應(yīng)鉆具。一種規(guī)格的鉆具，只能適用于相應(yīng)直徑的成孔。 國內(nèi)大直徑的鉆具設(shè)備研發(fā)，少有研究采用新的運動原理和結(jié)構(gòu)，一般只能采取加大直徑，增加配套功率和扭矩，以及選用高硬刃具材料等辦法，因而有 趨向 高功率配置和笨重方向發(fā)展的趨勢，不僅固有的弱點 問題沒有解決，而且又更加大了施工設(shè)備投資，影響工程建設(shè)效益。如：湖南省道 1804 線周家店至常德公路改建工程，在柳葉湖大橋四根 米直徑樁基礎(chǔ)施工中，由于施工成本的原因，第一個枯水施工季節(jié)，沒有進場大直徑成孔設(shè)備，施工單位采取沉井明挖法施工失敗。在第二個枯水施工季節(jié)，終于以 60 多萬的價格，新購置到重型沖擊鉆機設(shè)備，開始進行返工施工。韶關(guān)產(chǎn)沖擊錘重達 13 噸，配套設(shè)備均是個別設(shè)計生產(chǎn)，使用直徑 公分鋼絲繩。由于錘重繩粗，常規(guī)的設(shè)備匹配和連接方式，在這“重型”面前顯得非常脆弱，出現(xiàn)了每兩個工作班必須更換連接， 每次需三小時，每 15 個工作班，損壞一次導(dǎo)輪或軸，每次更換需時間 1—2 天的情況，另外 3—1 樁基出現(xiàn)了嚴(yán)重的孔壁失圓現(xiàn)象，明顯地影響了工程質(zhì)量、進度和效率。 適應(yīng)樁基礎(chǔ)沉井護壁不排水施工的設(shè)備缺乏。而不排水施工可避免發(fā)生沉井嚴(yán)重偏位、沉井滯留和井口沉陷以及下沉緩慢等諸多問題。 各項工程基礎(chǔ)的施工進度往往是影響整個項目建設(shè)工期的關(guān)鍵，其造價也是影響項目投資的主要不定因素。鑒于以上情況，為適應(yīng)各類建筑工程材料、設(shè)計和施工技術(shù)的發(fā)展需要，如何從鉆孔樁基礎(chǔ)施工成孔設(shè)備著手，綜合沖擊鉆和回旋鉆兩種基本鉆型成孔原理的 優(yōu)點，研究開發(fā)出新型成孔鉆具，以解決樁基工程施工，要求快速高效、穩(wěn)定 可靠、廣泛適用和適應(yīng)超大直徑方向發(fā)展的問題，是長期以來國內(nèi)外業(yè)內(nèi)人士不乏探索的命題。 第 2 章 概述 在樁基工程施工中大量使用的沖擊鉆和回旋鉆，它們工作狀態(tài)的一個共同特點，是切削刀刃與孔壁和孔底保持整體的或線或面的接觸，摩擦阻力大，切削相對速度低，能量分散，分布不合理，無效功耗大，效率低。如果單個刃具能實現(xiàn)如下圖所示的平面單跡線星形運動，并同時具有徑向旋削軟散顆粒，軸向沖擊破碎整體巖石的功能。則數(shù)個小直徑的刃 具也將會產(chǎn)生高效率的復(fù)合運動和作用，由若干連續(xù)點的運動，形成連續(xù)的曲線運動，若干曲線的運動，使 施工面呈周邊 包絡(luò)線為 圓形的細密網(wǎng)狀曲面 ，實現(xiàn)鉆具逐 層從上至下的整體成孔運動。 本課題設(shè)計源于 1984 年以來一件孩童游戲工具，因其游戲時規(guī)則均勻的跡線運動（如右圖所示），令人眼花的組合變化，激起了我的思考和對生產(chǎn)及生活現(xiàn)象的觀察。 星形運動的鉆具主要由鉆架、動力軸、齒輪組、鉆桿、鉆頭組成。其特征在于鉆架由外支架圈和斜支桿組成，動力軸是中空的圓管，位于鉆架的中心軸線上，與支架用軸承連接，在外支架圈內(nèi)，有齒輪組，齒輪組 由一個中心齒輪、三個行星齒輪、齒輪圈和托盤組成，中心齒輪用鍵固定在動力軸上，大小相同的 3個行星齒輪均勻分布在中心齒輪周圍，行星齒輪與中心齒輪和齒輪圈上段的內(nèi)齒同時嚙合，齒輪圈與外支架圈固定在一起，齒輪圈內(nèi)圓周的下段為光滑的圓柱面，與托盤外圓周動配合，托盤為一側(cè)面光滑的圓盤，其上有 3個與行星齒輪相對應(yīng)的 3個行星孔，行星孔內(nèi)為齒輪圈，每一個行星輪外側(cè)周邊的下部用軸承均勻固定著 3個或若干個鉆桿，鉆桿的下端安裝有鉆頭刃具，鉆桿的中部用鍵固定有被動轉(zhuǎn)動齒輪，此轉(zhuǎn)動齒輪與托盤上的行星孔的內(nèi)齒相嚙合，齒輪圈上部和下部都有 內(nèi)沿，上部內(nèi)沿的表面和行星齒輪上沿的下表面接觸，下部內(nèi)沿的表面和行星齒輪下沿的上表面接觸。 第 3 章 設(shè)計中要考慮的問題和方案 采用彈簧蓄能，增強間歇錘的沖擊破石能效。由于該機械間歇錘難能產(chǎn)生高頻大幅的沖擊運動，每次沖擊破石也不在一固定點，而對于脆性的巖石面的破碎，也數(shù)首次的沖擊破碎效果最佳，所以必須保證每次沖擊的能量足夠大。如采取加大錘重和行程的辦法，則鉆具空間有限，沖擊頻率會更降低，也與輕型化設(shè)計要求不相適應(yīng)，僅自由落體能量是遠遠不夠的。解決方案可采用加簧的蓄能錘，從而有效保證鉆具的破石能 力。 解決沖擊碎石功能的第二種方法。沖擊碎石能量的輸入、傳遞和轉(zhuǎn)換的問題，這是一個涉及本鉆具是否有實用價值的關(guān)鍵問題。為了提高刃具在大粒徑礫石層和巖石層等特殊地質(zhì)條件的成渣能力，加強刃具沖擊碎石能量的輸入、傳遞和轉(zhuǎn)換，是解決問題的關(guān)鍵。為此還可采取“氣動力沖擊盤錘”的概念解決。即利用星動齒輪組以上鉆架圈以內(nèi)的空間，在上鉆架圈設(shè)置“氣動力缸”，在三個星形輪鉆桿群上，再設(shè)置聯(lián)體的“沖擊動盤” ,汽缸與動盤體間彈性且滑動約束。壓縮空氣驅(qū)動“氣動缸”使“沖擊動盤”往復(fù)連動 ,其能量通過“沖擊動盤”向其下面的鉆桿群傳 遞和作用，以提高和強化沖擊碎石的頻率和能量，從而充分發(fā)揮刃具復(fù)合運動（扭掰撬削等效應(yīng)）的作用，確保“星動鉆具”適應(yīng)硬巖地質(zhì)條件的成孔能力。氣動沖擊的排氣可作為氣舉排渣動力的利用和補充。 為有利于成孔垂直度的控制，根據(jù)需要星形齒輪及托盤可采取適宜的圓錐形布置設(shè)計，但將會加大機械設(shè)計和加工的難度。另外，主軸（排渣管）的端頭要求能安裝絞削式刃具或小徑牙輪中心鉆頭，以適應(yīng)在不同地質(zhì)條件下，有利于穩(wěn)定成孔中心位置和控制鉆進面均衡程度。 配套采購標(biāo)準(zhǔn)部件，以減少設(shè)計和生產(chǎn)的工作量以及投入。如：Ⅱ型結(jié)構(gòu)中的“萬向 傳動結(jié)”，可采購汽車標(biāo)準(zhǔn)配件設(shè)計配套。 增加泥渣攏耙功能和適配泥渣分離器以及排渣動力。能否及時的排空出渣，直接影響著鉆具的安全穩(wěn)定運行和成孔效率。所以需要在托板上以主動軸為圓心，分別圍繞星形齒輪一側(cè)，安裝三條帶狀螺旋機構(gòu)，以將渣土實時攏耙集中在中空軸孔中排出。對于反循環(huán)排渣，要求壓縮機或泥漿泵功率相匹配，且及時和充分的分離泥渣，返回泥漿確保施工泥漿面高度。另外氣升排渣除需解決氣體密封問題外，還需在氣道安裝活門，解決意外停機時泥渣反流沉淀堵塞氣管的問題。 保證Ⅰ型結(jié)構(gòu)的鉆桿，具有一定的軸向彈性自由度。 為保證間歇錘對鉆桿的沖擊能完全傳遞到刃具尖部，從而充分作用于巖石面，另外在刃具未觸及到孔底面，而升舉鉆桿使螺旋間歇機構(gòu)足以生效時，不使鉆桿軸產(chǎn)生間歇運動的舉力，都必須使鉆桿在 軸向向上方向，具有一定的彈性約束的自由度。 合理布置Ⅰ型結(jié)構(gòu)中刃具的數(shù)量和位置。理論上只需在星形輪周邊均勻布滿鉆桿軸和刃具，就可獲得最大、細密和均勻的網(wǎng)狀跡線運動面積。但實際上是只要鉆具固定圈與孔底摩擦產(chǎn)生的反向平衡扭矩能得到保證（后有祥述），則無論在星形輪面范圍內(nèi)，還是托板上空出的周邊，都可以分布安裝鉆桿軸和刃具，從而加大星形運動 產(chǎn)生的網(wǎng)狀跡線密度。從模塊化的概念出發(fā)，設(shè)計上可從密布置，在實際施工應(yīng)用時，可根據(jù)不同配套設(shè)備和功率以及地質(zhì)情況，留待現(xiàn)場決定安裝的數(shù)量和位置。 合理確定Ⅰ型結(jié)構(gòu)中刃具的工作層面高度。安裝在三個行星輪上的鉆桿及刃具，如在松軟地質(zhì)層施工，以均衡的分布在 3個不同的工作層面高度為宜，這樣可以提高整體工作效率。但在大礫石和巖體層面破碎施工時，則宜使鉆桿及刃具工作在兩個層面高，以增加巖體破碎臨空面，提高沖擊破石效率。以上要求鉆桿及刃具能方便更換或調(diào)整其工作高。 合理確定Ⅰ型結(jié)構(gòu)中刃具的形狀和直徑。要求刃具既能 絞削軟散顆粒，又能沖擊破碎和側(cè)擠破碎（對于孔壁邊緣）巖石，同時又便于刃具隨孔底地面高度變化而滑動過度（此是沖擊破石功能的需要），宜使刃具呈圓錐狀造型，不過錐側(cè)面均勻布設(shè)三道刃口和數(shù)條齒槽，錐頂呈三菱錐形刃尖。另外必須保證每個星形輪，至少有一組刃具的最大絞削范圍超出鉆具固定圈 5厘米左右，以使鉆具順利的整體鉆進進尺。這需要在不與其它刃具和排渣管運動相擾的情況下，綜合考慮確定其最大刃具直徑。 要求鉆具適配性好。既能適配一般回旋鉆機，也可適配潛水鉆機。即既可設(shè)計為地面驅(qū)動，也可采用潛水變速電機一體化設(shè)計或液壓 馬達驅(qū)動。 1有效保證鉆具運行的反向平衡力矩。鉆具切削運動必須的反向平衡力矩，對于有沉井護壁施工，即由與井壁聯(lián)系的定位約束產(chǎn)生。對于無護壁施工，Ⅱ型鉆具