【導(dǎo)讀】本次畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)。同時(shí)，本設(shè)計(jì)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。設(shè)計(jì)后的鉆具配套功率小，既能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又能產(chǎn)生沖擊運(yùn)動(dòng)，且利用。氣舉反循環(huán)排渣快速成孔。米左右，進(jìn)口設(shè)備成孔直徑已可達(dá)6米。鉆，對(duì)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(wú)風(fēng)化硬巖層成孔，地質(zhì)適應(yīng)范圍受限。施工單位采取沉井明挖法施工失敗。在第二個(gè)枯水施工季節(jié)，終于以60多萬(wàn)的價(jià)格，新購(gòu)置到重型沖擊鉆機(jī)設(shè)備，開(kāi)始進(jìn)行返工施工。韶關(guān)產(chǎn)沖擊錘重達(dá)13噸，配套設(shè)備。均是個(gè)別設(shè)計(jì)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。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(jìn)度和效率。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(wèn)題。目投資的主要不定因素。鑒于以上情況，為適應(yīng)各類(lèi)建筑工程材料、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的

　　

【正文】 鉆進(jìn)速度降低。鉆具的回轉(zhuǎn)速度應(yīng)能在 0～ 120 minr 間無(wú)級(jí)變速。本鉆具通過(guò)調(diào)節(jié)水下電機(jī)的變速器達(dá)到這一要求。 湖南工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 章 主軸的設(shè)計(jì) 軸的設(shè)計(jì)也和其它零件的設(shè)計(jì)相似，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力計(jì)算兩方面。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的工作能力計(jì)算指的是軸的強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)穩(wěn) 定性等方面的計(jì)算。 由于主軸要完全處于水下的泥漿之中，在滿足強(qiáng)度、剛度的情況下，要有一定的防腐蝕能力，這就要求合理的選擇材料。軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。鋼軸的毛坯多數(shù)是用軋制圓鋼和鍛件，有的則直接用圓鋼。合金鋼比碳鋼具有更高的機(jī)械性能和更好的淬火性能。因此，在傳遞大動(dòng)力，并要求減小尺寸與質(zhì)量，提高軸頸的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常采用合金鋼。選擇的材料為 40Cr 調(diào)質(zhì)鋼。 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。軸的結(jié)構(gòu)主要取決于以下因素：軸在機(jī)器中的安裝位置及 形式；軸上安裝的零件的類(lèi)型、尺寸、數(shù)量以及和軸聯(lián)接的方法；載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。其主要考慮的問(wèn)題如下： (一 )定軸上零件的裝配方案 擬定軸上零件的裝配方案是進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，它決定著軸的基本形式。由于鉆具的外形特點(diǎn)為圓筒形，這樣就存在三種裝配方案：一種是零件在主軸從上到下進(jìn)行裝配；一種是零件在主軸上從下到上進(jìn)行裝配；還有一種是零件從主軸兩端進(jìn)行裝配。分析可知，前兩種裝配方案對(duì)加工精度和裝配工藝要求很高，且存在主軸在一個(gè)方向上存在過(guò)多階梯的情況，影響軸的強(qiáng)度。最后一種裝配方案 能從主軸的兩端分別進(jìn)行裝配，軸的徑向尺寸變化不大，這對(duì)軸的結(jié)構(gòu)將大大簡(jiǎn)化，提高了軸的強(qiáng)度。根據(jù)以上分析，選擇零件從主軸上兩端進(jìn)行裝配的方案。 (二 )軸上零件的定位 為了防止軸上零件受力時(shí)發(fā)生沿軸向或周向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，軸上零件除了有游動(dòng)或空轉(zhuǎn)的要求者外，都必須進(jìn)行軸向和周向定位，以保證其準(zhǔn)確的工作位置。 軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、圓螺母、軸端擋圈和軸承端蓋來(lái)保證的。對(duì)鉆具來(lái)說(shuō)，其工作時(shí)受到的軸向力很大，且變化較大。這樣安裝其上的齒輪將用軸肩來(lái)進(jìn)行定位。由資料得，定位軸肩的高度 h=(～ )d，其中 d 為與零件相配處軸徑尺寸。對(duì)下端太陽(yáng)輪的軸肩高度 h=(～ )? 150=～ 15mm，取 12mm。上端中心傳湖南工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 動(dòng)齒輪處 h=(～ )? 150=～ 15mm,取 12mm。其上裝有三個(gè)滾動(dòng)軸承，對(duì)于滾動(dòng)軸承的定位，其定位軸肩高度必須低于軸承內(nèi)圈端面的高度，以便拆卸方便。但考慮到對(duì)行星架中的滾動(dòng)軸承，可以將其裝配精度定位過(guò)渡配合，且離上軸端很近，不設(shè)立軸肩，用套筒來(lái)定位。套筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位可靠，最重要的是軸上不需開(kāi)鍵槽、鉆孔和切制螺紋，不影響軸的疲勞強(qiáng)度。雖然套筒與軸的配合較松，但軸的轉(zhuǎn)速較低，只有 60r/min，能滿足設(shè)計(jì)要求。下端的最后固定部位采用焊接方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于軸上軸向力變化較大，鉆筒上蓋出口用兩個(gè)角接觸球軸承來(lái)滿足其要求，用軸端蓋來(lái)定其軸向間隙 和受力。其最上端用一個(gè)普通聯(lián)軸器來(lái)實(shí)現(xiàn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。 周向定位的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪、聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。由手冊(cè)查得平鍵截面 b? h=28 16? ，為了保證齒輪與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為 H7/n6；聯(lián)軸器與軸的聯(lián)結(jié)，選用的平鍵為28? 16? 200。滾動(dòng)軸承與軸的定位是 借過(guò)渡配合來(lái)保證的，其值徑尺寸公差為 m6。 主軸的校核 進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采用相應(yīng)的計(jì)算方法，并恰當(dāng)?shù)倪x其許用應(yīng)力。分析主軸的載荷分布情況可知，下端太陽(yáng)輪的中間剖面的計(jì)算彎矩最大，是軸的危險(xiǎn)截面。軸在工作是既承受彎矩又承受扭矩，則應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算。 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面的強(qiáng)度。計(jì)算的數(shù)值如下： 載荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 R NN RRHH 16 75,33 27 21 ?? NN RR VV 30,1869 21 ?? 彎矩 M ?? NMH 23 62 17mm ?? NM V 13 26 991 mm, ??? NM V 41 402 mm 總彎矩 mmNM ???? 2 7 0 9 3 81 3 2 6 9 92 3 6 2 1 7 221 mmNM ???? 2 3 6 2 5 34 1 4 02 3 6 2 1 7 222 扭矩 T T =96000 mmN? 計(jì)算彎矩Mca ? ? mmNM ca ????? 6 3 6 5 4 09 6 0 0 0 7 0 9 3 8 221 mmNMM ca ??? 23625322 湖南工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 可得： M P awM caca 36 5 4 0 31 ????? 前已選定軸的材料為 40Cr 調(diào)質(zhì)鋼，查得 ［ ? 1? ］ =70Mpa，因此 ??ca ［ ? 1? ］，故安全。 湖南工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 章 泥漿循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)盤(pán)式鉆機(jī)的出渣形式有反循環(huán)出渣方法與正循環(huán)出渣方法。對(duì)于 直徑較大的樁以及支承樁，絕大多數(shù)采用反循環(huán)出渣方法。 對(duì)于正循環(huán)的施工原理。在鉆孔的同時(shí)，泥漿泵將泥漿打入空心鉆桿內(nèi)，從鉆頭出漿口沖出的泥漿，由于密度與粘性較大，帶動(dòng)鉆頭切削下的泥屑、碎石，順著孔向上浮起。溢出孔口后流入渣池。泥漿沉淀后，清泥漿重新被打入孔中。這樣一邊鉆進(jìn)一邊出渣。正循環(huán)由于泥漿密度大、出渣時(shí)間長(zhǎng)以及清基底較困難，除去小摩擦樁目前仍然采用此種型式，大樁及支承樁不再采用這種方式。 泵吸反循環(huán)施工原理。先在樁位上插入比樁徑大 10%～ 15%的鋼護(hù)筒，護(hù)筒的頂面標(biāo)高至少應(yīng)比最高地下水位高出 2m。鉆機(jī) 水龍頭出口與砂石泵由橡膠軟管聯(lián)在一起，同時(shí)與砂石泵組裝在一起的還有真空泵。鉆孔時(shí)，真空泵先啟動(dòng)，通過(guò)軟管將孔內(nèi)的泥漿吸出水龍頭，順著吸渣軟管到達(dá)砂石泵內(nèi)，砂石泵啟動(dòng)后，孔內(nèi)的泥漿與鉆渣從空心鉆桿內(nèi)被吸出，送入沉渣池，稀漿流入孔內(nèi)，這樣的循環(huán)方式稱(chēng)為泵吸反循環(huán)。泵吸反循環(huán)由于受到真空度的制約，一般的鉆孔深度約為 50m，深度大于 50m 的鉆孔樁，則應(yīng)采用氣舉反循環(huán)的方式排渣。 氣舉反循環(huán)排渣的工作原理。在鉆進(jìn)過(guò)程中，空壓機(jī)將高壓空氣通過(guò)鉆桿中的空氣通道送到鉆頭上部的風(fēng)包并向鉆桿內(nèi)噴出。當(dāng)氣體與泥漿混合后，混合體的 密度大大降低，從而迅速?gòu)你@桿中心孔中上升，使風(fēng)包下部形成真空，于是便將鉆渣吸上來(lái)，并隨著氣漿混合體從水龍頭處排出。當(dāng)鉆孔深度超過(guò) 50m，一般 風(fēng)壓的空壓機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓無(wú)法有效沖入鉆桿，排渣能力下降，此時(shí)可改為使用中間風(fēng)包出氣。中間風(fēng)包一般放在孔深 40m 處左右，比較幾種排渣方法的排渣效率可知，采用氣舉反循環(huán)，孔深在 80m處排渣的效率仍然良好，而泵吸反循環(huán)排渣，在孔深 50m處就十分困難了。因此，施工中對(duì)淺孔往往采用泵吸反循環(huán)，而對(duì)深孔則采用氣舉反循環(huán)。 泥漿循環(huán)系統(tǒng)的主要作用是利用泥漿作為載體進(jìn)行排渣；另 一個(gè)重要的作用是具有較好的護(hù)壁作用，可以減少甚至完全阻止孔內(nèi)外的滲漏，因此又具有穩(wěn)定水頭的作用。施工中對(duì)泥漿的要求較高，泥漿的好壞對(duì)成孔的質(zhì)量以及樁的質(zhì)量都有重要的影響。泥漿一般有純硼潤(rùn)土泥漿與硼潤(rùn)土黃泥混合泥漿。在泥漿中加入一定比例的純堿（或碳酸氫納）和纖維素（如 CMC），可以大大地提升孔壁的穩(wěn)定性。高質(zhì)量的泥漿主要用于支承樁，對(duì)一般摩擦樁，則多采用混合泥漿或黃土泥漿。 本鉆具采用氣舉反循環(huán)排渣。選用空氣壓縮機(jī)要考慮兩個(gè)指標(biāo)：風(fēng)量與風(fēng)壓。風(fēng)量的大小決定排渣管內(nèi)泥漿的上返速度，施工中推薦的上返速度為 3～ 4m/s，按此速度計(jì)算湖南工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 的風(fēng)量為 Q=(2～ ) ? ?min32 mvd ,式中， Q 為風(fēng)量； d 為鉆桿內(nèi)徑（ m）； v 為上升速度（ m/min）。按鉆進(jìn)深度選用空壓機(jī)的風(fēng)壓可按下式計(jì)算： 10` 6 ??? Kh pssp ?，式中，p 為空壓機(jī)風(fēng)壓（ MP）； hs 為風(fēng)包噴嘴到泥漿面的高度（ m）； ? s 為泥漿與鉆屑的混合程度 (N/m 3 )； Kp為空壓機(jī)壓力余量，取 ?Kp～ 2cmkgf 。算得： Q=(2～)? ??20 (～ )(m3 /min)。 ? ?MPp 81 98 0070 6 ????? 。 鉆進(jìn)參數(shù)及鉆進(jìn)注意事項(xiàng) 1．減壓鉆進(jìn) 大型鉆機(jī)在鉆巖時(shí)必須采取減壓鉆進(jìn)。所謂減壓鉆進(jìn)，就是滾齒刀與巖石的接觸壓力保持在一定的范圍。一般情況下，一個(gè) 12in 滾齒刀的壓力應(yīng)不超過(guò)35KN，鉆進(jìn)時(shí)可根據(jù)地質(zhì)情況取每個(gè)刀頭承受 20～ 30KN 力為宜。只有對(duì)特別硬的巖石，才采用較高的鉆壓。在實(shí)際工作中，卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行減壓鉆進(jìn)，刀盤(pán)壓在巖石上的總壓力約為 300～ 400KN。若加大鉆壓，刀盤(pán)受到的切削阻力加大，鉆進(jìn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩與功率均相應(yīng)增加，處理不當(dāng)，鉆機(jī)會(huì)被迫停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這在工作中要引起重視。 2．鉆機(jī)轉(zhuǎn)速 在鉆進(jìn)過(guò)程中，不同地層應(yīng)采用不同的轉(zhuǎn)速。粘土層中，為了克服泥包鉆頭，應(yīng)采用高轉(zhuǎn)速，鉆頭外緣的線速度可大于 3～ 4m/s；在砂層和巖石層中鉆進(jìn)，則應(yīng)采用低轉(zhuǎn)速。操作者根據(jù)具體的地質(zhì)情況選擇合適的轉(zhuǎn)速。 3．泥漿循環(huán)量 采用氣舉反循環(huán)排渣，泥漿循環(huán)量按下式計(jì)算： Q=3600VS(m3 /h) V=???????????11??gD 式中， k 為考慮返流中泥漿的上升速度應(yīng)大于巖屑自重下沉速度而定的系數(shù)，k； g 為重力加速度（ m/s 2 ）； D 為擬定鉆屑的直徑（ m）； ?1是巖屑相對(duì)密度，計(jì)算中可取 ?1=； ? 為泥漿相對(duì)密度，計(jì)算時(shí)可取 ? =； S 為回流腔的截面積（ m2 ）。 對(duì)本鉆具， D=， k=，則 V=， S= 的鉆桿，排漿量為 Q=120m3 /h。使用中泥漿的循環(huán)量宜定為 600～ 1000m3 /h。泥漿儲(chǔ)備量可按孔深所需泥漿的 ～ 2 倍考慮。 4．鉆進(jìn)注意事項(xiàng) (1)鉆孔開(kāi)始時(shí)，孔內(nèi)泥漿面的高度應(yīng)至少比護(hù)筒外的水位高出 2m。建議水位為 ～湖南工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3m 左右。水位差也不宜過(guò)大，以防反滲流。鉆孔時(shí)向孔內(nèi)的供漿量必須大于從孔內(nèi)排出的泥漿量。在鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)有專(zhuān)人負(fù)責(zé)，保證孔內(nèi)外水頭差的高 度，盡量減小水頭過(guò)快的變化。 (2)在正常鉆進(jìn)時(shí)，垂直的鉆進(jìn)速度可取每轉(zhuǎn)鉆進(jìn) 10～ 30mm。不要急于求成。鉆進(jìn)中卷?yè)P(yáng)機(jī)的鋼絲繩應(yīng)稍微帶著些勁，不要完全放松讓鉆頭完全自由下鉆。隨時(shí)注意出土情況，并以此決定下鉆的快慢。在排土不太通暢時(shí)，可略提起鉆桿，使被擠土逐漸松動(dòng)而排出。 (3)開(kāi)始鉆進(jìn)，或通過(guò)軟硬層交界處，為保持鉆桿垂直，應(yīng)采用慢進(jìn)。在含磚瓦的填土層或含水量較大的軟塑土層中鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)盡量減少鉆桿晃動(dòng)，以免擴(kuò)大孔徑。 (4)當(dāng)發(fā)現(xiàn)阻力過(guò)大、鉆進(jìn)困難時(shí)，應(yīng)及時(shí)提鉆檢查，查明原因并作處理后再繼續(xù)鉆進(jìn)。否則可能產(chǎn) 生樁孔嚴(yán)重傾斜、偏移或者損壞鉆具。 (5)在砂層中鉆孔，孔底標(biāo)高應(yīng)高于地下水的標(biāo)高。 (6)鉆進(jìn)時(shí)，為了保證不堵吸渣口，應(yīng)先開(kāi)動(dòng)空壓機(jī)吸泥，讓泥漿先循環(huán)流動(dòng)。然后開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)，漫漫進(jìn)給。停鉆時(shí)，應(yīng)先停鉆，提升，然后停風(fēng)。 (7)鉆進(jìn)過(guò)程中，每班工作人員應(yīng)堅(jiān)守崗位，司機(jī)、記錄員、技術(shù)人員要隨時(shí)觀察各種情況，如鉆機(jī)工作是否正常，空壓機(jī)、供漿量及排漿量是否正常等等，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)處理。 湖南工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì) 總結(jié) 本次設(shè)計(jì)的目的是為了系統(tǒng)地把大學(xué)中所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)連貫起來(lái)應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中，來(lái)解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，從而鍛煉 我們的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，從而設(shè)計(jì)出滿足要求的機(jī)械產(chǎn)品。 本次設(shè)計(jì)圓滿完成了 大直徑樁基礎(chǔ)工程成孔鉆具 I 型鉆具總體設(shè)計(jì) 。其主要內(nèi)容包括 齒輪傳動(dòng)部分 設(shè)計(jì)、 鉆具的設(shè)計(jì)、主軸的設(shè)計(jì) 以及 泥漿循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 四個(gè)部分。 第一部分 齒輪傳動(dòng)部分 設(shè)計(jì)特別是行星齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。此部分是在機(jī)械傳動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，確定了行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)類(lèi)型，進(jìn)行了齒輪的配齒計(jì)算，計(jì)算出了齒輪的主要參數(shù)和幾何尺寸，進(jìn)行了裝配條件的驗(yàn)算，計(jì)算出傳動(dòng)的效率，并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳動(dòng)的強(qiáng)度驗(yàn)算。由于其均載裝置太復(fù)雜，我只選定了其采用中心輪浮動(dòng)的均載方案。 第二部分 鉆具的設(shè)計(jì) 也是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，課題要求鉆具既產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又產(chǎn)生軸向沖擊運(yùn)動(dòng)。其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由傳動(dòng)齒輪來(lái)提供，而軸向沖擊運(yùn)動(dòng)，我參考流體推桿高能沖擊錘的工作原理后，采用了沖擊汽缸來(lái)進(jìn)行軸向沖擊運(yùn)動(dòng)。其沖擊緩沖后的高壓氣體通過(guò)鉆桿上的中心孔由小鉆頭排出，這就為排渣準(zhǔn)備了氣體來(lái)源。 第三部分 主軸的設(shè)計(jì) ，該部分先擬訂軸上零件的裝配方案和零件的定位，既軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，后對(duì)軸進(jìn)行了強(qiáng)度校何。由于安裝其上的齒輪尺寸較大，軸與齒輪都采用鍵聯(lián)結(jié)。軸的下端與中心牙輪鉆頭的聯(lián)結(jié)，采用將牙輪鉆 頭的基座焊接在軸上，再將牙輪鉆頭用螺釘聯(lián)結(jié)起來(lái)，這樣便于牙輪鉆頭的拆卸和維修。 第四部分 泥漿循環(huán)系統(tǒng)的