GCPS—20型工程钻机的设计

摘要

GCPS—20型钻机是一种复合式多功能钻机，为适应我国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，特别卵石层、基石、漂石层能大幅度提高施工效率，在各种成孔方法中是比较经济有效的方法。

钻机是集回转、冲击钻进工艺于一体的多功能复合型钻机，用转盘回转钻进时可用于第四世纪覆盖层，冲击钻进时可用于卵石、灰岩、花岗岩等硬岩地层。

本钻机的特点是结构简单，紧凑，而且各种操作手柄布置合理，操作简单，便于使用与维护。

关键词：冲击钻进变速箱减速器转盘

Abstract

The types GCPS-20 drill the machine is a kind of compound type multi-function drill the machine, in order to adapt the our country development and demands of the deep foundation and consecution wall and marine hydraulic engineering, the bridge engineering, combine the big caliber to drill the machine to infuse to note the stake and the characteristics of underground continuous wall construction, in order to solve to become the bore but research to manufacture in complicated geologic strata, hard rock, significant exaltation of ability of special egg stone layer, sill, the stone layer construction efficiency, is a more economic valid method in variously become the bore method.

Drill the machine is to gather the turn-over and pound at to drill into the craft in the integral whole of multi-function and compound type drill the machine, can used for to overlay the layer the fourth century while using to turn the dish turn-over to drill into, can used for the hard rock geologic strata of egg stone, ash rock, granite...etc. while pounding at to drill into.

Drill the characteristics of the machine originally is a structure simple, tightly packed, and various operation hand handle arrange reasonable, operate in brief, easy to usage and support.

Keyword：The impact drill into Become soon box Deceleratethe machine Turn the dish

目录

摘要……………………………………………………………………………I Abstract ………………………………………………………………………II

第1章绪论 (1)

1.1项目的研究意 (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)

第2章钻机的总体设计 (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)

2.3 主要性能特点 (4)

第3章动力机确定 (5)

3.1 按钻头钻进所需功率计算 (5)

3.2 按钻机冲击钻进所需功率计算 (7)

第4章带轮选择 (9)

第5章变速箱的设计及计算 (12)

5.1 变速箱的结构特点 (12)

5.2 结构计算 (12)

5.2.1 初步选定 (12)

5.2.2 选定变速箱传动公比 (12)

5.2.3 按弯曲强度确定齿轮模数 (13)

5.2.4 按接触强度确定齿轮分度圆直径与中心距 (14)

5.2.5 齿宽的确定 (15)

5.2.6 齿轮齿数确定 (16)

5.2.7 计算齿轮相关参数、确定齿轮 (16)

5.3 锥齿轮计算 (17)

5.3.1 初步计算 (17)

5.3.2 几何计算 (17)

5.4 齿轮校验 (22)

5.4.1 齿轮受力分析 (22)

5.4.2 齿轮传动齿面接触疲劳强度校核 (22)

5.4.3 齿轮传动齿根弯曲疲劳强度校核 (25)

5.5 变速箱轴的计算 (27)

5.5.1 一轴计算 (27)

5.5.2 二轴计算 (27)

5.5.3 三轴计算 (28)

5.6 轴的校验 (28)

5.6.1 按转矩计算 (28)

5.6.2 轴上受力分析 (29)

5.6.3 求支反力 (29)

5.6.4 作弯矩和转矩图 (30)

5.6.5 确定危险截面及安全系数校核计算 (33)

第6章转盘的计算 (36)

6.1 转盘输出转速 (36)

6.2 大、小锥齿轮计算 (36)

6.2.1 初步计算 (36)

6.2.3 几何计算 (37)

6.3 锥齿轮齿面接触疲劳强度校验 (42)

6.3.1 计算公式 (42)

6.3.2 许用接触应力计算 (43)

6.3.3 齿面接触强度校核结果 (44)

6.4 齿根抗弯疲劳强度校核 (44)

6.4.1 计算公式 (44)

6.4.2 齿根许用弯曲应力计算 (45)

6.4.3 齿根弯曲强度校核结果 (46)

6.5 转盘轴结构计算 (46)

第7章钻机其余部分零部件选择 (48)

7.1 联轴器的选用 (48)

7.2 减速器齿轮安排 (48)

第8章钻机的维护保养 (51)

8.1 钻机维护保养的重要性 (51)

8.2 维护保养要求 (51)

8.3 主要部件保养项目 (52)

8.3.1 转盘 (52)

8.3.2 变速箱 (52)

8.3.3 减速器 (52)

8.3.4 主、副卷扬机 (52)

8.3.5 水龙头 (52)

8.3.6 钻具 (53)

8.3.7 冲击卷扬机 (53)

8.3.8 气路系统 (53)

8.3.9 传动链条 (53)

8.3.10 冲击钢丝绳 (53)

8.3.11 气胎离合器 (53)

8.3.12 主离合器 (54)

8.4 安全操作注意事项 (54)

第9章经济性分析 (56)

第10章专题水平定向钻机的结构探讨 (58)

结论 (64)

致谢 (65)

参考文献 (66)

附录1中文（译文） (68)

附录2英文（原文） (74)

第1章绪论

1.1 项目的研究意义

随着国家基本建设的投入持续增长,尤其是像京沪高速铁路、奥运场馆等一批国家重点项目的陆续启动,将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!

1.2 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。

1.3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。

第2章钻机的总体设计

2.1 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。

2.1.1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。

2.1.2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。

2.1.3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。

2.1.4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。

2.1.5各部件的功能

1．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。

2．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。

3．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。

4．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。

5．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。

6．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。

2.2 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 .05 0.6

2. 冲击行程(m) 0.5—4

3. 冲击次数(1/min) 6—14

4. 冲锤质量(kg) 3000—5000

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) YD280S 55 KW (1480 r/min )

8. 钻塔额定负载( kN) 180

9. 空压机型号( 排量，压力) UB 300—500

（3.55 3m/min, 0.8 MP）

10. 配备砂石泵型号（型号）6BS (1803m/h)

或8BS（340 3m/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

2.3 主要性能特点

这台钻机的主要性能特点是：

1.钻机是集回转、冲击钻进工艺于一体的多功能复合型钻机，用转盘回转

钻进时可用于第四世纪覆盖层，冲击钻进时可用于卵石、灰岩、花岗岩等硬岩地层；

2.最大钻孔直径为2000毫米；

3.钻机为机械传动，机械、液压操动，操作方便、可靠；

4.钻机转速范围广，有6档变速，适用于不同地层要求，利于提高钻进效

率；

5.整套设备安装在滑撬式底座上，对孔就位方便，机动性强

6.液压操纵滑台平移让出孔口，孔口开阔，起下大直径钻具灵活、方便；

7.钻塔上设有导向槽，有助于提高钻孔垂直度，降低超径系数。钻塔上有

水龙头后置悬挂装置，主动钻杆不落地，减轻劳动强度，缩短辅助作业时间；

8.主、付卷扬机均采用行星式卷扬机构，提生能力强，辅助水龙头后置悬

挂装置，可实现塔上无人作业；

9.钻进可采用加重块加压（根据不同地层选用）；

10.排渣方式为泵吸反循环，排屑效率高，减少孔底重复破碎，钻进速度快；

11.整机尺寸设计合理，便于汽车运输及安装；

12.动力为电机；

13.经济耐用、性能可靠。

第3章 动力机确定

根据现场需要，动力机的选择偏大些，加大储备系数，这样可以提高钻进效率。

3.1 按钻头所需功率计算

设电机输出实际功率为N 。

N 。＝1.2N j

式中：N j —钻机所需功率 KW

N j ＝（N h ＋N y ）/η

式中: N h —回转钻进所需功率 （KW ） η—效率 η=0.8

N y —油泵所需功率 （KW ）

N h =N 1+N 2+N 3

式中: N 1—井底破碎岩石、土层所需功率 （KW ）

N 2—钻头与孔底摩擦所需功率 （KW ）

N 3—回转钻杆所需功率 （KW ）

1. N h =N 1+N 2+N 3的计算

N 1=3060000/43A mnh ??δ

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

δ---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)/47850D d cm ππ-=-=

2. N 2=δ×f ×e ×n ×(R+r)/1944800

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

3. N 3=7.1211108.7n Ld -? (当n<200r/min 时)

式中： L---孔深 取L=8000mm

d---钻杆直径 d=100mm

γ---冲洗液比重 γ=1.5

将上述参数及转盘的不同转速分别代入以上各式，所得值列表 3—2中。

表 3 - 1

表 3 - 2

3.2 当钻机进行冲击钻进时功率计算

冲击卷扬机的提升能力为60KN

提升速度V（m/s）0.4 0.5 0.6

所需功率P=FV

P (KW) 为24 30 36

变速器的传递效率η=0.8

所需电机的功率p

电=

36

0.8

KW

=45KW

钻进时所需的最大功率为51.59 KW

冲击时，转盘不工作，按钻进时选择电机P=55KW。

第4章 带轮选择

轴转速 793.8 r/min ,电机转速 1480 r/min, 每天工作16 小时以上，p 电=55KW

1. 设计功率 d p = A k p 电

查：工况系数A k =1.6

d p =1.6×55=88KW

2. 选定带型

根据d p =88KW 1n =1480 r/min

确定带型为 C 型 d d =200～315mm

3. 传动比 i=1480/min 793.8

r =1.86 4. 小带轮直径 1d d =355 mm

大带轮直径 2d d =355i =661.88 mm

取 2d d = 630 mm

5. I 轴的实际转速

2n =1

21(1)d d n d d μ-=(10.01)1480355630

-?=825.6 r/min 6. 带速 V = 11601000

d d n π? = 3551480601000π??? = 27.5 m/s

7. 初定轴间距 0a = 1500 mm

8. 所需基准长度

0d L = 20a +2π（1d d +2d d ）+2120

()4d d d d a - =2×1500 + 2

3.1427.5(630355)241000

++? =4565.4 mm

查取 d L =4500 mm

9. 实际轴间距 0045004565.415001467.322

d d L L a a --≈+=+= 取 a =1467.3 mm

10. 小带轮包角

1a = 0180-2

157.3d d d d a

-? = 0169.26 11. 单根V 带基本额定功率

由 1d d = 200 mm 和 1n =1480 r/min 查得C 型带 1p =14012 KW

考虑传动比的影响，额定功率的增量 1 1.14P KW ?=

12. V 带的根数 Z = ()d a l

p p p k k +? a k ——小带轮包角修正系数 a k = 0.96

l k ——带长修正系数 l k = 1.04

88Z=(14.12 1.14)0.96 1.04

+??= 5.78 取 Z= 6根

13. 单根V 带预紧力 20 2.5500(1)d a p F mv K ZV

=-+ m ——带的每米质量 m= 0.3 1.kg m -

20 2.588500(

1)0.327.50.96627.5

F =-+?? = 654.65 N

第5章 变速箱的设计与计算

5.1 变速箱的结构特点

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。

5.2 结 构 计 算

5.2.1 初步选定

转盘所需的转速为：10、15、24、30、33、65

减速器有两挡减速，传动比为

135180.1334142

i =?= 122180.05947142

i =?= 再由转盘转速可知，变速器的处定转速为

由表可知变速箱输出转速 (r/min) :160、250、500

5.2.2 选定变速箱公比：

?=1.26

在变速箱中锥齿轮降速，二轴的转速为（r/min ） ：

500×1.26=630

250×1.26=315

160×1.26=202

确定一轴最高转速为：1n =630×1.26=793.8 r/min

确定一轴其余传动比为：2i = 793.8315

= 2.52 =41.26

3i = 793.8202

= 3.9 = 61.26 5.2.3 按弯曲强度确定齿轮模数

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第8章 钻机的维护与保养

8.1 钻机维护保养的重要性

钻机的使用寿命在很大程度上取决于对它的维护保养，钻机的使用者必须

全面的了解钻机的各种结构、作用原理、安全操作、维护保养等各方面的知识，认真的做好维护保养工作，不但能够延长钻机的使用寿命还能防止不必要的机械故障，提高钻机的工作效率和经济效益。

8.2 维护保养的要求

1. 钻机各部表面和机台上，必须保清洁。

2. 对各轴承和摩擦副必须经常注意温升情况。轴承温升不大于40 ，最高

温升不大于80 。如超过比值应停车检查。

3. 谁时注意各齿轮副和传动件的运转响声，发现异常声响应立即停车检

查。

4. 随时观察钻机各部件的运转情况，如发现不正常的振动、晃动、位移等

现象应及时检查处理。

5.如发现漏油、漏气、非正常漏水、及紧固件松动等现象，应及时检查和

消除。

6.经常检查三角皮带及链条的松紧程度和破裂，检查各防护罩的牢固程

度，避免发生以外事故。

7.气路系统操作时，要观察气压表是否正常，如有异常现象，应立即修理。

8.按润滑要求及时进行润滑。

9.在气温过低或过高时钻进，在复杂地层中钻进，可适当缩短期。

10.钻机停止使用时，空压机及储气筒中空气应全部排空。

11.本钻机用的润滑油、润滑脂如下：

变速箱、减速器和转盘：120号工业齿轮油（冬季用）

90号工业齿轮油（夏季用）其他部位润滑油：

润滑脂：钙基润滑脂

空压机：非溶剂性油

气动三联件：20号机油

8.3 主要部件保养项目

8.3.1 转盘

1. 经常检查转盘定位螺栓的松紧，确保转盘工作是稳定

2. 经常检查转盘内润滑油是否渗进泥等杂物，并及时清除。检查液面高底，

保证正常润滑。

3. 定期检查推力轴承间隙大小，并加以调整，避免使转盘产生不必要的

冲击和轴承摩损。

8.3.2 变速箱

1. 变速箱用油必须干净，清洁

2. 定期观察箱内齿轮啮合情况，如影响手把定位，应更换相应的联接件，

保证操作的准确性。

3. 把手的定位装置要保证弹簧具有一定的力量，避免因振动等原因使手

把跳挡。