毕业论文300米钻机主机体设计

第一章绪论

1.1 选题意义

目前越来越多的大规模交通、铁道、电力、地铁、水利等建设活动过程中都需要水平定向钻探技术，即非开挖施工技术。该技术与开挖施工技术相比，具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、社会效益显著等优点。可广泛应用于穿越公路、铁道、建筑物、河流，以及在闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区等条件下进行的供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线的铺设，更新和修复。

1.2 国内外概况

1900年美国人采用顶管法成功地实现了非开挖铺设管线的技术突破。非开挖技术经历60年的发展，先后只发明了螺旋钻进法和冲击矛法技术。1970年美国加洲人率先使用“水平导向钻进法”穿过河流铺设第一条采用此技术的管道，成为创立“水平导向钻进法”的第一人。由于他经常到全美各地推广此技术。因此，“水平导向钻进法”成为非开挖施工所普遍采用的施工工艺。随着非开挖技术的不断成熟，人们又针对不同的管网情况，1980年发明了“胀管法”（爆管法），此技术逐步推行开来，特别是自来水行业运用较多。

国内现状：非开挖铺设更换管道技术以其独特的优越性，已被人们逐步接受，特别是在大中城市，商业繁华地区普遍采用此项技术，我国香港特别行政区已运用很久。但内地还处在起步阶段

1.3 设计特点

所谓定向钻探，就是在钻探和钻井施工中，利用土层造斜规律，采用人工造斜手段，或者两种同时并用，使井孔按照设计的轨迹钻达预定目标的钻进方法。在钻探施工中，根据地质条件，合理采用定向钻进方法，不但能够提高工程量，节约施工费用，而且能够缩短施工时间，获得较好的技术经济效果。

而对钻孔深度300米左右的水平定向钻机需求量比较大，以往的300米水平定向钻机，存在着机械式、笨重、使用不方便等缺点。鉴于以上原因，此次毕业设计，我的导师陈少云老师让我对300米水平定向钻机（FDP-15D）

进行研究。经过调研，我觉得水平定向钻机是一种小型液压钻机，应有以下特点：

1. 经济耐用可靠、质优价廉；

2. 结构简单，易于加工制造；

3. 操作简单，维修方便；

4. 适用于50φ、60mm φ两种钻杆；

5. 钻进速度快，效率高；

6. 施工周期短、综合施工成本低、社会效益显著。

7. 随着水平定向钻探技术的发展，这种钻机应具有良好的发展空间。

第2章 FDP-15D 钻机总体方案的确定

2.1 具体方案的确定

经过陈老师的细心指导和长时间的搜集和查阅资料，我对钻机的整体结构和工作原理都有所了解。钻机的结构与其所采用的钻进工艺相关联。目前国内外都正在研制和应用全液压钻机。全液压钻机同传统钻机一样，都是用来完成钻进和升降钻具等基本工序，以实现采取岩心，达到探矿的目的。从结构上看，全液压钻机可以分为立轴式全液压钻机和动力头式全液压钻机。二者相比较，动力头式全液压钻机具有结构简单、重量轻、操作简便、可以实现无级调速、加压给进等优点，工作效率大大改善。并且动力头式全液压钻机也是钻机的发展方向之一。综合各方因素，我选择设计水平定向动力头式全液压钻机。

具体方案如下：

1. 考虑到此钻机常用于户外作业，动力可选柴油机。

2. 钻机应用螺纹连接钻头精简结构，节约时间，提高有效钻进速度。

3. 动力头采用单极齿轮减速器，减少变速箱体积，根据不同的地质条件，

选用不同的钻进速度。

4. 在满足上述要求的同时，尽量结构简单，操作方便，适于整体或解体搬

运。尽量做到标准化、通用化、系列化。

2.2 技术特性

1. 最大钻进深度 m 300

2. 导向孔直径 76φ

3. 钻杆直径 50φ 60φ

4. 动力头转速 160/1120/min r --

第3章 FDP-15D钻机结构方案的确定一台全液压钻机主要包括主机、动力设备和操纵台三个部分。

3.1 主机部分

水平定向全液压钻机的主机包括回转机构、给进机构等基本部件。

3.1.1 回转机构

全液压动力头式钻机的回转机构，就是移动式回转器，亦称为动力头。动力头是钻机的重要组成部分，主要由回转马达、减速器、水接头组成。它的功能有二：一是传递扭矩，以带动钻具旋转钻进或拧卸钻杆；二是动力头由给进机构带动，以传递向上或向下的轴向力及其运动，用来实现加减压给进。

本全液压钻机通常采用导向钻杆，其钻进工艺对动力头的基本要求有下列几点：

1)动力头的钻数和扭矩应是可调的，最好的方案是无级调速，以适应

钻进工艺的需要。

2)转数调节范围应满足钻进工艺的需要。

3)具有正反转的能力。

4)回转平稳、振动少和噪音不大等。

动力头转速调节范围，取决于地质条件、钻头直径以及钻进方式。由于是全液压钻机可以实现无级调速，马达的调速范围在8~300r/min之间完全满足钻机的要求。采用导向钻杆钻进时，要求高转速。国外的最高转速以达2000～3000r/min；国内大致在1000～1500r/min，而从处理事故和拧紧钻杆的要求，则需要低速档，一般为200～300r/min。本设计动力头的转速范围为1－60、1－120r/min。

本设计的动力头主要特点如下：

1.油马达上装有安全阀，可自动进行过载安全保护。

2.无液压卡盘，采用螺纹连接结构，使整体结构简单化。

3.结构紧凑，节省原材料。

4.壳体由铸铁制成，故有良好的工艺性。

动力头按照回转油马达的安装位置不同，可分为装有油马达的动力头（A 型）和不装油马达的动力头（B型）两类。A型动力头与B型动力头相比，

具有结构简单紧凑、工作可靠、重量轻和搬运方便等优点。目前，国内外全液压动力头式钻机的大多数均采用A 型动力头。本设计也采用A 型动力头。

A 型动力头的工作原理（图1-1）：油马达2经齿轮传动箱带动输出轴回转，从而使钻具回转。

54321

图 1-1 钻机动力头原理示意图

1-底座 2-马达 3-联轴器 4-减速器 5-法兰盘 6-钻头

3.1.2 给进机构

给进机构是钻机的工作机构之一，它对钻机的技术性能、工作效率以及其应用范围有着极大的影响。全液压动力头式钻机给进机构的功用有二：一是用来保证钻头具有所需压力，一是实现进给；二是用来“倒杆”。

一个完善的给进机构应满足下列要求：

1) 能调节钻头压力，浅孔时加压、深孔时减压，故要求给进机构具有

加压和减压等机能，压力调定后就应保持恒定不便。

2) 给进速度是可以调节的，并应能无级调速，使钻头给进速度能与机

械钻速相适应。

3) 给进行程应尽可能的长。

4) 结构简单、工作可靠、操作灵活安全。并应配备有仪表来观测钻头

压力、进尺和钻速等。

目前，全液压动力头式钻机的给进机构有油缸液压给进机构和油马达—链条给进机构两种。大多数钻机采用油缸给进机构。

油缸给进机构又分为一般油缸给进机构和油缸—链条倍速给进机构两

种。一般油缸给进机构是油缸的液压力或运动直接作用于动力头和钻具；油缸的行程和动力头的给进行程相等，故又称为非倍数油缸给进机构。油缸—链条倍速给进机构是动力头的给进行程等于活塞行程的两倍。本设计选用单油缸—链条给进机构。

单油缸—链条给进机构工作原理（图1-2）：给进油缸缸体固定在机架上，活塞杆的前端与带有链轮的连接轴相连接。拖板向后移动。每根链条的一端都是绕过链轮之后固定在给进机架上，而另一端绕过链轮之后分别与拖板相连接，组成为一个封闭的倍增传动链，拖板行程比活塞行程增大一倍。

图1-2 给进机构示意图

1-动力头 2-液压油缸 3-链条

3.2 动力设备部分

全液压钻机的动力设备，包括动力机、油泵、油箱、过滤器、冷却器等。

3.2.1 动力机

驱动油泵的动力机，一般采用电动机或柴油机。在坑道钻探中，也有采

用风马达的。动力机的转数，一般为1460~1800转/分，国外钻机有增高动力机转数的趋势，高达2400~3600转/分。这样可以大大提高油泵排油量，或缩小油泵尺寸和重量，使动力机和油泵小型化。

动力机的功率是设计钻机的依据。钻机的功用主要是用来完成钻进工序。回转钻进所需的功率包括破碎孔底岩石和回转钻具等所需功率，前者基本上不受孔深的影响；后者当转数不高时随孔深的变化也不大，当转数较高时随孔深增加而增大。

本设计采用柴油机作为动力机。

3.2.2油泵

油泵是将动力机的机械能转换成液压能的一种装置，它是液压传动中的动力源。目前，每台全液压钻机的油泵站通常有两个油泵，一个为主油泵，它向回转马达供油；另一个为辅助油泵，它向给进机构供油。但有的钻机（如泰美克250型钻机）只有一个油泵，它向油马达及各油缸供油。

油泵类型的选择应能满足钻机工作的特点和要求。由于钻机的回转速度有高有低，一般主油泵选用变量油泵，并且都用轴向柱塞式变量油泵，它能使液动机实现无级容积调速；辅助油泵多用齿轮油泵，也有选用轴向柱塞式变量油泵的。这时因为轴向柱塞式变量油泵具有体积小、重量轻、调速方便、转速高、压力大等特点，它较适用于钻机的工作需要。但定量油泵价格比较便宜。

本设计采用双油泵，主油泵采用变量泵，辅助油泵采用定量油泵。

3.2.3 油箱

油箱是用来储油、散热、分离油中杂质和空气的装置。它的形状和尺寸要根据钻机的总体布置及散热的需要来决定。按一般机械要求，油箱的有效容积为油泵的每分钟流量的三倍以上。但是，考虑野外工作条件的需要，钻机的油箱容积不能太大。而且多数钻机在油箱里装有冷却器，因此油液的发热大为改善。本钻机也采用这种结构。

3.3 操纵台部分

“集中手柄操纵”——这是全液压钻机的特点之一。钻机的所有控制阀、各种仪表等都集中装在操纵台的控制面板上。从油泵输出的压力油经高压橡胶管到各控制阀，操纵控制阀手把的各种不同位置，使压力油经阀板下的软

管分配给各个液动机，根据钻探工艺的需要来驱动油马达、给进油缸等，从而完成钻探各工序的动作。因此，操作台是钻机的操纵驱纽。

本钻机也采用“集中手柄操纵”。

第4章动力机的确定

4.1 电动机功率的确定

本钻机的驱动装置采用柴油机，因为钻机多在野外作业，柴油机无需外接能源。本设计的液压系统由两个独立的支路组成，油泵——马达回路系统和油泵——油缸给进系统，且两油泵共用一台电动机联合驱动，因此钻机的电动机的总功率为：

给回电N N N +=

其中：电N ——钻机的电动机总功率 KW 回N ——回转钻杆及破碎岩石所需功率 KW 给N ——给进油缸所需功率 KW

4.1.1 油泵—马达回转机构

1．基本参数的确定：

①机械效率 85.0=η ②液压传动效率 85.0=η

③钻头外径 cm D 3.7= ④钻头内径 0d cm =

泵驱回N N = 1

N η动

马=

N η

21N N N +

+=动N

其中：1N ——孔底破碎岩石所需的功率 KW 2N ——钻头与孔底摩擦所消耗功率 KW

3N ——回转钻杆所需的功率 KW η——机械效率取85.0=η 1η——液压马达效率取0.851=η

井底破碎岩石所需功率

3060000

A N 431?

?=压δnmh KW

其中：n —动力头转速 r/min

m —钻头切削刃数取2()/4()m =钻进回托 h —钻进速度 min /25.0m h = 压δ—岩石抗压强度见表4－1

)

8.53.7(4

)

(2222-=

ππd D A

其中： A －井底环状切削面积

D —钻头外径取cm D 3.7= d —钻头内径取0d cm =

将动力头各种转数以及岩石的不同抗压强度压δ分别代入上式中所得1N 的相应值见表4－2中。钻头与孔底摩擦所需功率2N

1944800

N 2r

R n e f +?

???=压δ

其中：压δ——岩石抗压强度

f ——钻具和岩石间摩擦系数取3.0=f e ——侧摩擦系数取1.1=e n ——动力头转速

R ——钻头外半径 r ——钻头内半径

将动力头的不同转数和不同孔底压力代入上式中，2N 的相应值见

表4－2。

回转钻杆所需功率3N

33.121131092.0n L d N ?????=-γ KW

其中：L ——孔深取300000L mm = d ——钻杆直径 60d mm = n ——动力头转速

γ——冲洗液的比重取15.1=γ

将上述各参数及动力头的不同转速代入上式中所得3N 值列表4－2中。

表4－2 功率计算表

2．马达的选择

马达转矩的确定

m N W N M ??=

-3

其中：M — 马达的转矩

0N — 马达的输出功率，根据表4－2取得KW N 70= W — 马达输出轴的平均角速度

6021

n W π=

式中： 1n —马达转速 12n n =

n —动力头转速

按120转最大功率计算，将所求的值列于表4－3。

表4－3 马达转矩

根据设计要求，用两个马达分担功率，需选用低速大扭矩马达。其主要根据转矩M 来选择。辅助因素包括排量、额定压力、转速范围等最终确定。可选用6625T K -型摆线马达，其技术参数如下表4－4。

3．液压泵的选择

液压泵的选择主要根据供油压力p p 和最大供油量p q 两个因素决定。

马

马Q N P =

其中：P — 马达的进油压力马N — 马达的输入功率马Q —马达的实际输入流量

n q η1

Q ?=

马

其中： q —马达排量 1n —马达的转速

V η —容积效率 90.0=V η

将所求的值列于表4－5。

表4－5 马达及泵的流量

max q k q p ?≥ 即马泵Q k Q ?≥

其中：k — 考虑系统泄露修正系数，一般3.1~1.1=k 。这里取1.1=k

1p P P p ∑?+≥

根据经验，对简单的系统M p a p 5.0~2.01=∑?，对于复杂系统M p a

p 5.1~5.01=?。这里取4.01=∑?p 。将所求的数值分别列于表4－6。

表4-6 马达的进油压力及排量

由表中的数值，查《液压元件手册》可选：柱塞泵CCY14-1B,其技术参

数如下表4－7。

4.1.2 油泵—油缸给进机构

1.给进油缸的基本参数

油缸数量 1个

油缸直径 125D mm = 活塞杆直径 90d mm = 活塞有效行程 1200L mm =

油缸面积 21122.7A cm = 活塞杆面积 2263.6A cm = 有效面积 21259.11A A A cm =-=

2.油泵工作压力的计算

钻机打水平孔时，油缸最大推力为：

摩F C W +=

式中：W —油缸最大推力按设计要求 N ＝150KN 因此，油泵的工作压力P 为：

21500002444.98/24.459.11

W P kg cm Mpa A ====

3. 油泵最大工作流量计算

油缸回程时的最大容积油量：

11 1.231214.72V A L L =?=?= 油缸送进时的最大容积油量：

220.591127.09V A L L =?=?=

当选用动力头的速度min /05.0m v =时，动力头送进时每分钟所需油量为：

min /08.02L v A Q =?=

令活塞回程时间为0.3min ，则回程所需油量为：

11 5.388/min 0.3V

Q L ==

4. 给进油缸所需的功率给N

256010

P Q N KW ?=

=? 5．根据上面的计算，查《液压元件手册》选用MCY14-1B 型柱塞泵，其技术

参数如下表4—8。

4.1.3 泥浆泵

考虑钻进润滑的需要,引进HBW150/40型泥浆泵，功率7.5KW。

4.2 柴油机的选择

柴油机的功率25.5257.558

=++=

N KW

柴油机

由此，可查的此设计选用R6105G36型柴油机，其技术参数如下表4－9。

第5章机械传动系统设计

5.1 变速箱的设计

5.1.1 强度计算的依据

1) 在校核零件的强度时，假设两液压马达全部功率输入动力头，然后再输

入动力。

2) 动力头在连续工作情况下，可连续工作10000小时，纯机动时间每班16

小时，可连续工作20个月。

5.1.2 齿轮强度的计算

选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿轮。本设计的传动方案选用直齿圆柱齿轮。考动力头的工作环境较为恶劣，为增大齿轮使用寿命大小齿轮都选用硬齿面。根据表5—2选得大小齿轮的材料都为40Cr ，并且需要调质及表面淬火，齿面硬度为48~55HRC 。精度等级选为7级。齿宽系数根据表5—3中的单级齿轮传动，两支承相对齿轮为对称布置，且两齿轮均为硬齿面。选择齿宽系数为0.6。因为受载比较平稳、齿轮为硬齿面、支承为对称分布，故取5.1=K 。齿数选择时为了避免根切，对于标准直齿圆柱齿轮17min =Z ，开式齿轮传动中为保证齿根弯曲强度，常取20~171=Z ，闭式齿轮传动中常取40~171=Z ，本设计取241=Z 。

变速箱内各齿轮主要参数及材料见表5－4。

表5-3齿宽系数

表5－4

1．确定许用接触疲劳应力

lim

1[]1326H H H

Mpa S σσ=

其中：lim H σ — 失效概率为1％时试验齿轮的接触疲劳极限力

单位：Mpa 。由表5—2 查得lim 1057H Mpa σ=

H S — 解除疲劳强度的最小安全系数，1=H S ，（失效概率为

1％）。

2．确定许用弯曲疲劳应力

F F S Y ?=

lim 1][σσ

其中：lim F σ— 齿轮弯曲疲劳极限。由表5—2 查得Mpa F 500

lim =σ

F S — 齿轮弯曲疲劳强度安全系数。机械齿轮失效率1％时1=F S X Y — 弯曲疲劳寿命系数。由于m =5.5，查表得0.99X Y =。

Mpa S Y F

F F 500][lim 1=?=

σσ

大小齿轮的齿面硬度相同，[][]121057H H Mpa σσ==

[][]Mpa F F 50021==σσ 3．小齿轮转矩的计算 1

6116

110

55.91055.9n N n p T 马

?=?= 1max 994.6T N m =? 4．按齿面接触疲劳强度计算

其中：t d 1 — 小齿轮的分度圆直径。

t K — 载荷系数，取5.1=t K 。 μ — 齿数比。2μ=

d φ — 齿宽系数，取得0.4d φ=。

[]1H σ

— 许用接触应力。

代入数值得：

[]3

1.1

6.761

?+?

?≥μ

μσφH d t t T K d