钻机总体设计、液压系统设计说明书

1绪论

图1.1 型钻机总图

1. 固定架

2. 夹持卸扣装置

3. 孔口导向装置

4. 80回转器

5. 液压马达

6. 73防松器

7. 单重分流器(50通径)

8. 推进架

9. 滑架10. 变角机构11. 机架12. 转盘组件13. 步履机构14. 支撑组件

图1.2

1.1 钻机主要用途

钻机的各组成部分都采用了国内先进的组装技术，再加上合理的液压系统，钻机很好的成为一体，关键元件选用优秀可靠的产品，全部是由液压控制，表盘显示，操作灵活，大大提高了工作效率，满足了客户需要。

本产品属于履带式锚固工程钻机，整机重量小于5500公斤。履带式锚固钻机适用于城市中基坑支护和控制建筑物位移的锚固工程。本产品是整体式钻机，其中还配有步履机构和夹持卸扣器。步履机构移动迅速，对中孔位置十分迅速。夹持卸扣器可以自动拆卸钻杆和套管，这样大大提高了工作效率。

MDL-80D型履带锚固钻机性能十分稳定，工作效率高，具有多用性等特点。它配和普通的钻头进行回转钻进；往往会在坚硬的岩层采用常规的球齿钻头，进行高速成孔；当在坚硬岩层等不稳定的地层，往往会采用跟钻具可进行钻进成孔，并增加了旋喷功能。

履带式锚固钻机主要有如下几大特点:

1、钻机采用全液压的控制、操作灵活、移位方便、机动性好、省时、省力。

2、钻机回转器采用双液压马达驱动，输出扭矩大，回转中心较同类的产品低，大大提高了钻机钻孔的平稳性。

3、新型的变角机构使对孔更加的迅捷，可调节范围增大，并且可以降低对工作面的要求。

4、针对施工地区的地质特点，对钻机总体系统进行了优化，确保钻机在室外温度为40°C时，最打温度为75°C。

5、配有专用跟管钻进钻具（钻杆、套管等），成孔的质量好。

6、履带式锚固钻机主要适合于深基坑锚固支护，还可通过旋喷模块的更换，使钻机可以进行旋喷施工。

1.2、主要技术参数

图1.3

主要钻进方法：潜孔锤常规钻进、合金钻进、螺旋钻进。

1、钻孔直径（mm）：φ100～φ210

2、钻孔深度（m）：60～100

3、钻孔角度（°）：0～90

4、额定输出扭矩(Nm)：4500

5、额定转速（r/min，正反转）：Ⅰ档(低速档) 6 20 36 60 (输出扭矩4610 N.M)

Ⅱ档(高速档) 12 40 72 120 (输出扭矩1767 N.M)

6、额定提升力（kN）：60

7、额定给进力（kN）：30

8、给进行程（mm）：2800

9、滑移行程(mm)：900

10、动力：电动机，30kW+11kW+1.5kW

11、重量（kg）：6000

12、爬破角度：25°

13、主机垂直状态：3200×2200×5000

14、主机水平状态：4800×2200×1900 (不装固定架)

2 钻机的总体传动设计

2.1、总体传动设计

传动的类型有按工作原理分有机械式，电力式，流体式，磁力式；按运动方式分有定传动比、变传动比，变传动比又分为有级和无级以及周期性规律变化等。但传动方案选择必须遵循以下的几个原则[1]：

1、综合合理的利用各类传动方式：

电气传动用动力机驱动和控制系统；机械传动是传动装置中支撑性的部件用于传动比确定和精度要求较高的场合（本钻机动力头的设计就属于这种情况）；液压传动不仅担负了传动功能同时也用于实现工作机部分的执行机构（本钻机使用液压系统一方面使桅杆竖立，动力头上下滑动，另一方面传动给液压马达，提供动力头的动力输入和履带的动作）；气动多用于辅助性传动场合。

2、功率是方案选择的重要因素：

小功率满足工作性能的前提下应选尽量的使其结构简单化，成本做到最低；大功率应为要考虑到节能和降低成本的问题，则需要考虑传动效率。

3、变速要求：要在不同的转速之下可以钻进。

4、标准化：各部分的零件要做到标准化。

5、固定传动比

对于固定传动比的传动而言，机械式传动装置相对比较合适：

（1）合理安排传动机构顺序。连杆机构，凸轮机构等通常设置在靠近工作机速度较低的一端；在高速端应考虑摩擦传动和圆锥副等。

综上，液压传动为主要传动系统，从泵站产生的高压油，进入操纵台的各路控制阀。高压油通过控制阀的工作油路一路负责履带式锚固钻机的快速钻进，一路负责钻机的行走还有动力头的调速等等，另一路负责钻机的另一边行走、还有支腿油缸的工作以及钻机在缓慢速度下的转进钻进和快速提升，还有一路需要负责钻机旋喷施工时的起塔动作、慢速和调速提升，最后一路的液压则需要负责钻机自动拆卸钻杆和套管。

MDL-80D型钻机主要有如下几个部件组成：

1、动力组件

动力组件由三台电机分别带动三组泵：其中一组是大双联泵，大泵是负责回转器的快速回转和快速提升。还有一组是小双联泵，是负责钻机的回转、行走、分配、回转器的加压提升给进。最后一组是小泵，是负责钻机的起塔、滑架移动、调速给进、支撑。钻机开机时要注意三个电动机的转向，其转向要与电机后壳上或泵上的黄箭头标向一致，否则钻机不能正常工作。

2、回转器部分

回转器由双液压马达驱动，经齿轮传动变速，带动主轴和前端钻杆接头正反转，以此驱动下面的钻杆旋转。后面接有一个分流器，方便接气、浆等介质(见附图回转器示意图)。

回转器箱体内应该贮存有足量齿轮润滑油，使用的时候要经常检查油量。

回转器的上下移动是通过链条作用下实现的，当钻机工作一段时间后，回转器会因零件磨损而出现晃动情况，这时应及时地松开锁紧螺母，旋动回转器与推进架连接处的紧定

螺钉调整侧面和底部的滑动间隙，然后重新固定螺母。耐磨板要留有一定的间隙。

3、推进架部分

推进架是支承孔口装置、回转器组件、加压提升组件的部件。它通过链条带动回转器进行上下进给，连接的双头螺栓可能会因为震动等原因而松动，所以施工人员要注意检查链条的松紧。(见附图推进架示意图、底部滑轮示意图、滑动导轮组件示意图、顶部滑轮示意图)

4、变角机构组件

变角机构组件是支承推进架的部件，在钻机工作时，将撑杆将底架与推进架和滑架连接起来，这样钻机在钻孔时，推进架就不会产生晃动

5、卸扣装置组件

卸扣装置组件是用来上卸套管和钻杆的，共有六个油缸为执行元件。具体工作方法是，将所要拆卸的丝扣放在两对卡瓦之间，将提升给进手柄放处于浮动状态，将分配阀处于正位，将卸扣手柄复位后再置于中位，夹紧前后两对卡瓦，动力头慢速反转，松开主动钻杆后，卸扣手柄上板到卸扣档，重复几次，拆卸完成。

6、履带底盘

钻机加装了液压履带底盘，通过手动控制阀，轻松实现钻机前进、后退、转弯及钻机调平，从而使其具有移位方便、机动性好，省时、省力的特点。

7、液压系统(见图)

8、电气系统

由于钻机自身不带有动力源，故需从外部将三相交流电源接入控制电柜中。电机采用星三角启动，以降低启动电流，电柜总输入功率为42.5kW 。电气柜中有漏电开关作为安全保护、又为液压系统提供过压保护及各种报警，使用户随时了解钻机的状态。开机前要注意电气柜接地线是否牢固可靠。

图1.4 孔口装置

图1.5 动力头组件

图1.5步履机构

3 动力头（回转器）设计

3.1. 动力头介绍

MDL-80D 型钻机动力头（回转器）由双液压马达驱动，经齿轮传动变速，带动主轴和前

端钻杆接头正反转，以此驱动下面的钻具旋转。

动力头箱体内应该贮存有足量齿轮润滑油，使用时要经常检查油量。在箱体侧面设有油位螺栓口，将桅杆升至垂直状态，松动动力头上的油位螺栓就可作检查。

动力头的上下移动是在链条作用下通过其下的滚轮组件实现的，当钻机工作一段时间后，滚轮组件会因零件磨损而出现晃动情况，这时应及时地松开锁紧螺母，旋动滚轮组件的限定螺钉来调整侧面和底部的间隙，然后重新固定住螺母。耐磨板要留有一定的间隙。

3.2. 设计要求

1. 输出调速范围及各档的转速要能满足各工作机构运动速度的要求；

2. 要求能按各工作机构需要合理分配动力；

3. 要求根据需要改变工作机构的运动方向（反档）；

4. 具有足够的强度、刚度和耐磨性，保证工作可靠、运转平衡、传动效率高、发热量小、结构简单、维修方便、布局美观、使用寿命长等[2]；

3.3 设计步骤

1. 根据传动系统中所给的档数，传动比与调速范围，草拟传动方案；

（1）. 实地研究，确定资料，进行相应的分析；

（2）. 确定动力头的形式和布局；

（3）. 确定工作总时数（根据制造缓和使用的具体情况，一般连续工作两年）；各档时间使用率（根据钻进工艺和钻速级数，用统计方法得出）；

（4）. 绘出动力头传动草图

2. 确定动力头的主要参数，尤其是齿轮的主要参数：

包括：齿数Z，中心距A，齿轮模数m，齿宽b。

3. 根据传动比的选配齿轮，确定齿轮齿数；

4. 进行齿轮、轴、轴承等零件的强度、刚度和寿命的计算；

5. 进行结构设计，绘制装配图（应考虑结构的先进性、合理性、工艺性、装配性及系列化、通用化、标准化等问题，还应注意与总体设计相协调）。

3.4 设计方案的分析与确定

动力头中只有一档机械变速，即只可输出一档转速。但动力头转速可通过控制操作台上的比例阀的工作流量来控制液压马达的转速，从而获得所需要的转速。

基于设计要求，动力头的结构比较简单，只需要一组齿轮啮合即可实现，根据输入与输出转速的关系可以计算出齿轮的齿数。

根据设计的要求，液压马达的输入转矩是1680N.m,主轴传递的扭矩为8000N.m。为此，我们采用双马达驱动，输入转矩通过齿轮轴与主轴齿轮的啮合通过主轴输出。两个齿轮轴齿数相同，转速相同，因此双马达对传动比没有影响，受到影响的只是主动轴齿轮的受力，即扭矩。

3.5 主要零部件的结构及其选用

3.5.1. 各轴在动力头中的位置

在动力头中，布置轴的位置时要考虑整机布置要求以及与前后部件连接的位置关系，并力求使各轴的位置有利于降低钻机重心，有利于操纵装置布置，拨叉接近换档齿轮相对

方便，齿轮在各轴上的布置比较合理。

3.5.2. 轴的结构设计

本次在设计轴时，需要解决的另一个问题是轴的结构设计，即根据轴类零件的装配和加工，轴上零件的定位固定等要求，合理确定出轴的几何形状及结构的尺寸。

对于载荷较大而且无很大冲击的重要轴，一般采用的材料为40Cr。

在设计的过程中，我的设计思路是：首先根据所需要传递的扭矩计算得出安装齿轮的轴段直径。这个尺寸也是轴的主要尺寸之一。然后，综合受力的情况、额定载荷、极限转速安装尺寸等情况选择合适形式和尺寸的轴承，并以此确定轴承所在轴段的尺寸。需要注意的是，轴承选择时一定要保证轴便于安装。

1. 轴上零件的轴向定位和固定

主轴上需要布置的零件主要为齿轮，轴承。轴承需要两端的定位，采用轴肩和隔圈定位。相应的齿轮的定位也是如此。

2. 轴上零件的周向固定

轴上的零件除了需要进行轴向固定外，还要周向固定，以满足机器传递转矩的功能要求。对齿轮的周向固定，本人采用的是花键连接。

3. 轴的加工和装配工艺性

4. 合理布置轴上零件。

3.5.3. 齿轮在传动轴上的布置

各档齿轮在传动轴上的布置方式将会影响轴的挠度，轴承的受力和寿命，影响换档操纵的方便性，以及动力头的尺寸。因此在进行齿轮结构设计和安排齿轮在轴上的位置的时候必须要考虑以下的几点：

1. 如果可以的话要尽可能的减少齿轮的齿数；

2. 齿轮结构的形状越简单越好；

3. 齿轮在传动轴上的布置要尽量缩短轴向尺寸，充分利用可借用的空间，以利于减少动力头箱体的尺寸；

4. 受力大的齿轮尽可能安排在靠近轴的支承部位，以改善轴的受力情况；

3.5.

4. 轴的支承方式及轴承的选用

机器中轴系大多采用滚动轴承来进行支承。滚动轴承类型的选择、轴承的布置和支承结构设计等对轴系的受力、固定、运转速度、轴承寿命等等都起着重要的作用。

传动轴的支承方式取决于轴的受力状况和动力头的结构形式。

对于简支方式支承的轴而言，当轴只承受扭矩及径向力影响时，可以选用径向球轴承。如果轴上受有轴向力，一般采用圆锥滚子轴承[3]。

对于受径向尺寸的限制，不容易采用球轴承支承的轴，多数采用滚针轴承。这种轴承不能够承受轴向力，不允许有角度的偏斜，极限转速也比较低。

根据轴上各部位受力的大小，结构方式和受力性质的情况，同一根轴可以采用不同类型和规格的轴承支承，但要考虑各种类型轴承的特性，恰当的选择。另外应当注意有些轴承只能成对的使用，比如圆锥滚子轴承、向心推力球轴承等等。

轴承的选用与轴的支承结构形式要考虑到拆装方便。

轴的轴向定位，通常采用把一端轴承内、外圈分别固定在轴和箱体上，而另一端轴承内圈固定在轴上，外圈可以滑动配合装在箱体孔内部，以便在轴受热后能够自由伸长，同时，可以消除零件制造精度带来的安装误差，以及简化拆装工艺。

当轴两端采用圆锥滚子轴承支承时，为了便于调整轴承间隙，在轴承压盖与箱体之间要装有用于调整的垫片，其他的调整装置也可以。

激溅润滑是利用存储在动力头箱体内一定量润滑油的油面高度，通过沉浸在油液中传动零件的转动，激溅油液润滑其它需要润滑的零件。此种润滑方式不要复杂的润滑装置，但要求有一定的油面高度，为保证润滑可靠还可以采取一定的措施。

动力头箱体密封要牢靠，不然会造成润滑油的漏失，或脏物进入变速箱。因此，在变速箱上的所有装合面要增加加密封件，比如：轴承盖与箱体装合面要加纸垫或者橡胶密封圈，挡盖与箱体涂抹密封胶。另外还可以采取其它措施增加密封性能，例如：箱体采用不钻透螺孔，放油螺丝采用锥形细牙螺纹结构，为防止动力头箱体温度升高时箱内空气膨胀，迫使油液泄漏，箱盖上应设有通孔等。

3.6 设计及校核

3.6.1 功率及转速计算

1.在计算中其传动零件的强度大部分根据低速大扭矩进行强度校核。齿轮，传动轴，轴承等零件的强度校核主要参考《机械设计手册》（化学工业出版社），及相关技术书籍。

2.为确保与简化计算，在计算机械传动部分时，空载液压功率损耗与油泵传动装置的功率损耗效率为0.85。

3.计算钻机寿命是按生产的实际需要，既不更换齿轮10000小时，加上钻机维护保养及搬迁辅助时间等，可使钻机连续工作5年。

查看《机械设计课程设计手册》表1-14

钻机机械传动效率包括机械传动部分效率与液压损耗功率的效率。

在校核计算动力头部分零件强度时，只粗略地引入其平均机械效率进行算。所取效率为η=0.95。

升速传动中最大传动比不宜过大，否则的话会容易引起震动和噪声。

降速传动中最大传动比不宜过小，否则的话会使主动齿轮与被动齿轮直径差太大。

3.6.2 齿轮校核

此回转器为本公司通用部件，主轴最大传递的扭矩按照8000N.m 计算，常用的配套液压马达为J6K 系列液压马达，马达最大输出扭矩为1690N.m

齿轮的转速属于中、低速转动，选择齿轮材料为20CrMnTi ，渗碳淬火处理后齿面硬度HRC56～62，心部硬度HRC30～40，而且对传动精度要求不高，因此采用圆柱直齿轮传动。采用7级精度。

输出扭矩为8000Nm ， 转数为50min /r

输入动力源为J6K 系列液压马达，输出扭矩为575～1685 N.m ，为双液压马达输入 传动比按照最大输出扭矩计算

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