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工程钻机的设计学生姓名：宋欣欣所在院（系）：机电学院所学专业：机电技术教育导师姓名：牛爱青摘要◼以水平定向钻机为背景，水平定向钻机的主要结构主要包括：底盘结构、发动机系统结构、动力头结构、钻杆装卸的结构、虎钳的结构、锚固装置的结构、

导向系统、泥浆系统的结构。◼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，用钻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：水平定向钻机冲击钻

进◼变速箱减速器Abstract◼TakingHorizontalDirectionalDrillingRigasthebackground,ThemainstructuresofHorizontalDirectionalDrillingRigmainlyinclu

de:Chassisstructure,enginesystematicstructure,powerheadstructure,drillingrodstructure,structure,ancho

rfirmstructure,guidancesystem,mudstructureofsystem.◼ThetypesGCPS-20drillthemachineisakindofcompoundty

pemulti-functiondrillthemachine,inordertoadapttheourcountrydevelopmentanddemandsofthedeepfoundationandconsecutionwa

llandmarinehydraulicengineering,thebridgeengineering,combinethebigcalibertodrillthemachinetoinfuseto

notethestakeandthecharacteristicsofundergroundcontinuouswallconstruction,inordertosolvetobecometheborebutresearchtomanufactur

eincomplicatedgeologicstrata,hardrock,significantexaltationofabilityofspecialeggstonelayer,sill,thestonelayerconstr

uctionefficiency,isamoreeconomicvalidmethodinvariouslybecometheboremethod.◼Drillthemachineistogathertheturn-overandpoundattodrillintothecr

aftintheintegralwholeofmulti-functionandcompoundtypedrillthemachine,canusedfortooverlaythelayerthefourthcenturywhileusingtoturnthedishturn

-overtodrillinto,canusedforthehardrockgeologicstrataofeggstone,ashrock,granite…etc,whilepoundingattodrillinto.◼Drillthecharacteristicsofthemachi

neoriginallyisastructuresimple,tightlypacked,andvariousoperationhandhandlearrangereasonable,operateinbrief,easytousageandsupport.◼Keyword:Horizonta

lDirectionalDrillingRigTheimpactdrillinto◼gearboxspeedreducer第1章绪论1.1项目的研究意义随着西气东输、京沪高速铁路等一批国家重点项目的陆续启动,国家对基本建设的投入持续增长,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凿，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◼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。◼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。◼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。◼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。◼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。◼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）0.4.050.6◼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)YD280S55KW(1480r/min)◼8.钻塔额定负载(KN)180◼9.空压机型号(排量，压力)UB300—500◼（3.55/min,0.8MP）◼10.配备砂石泵型号（型号）6B

S(180/h)◼或8BS（340/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第一个问题：电机确定工程钻机动力来源于电机，电机小了，无法达到设计要求，大了

就会造成资源的浪费，应该选取多大功率的电机才合适呢？第3章电机确定根据现场需要，电机的选择偏大些，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。＝1.2Nj◼式中：Nj—钻机所需功率KW◼Nj＝（Nh＋Ny）/η◼式

中:Nh—回转钻进所需功率（KW）η—效率η=0.8◼Ny—油泵所需功率（KW）◼Nh=N1+N2+N3◼式中:N1—井底破碎岩石、土层所需功率（KW）◼N2—钻头与孔底摩擦所需功率（KW）◼N3—回转钻杆所需功率（KW）◼1.Nh=N1+N2+N3的计算◼N1=◼其中：m---钻头切

削刀数取m=4◼n---转盘转数钻进时=26r/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=◼2.N2=δ×f×e×n×(R+r)/19

44800◼式中：f---钻具与岩石之间的摩擦系数◼f=0.52222()/4(1000)/47850Ddcm−=−=3060000/43Amnh3060000/43Amnh◼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.N3=(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。7.1211108.7nLd−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）0.40.50.6◼所需功率P=FV◼P(KW)为

243036◼变速器的传递效率η=0.8◼所需电机的功率P电=45KW◼根据表3-2可知，钻进时所需的最大功率为51.59KW冲击时，转盘不工作，根据现场需要，电机的选择偏大些，加大储备系数，这样可以提高钻进效率。按钻进时选择电机P=55KW。通过查阅机械设计手

册，经过计算，电机转速1480r/min,每天工作16小时以上，则电机功率选为55KW55KW电机实物图如下图所示：第二个问题：带轮选择◼有了动力就需要传导机械能，带轮在传导能量的过程中起着至关重要的作用，那么应该选取何种类型的带轮，选

几根呢？第4章带轮选择◼轴转速793.8r/min,电机转速1480r/min,每天工作16小时以上，=55KW◼工作原理如图4-1所示：◼1.设计功率Pd=kAP电查：工况系数kA=1.6◼Pd=1.6×55=88KW◼2.选定带型

根据Pd=88KW◼n1=1480r/min◼确定带型为C型dd=200～315mm◼3.传动比i==1.86（4—2）◼4.小带轮直径=355mm◼大带轮直径=355i◼=661.88mm◼取=630mm1480/min793.8r1dd2d

d2dd2dd◼5.轴的实际转速◼=（4—3）◼◼由式（4—3）得：◼=◼=825.6r/min◼6.带速V=（4—4）◼◼由式（4—4）得：V=◼=27.5m/s◼7.初定轴间距2n121(1)ddndd−2n

(10.01)1480355630−(10.01)1480355630−11601000ddn11601000ddn3551480601000◼a0=1500mm◼8.所需基准长度◼Ld0=2a0+（+）+（4—5）◼由式（4—5）得：◼=2×

1500+◼=4565.4mm◼查取=4500mm21dd2dd2dd2120()4dddda−0dL23.1427.5(630355)241000++dL◼9.实际轴间距◼◼（4—6）◼取=1467.3mm◼10.小带轮包角◼=-=（4—7）◼11.单根V带基本额定功

率◼由=200mm和=1480r/min查得C型带=14012KW0045004565.415001467.322ddLLaa−−+=+=0045004565.415001467.322ddLLaa−−+=

+=1a1aa01802157.3dddda−0169.260169.261dd1nP◼12.V带的根数◼◼Z=（4—8）◼——小带轮包角修正系数=0.96◼——带长修正系数=1.04◼由式（4—8）◼取Z=6根()dalpppkk+akaklk

lk04.196.0)1.112.14(88+=Z04.196.0)1.112.14(88+=ZZZ◼13.单根V带预紧力◼◼（4—9）◼m——带的每米质量m=0.3◼由式（4—9）:◼◼=654.65N202.5500(1)dapFmvKZV=−+202.588500(1)0.3

27.50.96627.5F=−+202.588500(1)0.327.50.96627.5F=−+p电◼经过计算◼确定带型为C型dd=200～315mm◼小带轮直径dd1=355mm◼大带轮直径dd2=630mm◼V带的根数取Z=6根◼单根V带预紧力F0=654.65

N实物图如图4.3所示：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◼5.3锥齿轮计算◼5.4齿轮校验◼5.5变速箱轴的计算◼5.6轴

的校核202.588500(1)0.327.50.96627.5F=−+202.588500(1)0.327.50.96627.5F=−+202.588500(1)0.327.50.96627.5F=−+◼由于

时间原因，其余问题不再赘述，◼在此仅对变速箱轴的计算进行探讨。◼前边两个问题都是确定具体类型，第三个问题解决一个范围问题，变速箱的轴对于速度变化有不可或缺的作用，那么轴的直径至少要多大才能保证其正常的运转而不至于失效呢？5.5变速箱轴的计算◼公式（5—12）◼式中d——轴的最小直

径mm◼T——轴传递的额定转矩◼——轴的许用转应力◼轴的材料为40Cr，查取=40～52◼取=4035Td35Td◼5.4.1一轴◼由转速◼功率P=55KW，确定轴的最小直径，◼由式（5—12）得：轴最小直径为:◼一轴为矩形花键轴传动，

查手册取d=46mm◼矩形花键轴为：793.8/minnr=3195509550550.98648.4610793.8PTNmmn===效率335648.461043.2840dmm=

8465010NdDB=8465010NdDB=◼5.4.2二轴◼由最低转速为:◼由式（5—12）得：轴最小直径为：◼二轴为矩形花键轴传动，查手册取d=72mm◼矩形花键轴为：min220/minnr=3195509550550.962496

.2410202PTNmmn===效率3352496.241067.8340dmm=10727812NdDB=10727812NdDB=◼5.4.3三轴◼在设计过程中二轴与三轴的转速相同，

故两轴的最小轴径相等，三轴的最小轴径为：67.83dmm=67.83dmm=第6章钻机其余部分零件的选择◼6.1联轴器的选择通过计算，查取下表，选择联轴器为：SWP-B200型（JB/T3241-2004）实

物图如下图图◼6.2减速器齿轮安排◼输入转速为（r/min）：167、261、519◼输出转速为（r/min）：65、85、105、130、210、260◼具体数据详见说明书，在此不再赘述！结论◼目前，我国加大基础设施

建设，工程建设机械市场前景愈来愈广阔，需求量越来越大，工程钻机作为建设机械中维护地基的主要机械，市场需求亦相应的大量增加。这是本设计的主要产生原因之一。◼我所做的GCPS-20型钻机设计是在GPS-20型钻机的基础上改进的，专门用于建设施工的专门钻机。产品的目的在于以最低

的成本，实现产品必要的功能，从而达到用户满意，增加制造企业和用户的经济效益，将价值工程运用到工程钻机设计中，从分析产品的功能出发，然后分析产品的成本，进行功能与成本比较，从而判断产品的价值，使工程钻机动性价比更高。◼此钻机主要用于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，在设计中尽可能的简化结构，降低成本。◼本钻机利用国内外先进技术和成功经验，结合我国国情和钻机的具体使用要求。力求简单和适用，采用纯机械系统尽可能地利

用最少的液压元件来实现钻机所具备的各种动作。这样，能够降低故障发生概率，提高能量利用率和钻机的可靠性，降低工人劳动强度。◼该钻机的优点为：为适应野外各种钻探作业，该钻机可采用柴油机或电动机驱动；原动机、变速箱、传动箱分体式设计，便于拆卸、安装、移动和运输。由于该钻机结构

简单无论是使用还是维修在费用方面都是十分经济的。◼在市场前景广阔和成本降低的措施下，本设计可以达到预期的目的，具有开发价值。致谢◼四年的大学生活即将结束，在这四年里我学会了不少的东西，无论在学习上、生活中、思想上都有很大的转变，从一开始带着

家人的殷切希望，怀着充实自我，掌握一技之长，为以后找工作，实现自己的人生价值的目标作努力，到最后找工作进一步接触社会，学到一些从理论上学不到东西，增加了许多经验，这一切的成果都离不开众多可敬师长谆谆教导、不厌其烦的耐心讲解传授，以及许多同学、朋友的坦诚相见、砥励共勉；加上自己对本专业有一定的兴趣

，特别是在毕业设计期间，大家更是同心努力希望自己把设计搞好，因为这是四年大学生活最后的收尾工作，它是我们平时对我们所学的课程理解，接受能力，熟知程度，以及记忆能力的一个体现。在这四年中，从基础课到专业课四五十门，但这都是零散的，成块吸收，而最终的毕业设计就是把这些零散、成块的知识有条

理、系统化，综合运用。达到检验所学程度的目的，既是对综合运用知识的能力的培养，又是为将来走上工作岗位的做的一次实战模拟。参考文献◼濮良贵﹒纪明刚﹒机械设计（第八版）﹒高等教育出版社，2007◼赵运才﹒机电工程专业英语﹒北京大学出版社﹒

2006◼施平﹒机械工程专业英语（第八版）﹒哈尔滨工程大学出版社，2007◼胡家秀﹒简明机械零件设计使用手册﹒机械工业出版社﹒1999◼《现代机械传动手册》编辑委员会﹒现代机械传动手册﹒2001◼王世刚﹒张春宜，徐起贺﹒

机械设计实践﹒哈尔滨工程大学出版社，2001◼王宪军﹒赵存友﹒机械设计﹒哈尔滨工程大学出版社，2002◼王知行﹒刘廷荣﹒机械原理﹒高等教育出版社，2007◼成大先﹒机械设计手册减（变）速速器·电机与电器﹒化学工业出版社，2004◼成大先﹒机械设计手册联接与紧固﹒化学工业出版社，2004◼GPS——

20型工程钻机使用说明﹒上海金泰股份有限公司探矿机械厂◼王隆太﹒先进制造技术﹒机械工业出版社，2003◼陈铁鸣﹒机械设计﹒哈尔滨工业大学出版社，2002◼王文斌﹒机械设计手册（新版）﹒机械工业出版社，2004◼卜炎﹒中国机械设计大典﹒江西科学技术出版社，2002◼殷琨﹒发展中的冲击回转钻进

技术﹒探矿工程（第5期），1997◼李华﹒机械制造技术﹒机械工业出版社，1997◼张跃峰，陈通编著﹒AutoCAD2006入门与提高﹒第1版，北京：清华大学出版社﹒2006