大直徑樁基礎(chǔ)工程成孔鉆具設(shè)計

1、目 錄第1章 前言 1第2章 概述 3第3章 設(shè)計中要考慮的問題和方案 4第4章 行星齒輪設(shè)計 8 4.1行星齒輪的特點 8 4.2行星齒輪的設(shè)計計算 9 4.3行星齒輪均載裝置 18第5章 鉆桿齒輪設(shè)計 20第6章 鉆桿回轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪設(shè)計 22第7章 鉆具的設(shè)計 24第8章 主鉆頭的設(shè)計 27第9章 主軸的設(shè)計 299.1主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 299.2主軸的校核 30第10章 泥漿循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計 32設(shè)計總結(jié) 35 參考文獻 36致謝 37附錄138附錄245摘要本次畢業(yè)設(shè)計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。設(shè)計內(nèi)容包括行星齒輪傳動部分的設(shè)計、鉆具的設(shè)計、主軸的設(shè)計以及泥漿循環(huán)系統(tǒng)的

2、設(shè)計等幾個主要部分。同時，本設(shè)計在autocad的基礎(chǔ)上，完成了該型鉆具的總裝圖和絕大部分零件圖的繪制。設(shè)計后的鉆具配套功率小，既能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動又能產(chǎn)生沖擊運動，且利用氣舉反循環(huán)排渣快速成孔。關(guān)鍵詞：成孔鉆具；行星運動；旋轉(zhuǎn)沖擊；氣舉反循環(huán)排渣abstractthe graduate design presents the collectivity design of i type drill hole machine,which can make a big diameter stake of substructure .the design contents include the ma

3、in parts of the following,which are the spread of the planet wheel gear,drill facility,the principal spindle and the slurry circle system.besides, it has finished the assembly drawing of the drill machine and also most of its part drawings based on the autocad.as a result,the drill machine with a sm

4、all power which not only could circumgrate movement, but also could impact movement,and could aliminate the dregs with air anti circulate. so it can quick drill the hole.keywords: hole drill machine；planet movement；circumgyrateimpact；aliminate the dregs with air anti circulate第1章 前言長期以來，橋梁、港口、碼頭、水工和

5、工民建筑物的基礎(chǔ)工程，在0.8米以上2.0米以下常規(guī)直徑樁基礎(chǔ)成孔施工中，廣泛使用沖擊鉆和回旋鉆兩種基本鉆型，以及泥漿護壁正循環(huán)排渣方法施工。隨著國內(nèi)外樁基礎(chǔ)工程機械的研究開發(fā)，為了適應(yīng)各種工程地質(zhì)條件施工，提高成孔施工效率，降低設(shè)備投入量和適應(yīng)大直徑樁基成孔需要，目前在傳統(tǒng)的沖擊鉆和回旋鉆的基礎(chǔ)上，已生產(chǎn)出了如：重型沖擊鉆、連桿沖擊反循環(huán)鉆、套管鉆機、潛孔沖擊錘、潛水回旋鉆、回轉(zhuǎn)斗鉆、短螺旋鉆和擴底鉆頭等施工機械設(shè)備，大部分產(chǎn)品實現(xiàn)了反循環(huán)排渣，明顯地提高了成孔施工效率，一般巖層成孔直徑可達到2.5米左右，進口設(shè)備成孔直徑已可達6米。其中結(jié)構(gòu)簡單的國產(chǎn)重型沖擊鉆成孔直徑也可達3.0米。但是仍

6、然存在著種種不適應(yīng)施工需要的問題，主要是：1、普通回旋成孔鉆，對工程地質(zhì)條件變化的適應(yīng)性差，特別是不適應(yīng)大礫石地質(zhì)和無風化硬巖層成孔，地質(zhì)適應(yīng)范圍受限。2、一般沖擊鉆雖然地質(zhì)適應(yīng)性好，但施工效率顯低，同時大直徑的重型沖擊錘自旋性差，成孔失圓度大。3、設(shè)備和鉆具通用和互換性差，即一種設(shè)備只能配套相應(yīng)鉆具。一種規(guī)格的鉆具，只能適用于相應(yīng)直徑的成孔。4、國內(nèi)大直徑的鉆具設(shè)備研發(fā)，少有研究采用新的運動原理和結(jié)構(gòu)，一般只能采取加大直徑，增加配套功率和扭矩，以及選用高硬刃具材料等辦法，因而有趨向高功率配置和笨重方向發(fā)展的趨勢，不僅固有的弱點問題沒有解決，而且又更加大了施工設(shè)備投資，影響工程建設(shè)效益。如：湖

7、南省道1804線周家店至常德公路改建工程，在柳葉湖大橋四根3.0米直徑樁基礎(chǔ)施工中，由于施工成本的原因，第一個枯水施工季節(jié)，沒有進場大直徑成孔設(shè)備，施工單位采取沉井明挖法施工失敗。在第二個枯水施工季節(jié)，終于以60多萬的價格，新購置到重型沖擊鉆機設(shè)備，開始進行返工施工。韶關(guān)產(chǎn)沖擊錘重達13噸，配套設(shè)備均是個別設(shè)計生產(chǎn)，使用直徑4.5公分鋼絲繩。由于錘重繩粗，常規(guī)的設(shè)備匹配和連接方式，在這“重型”面前顯得非常脆弱，出現(xiàn)了每兩個工作班必須更換連接，每次需三小時，每15個工作班，損壞一次導(dǎo)輪或軸，每次更換需時間12天的情況，另外31# 樁基出現(xiàn)了嚴重的孔壁失圓現(xiàn)象，明顯地影響了工程質(zhì)量、進度和效率。5

8、、適應(yīng)樁基礎(chǔ)沉井護壁不排水施工的設(shè)備缺乏。而不排水施工可避免發(fā)生沉井嚴重偏位、沉井滯留和井口沉陷以及下沉緩慢等諸多問題。各項工程基礎(chǔ)的施工進度往往是影響整個項目建設(shè)工期的關(guān)鍵，其造價也是影響項目投資的主要不定因素。鑒于以上情況，為適應(yīng)各類建筑工程材料、設(shè)計和施工技術(shù)的發(fā)展需要，如何從鉆孔樁基礎(chǔ)施工成孔設(shè)備著手，綜合沖擊鉆和回旋鉆兩種基本鉆型成孔原理的優(yōu)點，研究開發(fā)出新型成孔鉆具，以解決樁基工程施工，要求快速高效、穩(wěn)定可靠、廣泛適用和適應(yīng)超大直徑方向發(fā)展的問題，是長期以來國內(nèi)外業(yè)內(nèi)人士不乏探索的命題。第2章 概述在樁基工程施工中大量使用的沖擊鉆和回旋鉆，它們工作狀態(tài)的一個共同特點，是切削刀刃與孔

9、壁和孔底保持整體的或線或面的接觸，摩擦阻力大，切削相對速度低，能量分散，分布不合理，無效功耗大，效率低。如果單個刃具能實現(xiàn)如下圖所示的平面單跡線星形運動，并同時具有徑向旋削軟散顆粒，軸向沖擊破碎整體巖石的功能。則數(shù)個小直徑的刃具也將會產(chǎn)生高效率的復(fù)合運動和作用，由若干連續(xù)點的運動，形成連續(xù)的曲線運動，若干曲線的運動，使施工面呈周邊包絡(luò)線為圓形的細密網(wǎng)狀曲面，實現(xiàn)鉆具逐層從上至下的整體成孔運動。本課題設(shè)計源于1984年以來一件孩童游戲工具，因其游戲時規(guī)則均勻的跡線運動（如右圖所示），令人眼花的組合變化，激起了我的思考和對生產(chǎn)及生活現(xiàn)象的觀察。星形運動的鉆具主要由鉆架、動力軸、齒輪組、鉆桿、鉆頭組

10、成。其特征在于鉆架由外支架圈和斜支桿組成，動力軸是中空的圓管，位于鉆架的中心軸線上，與支架用軸承連接，在外支架圈內(nèi)，有齒輪組，齒輪組由一個中心齒輪、三個行星齒輪、齒輪圈和托盤組成，中心齒輪用鍵固定在動力軸上，大小相同的3個行星齒輪均勻分布在中心齒輪周圍，行星齒輪與中心齒輪和齒輪圈上段的內(nèi)齒同時嚙合，齒輪圈與外支架圈固定在一起，齒輪圈內(nèi)圓周的下段為光滑的圓柱面，與托盤外圓周動配合，托盤為一側(cè)面光滑的圓盤，其上有3個與行星齒輪相對應(yīng)的3個行星孔，行星孔內(nèi)為齒輪圈，每一個行星輪外側(cè)周邊的下部用軸承均勻固定著3個或若干個鉆桿，鉆桿的下端安裝有鉆頭刃具，鉆桿的中部用鍵固定有被動轉(zhuǎn)動齒輪，此轉(zhuǎn)動齒輪與托盤

11、上的行星孔的內(nèi)齒相嚙合，齒輪圈上部和下部都有內(nèi)沿，上部內(nèi)沿的表面和行星齒輪上沿的下表面接觸，下部內(nèi)沿的表面和行星齒輪下沿的上表面接觸。第3章 設(shè)計中要考慮的問題和方案1、采用彈簧蓄能，增強間歇錘的沖擊破石能效。由于該機械間歇錘難能產(chǎn)生高頻大幅的沖擊運動，每次沖擊破石也不在一固定點，而對于脆性的巖石面的破碎，也數(shù)首次的沖擊破碎效果最佳，所以必須保證每次沖擊的能量足夠大。如采取加大錘重和行程的辦法，則鉆具空間有限，沖擊頻率會更降低，也與輕型化設(shè)計要求不相適應(yīng)，僅自由落體能量是遠遠不夠的。解決方案可采用加簧的蓄能錘，從而有效保證鉆具的破石能力。2、解決沖擊碎石功能的第二種方法。沖擊碎石能量的輸入、傳

12、遞和轉(zhuǎn)換的問題，這是一個涉及本鉆具是否有實用價值的關(guān)鍵問題。為了提高刃具在大粒徑礫石層和巖石層等特殊地質(zhì)條件的成渣能力，加強刃具沖擊碎石能量的輸入、傳遞和轉(zhuǎn)換，是解決問題的關(guān)鍵。為此還可采取“氣動力沖擊盤錘”的概念解決。即利用星動齒輪組以上鉆架圈以內(nèi)的空間，在上鉆架圈設(shè)置“氣動力缸”，在三個星形輪鉆桿群上，再設(shè)置聯(lián)體的“沖擊動盤”,汽缸與動盤體間彈性且滑動約束。壓縮空氣驅(qū)動“氣動缸”使“沖擊動盤”往復(fù)連動,其能量通過“沖擊動盤”向其下面的鉆桿群傳遞和作用，以提高和強化沖擊碎石的頻率和能量，從而充分發(fā)揮刃具復(fù)合運動（扭掰撬削等效應(yīng)）的作用，確?！靶莿鱼@具”適應(yīng)硬巖地質(zhì)條件的成孔能力。氣動沖擊的排

13、氣可作為氣舉排渣動力的利用和補充。3、為有利于成孔垂直度的控制，根據(jù)需要星形齒輪及托盤可采取適宜的圓錐形布置設(shè)計，但將會加大機械設(shè)計和加工的難度。另外，主軸（排渣管）的端頭要求能安裝絞削式刃具或小徑牙輪中心鉆頭，以適應(yīng)在不同地質(zhì)條件下，有利于穩(wěn)定成孔中心位置和控制鉆進面均衡程度。4、配套采購標準部件，以減少設(shè)計和生產(chǎn)的工作量以及投入。如：型結(jié)構(gòu)中的“萬向傳動結(jié)”，可采購汽車標準配件設(shè)計配套。5、增加泥渣攏耙功能和適配泥渣分離器以及排渣動力。能否及時的排空出渣，直接影響著鉆具的安全穩(wěn)定運行和成孔效率。所以需要在托板上以主動軸為圓心，分別圍繞星形齒輪一側(cè)，安裝三條帶狀螺旋機構(gòu)，以將渣土實時攏耙集中

14、在中空軸孔中排出。對于反循環(huán)排渣，要求壓縮機或泥漿泵功率相匹配，且及時和充分的分離泥渣，返回泥漿確保施工泥漿面高度。另外氣升排渣除需解決氣體密封問題外，還需在氣道安裝活門，解決意外停機時泥渣反流沉淀堵塞氣管的問題。6、保證型結(jié)構(gòu)的鉆桿，具有一定的軸向彈性自由度。為保證間歇錘對鉆桿的沖擊能完全傳遞到刃具尖部，從而充分作用于巖石面，另外在刃具未觸及到孔底面，而升舉鉆桿使螺旋間歇機構(gòu)足以生效時，不使鉆桿軸產(chǎn)生間歇運動的舉力，都必須使鉆桿在軸向向上方向，具有一定的彈性約束的自由度。7、合理布置型結(jié)構(gòu)中刃具的數(shù)量和位置。理論上只需在星形輪周邊均勻布滿鉆桿軸和刃具，就可獲得最大、細密和均勻的網(wǎng)狀跡線運動面

15、積。但實際上是只要鉆具固定圈與孔底摩擦產(chǎn)生的反向平衡扭矩能得到保證（后有祥述），則無論在星形輪面范圍內(nèi)，還是托板上空出的周邊，都可以分布安裝鉆桿軸和刃具，從而加大星形運動產(chǎn)生的網(wǎng)狀跡線密度。從模塊化的概念出發(fā)，設(shè)計上可從密布置，在實際施工應(yīng)用時，可根據(jù)不同配套設(shè)備和功率以及地質(zhì)情況，留待現(xiàn)場決定安裝的數(shù)量和位置。8、合理確定型結(jié)構(gòu)中刃具的工作層面高度。安裝在三個行星輪上的鉆桿及刃具，如在松軟地質(zhì)層施工，以均衡的分布在3個不同的工作層面高度為宜，這樣可以提高整體工作效率。但在大礫石和巖體層面破碎施工時，則宜使鉆桿及刃具工作在兩個層面高，以增加巖體破碎臨空面，提高沖擊破石效率。以上要求鉆桿及刃具能

16、方便更換或調(diào)整其工作高。9、合理確定型結(jié)構(gòu)中刃具的形狀和直徑。要求刃具既能絞削軟散顆粒，又能沖擊破碎和側(cè)擠破碎（對于孔壁邊緣）巖石，同時又便于刃具隨孔底地面高度變化而滑動過度（此是沖擊破石功能的需要），宜使刃具呈圓錐狀造型，不過錐側(cè)面均勻布設(shè)三道刃口和數(shù)條齒槽，錐頂呈三菱錐形刃尖。另外必須保證每個星形輪，至少有一組刃具的最大絞削范圍超出鉆具固定圈5厘米左右，以使鉆具順利的整體鉆進進尺。這需要在不與其它刃具和排渣管運動相擾的情況下，綜合考慮確定其最大刃具直徑。10、要求鉆具適配性好。既能適配一般回旋鉆機，也可適配潛水鉆機。即既可設(shè)計為地面驅(qū)動，也可采用潛水變速電機一體化設(shè)計或液壓馬達驅(qū)動。11、

17、有效保證鉆具運行的反向平衡力矩。鉆具切削運動必須的反向平衡力矩，對于有沉井護壁施工，即由與井壁聯(lián)系的定位約束產(chǎn)生。對于無護壁施工，型鉆具宜采用潛水一體化變速電機配套型，同時配套34組同步鋼絲繩滑輪組控制升降并產(chǎn)生反向力偶。井口地面驅(qū)動型鉆具則由固定圈底部，與孔底地面產(chǎn)生相對運動的摩擦阻力產(chǎn)生。潛水驅(qū)動型鉆具則由地面約束力和孔底地面產(chǎn)生相對運動的摩擦阻力產(chǎn)生。當然也可以另輔助增設(shè)接觸孔壁的單向連動自鎖機構(gòu)，以有效增加和確保鉆具運行的超強反向平衡力矩。12、合理解決機械運動潤滑的問題。任何事物都具有兩面性，由于機構(gòu)特性決定和為了簡化結(jié)構(gòu)，建立刃具星形運動的齒輪組等大部件，不可避免的只能在泥漿中潤滑

18、，這就需要齒輪組采用高錳類耐磨鋼特性材料（履帶、鍔板和道岔類材料），有適應(yīng)在泥漿砂石中工作的材質(zhì)要求。以解決有關(guān)部件難以密封的滾動、滑動和齒輪摩擦的潤滑以及銹蝕問題。另外還需加設(shè)防護罩和隔離板，以防異物影響和損壞機件運行。13、解決固定圈底承力土體控制切削的第二種方法。以上關(guān)于鉆具固定圈下的土體，是考慮由星形輪上一組專用刃具隨運動周期進行切削，其隨星形運動周期切削的厚度、速度、超切尺度和間斷長度，應(yīng)控制與星形輪上刃具的切削平均進度及排渣效率相適應(yīng)，亦即應(yīng)與鉆具的整體進尺速度控制相協(xié)調(diào)，而且還要保證有足夠大的切削扭矩力。為了使鉆具的刃具有進一步的功能性分工，現(xiàn)提出在托盤上每兩星形齒輪間的三角區(qū)內(nèi)

19、，安裝一從動齒輪與外齒圈嚙合，帶動其軸端有13個刀刃的刃具頭產(chǎn)生間歇切削運動，以適當?shù)拈g歇周期控制切削固定圈下的土體，通過保證土體承受鉆具固定圈所需的壓力動態(tài)平衡，從而保證鉆具整體進尺的均衡性和穩(wěn)定性。這樣就可以充分發(fā)揮星形輪上刃具群在大面積切削中的功能性作用。有待進一步考證其機械運動原理的新穎性和適用范圍。據(jù)有關(guān)業(yè)內(nèi)人士的感覺判斷，此機械運動的機構(gòu)及原理具有獨立、獨創(chuàng)和實用性。目前的應(yīng)用除適用于開發(fā)樁基鉆具外，還可應(yīng)用于開發(fā)土工“灌砂法密實度檢測”取樣機。其型機構(gòu)原理還可應(yīng)用于引進技術(shù)開發(fā)生產(chǎn)的異形大斷面“地鐵隧道盾構(gòu)機”和“頂管掘進機”刀盤的新型化設(shè)計、改造和完善。由于其具有可臨空施工的條

20、件，因而更有利于采取其他措施（如電動），大大強化沖擊碎石功能。主要是由對巖土體的磨削或壓碎掘進，改為絞削和沖擊破碎掘進。有望開發(fā)生產(chǎn)出掘進刀盤（控制系統(tǒng)除外）結(jié)構(gòu)原理全新、工況條件合理、效率更高、易維護和適用于各類地質(zhì)情況的新刀盤類型的機械。（也需要在托板上以主動軸為圓心，分別圍繞星形齒輪一側(cè)，安裝三條帶狀螺旋機構(gòu)，以將渣土攏耙集中在中空軸孔中排出，實現(xiàn)各單元獨立排渣）綜上所述，樁基礎(chǔ)工程施工的效率，首先決定于成孔設(shè)備的效率，成孔設(shè)備的效率又主要決定于鉆具的綜合性能，而鉆具的性能主要是體現(xiàn)對巖土的成渣和排渣能力兩方面。本文提出的方案，就是綜合解決鉆具既具有沖擊破碎和旋削巖土的成渣能力，也建立了

21、鉆具高效排渣的結(jié)構(gòu)和性能條件，同時由于采用了星形運動以及模塊化結(jié)構(gòu)的方案，也使解決大（中）直徑成孔鉆具地質(zhì)通用性、施工適用性、高效率、輕性化和小扭矩的設(shè)計問題成為了可能。其主要是采用了“星形運動”的機械原理，構(gòu)思了全新的運動機構(gòu)，使鉆具具有了當前多種常規(guī)鉆頭的優(yōu)勢功能。即：一是鉆具的刃具群既可單獨徑向轉(zhuǎn)動，以旋削軟散小顆粒巖土，又可軸向沖擊運動，以破碎整體和孤立巖石，所以適應(yīng)各種地質(zhì)條件施工。二是特別適合氣舉反循環(huán)排渣施工，由于鉆具對成渣具有實時攏耙功能，所以對于小于排渣管直徑的成渣顆粒，可直接及時快凈地氣舉排渣。三是鉆具部件大部分采取開放式泥漿潤滑，局部采取封閉油潤滑，相對于美日德進口設(shè)備的

22、鉆具結(jié)構(gòu)大大簡化。四是鉆具設(shè)計既可適用于3米以上至6米直徑，甚至更大的直徑，當然更可應(yīng)用于中小直徑鉆具。五是鉆具相對質(zhì)量輕，對鉆壓無要求。刃具工作面小，因而摩阻力小，無效功耗小，功率因數(shù)高。與同直徑常規(guī)鉆具相比，需匹配的驅(qū)動扭矩小。六是可模塊化設(shè)計和裝配使用，在鉆具直徑不變時，通過現(xiàn)場調(diào)整刃具裝配數(shù)量，可與不同設(shè)計扭矩的鉆機匹配。七是可開發(fā)出兩種鉆具形式產(chǎn)品，分別適用于樁基泥漿護壁成孔和各種材質(zhì)的套管護壁成孔或沉井密集開挖不排水施工。八是施工震動小，運動可靠，穩(wěn)定高效?？傊苓m合與回旋系列鉆機配套使用，特別是可進一步發(fā)掘回旋系列鉆機的潛能和提升其綜合性能。第4章 行星齒輪設(shè)計 4.1行星齒輪傳

23、動的特點：行星齒輪傳動與普通齒輪傳動相比較，它具有許多獨特的優(yōu)點。它的最顯著的特點是：在傳遞動力時它可以進行功率分流；同時，其輸入軸與輸出軸具有同軸性，即輸出軸與輸入軸均設(shè)置在同一主軸線上。所以，行星齒輪傳動現(xiàn)已被人們用來代替普通齒輪傳動，而作為各種機械傳動系統(tǒng)中的減速器，增速器和變速裝置。尤其是對于那些要求體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊和傳動效率高的航空發(fā)動機、起重運輸、石油化工和兵器等的齒輪傳動裝置以及需要差速器的汽車和坦克等車輛的齒輪傳動裝置，行星齒輪傳動已得到了越來越廣泛的應(yīng)用。行星齒輪傳動的主要特點如下:（1）體積小，質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大 由于行星齒輪傳動具有功率分流和各中心輪構(gòu)成

24、共軸線式的傳動以及合理地應(yīng)用內(nèi)嚙合齒輪副，因此可使其結(jié)構(gòu)緊湊。再由于在中心輪的周圍均勻地分布著數(shù)個行星輪來共同分擔載荷，從而使得每個齒輪所承受的負荷較小，并允許這些齒輪采用較小的模數(shù)。此外，在結(jié)構(gòu)上充分利用了內(nèi)嚙合承載能力大和內(nèi)齒圈本身的可容積體積，從而有利于縮小其外廓尺寸，使其體積小，質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)非常緊湊，且承載能力大。一般，行星齒輪傳動的外廓尺寸和質(zhì)量約為普通齒輪的1/21/5（即在承受相同的載荷條件下）。（2）傳動效率高 由于行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)的對稱性，即它具有數(shù)個勻稱分布的行星輪，使得作用于中心輪和轉(zhuǎn)臂軸承中的反作用力能互相平衡，從而有利于達到提高傳動效率的作用。在傳動類型選擇恰當、結(jié)構(gòu)

25、布置合理的情況下，其效率值可達0.970.99。（3）傳動比較大，可以實現(xiàn)運動的合成與分解 只要適當選擇行星齒輪傳動的類型及配齒方案，便可以用少數(shù)幾個齒輪而獲得很大的傳動比。在僅作為傳遞運動的行星齒輪傳動中，其傳動比可到幾千。應(yīng)該指出，行星齒輪傳動在其傳動比很大時，仍然可保持結(jié)構(gòu)緊湊質(zhì)量小、體積小等許多優(yōu)點。而且，它還可以實現(xiàn)運動的合成與分解以及實現(xiàn)各種變速的復(fù)雜的運動。（4）運動平穩(wěn)、抗沖擊和振動的能力較強 由于采用了數(shù)個結(jié)構(gòu)相同的行星輪，均勻的分布于中心輪的周圍，從而可使行星輪與轉(zhuǎn)臂的慣性力相互平衡。同時，也使參與嚙合的齒數(shù)增多，故行星齒輪傳動的運動平穩(wěn)，抵抗沖擊和振動的能力較強，工作較可

26、靠?？傊行驱X輪傳動具有質(zhì)量小、體積小、傳動比大及效率高（類型選用得當）等優(yōu)點。因此，行星齒輪傳動現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于工程機械、礦山機械、冶金機械、起重運輸機械、輕工機械、石油化工機械、機床、機器人、汽車、坦克、火炮、飛機、輪船、儀器和儀表等各方面。行星傳動不僅適用于高轉(zhuǎn)速、大功率，而且在低速大轉(zhuǎn)矩的傳動裝置上也已獲得了應(yīng)用。它幾乎可適用于一切功率和轉(zhuǎn)速范圍，故目前行星傳動技術(shù)已成為世界各國機械傳動發(fā)展的重點之一。行星齒輪傳動的缺點是：材料優(yōu)質(zhì)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和安裝較困難。但隨著人們對行星傳動技術(shù)進一步深入地了解和掌握以及對國外行星技術(shù)的引進和消化吸收，從而使其傳動結(jié)構(gòu)和均載方式都不斷完善，同時

27、生產(chǎn)工藝水平也不斷提高。因此，對于行星齒輪傳動的設(shè)計者，不僅應(yīng)該了解其優(yōu)點，而且應(yīng)該在自己的設(shè)計工作中，充分發(fā)揮其優(yōu)點，且把其缺點降低到最低限度，從而設(shè)計出性能優(yōu)良的行星齒輪傳動裝置。4.2行星齒輪傳動的設(shè)計計算：1.選取行星齒輪傳動的傳動類型和傳動間圖根據(jù)本設(shè)計方案選用的傳動類型為2z-x(a)型嚙合。其傳動簡圖為：2.進行行星齒輪傳動的配齒計算配齒計算就是根據(jù)給定的傳動比ip來確定行星齒輪傳動中各輪的齒數(shù)。據(jù)2z-x(a)型行星齒輪傳動的傳動比公式： 式中p行星齒輪傳動的特性參數(shù)特性參數(shù)p與給定的傳動比有關(guān)，p值必須合理地選取。一般應(yīng)選取p=38。由式可得： 由上式可知，當選定最小齒數(shù)時，

28、便容易求得內(nèi)齒輪b的齒數(shù)值。一般情況下，齒輪a的最少齒數(shù)的范圍為1418。據(jù)同心條件可求得行星輪c的齒數(shù)為： 再考慮到其安裝條件為： （整數(shù)） 即 （整數(shù)）綜合上述公式，則可知2z-x(a)型傳動的配齒比例關(guān)系式為： :=:最后，再按以下公式校核其鄰接條件： 和 式中：、分別為行星輪c的齒頂圓半徑和直徑； 行星輪個數(shù)；a、c齒輪副的中心距；相鄰兩個行星輪中心之間的距離。根據(jù)給定的行星齒輪傳動的傳動比的大小和中心輪a的齒數(shù)及行星輪個數(shù)，由表（3-2）（2z-x(a)型行星齒輪傳動的配齒）可查的2z-x(a)型行星齒輪的傳動比及其各輪齒齒數(shù)。據(jù)表查得：=23,=34,=91,=5,=4.95653

29、.初步計算齒輪的主要參數(shù)齒輪材料和熱處理選擇：中心輪a、內(nèi)齒圈b和行星輪c均采用20crmnti滲碳淬火，回火，齒面硬度5662hrc,據(jù)圖6-12和圖6-27（均為行星齒輪傳動設(shè)計，后同），取=1400和=340，則加工精度為6級。按彎曲強度的初步計算公式計算齒輪的模數(shù)m為 現(xiàn)已知=23，=340。中心齒輪名義轉(zhuǎn)矩；取算式系數(shù)=12.1；按表（6-7）取使用系數(shù)=2；按表（6-4）取綜合系數(shù)=1.8；取接觸強度計算的行星輪間載荷分布不均勻系數(shù)=1.1，由公式（7-12）可得=1+1.5（-1）=1+1.5（1.1-1）=1.15；由圖（6-22）查得齒形系數(shù)=2.67；由表（6-6）查得齒寬

30、系數(shù)=0.6，則齒輪模數(shù)m為： 取齒輪模數(shù)為12mm。4.嚙合參數(shù)計算在兩個嚙合副a-c，b-c中，其標準中心距a為：=12(23+34)/2=342mm=12(91-34)/2=342mm由此可知，兩個齒輪副的標準中心距相等，因此，該行星齒輪傳動滿足非變位的同心條件。5.幾何尺寸計算（1） 模數(shù)m=12。（2） 壓力角=20。（3） 分度圓直徑： =12x23=276 =12x91=1092 =12x34=408(4)齒頂高 外嚙合副a-c： =12 內(nèi)嚙合副b-c： =12(5)齒根高 =(6)全齒高 (7)齒頂圓直徑 (8)齒根圓直徑 =+2=1092+215=1122 (9)基圓直徑

31、(10)中心距a 6.裝配條件的驗算(1) 鄰接條件: 432，取=900作為潛孔鉆機沖擊器設(shè)計的依據(jù)。鉆桿的施力裝置由以上計算可知，巖石的破碎主要是鉆桿軸向沖擊力的大小決定。而對于脆性的巖石面的破碎，也數(shù)首次的沖擊破碎效果最佳，所以必須保證每次沖擊的能量足夠大。根據(jù)以上要求，我查了很多相關(guān)資料，最后決定采用氣動力沖擊或液壓力沖擊。但根據(jù)本鉆具采用氣舉升排渣，決定采用氣動力沖擊，這樣就可以就地利用氣源，減少了其配套設(shè)備，降低了生產(chǎn)成本。查得氣動沖擊有關(guān)的書籍，決定采用沖擊汽缸來產(chǎn)生巖石破碎的沖擊力。沖擊汽缸是一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小、耗氣功率小，但能產(chǎn)生相當大的沖擊力，能完成多種沖壓的氣動執(zhí)行元件

32、。在沖擊汽缸中，采用快排型沖擊汽缸。下頁圖為快排型沖擊汽缸的結(jié)構(gòu)圖和工作原理圖： 它是在非快排型沖擊汽缸下部增加了快排機構(gòu)而成的?？炫艡C構(gòu)的作用是當活塞需要下沖時，能使活塞下腔以通流面積足夠大的通道迅速與大氣連通，相當于一快速排氣閥，使活塞下腔背壓迅速降至很低?？炫判蜎_擊汽缸工作過程見圖b,接通氣源，壓縮空氣經(jīng)由輸入快排活塞下腔，快排活塞上腔經(jīng)排氣，快排活塞上移，封住沖擊缸下腔排氣孔；同時壓縮空氣經(jīng)節(jié)流后經(jīng)輸入沖擊缸下腔，排氣，活塞和活塞桿上升，封住中蓋5的噴氣口；同時活塞桿上的擋塊觸動閥的推桿6，發(fā)出信號使動作，壓縮空氣經(jīng)由輸入蓄氣腔，并使之充滿，此時若給一個氣信號使之動作，則進氣，排氣，快

33、排活塞3下移，迅速打開沖擊缸下腔排氣孔，沖擊缸下腔背壓迅速降至很低，活塞桿便可在最大壓差下快速向下沖擊。這種汽缸活塞下腔氣體已經(jīng)不像非快排型沖擊汽缸那樣被急劇壓縮，使有效工作行程可以加長十幾倍甚至幾十倍，加速行程很大，故沖擊能量遠遠大于非快排型沖擊汽缸，沖擊頻率比非快排型提高約一倍。由于本設(shè)計主要為鉆具設(shè)計，選擇采用標準汽缸來進行組合，減少另外設(shè)計的生產(chǎn)的成本。破碎巖石的沖擊力要求大于900才能破碎巖石。由空氣壓縮機處提供的氣壓一般大于10mpa，選用的標準汽缸的缸內(nèi)徑為80mm，汽缸的活塞桿外徑為40mm，活塞的行程為500mm，現(xiàn)采用氣壓為10mpa來進行計算：進行力的換算，相當于3768

34、0，大于巖石的抗壓強度所要求的沖擊力?？芍梢詼p小空氣壓力的大小來調(diào)節(jié)沖擊力的大小，以適應(yīng)不同的地質(zhì)要求。汽缸往復(fù)沖擊次數(shù)：。耗氣量： 總共裝有9個汽缸，則：第8章 主鉆頭的設(shè)計按本鉆具的特點來分析，由于運動不能使徑向力完全達到平衡，就可能使鉆具工作時不穩(wěn)定，影響工作效率，且中心處是刀具路徑不能到達的地方。因此，應(yīng)在中心處裝一鉆頭來保持中心的穩(wěn)定。根據(jù)這一要求，在主動軸端安裝一個定型產(chǎn)品的小直徑牙輪式中心鉆，其與主軸采用裝配式的連接方法，便于鉆頭的拆卸和維修方便。牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)和工作原理為下圖：牙輪鉆頭由三個牙爪及三個安裝在牙輪軸頸上的牙輪組成。牙輪分兩種型式。見下氣，對軸承進行吹洗和冷卻。

35、從鉆機送入的排渣壓氣通過噴嘴，形成了高速氣流，噴入孔底表，三個牙爪焊成一體，在端部加工成錐螺紋，與鉆桿聯(lián)結(jié)。吹洗風道用于通入壓縮空排渣。 牙輪主要型式為：鑲齒鉆頭楔齒鉆頭適應(yīng)中硬巖，硬巖；牙輪體表面鑲硬質(zhì)合金柱；三牙輪中心交于一點；無滑動破巖。適應(yīng)于表土，軟巖；牙輪體表面齒為楔形；三牙輪中心不交于一點；有滑動破巖。牙輪鉆頭靠鉆機的回轉(zhuǎn)，加壓機構(gòu)施加在鉆頭上的回轉(zhuǎn)力矩及軸壓力破碎巖石。鉆頭的回轉(zhuǎn)帶動牙輪滾動，在軸壓力靜載荷及牙輪轉(zhuǎn)動時的動載荷作用下，牙輪上的齒以壓碎、沖擊、減切等形式破碎巖石，巖渣由壓風吹出孔口。對不同性質(zhì)的巖石使用不同類型的鉆頭，是提高破巖效率的重要條件。大部分堅硬的巖石均具有

36、脆性，應(yīng)采用鑲硬質(zhì)合金柱的鉆頭，用純滾動而無滑動的牙輪鉆頭鉆進，牙輪借助于軸壓力和沖擊力的作用切入巖石，使之破碎。對于中硬具有塑性的巖石，為了提高破碎效果，牙輪除滾動外，同時應(yīng)具有一定的滑動剪切巖石。在軟巖中使用的銑齒牙輪鉆頭，應(yīng)具有較大的滑動力切削巖石。鉆頭旋轉(zhuǎn)時，牙輪還繞本身軸線旋轉(zhuǎn)，則牙輪以一個齒著地或兩個齒著地，牙輪中心隨之上下運動，對巖石產(chǎn)生沖擊作用。在鉆進過程中，由于鉆頭不斷被磨損，受到鉆鑿的巖石表面的幾何形狀也隨之變化，因而影響到巖石破碎前的應(yīng)力狀態(tài)。本設(shè)計采用已定型的小徑牙輪中心鉆頭。根據(jù)巖石的特性不同，選用不同的牙輪型式，以便于提高成孔效率。其主要參數(shù)的確定必須考慮到，巖石的

37、堅硬性，孔的直徑，深度及方向是設(shè)計鉆機的主要依據(jù)，它們決定鉆機的主要結(jié)構(gòu)和機重，同時又影響其它參數(shù)的選擇。在穿孔中，鉆機、鉆桿和鉆頭三者的互相影響，必須選擇恰當，否則就不能順利的實現(xiàn)鉆進。軸壓計算：當鉆頭對巖石的作用力大于巖石的臨界抗壓應(yīng)力時，巖石才會迅速破碎。軸壓越大，越容易達到體積破碎，鉆進速度就越快。但軸壓太高，會導(dǎo)致牙輪鉆頭容易損壞和迅速磨損，降級鉆頭的使用壽命，浪費能量，增加鉆孔成本。軸壓值根據(jù)下式：（130150） ,式中：d鉆頭直徑cm。則軸壓為（130150）（19502250）回轉(zhuǎn)功率計算：牙輪鉆頭的回轉(zhuǎn)扭矩采用下列經(jīng)驗公式計算： 26.3回轉(zhuǎn)速度：根據(jù)巖石性質(zhì)的不同及操作需

38、要，鉆具鉆速應(yīng)能調(diào)整。穿硬巖、開孔及接、卸鉆桿時宜用低速；鉆軟巖時，轉(zhuǎn)速可以適當提高。這樣可以提高鉆進速度。當轉(zhuǎn)速增加到一定值時，特別是在硬巖上鉆孔時，會使鉆機強烈振動，降低鉆頭壽命，致使鉆進速度降低。鉆具的回轉(zhuǎn)速度應(yīng)能在0120間無級變速。本鉆具通過調(diào)節(jié)水下電機的變速器達到這一要求。第9章 主軸的設(shè)計軸的設(shè)計也和其它零件的設(shè)計相似，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力計算兩方面。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(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。軸的工作能力計算指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。由于主軸要完全處于水下的泥漿之中，在滿足強度、剛度的情況下，要有一定的

39、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械性能和更好的淬火性能。因此，在傳遞大動力，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。9.1主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計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：軸在機器中的安裝位置及形式；軸上安裝的零件的類型、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

40、行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提，它決定著軸的基本形式。由于鉆具的外形特點為圓筒形，這樣就存在三種裝配方案：一種是零件在主軸從上到下進行裝配；一種是零件在主軸上從下到上進行裝配；還有一種是零件從主軸兩端進行裝配。分析可知，前兩種裝配方案對加工精度和裝配工藝要求很高，且存在主軸在一個方向上存在過多階梯的情況，影響軸的強度。最后一種裝配方案能從主軸的兩端分別進行裝配，軸的徑向尺寸變化不大，這對軸的結(jié)構(gòu)將大大簡化，提高了軸的強度。根據(jù)以上分析，選擇零件從主軸上兩端進行裝配的方案。(二)軸上零件的定位為了防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向或周向的相對運動，軸上零件除了有游動或空轉(zhuǎn)的要求者外，都必須進行軸向和周向定位，以

41、保證其準確的工作位置。1.零件的軸向定位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保證的。對鉆具來說，其工作時受到的軸向力很大，且變化較大。這樣安裝其上的齒輪將用軸肩來進行定位。由資料得，定位軸肩的高度h=(0.070.1)d，其中d為與零件相配處軸徑尺寸。對下端太陽輪的軸肩高度h=(0.070.1)150=10.515mm，取12mm。上端中心傳動齒輪處h=(0.070.1)150=10.515mm,取12mm。其上裝有三個滾動軸承，對于滾動軸承的定位，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。但考慮到對行星架中的滾動軸承，可以將其裝配精度定位過渡配合，且離

42、上軸端很近，不設(shè)立軸肩，用套筒來定位。套筒結(jié)構(gòu)簡單，定位可靠，最重要的是軸上不需開鍵槽、鉆孔和切制螺紋，不影響軸的疲勞強度。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)計要求。下端的最后固定部位采用焊接方法來實現(xiàn)。由于軸上軸向力變化較大，鉆筒上蓋出口用兩個角接觸球軸承來滿足其要求，用軸端蓋來定其軸向間隙和受力。其最上端用一個普通聯(lián)軸器來實現(xiàn)軸的轉(zhuǎn)動。2.零件的周向定位周向定位的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。齒輪、聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。由手冊查得平鍵截面bh=28，為了保證齒輪與軸配合有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為h7/n6；聯(lián)軸器與軸的聯(lián)

43、結(jié)，選用的平鍵為2816200。滾動軸承與軸的定位是借過渡配合來保證的，其值徑尺寸公差為m6。9.2主軸的校核進行軸的強度校核計算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采用相應(yīng)的計算方法，并恰當?shù)倪x其許用應(yīng)力。分析主軸的載荷分布情況可知，下端太陽輪的中間剖面的計算彎矩最大，是軸的危險截面。軸在工作是既承受彎矩又承受扭矩，則應(yīng)按彎扭合成強度條件進行計算。進行校核時，通常只校核軸上承受最大計算彎矩的截面的強度。計算的數(shù)值如下：載荷水平面h垂直面v支反力r彎矩mmmmm,mm總彎矩扭矩t=96000計算彎矩可得：前已選定軸的材料為40cr調(diào)質(zhì)鋼，查得=70mpa，因此，故安全。第10章 泥漿循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計轉(zhuǎn)盤式