(內(nèi)含CAD)水平定向鉆機

(內(nèi)含CAD)水平定向鉆機LtD摘要水平定向鉆機（HDD)是在不開挖地表面的條件下，鋪設多種地下公用設施（管道、電纜）的一種施工機械，它廣泛應用于供水、電力、電訊、天然氣、煤氣、石油等管線鋪設施工中的一種施工設備。notdigginginthesurfaceconditions,thelayingofavarietyofundergroundutilities(pipelines,cables,etc.)ofaconstructionmachinery.Itiswidelyusedinwatersupply,electricity,telecommunications,naturalgas,coalgas,petroleumpipelinelayingaconstructionequipmentintheconstruction.Thispaperintroducesthecharacteristicsofhorizontaldirectionaldrillingrig,throughtheconstructionprocessisintroduced,atpresentdomesticandforeignhorizontaldirectionaldrillingrigdevelopmentetc..Thedesignofthehoistingstructureofdrillingrig,includingpowermodeselection,thechoiceofhydrauliccylinder,aswellasCADdrawingscompleteandusePROEtobuild3Dmodeloflorry-mountedcrane.Keywords:horizontaldirectionaldrillingmachine,crane,hydrauliccylinder,PROEmodeling.緒論1.1水平定向鉆機的基本結構水平定向鉆整機主要有底盤、動力頭、鉆架、發(fā)動機系統(tǒng)、鉆桿自動存取裝置、鉆桿自動潤滑裝置、虎鉗、瞄固裝置、鉆具、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、起重系統(tǒng)等部件組成。如圖1-11---瞄固裝置2---導向卸扣夾持器3---鉆桿4---駕駛室5----隨車吊車6---機箱（發(fā)動機）7---底盤、履帶8---可移動式回轉器9---進給回拉馬達10---防護套圖1-1三一重工SD360水平定向鉆機外貌圖1.2水平定向鉆機的應用和分類水平定向鉆機鋪管技術是將石油工業(yè)的定向鉆進技術和傳統(tǒng)的管線施工方法結合在一起的一項施工新技術，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等優(yōu)點，廣泛應用于供水、煤氣、電力、電訊、天然氣、石油等管線鋪設施工工程中。水平定向鉆進設備，在十幾年間也獲得了飛速發(fā)展，成為發(fā)達國家中新興的產(chǎn)業(yè)。目前其發(fā)展趨勢正朝著大型化和微型化、適應硬巖作業(yè)、自備式錨固系統(tǒng)、鉆桿自動堆放與提取、鉆桿連接自動潤滑、防觸電系統(tǒng)等自動化作業(yè)功能、超深度導向監(jiān)控、應用范圍廣等特征發(fā)展。該種設備一般適用于管徑φ300~φ1200mm的鋼管、PE管，最大鋪管長度可達1500m，適應于軟土到硬巖多種土壤條件，應用前景廣闊。按照水平定向鉆機所提供的推拉力和扭矩的大小，可以將定向鉆機分為小型、中型、大型三大類。各類鉆機的主要性能參數(shù)和應用范圍見表1.1表1.1各種鉆機的性能參數(shù)分類參數(shù)小型中型大型推拉力（KN）<100100-450>450扭矩（KN·M）<33-30>30功率（KW）<100100-180>180鉆桿長度（M）1.5-3.03.0-9.09.0-12.0鋪管直徑（mm)50-350350-600600-1200鋪管長度（M）<300300-600600-1500鋪管深度（M)<66-15>15設計參數(shù)：最大回拖力：33kN動力頭最大扭矩：1.5kN.m動力頭轉速：0~120r/min鉆桿直徑/長度：60mm/3m由表1可知，該水平定向鉆機屬于小型鉆機，許多該類機配有柴油機發(fā)動機，液壓驅動系統(tǒng)等，其中起重系統(tǒng)暫時不普及。小型鉆機適合口徑50-350mm的管線鋪設作業(yè)，鋪管長度最大300m。1.3水平定向鉆機的工作原理水平定向鉆機的底孔鉆進類似于其他類型的鉆孔。都是由一定的動力系統(tǒng)提供鉆孔過程推進或回拖的動力，然后通過相應的傳動機構把動力傳到鉆頭上。由鉆頭將不同巖層破碎并在相應的巖層里鉆出底孔，最后根據(jù)施工方鉆孔設計要求用擴孔鉆頭將孔擴到所需要的尺寸。在達到設計尺寸后進行管線回拖，將所需要鋪設的管線拖進孔中，完成管道鋪設口。1.4課題提出的背景隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和政府對環(huán)境的日益重視，自20世紀90年代以來，我國非開挖的工程施工量和投入的設備數(shù)量均以每年40%的高速度增長。非開挖技術在我國已形成了一個新興產(chǎn)業(yè)，引起了各級政府和環(huán)境部門的高度重視。我國極具潛力的非開挖技術市場也吸引了大批國際非開挖設備制造商。在中國管道建設大發(fā)展的21世紀，非開挖技術將具有十分廣闊的應用前景，經(jīng)濟效益和社會效益也非常巨大。[7]現(xiàn)代工程的施工量越來越大，工期要求也越來越嚴格，操作人員的體力也有所加大，因此在施工過程中，提高作業(yè)效率，減輕操作人員的勞動強度，就顯得尤為重要。無論群眾或者政府機關對現(xiàn)代的公共基礎設施施工的效率以及施工過程中對環(huán)境的影響越來越重要，因此設備的自動化程度越高、效率越高、適應范圍越廣是水平定向鉆機的發(fā)展方向。其中小型水平定向鉆機在原始機構上設計一個隨車起重系統(tǒng)的重要性越來越明顯。1.5課題目的和主要研究內(nèi)容本課題是在小型水平定向鉆機的基礎上所做的進一步研究，在小型水平定向鉆機的原始結構上安裝一個適合的隨車起重系統(tǒng)。就目前國內(nèi)外市場上具有隨車起重系統(tǒng)的一般是重型級，而小型沒配置隨車起重系統(tǒng)。其實按照水平定向鉆機銷售的情況而已，小型水平定向鉆機使用大大超過大型水平定向鉆機的使用，但是小型水平定向鉆機由于本身的結構和重量的限制，沒有設計起重系統(tǒng)。可是根據(jù)現(xiàn)實的情況來說，設計小型級的起重系統(tǒng)使用越來越重要，市場也越來越需求。其目的有二：一是加快施工效率、減少施工周期、對施工周圍居民的日常生活和對周圍環(huán)境的影響；二是減少操作人員的勞動強度，以及操作人員的人身安全。本課題主要進行了對小型水平定向鉆機起重系統(tǒng)的研究，對起重系統(tǒng)的結構設計。具體內(nèi)容有起重系統(tǒng)的起升機構、回轉機構、變幅機構和伸縮機構的選擇、設計以及計算，應用Pro/e建立隨車起重系統(tǒng)的三維模型。第二章水平定向鉆機起重裝置結構簡介水平定向鉆機隨車起重裝置是安放在水平定向鉆機機車上面的一種附加起重設備。它屬于臂架式起重裝置，其運行支撐裝置常采用步履，它可以在無軌路面上行駛，不僅減少勞動力，而且節(jié)約資源、減少費用，是國民經(jīng)濟建設中必不可少的一種高效、快捷、方便的裝卸機械。隨車起重裝置在搬運物料時，經(jīng)歷上料、運送、卸料和回到原處的一系列過程，有時運轉，有時停轉，是一種間歇動作的機械。它通常由四部分構成：工作機構、動力裝置與控制系統(tǒng)。工作機構指機械傳動部分，常見的有：起升機構、運行機構、回轉機構和變幅機構。它們是為了實現(xiàn)起重裝置不同運動要求而設置的，依靠這四個機構的復合運動，可以使起重裝置在所需的任何指定位置進行上料和卸料。由于按設計要求，起重裝置的運行機構是步履式水平定向鉆機，此次設計僅就起升機構、回轉機構和變幅機構進行設計，對其進行分析與計算。2.1起升機構簡介起升機構用于實現(xiàn)貨物的升降，它是任何起重裝置必不可少的部分，是起重裝置中最重要、最基礎、最核心的部分。起升機構工作的好壞，直接影響到整臺起重裝置的工作性能.起升機構（如圖2-1）主要由取物裝置、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)、制動裝置、減速裝置、驅動裝置以及安全裝置等部分。其中不少零件采用標準通用零件。從發(fā)動機到各工作裝置間的動力傳動，有機械傳動、電力傳動和液壓傳動三種形式。機械傳動的傳動零件都是剛體，傳動可靠，效率高，但整個傳動裝置復雜、笨重。電力傳動型式中的機械零件數(shù)量少，總體布置方便，操縱輕便，調(diào)速性好。但整個傳動裝置需要電動機數(shù)量多，重量大，價格貴。液壓傳動調(diào)速方便，傳動平穩(wěn)，操縱方便，結構簡單，重量輕，但傳動效率較低。2.2變幅機構變幅機構用以改變從取物裝置中心線到起重機回轉中心線之間的水平距離。其主要部分是起重臂。起重臂是隨車起重裝置的主要受力構件，吊臂的設計合理與否，直接影響隨車起重裝置的承載能力、整機穩(wěn)定性和自重。另外為了能給人以安全、穩(wěn)定、可靠的感覺，吊臂界面的選擇與外觀設計都要合理。臂的形式有直臂式和折臂式兩種。直臂有良好的通過性，它適用于中小噸位輪式的起重裝置。箱形結構制造簡單，具有良好的抗彎和抗扭等優(yōu)點。伸縮油缸與前置式變幅油缸相結合，使臂架受力合理，變幅范圍更大。在此選用伸縮式直臂箱形結構。2.3回轉機構回轉機構是使起重裝置的回轉部分相對于非回轉部分實現(xiàn)回轉的裝置。回轉機構包括回轉支承裝置和回轉驅動裝置?；剞D支承裝置為起重機的回轉部分提供穩(wěn)固的支撐，并將來自回轉部分的載荷傳遞給基礎構件?；剞D驅動裝置的作用是繞起重機的垂直軸線在水平平面內(nèi)沿圓弧弧線移物品。當起升、變幅和回轉三個機構配合動作時，就可以把所起吊的貨物在起重機幅度所能達到的范圍內(nèi)任意移動，從而擴大了作業(yè)范圍。2.4傳動系統(tǒng)的選擇及各回路工作原理2.4.1傳動系統(tǒng)的選擇市場上，水平定向鉆機機車通常以內(nèi)燃機作為原動力。起重裝置一般也是如此，但是在一些作業(yè)場地相對固定、范圍也較小的情況下，也有采用外接電源作為動力源，各機構用電動機驅動的。如港口、倉庫等。對與采用內(nèi)燃機為原動力的水平定向鉆機，在從原動力至各機構的傳動形式上有三種形式，即機械傳動，電力傳動和液壓傳動。如圖2-3：1-電動機或液壓馬達；2-減速器；3-起升卷筒；4-制動器；5-離合器；6-鋼絲繩滑輪組；7-吊鉤；8-變幅機構；9-回轉機構；圖2-3機械傳動是通過各種機械零件，蔣原動機的機械能通過控制裝置傳遞到各工作機構。其缺點：（1）重量較大，布置困難，機構的承受超載能力差；（2）每個工作機構需設置逆轉機構，使機構復雜化。電傳動是將內(nèi)燃帶動的發(fā)電機所發(fā)出的電能或外接電源的電能，通過控制裝置，分配到各機構的驅動電機上，帶動起重機的各機構工作。其優(yōu)點：布置簡單，調(diào)速性能好，操縱方便；過載能力強，維護方便。缺點：電機的重量大，成本高，從而傳動方式的自重較大，成本高。液壓傳動是現(xiàn)代起重機廣泛采用的傳動方式。它通過液壓泵將內(nèi)燃機的機械能轉變成液壓油的液壓能，在各種液壓控制元件的控制下，將液壓能傳遞給各機構的液壓執(zhí)行原件，還遠機械能。其優(yōu)點是：（1）元件尺寸小、重量輕、結構緊湊；（2）調(diào)速范圍大，且可無級調(diào)級；（3）反應速度快，動特性好；（4）運轉平穩(wěn)，液壓油的彈性可以緩沖；（5）操縱方便，易實現(xiàn)自動控制；（6）由于液壓元件日趨標準化、系列化，所以質量穩(wěn)定，成本下降。其缺點：（1）傳動效率低；（2）制造安裝不當還會發(fā)生泄漏；（3）環(huán)境溫度對其傳動效果影響較大；（4）系統(tǒng)出現(xiàn)故障不易處理等。綜合市場發(fā)展趨勢、用戶的需求以及以上各自的優(yōu)缺點，本次設計起重機選擇液壓傳動。起重機的起升機構、變幅機構、旋轉機構和臂架伸縮機構均采用液壓傳動，其原理圖如圖1-8所示。該液壓系統(tǒng)由安裝在水平定向鉆機機車底盤上的取力箱帶動，直接從油箱中吸油，經(jīng)過濾油器2，輸出壓力油。改變發(fā)動機的轉速，可改變泵的排出油量，從而對個機構的工作速度進行調(diào)節(jié)。1-油泵；2-濾油器；3-手動換向閥；4-四聯(lián)閥；5-制動器；6,7-溢流閥；8-回轉馬達；9-變幅油缸；10,12,14-平衡閥；11-臂架伸縮油缸；13-起升卷筒馬達；圖1-8液壓系統(tǒng)原理圖2.4.2回路工作原理回路原理：旋轉機構回路：液壓馬達8通過蝸輪減速箱和開式小齒輪，與轉盤上的固定內(nèi)齒圈相嚙合來驅動轉盤。由于轉盤速度較低，驅動轉盤的液壓馬達轉速也不高，不必設置馬達制動回路。通過閥4-I的三個工作位置，可獲得左轉、右轉和停轉三個不同工況。伸縮回路：多節(jié)臂架的伸縮由一個變幅油缸9控制。為防止吊臂架的自重作用下下落，該回路中串有平衡閥10.手動換向閥4-Ⅱ操縱伸縮臂伸出、停止、縮回三種工況。變幅回路：手動換向閥4-Ⅲ控制液壓缸11，使起重臂幅度變小，停止變幅，幅度增大，變幅作業(yè)要求平穩(wěn)可靠，因此該回路裝有平衡閥12。起升回路：起升機構是在起重機最主要的機構，直接關系到起重作業(yè)安全。平衡閥14的作用是防止重物下降時速度失控，但是由于馬達的泄漏，盡管有平衡閥，仍可能產(chǎn)生“溜車”現(xiàn)象。為此，在油馬達輸出軸上裝設常閉式液壓制動器5.當制動器的油缸與會油相通時，借助彈簧力，制動瓦抱緊制動輪鎖緊馬達，是吊載停止運動；當制動器的油缸與壓力油相通時，壓力油克服彈簧力，推動油缸活塞，給制動器松閘，是馬達旋轉，實現(xiàn)吊物升降。為避免其他機構工作導致制動器松閘發(fā)生意外，起升回路置與液壓系統(tǒng)串聯(lián)回路的最末一級。手動換向閥4-Ⅳ的中位采用Y形，其作用是在中位時，將閥的進、出油口與通往馬達的進油口連通。在制動時為油馬達的回路補油，避免由于馬達泄漏造成進油路的吸空現(xiàn)像。起升機構的設計由第二章可知對于隨車起重機來液壓傳動系統(tǒng)說是較合適的傳動類型。故起升結構采用液壓馬達—減速機—卷筒的傳動方案。電動機通過聯(lián)軸器同傳動效率較高的漸開線圓柱齒輪減速器相連接，減速器的輸出軸上裝有卷筒，它通過鋼絲繩和吊鉤相聯(lián)。這種結構緊湊、易于實現(xiàn)。起升時，馬達逆時針旋轉，摩擦片被松開，卷筒順時針旋轉放下貨物；制動時，馬達停止旋轉，卷筒依靠自重順時針旋轉，使二級齒輪軸順時針旋轉，摩擦片被壓緊，棘爪頂住棘輪，卷筒停止轉動，重物懸吊不動。吊鉤的升降靠馬達改變轉向來實現(xiàn)。3.1起升機構基本參數(shù)根據(jù)設計要求，此次設計的起重機額定起重量Сp=3000kg。查《起重機設計手冊》屬于汽車起重機，其起升速度為8－30m/min,本次設計咱定起升速度為15m/min.市場上銷售的3T的起重機的起重高度為8.2m，所以本次設計的起升機構的基本參數(shù)為：額定起重量=Сp=3000kg起升速度=15m/min起升高度=8.2m3.2吊鉤的選擇根據(jù)要求查《起重機設計手冊》選擇A型—短鉤，用起重量按3.5T可查得所用吊鉤尺寸D=65mmS=50mmb=40mmh=65mmd=45mmd1=40mmd0=M36L=215mml>95mmL1=95mmL2=34mmR=9mmR1=90mmR2=22mmR3=70mmR4=10mmR5=80mmR6=45mmR7=35mm重量=6kg。3.3鋼絲繩的選擇根據(jù)起重機的額定起重量Сp=3000kg，查《起重機設計手冊》選取換輪組倍率m=4。鋼絲繩最大拉力：式中額定起重力，根據(jù)《起重機設計與實例》[10]鋼絲繩工作級別選系數(shù)C=0.105查起重機設計手冊[10]選用單股鋼絲繩直徑10.0mm，鋼絲直徑2.0mm,鋼絲總斷面59.66,參考自重50.71kg/100m，鋼絲破斷拉力11000N。鋼絲繩在使用時需要與其他承載零件連接以傳遞載荷。本設計采用楔形套筒法，查取選用：楔11#GB5973-86HT200楔套11#GB5973-86ZG200楔形接頭11#GB5973-86ZG270-5003.4滑輪的選擇根據(jù)鋼絲繩直徑10.0mm,查《起重機設計與實例》中附表2，選擇滑輪WJ02201,滑輪主要尺寸：D=280mm,D1=325mm,R=8mm,b=35mm,W=26mm,f=8mm,D2=55mm,D3=63mm,B=64mm,推薦軸承型號為211，參考質量9.5kg。3.5卷筒的選擇卷筒按繞繩的層次分為單層繞卷筒和多層繞卷筒。單層繞卷筒表面通常切出螺旋槽，鋼絲繩依次卷繞在槽內(nèi)，使繩索與卷筒接觸面積增大，單位壓力降低。因為繩槽節(jié)距大于鋼絲繩直徑，所以避免了鋼絲繩之間的相互摩擦，從而延長了鋼絲繩的使用壽命。多層繞卷筒用于起升高度很大，而卷筒長度又受限制的情況，如汽車起重機。它的主要缺點是內(nèi)層鋼絲繩受到外層鋼絲繩的擠壓，在卷繞過程中相鄰繩圈之間有摩擦，使繩索壽命降低。此外，在繩索拉力不變時，載荷力矩隨卷筒上繩索層數(shù)的不同而變化，造成載荷力矩不穩(wěn)定。為改善鋼絲繩在卷筒上的接觸狀態(tài)，提高繩索的壽命，采用切螺旋槽的多層繞卷筒。起重機大多采用多層繞卷筒，其容繩量大。隨著起升高度的增加。起升機構中卷筒的繞繩量相應增加。采用尺寸較小的多層繞卷筒對小機構尺寸是很有利的。其表面做成螺旋繩槽，兩邊有側板以防鋼絲脫出，二級減速大齒輪與卷旋繩槽，兩邊有側板以防鋼絲繩脫出，二級減速大齒輪與卷筒連接在一起。3.5.1卷筒直徑D卷筒直徑的大小影響鋼絲繩的彎曲程度。為確保鋼絲繩的壽命，卷筒直徑不能太小。按《起重機設計手冊》規(guī)定，卷筒的名義直徑：Do=ed(mm)即Do=ed=2010=200mm卷筒的槽低直徑D為：D=Do-d=(e-1)d(mm)=190mm式中，D—卷筒槽底直徑（mm）Do—按鋼絲繩中心計算的卷筒卷繞直徑(mm)e----卷筒直徑與鋼絲繩直徑之比e=20d—鋼絲繩直徑(mm),10mm算得：卷筒名義直徑D=200mm``3.5.2卷筒長度L及校核本卷筒采用多層卷繞單聯(lián)卷筒，由公式：及其中代入數(shù)據(jù)可知=165mm本卷筒為鋼卷筒ZG230-450，可由經(jīng)驗公式確定δ≈d，考慮到工藝要求，取15mm.最大拉力為Smax的鋼絲繩繞上卷筒后，把卷筒箍緊，使卷筒產(chǎn)生壓縮、彎曲和扭轉應力，其中壓縮應力最大，當L3D時，彎曲和扭轉的合成應力不超過壓縮應力的30%，因此彎曲和扭轉應力可忽略。=A式中A—原與卷筒層數(shù)有關的系數(shù)，取2S—鋼絲繩最大拉力3852.85NP—卷筒節(jié)距11.5mmδ—卷筒厚度15mm[σy]—許用壓應力=，其中σs=230N/[]=153N/合格3.6鋼絲繩速度由已知，從而可知：式中m--滑輪組倍率，m=4；3.7卷筒轉速及扭矩卷筒轉速：D--卷筒直徑d--鋼絲繩直徑卷筒最大扭矩：--鋼絲繩單繩拉力--卷筒的效