非開挖水平定向鉆機動力頭裝置設計【含4張CAD圖紙+PDF圖】

非開挖水平定向鉆機動力頭裝置設計【含4張CAD圖紙+PDF圖】,含4張CAD圖紙+PDF圖,開挖,水平,定向,鉆機,動力,裝置,設計,CAD,圖紙,PDF 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）鑒定意見 學號： 2010963124 姓名： 田錕 專業(yè)： 機械設計及其自動化 畢業(yè)論文（設計說明書） 31 頁 圖 表 1 張 論文（設計）題目： 水平非開挖定向鉆機動力頭裝置設計 內容提要： 非開挖水平定向鉆機是完成地下管線鋪設和修復的重要機械裝置之一，在加大城市化建設的過程中起著不可替代的作用。在該鉆機中，動力頭起著重要性的作用，它是給鉆機提供推進和回拖運動的機械傳動執(zhí)行結構，其性能直接影響整機的工作效率。本文基于非開挖水平鉆機動力頭進行結構設計，并對其進行三維建模與運動仿真。首先以非開挖水平鉆機的背景和意義為入手點，介紹了研究該課題的必要性；接著通過對動力頭不同結構的分析，選擇出適合該課題的結構類型，并對內部結構進行選型和設計；采用傳統(tǒng)的設計和強度校核方法，驗證了設計的合理性；最后完成三維建模，并對模型進行整體裝配，完成傳動部分的運動仿真。本文研究的水平定向鉆機，在設計和疲勞強度方面基本符合產品的要求。 指導教師評語 指導教師： 年 月 日 答辯簡要情況及評語 答辯小組組長： 年 月 日 答辯委員會意見 答辯委員會主任： 年 月 日 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）任務書 論文（設計）題目： 水平定向鉆機動力頭裝置設計 學號： 2010963124 姓名： 田錕 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 周友行 系主任： 劉柏希 一、主要內容及基本要求 水平非開挖定向鉆機動力頭裝置設計，設計出適應現(xiàn)實情況下更好的提高工作效率以及使用壽命的動力頭裝置 設計工作量：①總裝圖紙，零件圖； ②設計說明書； ③英文翻譯成漢語（3000字） 二、重點研究的問題 非開挖水平定向鉆機是完成地下管線鋪設和修復的重要機械裝置之一，在加大城市化建設的過程中起著不可替代的作用。在該鉆機中，動力頭起著重要性的作用，它是給鉆機提供推進和回拖運動的機械傳動執(zhí)行結構，其性能直接影響整機的工作效率。本文基于非開挖水平鉆機動力頭進行結構設計，并對其進行三維建模與運動仿真。首先以非開挖水平鉆機的背景和意義為入手點，介紹了研究該課題的必要性；接著通過對動力頭不同結構的分析，選擇出適合該課題的結構類型，并對內部結構進行選型和設計；采用傳統(tǒng)的設計和強度校核方法，驗證了設計的合理性；最后完成三維建模，并對模型進行整體裝配，完成傳動部分的運動仿真。本文研究的水平定向鉆機，在設計和疲勞強度方面基本符合產品的要求。 三、進度安排 序號 各階段完成的內容 完成時間 1 查閱資料、調研 2014.3.12——2014.3.16 2 方案評審 2014.3.16 3 計算、總體布局、原理 2014.3.16——2014.3.21 4 繪圖、設計 2014.3.21——2014.5.4 5 整理說明書、英文翻譯 2014.5.4——2014.5.25 6 準備答辯 2014.5.25——2014.5.29 四、應收集的資料及主要參考文獻 [1] 張啟君，楊滿江，張忠海.水平定向鉆機及施工工藝[J].建筑機械化.2004，25(1):61-62. [2] 胡漢月. 國內外巖石非開挖現(xiàn)狀及我們的對策. 探礦工程[J] 2003，（1）：31—34 [3] 沙永柏，劉寶仁.于萍.非開挖導向鉆機給進機構分析.探礦工程[J].2005(5):46—48 [4] 張啟君 張忠海. 水平定向鉆機概況與市場前景的探討. 機械工程[J]. 2004(6) 26—28 [5] 陳黎明. 現(xiàn)行水平定向鉆技術規(guī)范的對比及分析. 非開挖技術[J]. 2013（4）31—34 [6] 張宏.HDD施工技術及發(fā)展[J].筑路機械與施工機械化.2004,21(1):52-54. [7] 劉軍. 非開挖水平定向鉆進鋪管道施工技術及工程應用研究. 建筑機械化[J]. 2004,(5) 35—38 [8] 顏純文，D.Stein. 非開挖地下管線施工技術及其應用[M].北京：地震出版社，1999 [9] 徐成宇．有限元方法在非開挖鉆機動力頭主軸設計中的應用[D]. 吉林：吉林大學，2002． [10] 花蓉. 非開挖導向鉆機中幾種主要結構的設計. 探礦工程[J]. 2009（8）11—14 [11] 劉長佑. 水平定向鉆機DL360人機工程設計與結構分析[D]. 南京：東南大學，2006. [12] 韓宇. 45t水平定向鉆機液壓驅動系統(tǒng)研究[D].長安大學，碩士學位論文，2007 [13] 柳利平. Z6500水平定向鉆機動力頭及其液壓驅動系統(tǒng)動力學研究[D]. 西安：長安大學,2009. 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Trenchless horizontal drilling rig, the power head plays a role of importance; it is the mechanical drive to the rig and implementation structures provide propulsion and drag back to the action, its performance directly affects the efficiency of the machine. The paper is based on thesefeatures of trenchless horizontal drill head for structure design, and carries on themodeling and Dynamic Simulation. First, this paper through the background and signifc-ance of trenchless horizontal drilling rigs starting point, introduces the necessity to do this project; followed by an analysis of the internal structure of the different power head,choose the appropriate type of structure we need, and completed the selection and designof the internal structure; using the traditional method of design and strength check, verify the rationality of the design; Finally, complete it’s the 3D-modeling based on thewhole assembly model and transmission part of Dynamic Simulation. In this paper, in terms of design and fatigue strength aspect basically with the requirement of product in our study the horizontal directional drilling. Key Words: Trenchless Horizontal Drill; Power Head; Design; 3D-modeling. 第一章 緒 論 非開挖施工技術雖然距今已有近百年的歷史,但其重大發(fā)展始于本世紀50年代,尤其是近十幾年"近年來,非開挖管線工程施工量已占全部地下管線工程的10%,個別地區(qū)如德國柏林市己達到40%左右"我國非開挖技術的市場前景與現(xiàn)代化建設的進程密切相關,加速基礎設施和基礎工業(yè)的建設是最基本的前提,因此對石油管道!煤氣管道!電力電纜管道!自來水以及污水管線等各種地下管線的需求可望在短期內內有較大幅度的增長,這為我國非開挖技術的發(fā)展提供了有利的條件,市場潛力巨大。 目前,為了避開現(xiàn)有的密集管網系統(tǒng),大城市管線埋深有加大的趨勢,例如上海,北京等,有些管線的埋深已達10m左右"開挖施工的成本隨埋深的加大而提高,非開挖施工的優(yōu)越性更為顯著"研究表明,當埋管深度超過4m時,開挖施工的成本開始高于非開挖施工的成本,此外,隨著設備利用率的提高,施工經驗的豐富,非開挖的施工的成本也會逐漸降低。 此外,隨著現(xiàn)代文明意識和環(huán)保意識的逐漸加強,開挖路面進行地下管線施工導致的社會問題!交通問題和污染問題已越來越受到人們的關注"城市限制開挖施工的法規(guī)也己經陸續(xù)出臺,其適用面將逐漸擴展,這對非開挖技術的推廣應用無疑會產生極大的推動作用"例如,為了保護城市道路,減少地下管線施工導致的交通堵塞,國務院于1996年10月1日公布的5城市道路管理條例6規(guī)定,新建道路5年內不準開挖;修復道路3年內不準開挖。 綜合社會效益!行業(yè)發(fā)展趨勢!施工規(guī)范要求以及不斷提高的水平定向鉆進施工技術水平幾個方面,可見對水平定向鉆機的研究有著重要的實際應用意義。 1.1課題研究的背景及其意義 據調查，在2011年特大暴雨襲擊了我國多個城市，暴雨過后，積水成澇，出現(xiàn)了“水漫金山”、“城市看?！薄ⅰ暗罔F觀水簾洞”等現(xiàn)象，然而造成這種現(xiàn)象的主要原因是城市排水管網建設滯后，排水管道老化。因此，為了保證城市化建設的順利進行，地下管線（污水排水管道、煤氣天然氣管道、電力電纜管道）的修復和鋪設尤為重要。然而傳統(tǒng)的管線鋪設方法是采用“挖槽埋管法”。所謂的“挖槽埋管法”是指通過使用挖溝機、反鏟等設備或人工進行挖槽的開挖，其主要缺點是妨礙交通（堵塞、中斷或改道）、破壞環(huán)境（綠化帶、公園和花園）、影響市民生活和單位的正常工作、安全性差、綜合施工成本高。并且“挖槽施工”給道路帶來了潛在的安全隱患，給城市居民的生活帶來了巨大的困擾。因此，很多大城市為了保證人民的正常出行生活，紛紛出臺禁止在中心城區(qū)開挖施工的規(guī)定或行政命令，這給非開挖技術的產生提供了社會性的條件。 非開挖技術（Trenchless Technology）是指利用各種巖土鉆掘設備和技術手段，在地表最小開挖量的條件下進行地下管線鋪設、更換或修復作業(yè)的一種高科技新技術，國外叫做TT技術。它與傳統(tǒng)的“挖槽埋管法”相比較，克服了傳統(tǒng)施工方法中的缺點，提高了施工的效率，保證了居民生活和城市化規(guī)劃的正常進行。實踐證明，在大多數情況下，尤其是在繁華市區(qū)或管線的深度埋深時，非開挖施工是明挖施工很好的替代方法；在特殊情況下，例如穿越公路、鐵路、河流、建筑物等時，該項施工方法更是一種經濟可行的施工方法。并且該項技術符合了目前國家發(fā)展計劃提出的“建立資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會”的要求。因而自其進入工程施工市場以來，便日益受到人們的青睞，取得了非常好的經濟、社會效益。目前發(fā)達國家應用此項技術鋪設管線的比例已占到9%—15%，我國更是以20%的速度在快速增長。 非開挖水平定向鉆機（Horizontal Directional Driller,簡稱HDD）作為非開挖技術中的典型機械施工設備，具有節(jié)能環(huán)保、作業(yè)安全、施工準確度高、施工效率高、周期短，管線鋪設長、埋深大等特點。因而逐步發(fā)展成一種最具活力的非開挖施工機械。它被廣泛應用于穿越文物保護區(qū)、鐵路、城市道路、江河、機場、森林保護區(qū)以及鬧市區(qū)等進行供水、煤氣、電力、電訊、天然氣、石油等管線的修復和鋪設中，適用于沙土、粘土、卵石等地質情況，在我國大部分地區(qū)的施工中都在運用，工作環(huán)境溫度是-15℃—45℃。近年來，隨著人們環(huán)保意識的逐漸增強，國家對節(jié)能環(huán)保技術的實施給與了很多的支持，特別是，在我們最為熟悉的西氣東輸、南水北調等國家發(fā)展戰(zhàn)略和重大基礎建設工程中，非開挖技術的引進發(fā)揮了巨大的實際作用，更加充分體現(xiàn)了國家對該技術的支持和基礎設施的投入。2011年4月16—17日在武漢召開的第十五屆中國國際非開挖技術研討會，多個國家的專家都紛紛出席了這次研討會，提出了他們對于這項技術的看法和發(fā)展，充分體現(xiàn)了國家對該項技術的支持。 1.2 國內外研究情況 在國外，非開挖技術起始于20世紀70年代，80年代中期被人們逐漸接受和認可，在21世紀80年代成為發(fā)達國家的一種新型產業(yè)。據調查，目前國外大約有30多家非開挖水平鉆機的制造商，主要集中在美國、日本、德國等幾發(fā)達國家，生產廠家主要有、溝神公司、奧格公司、司等。它們生產的水平定向鉆機產品規(guī)格齊全、品種較多、功能齊全，充分體現(xiàn)了以人為本的設計理念。具體表現(xiàn)在：中小型水平定向鉆機采用橡膠履帶底盤，減少對草坪和路面的損壞，鉆桿自動裝卸裝置、減少操作者的勞動強度；對于大型設備則帶有隨車吊，便于鉆桿的吊裝，提高了工作效率[5]。動力頭采用電液比控制技術和國際先進的液壓產品進行裝配，同時采用PLC控制技術實現(xiàn)了自動鉆進、自動回拖、自動瞄固和行走時的無極變速控制及轉向控制，采用防觸電安全技術和遠程控制技術，因為自帶駕駛室，所有駕駛員操作舒適安全。國外的非開挖水平鉆機目前正朝著微型化、大型化和超深度導向監(jiān)控、機械自動化和硬巖作業(yè)等方向發(fā)展[6]。 而國內，非開挖技術的發(fā)展起始于20世紀80年代中期，經歷了三個階段的發(fā)展，分別為：技術引進期、研發(fā)期和發(fā)展與進口期。近年來，國內非開挖水平鉆機的產業(yè)也得到迅速發(fā)展，涌現(xiàn)了大批優(yōu)秀的生產廠家，如北京土行孫、南京地龍、徐工集團、連云港、湖南立威等。雖然我們起步晚，目前和國外產品仍有較大差距，但是這并不影響非開挖技術水平鉆機在我國的生產。雖然在2011年發(fā)達國家受到主權債務危機的影響，導致各國的經濟增速均在普遍下滑，但是我國在非開挖行業(yè)確取得了不錯的成績。圖1.1為進幾年來非開挖水平鉆機的新增數量。 圖 1.1 歷年來非開挖水平鉆機的新增數量 1.3 非開挖水平鉆機的結構及工作原理 非開挖水平鉆機其整機主要由動力頭、底盤、鉆架、發(fā)電機系統(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)及泥漿系統(tǒng)等部件組成。動力頭是非開挖水平定向鉆機的核心部件，其可靠性及質量的好壞將直接影響整機的正常使用，是實現(xiàn)回轉鉆進和泥漿輸送的部件。動力頭能夠產生驅動鉆桿鉆頭回轉，承受鉆進、擴孔、回拖過程的反力。 非開挖水平鉆機的工作原理：由動力源提供的動力驅動液壓泵，經液壓泵帶動馬達，馬達驅動鉆頭旋轉鉆機，接著通過連續(xù)加長鉆桿在地下形成導向孔，導向孔形成后將擴孔鉆頭安裝在鉆桿上進行多次擴孔，隨后將管線安裝在鉆桿前部進行管線的回拖，完成管道鋪設[7]。 1.4 課題的研究 本課題來源于湖南省自科省市聯(lián)合基金會項目“非開挖水平定向鉆機變型產品關鍵部件的快速設計及疲勞壽命分析”。本文以研究非開挖水平鉆機動力頭為來體現(xiàn)該課題的一部分內容。具體做法如下： （1） 通過介紹非開挖水平鉆機研究背景、意義及現(xiàn)階段國內外的發(fā)展水平，來明確做該課題的意義。 （2） 通過對動力頭類型的介紹和各種型號的對比，分析出不同結構的動力頭的優(yōu)缺點，選出自己運用的動力頭內部結構。 （3） 采用傳統(tǒng)的計算方法，對動力頭內部結構的設計及強度校核，分析該結構的合理性。 （4） 通過三維建模與運動仿真，對動力頭的結構進行設計分析。 （5） 對該次設計做出總結，提出改進的方法。 第2章 非開挖水平定向鉆機動力頭裝置設計的方案 2.1動力頭現(xiàn)階段情況 動力頭是一種能實現(xiàn)主運動和進給運動，并且擁有自動工件循環(huán)動力部件的機械裝置，在絕大多數機械設備中暫有重要的地位。按其工作類型可分為：鉆孔動力頭、擴孔動力頭、絞孔動力頭、攻絲動力頭、鏜孔動力頭、锪平面動力頭。非開挖水平鉆機里面的動力頭就是結合動力頭的鉆孔和擴孔的原理來實現(xiàn)管道的鋪設和修復。通過《2013年中國動力頭市場調查研究報告》分析得出，動力頭在機械設備中的應用遍布全國各地，并且在全國的供應量上每年都處在增長趨勢。通過圖2.1近幾年來動力頭的增長情況可以充分得到證明。 圖2.1 近幾年來動力頭的增長情況 水平定向鉆機中動力頭也是其空中部分的關鍵部件，是整機作業(yè)是提供回轉及給進動作的機械傳動和執(zhí)行機構，其性能對整機作業(yè)有著直接影響[8]。目前，我國對非開挖水平鉆機動力頭研究主要集中在結構設計和液壓系統(tǒng)兩個方面。 動力頭在結構設計方面的研究有：（1）徐成宇通過有限元方法在非開挖鉆機動力頭主軸設計中的應用得出主軸的受力分析情況，分析出了其危險截面，和其改進的措施，對其作用在不同的工作環(huán)境做出了合理性的分析，為后面主軸的設計奠定了基礎[9]；（2）花蓉對動力頭結構進行了詳細的研究，并通過比較國內外不同型號的水平定向鉆機，總結了動力頭的驅動方式以及進給機構的給進方式，并分析了它們的優(yōu)缺點，為后人對動力頭設計做了一定的理論參考[10]。（3）劉長右，對動力頭箱體等零部件采用ANSYS軟件進行諧響應分析，分析零部件的動態(tài)性能，并根據分析結果進行合理化的優(yōu)化與改進[11]。 動力頭液壓系統(tǒng)方面的研究：（1）韓宇通過比較動力頭各種液壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點，確定了變量泵和變量馬達容積調速的設計方案，在負載、液壓泵、液壓馬達和發(fā)動機間的參數匹配問題中做出了詳細的研究，實現(xiàn)了液壓系統(tǒng)與發(fā)動機之間良好匹配，提高了發(fā)動機功率利用率和液壓系統(tǒng)的傳動效率[12]。（2）柳利平通過動力頭液壓系統(tǒng)力學研究及動態(tài)仿真的過程針對動力頭液壓系統(tǒng)的方案對比與液壓馬達的選型，和電動機的選型，得出了不同動力頭基本設施的計算[13]。（3）李根營通過給出動力頭最大回轉扭矩的算法和液壓系統(tǒng)的參數確定，為我們以后適用不同地質的水平鉆機動力頭的計算提供了有效的理論指導[14]。 動力頭是實現(xiàn)回轉鉆進和輸送泥漿的主要部件，它的使用壽命和性能條件決定了工程的完成質量和效率，其重要性相單于人的心臟，是整機中不可或缺的部分。根據它的最大回拖力和最大扭矩，我們可以將非開挖水平鉆機分成大型、中型、小型和三中類型。具體的分類情況及各中型號的增加比例如表2—1和圖2.2所示[15]。 表2—1 鉆機的分類與應用 分類 小型 中型 大型 最大推拉力（KN） ＜100 100—450 ＞450 最大扭矩（KN.m） ＜3 3—30 ＞30 功率（kW） ＜100 100—180 ＞180 鉆桿長度（m） 1.5—3.0 3.0—9.0 9.0—12.0 鋪管直徑（mm） 50—350 350—600 600—1200 鋪管長度（m） ＜300 300—600 600—1500 鋪管深度（m） ＜6 6—15 ＞15 圖2.2 2011年各種型號水平定向鉆機的增長比例 2.2 動力頭方案對比與選擇 水平定向鉆機動力頭結構分成動力回轉系統(tǒng)和動力推拉系統(tǒng)，其系統(tǒng)具體結構框架如圖2.3所示。 圖2.3 水平定向鉆機動力頭結構 2.2.1 動力頭回轉系統(tǒng) 動力頭回轉系統(tǒng)決定了動力頭的最大回轉扭矩，同時也決定了水平定向鉆機的擴孔能力大小[16]。其傳動方式主要有鏈傳動和齒輪傳動。鏈傳動結構簡單，成本低，但是鏈條磨損快、輸出扭矩小、平衡性差。然而相對于鏈傳動，齒輪傳動的優(yōu)點是輸出扭矩大、壽面長、平衡性好等，因此在動力頭回轉系統(tǒng)中，絕大多數商家都采用了齒輪傳動[17]。 目前，國內外的動力頭回轉系統(tǒng)采用齒輪傳動的驅動方式主要有以下三種：（1）液壓馬達直接驅動 這種方式通常采用的是通孔式低速大扭矩液壓馬達直接與主軸相連接，泥漿直接經由馬達的通孔輸入。此種驅動方式結構簡單、傳動效率高，但中間無液力轉換機構，受液壓馬達型號的限制，僅局限在用于小型鉆機中。如GBS—10型鉆機，驅動方式如圖2.4所示。 （2）液壓馬達經齒輪減速箱減速驅動 這種方式通常選用低速大扭矩液壓馬達經齒輪減速箱將動力傳遞到主軸。根據回轉扭矩的需要可以由一個、兩個、三個、甚至四個液壓馬達驅動。所選液壓馬達的布置很靈活，可以布置在齒輪箱的同側分布、異側對稱分布、也可以繞輸出軸成扇形或環(huán)形的布置。回轉器設置一級齒輪減速箱以改善液壓馬達的輸出特性，增加了輸出扭矩。此種驅動方式應用非常普遍，市場占有率很大，如國產的XZ280，驅動連接方式如圖2.5所示。 （3）液壓馬達經減速機和齒輪箱減速驅動 這種方式采用一個或多個高速液壓馬達與減速機相連接后經減速箱將動力傳遞到主軸，減速機選用行星齒輪減速機，一般為一級減速箱。此種驅動方式能夠提供較寬的轉速范圍，但是整體結構較大，能力傳遞環(huán)節(jié)多，效率不高。HT—58L就是采用了這種驅動方式的，驅動連接方式如圖2.6所示。 經過動力頭回轉系統(tǒng)的三種驅動方式的優(yōu)缺點對比，并且結合現(xiàn)在市場的需求能力，我選用動力頭回轉系統(tǒng)為齒輪傳動里面的液壓馬達經齒輪減速箱減速驅動的方式。 然而不同的液壓馬達在減速箱上的布置將會產生不同的效果。單液壓馬達放置在齒輪減速箱前端或后端，如圖2.7所示，這種形式一般適用在所需回轉扭矩較小的情況下；雙液壓馬達對稱布置在齒輪減速箱兩側，如圖2.8所示，這種方式兩個液壓馬達同軸驅動主動齒輪，傳動扭矩大，同步性高，且由于齒輪箱在動力頭設備的寬度方向可以保持一個較小的結構尺寸，對于動力頭寬度結構尺寸的設計要求更容易滿足，但對主動齒輪的強度要求高；液壓馬達在減速箱上同側并排放置，如圖2.9 所示，使用這種方式動力頭的結構緊湊，且兩個液壓馬達各自有主動齒輪，對主動齒輪的強度要求有所減低，但是兩個對于安裝精度要求高，在進行總體設計時要考慮到總寬度不要超出設計要求；四液壓馬達對稱布置在減速箱的兩側，這種分布方式結合了雙液壓馬達同側和異側布置馬達的優(yōu)點，且給動力頭提供了充足的動力，因此選用四液壓馬達對稱分布在減速箱兩側的齒輪傳動的動力頭驅動系統(tǒng)，如圖2.10所示。 圖2.4 液壓馬達直接驅動 圖2.5 液壓馬達經齒輪減速箱減速驅動 圖2.6 液壓馬達經減速機 圖2.7 單馬達+減速箱驅動 和減速箱減速驅動 （1-液壓馬達 2-傳動箱 3-主軸 4-接頭） 圖2.8 異側雙馬達+減速箱驅動 圖2.9 同側雙馬達+減速箱驅動 （1-液壓馬達 2-傳動箱 3-主軸 4-接頭） （1-液壓馬達 2-減速箱 3-主軸 5-接頭） 圖2.10 四液壓馬達+減速箱驅動 （1-液壓馬達 2-傳動箱 3-主軸 4-接頭） 2.2.2 動力頭推進回拖系統(tǒng) 動力頭推進回拖系統(tǒng)決定了動力頭裝置的最大回拖力，同時也就決定了水平定向鉆機鋪設地下管線的長度、鉆孔質量和鉆機各項技術性能的發(fā)揮，推拉系統(tǒng)配合鉆架帶動動力頭一起做直線往復運動。目前國內外動力頭推拉系統(tǒng)的形式有三中，分別為:（1）液壓油缸推拉式，此種方法機構簡單，無其它中間傳動元件，成本低，但是油缸活塞桿伸出較長時容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象；（2）液壓馬達—鏈輪鏈條推拉方式，該方式屬于鏈傳動，結構緊湊成本較低，能夠吸收震動，適用范圍廣泛，但其鏈條易磨損、易松弛和易生銹；（3）液壓馬達—齒輪齒條推拉方式，此種方式承載能力強，傳動平穩(wěn)、但加工精度高，成本大，故適用于較大噸位的水平定向鉆機的運用。 第3章 非開挖水平定向鉆機動力頭裝置參數的確定 3.1最大回拖力 研究結果表明：在水平定向鉆機穿越施工中，最大回拖力受各種因素的影響，如：地質條件、穿越曲線、泥漿性能、擴孔工藝、管道規(guī)格等。因而實際工程中大多情況采用經驗估算法來計算回拖力，估算的結果由于受到到一些實際因素、使用的方法和施工經驗的不同影響而存在較大的差異[18]。結合有關研究的結果和力學理論，以工程實際的統(tǒng)計資料為依據，目前國內外對穿越管道最大回拖力的計算常用卸荷拱土壓力計算法，凈浮力計算法和絞盤計算法等三種計算方法。本文主要根據凈浮力計算方法來進行最大回拖力的計算。此方法在軌跡曲線和擴孔質量良好的情況下運用。 凈浮力算法的基本思路是：穿越管段在孔道內僅受到重力和泥漿浮力的作用。泥漿對管段的凈浮力構成對孔道的正壓力?；竟綖椋? 對于鋼質油氣管道，忽略不計外防腐層的厚度和重量，則： 故 式中：—單位長度穿越管段在孔內所受到的浮力(）； —綜合摩擦系數（無量綱，一般取0.5—0.8），取0.6； —穿越管段的壁厚，取值300mm，即0.03m； —鋼材重量（） —孔內泥漿土混合液容量（11.0—12.0），取； —鋪管直徑，取值為600mm，即0.6m； L—鋪設管線的長度，取值為500m。 因此： 3.2最大回轉扭矩 動力頭的回轉扭矩主要有兩方面的作用：一方面是孔穴內整個鉆桿系統(tǒng)回轉時所受到的摩擦阻力距；另一方面是為刀盤（回擴鉆頭等）提供動力，即克服刀盤阻力矩。 （1）鉆桿摩擦阻力矩計算： 鉆桿在孔穴內所受到的阻力矩可以看成是單位長度上的摩擦力矩沿鉆桿軸線方向上的一次積分。鉆桿摩擦阻力矩出現(xiàn)在機器回拖作業(yè)中回擴鉆頭剛進入土壤的時候。 根據文獻[45t]鉆桿摩擦阻力矩具體計算公式： 式中 ：—鉆桿最大摩擦阻力矩； —的回轉半徑，取值為73/2mm，即0.365m —長度，取值為400m —阻力，取值為1kN/m2 代入數據可以求出鉆桿在土壤中回轉時的最大摩擦阻力矩。 （2）刀盤阻力矩計算 刀盤阻力矩與刀盤半徑及土壤抗剪強度有關，根據文獻【45t】得到其計算公式如下： 式中：—所受到土壤對其的阻力矩 —半徑，為所鋪設管線半徑的1.2-1.5倍，管線半徑為300mm —的抗剪強度，不同地質土壤的抗剪強度見表2--1所示。 根據公式，代入數據，可以求得水平定向鉆機在硬-堅硬粘土中回拖作業(yè)時受到的刀盤阻力矩 表3-1 各種地質中土壤的抗剪強度 地質類型 （kN/m2） 地質類型 （kN/m2） 致密砂層 4047 粉砂層、淤積層 235 中等致密砂層 2403 軟-硬粘土 368 砂礫石層 5275 硬-堅硬粘土 1782 軟巖、固結土 10069 松散砂層 1063 （3）最大回轉扭矩 動力頭的回轉扭矩為在一定安全系數的前提下鉆桿摩擦阻力矩與刀盤阻力矩之和，具體公式如下： 式中：T—動力頭的最大回轉扭矩 —鉆桿摩擦阻力矩， —刀盤阻力矩， K—系數，可取1.0—2.5 代入數據，可以求得動力頭的最大回轉扭矩為。 根據算得的最大推進力和最大回轉扭矩，對比國內外各種不同型號的水平定向鉆機的參數，可以類比得到本水平定向鉆機的最大推拉力時進給速度，動力頭最高回轉速度。因此，本次設計的水平定向鉆機動力頭參數如表3-2。 表3-2 動力頭主要技術參數 最大回拖力 （ ） 最大回轉扭矩 （） 最大推拉力時進給速度 （） 最大回轉速度 （） 200 7.0 4.5 150 3.3動力頭零部件選型與設計 3.3.1液壓馬達的選型 根據前面章節(jié)對動力頭結構的研究，本文采用動力頭回轉系統(tǒng)由4個相同的液壓馬達驅動。根據最大回轉扭矩等數據可以求得單個液壓馬達的輸出扭矩，計算公式如下： 式中：—液壓馬達的輸出扭矩 —最大回轉扭矩，= —的傳動比， —為 代入數據求得單個馬達的輸出扭矩 根據液壓馬達的輸出軸扭矩，可以計算馬達的排量，具體計算公式如下： 式中：—的排量 —液壓馬達的輸出扭矩， —的工作壓力， —效率， 代入數據求得馬達的排量 由于動力頭的最高轉速度為,，折算到液壓馬達輸出軸上的轉速為 ，即液壓馬達的最高轉速不應低于。 由上述計算可知，所選的液壓馬達排量不得小于292.3mL，最大輸出扭矩不得小于751.7N.m，最高轉速不得小于370r/min。液壓馬達的常用類型有：齒輪馬達、柱塞馬達、擺線馬達、多作用內曲線馬達、五星馬達等。通過對比可知，擺線馬達為中小功率低速大扭矩馬達且其可靠性好、效率高、壽命長、噪音低、用途廣等特點。故選用BM4W—320型擺線液壓馬達，技術參數表3—3所示： 表3—3 BM4W—320型擺線液壓馬達技術參數 型號 排量 ml/r 最大壓降 Mpa 最大扭矩 N.m 轉速 r/min 流量 L/min 功率 KW 重量 Kg 連續(xù) 尖峰 連續(xù) 尖峰 BW4W-320 295.9 20 28 902 1322 7—380 125 25.2 22.4 3.3.2發(fā)動機選型與計算 根據馬達輸出功率的計算公式： 式中： T—馬達輸出扭矩； n—馬達轉速； 對于動力頭回轉系統(tǒng)，馬達的計算用動力頭老替代，可以得到回轉系統(tǒng)所需要的出入功率，即，,回轉系統(tǒng)總效率=0.63 則 =174KW。 根據運動學上功率的定義，可以計算出動力頭推拉系統(tǒng)所需要的輸入功率，P=FV，此時動力頭最大推拉力，推進速度V=4.5m/min，該系統(tǒng)總效率=0.57，則=26.3KW 綜上所述，動力頭液壓馬達驅動系統(tǒng)所需要的輸入功率：=198KW。 由于水平定向鉆機在工作時是由泥漿泵和動力頭液壓驅動系統(tǒng)聯(lián)合工作，故考慮到泥漿泵的需要，發(fā)動機選用重慶康明斯NTA855—GA，該發(fā)動機的計算參數如表3—4所示： 表3—4 重慶康明斯NTA855—GA發(fā)動機參數 發(fā)動機型號 機組型號 功率（KW） 缸數及類型 缸徑行程 壓縮比 排氣量（L） 燃油消耗（1/h） NTA855—GA GF200 231 6缸直列 140152 15.0/1 14.0 57 3.3.3回轉系統(tǒng)齒輪設計 1.選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數 （1）選用直齒圓柱齒輪傳動； （2）選用7級精度（GB10095—88）； （3）選擇小齒輪材料為40（調質），齒面硬度為280HBS；大齒輪選用45鋼（調質），齒面硬度為250HBS； （3）選用小齒輪齒數為，齒數比u=2.43，故大齒輪齒數為： 2.按齒面接觸疲勞強度設計計算 按式計算小齒輪分度圓直徑： 確定各參數值： （1）載荷系數K=1.3； （2）小齒輪傳遞的扭矩=； （3）齒寬系數=，取=0.8，則=1.27 （4）材料彈性影響系數； 區(qū)域系數； （5）重合度系數，因，則可得 （6）許用應力，查圖可知：，； （7）計算應力循環(huán)次數 = （8）接觸疲勞壽面系數，； 計算接觸疲勞許用應力 取失效概率1%。安全系數 則 兩式計算中的值比較取較小值，則； 故 3.確定模數 計算模數 取標準值 4.按齒根彎曲疲勞強度校核計算 由公式 式中：（1）小齒輪分度圓直徑==； （2） 齒輪嚙合寬度 （3） 復合齒形系列，查圖可知：， （4） 重合度系數 （5） 許用應力，查圖可得， 取彎曲疲勞安全系數S=1.4 （6）彎曲疲勞壽命系數：， 則 （7） 計算大小齒輪的，并進行比較 ， 由于 ，故 因此滿足齒根彎曲疲勞強度要求。 5. 幾何尺寸計算 由于，則，取 6.大齒輪結構如圖3.1所示。 圖3.1 大齒輪結構圖 3.3.4 動力頭主軸的尺寸確定及校核 1 擬定軸上零件的裝配方案，如圖3.2所式。 圖3.2 主軸零件裝配圖 2 各段軸軸徑與軸長的確定 根據扭轉強度計算軸徑，選用45鋼（調質處理），由于發(fā)動機的功率231KW，效率為70%，經過減速箱后，機械磨損為85%，故，作用在主軸上的功率為129.36。 則根據公式：； （1）由于右起第一段連接鉆桿，且上面安裝有鍵槽，故軸徑應在最小直接的基礎上加5%，故取該段軸直徑為，長為85mm； （2）右起第二段考慮到軸的定位和軸承的承載能力的問題，則取直徑為長為80mm； （3）右起第三段，考慮到軸的軸向承載能力和軸承端蓋的連接，取該段直徑為，長為70mm； （4）右起第四段。由于有軸承和齒輪的定位問題，選擇軸承型號為30222A，即，故軸的直徑為，長為75mm； （5）右起第五段，該段裝有齒輪，直接取。軸和齒輪之間采用矩形花鍵連接如圖3.2所示，采用花鍵連接的優(yōu)勢是：花鍵連接比平鍵連接承載能力高、對軸削弱程度小（齒淺、應力集中?。⒍ㄐ暮煤蛯蛐阅芎玫?。它適合與定心精度高，載荷大或經?；频倪B接。根據齒輪寬度可以求得該段軸的長度為165mm； （6）右起第六段，考慮齒輪的軸向定位，需有定位軸肩，取軸肩直徑，長為25mm； （7）右起第七段，該段為圓錐滾子軸承安裝處，故直徑為，考慮到軸承的定位，該段長度取為100mm。 （8）右起第八段，該段與旋轉解頭相連接，參照GB/T1095-2003，選用普通A型平鍵連接，直徑為，長度為70mm。 圖3.2 矩形花鍵的截面形狀 3.齒輪上作用力的大小 圓周力： 徑向力： 軸向力： 4．軸承的徑向支反力 根據軸承支反力的作用點以及軸承和齒輪在軸上的安裝位置，建立如圖3.3所示的力學模型。 水平面的徑向支反力：； 垂直面的徑向支反力： 5. 畫彎矩圖，如圖3.3 由于軸在與軸承的配合過程中，引起應力集中，故該截面處有較大的彎矩，該截面成為截面B，并且在軸承配合引起的應力集中，截面C處彎矩也較大，直接較小，又有圓角引起的應力集中，截面D處彎矩最大，且有齒輪配合與鍵槽引起的應力集中，故屬于危險截面?，F(xiàn)對D截面進行校核，剖面D處的彎矩如下： 水平面的彎矩：； 垂直面的彎矩：； 合成彎矩： 6．畫轉矩圖，如圖3.3 7. 畫當量彎矩圖，如圖3.3 因軸是單向回轉，轉矩為脈動循環(huán)，。剖面D處的當量彎矩如下： 8. 判斷危險截面并驗算強度 （1）剖面D右側當量彎矩最大，而其直接與相鄰段相差不大，所以剖面D為危險截面。軸的材料為45鋼，調質處理，由表3-1可以得到需用應力為。 （2）剖面C處雖只傳遞扭矩，但其直徑較小，故該處也可能是危險截面。 表3-1 軸的常用材料及其主要力學性能 材料牌號 熱處理 毛坯直接/mm 硬度/HBS 彎曲疲勞極限/MPa 剪切疲勞極限/MPa 許用彎曲應力/MPa 備注 Q235A 熱軋或鍛后空冷 170 105 40 用于不重要或載荷不大的軸 45 正火 回火 調質 255 245 275 140 135 155 55 60 60 應用最廣泛 40Cr 調質 355 355 200 185 70 用于載荷較大而無很大沖擊的軸 圖3.3 軸的強度分析情況 9.軸承壽命的計算 （1） 根據前面的計算可得，，=16652.2N（如圖3.1所示，將最左側軸承定位軸承1，最右側軸承定位軸承2）且預選軸承的型號為：30222A，查機械設計手冊可知：,,。 （2）計算軸承1、2的軸向力、 由表3-2查得30222A型軸承的內部軸向力為= ：。 表3-2 軸承派生軸向力 軸承類型 角接觸向心球軸承 圓錐滾子軸承 則 由圖3.1可知，該對軸承為反裝，故 軸承1被壓緊： 軸承2被放松： (1)計算軸承1、2的當量動載荷 由于e=0.42，故 查表3-3軸承當量動載荷的X值和Y值,可得： ，；， 由于，故 則 表3-3軸承當量動載荷的X值和Y值 軸承類型 e X Y X Y 圓錐滾子軸承 0.4 0.4 1 0 1.5 (2)軸承壽命計算 因,故應以軸承2的徑向當量動載荷為計算依據。 查表3-4和表3-5可得溫度系數為， 則 ，其中 故 =16616h 表3-4 溫度系數 軸承工作溫度/℃ ≤120 125 150 175 200 225 250 300 溫度系數 1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.6 表3-5 沖擊載荷系數 載荷性質 無沖擊或輕微沖擊 中等沖擊 強大沖擊 載荷系數 1.0—1.2 1.2—1.8 1.8—3.0 舉例 電機、汽輪機、通風機、水泵 機床、內燃機、起重機械、減速器 破碎機、剪床、軋鋼機 由于傳動軸上的軸承既要承受軸向力，又要承受徑向力，故根據前面軸承的計算方法可得選取7014C。 10、普通A型平鍵校核 鍵主要是用來實現(xiàn)軸和軸上零件之間的周向固定以傳遞扭矩。一般分為平鍵、半圓形鍵、楔鍵和切向鍵，由于平鍵連接定向性較好，裝拆方便，故在軸與旋轉解頭相連接的時候采用普通A型平鍵連接。軸徑為，由于鍵的材料采用強度極限不小于600MPa的碳素鋼，故選用45鋼。其校核過程如下： （1）選取平鍵的尺寸 選取A型普通平鍵，根據軸的直徑，查機械設計手冊第二版可知平鍵的截面尺寸：寬度為b=22mm，高h=14mm，深度t=9mm，右起第八段軸長為70mm，故選鍵的長度為L=50mm。右起第一段，軸的直徑為，故選擇的鍵的型號如上所示，由于該段軸長為85mm，故該段軸的鍵長選70mm，其尺寸如圖3.4所示。。 （2）校核鍵的連接強度 查表3—6鍵連接的許用擠壓應力和許用壓強可得，由于軸上的傳遞扭矩為 故： 滿足強度要求。 表3—6 鍵連接的許用擠壓應力和許用壓強 許用值 材料 載 荷 性 質 靜載荷 輕微沖擊 沖擊 鋼 125—150 100—120 60—90 鑄鐵 70—80 50—60 30—45 鋼 50 40 30 圖3.4 普通A型平鍵尺寸 3.3.5 動力頭箱體的設計 動力頭箱體裝置是用來安裝和放置減速機構的，因此合理設計該機構，不僅能是動力頭結構緊湊，還能提高箱體的使用壽命。本文采用動力頭箱體的材料為Q235A,其許用應力為=160MPa。箱體通過底板一周的螺栓孔固定在安裝底座上，底座通過左右兩側的機械結構保證動力頭只能在大梁前后移動，而不能在垂直于大梁的方向上沒有位移，箱體里面安裝的是輪系減速傳動副。 結合前面的選型可知，本文設計的動力頭裝置為四液壓馬達帶動減速箱減速驅動主軸實現(xiàn)回拖和進給運動?？紤]到齒輪的嚙合和軸的傳動，由于大小齒輪的中心距為216mm，故將該結構設計為兩個小齒輪同時分別帶動主軸的運動，其中心距為216mm，兩個小齒輪中心距離為205mm。且由于箱體里面要同時放置齒輪，故將箱體的長設為410，高為535。結合主軸上零部件的設計可知，箱體的寬度為大齒輪厚度加30222A圓錐滾子軸承多的高度和軸承兩段的固定，故將箱體的寬度設計為370，箱體壁厚均為20，其結構簡圖如圖3.5所示。由于箱體受到以下力的影響，故為了增強箱體的承載能力和疲勞壽命，需要在箱體表面增設加強筋，箱體所受力的情況如下： （1）直齒圓柱齒輪傳動，在嚙合時產生徑向力； （2）主動齒輪重力所引起的進行力，作用在位于齒輪箱兩前后的軸承座處； （3）被動齒輪和輸出軸的重力引起的徑向力，作用在位于齒輪箱兩前后板的輸出軸支撐軸承座處； （4）動力頭回拖力，在輸出軸的圓錐滾子軸承座處。 圖3.5 箱體的結構簡圖第4章 動力頭的三維建模 4.1 動力頭的三維建模 動力頭的建模主要對箱體、齒輪、軸、軸承、軸承端蓋、箱蓋、液壓馬達，馬達端蓋等零件，并完成部件的裝配圖。 4.1.1 箱體的建模 箱體在動力頭的設計中是一個重要的零件，結合前面的箱體結構的設計，利用Pro/E里的操作命令，主要使用【拉伸】工具、【孔】工具、【陣列】工具、【鏡像】工具等將其三維模型建立，如圖4.1所示。 圖4.1 動力頭箱體三維模型 4.1.3 動力頭的裝配 完成前面所需零件的建立后，利用Pro/E軟件將其裝配在一起，裝配過程中主要操作包括：使用【添加元件】工具、【對齊】約束、【配對】約束、【插入】約束、【坐標系】約束完成動力頭模型的繪制。裝配后的整體結構如圖4.4所示。從圖4.4只能看出動力頭的外在形狀，要了解到里面的結構，我們需要將其視圖進行剖解，了解其工作的原理，是通過液壓馬達帶動傳動齒輪，通過傳動齒輪來帶動主軸運動，利用一級減速箱的原理，來實現(xiàn)了各部分之間力矩的轉換關系。傳遞關系如圖4.5所示。 圖4.4動力頭三維裝配圖 圖4.5 動力頭扭矩傳遞關系圖 4.1.4 動力頭視圖分解 隨著社會上人才的大量涌出，產品的競爭越來越激烈，因此無論對產品的設計、制造還是未來的銷售產品信息的表達均起著至關重要的作用。因為對于用戶而言，有些產品他們沒有工程師那么強的理解能力，他們需要的是簡單直觀的表達，只用這樣才能易于接收，也才有利于產品有一定的市場占有率[19]。因此PTC公司推出了一種視圖分解的制作方式，在機械設計領域中，視圖分解的制作占有絕對的優(yōu)勢，它能直觀的表達出機器各部分零件之間的裝配關系，并且在瞬間分解的過程中，給人眼前一亮的感覺，加大了人們對其的關注度。Pro/E視圖分解是將各個零件之間的組合關系運用分開來直觀表達出各零件之間的裝配關系。圖4.6所示為動力頭視圖分解后的結構，從該圖中能直觀的表達出各部分零件之間的裝配關系。 圖4.6動力頭視圖分解 4.2動力頭傳動運動仿真 在進行機械設計時，建立模型后往往需要通過虛擬的手段，在電腦上模擬所設計的機構，來達到在虛擬的環(huán)境中模擬實現(xiàn)機構的運動。這對于提高設計效率降低成本有很到的作用。Pro/E中，“機構”模塊是專門用來進行運動仿真和動態(tài)分析的模型。 主要使用【基準平面】工具、【基準值】、【添加元件】工具、【定義齒輪副】工具、【定義伺服電動機】工具、選擇【機構分析】工具、【回放】工具等來完成模型的運動仿真。其制作步驟如下： （1）新建一個裝配體模型，進入裝配環(huán)境后選擇下拉菜單插入→元件→裝配命令，向動力頭裝配體中添加組成機構裝置的固定元件及連接方式； （2）選擇下拉菜單應用程序→機構→命令，進入機構模塊，然后選擇視圖→方向→拖動元件命令，用來研究動力頭中齒輪和軸等零部件的移動方式的一般特性及可定位零件的范圍； （3）在機構模塊中，選擇下拉菜單插入→齒輪命令，可以向動力頭裝置中增加齒輪從動機構； （4）選擇下拉菜單插入→伺服電動機命令，如圖4.7所示； （5）選擇下拉菜單分析→機構分析命令，定義動力頭裝置的運動分析，然后制定影響的時間范圍并創(chuàng)建運動記錄； （6）選擇下拉菜單分析→回放命令，用來重新演示動力頭的運動、檢測干涉、保存重新演示的運動結構。 圖4.7 動力頭傳動機構運動仿真定義 第5章 總 結 本文的研究對象是非開挖水平定向鉆機中的動力頭，針對非開挖定向水平鉆機的研究背景和意義做出了調查和分析，根據分析的結構選出適合市場需求的鉆機，針對該鉆機的應用環(huán)境和條件做出相應改進。由于動力頭是給非開挖水平定向鉆機提供回轉及給進運動的機械傳動和執(zhí)行機構，是非開挖水平鉆機的核心部分之一，其性能的好壞將直接影響整機的作業(yè)。本文主要是針對水平定向鉆機動力頭裝置進行改進，對動力頭的不同結構、工作原理進行深入的研究，選則出滿足市場需求的裝置，并運用傳統(tǒng)的設計方法，對動力頭裝置的核心部件：齒輪、輸出軸做了詳細的計算說明和強度分析，驗證了設計的合理性。最后利用三維建模建立出動力頭的三維模型，從視覺上直觀的展現(xiàn)出了動力頭該裝置的總體結構。 這次畢業(yè)設計的制作過程是將前面所學知識的整體運用，讓我對機械制圖有了一個更加全面的認識，不在局限在二維模式中。三維制圖方法的應用，能夠直觀的表現(xiàn)出產品的外在形狀和內部結構，幫助人們理解和記憶。由于三維軟件各模塊之接的相互聯(lián)系關系，它能幫助我們在設計的過程中及時發(fā)現(xiàn)錯誤，并加以修改，大大的縮短了設計所需的時間。 參考文獻: [1] 張啟君，楊滿江，張忠海.水平定向鉆機及施工工藝[J].建筑機械化.2004，25(1):61-62. 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