1、湘潭 大学本科毕业设计说明书 湘潭大学 毕业设计说明书 题 目： 非开挖水平定向钻机动力头装置设计 学 院： 兴湘学院 专 业： 机械设计及其自动化 学 号： ZZZ 姓 名： XX 指导教师： XX 完成日期： 2014 年 5 月 28日 湘潭 大学本科毕业设计说明书 目录 摘 要 .I 第一章 绪论 - 4 1.1 课题研究的背景及其意义 - 4 1.2 国内外研究情况 - 5 1.3 非开挖水平钻机的结构及工作原理 - 6 1.4 课题的研究 - 6 第 2 章 非开挖水平定向钻机动力头 装置设计 的方案 - 8 2.1 动力头现阶段情况 - 8 2.2 动力头方案对比与选择 - 9
2、第 3 章 非开挖水平定向钻机动力头 装置 参数的确定 - 13 3.1 最大回拖力 - 13 3.2 最大回转扭矩 - 13 3.3 动力头零部件选型与设计 - 15 第 4 章 动力头的 三维 建模 - 28 4.1 动力头的三维建模 - 29 4.2 动力头传动运动仿真现象 .28 第 5 章 总结 - 33 参考文献 : - 34 湘潭 大学本科毕业设计说明书 非开挖水平定向钻机动力头装置设计 摘 要 非开挖水平定向钻机是完成地下管线铺设和修复的重要机械装置之一，在加大城市化建设的过程中起着不可替代的作用。在该钻机中，动力头起着重要性的作用，它是给钻机提供推进和回拖运动的机械传动执行结
3、构，其性能直接影响整机的工作效率。本文基于非开挖水平钻机动力头进行结构设计，并对其进行三维建模与运动仿真。首先以非 开挖水平钻机的背景和意义为入手点，介绍了研究该课题的必要性；接着通过对动力头不同结构的分析，选择出适合该课题的结构类型，并对内部结构进行选型和设计；采用传统的设计和强度校核方法，验证了设计的合理性；最后完成三维建模，并对模型进行整体装配，完成传动部分的运动仿真。本文研究的水平定向钻机，在设计和疲劳强度方面基本符合产品的要求。 关键词 ：非开挖水平钻机；动力头；设计；三维建模 Trenchless horizontal directional drill head unit des
4、ign Abstract Trenchless horizontal directional drilling is completed underground pipelinerepair and laid one of the important mechanical device, the application of trenchless horizontal rigs plays an irreplaceable role during the process of increasing urbanization. Trenchless horizontal drilling rig
5、, 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
6、 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, introducesthe necessity to do this project; followed by an analysis of the internal structure of the different power
7、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 its the 3D-modeling based on thewhole assembly model and transmis
8、sion 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. 湘潭 大学本科毕业设计说明书 第一章 绪 论 非开挖施工技术虽然距今已有近百年的
9、历史 ,但其重大发展始于本世纪 50 年代 ,尤其是近十几年 “近年来 ,非开挖管线工程施工量已占全部地下管线工程的10%,个别地区如德国柏林市己达到 40%左右 “我国非开挖技术的市场前景与现代化建设的进程密切相关 ,加速基础设施和基础工业的建设是最基本的前提 ,因此对石油管道 !煤气管道 !电力电缆管道 !自来水以及污水管线等各种地下管线的需求可望在短期内内有较大幅度的增长 ,这为我国非开挖技术的发展提供了有利的条件 ,市场潜力巨大。 目前 ,为了避开现有的密集管网系统 ,大城市管线 埋深有加大的趋势 ,例如上海 ,北京等 ,有些管线的埋深已达 10m 左右 “开挖施工的成本随埋深的加大而
10、提高 ,非开挖施工的优越性更为显著 “研究表明 ,当埋管深度超过 4m时 ,开挖施工的成本开始高于非开挖施工的成本 ,此外 ,随着设备利用率的提高 ,施工经验的丰富 ,非开挖的施工的成本也会逐渐降低。 此外 ,随着现代文明意识和环保意识的逐渐加强 ,开挖路面进行地下管线施工导致的社会问题 !交通问题和污染问题已越来越受到人们的关注 “城市限制开挖施工的法规也己经陆续出台 ,其适用面将逐渐扩展 ,这对非开挖技术的推广应用无疑会产生极大的推动作用 “例如 ,为了保护城市道路 ,减少地下管线施工导致的交通堵塞 ,国务院于 1996 年 10 月 1 日公布的 5 城市道路管理条例 6 规定 ,新建道
11、路5 年内不准开挖 ;修复道路 3 年内不准开挖。 综合社会效益 !行业发展趋势 !施工规范要求以及不断提高的水平定向钻进施工技术水平几个方面 ,可见对水平定向钻机的研究有着重要的实际应用意义。 1.1 课题研究的背景及其意义 据调查，在 2011 年特大暴雨袭击了我国多个城市，暴雨过后，积水成涝，出现了“水漫金山”、“城市看海”、“地铁观水帘洞”等现象，然而造成这种现象的主要原因是城市排水管网建设滞后， 排水管道老化。因此，为了保证城市化建设的顺利进行，地下管线（污水排水管道、煤气天然气管道、电力电缆管道）的修复和铺设尤为重要。 然而传统的管线铺设方法是采用“挖槽埋管法”。所谓的“挖槽埋管法
12、”是指通过使用挖沟机、反铲等设备或人工进行挖槽的开挖，其主要缺点是妨碍交通（堵塞、中断或改道）、破坏环境（绿化带、公园和花园）、影响市民生活和单位的正常工作、安全性差、综合施工成本高。并且“挖槽施工”给道路带来了潜在的安全隐患，给城市居民的生活带来了巨大的困扰。因此，很多大城市为了保证人民的正常出行生活，纷纷出台禁止在中心 城区开挖施工的规湘潭 大学本科毕业设计说明书 定或行政命令，这给非开挖技术的产生提供了社会性的条件。 非开挖技术（ Trenchless Technology）是指利用各种岩土钻掘设备和技术手段，在地表最小开挖量的条件下进行地下管线铺设、更换或修复作业的一种高科技新技术，国
13、外叫做 TT 技术。它与传统的“挖槽埋管法”相比较，克服了传统施工方法中的缺点，提高了施工的效率，保证了居民生活和城市化规划的正常进行。实践证明，在大多数情况下，尤其是在繁华市区或管线的深度埋深时，非开挖施工是明挖施工很好的替代方法；在特殊情况下，例如穿越公路、铁路、河流、 建筑物等时，该项施工方法更是一种经济可行的施工方法。并且该项技术符合了 目前 国家发展计划提出的“建立资源节约型和环境友好型社会”的要求 。 因而自其进入工程施工市场以来，便日益受到人们的青睐，取得了非常好的经济、社会效益。目前发达国家应用此项技术铺设管线的比例已占到 9% 15%，我国更是以 20%的速度在快速增长。 非
14、开挖水平定向钻机（ Horizontal Directional Driller,简称 HDD） 作为非开挖技术 中的典型机械施工设备 ，具有节能环保、作业安全、施工准确度高、施工效率高、周期短，管线铺设长、埋 深大等特点。因而逐步发展成一种最具活力的非开挖施工机械。它被广泛应用于穿越文物保护区、铁路、城市道路、江河、机场、森林保护区以及闹市区等进行 供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线的修复和铺设中 ，适用于沙土、粘土、卵石等地质情况，在我国大部分地区的施工中都在运用，工作环境温度是 -15 45。 近年来，随着人们环保意识的逐渐增强，国家对节能环保技术的实施给与了很多的支持，特别是，
15、在我们最为熟悉的西气东输、南水北调等国家发展战略和重大基础建设工程中，非开挖技术的引进发挥了巨大的实际作用 ，更加充分体现了国家对 该技术的支持和基础设施的投入。 2011 年 4月 16 17 日在武汉召开的第十五届中国国际非开挖技术研讨会，多个国家的专家都纷纷出席了这次研讨会，提出了他们对于这项技术的看法和发展，充分体现了国家对该项技术的支持。 1.2 国内外研究情况 在国外， 非开挖技术起始于 20 世纪 70 年代， 80 年代中期被人们逐渐接受和认可，在 21 世纪 80 年代成为发达国家的一种新型产业。据调查，目前国外大约有 30 多家非开挖水平钻机的制造商，主要集中在美国、日本、
16、德国等几发达国家，生产厂家主要有 威 猛 公 司 、沟神公司、奥格公司、 凯 斯 公 司等。它们生产的水平定向钻机产品规格齐全、品种较多、功能齐全，充分体现了以人为本的设计理念。具体表现在：中小型水平定向钻机采用橡胶履带底盘，减少对草坪和路面的损坏，钻杆自动装卸装置、减少操作者的劳动强度；对于大型设备则带有随车吊，便于钻杆的吊装，提高了工作效率 5。动力头采用电液比控制技术和国湘潭 大学本科毕业设计说明书 际先进的液压产品进行装配，同时采用 PLC 控制技术实现了自动钻进、自动回拖、自动瞄固和行走时的无极变速控制及转向控制，采用防触电安全技术 和远程控制技术，因为自带驾驶室，所有驾驶员操作舒适
17、安全。国外的非开挖水平钻机目前正朝着微型化、大型化和超深度导向监控、机械自动化和硬岩作业等方向发展 6。 而国内，非开挖技术的发展起始于 20 世纪 80 年代中期，经历了三个阶段的发展，分别为：技术引进期、研发期和发展与进口期。近年来，国内非开挖水平钻机的产业也得到迅速发展，涌现了大批优秀的生产厂家，如北京土行孙、南京地龙、徐工集团、连云港、湖南立威等。虽然我们起步晚，目前和国外产品仍有较大差距，但是这并不影响非开挖技术水平钻机在我国的生产。虽然在 2011 年发达 国家受到主权债务危机的影响，导致各国的经济增速均在普遍下滑，但是我国在非开挖行业确取得了不错的成绩。图 1.1 为进几年来非开
18、挖水平钻机的新增数量。 图 1.1 历年来非开挖水平钻机的新增数量 1.3 非开挖水平钻机的结构及工作原理 非开挖水平钻机 其整机主要由动力头、底盘、钻架、发电机系统、钻杆自动存取装置、钻杆自动润滑装置、虎钳、瞄固装置、钻具、液压系统、电气系统及泥浆系统等部件组成。动力头是非开挖水平定向钻机的核心部件，其可靠性及质量的好坏将直接影响整机的正常使用，是实现回转钻进和泥浆输送的部件。动力头 能够产生驱动钻杆钻头回转，承受钻进、扩孔、回拖过程的反力。 非开挖水平钻机的工作原理：由动力源提供的动力驱动液压泵，经液压泵带动马达，马达驱动钻头旋转钻机，接着通过连续加长钻杆在地下形成导向孔，导向孔形成后将扩
19、孔钻头安装在钻杆上进行多次扩孔，随后将管线安装在钻杆前部进行管线的回拖，完成管道铺设 7。 1.4 课题的研究 本课题来源于湖南省自科省市联合基金会项目“非开挖水平定向钻机变型产湘潭 大学本科毕业设计说明书 品关键部件的快速设计及疲劳寿命分析”。本文以研究非开挖水平钻机动力头为来体现该课题的一部分内容。具体做法如下： （ 1） 通过介绍非 开挖水平钻机研究背景、意义及现阶段国内外的发展水平，来明确做该课题的意义。 （ 2） 通过对动力头类型的介绍和各种型号的对比，分析出不同结构的动力头的优缺点，选出自己运用的动力头内部结构。 （ 3） 采用传统的计算方法，对动力头内部结构的设计及强度校核，分析
20、该结构的合理性。 （ 4） 通过三维建模与运动仿真，对动力头的结构进行设计分析。 （ 5） 对该次设计做出总结，提出改进的方法。 湘潭 大学本科毕业设计说明书 第 2 章 非开挖水平定向钻机动力头装置设计的方案 2.1 动力头现阶段情况 动力头是一种 能实现主运动和进给运动，并且 拥 有自动工件循环动力部件 的机械装置，在绝大多数机械 设备中暂有重要的地位。按其工作类型可分为：钻孔动力头、扩孔动力头、绞孔动力头、攻丝动力头、镗孔动力头、锪平面动力头。非开挖水平钻机里面的动力头就是结合动力头的钻孔和扩孔的原理来实现管道的铺设和修复。通过 2013 年中国动力头市场调查研究报告 分析得出，动力头在
21、机械设备中的应用遍布全国各地，并且在全国的供应量上每年都处在增长趋势。通过图 2.1 近几年来动力头的增长情况可以充分得到证明。 图 2.1 近几年来动力头的增长情况 水平定向钻机中动力头也是其空中部分的关键部件，是整机作业是提供回转及给进动作的机械传 动和执行机构，其性能对整机作业有着直接影响 8。目前，我国对非开挖水平钻机动力头研究主要集中在结构设计和液压系统两个方面。 动力头在结构设计方面的研究有：（ 1）徐成宇通过有限元方法在非开挖钻机动力头主轴设计中的应用得出主轴的受力分析情况，分析出了其危险截面，和其改进的措施，对其作用在不同的工作环境做出了合理性的分析，为后面主轴的设计奠定了基础
22、 9；（ 2）花蓉对动力头结构进行了详细的研究，并通过比较国内外不同型号的水平定向钻机，总结了动力头的驱动方式以及进给机构的给进方式，并分析了它们的优缺点，为后人对动 力头设计做了一定的理论参考 10。（ 3）刘长右，对动力头箱体等零部件采用 ANSYS 软件进行谐响应分析，分析零部件的动态性能，并根据分析结果进行合理化的优化与改进 11。 动力头液压系统方面的研究：（ 1）韩宇通过比较动力头各种液压系统的优缺点，确定了变量泵和变量马达容积调速的设计方案，在负载、液压泵、液压马达湘潭 大学本科毕业设计说明书 和发动机间的参数匹配问题中做出了详细的研究，实现了液压系统与发动机之间良好匹配，提高了
23、发动机功率利用率和液压系统的传动效率 12。（ 2）柳利平通过动力头液压系统力学研究及动态仿真的过程针对动力头液压 系统的方案对比与液压马达的选型，和电动机的选型，得出了不同动力头基本设施的计算 13。（ 3）李根营通过给出动力头最大回转扭矩的算法和液压系统的参数确定，为我们以后适用不同地质的水平钻机动力头的计算提供了有效的理论指导 14。 动力头是实现回转钻进和输送泥浆的主要部件，它的使用寿命和性能条件决定了工程的完成质量和效率，其重要性相单于人的心脏，是整机中不可或缺的部分。根据它的最大回拖力和最大扭矩，我们可以将非开挖水平钻机分成大型、中型、小型和三中类型。具体的分类情况及各中型号的增加
24、比例如表 2 1 和图 2.2所 示 15。 表 2 1 钻机的分类与应用 分类 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 钻杆长度（ m） 1.5 3.0 3.0 9.0 9.0 12.0 铺管直径（ mm） 50 350 350 600 600 1200 铺管长度（ m） 300 300 600 600 1500 铺管深度（ m） 6 6 15 15 11.50%36.30%52.20%大型中型小型图 2.2 2011 年各种型号水平定向钻机的增长比例 2.2 动力头方
25、案对比与选择 水平定向钻机动力头结构分成动力回转系统和动力推拉系统，其系统具体结构框架如图 2.3 所示。 湘潭 大学本科毕业设计说明书 动 力 头 系 统回 转 系 统 推 进 回 拖 系 统回转传动系统回转液压驱动系统推进回拖传动系统推进回拖液压驱动系统图 2.3 水平定向钻机动力头结构 2.2.1 动力头回转系统 动力头回转系统决定了动力头的最大回转扭矩，同时也决定了水平定向钻机的扩孔能力大小 16。其传动方式主要有链传动和齿轮传动。链传动结构简单，成本低，但是链条磨损快、输出扭矩小、平衡性差。然而相对于链 传动，齿轮传动的优点是输出扭矩大、寿面长、平衡性好等，因此在动力头回转系统中，绝
26、大多数商家都采用了齿轮传动 17。 目前，国内外的动力头回转系统采用齿轮传动的驱动方式主要有以下三种：（ 1）液压马达直接驱动 这种方式通常采用的是通孔式低速大扭矩液压马达直接与主轴相连接，泥浆直接经由马达的通孔输入。此种驱动方式结构简单、传动效率高，但中间无液力转换机构，受液压马达型号的限制，仅局限在用于小型钻机中。如 GBS 10 型钻机，驱动方式如图 2.4 所示。 （ 2）液压马达经齿轮减速箱减速驱动 这种方式通常选用低速大扭 矩液压马达经齿轮减速箱将动力传递到主轴。根据回转扭矩的需要可以由一个、两个、三个、甚至四个液压马达驱动。所选液压马达的布置很灵活，可以布置在齿轮箱的同侧分布、异侧对称分布、也可以绕输出轴成扇形或环形的布置。回转器设置一级齿轮减速箱以改善液压马达的输出特性，增加了输出扭矩。此种驱动方式应用非常普遍，市场占有率很大，如国产的 XZ280，驱动连接方式如图 2.5 所示。 （ 3）液压马达经减速机和齿轮箱减速驱动 这种方式采用一个或多个高速液压马达与减速机相连接后经减速箱将动力传递到主轴，减速机选用行星齿轮减速机，一般 为一级减速箱。此种驱动方式能够提供较宽的转速范围，但是整体结构较大，能力传递环节多，效率不高。 HT 58L 就是采用了这种驱动方式的，驱
