1、- 1 -本 科 毕 业 论 文（ 20 届 ）GCPS 20型 工 程 钻 机 的 设 计所在学院专业班级机 械 设 计 制 造 及 自 动 化学生姓名学号指导教师完成日期年月毕业设计任务书设计题目： GCPS20型工程钻机的设计系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化1课题意义及目标随着国家基本建设的投入持续增长，将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，本文希望学生设计一台带有冲击钻的多功能复合型钻机。2主要
2、任务（1）钻机总体方案的设计与选定。（2）钻机的变速箱结构设计、转盘的设计、动力机确定、机构传动系统设计。（3）钻机各部分零件图及装配图的绘制。（4）查阅相关资料，撰写毕业设计开题报告。按照学院毕业设计说明书撰写要求，写出设计说明书一份，并提供计CAD图纸。要求有各部分零件图和完整的装配图。3主要参考资料1濮良贵纪明刚机械设计（第七版）M高等教育出版社，20042GPS20型工程钻机使用说明上海金泰股份有限公司探矿机械厂3殷琨发展中的冲击回转钻进技术J探矿工程（第5期），19974进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 调查研究，收集资料，撰写毕业设计开题报告 2015.01.10至2015
3、.03.102 总体设计方案确定 2015.03.10至2015.04.013 完成各部分的设计计算，并绘制零件图和装配图 2015.04.01至2015.05.204 编写设计说明书。指导教师审核资料，修改资料。 2015.05.20至2015.06.155 准备毕业设计答辩。 2015.06.15至2015.06.20审核人： 年 月 日IGCPS20型工程钻机的设计摘 要：GCPS20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、硬岩石地层中成孔而研制，特别是在卵石层、基石、漂石
4、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。该钻机是集回转、冲击钻进工艺于一体的多功能复合型钻机，用转盘回转钻进时可用于第四世纪覆盖层，冲击钻进时可用于较为坚硬的岩石层，如卵石、灰岩、花岗岩等硬岩石地层。本篇设计重点设计了工程钻机的机构传动系统，查阅相关机械手册，按照机械设计和机械原理来进行包括变速箱的设计及计算、转盘的计算、动力机确定、带轮的选择等。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：冲击钻进, 变速箱, 减速器, 转盘IIDesignofGCPS-20 typeengineeringdrillAbstract：GCPS
5、-20 drill is a kind of drill which is composite and multi-function，inorder to adapting our countrys development and the demands of the deep foundations，continuous wall，marine hydraulic engineering and the bridge engineering，combining thecharacteristics of the big caliber and the underground continuo
6、us wall construction, in orderto solve the difficulty of pore-forming in the complicated geologic strata, hard rock, whichcan especially improve the construction efficiency in the pebble layer, foundation andboulders，this kind of pore-forming method is more economic and more valid in variouspore-for
7、ming methods。This kind of drilling machine is a multifunctional composite drilling which combinesboth rotary and percussion drilling technology，The rotary table rotary drilling can be usedfor the fourth century covering layer, the impact of drilling can be used for more rigid rocklayer，such as grave
8、l, limestone, granite and other hard rock strata. This article focuses onthe design of the transmission system of engineering drilling machine, access to relevantmechanical manual, in accordance with mechanical design and mechanical principles，including the design and calculation of the gearbox，the
9、Calculation of the turntable，theconfirmation of the power machine，and the belt wheel selection。The characteristics of the machine is the simple structure，tightly packed, and theoperating handled arrange reasonable，which has a simple operation and is very easy forusage and maintenance。Keywords: Percu
10、ssion drilling, Gearbox, The decelerator , The turntableIII目录1 前言.11.1 课题项目的研究意义.11.2 国内外研究进展.21.3 设计产品所解决的问题和应用领域.32 钻机的总体设计.32.1 主要性能特点.32.2 总体布局设计.42.2.1 传动系统.42.2.2 气动系统.42.2.3 电气系统.42.2.4 工具系统.42.2.5 各部件的作用.42.3 主要参数的选取.53 动力机确定.63.1 按钻头钻进所需功率计算.63.2 按钻机冲击钻进所需功率计算.94 变速箱的设计及计算.94.1 变速箱的结构特点.94.
11、2 结构计算.94.2.1 初步选定.94.2.2 选定变速箱传动公比.104.2.3 按弯曲强度确定齿轮模数.104.2.4 按接触强度确定齿轮分度圆直径与中心距.114.2.5 齿宽的确定.124.2.6 齿轮齿数确定.134.2.7 计算齿轮相关参数、确定齿轮.134.3 锥齿轮计算.134.3.1 初步计算.13IV4.3.2 几何计算.144.4 齿轮校验.174.4.1 齿轮受力分析.174.4.2 齿轮传动齿面接触疲劳强度校核.184.4.3 齿轮传动齿根弯曲疲劳强度校核.204.5 变速箱轴的计算.214.5.1 一轴计算.214.5.2 二轴计算.224.5.3 三轴计算.2
12、24.6 轴的校验.224.6.1 按转矩计算.224.6.2 轴上受力分析.234.6.3 求支反力.234.6.4 作弯矩和转矩图.244.6.5 确定危险截面及安全系数校核计算.265 带轮选择.286 转盘的计算.316.1 转盘输出转速.316.2 大、小锥齿轮计算.316.2.1 初步计算.316.2.3 几何计算.326.3 锥齿轮齿面接触疲劳强度校验.356.3.1 计算公式.356.3.2 许用接触应力计算.376.3.3 齿面接触强度校核.376.4 齿根抗弯疲劳强度校核.376.4.1 计算公式.376.4.2 齿根许用弯曲应力计算.386.4.3 齿根弯曲强度校核.39
13、6.5 转盘轴结构计算.39V7 钻机其余部分零部件选择.407.1 联轴器的选用.407.2 减速器齿轮安排.418 钻机的维护保养.438.1 钻机维护保养的重要性.438.2 维护保养要求.438.3 主要部件保养项目.438.3.1 转盘.448.3.2 变速箱.448.3.3 减速器.448.3.4 主、副卷扬机.448.3.5 水龙头.448.3.6 钻具.448.3.7 冲击卷扬机.448.3.8 气路系统.458.3.9 传动链条.458.3.10 冲击钢丝绳.458.3.11 气胎离合器.458.3.12 主离合器.458.4 安全操作注意事项.459 结论.47参考文献.4
14、8致谢.50太原工业学院毕业设计11 前言1.1 课题项目的研究意义随着国民经济的飞速发展，基础设施和建设项目规模的扩大，现代大口径钻孔技术应用日益广泛，如应用于钻孔灌注桩的工程施工。用于钻孔施工各种大型水井、大型建筑基桩（包括高层和大型建筑物基桩、铁路和公路桥梁基桩、海港码头、海上石油平台和滨海建筑基桩等）及地下油库、安装核设施和特种试验工程钻孔等钻孔工作量非常巨大。因此各种大口径基础工程施工用钻机，以其经济有效、施工快速的特点，越来越受到设计与建筑单位的重视1。目前国内大口径钻孔多采用单一功能的冲击钻机或回转钻机，采用的是单一的回转钻进或冲击钻进方法。即在土层、砂土层、粘土层等软地层应用回
15、转钻进；在砂砾、卵砾层、漂石、基岩层等硬地层，采用冲击钻进。但在实际工程施工中存在的问题是，往往同一个孔位的钻孔需要穿越的地层情况复杂，通常一个数十米的孔，要穿越软地层、砂砾、卵砾、砾石层和基岩层等在这样的地层钻孔，目前的施工方法只能采用一种钻进方法，施工效率低；而有的地层单独一种钻进方法难以实现，需要冲击和回转两台钻机现场转换，这样一是钻孔速度慢、钻进效率低，因为占据了大量的辅助时间，二是由于需要配备两台钻机，钻进成本高。为解决此问题,我们需要设计GCPS20型工程钻机2。GCPS-20型工程钻机就是一种用于水坝、港口、码头、桥梁、高层建筑等工程的大口径灌注桩施工的复合式多功能钻机，为适应我
16、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。常见工程钻机的结构由动力部分、变速箱、减速箱、主副卷扬机、转盘、液压部分、水龙头、钻塔、机架、控制箱以及其他辅助部件构成3。随着国家基础建设的投入快速增长，尤其像京沪高速铁路、奥运比赛场地等一批国家重点项目的启动，将对工程钻机的技术要求更高，钻机不仅要具有高效、环保的特性，更要具有一定的复合性。一般使用的工程钻机在工作时只有钻进功能，当遇到太原工业学院毕业设计2较为坚硬的岩石层
17、时（如卵石、灰岩、花岗岩等硬岩石地层）就必须改变钻进方位或另钻它孔。为解决此类问题，在老师的指导下我设计这台带具有冲击钻的多功能复合型钻机，它可以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4!1.2 国内外研究进展GCPS-20型工程钻机是一种复合式旋挖钻机。其实旋挖钻机在二战以前首先在美国卡尔维尔特公司问世，二战之后在欧洲得以发展，在1948年意大利的迈特公司首先开始研制，接着在意大利和德国得以开始发展，到7080年代在日本得到快速发展，当时日本称其为回转斗成桩，也叫阿司特利工法（Earth Drill），在德国、日本这类钻机应用相当普遍。 国外产品发动机功率达到 448kW
18、，最大扭矩可以达到360kNm，钻孔直径达到4m，钻深90余米等，其品牌主要集中于土力、宝峨、意马、巨力、麦特、卡萨格兰第、日本产小扭矩旋挖等。目前国外的旋挖钻机一般都有摇管装置、自锁互扣钻杆、液压系统采用恒功率变量自动控制、由两个或三个液压马达驱动的大扭矩动力头（可配套管连结器）、先进的监控仪表（如发动机和液压系统自动监测和报警系统、钻孔深度显示、钻桅自动测斜纠偏装置），还配有各种保险装置（如防止带负载起动，卷扬机超高限位等），但是各家公司的旋挖钻机都有各自的技术特点5。中国在80年代初从日本引进过其工作装置，当时配装在KH-125型履带起重机上。1984年，天津探矿机械厂曾引进美国RDI公
19、司的旋挖钻机并进行研究。1987年，北京展览馆首次展出了意大利土力公司（SOILMEC）的钻机产品，1988年，北京城建机械厂根据土力公司的样机设计了直径为1.5m的履带起重附着式旋挖钻机。1994年，郑州勘察机械厂曾引进英国BSP公司的附着式旋挖钻孔机生产技术，但都没有形成大批量生产。1992年，宝峨公司在中国北京设立了代表处并开始对我国的业务于1995年在天津成立了独资子公司即宝峨天津机械工程有限公司，主要生产适合中国市场的宝峨BG20型旋挖钻机。1998年，在上海又成立了中德合资上海宝峨金泰工程机械股份有限公司，主要生产BG15型和BG24型旋挖钻机。1998年，徐工集团开始自主开发RD
20、18旋挖钻机，于1999年试制成功并投入批量生产，最近几年中国旋挖钻机取得了较快的发展。后来，北京经纬巨力、三一重工等公司也纷纷涉足旋挖钻机的生产，太原工业学院毕业设计3目前为止国内外生产旋挖钻孔机的厂商有近二十家。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 设计产品所解决的问题和应用领域本设计产品所解决的问题GCPS-20型工程钻机是集回转、冲击钻进工艺于一体的多功能复合型钻机，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，主要用于第四世纪地层及其卵石、灰岩、花岗岩、漂石
