裝配圖大直徑樁基礎(chǔ)工程成孔鉆具(論文+DWG圖紙)

裝配圖大直徑樁基礎(chǔ)工程成孔鉆具(論文+DWG圖紙),裝配,直徑,樁基礎(chǔ),工程,成孔鉆具,論文,dwg,圖紙 湖南工業(yè)大學(xué)2007屆本科生畢業(yè)設(shè)計 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(diǎn) ………………………………………………………… 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 …………………………………………………………29 9.1主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ………………………………………………………… 29 9.2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(xiàn) ……………………………………………………………………36 致謝 …………………………………………………………………………37 附錄1…………………………………………………………………………38 附錄2…………………………………………………………………………45 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(yùn)動又能產(chǎn)生沖擊運(yùn)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(yùn)動；旋轉(zhuǎn)沖擊；氣舉反循環(huán)排渣 ABSTRACT The 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 main 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 small 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(hù)壁正循環(huán)排渣方法施工。隨著國內(nèi)外樁基礎(chǔ)工程機(jī)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(jī)、潛孔沖擊錘、潛水回旋鉆、回轉(zhuǎn)斗鉆、短螺旋鉆和擴(kuò)底鉆頭等施工機(jī)械設(shè)備，大部分產(chǎn)品實(shí)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(dá)到2.5米左右，進(jìn)口設(shè)備成孔直徑已可達(dá)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(dá)3.0米。但是仍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(fēng)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(yùn)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(diǎn)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(jìn)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(jī)設(shè)備，開始進(jìn)行返工施工。韶關(guān)產(chǎn)沖擊錘重達(dá)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1—2天的情況，另外3—1# 樁基出現(xiàn)了嚴(yán)重的孔壁失圓現(xiàn)象，明顯地影響了工程質(zhì)量、進(jìn)度和效率。5、適應(yīng)樁基礎(chǔ)沉井護(hù)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(yán)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(jìn)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(diǎn)，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(diǎn)，是切削刀刃與孔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(shí)現(xiàn)如下圖所示的平面單跡線星形運(yùn)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(yùn)動和作用，由若干連續(xù)點(diǎn)的運(yùn)動，形成連續(xù)的曲線運(yùn)動，若干曲線的運(yùn)動，使施工面呈周邊包絡(luò)線為圓形的細(xì)密網(wǎng)狀曲面，實(shí)現(xiàn)鉆具逐層從上至下的整體成孔運(yùn)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(yùn)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(yùn)動的鉆具主要由鉆架、動力軸、齒輪組、鉆桿、鉆頭組成。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(qiáng)間歇錘的沖擊破石能效。由于該機(jī)械間歇錘難能產(chǎn)生高頻大幅的沖擊運(yùn)動，每次沖擊破石也不在一固定點(diǎn)，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(yuǎn)遠(yuǎn)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、傳遞和轉(zhuǎn)換的問題，這是一個涉及本鉆具是否有實(shí)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(qiáng)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(qiáng)化沖擊碎石的頻率和能量，從而充分發(fā)揮刃具復(fù)合運(yùn)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。氣動沖擊的排氣可作為氣舉排渣動力的利用和補(bǔ)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(jī)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(jìn)面均衡程度。 4、配套采購標(biāo)準(zhǔn)部件，以減少設(shè)計和生產(chǎn)的工作量以及投入。如：Ⅱ型結(jié)構(gòu)中的“萬向傳動結(jié)”，可采購汽車標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(jī)構(gòu)，以將渣土實(shí)時攏耙集中在中空軸孔中排出。對于反循環(huán)排渣，要求壓縮機(jī)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(jī)時泥渣反流沉淀堵塞氣管的問題。 6、保證Ⅰ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(jī)構(gòu)足以生效時，不使鉆桿軸產(chǎn)生間歇運(yùn)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Ⅰ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(xì)密和均勻的網(wǎng)狀跡線運(yùn)動面積。但實(shí)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(yùn)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(shí)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Ⅰ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方便更換或調(diào)整其工作高。 9、合理確定Ⅰ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(jìn)進(jìn)尺。這需要在不與其它刃具和排渣管運(yùn)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(jī)，也可適配潛水鉆機(jī)。即既可設(shè)計為地面驅(qū)動，也可采用潛水變速電機(jī)一體化設(shè)計或液壓馬達(dá)驅(qū)動。 11、有效保證鉆具運(yùn)行的反向平衡力矩。鉆具切削運(yùn)動必須的反向平衡力矩，對于有沉井護(hù)壁施工，即由與井壁聯(lián)系的定位約束產(chǎn)生。對于無護(hù)壁施工，Ⅱ型鉆具宜采用潛水一體化變速電機(jī)配套型，同時配套3—4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Ⅰ型鉆具則由固定圈底部，與孔底地面產(chǎn)生相對運(yùn)動的摩擦阻力產(chǎn)生。潛水驅(qū)動Ⅰ型鉆具則由地面約束力和孔底地面產(chǎn)生相對運(yùn)動的摩擦阻力產(chǎn)生。當(dāng)然也可以另輔助增設(shè)接觸孔壁的單向連動自鎖機(jī)構(gòu)，以有效增加和確保鉆具運(yùn)行的超強(qiáng)反向平衡力矩。 12、合理解決機(jī)械運(yùn)動潤滑的問題。任何事物都具有兩面性，由于機(jī)構(gòu)特性決定和為了簡化結(jié)構(gòu)，建立刃具星形運(yùn)動的齒輪組等大部件，不可避免的只能在泥漿中潤滑，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(hù)罩和隔離板，以防異物影響和損壞機(jī)件運(yùn)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(yùn)動周期進(jìn)行切削，其隨星形運(yùn)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(jìn)度及排渣效率相適應(yīng)，亦即應(yīng)與鉆具的整體進(jìn)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(jìn)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)，安裝一從動齒輪與外齒圈嚙合，帶動其軸端有1—3個刀刃的刃具頭產(chǎn)生間歇切削運(yùn)動，以適當(dāng)?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(jìn)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(jìn)一步考證其機(jī)械運(yùn)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(jī)械運(yùn)動的機(jī)構(gòu)及原理具有獨(dú)立、獨(dú)創(chuàng)和實(shí)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(shí)度檢測”取樣機(jī)。其Ⅰ型機(jī)構(gòu)原理還可應(yīng)用于引進(jìn)技術(shù)開發(fā)生產(chǎn)的異形大斷面“地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)”和“頂管掘進(jìn)機(jī)”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件，因而更有利于采取其他措施（如電動），大大強(qiáng)化沖擊碎石功能。主要是由對巖土體的磨削或壓碎掘進(jìn)，改為絞削和沖擊破碎掘進(jìn)。有望開發(fā)生產(chǎn)出掘進(jìn)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(hù)和適用于各類地質(zhì)情況的新刀盤類型的機(jī)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(jī)構(gòu)，以將渣土攏耙集中在中空軸孔中排出，實(shí)現(xiàn)各單元獨(dú)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(yùn)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(yùn)動”的機(jī)械原理，構(gòu)思了全新的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，使鉆具具有了當(dāng)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(dú)徑向轉(zhuǎn)動，以旋削軟散小顆粒巖土，又可軸向沖擊運(yùn)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(shí)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(jìn)口設(shè)備的鉆具結(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(dāng)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(jī)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(hù)壁成孔和各種材質(zhì)的套管護(hù)壁成孔或沉井密集開挖不排水施工。八是施工震動小，運(yùn)動可靠，穩(wěn)定高效。總之很適合與回旋系列鉆機(jī)配套使用，特別是可進(jìn)一步發(fā)掘回旋系列鉆機(jī)的潛能和提升其綜合性能。 第4章 行星齒輪設(shè)計 4.1行星齒輪傳動的特點(diǎn)： 行星齒輪傳動與普通齒輪傳動相比較，它具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它的最顯著的特點(diǎn)是：在傳遞動力時它可以進(jìn)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(jī)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(jī)、起重運(yùn)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(diǎn)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(dān)載荷，從而使得每個齒輪所承受的負(fù)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1/2～1/5（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(dá)到提高傳動效率的作用。在傳動類型選擇恰當(dāng)、結(jié)構(gòu)布置合理的情況下，其效率值可達(dá)0.97～0.99。 （3）傳動比較大，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的合成與分解 只要適當(dāng)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(yùn)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(diǎn)。而且，它還可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的合成與分解以及實(shí)現(xiàn)各種變速的復(fù)雜的運(yùn)動。 （4）運(yùn)動平穩(wěn)、抗沖擊和振動的能力較強(qiáng) 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(yùn)動平穩(wěn)，抵抗沖擊和振動的能力較強(qiáng)，工作較可靠。 總之，行星齒輪傳動具有質(zhì)量小、體積小、傳動比大及效率高（類型選用得當(dāng)）等優(yōu)點(diǎn)。因此，行星齒輪傳動現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于工程機(jī)械、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械、輕工機(jī)械、石油化工機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、汽車、坦克、火炮、飛機(jī)、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(jī)械傳動發(fā)展的重點(diǎn)之一。 行星齒輪傳動的缺點(diǎn)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(jìn)一步深入地了解和掌握以及對國外行星技術(shù)的引進(jìn)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(diǎn)，而且應(yīng)該在自己的設(shè)計工作中，充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，且把其缺點(diǎn)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(jìn)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=3～8。 由①式可得： 由上式可知，當(dāng)選定最小齒數(shù)時，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14～18。 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,=4.9565 3.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56～62HRC,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(qiáng)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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 (10)中心距a 6.裝配條件的驗(yàn)算 (1) 鄰接條件: 432<2342=592.36 即滿足鄰接條件。 (2) 同心條件: 滿足同心條件。 (3) 安裝條件： 所以，滿足安裝條件。 7.傳動效率的計算 由表(5-1)查得效率計算公式： 可見，該行星齒輪傳動的效率很高，可滿足要求。 8.選取和計算載荷分布不均勻系數(shù) 為了使行星輪間載荷分布均勻，以提高行星齒輪傳動的承載能力。在本設(shè)計中，采用齒輪聯(lián)軸器作為其均載機(jī)構(gòu)。查表（7-1）得齒面接觸強(qiáng)度的行星輪間載荷分布不均勻系數(shù)，則齒根彎曲強(qiáng)度的載荷分布不均勻系數(shù)=1+1.5 9.行星齒輪傳動的結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)2Z-X(A)型行星傳動的工作特點(diǎn)、傳遞功率的大小和轉(zhuǎn)速的高低等情況，對其進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。首先應(yīng)確定中心輪a的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗闹睆絛較大，所以中心輪a應(yīng)該采用中心輪與輸入軸分開的結(jié)構(gòu)形式。 內(nèi)齒輪b采用小件分段裝配式結(jié)構(gòu)形式，已減小耐磨鋼精密鑄造件及模具尺寸，也有利于減少使用過程中的維護(hù)工作量和費(fèi)用成本。 行星輪c采用整體結(jié)構(gòu)式的結(jié)構(gòu)，它的齒寬應(yīng)當(dāng)加大，以便保證該行星輪c與中心輪a的嚙合良好，同時還保證其與內(nèi)齒輪b相嚙合。在每個行星輪的內(nèi)孔中，安裝兩個滾動軸承來支撐。 轉(zhuǎn)臂上各行星輪軸孔與轉(zhuǎn)臂軸線的中心距極限公差由公式（9-1）計算?，F(xiàn)已知嚙合中心距(mm),則得：(mm) 取。 各行星輪軸孔的孔距相對偏差可按公式（9-2）計算，即： (3～5)=(3～4.5)=0.055～0.083 (mm) 取=0.070。 轉(zhuǎn)臂的偏心誤差約孔距相對誤差的1/2，即： 10.行星齒輪傳動的強(qiáng)度驗(yàn)算 針對2Z-X(A)型行星齒輪傳動的工作特點(diǎn)，只需按其齒根彎曲應(yīng)力的強(qiáng)度條件公式（6-72）進(jìn)行校核計算，即. 首先，按公式（6-69）計算齒輪的齒根應(yīng)力，即： 其中，齒根應(yīng)力的基本值可按公式（6-70）計算，即： 許用齒根應(yīng)力可按公式（6-71）計算，即： 現(xiàn)將該傳動按照兩個齒輪副a-c、b-c分別驗(yàn)算如下： (1)a-c齒輪副 ①名義切向力 中心輪a的切向力可按公式（6-3）計算；已知，，和。則得： ②有關(guān)參數(shù) a. 使用系數(shù) 使用系數(shù)按中等沖擊查表（6-7）得=1.5。 b. 動載荷系數(shù) 先按公式（6-57）計算輪a相對于轉(zhuǎn)臂的速度，即： 其中， 所以， 已知中心輪a和行星輪c的精度為6級，即精度系數(shù)C=6；再按公式（6-58）計算動載荷系數(shù)，即： 式中：B=0.25(C-5)=0.25(6-5)=0.25 A=50+56(1-B)=50+56(1-0.25)=92 則得： 中心輪a與行星輪c的動載荷系數(shù)。 c. 齒向載荷分布系數(shù) 齒向載荷分布系數(shù)可按公式（6-60）計算，即： 由圖（6-7）（b）得： 由圖（6-8）得，代入上式，則得： d. 齒間載荷分配系數(shù) 齒間載荷分配系數(shù)由表（6-9）可查得： e. 行星齒間載荷分配系數(shù) 行星齒間載荷分配系數(shù)按公式（7-12）計算，即： 已取，則得： f. 齒形系數(shù) 齒形系數(shù)由圖（6-22）查得：， 。 g. 應(yīng)力修正系數(shù) 應(yīng)力修正系數(shù)，由圖（6-24）查得：，。 h. 重合度系數(shù) 重合度系數(shù)可按公式（6-75）計算，即： i. 螺旋角系數(shù) 螺旋角系數(shù)由圖（6-25）得： 因行星輪c不僅與中心輪a嚙合，且同時與內(nèi)齒輪b相嚙合，故取齒寬b=100。 ③計算齒根彎曲應(yīng)力 按公式（6-69）計算齒根應(yīng)力，即： = 取彎曲應(yīng)力 ④計算許用齒根應(yīng)力 按公式（6-71）計算許用齒根應(yīng)力，即： 已知齒根彎曲疲勞極限=340。 由表（6-11）查得最小安全系數(shù)。 式中各系數(shù)、、、和取值如下： 應(yīng)力系數(shù)，按所給定的區(qū)域圖取時，取。 壽命系數(shù)按表（6-16）中的（4）式計算，即： 式中應(yīng)力循環(huán)次數(shù)按表（6-13）中的相應(yīng)公式計算，且可按每年工作300天，每天工作16h，即： 則得 齒根圓角敏感系數(shù)按圖（6-33）查得。 相對齒根表面狀況系數(shù)按表（6-18）中對應(yīng)公式計算，即： 取表面微觀不平度，代入上式得： 尺寸系數(shù)按表（6-17）中對應(yīng)的公式計算，即： 代入公式（6-71）可得許用齒根應(yīng)力為： 因齒根應(yīng)力小于許用齒根應(yīng)力，即。所以，a-c齒輪副滿足齒根彎曲強(qiáng)度條件。 (2)b-c齒輪副 在內(nèi)嚙合齒輪副b-c中只需校核內(nèi)齒輪b的齒根彎曲強(qiáng)度，即仍按公式（6-69）計算其齒根彎曲應(yīng)力及按公式（6-71）計算許用齒根應(yīng)力。已知，。 仿上，通過查表或采用相應(yīng)的公式計算，可得到取值與外嚙合不同的系數(shù)為，，，，，，，，和。代入上式則得： = 取。 ==399 可見，，故b-c齒輪副滿足齒根彎曲強(qiáng)度條件。 4.3行星齒輪系的均載裝置 行星輪系的特點(diǎn)之一是可采用多個行星輪來分擔(dān)載荷。但實(shí)際上，由于制造和裝配誤差，以及工作時的變形等，往往會出現(xiàn)各行星輪受力極不均勻的現(xiàn)象，為了盡可能降低載荷分配不均現(xiàn)象，必須采用結(jié)構(gòu)上的措施來保證載荷得到接近均勻的分配。為此，常把行星輪系中的某些構(gòu)件作成可以浮動的。在輪系運(yùn)轉(zhuǎn)中，如各行星輪受力不均勻，這些構(gòu)件能在一定的范圍內(nèi)自由浮動，以達(dá)到自動調(diào)節(jié)各行星輪載荷的目的，此即所謂“均載裝置”。均載裝置的類型很多，有使太陽輪浮動的，有使行星輪浮動的，有使行星架浮動的，也有使幾個構(gòu)件同時浮動的。對本鉆具來說，三個行星輪各軸心在圓周上是均勻布置的，采用中心輪浮動，這樣該均載機(jī)構(gòu)就相當(dāng)于一個萬向聯(lián)軸器，而實(shí)際上多用齒輪聯(lián)軸器(雙齒或單齒，見下圖)。 由于齒輪聯(lián)軸器對中心輪在徑向上的自動補(bǔ)償作用，最終可使各嚙合作用力相等，且組成等邊三角形。這樣就可使中心輪的體積小、質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)簡單，浮動靈活，與其連接的均載機(jī)構(gòu)較容易制造，且便于安裝。根據(jù)以上所述，采用中心輪浮動均載裝置。 第5章 鉆桿齒輪設(shè)計 依據(jù)本課題的設(shè)計要求，每個行星輪上的鉆桿配置為3根，且要求鉆桿有回轉(zhuǎn)運(yùn)動。 通過以上行星傳動的設(shè)計，我設(shè)計為：在每個行星輪上一定半徑的圓上均勻布置鉆桿，3根鉆桿通過自身安裝的齒輪，由中心輪來驅(qū)動鉆桿產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動。這就要用到行星齒輪的配齒。 由表（3-2）可查得齒輪傳動的傳動比即其各齒輪齒數(shù)。 查得：，，。 由設(shè)計要求尺寸取模數(shù)m=5。 壓力角。 分度圓直徑 ； 齒頂高 齒根高 全齒高 齒頂圓直徑 ； 齒根圓直徑 基圓直徑 中心距 齒輪材料和熱處理選擇：均采用20CrMnTi,滲碳淬火，齒面硬度58～62HRC,據(jù)圖（6-12）和（6-27），取和，加工精度為6級。 根據(jù)該齒輪組的工作特點(diǎn)，只需滿足其齒根彎曲應(yīng)力的強(qiáng)度條件公式： 首先，按公式（6-69）計算齒輪的齒根應(yīng)力，即： 其中，齒根應(yīng)力的基本值可按公式（6-70）計算，即： 許用齒根應(yīng)力可按公式（6-71）計算，即： 仿上，通過查表或采用相應(yīng)的公式計算，可得出各系數(shù)。 齒根彎曲應(yīng)力，即： 取彎曲應(yīng)力。 因齒根應(yīng)力小于許用齒根應(yīng)力，即。 所以，齒輪副滿足彎曲強(qiáng)度條件。 第6章 鉆桿回轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪設(shè)計 鉆頭在沖擊破石的同時，如果還進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動，就能更好的破石，提高鉆具的成孔效率。 在行星齒輪上，在一定半徑的圓周上，均勻布置三根鉆桿，每根鉆桿在行星齒輪上表面有一個齒輪與其連接，這樣三個齒輪與均勻布置在圓周上，在行星齒輪中央有一齒輪分別與三個齒輪嚙合，通過該齒輪轉(zhuǎn)動，帶動鉆桿作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。而該齒輪的動力通過與其軸的上端大齒與中心齒輪嚙合而得來。這樣兩個齒輪應(yīng)作成雙聯(lián)齒輪。 前面已算出下端小齒輪的各項參數(shù)，下面進(jìn)行上端大齒輪的參數(shù)設(shè)計計算。已知中心距為342mm。 太陽輪a的分度圓線速度。 則與其嚙合的行星輪c的角速度。 設(shè)大齒輪半徑，中心輪半徑為，則+=342(mm)。 大齒輪分度圓的線速度，則與其嚙合的中心輪角速度。 要使鉆桿相對行星輪c產(chǎn)生轉(zhuǎn)動則應(yīng)該：即，得(mm)。 通過該參數(shù)取大齒輪齒數(shù)，中心輪齒數(shù)，傳動比，計算得中心距，可知應(yīng)進(jìn)行漸開線齒輪的變位修正。 由以上可知為已知中心距的設(shè)計，已知參數(shù)如下：，，，，(mm)。 則各項參數(shù)的計算如下： (1) 確定嚙合角： (2) 確定變位系數(shù)和： = =-0.2873 (3) 確定中心距變動系數(shù)： (1) 確定齒頂高降低系數(shù)： (3) 分配變位系數(shù) 、 ，并計算齒輪的幾何尺寸： ①節(jié)圓直徑： =440 ②嚙合角 ③齒頂高 ④齒根高 ⑤齒頂圓直徑 ⑥齒根圓直徑 ⑦中心距 ⑧中心距變動系數(shù) ⑨齒頂高變動系數(shù) 第7章 鉆具的設(shè)計 本鉆具適應(yīng)于軟散顆粒和巖石（中軟巖）地質(zhì)層成孔施工。 潛孔鉆進(jìn)采用沖擊旋轉(zhuǎn)方式破碎巖石。沖擊回旋鉆孔時，作用在鉆頭上的沖擊力（每個鉆刃軸向沖擊力）時才能實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。式中：為巖石的極限抗壓強(qiáng)度，為鉆刃接觸巖石的面積。 扇形面積S內(nèi)的巖石破碎條件是減切力：。式中：為巖石的極限抗剪強(qiáng)度，為巖石受剪切的面積。 ，式中：為鉆刃上軸向沖擊力，為鉆刃的刃角，。 查得中軟巖的抗壓強(qiáng)度為450～850，這里取，。。 則 比較沖擊破碎的沖擊力與剪切破碎的剪切力，得到>，取=900作為潛孔鉆機(jī)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(dāng)大的沖擊力，能完成多種沖壓的氣動執(zhí)行元件。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(jī)構(gòu)而成的?？炫艡C(jī)構(gòu)的作用是當(dāng)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(dāng)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(jìn)氣，排氣，快排活塞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(yuǎn)遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)汽缸來進(jìn)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(jī)處提供的氣壓一般大于10Mpa，選用的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行計算： 進(jìn)行力的換算，相當(dāng)于37680，大于巖石的抗壓強(qiáng)度所要求的沖擊力?？芍?，可以減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(diǎn)來分析，由于運(yùn)動不能使徑向力完全達(dá)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(dá)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(jìn)行吹洗和冷卻。從鉆機(jī)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(fēng)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(diǎn)； 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(diǎn)； 有滑動破巖。 牙輪鉆頭靠鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)，加壓機(jī)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(fēng)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(jìn)，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(yùn)動，對巖石產(chǎn)生沖擊作用。 在鉆進(jìn)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，巖石的堅硬性，孔的直徑，深度及方向是設(shè)計鉆機(jī)的主要依據(jù)，它們決定鉆機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和機(jī)重，同時又影響其它參數(shù)的選擇。在穿孔中，鉆機(jī)、鉆桿和鉆頭三者的互相影響，必須選擇恰當(dāng)，否則就不能順利的實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。 軸壓計算：當(dāng)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(dá)到體積破碎，鉆進(jìn)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(fèi)能量，增加鉆孔成本。軸壓值根據(jù)下式：（130～150） ,式中：D—鉆頭直徑cm。則軸壓為（130～150）（1950～2250） 回轉(zhuǎn)功率計算：牙輪鉆頭的回轉(zhuǎn)扭矩采用下列經(jīng)驗(yàn)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(dāng)提高。這樣可以提高鉆進(jìn)速度。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定值時，特別是在硬巖上鉆孔時，會使鉆機(jī)強(qiáng)烈振動，降低鉆頭壽命，致使鉆進(jìn)速度降低。鉆具的回轉(zhuǎn)速度應(yīng)能在0～120間無級變速。本鉆具通過調(diào)節(jié)水下電機(jī)的變速器達(dá)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(qiáng)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(qiáng)度、剛度的情況下，要有一定的防腐蝕能力，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(jī)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(jī)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(jìn)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(diǎn)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(jìn)行裝配；一種是零件在主軸上從下到上進(jìn)行裝配；還有一種是零件從主軸兩端進(jìn)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(qiáng)度。最后一種裝配方案能從主軸的兩端分別進(jìn)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(qiáng)度。根據(jù)以上分析，選擇零件從主軸上兩端進(jìn)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(yùn)動，軸上零件除了有游動或空轉(zhuǎn)的要求者外，都必須進(jìn)行軸向和周向定位，以保證其準(zhǔn)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(jìn)行定位。由資料得，定位軸肩的高度h=(0.07～0.1)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=(0.07～0.1)150=10.5～15mm，取12mm。上端中心傳動齒輪處h=(0.07～0.1)150=10.5～15mm,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(qiáng)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(shí)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(shí)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)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(jìn)行軸的強(qiáng)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(dāng)?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(qiáng)度條件進(jìn)行計算。 進(jìn)行校核時，通常只校核軸上承受最大計算彎矩的截面的強(qiáng)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M mm mm,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)盤式鉆機(jī)的出渣形式有反循環(huán)出渣方法與正循環(huán)出渣方法。對于直徑較大的樁以及支承樁，絕大多數(shù)采用反循環(huán)出渣方法。 對于正循環(huán)的施工原理。在鉆孔的同時，泥漿泵將泥漿打入空心鉆桿內(nèi)，從鉆頭出漿口沖出的泥漿，由于密度與粘性較大，帶動鉆頭切削下的泥屑、碎石，順著孔向上浮起。溢出孔口后流入渣池。泥漿沉淀后，清泥漿重新被打入孔中。這樣一邊鉆進(jìn)一邊出渣。正循環(huán)由于泥漿密度大、出渣時間長以及清基底較困難，除去小摩擦樁目前仍然采用此種型式，大樁及支承樁不再采用這種方式。 泵吸反循環(huán)施工原理。先在樁位上插入比樁徑大10%～15%的鋼護(hù)筒，護(hù)筒的頂面標(biāo)高至少應(yīng)比最高地下水位高出2m。鉆機(jī)水龍頭出口與砂石泵由橡膠軟管聯(lián)在一起，同時與砂石泵組裝在一起的還有真空泵。鉆孔時，真空泵先啟動，通過軟管將孔內(nèi)的泥漿吸出水龍頭，順著吸渣軟管到達(dá)砂石泵內(nèi)，砂石泵啟動后，孔內(nèi)的泥漿與鉆渣從空心鉆桿內(nèi)被吸出，送入沉渣池，稀漿流入孔內(nèi)，這樣的循環(huán)方式稱為泵吸反循環(huán)。泵吸反循環(huán)由于受到真空度的制約，一般的鉆孔深度約為50m，深度大于50m的鉆孔樁，則應(yīng)采用氣舉反循環(huán)的方式排渣。 氣舉反循環(huán)排渣的工作原理。在鉆進(jìn)過程中，空壓機(jī)將高壓空氣通過鉆桿中的空氣通道送到鉆頭上部的風(fēng)包并向鉆桿內(nèi)噴出。當(dāng)氣體與泥漿混合后，混合體的密度大大降低，從而迅速從鉆桿中心孔中上升，使風(fēng)包下部形成真空，于是便將鉆渣吸上來，并隨著氣漿混合體從水龍頭處排出。當(dāng)鉆孔深度超過50m，一般0.7MP風(fēng)壓的空壓機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓無法有效沖入鉆桿，排渣能力下降，此時可改為使用中間風(fēng)包出氣。中間風(fēng)包一般放在孔深40m處左右，比較幾種排渣方法的排渣效率可知，采用氣舉反循環(huán)，孔深在80m處排渣的效率仍然良好，而泵吸反循環(huán)排渣，在孔深50m處就十分困難了。因此，施工中對淺孔往往采用泵吸反循環(huán)，而對深孔則采用氣舉反循環(huán)。 泥漿循環(huán)系統(tǒng)的主要作用是利用泥漿作為載體進(jìn)行排渣；另一個重要的作用是具有較好的護(hù)壁作用，可以減少甚至完全阻止孔內(nèi)外的滲漏，因此又具有穩(wěn)定水頭的作用。施工中對泥漿的要求較高，泥漿的好壞對成孔的質(zhì)量以及樁的質(zhì)量都有重要的影響。泥漿一般有純硼潤土泥漿與硼潤土黃泥混合泥漿。在泥漿中加入一定比例的純堿（或碳酸氫納）和纖維素（如CMC），可以大大地提升孔壁的穩(wěn)定性。高質(zhì)量的泥漿主要用于支承樁，對一般摩擦樁，則多采用混合泥漿或黃土泥漿。 本鉆具采用氣舉反循環(huán)排渣。選用空氣壓縮機(jī)要考慮兩個指標(biāo)：風(fēng)量與風(fēng)壓。風(fēng)量的大小決定排渣管內(nèi)泥漿的上返速度，施工中推薦的上返速度為3～4m/s，按此速度計算的風(fēng)量為Q=(2～2.4),式中，Q為風(fēng)量；d為鉆桿內(nèi)徑（m）；v為上升速度（m/min）。按鉆進(jìn)深度選用空壓機(jī)的風(fēng)壓可按下式計算：，式中，為空壓機(jī)風(fēng)壓（MP）；為風(fēng)包噴嘴到泥漿面的高度（m）；為泥漿與鉆屑的混合程度(N/m)；為空壓機(jī)壓力余量，取～1.4。算得：Q=(2～2.4)0.15(0.9～1.08)(m/min); 。 鉆進(jìn)參數(shù)及鉆進(jìn)注意事項 1．減壓鉆進(jìn) 大型鉆機(jī)在鉆巖時必須采取減壓鉆進(jìn)。所謂減壓鉆進(jìn)，就是滾齒刀與巖石的接觸壓力保持在一定的范圍。一般情況下，一個12in滾齒刀的壓力應(yīng)不超過35KN，鉆進(jìn)時可根據(jù)地質(zhì)情況取每個刀頭承受20～30KN力為宜。只有對特別硬的巖石，才采用較高的鉆壓。在實(shí)際工作中，卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行減壓鉆進(jìn)，刀盤壓在巖石上的總壓力約為300～400KN。若加大鉆壓，刀盤受到的切削阻力加大，鉆進(jìn)時的轉(zhuǎn)矩