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（优秀毕业全套设计）非开挖水平定向钻机动力头装置设计（整套下载）

铺管深度图.年各种型号水平定向钻机的增长比例.动力头方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.所示。图.水平定向钻机动力头结构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。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，绝大多数商家都采用了齿轮传动。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。如型钻机，驱动方式如图.所示。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，驱动连接方式如图.所示。液压马达经减速机和齿轮箱减速驱动这种方式采用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，般为级减速箱。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。就是采用了这种驱动方式的，驱动连接方式如图.所示。经过动力头回转系统的三种驱动方式的优缺点对比，并且结合现在市场的需求能力，我选用动力头回转系统为齿轮传动里面的液压马达经齿轮减速箱减速驱动的方式。然而不同的液压马达在减速箱上的布置将会产生不同的效果。单液压马达放置在齿轮减速箱前端或后端，如图.所示，这种形式般适用在所需回转扭矩较小的情况下双液压马达对称布置在齿轮减速箱两侧，如图.所示，这种方式两个液压马达同轴驱动主动齿轮，传动扭矩大，同步性高，且由于齿轮箱在动力头设备的宽度方向可以保持个较小的结构尺寸，对于动力头宽度结构尺寸的设计要求更容易满足，但对主动齿轮的强度要求高液压马达在减速箱上同侧并排放置，如图.所示，使用这种方式动力头的结构紧凑，且两个液压马达各自有主动齿轮，对主动齿轮的强度要求有所减低，但是两个对于安装精度要求高，在进行总体设计时要考虑到总宽度不要超出设计要求四液压马达对称布置在减速箱的两侧，这种分布方式结合了双液压马达同侧和异侧布置马达的优点，且给动力头提供了充足的动力，因此选用四液压马达对称分布在减速箱两侧的齿轮传动的动力头驱动系统，如图.所示。图.液压马达直接驱动图.液压马达经齿轮减速箱减速驱动图.液压马达经减速机图.单马达减速箱驱动和减速箱减速驱动液压马达传动箱主轴接头图.异侧双马达减速箱驱动图.同侧双马达减速箱驱动液压马达传动箱主轴接头液压马达减速箱主轴接头图.四液压马达减速箱驱动液压马达传动箱主轴接头动力头推进回拖系统动力头推进回拖系统决定了动力头装置的最大回拖力，同时也就决定了水平定向钻机铺设地下管线的长度钻孔质量和钻机各项技术性能的发挥，推拉系统配合钻架带动动力头起做直线往复运动。目前国内外动力头推拉系统的形式有三中，分别为液压油缸推拉式，此种方法机构简单，无其它中间传动元件，成本低，但是油缸活塞杆伸出较长时容易出现失稳现象液压马达链轮链条推拉方式，该方式属于链传动，结构紧凑成本较低，能够吸收震动，适用范围广泛，但其链条易磨损易松弛和易生锈液压马达齿轮齿条推拉方式，此种方式承载能力强，传动平稳但加工精度高，成本大，故适用于较大吨位的水平定向钻机的运用。第章非开挖水平定向钻机动力头装置参数的确定.最大回拖力研究结果表明在水平定向钻机穿越施工中，最大回拖力受各种因素的影响，如地质条件穿越曲线泥浆性能扩孔工艺管道规格等。因而实际工程中大多情况采用经验估算法来计算回拖力，估算的结果由于受到到些实际因素使用的方法和施工经验的不同影响而存在较大的差异。结合有关研究的结果和力学理论，以工程实际的统计资料为依据，目前国内外对穿越管道最大回拖力的计算常用卸荷拱土压力计算法，净浮力计算法和绞盘计算法等三种计算方法。本文主要根据净浮力计算方法来进行最大回拖力的计算。此方法在轨迹曲线和扩孔质量良好的情况下运用。净浮力算法的基本思路是穿越管段在孔道内仅受到重力和泥浆浮力的作用。泥浆对管段的净浮力构成对孔道的正压力。基本公式为对于钢质油气管道，忽略不计外防腐层的厚度和重量，则故式中单位长度穿越管段在孔内所受到的浮力综合摩擦系数无量纲，般取，取.穿越管段的壁厚，取值，即.钢材重量孔内泥浆土混合液容量，取铺管直径，取值为，即.铺设管线的长度，取值为。因此.最大回转扭矩动力头的回转扭矩主要有两方面的作用方面是孔穴内整个钻杆系统回转时所受到的摩擦阻力距另方面是为刀盘回扩钻头等提供动力，即克服刀盘阻力矩。钻杆摩擦阻力矩计算钻杆在孔穴内所受到的阻力矩可以看成是单位长度上的摩擦力矩沿钻杆轴线方向上的次积分。钻杆摩擦阻力矩出现在机器回拖作业中回扩钻头刚进入土壤的时候。根据文献钻杆摩擦阻力矩具体计算公式式中钻杆最大摩擦阻力矩的回转半径，取值为，即.长度，取值为阻力，取值为代入数据可以求出钻杆在土壤中回转时的最大摩擦阻力矩。刀盘阻力矩计算刀盘阻力矩与刀盘半径及土壤抗剪强度有关，根据文献得到其计算公式如下式中所受到土壤对其的阻力矩半径，为所铺设管线半径的倍，管线半径为的抗剪强度，不同地质土壤的抗剪强度见表所示。根据公式，代入数据，可以求得水平定向钻机在硬坚硬粘土中回拖作业时受到的刀盘阻力矩表各种地质中土壤的抗剪强度地质类型地质类型致密砂层粉砂层淤积层中等致密砂层软硬粘土砂砾石层硬坚硬粘土软岩固结土松散砂层最大回转扭矩动力头的回转扭矩为在定安全系数的前提下钻杆摩擦阻力矩与刀盘阻力矩之和，具体公式如下式中动力头的最大回转扭矩钻杆摩擦阻力矩，刀盘阻力矩，系数，可取代入数据，可以求得动力头的最大回转扭矩为。根据算得的最大推进力和最大回转扭矩，对比国内外各种不同型号的水平定向钻机的参数，可以类比得到本水平定向钻机的最大推拉力时进给速度，动力头最高回转速度。因此，本次设计的水平定向钻机动力头参数如表。表动力头主要技术参数最大回拖力最大回转扭矩最大推拉力时进给速度最大回转速度.动力头零部件选型与设计液压马达的选型根据前面章节对动力头结构的研究，本文采用动力头回转系统由个相同的液压马达驱动。根据最大回转扭矩等数据可以求得单个液压马达的输出扭矩，计算公式如下式中液压马达的输出扭矩最大回转扭矩，的传动比，为代入数据求得单个马达的输出扭矩根据液压马达的输出轴扭矩，可以计算马达的排量，具体计算公式如下式中的排量液压马达的输出扭矩，的工作压力，效率，代入数据求得马达的排量由于动力头的最高转速度为折算到液压马达输出轴上的转速为，即液压马达的最高转速不应低于。由上述计算可知，所选的液压马达排量不得小于.，最大输出扭矩不得小于，最高转速不得小于。液压马达的常用类型有齿轮马达柱塞马达摆线马达多作用内曲线马达五星马达等。通过对比可知，摆线马达为中小功率低速大扭矩马达且其可靠性好效率高寿命长噪音低用途广等特点。故选用型摆线液压马达，技术参数表所示表型摆线液压马达技术参数型号排量最大压降最大扭矩.转速流量功率重量连续尖峰连续尖峰.发动机选型与计算根据马达输出功率的计算公式式中马达输出扭矩马达转速对于动力头回转系统，马达的计算用动力头老替代，可以得到回转系统所需要的出入功率，即回转系统总效率.则。根据运动学上功率的定义，可以计算出动力头推拉系统所需要的输入功率此时动力头最大推拉力，推进速度.，该系统总效率.，则.综上所述，动力头液压马达驱动系统所需要的输入功率。由于水平定向钻机在工作时是由泥浆泵和动力头液压驱动系统联合工作，故考虑到泥浆泵的需要，发动机选用重庆康明斯，该发动机的计算参数如表所示表重庆康明斯发动机参数发动机型号机组型号功率缸数及类型缸径行程压缩比排气量燃油消耗缸直列回转系统齿轮设计.选定齿轮类型精度等级材料及齿数选用直齿圆柱齿轮传动选用级精度选择小齿轮材料为调质，齿面硬度为大齿轮选用钢调质，齿面硬度为选用小齿轮齿数为，齿数比.，故大齿轮齿数为.按齿面接触疲劳强度设计计算按式计算小齿轮分度圆直径确定各参数值载荷系数.小齿轮传递的扭矩齿宽系数，取.，则.材料弹性影响系数区域系数重合度系数，因，则可得许用应力，查图可知，计算应力循环次数接触疲劳寿面系数，计算接触疲劳许用应力取失效概率。安全系数则两式计算中的值比较取较小值，则故.确定模数计算模数取标准值.按齿根弯曲疲劳强度校核计算由公式式中小齿轮分度圆直径齿轮啮合宽度复合齿形系列，查图可知，重合度系数许用应力，查图可得，取弯曲疲劳安全系数.弯曲疲劳寿命系数，则计算大小齿轮的，并进行比较，由于，故因此满足齿根弯曲疲劳强度要求。.几何尺寸计算由于，则，取.大齿轮结构如图.所示。图.大齿轮结构图动力头主轴的尺寸确定及校核拟定轴上零件的装配方案，如图.所式。图.主轴零件装配图各段轴轴径与轴长的确定根据扭转强度计算轴径，选用钢调质处理，由于发动机的功率，效率为，经过减速箱后，机械磨损为，故，作用在主轴上的功率为.。则根据公式由于右起第段连接钻杆，且上面安装有键槽，故轴径应在最小直接的基础上加，故取该段轴直径为，长为右起第二段考虑到轴的定位和轴承的承载能力的问题，则取直径为长为右起第三段，考虑到轴的轴向承载能力和轴承端盖的连接，取该段直径为，长为右起第四段。由于有轴承和齿轮的定位问题，选择轴承型号为，即，故轴的直径为，长为右起第五段，该段装有齿轮，直接取。轴和齿轮之间采用矩形花键连接如图.所示，采用花键连接的优势是花键连接比平键连接承载能力高对轴削弱程度小齿浅应力集中小定心好和导向性能好等。它适合与定心精度高，载荷大或经常滑移的连接。根据齿轮宽度可以求得该段轴的长度为右起第六段，考虑齿轮的轴向定位，需有定位轴肩，取轴肩直径，长为右起第七段，该段为圆锥滚子轴承安装处，故直径为，考虑到轴承的定位，该段长度取为。右起第八段，该段与旋转解头相连接，参照，选用普通型平键连接，直径为，长度为