【毕业设计】非开挖水平定向钻机顶进回拖系统结构毕业设计说明书

回拖力，扭矩，性能指标覆盖范围大，功率匹配合理可靠，技术水平含量高，尤其是在控制自动更换钻杆等方面有其独特的先进性和优越性。

目前国外的发展朝着大型化微型化硬岩作业机械自动化含自备式锚固系统钻杆自动堆放与提取钻杆连接自动润滑防触电系统等自动化作业功能超深度导向监控等趋势发展。

国内的现状目前我国产品整体的水平相对落后，的技术发展历程主要经历了个阶段。

第阶段为技术引进期。

即年代中期至年代中期，我国的产业有了定的基础和发展，建立了自己的设计研制基地，并开发出定数量和规格的。

第二阶段为研发期。

即年代中期以后，原地矿部建设部冶金部等些相关单位，在些小型的自主研发方面取得了些突破和可喜的成绩，主要产品有中国地质科学院勘探技术研究所生产的拖式非开挖定向钻机自行走非开挖定向钻机。

连云港黄海机械厂与首钢地质勘察院共同开发了水平定向钻等，北京派普莱非开挖技术有限公司开发了水平定向钻，这两家生产的均是拖式非开挖钻机。

这些水平定向钻整机技术性能尚无法与外国产品抗衡，但价格低廉，在国内占有定的市场。

虽然这时期国内水平定向钻的产品已是液压控制，但其自动化程度较低，辅助工作时间较长，工作效率低，且钻杆采用磨擦焊结构，焊缝处经常断裂，出现严重的施工质量事故，影响了施工单位的经济效益。

第三阶段为发展期与进口期，即十五期间国内大中小的系列产品有了很大发展。

如中联重科深圳钻通廊坊诺地北京土行孙南京地龙连云港黄海等公司，其钻机回拖力般在以内，控制系统为液控，自动化程度较低，生产效率低，人员劳动强度高，绝大部分型号为拖式。

中联重科公司产品型号为，回拖力。

该公司的产品在国内硬岩施工工程中占有定的地位。

廊坊华元机电的产品型号为，回拖力在。

徐工科技等水平定向钻产品是在参考国外多种同类产品的基础上，采用了机电液集成的控制电液比例控制防触电报警等世界流技术，进行综合开发的系列产品。

据调查，年度国内新增接近台，国产钻机的市场占有率已提高到，其中新增大型钻机回拖力大于台，其中台为进口设备。

年，国内新增加约台，目前国外公司的产品正大量涌入我国市场，主要有美国的凯斯公司公司威猛公司等，年，我国进口约台。

本论文研究的主要内容和特色本论文主要进行非开挖定向钻机顶进回拖系统结构设计计算，顶进回拖机构结构的不同，对进给回拖力的影响相当大，水平钻机中常用的顶进回拖机构根据结构不同可分为液压油缸进给方式马达链条回拖式液压马达齿轮齿条顶进回拖式根据提供进给回拖速度与力的不同，结构可分为液压油缸倍速进给机构，马达链条倍力机构。

图齿轮齿条传动原理图通过采用如图所示的齿轮齿条的新型传动方式设计非开挖水平定向钻机的顶进回拖系统，改善水平定向钻机顶进回拖时的动态性能，优化结构。

因为齿轮齿条结构简单，所能传递的功率高，技术成熟，成本低，可以得到广泛的应用。

本论文研究的意义及主要关键技术指标意义随着国家基础建设的投入持续增长，尤其是批国家重点项目的陆续启动，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。

更要具有复杂性和安全性，通常使用的工程机械在使用时只具有钻进功能或者采用其他不合理的传动方式，且钻进力有限，当遇到坚硬的岩石，如卵石灰岩花岗岩等硬岩石地层，就不得不改变钻进方位，或者另钻他孔，为了解决此问题，我在老师的指导下设计计算采用齿轮齿条传动的非开挖水平定向钻机顶进回拖机构，优化水平定向钻机性能。

增大钻机传递功率，克服较大阻力，它有效的解决了设定的问题。

关键技术指标通过合理的设计与布局确保装置具有良好的工作平稳性，既具有较低的震动频率，并能有效的控制噪声。

合理的设计传动机构，以确保电机齿轮齿条钻头之间所有的力与力矩的可靠传递，使装置具有良好的操纵稳定性的要求。

便于布置，要考虑给齿轮齿条部分留出足够的空间。

所有零部件应具有足够的强度与使用寿命。

制造成本低。

便于维修保养。

第二章总体方案及动力头导轨设计计算总体方案设计整体方案内容本毕业设计拟采用齿轮齿条传动的形式传递动力，如图所示图整体方案示意图采用电动机驱动，经齿轮组减速齿轮齿条传动，驱动非开挖定向钻机动力头顶进或者回拖。

本方案主要包括四个部分电动机减速齿轮组齿轮齿条动力头。

电动机通过设计计算整个系统所需功率，通过查阅相关的机械设计手册，选定电动机型号，提供整个系统所需的动力减速齿轮组电动机输出的转速较高，而动力头所需的钻进速度较低，则要求齿轮齿条传递的速度较低，通过减速齿轮组，既能传递较大的功率，又能将电机转速降低至所需的目标转速齿轮齿条齿轮齿条传动是本设计的重点内容，它将电机的转动转化成齿条的直线位移，既水平定向钻机的动力头的顶进和回拖动力头动力头是实现钻孔功能的核心部件，另行设计。

设计方案特点采用电机驱动与传统的水平定向钻机相比，传统顶进回拖系统多采用液压驱动，液压系统具有效率低环境污染严重容易发生火灾易发生泄漏等缺点。

本设计的电机驱动顶进回拖系齿顶高齿轮齿条齿根高齿轮齿条齿高齿轮齿条齿轮中心到齿条中心距齿距齿条齿数第五章轴的设计计算及校核轴是组成机器的主要零件之，切做回转运动的传动零件，都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。

因此，轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。

轴的设计计算计算轴上的功率转速和转矩求作用在齿轮上的力选取轴的材料为钢，调制处理。

根据机械设计手册表取。

根据下式初步估算轴的最小直径轴的最小直径显然是安装齿轮齿条中齿轮处的直径，与齿轮的孔径相适应，根据齿轮的分度圆直径为，取然后根据齿宽，根据装配关系，取轴的结构设计拟定轴上零件装配方案本设计中非开挖水平定向钻机顶进回拖机构中主轴的结构与装配如下图所示图轴的结构与装配确定轴向定位和各段轴的直径和长度为了满足齿轮齿条中齿轮的轴向定位要求，轴段右端需制出轴肩，故取段的直径，左端用轴端挡圈定位，按轴端直径选择挡圈直径为。

由于齿轮与轴配合的毂孔长度为，为了保证轴端挡圈只压在齿轮上而不压在轴的端面上，故段长度比略短，现取，取初步选择滚动轴承。

因为轴承受到径向力的作用，故选用深沟球轴承，参照工作要求并根据，初步选择，其基本尺寸为，故，取。

右端轴承采用轴肩定位。

由手册查得其安装尺寸，故取取安装齿轮处的直径为齿轮的左端与左轴承之间采用套筒定位。

已知齿轮宽度为，故取取齿轮距箱体内壁之间距离为，考虑到箱体铸造误差，在确定滚动轴承位置时，应距箱体内壁段距离，取为，已知轴承宽度，大齿轮轮毂长，则齿轮右端采用轴肩定位，轴肩高度，故取，则轴环宽度，故根据总体尺寸至此，已初步确定了轴的各段直径和长度。

轴上零件周向定位输出齿轮与轴的连接采用平键，按由手册查取并选择平键长度为，即选用平键为输入齿轮的平键型号为滚动轴承的周向定位是靠过盈配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为。

确定轴上圆角和倒角尺寸取轴端倒角为，各轴肩处的圆角半径如图所示。

轴的校核首先根据轴的装配结构图做出轴的计算简图。

在确定轴承指点位置时。

根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图如图所示图轴的弯矩图和扭矩图从轴的结构图以及弯矩图和扭矩图中可以看出轴的危险截面。

现将计算出的危险截面的及的值如表所示表危险截面的及值载荷垂直面水平面支反力弯矩总弯矩扭矩进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面即危险截面的强度。

根据机械设计手册中的公式和数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环应力，取，轴的计算应力为前面选择轴的材料为钢，调制处理，由机械设计手册查得。

因此，，故安全。

轴承的校核根据设计要求，采用深沟球轴承，只承受径向力。

根据公式校核轴承使用寿命式中温度系数，取基本额定动载荷，对于滚子轴承基本额定动载荷，通过查阅机械设计手册，得当量动载荷，因为是深沟球轴承，只承受径向力，取两个轴承中载荷较大者，得代入公式计算得满足设计要求。

第六章辅助部件的设计计算螺栓的设计螺栓的主要作用钻机螺栓主要作用有连接机架，并起固定整个结构主轴分别由三个个螺栓固定，由套筒进行定位安装采用普通螺栓时，靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩，假设各螺栓的预紧程度相同，即各螺栓的预紧力均为，则各螺栓联接处产生的摩擦力均相等，并假设此摩擦力集中今后作用在螺栓中心处。

为阻止接合面发生相对转对，各摩擦力应与各该螺栓的轴线到螺栓组对称中心的连线相垂直。

根据作用在箱体上的力矩平衡及联接强度的重要条件，应有式中可靠性系数，取联接摩擦副的摩擦因数，查表得转矩作用半径螺栓个数。

螺栓的设计计算及校核由设计计算说明书中可知，摩擦因数齿轮所受的切向力，转矩，代入得由于螺纹贯穿整个箱体，将上箱体与下箱体连接，且在同螺纹内所受拉力大小不变，故可将两端转矩平分，即两结合面处转矩于是螺纹内拉应力此接合面选用的外六角螺栓联接，在拧紧力矩作用下，螺栓除受预紧力的拉伸作用而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩的扭转而产生扭转切应力，使螺栓处于拉伸扭转的复合应力状态下。

因此，进行仅受预力的紧螺栓强度计算时，应综合考虑拉伸应力扭转切应力的作用。

则螺栓预紧力状态下的计算应力为螺栓的许用拉应力为式中安全系数因此，螺钉强度满足。

此时可以算得螺栓的拧紧力矩为所以，螺栓各尺寸需按照结构需要而定，根据设计计算尺寸，螺栓选用，和，。

润滑考虑到该非开挖水平定向钻机顶进回拖机构的的工作形式，所有齿轮齿条都须润滑，但是由于齿轮齿条暴露在空气中，故采用润滑脂润滑考虑该减速器的工作形式，所有齿轮都须润滑，故采取全浸油式润滑。

为防止减速箱内润滑油泄漏和外界杂质，灰尘等侵入，各接合表面须安装密封装置，在各接合面上涂层密封胶，并用螺钉螺栓拧紧，以保证减速器的密封性。

齿轮油选用润滑油，油封下轴承采用润滑脂润滑齿轮齿条采用润滑脂润滑，其相关参数如下表表所示表型润滑脂参数级数增稠剂类型复合锂