大直径桩基础工程成孔钻具设计

大直径桩基础工程成孔钻具设计内容摘要：

④计算许用齿根应力 按公式（671）计算许用齿根应力，即：已知齿根弯曲疲劳极限=340。 由表（611）查得最小安全系数。 式中各系数、和取值如下：应力系数，按所给定的区域图取时，取。 寿命系数按表（616）中的（4）式计算，即：式中应力循环次数按表（613）中的相应公式计算，且可按每年工作300天，每天工作16h，即：则得齿根圆角敏感系数按图（633）查得。 相对齿根表面状况系数按表（618）中对应公式计算，即： 取表面微观不平度，代入上式得： 尺寸系数按表（617）中对应的公式计算，即： 代入公式（671）可得许用齿根应力为： 因齿根应力小于许用齿根应力，即。 所以，ac齿轮副满足齿根弯曲强度条件。 (2)bc齿轮副 在内啮合齿轮副bc中只需校核内齿轮b的齿根弯曲强度，即仍按公式（669）计算其齿根弯曲应力及按公式（671）计算许用齿根应力。 已知。 仿上，通过查表或采用相应的公式计算，可得到取值与外啮合不同的系数为，，，，和。 代入上式则得： =取。 ==399可见，故bc齿轮副满足齿根弯曲强度条件。 行星轮系的特点之一是可采用多个行星轮来分担载荷。 但实际上，由于制造和装配误差，以及工作时的变形等，往往会出现各行星轮受力极不均匀的现象，为了尽可能降低载荷分配不均现象，必须采用结构上的措施来保证载荷得到接近均匀的分配。 为此，常把行星轮系中的某些构件作成可以浮动的。 在轮系运转中，如各行星轮受力不均匀，这些构件能在一定的范围内自由浮动，以达到自动调节各行星轮载荷的目的，此即所谓“均载装置”。 均载装置的类型很多，有使太阳轮浮动的，有使行星轮浮动的，有使行星架浮动的，也有使几个构件同时浮动的。 对本钻具来说，三个行星轮各轴心在圆周上是均匀布置的，采用中心轮浮动，这样该均载机构就相当于一个万向联轴器，而实际上多用齿轮联轴器(双齿或单齿，见下图)。 由于齿轮联轴器对中心轮在径向上的自动补偿作用，最终可使各啮合作用力相等，且组成等边三角形。 这样就可使中心轮的体积小、质量小，结构简单，浮动灵活，与其连接的均载机构较容易制造，且便于安装。 根据以上所述，采用中心轮浮动均载装置。 第5章 钻杆齿轮设计依据本课题的设计要求，每个行星轮上的钻杆配置为3根，且要求钻杆有回转运动。 通过以上行星传动的设计，我设计为：在每个行星轮上一定半径的圆上均匀布置钻杆，3根钻杆通过自身安装的齿轮，由中心轮来驱动钻杆产生回转运动。 这就要用到行星齿轮的配齿。 由表（32）可查得齿轮传动的传动比即其各齿轮齿数。 查得：。 由设计要求尺寸取模数m=5。 压力角。 分度圆直径 ；齿顶高 齿根高 全齿高 齿顶圆直径 ；齿根圆直径 基圆直径 中心距 齿轮材料和热处理选择：均采用20CrMnTi,渗碳淬火，齿面硬度58～62HRC,据图（612）和（627），取和，加工精度为6级。 根据该齿轮组的工作特点，只需满足其齿根弯曲应力的强度条件公式：首先，按公式（669）计算齿轮的齿根应力，即： 其中，齿根应力的基本值可按公式（670）计算，即：许用齿根应力可按公式（671）计算，即： 仿上，通过查表或采用相应的公式计算，可得出各系数。 齿根弯曲应力，即：取弯曲应力。 因齿根应力小于许用齿根应力，即。 所以，齿轮副满足弯曲强度条件。 第6章 钻杆回转驱动齿轮设计钻头在冲击破石的同时，如果还进行回转运动，就能更好的破石，提高钻具的成孔效率。 在行星齿轮上，在一定半径的圆周上，均匀布置三根钻杆，每根钻杆在行星齿轮上表面有一个齿轮与其连接，这样三个齿轮与均匀布置在圆周上，在行星齿轮中央有一齿轮分别与三个齿轮啮合，通过该齿轮转动，带动钻杆作回转运动。 而该齿轮的动力通过与其轴的上端大齿与中心齿轮啮合而得来。 这样两个齿轮应作成双联齿轮。 前面已算出下端小齿轮的各项参数，下面进行上端大齿轮的参数设计计算。 已知中心距为342mm。 太阳轮a的分度圆线速度。 则与其啮合的行星轮c的角速度。 设大齿轮半径，中心轮半径为，则+=342(mm)。 大齿轮分度圆的线速度，则与其啮合的中心轮角速度。 要使钻杆相对行星轮c产生转动则应该：即，得(mm)。 通过该参数取大齿轮齿数，中心轮齿数，传动比，计算得中心距，可知应进行渐开线齿轮的变位修正。 由以上可知为已知中心距的设计，已知参数如下：，，(mm)。 则各项参数的计算如下：(1) 确定啮合角： (2) 确定变位系数和： = =(3) 确定中心距变动系数： (1) 确定齿顶高降低系数： (3) 分配变位系数 、 ，并计算齿轮的几何尺寸：①节圆直径：=440②啮合角③齿顶高 ④齿根高 ⑤齿顶圆直径 ⑥齿根圆直径 ⑦中心距 ⑧中心距变动系数 ⑨齿顶高变动系数 第7章 钻具的设计本钻具适应于软散颗粒和岩石（中软岩）地质层成孔施工。 潜孔钻进采用冲击旋转方式破碎岩石。 冲击回旋钻孔时，作用在钻头上的冲击力（每个钻刃轴向冲击力）时才能实现钻进。 式中：为岩石的极限抗压强度，为钻刃接触岩石的面积。 扇形面积S内的岩石破碎条件是减切力：。 式中：为岩石的极限抗剪强度，为岩石受剪切的面积。 ，式中：为钻刃上轴向冲击力，为钻刃的刃角。 查得中软岩的抗压强度为450～850，这里取。 则比较冲击破碎的冲击力与剪切破碎的剪切力，得到，取=900作为潜孔钻机冲击器设计的依据。 钻杆的施力装置由以上计算可知，岩石的破碎主要是钻杆轴向冲击力的大小决定。 而对于脆性的岩石面的破碎，也数首次的冲击破碎效果最佳，所以必须保证每次冲击的能量足够大。 根据以上要求，我查了很多相关资料，最后决定采用气动力冲击或液压力冲击。 但根据本钻具采用气举升排渣，决定采用气动力冲击，这样就可以就地利用气源，减少了其配套设备，降低了生产成本。 查得气动冲击有关的书籍，决定采用冲击汽缸来产生岩石破碎的冲击力。 冲击汽缸是一种结构简单、体积小、耗气功率小，但能产生相当大的冲击力，能完成多种冲压的气动执行元件。 在冲击汽缸中，采用快排型冲击汽缸。 下页图为快排型冲击汽缸的结构图和工作原理图： 它是在非快排型冲击汽缸下部增加了快排机构而成的。 快排机构的作用是当活塞需要下冲时，能使活塞下腔以通流面积足够大的通道迅速与大气连通，相当于一快速排气阀，使活塞下腔背压迅速降至很低。 快排型冲击汽缸工作过程见图b,接通气源，压缩空气经由输入快排活塞下腔，快排活塞上腔经排气，快排活塞上移，封住冲击缸下腔排气孔；同时压缩空气经节流后经输入冲击缸下腔，排气，活塞和活塞杆上升，封住中盖5的喷气口；同时活塞杆上的挡块触动阀的推杆6，发出信号使动作，压缩空气经由输入蓄气腔，并使之充满，此时若给一个气信号使之动作，则进气，排气，快排活塞3下移，迅速打开冲击缸下腔排气孔，冲击缸下腔背压迅速降至很低，活塞杆便可在最大压差下快速向下冲击。 这种汽缸活塞下腔气体已经不像非快排型冲击汽缸那样被急剧压缩，使有效工作行程可以加长十几倍甚至几十倍，加速行程很大，故冲击能量远远大于非快排型冲击汽缸，冲击频率比非快排型提高约一倍。 由于本设计主要为钻具设计，选择采用标准汽缸来进行组合，减少另外设计的生产的成本。 破碎岩石的冲击力要求大于900才能破碎岩石。 由空气压缩机处提供的气压一般大于10Mpa，选用的标准汽缸的缸内径为80mm，汽缸的活塞杆外径为40mm，活塞的行程为500mm，现采用气压为10Mpa来进行计算：进行力的换算，相当于37680，大于岩石的抗压强度所要求的冲击力。 可知，可以减小空气压力的大小来调节冲击力的大小，以适应不同的地质要求。 汽缸往复冲击次数：。 耗气量： 总共装有9个汽缸，则：第8章 主钻头的设计按本钻具的特点来分析，由于运动不能使径向力完全达到平衡，就可能使钻具工作时不稳定，影响工作效率，且中心处是刀具路径不能到达的地方。 因此，应在中心处装一钻头来保持中心的稳定。 根据这一要求，在主动轴端安装一个定型产品的小直径牙轮式中心钻，其与主轴采用装配式的连接方法，便于钻头的拆卸和维修方便。 牙轮钻头的结构和工作原理为下图：牙轮钻头由三个牙爪及三个安装在牙轮轴颈上的牙轮组成。 牙轮分两种型式。 见下气，对轴承进行吹洗和冷却。 从钻机送入的排渣压气通过喷嘴，形成了高速气流，喷入孔底表，三个牙爪焊成一体，在端部加工成锥螺纹，与钻杆联结。 吹洗风道用于通入压缩空排渣。 牙轮主要型式为：镶齿钻头楔齿钻头适应中硬岩，硬岩；牙轮体表面镶硬质合金柱；三牙轮中心交于一点；无滑动破岩。 适应于表土，软岩；牙轮体表面齿为楔形；三牙轮中心不交于一点；有滑动破岩。 牙轮钻头靠钻机的回转，加压机构施加在钻头上的回转力矩及轴压力破碎岩石。 钻头的回转带动牙轮滚动，在轴压力静载荷及牙轮转动时的动载荷作用下，牙轮上的齿以压碎、冲击、减切等形式破碎岩石，岩渣由压风吹出孔口。 对不同性质的岩石使用不同类型的钻头，是提高破岩效率的重要条件。 大部分坚硬的岩石均具有脆性，应采用镶硬质合金柱的钻头，用纯滚动而无滑动的牙轮钻头钻进，牙轮借助于轴压力和冲击力的作用切入岩石，使之破碎。 对于中硬具有塑性的岩石，为了提高破碎效果，牙轮除滚动外，同时应具有一定的滑动剪切岩石。 在软岩中使用的铣齿牙轮钻头，应具有较大的滑动力切削岩石。 钻头旋转时，牙轮还绕本身轴线旋转，则牙轮以一个齿着地或两个齿着地，牙轮中心随之上下运动，对岩石产生冲击作用。 在钻进过程中，由于钻头不断被磨损，受到钻凿的岩石表面的几何形状也随之变化，因而影响到岩石破碎前的应力状态。 本设计采用已定型的小径牙轮中心钻头。 根据岩石的特性不同，选用不同的牙轮型式，以便于提高成孔效率。 其主要参数的确定必须考虑到，岩石的坚硬性，孔的直径，深度及方向是设计钻机的主要依据，它们决定钻机的主要结构和机重，同时又影响其它参数的选择。 在穿孔中，钻机、钻杆和钻头三者的互相影响，必须选择恰当，否则就不能顺利的实现钻进。 轴压计算：当钻头对岩石的作用力大于岩石的临界抗压应力时，岩石才会迅速破碎。 轴压越大，越容易达到体积破碎，钻进速度就越快。 但轴压太高，会导致牙轮钻头容易损坏和迅速磨损，降级钻头的使用寿命，浪费能量，增加钻孔成本。 轴压值根据下式：（130～150） ,式中：D—钻头直径cm。 则轴压为（130～150）（1950～2250）回转功率计算：牙轮钻头的回转扭矩采用下列经验公式计算： 回转速度：根据岩石性质的不同及操作需要，钻具钻速应能调整。 穿硬岩、开孔及接、卸钻杆时宜用低速；钻软岩时，转速可以适当提高。 这样可以提高钻进速度。 当转速增加到一定值时，特别是在硬岩上钻孔时，会使钻机强烈振动，降低钻头寿命，致使钻进速度降低。 钻具的回转速度应能在0～120间无级变速。 本钻具通过调节水下电机的变速器达到这一要求。 第9章 主轴的设计轴的设计也和其它零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两方面。 轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。 轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。 由于主轴要完全处于水下的泥浆之中，在满足强度、刚度的情况下，要有一定的防腐蚀能力，这就要求合理的选择材料。 轴的材料主要是碳钢和合金钢。 钢轴的毛坯多数是用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。 合金钢比碳钢具有更高的机械性能和更好的淬火性能。 因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。 选择的材料为40Cr调质钢。 轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。 轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴联接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。 其主要考虑的问题如下：(一)定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。 由于钻具的外形特点为圆筒形，这样就存在三种装配方案：一种是零件在主轴从上到下进行装配；一种是零件在主轴上从下到上进行装配；还有一种是零件从主轴两端进行装配。 分析可知，前两种装配方案对加工精度和装配工艺要求很高，且存在主轴在一个方向上存在过多阶梯的情况，影响轴的强度。 最后一种装配方案能从主轴的两端分别进行装配，轴的径向尺寸变化不大，这对轴的结构将大大简化，提高了轴的强度。 根据以上分析，选择零件从主轴上两端进行装配的方案。 (二)轴上零件的定位为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求者外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置。 轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、圆螺母。