1、 第 1 页YZ100 型全液压非开挖钻机设计（一） 总体设计专 业：机械设计制造及其自动化全套图纸，完整版设计，加 153893706摘要非开挖导向钻机是非开挖技术中发展最快的一种机械设备。这种设备可以广泛的应用与市政、灌溉等工程中的管道、电缆的铺设。在本设计中广泛的吸收和借鉴了其它一些钻机的优点，在一些地方做了改进性尝试。在主梁导轨结构方面采用了双燕尾结构，有效的解决了动力头使用一段时间后松动的现象，保证了钻机在工作中的稳定性；采用了橡胶履带，适合在城市硬制和比较松软的路面上行驶；液压加紧拧卸机构，保证了钻杆的连接力，提高了工作效率。采用非开挖技术进行地下管线的施工是现代工程机械发展的需要
2、，因而非开挖钻机迅速的得到应用和推广是当今世界非开挖工程发展的趋势。第 2 页关键词：非开挖，导/定向钻机，动力头，主梁，锚固The Design of Trenchless Drill Machine-Total designSpecially: Mechanical Design Manufacturing the rubber track of the high strength is suitable for driving in the cenment ground or the lawn north bound.Using trenchless technology for lay
3、ing all kinds of pipes and cables is the demand for development of modern machine, so this trenchless technology dill machine will be used more and more extensively and quickly, it is the trenchless technology project world.第 3 页Keywords: Trenchless Horizontal/ Directional Drilling, Driving Head, Ma
4、in Bean, Anchor Equip第 1 页目录1.绪论 11.1 引言 11.2 非开挖技术的介绍 11.3 国内外非开挖技术的发展 41.4 本设计的分析和特点 62.方案的构思和抉择 82.1 非开挖钻进技术的施工工艺 82.2 主要方案的构思与分析 92.2.1 进给/回拖机构的设计和选型 92.2.2 动力头结构的设计和选型 142.2.3 钻杆加持 拧卸机构的设计 162.2.4 液压驱动系统的设计和选择 182.2.5 导向滑架变角机构的设计 212.2.6 泥浆系统的设计 212.2.7 行走系统（底盘）的设计与选型 222.2.8 发动机系统的设计与选型 242.2.
5、9 钻杆装卸机构的设计 242.2.10 锚固装置的设计 252.2.11 润滑系统的设计 253 主要参数和零部件的设计计算 263.1 总体的结构和布局 263.2 整机参数的计算 273.2.1 工作机构进给力的计算 273.2.2 钻机回拖力的计算 273.2.3 回转扭矩的计算 283.2.4 钻头转速的确定 283.2.5 钻进速度的确定 293.2.6 整机功率的计算 303.2.7 主要外形参数的计算 323.3 底盘的设计及计算 343.3.1 履带的设计 343.2.2 履带强度的计算 353.3.3 驱动轮的设计 363.3.4 驱动轮强度计算 373.3.5 支重轮的设
6、计 383.3.6 支重轮强度校核 39第 2 页3.3.7 拖轮的设计 413.3.8 导向轮的设计 413.3.9 导向轮强度的校核 433.3.10 张紧装置的设计 443.3.11 钻机行走牵引力的计算 473.3.12 履带和地面的附着力的计算 483.4 工作机构的设计计算 483.4.1 链条的设计与选择 483.4.2 链条静力强度的验算 503.4.3 链轮的设计与计算 523.4.4 链轮键的设计与选择 553.4.5 主动链轮轴的设计与校核 553.4.6 从动链轮轴的设计与校核 583.4.7 链轮轴轴承的设计与计算 603.4.8 主梁的设计计算 623.4.9 导轨
7、的设计计算 643.4.10 动力头滑板的设计与计算 663.4.11 动力头紧固螺栓的选择与校核 673.4.12 动力头滑板连接焊缝的校核 703.4.13 链轮轴轴承座的设计 723.4.14 链条总长度的确定 743.4.15 主梁整体稳定性和局部稳定性的校核 743.4.16 夹持拧卸机构的设计 763.4.17 轴承端盖的设计 783.4.18 主梁两端端盖板的设计 794.使用与维修说明 804.1 操作环境及使用条件 .804.1.1 本机的操作环境 804.1.2 YZ100 型非开挖钻机安全使用规则 .804.2 技术条件 .814.2.1 加工制造条件 814.2.2 使
8、用技术条件 814.2.3 验收及涂漆技术条件 .824.2.4 标志及包装 .84参考文献 86结束语 87致谢 88附录 89第 1 页1.绪论1.1 引言非开挖铺管技术（No-dig ）是指利用岩土导向、定向钻进等手段，在地表不挖槽的情况下，铺设、更换或修复各种地下管线的施工新技术。它是20世纪70年代末在西方发达国家兴起并逐渐走向成熟的地下管线铺设、修复和更换的新技术。在经历了一个世纪的发展，非开挖技术不断的借鉴、吸收相关领域专业知识来完善自己。特别是近几十年，由于城市、交通、通讯等事业的蓬勃发展，需要在地下铺设大量的管道、电缆等各种管线。而这些管线之中有些需要穿越城市建筑物、公路、江
9、河湖泊、铁路干线、机场跑道、名胜古迹等不允许使用开挖的方法施工。因此非开挖技术迅速的发展起来。与传统的挖糟施工法相比，非开挖施工技术具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合成本低、社会效益显著等优点。因此，有人称其为地下管线施工的一项技术革命。近几年人们对居住环境状况越来越重视。并且保护环境、爱护环境、治理环境已经成为当代人生活的一大主题，而非开挖的施工方法能够适应这种环保要求，所以许多人对非开挖技术寄于厚望。与传统的开挖施工法相比具有如下的特点：(1) 引入了管线轨迹的测量和控制；(2) 大大提高了铺管能力(长度2000m，直径3m)；(3) 快速高效；(4) 增强了在复杂地层条件下施工
10、的能力；(5) 使管道的原位修复成为可能。1.2 非开挖技术的介绍1. 非开挖技术分类 (按施工工艺)非开挖技术措施按施工工艺可分为：导向钻进铺管技术、遁地穿梭矛铺管技术、顶管掘进机铺管技术、顶管铺管技术。其中导向钻进法以对地表干扰少、施工速度快、方向可控制、精度高(偏差在396-596)等优点，发展极为迅速。第 2 页与其配套的各种施工工艺、设备、仪器也迅速发展起来了，其中导(定)向钻机是发展最快、使用最多、适应性最强的设备之一。2.导向钻进铺管技术的工作原理非开挖钻机导向钻进铺管技术是指利用地表放置的钻机、随钻测量仪器、钻具等，沿铺设管线的设计轨迹钻成一个先导孔，然后回拉扩孔，将孔径扩大到
11、铺管要求的口径，并将管线同步或分步拉入，实现非开挖铺管。如图（1-1）图 1-1 非开挖施工技术原理导向钻进非开挖铺管技术的关键部分是先导孔钻进技术，它是利用放置在钻头附近的探头发射信号，地表导向仪器可随时测出钻头位置、深度、顶角、工具面向角等参数，与钻机配合及时调整钻孔方向，实现有目标的引导式钻进即导向钻进。导向钻进中，采用了带斜面的非对称式钻头，当导向钻头匀速回转时，在钻进推力P 作用下，土层作用在造斜面上的反力P 的方向也是沿圆周作均匀变化的。如果钻头周围的土层硬度大致相同，在不考虑钻头本身重量的情况下，在一定时间内即可认为反力P对钻头的作用互相抵消。与此同时，水射流在孔底切出相同深度的
12、圆槽(见图2A) ，导向钻头进行保直钻进。当钻杆只给进不回转时，即只有推力P 作用时，则反力P 作用方向始终第 3 页朝着某一方向，与此同时，水射流也只冲蚀该方向上的土层(见图1-2)，因此钻头将有朝向该方向的趋势，从而实现造斜钻进。因此，钻机操作人员可根据测出的钻进参数判断钻孔位置与设计轨迹的偏差，并随时进行调整，确保钻孔沿设计轨迹前进。图1-2 导向钻头工作原理在导向钻进铺管技术施工中分为两步：导向钻进作业和铺管作业导向钻进作业：首先准备好钻孔工具，将发射器装入探头容纳管内，连接到缓冲杆上，再通过钻杆存取装置把第一节钻杆和缓冲管连接；钻机就位，调整好钻机倾角，锚固好钻机，安装好接地装置，即
13、可准备钻进。在钻进的同时启动泥浆泵并开始输送泥浆。钻进的导向是通过地表接收器接收探头容纳管内的发射器发出的信号，测出钻头的倾斜角、转角和深度，钻机上的远程显示仪同时显示接收器上的倾斜角、转角和深度，钻机操作员就可依据此信号调整钻进轨迹。若需直线前进时，使钻杆在向前推进的同时继续旋转，即可保持钻杆保持直线前进；若需改变钻进方向时，动力头停止旋转，调整钻头导向板的方向朝向所需方向，使钻头只向前推进，既可造斜钻进。同时监测钻头的倾斜角、转角和深度，待达到所需方向后，继续保持直线钻进；整个钻进过程需不断进行调整，以保持与设计的钻进轨迹相近，直至导向钻孔完成。导向孔轨迹如图（1-3 ）铺管作业：导向钻孔
14、完成后，根据土壤类型、铺管直径大小的不同，选择不同的回扩孔装置，进行一次或多次的回扩，直至达到所需孔径。最后一次回扩孔时，通过万向节与需铺设的管道相连，把管道从导向孔中拉出直至铺管第 4 页结束。整个回扩铺管过程均需泥浆供应。图 1-3 导向孔轨迹示意图图 1-4 回拉扩孔铺管过程示意图1.3 国内外非开挖技术的发展1 非开挖定向钻机及国外发展现状AB C D a 1 a 2 L 2 L L 1 R 2 R 1 H 第 二 造 斜 段 直 孔 钻 进 段 第 一 造 斜 段 第 5 页非开挖定向钻机是目前广泛使用的一种主要非开挖施工机械。定向钻进技术是将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方
15、法结合在一起的一项施工新技术，是对地下管线施工的一次技术革命。此项技术不破坏城市道路，可铺设燃气、供热、供水、排水、石油管道，同时可完成电力、电讯、光缆等管线的铺设。非开挖定向钻进技术起始于上世纪70 年代末期。随着该技术与装备的不断改进和完善，于上世纪80 年代中期在发达国家才逐渐被人们认可和接受，并得以迅速发展，并以其独特的技术优势和广阔的市场前景得到了世界各国的重视。例如:美国政府在1994 财政年度批准了总投资为 2. 5 亿美元的“先进的钻探和掘进技术国家计划” ，并把此项技术列入城市技术设施和建筑业发展规划中，以增强美国在该领域内的技术领先地位和市场竞争优势。英国的曼彻斯特工业大学
16、、德国的波鸿大学等先后设立了非开挖技术专业和研究机构，从而使非开挖技术成为企业参与、政府支持、社会提倡的一个新的应用技术领域。目前凭借雄厚的技术实力和财政支持，日本、美国、德国等发达国家的先进产品和装备基本上垄断了地下管线非开挖定向技术市场。国外生产非开挖定向钻机设备的主要公司有美国Ditch Witch 公司、Vermear 公司、Case 公司、Augers 公司等。美国 Ditch Witch 公司生产的JT4020 水平导向钻机铺设直径最大为0. 8 m ，可一次性穿越500 m。2 国内非开挖定向钻机发展状况非开挖技术(No2dig) 作为一项新兴产业在我国方兴未艾，进口产品正大量涌
17、入我国市场，而我国同类产品的开发尚处于初始阶段，只有较短的发展史。但在此期间，我国也初步形成了非开挖定向钻机行业。(1) 我国建立了自己的非开挖装备设计与研制基地，初步具备了全方位研制、开发各类非开挖施工装备的能力，并开发出了一定数量和规格的作业装备。这些基地包括河北廊坊勘探技术研究所、原地质矿产部中国地质装备集团技术中心、徐州工程机械集团、中联重工科技发展股份有限公司、上海隧道股份有限公司、中南冶金机械厂、宣化英格索兰公司、北京煤矿机械厂、山东探矿机械厂、重庆探矿机械厂、石油物探局装备制造厂、河南畅通电信管道工程有限公司，以及部分高校科研院所，如清华大学、中国地质大学、重庆大学(含原重庆建筑
18、大学) 、吉林大学(含原长春科技大学) 、煤炭科学研究院上海分院、上海市政工程研究院、浙江大学等。第 6 页(2) 涌现出一批地下管线非开挖施工企业。据不完全统计，由于环境保护意识的加强，在北京、上海、天津、深圳、广州、成都、南京等地组建的非开挖专业建设公司约100 家。这些企业目前虽然面临着市场运作不完善9 、缺少应有的技术标准规范、没有定额可循、投资规模普遍较小、受资金的限制等困难，但由于其技术含量高，项目市场回报率一般维持在工程总额度的30 %左右。从项目性质看，上述企业已初步涉足非开挖技术的各个领域，并积累了较好的施工经验，为今后的进一步发展打下了良好基础。国内生产的主要非开挖定向钻机
19、产品有:中国地质科学院勘探技术研究所生产的GBS - 5、GBS - 8、 GBS - 10 拖式非开挖定向钻机； GBS -12 、GBS - 20、GBS - 40 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的FDP - 12、FDP - 15 水平定向钻。北京派普莱非开挖技术有限公司开发的DDW80 、DDW100、DDW180 水平定向钻。另外，还有中南冶金机械厂生产的YT - 5 小型导向钻机、天津市政三公司生产的140 - 300 水平钻机等。以上国内生产的水平定向钻整机性能较差，适应范围小。虽然应用了液压控制技术，但主要以电机作为动力源，不能满足野外作业的需要
20、，且功能较少，自动化程度不高，无节能措施，更换钻杆基本上靠人工安装，作业效率低，操作人员的劳动强度大。虽然价格较低，但可靠性不高，在国内市场上无法与国外产品抗衡。与发达国家相比，我国非开挖技术产业发展还存在很多问题。在装备研发方面，目前主要是投入的力度不够，缺乏产业规划和研发的系统组织。目前，国内长沙中联公司与英国保路捷公司最新合作生产了KSD25 水平定向钻孔机。该钻机采用了全负载敏感控制技术，橡胶履带行走底盘，柴油机作为动力源，与主机分体安装。主机自动化程度有所提高，达到了国内先进水平。但在节能控制、人机工程、作业稳定性、运输的方便性等方面尚有待进一步完善。2002 年底，徐工集团成功开发
21、了ZD1245 水平定向钻机，在上海工程机械博览会上受到了各国同行的广泛关注，目前处于国内领先水平。但是与国际名牌水平钻机相比，其自动化水平还存在一定的差距。第 7 页1.4 本设计的分析和特点YZ100型全液压非开挖钻机的总体设计是全部设计的重要组成部分。总体设计的优劣直接关系到其他零部件的设计和整机工作的科学性、合理性、安全性。总体设计的目的是对YZ100型非开挖钻机进行综合的分析，提出切实可行的方案。对钻机来说，钻机的扭矩、进给力、回拖力是设计的重要指标，而钻机的扭矩比回拖力更为重要，因为通过增加液压系统的压力或使用类似其他方法可以很容易的改变回拖力着项参数，而增加推进和回拖力需要发动机
22、增加的功率很小，所以增加钻机回拖力的方法很容易实现。钻孔的形成钻机的扭矩和钻井液来完成，而不是钻机的推力和拉力。在施工中，钻机在大部分时间要进行回转钻进，以实现对土层的切削，所以钻机的扭矩是非常关键的。钻杆是导向钻进过程中关键的部分之一。在反向扩孔回拉管线作业时，钻杆承受较大的拉力和扭矩。此外当钻杆在弯曲和回转状态下工作时，它的受力情况将更加复杂。因此它应该具有高弹性、高强度、耐高压等特征。在主梁的进给/回拖机构，我们采用了液压马达 链条传动的机构方案。在底盘履带上，采用了橡胶履带的设计方案，以适应在城市内进行施工的要求。本钻机为了达到比较好的性能还采用了好多优化方案，并结合同组的其他同学完成
23、了YZ100型全液压非开挖钻机的整体设计和组装。但是还有许多不合理和错误的地方，希望老师给于指出，为以后从事该类的设计奠定良好的基础。第 8 页2.方案的构思和抉择我国非开挖技术的市场前景与现代化建设的进程密切相关。为了实现十六大提出的2020 年前全面建成小康社会的目标，必须加快城市化进程。地下管线的新建、更新和修复都是必不可少的。这为我国非开挖技术的发展提供了有利的市场和环境条件。非开挖定向钻机的应用前景可预测如下:(1) 城市发展为非开挖技术提供的市场；(2) 劳动力成本的提高和地下管线埋深的增加将加快非开挖技术的推广应用；(3) 我国油、气输送管线为非开挖定向钻机提供了用武之地；(4)
24、 环保要求和社会公众意识将促进非开挖定向钻机的应用。随着环保意识的逐渐加强，开挖道路进行地下管线施工导致的社会问题、交通问题和环境污染问题已越来越受到人们的关注。市政管理部门限制开挖道路铺管的法规将陆续出台，对非开挖技术的推广应用无疑会产生极大的推动作用。随着非开挖定向钻机作业水平的提高，政府出台的环保规定将会越来越严格。在设计过程中，考虑到我国着项技术起步比较晚但是发展迅速的特点，故结合我国自行研制开发的非开挖设备，吸收国外先进的技术，考虑到我国特有的地理环境，设计出了着套设备。该设备与国外先进的全电子和智能化同类设备还存在很大的差距，但是就本身的工作情况和用途而言，是能够适合我国目第 9
25、页前的城市施工要求的。参考国产的几款非开挖钻机，并对其进行了充分的改进设计出了这台设备。现将部分机构方案作出一定的分析和抉择。2.1 非开挖钻进技术的施工工艺非开挖铺设地下管线技术施工过程中主要环节是导向钻孔和回拉扩孔。导向孔施工步骤主要为：探头装入探头盒内；导向钻头连接到钻杆上；转动钻杆，测试探头发射是否正常；回转钻进2m左右；完成导向孔，开始按设计轨迹施工。扩孔施工是导向钻进非开挖施工技术中的关键技术环节之一，扩孔的目的主要是减小铺管时的阻力。目前，采用最广泛的是回拉扩孔法下面是施工中一种导向仪的工作原理示意图。图 1-3 无线式导航仪工作原理示意图2.2 主要方案的构思与分析2.2.1
26、进给/回拖机构的设计和选型进给/回拖机构是非开挖钻机的最主要的机构之一，其性能的好坏直接影响到钻机的钻进效率、钻孔的质量以及钻机各项技术性能的发挥。因此，钻机第 10 页对进给机构有一定特殊的要求：(1) 给进机构应为全液压式，能够实现无级调节给进力；(2) 在条件许可的情况下，尽可能加大给进行程，实现长行程连续给进，以减少钻进中的辅助时间，提高效率，预防孔内事故发生；(3) 应具有足够给进力、回拉力和较大的回转扭矩，以完成反扩拉管工作；(4) 功能齐全，结构简单，性能可靠，便于制造和维修；(5) 给进机构倾角的可调范围要适应各种被铺管线的设计深度和不同施工条件，并且倾角调节方便；(6) 给进
27、机构应具有消除导向钻进和反拉铺管时所产生的倾翻力的装置；(7) 给进机构应与整机协调，增加整机的适应性。给进机构设计的主要任务是首先满足给进力/ 回拉力参数要求，现我们拟订了如下五 种驱动方案。方案一 液压缸给进机构如图2-1 所示，此种结构采用大行程的给进油缸直接驱动动力头移动，实现给进、回拖。美国ADDS公司、Ditch Witch 公司以及瑞士 Terra公司的很多产品都采用这种机构。该机构具有如下特点：(1)结构简单，无须链轮、链条或钢绳、导轮等传动部件；(2)操作简单，工作可靠，制造成本较低；(3)容积损失较小，效率较高；(4)在相同流量及压力下，给进、回拖速度不等，给进力、回拖力不
28、等，可根据需要选择液压缸的固定方式和动力头的工作方向；(5)同样的行程下，钻机的轴向尺寸较大，这就给在市政设施密度较大的城市施工带来不便；(6)存在活塞杆稳定性问题，故其承载能力受到限制。第 11 页图2-1 液压缸给进机构方案二 液压缸倍速给进机构如图3所示，该机构由液压缸驱动，通过链轮-链条或滑轮-钢绳把作用力传递给动力头。该机构特点如下： (1)动力头移动速度及行程是液压缸相应参数的2倍，因而被称为倍速机构，钻机的轴向尺寸较小；(2)用液压缸传动，相对于马达传动而言，能量损失较少，传动效率较高，工作可靠；(3)给进、回拖速度及给进、回拖力不等；(4)制造成本相对较高；(5)液压缸的推力只
29、利用一半，故需选用大直径的油缸以满足给进、回拖力的要求，这将导致钻机高度方向尺寸加大；(6)同样存在活塞杆稳定性问题。第 12 页图2-2 液压缸倍速给进机构方案三 液压马达- 链条给进机构如图4所示，该机构采用液压马达驱动，通过链轮、链条进行传动，为实现较大给进力以及从受力平衡角度考虑，常在导轨两侧安装双液压马达。北京土行孙非开挖技术有限公司的DDW系列和深圳钻通公司研制的 ZT - 25 和ZT - 18 型非开挖钻机即采用该种结构。该机构具有如下特点：(1)结构简单，马达布置灵活，可根据需要布置在导轨的前端或尾部；(2)给进机构质量较轻，结构紧凑，钻机轴向尺寸较液压缸传动要小；(3)给进
30、速度与回拖速度以及给进力与回拖力相等；(4)承载能力有限，不适用于大功率系统；(5)由于马达有容积损失，故传动效率较液压缸传动效率低。图2-3 液压马达链条给进机构方案四 液压马达倍力给进机构如图5所示，液压马达通过链轮- 链条传递作用力。与液压马达- 链条给第 13 页进机构不同之处在于增加了中间传递链轮。美国CASE公司采用了这种机构。该机构除了具有液压马达- 链条给进机构的特点外，还具有如下几个特点:(1)给进力、回拖力是液压马达产生作用力的双倍，因此称为倍力机构，与不采用倍力方案的液压马达- 链条给进机构相比，要获得相同的给进、回拖力，马达及链条受力均减小了50% ，因此可以选择小型号
31、的马达及链条，从而减轻了钻机的质量及尺寸；(2)进给速度与回拖速度是马达产生线速度的1/2；(3)由于增加了中间传动环节，致使整体结构比较复杂。图5-4 液压马达倍力给进机构第 14 页图5-5 液压马达- 齿轮齿条给进机构方案五 液压马达- 齿轮齿条给进机构如图5-5 所示，该系统是由液压马达驱动齿轮，带动齿条运动来实现给进、回拖功能的。该结构具有以下特点:(1)与链轮- 链条传动相比，齿轮- 齿条传动具有较大的承载能力，适用于大功率的导向钻机；(2)系统的主要部分大都显露在外，维修保养比较容易；(3)给进、回拖力相等，给进、回拖速度相等；(4)机构复杂，所占空间较大，钻机尺寸因而较大。在本
32、设计中，要求进给/回拖力为120KN，进给速度是 0.51.5m/min ，则进给功率是13KW ，因此进给功率不是特别大。切要求结构简单，重量轻等特点。结合本设计中的特点和各种方案的优缺点，我们选择方案三（液压马达- 链条给进机构）作为本机的设计方案。2.2.2 动力头结构的设计和选型由于动力头钻机具有给进行程长、传动链短、结构简单、操作方便等特点，所以目前国内外的中小型工程钻机都以动力头作为回转运动的输出机构。因此，我们也将动力头作为本设计的回转机构。在具体设计时，分析讨论了各种方案并作出了最佳选择。方案一如图2-6 所示，该机构的优点有:绝大部分零件可以外购，结构紧凑，可第 15 页靠性
33、较高，使用寿命可以得到保障。缺点是:需外引电缆并随动力头移动，部件质量大，轴向尺寸大，无变速机构，成本较高。方案二如图2-7 所示，该机构的优点有:结构紧凑，传动简单，动力头液压动力源可从钻机的液压系统引入，液压马达选择范围较宽，可无级变速；但整体结构尺寸较大，质量大，给进行程相对缩短，制造成本相对较高，有高压胶管随动力头移动。图2-6 动力头方案一示意图图2-7 动力头方案二示意图方案三如图2-8 所示，该机构的优点有:结构简单，质量轻，轴向尺寸小，制造第 16 页成本低，可实现无级变速；缺点有:液压马达选择范围小，有高压胶管随动力头移动。图2-8 动力头方案三示意图根据以上分析，方案三具有
34、结构简单、质量轻、成本低、轴向尺寸小等诸多优点，并结合本设计的特点，因此，选择其作为动力头回转机构。2.2.3 钻杆加持拧卸机构的设计在钻孔中影响钻进效率的因素很多， 除纯钻进时间以外， 还包含钻进准备、装卸钻杆、测量、人工造斜和纠斜等辅助工作时间， 以及停待、处理事故等非生产工作所消耗的时间等。其中， 装卸钻杆的辅助工作时间对钻进效率有着较大的影响由于导向钻机钻进速度和回拖速度较高， 单根钻杆的加接、拧卸工作强度增加， 所占时间的比例也相应提高， 故加接、拧卸钻杆方法的研究就成为进一步提高钻进效率， 改善工人劳动条件的关键。该系统应满足在拆装钻杆时它能加紧钻杆，做到快速的安装和拆卸。同时其在
35、外力的作用下不能产生位移。钻杆夹持- 拧卸机构的工作步骤是：上接钻杆操作时，先将夹持器松开，把钻杆插入夹持器并加紧，操作进给阀把手向前移动动力头，使动力头边径接头的公扣插入钻杆的母扣，然后动力头正向转动使其旋紧，最后松开夹持器即刻进行导向施工；下卸钻杆操作时，将钻杆下接头回拖到夹持器后面卸扣器范围内的合适位置，用夹持器加紧钻杆，使动力头反转卸扣。如果动力头提供的拧紧扭矩不足，则需要外加的扭矩。由于液压传动具有结构紧凑， 作用力平稳， 调整方便等优点， 因此现第 17 页有的非开挖导向钻机多数采用液压夹持拧卸机构， 它能够较好地满足装卸钻杆的施工作业要求。本设计参考吉林大学最新研制的JFK- 1
36、5 型非开挖导向钻机的夹持拧卸机构。1. 夹持- 拧卸机构的构成及工作原理图2-9 为夹持- 拧卸机构示意图， 它由夹持器、拧卸器等部分构成。其中夹持器与拧卸器上分别有一对夹持液压缸7、8。拧卸器3 上除了布置有一对夹持缸7、8 外， 还安装有卸扣缸6。夹持器2 用来夹紧前钻杆1， 当施加卸扣转矩时， 该夹持器承受反转矩， 在液压系统控制下， 只对钻杆施加静压力， 整个装置保持不动， 静压力是通过夹持缸7、8 实现的。拧卸器3 则要完成两种动作: 既需要一个静压力夹紧钻杆， 又需要一个动力推动其转动，在卸开第一扣时施加主动力矩， 从而带动钻杆做回转运动来完成螺纹的拧动。图2-9夹持拧卸机构1.
37、前钻杆 2.夹持器 3.拧卸器 4.后钻杆 5.导轨 6.卸扣液压缸 7、8.夹持液压缸工作时， 夹持缸7、8 同时动作， 分别给钻杆1 和钻杆4 施加夹紧力夹紧钻杆， 而后拧卸机构在卸扣缸6 的推动下， 绕钻杆中心回转一定的角度， 第 18 页从而拧松螺纹， 这之后， 依靠动力头的反向回转就可很容易地卸下钻杆。2. 夹持拧卸机构的控制回路图2-10 为夹持- 拧卸机构控制回路液压原理图，在该回路中夹持- 拧卸机构与进给机构、支架机构采用了同一动力源， 液压泵1 通过多路换向阀2 的过桥阀体为不同回路提供压力油， 实现动力的转换。相关部分的动作顺序为：支架支起后， 支架控制阀切换至中位， 由于
38、在支架缸回路中安装有液控单向阀，保证了在换向阀处于中位、支架回路失去动力时， 支架工作的可靠性；当夹持- 拧卸控制回路动作前， 给进机构应停止工作， 即操作给进控制阀，使其处于中位； 这样夹持- 拧卸回路就能够与动力源接通， 操作相应换向阀， 即可实现相关动作。图2-10 夹持拧卸机构液压回路1.液压泵 2.多路换向阀 3.卸扣液压缸 4、5.动夹持器液压缸 6、7.定夹持器液压缸 8、9.液控单向阀夹持、拧卸机构的动作顺序为: 夹紧缸先动作以夹紧钻杆， 然后卸扣缸动作， 推动拧卸装置绕钻杆轴线回转一定的角度， 从而拧松螺纹。据此可知，第 19 页在卸扣缸动作进行时， 夹紧缸失去动力， 而此时
39、仍需保持夹紧状态。此外，考虑到存在动力头空行程移动的同时而钻杆仍需保持夹紧的状态。因此在夹持回路中采用了液控单向阀8、9， 使得夹紧缸在失去动力的情况下仍然保持夹紧状态。由于采用液压控制， 机构的夹紧力均匀可靠， 转矩大， 速度快，操作方便、省力。2.2.4 液压驱动系统的设计和选择非开挖钻机的行走系统和工作系统都是用液压来驱动，所以液压系统的是钻机的重要组成部分。液压系统是钻机底盘行走，工作机构导向钻进、回拉扩孔、铺设管线的动力来源。其主要有油箱、油泵、液压操纵阀、液压马达、液压管线等组成。一般液压系统液压系统分为多液压泵驱动和单液压泵驱动，下面就对两种不同的液压系统驱动方案进行分析比较：（
40、1）双液压泵驱动系统在该系统中，钻机的进给机构马达和动力头旋转机构马达分别有两个液压泵驱动。因此在双液压泵驱动中，推进机构马达和旋转机构马达是两个互相独立的液压系统。不过两者的工作原理确是一样如图2-11所示。液压油经过液压油滤清器5从变量泵二出来，通过一个方向控制阀对进给马达或动力头旋转马达供油。进给马达通过链轮带动动力头实现进给运动，旋转马达通过一个减速机构带动钻杆、钻头一起旋转运动。最后液压油通过滤清器4回到油箱。其中溢流阀3是起到过载保护作用，防止液压油油压过高对液压设备造成损坏。双液压泵驱动的优点是：一个液压泵驱动一个马达，因此效率比较高，且单个液压泵的流量也比较小，且适合大功率的要
41、求。其缺点是：系统需要两个泵，因此在机构上较为复杂。第 20 页图2-11 双液压泵驱动系统1 进给马达 2.电磁换向阀 3.溢流阀 4.液压泵 5.滤油器 6.旋转马达（2）单液压泵驱动系统单液压泵驱动方案如图2-11所示，非开挖钻机的进给马达和旋转马达有一个液压泵来驱动，液压油经过滤油器2从变量泵3出来，经由一个分流阀3将液压油分成两部分，一部分流向进给马达，一部分流向旋转马达。由于两个马达所需的流量是不相同的，因此两个马达所需流量的多少是有分流阀进行比例控制的。最后液压油经过一个滤油器流回回油箱。溢流阀6起到过载保护作用，以免油压过高对液压设备造成损坏。单液压泵驱动的优点是：由于只有一个
42、泵，因此在机构布置上较双液压泵驱动系统大大的简化，这一点有利于非开挖钻机小型化的要求。但是由于其采用了分流阀对液压油进行分流，在一定程度上造成了功率的损失，不过如果能够适当的协调好进给马达和旋转马达的油压，使两者的差值尽可能的小，可以降低这种功率的损失。第 21 页图2-12 单液压泵驱动系统1. 进给马达 2.电磁换向阀 3.溢流阀 4.液压泵 5.滤油器 6.旋转马达7.进给马达 8.分流器结合本设计的特点，通过对以上两种方案的分析可知，双液压泵驱动系统有一个泵供给一个液压马达，很适合动力要求比较大的系统，而且其效率比单液压泵效率高，可以缓解单个液压泵的负荷。在综合考虑两种系统的优缺点后，
43、本设计采用双液压泵驱动系统。2.2.5 导向滑架变角机构的设计在非开挖施工中，导向钻机的钻杆一般要与地面有一夹角，以便为了适应不同的施工工况。因此，非开挖导向钻机给进机构必须有变角功能。本设计中采用如图2-11所示的双油缸滑箱式变角机构。在工作时，依靠两个液压缸的协调动作实现工作主梁在020度可调。由于此机构具有角度调节方便、灵活、平稳的优点，所以在国内外许多非开挖机械设备上都采用了这种机构，这里我们也选用这种机构。图2-13 变角机构示意第 22 页2.2.6 泥浆系统的设计泥浆系统是非开挖钻机不可缺少的一种辅助设施，它是由随车泥浆系统与车载泥浆系统组成。车载泥浆系统分别设计有500 加仑和
44、1000 加仑两种(图2-14) ，用于泥浆混配、搅拌、向随车泥浆系统提供泥浆。泥浆搅拌系统是一种与水平定向钻机配套使用的装置，亦可接管供其他需输送泥浆类流体的装置使用。泥浆搅拌系统设计时要求系统具有搅拌快速均匀、提供大流量泥浆、可调节泥浆配比、搅拌与输送同时进行等。搅拌系统装置包括料斗、汽油机泵、搅拌罐、车载泥浆泵、相关管路等，其运行原理如图2-14。汽油机泵与搅拌罐通过管路相连，构成搅拌回路，具体为罐中泥浆进入汽油机泵入口，经加压出路分成2 路:一路经过Y型过滤器过滤掉大块颗粒后分3 路，一路经由罐顶部喷入，另两路经由下部喷出。当泥浆液搅拌完成时，打开球阀经汽油机泵喷出。另一路送入泥浆泵，
45、并由泥浆泵泵入动力头输送到钻杆此处已删除，完整版加153893706第 23 页参考文献1 陈玉凡 朱祥 主编钻孔机械设计机械工业出版社第 24 页2 贺利乐主编著建设机械液压与液力传动机械工业出版社3孙恒、陈作模主编机械原理高等教育出版社4陈宜通主编工程机械底盘构造与设计西安建筑科技大学内部教材5濮良贵、纪名刚主编机械设计高等教育出版社6黄锡朋主编铲土运输机械中国建筑工业出版社7 柴荣、龚荣林、马小盟“导向钻进非开挖施工技术在城市管线铺设中的应用” 中国煤田地质2003 No.3:p.61-628 凡 东、庞海荣、姚亚峰“全液压钻机夹持器的设计与分析” 煤炭工程 2006 年第 5 期9郑
46、午， 吴晓军“FW - 300 型非开挖导向钻机给进机构的设计” 探矿工程(岩土钻掘工程) 2002 年第 2 期10 沙永柏， 刘宝仁， 于 萍“非开挖导向钻机给进机构分析 ” 探矿工程(岩土钻掘工程) 2005 年第 5 期11车延岗、张光烈“导定向钻进非开挖技术（一） (二)” 建筑机械化2002 No.2 P.27-31；2002 No.3 P.27-31；12孙友宏、沙永柏、于萍“JFK-15 型非开挖导向钻机夹持- 拧卸机构” 工程机械第37卷2006年11月13施建华、林路晨“浅谈国外非开控施工设备” 西部探矿工程 2002 No.4 P.92-9414 PaulHayward
47、著 李翠先译“定向钻进原理回顾” 2001 年全国非开挖地下管线施工技术研讨会论文集 P.27-3015 杨春“非开挖导向钻进铺设管线技术研究” 2001 年成都理工大学硕士论文16 Renatp Viana clemetino.Feasibility of cone penetration test applied to horizontal directional drilling in continuous boreholes；Doctor of Philosophy.university of Alberta，Canada，200217 Ivan John Bljan .Assessm
48、ent of the Annular Space in Horizontal Drilling Installation:Master of Science.University of Alberta，Canada ，2002第 25 页结束语历时三个多月的毕业设计已接近尾声，作为一名机械设计制造专业的学生，从机械原理课程设计到机械零件毕业设计，再到这次毕业设计。对我们提出的要求越来越高，也一步步的充实我们的专业知识，巩固所学的知识。是我们逐步成长为一名合格的机械专业毕业生。这次毕业设计，即是对大学所学课程的一次综合检验，也是对大学所学课程的最后的、全面的检查，是是我们全面运用所学理论知识、联
49、系实际需要，综合构思、全面考虑实际产品的要求生产工艺和性能最为全面的锻炼。在设计过程中，我全面的回顾了大学所学的知识，在老师的指导下，和同学探讨，查找资料，在本组同学的共同努力和协作下，毕业设计终于如期完成了。在此次设计非开挖钻机的过程中，充分考虑到我国目前工程施工的现状，立足于用简单易行的方法解决实际工程施工的问题，满足市场需求，该套设备与目前先进的非开挖设备相比，不具备技术上的优势，但就其本身性质与作业能力而言，适合目前中国的施工需要。同时，由于我们自身的知识和运用知识解决实际问题的能力有限，经验不足，虽然自己力求做好，但在设计中的失误的不足在所难免。愿各位老师指出其中的错误和不足，为以后的个人发展提供宝贵的意见和建议。
