裝配圖回旋沖擊鉆鉆具星型運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1),裝配,回旋,沖擊鉆,鉆具星型,運(yùn)動(dòng),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 回旋沖擊鉆具星形運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 中文摘要與關(guān)鍵詞 摘 要：本畢業(yè)論文在建立星型運(yùn)動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，闡述了大直徑樁基礎(chǔ)工程施工中成孔鉆具的總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容，其主要內(nèi)容包括整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)、沖擊功能的實(shí)施方案、氣舉排渣方案、鉆具主要零件的材料選擇及熱處理方式、傳動(dòng)部分的齒輪設(shè)計(jì)、小鉆具的設(shè)計(jì)以及傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)等幾個(gè)主要部分。通過對(duì)行星輪傳動(dòng)的研究，結(jié)合目前樁工基礎(chǔ)工程存在的問題，建立起了大直徑樁基礎(chǔ)工程成孔鉆具復(fù)合行星傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出來的鉆具兼有沖擊鉆具和回旋鉆具兩種成孔鉆具的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出來的鉆具結(jié)構(gòu)確保了鉆具沖擊和快速、及時(shí)排渣功能的實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：復(fù)合行星運(yùn)動(dòng)；整體結(jié)構(gòu)；氣舉反循環(huán)排渣；氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) Abstract And Keyword Abstract： Basing on star movement principle, this graduation paper showed the designing of the overall construction of the holes drilling tool used in the large diameter pile foundation project. Its content mainly includes the designing of the overall construction, the designing of transmission, the plan of how to percussion, the plan of how to lift the ashes, the choice of drilling tool major parts’ material and their heat treatment way, the designing of gears on the transmission part, the designing of the small drilling tool, the designing of the drive shaft and so on . Through the research of the planetary gear transmission and analysis of the problems which is existing on present pile labor foundation engineering, the moving structure of the drilling tool’s compound planet transmission in the large diameter pile foundation project. The designed drilling tool has the advantages of both the general drilling tool and the maneuver drills. The drilling tool’s designed construction has ensured the percussion and lift the ash with high speed. Keywords: Compound planetary motion; Overall construction; reverse circulation lifting the ash by air; air-operated drive 第一章 前言 目前，大口徑鉆孔灌注樁在重大基礎(chǔ)工程中得到了廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)實(shí)生活中橋梁、港口、碼頭、水工和工民建筑物的建筑工程中，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。但是這兩種鉆具存以下缺點(diǎn)，主要是：1、普通回旋成孔鉆，成孔穩(wěn)定，但成渣能力低，對(duì)不同工程地質(zhì)條件適應(yīng)性差，特別不適應(yīng)膠結(jié)礫石地質(zhì)和破巖成孔，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，破巖能力強(qiáng)，但大直徑成孔施工進(jìn)度慢，震動(dòng)大易致孔壁坍塌，同時(shí)大直徑的重型沖擊錘自旋性差，還易使成孔失圓。3、大直徑的成孔設(shè)備研發(fā)需要?jiǎng)?chuàng)新思路，以及泥漿護(hù)壁正循環(huán)排渣方法施工。在鉆具方面還需要對(duì)刃具切削運(yùn)動(dòng)和機(jī)構(gòu)繼續(xù)進(jìn)行創(chuàng)新探索，因?yàn)槭褂贸Ｒ?guī)鉆頭解決大直徑成孔需要，一般采取了開發(fā)大功率鉆機(jī)，尋求超硬刃具材料等辦法，而有逼向大功率配置和設(shè)備笨重的方向發(fā)展趨勢(shì)。這樣不僅固有的問題沒有解決，而且又更加大了施工設(shè)備投資，影響了工程建設(shè)效益。4、沉井護(hù)壁非排水施工的設(shè)備缺乏。非排水沉井護(hù)壁施工可避免發(fā)生沉井偏位、滯留和井口沉陷以及下沉緩慢等諸多問題，還可解決如污水處理需要的大直徑曝氣井的同步施工問題。 隨著國(guó)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(jiǎn)單的國(guó)產(chǎn)重型沖擊鉆成孔直徑也可達(dá)3.0米。但是仍然避免不了上文提及的一些實(shí)際問題，如鉆具的使用壽命短，鉆具的成本高；有的只是提高了成孔的效率，沒有結(jié)合工程實(shí)際解決鉆具實(shí)用性的要求。 最近，日本利根公司生產(chǎn)的RRC型潛水鉆機(jī)，通過理論分析鉆機(jī)能綜合實(shí)現(xiàn)回旋鉆具和沖擊鉆具的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)踐表明：這種鉆機(jī)在實(shí)際運(yùn)用過程中只具回旋鉆的工作特點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)沖擊鉆的沖擊功能，只能實(shí)現(xiàn)回旋鉆的基本功能；而且其工作范圍也因它的工作原理受到一定的局限，比如在地質(zhì)條件較差的工地上施工，其工作效率低，消耗的能量也比較多。 鑒于以上情況，為適應(yīng)各類建筑工程鉆孔灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工的發(fā)展需要，通過探索一種能建立起成孔刃具群進(jìn)行復(fù)星形運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，使鉆具兼有沖擊鉆和回旋鉆兩種基本鉆型成孔原理的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)新開發(fā)出一種新型成孔鉆具是發(fā)展的需要，這樣可以滿足樁基工程施工要求快速高效、穩(wěn)定可靠、廣泛適用的要求以及超大直徑方向發(fā)展。 第二章 建立星形運(yùn)動(dòng)的基本原理 在樁基工程施工中大量使用的回旋鉆頭，其工況狀態(tài)的一個(gè)最大特點(diǎn)，就是切削刀刃與孔壁和孔底保持整體的線面接觸狀態(tài)，以擠壓作用效應(yīng)為主，刮削切入阻力大，成渣能力低，且線速分布不均，作用能量分散，無效功耗大，所以刮削作用難以有效發(fā)揮。如果能使單個(gè)小直徑刃具能實(shí)現(xiàn)如圖1所示的平面單跡線運(yùn)動(dòng)，切削刀刃與孔壁和孔底保持近似點(diǎn)狀態(tài)接觸，并同時(shí)具有徑向旋削和軸向沖擊破碎巖石的功能，則由數(shù)個(gè)小直徑刃具組成的刃具群將會(huì)在成孔運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生群體作用效應(yīng)，這樣由若干連續(xù)點(diǎn)的鉆削運(yùn)動(dòng)，形成周邊圓形的細(xì)密網(wǎng)狀的成孔平面，從而實(shí)現(xiàn)鉆具群體逐層由上至下的整體成孔運(yùn)動(dòng)。 圖1 群鉆運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖 為了實(shí)現(xiàn)這種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，其中復(fù)合行星運(yùn)動(dòng)則可以實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)。通過研究得出這種運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)原理，其運(yùn)動(dòng)原理如圖2所示。 圖2 星型運(yùn)動(dòng)原理圖 由運(yùn)動(dòng)原理圖，可得出鉆具各零部件的連接關(guān)系，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)示意圖如“圖—3”。 圖3 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 在圖3中：1—主傳動(dòng)軸，2—中心太陽輪，3—行星輪， 4—內(nèi)齒圈，5—孔底鉆桿及齒輪，6—托盤，7—孔壁鉆桿及齒輪，8—外殼。其中，外殼與內(nèi)齒圈為一個(gè)整體，托盤與外殼之間有滑動(dòng)摩擦。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，由中心太陽輪帶動(dòng)3個(gè)均布在內(nèi)齒圈的行星輪作自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；托盤通過套在行星輪上的孔底鉆桿及齒輪帶動(dòng)托盤作圓周運(yùn)動(dòng)（繞太陽輪的中心作公轉(zhuǎn)），同時(shí)，受結(jié)構(gòu)的約束，孔底鉆桿齒輪則與行星輪運(yùn)動(dòng)形式一致：既作繞中心軸作公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又繞鉆桿中心作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)復(fù)雜曲線運(yùn)動(dòng)，如圖—1所示；孔壁鉆的動(dòng)作是通過連在托盤上面的孔壁鉆桿，通過托盤的圓周運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)孔壁鉆桿齒輪與內(nèi)齒圈嚙合：既繞中心太陽輪做公轉(zhuǎn)，同時(shí)繞鉆桿中心作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡和托盤一樣：繞太陽輪作圓周運(yùn)動(dòng)。 2．1 運(yùn)動(dòng)條件 根據(jù)機(jī)械原理的知識(shí)，機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)應(yīng)滿足原動(dòng)件的數(shù)目應(yīng)等于運(yùn)動(dòng)鏈的自由度數(shù)。通過以上分析則可以得出：2與3之間為一個(gè)高副，3與4之間為一個(gè)高副，孔底鉆齒輪與托盤之間為一個(gè)高副，孔壁鉆齒輪與內(nèi)齒圈之間為一個(gè)高副；中心太陽輪與機(jī)架之間有一個(gè)回轉(zhuǎn)副，孔底鉆桿與行星輪之間有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，孔壁鉆桿與托盤之間有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，托盤與外殼之間有一個(gè)回轉(zhuǎn)副。同時(shí)，孔底鉆桿及齒輪既繞行星輪中心作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又繞中心軸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即存在兩個(gè)回轉(zhuǎn)副；同時(shí)鉆桿與其齒輪之間有上下的移動(dòng)副。即： F=3xn-2xPL-PH=3x7-2x8-4=1 (1) 通過計(jì)算，滿足原動(dòng)件的數(shù)目等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)的基本條件，因而這種機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。 第三章 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮的問題 為了很好地解決當(dāng)前建筑工程鉆孔灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工中出現(xiàn)的問題，創(chuàng)新開發(fā)一種回旋沖擊鉆，使鉆具兼有沖擊鉆和回旋鉆兩種基本鉆型成孔原理的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮以下問題： 3．1 回旋沖擊鉆具的適用范圍及性能要求 在目前的建筑工程上，主要采用旋轉(zhuǎn)式鉆孔機(jī)和沖擊式成孔機(jī)。其中旋轉(zhuǎn)式成孔機(jī)具有適應(yīng)性強(qiáng)（只要變更鉆頭類型和壓重?cái)?shù)量，就可以適應(yīng)各種松軟覆蓋層直至極應(yīng)的硬巖層），并可以滿足各種施工要求：樁徑可以由10cm直至幾米；鉆孔深度可以由幾米直至上千米。還具有噪聲低、振動(dòng)輕微、成孔率高等特點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用在建筑工程上。沖擊式成孔機(jī)的工作原理是利用成孔機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，通過鋼絲繩帶動(dòng)鉆頭上下運(yùn)動(dòng)，使鉆頭產(chǎn)生沖擊作用，將地質(zhì)層的卵石或巖石破碎，同時(shí)鉆渣由取渣筒取出。沖擊式成孔機(jī)能適用于任何土質(zhì)條件，對(duì)于直徑大于300mm，含量又在10%以上的大漂石巖層或整體巖層只能采用沖擊式成孔。但是，1、普通回旋成孔鉆，成孔穩(wěn)定，但成渣能力低，對(duì)不同工程地質(zhì)條件適應(yīng)性差，特別不適應(yīng)膠結(jié)礫石地質(zhì)和破巖成孔，地質(zhì)適應(yīng)范圍受限，所需配備設(shè)備功率大，能量損耗大。2、一般沖擊鉆雖然地質(zhì)適應(yīng)性好，破巖能力強(qiáng)，但對(duì)于大直徑成孔施工進(jìn)度慢，震動(dòng)大易致孔壁坍塌，同時(shí)大直徑的重型沖擊錘自旋性差，還易使成孔失圓。 回旋沖擊鉆建立起了切削刃具群的星形運(yùn)動(dòng)。通過小直徑刃具群的星形運(yùn)動(dòng)，又同時(shí)具有轉(zhuǎn)動(dòng)切削和沖擊破石的功能，則小直徑刃具群的復(fù)合運(yùn)動(dòng)和作用，可提高成孔效率，使鉆具兼有沖擊鉆和回旋鉆兩種基本鉆型成孔原理的優(yōu)點(diǎn)，即保留旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)的成孔率高，成孔穩(wěn)定等特點(diǎn)，同時(shí)利用沖擊鉆地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，較好地回避了巖石的韌性和耐磨性，而利用了巖石的脆性和不耐沖擊的特性，增大了鉆具的地質(zhì)適用范圍，既適用于在松軟地層和礫石層成孔，也適用于基巖嵌入成孔。同時(shí)利用氣舉排渣實(shí)現(xiàn)快速排渣，根據(jù)實(shí)際工作要求的需要使鉆具用較小的功率達(dá)到旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)和沖擊式鉆機(jī)的綜合優(yōu)點(diǎn)。 通過綜合比較，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出來的回旋沖擊鉆應(yīng)廣泛適用于各種軟硬不同的地質(zhì)條件：適用于地質(zhì)等級(jí)為X～I(xiàn)Va，即流沙，沼澤土壤，含水黃土及其他含水土壤至比較堅(jiān)固的頁巖層、各種不堅(jiān)固的頁巖，致密的泥灰?guī)r，砂質(zhì)頁巖，頁巖或砂巖（巖石的單軸抗壓強(qiáng)度為3～50MPa）。參照一般普通回旋鉆具，回旋沖擊鉆的主軸旋轉(zhuǎn)速度為16～45r/min（參考KQ潛水電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速）,傳遞扭矩為1.9～4.6KN.m，沖擊頻率為45r/min。 同時(shí)，設(shè)計(jì)出來的鉆具有以下特點(diǎn)：1、在鉆同直徑的地下孔，回旋沖擊鉆與普通的旋轉(zhuǎn)式成孔機(jī)和沖擊式成孔機(jī)相比，所消耗的功率要小，成孔效率要高；2、設(shè)計(jì)出來的回旋沖擊鉆要求其小鉆兼有自旋運(yùn)動(dòng)和往復(fù)移動(dòng)的沖擊功能，實(shí)現(xiàn)地下成孔。其中自旋運(yùn)動(dòng)是用來撥松孔底的泥土沙石，往復(fù)的沖擊功能則是用來擊碎孔底較大的沙石顆粒，便于鉆具實(shí)現(xiàn)快速排渣；3、回旋沖擊鉆的使用壽命比一般的鉆具使用壽命長(zhǎng)。 3．2 回旋沖擊鉆成孔原理及存在的問題 由圖1可以看出，回旋沖擊鉆的工作面積是一個(gè)網(wǎng)狀的包絡(luò)面。通過實(shí)地考查， 結(jié)合回旋沖擊鉆的性能要求，我們發(fā)現(xiàn)要達(dá)到這種加工目的，在沖擊過程中，要實(shí)現(xiàn)分階段分別對(duì)孔底鉆，孔壁鉆和鉆具的外殼進(jìn)行沖擊。同時(shí)在沖擊完成后，需要有裝置將小鉆頭提回至一定的高度，實(shí)現(xiàn)小鉆頭的自旋和撥松泥土沙石的功能。其沖擊工作狀態(tài)如圖4。 在圖4（a）中，1—孔壁鉆桿和2—孔底鉆桿在傳動(dòng)裝置的作用下實(shí)現(xiàn)自旋運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)撥松泥土沙石的作用，使得土層a變?yōu)樗槭癄顟B(tài)；在沖擊力的作用下，空底鉆和孔壁鉆進(jìn)100mm，進(jìn)入堅(jiān)硬的巖石層。同時(shí)在沖擊力的作用下，整個(gè)鉆具的外殼和中心鉆連同上面的整個(gè)傳動(dòng)部分的零部件往下鉆進(jìn)100mm；沖擊力撤消后，鉆桿在回位裝置的作用下，往上移動(dòng)50mm，又作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)沖擊過程中，（a）中的碎石狀孔渣在鉆頭的自轉(zhuǎn)變?yōu)榱魃碃?，最后在反循環(huán)氣舉升渣的作用下，將直徑小于180mm的顆粒排到工地上。 圖中裝置4是三個(gè)均布在托盤上面的撐架，鉆具在作回旋運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，撐架將整個(gè)鉆具撐起，使得鉆具的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)離孔底工作面有一定的高度，從而使得小鉆頭在沒有壓力的情況下作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)撥松泥土的功能；同時(shí)在沖擊狀態(tài)下，沖擊錘先作用于孔底鉆，后作用在孔壁鉆，最后沖擊力落到鉆具的外殼上面，通過連在托盤上面的撐架將大部分沖擊力傳至地面。隨著托盤繞鉆具中心做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)撐架和滾筒作純滾動(dòng)，同時(shí)起到松散石塊的作用。 為了實(shí)現(xiàn)快速排渣，排渣口不得設(shè)置的太高，必須控制在在回旋狀態(tài)下鉆頭的工作范圍內(nèi)。這樣才能保證鉆具在不同的工作狀態(tài)下，鉆具形成的孔渣不至于上升到整個(gè)鉆具的傳動(dòng)裝置內(nèi)，磨損整個(gè)裝置傳動(dòng)的零部件。 1—孔壁鉆，2—孔底鉆，3—中心鉆，4—撐架 a—碎石狀，b—堅(jiān)固巖石層 (a) 回旋狀態(tài) b—堅(jiān)固巖石層被擊破 (b) 沖擊狀態(tài) a—流沙狀，b—碎石狀，c—巖石層 (c) 回位狀態(tài) 圖4 鉆具成孔過程示意圖 3．3 回旋沖擊鉆結(jié)構(gòu)的具體布局 3．3．1 抗扭裝置 由圖2和圖3分析可以得出，傳動(dòng)裝置里面的內(nèi)齒圈與鉆具的外殼要作為一個(gè)固定件，實(shí)現(xiàn)內(nèi)齒圈的抗扭轉(zhuǎn)作用。結(jié)合實(shí)際工程的情況，在鉆具的外殼位置安裝一個(gè)抗扭裝置，如圖5。在圖中1為板簧，板簧的一端與上支架采用圓柱副連接，另一端采用滑動(dòng)副。通過兩個(gè)支架和螺栓一起將整個(gè)部件連接到鉆具的外壁。鉆具在工作時(shí)，板簧在外力的作用下，發(fā)生變形，緊貼靠在孔的內(nèi)壁，通過板簧作用在地下孔內(nèi)壁的靜摩擦力來實(shí)現(xiàn)整個(gè)鉆具的抗扭功能，使得整個(gè)鉆具按照規(guī)定的運(yùn)動(dòng)工作。 圖5 抗扭裝置 在鉆具向下鉆進(jìn)的過程中，在摩擦力的作用下，板簧向孔壁張開，板簧向上移動(dòng)，加大與井壁的摩擦力，有效地實(shí)現(xiàn)抗扭作用。在提鉆過程中，由于摩擦力的作用下，板簧向下移動(dòng)，使整個(gè)裝置脫離井壁，減少與井壁的摩擦，這樣有效地避免了功率的損耗。 3．3．2 小鉆具復(fù)位裝置 由于整個(gè)鉆具的性能要求：小鉆頭既要實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又要實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。小鉆具在沖擊力的作用下可以使小鉆頭實(shí)現(xiàn)沖擊功能，但同時(shí)又要實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。同時(shí)，在復(fù)位之后沖擊之前小鉆頭要具有一定的壓力實(shí)現(xiàn)撥松泥土的作用。為了實(shí)現(xiàn)這樣的功能要求，故在小鉆頭的兩端加上兩個(gè)彈簧：上彈簧要求彈性系數(shù)較小，容易發(fā)生彈性變形，這樣才可以減少?zèng)_擊力的損失；下彈簧要求具有較大的彈性系數(shù)，這樣才能保證小鉆頭在上升的過程中具有一定的向下的壓力，有效實(shí)現(xiàn)小鉆頭的撥松泥土的功能。 第四章 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 4.1 方案比較 該鉆具的創(chuàng)新就是利用行星輪運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，行星傳動(dòng)的特點(diǎn)有： （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(dòng)具有功率分流和各中心輪構(gòu)成共軸線式的傳動(dòng)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(gè)行星輪來共同分擔(dān)載荷，從而使得每個(gè)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(dòng)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(dòng)效率高 由于行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，即它具有數(shù)個(gè)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(dòng)效率的作用。在傳動(dòng)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(dòng)比較大，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合成與分解 只要適當(dāng)選擇行星齒輪傳動(dòng)的類型及配齒方案，便可以用少數(shù)幾個(gè)齒輪而獲得很大的傳動(dòng)比。在僅作為傳遞運(yùn)動(dòng)的行星齒輪傳動(dòng)中，其傳動(dòng)比可到幾千。應(yīng)該指出，行星齒輪傳動(dòng)在其傳動(dòng)比很大時(shí)，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(dòng)的合成與分解以及實(shí)現(xiàn)各種變速的復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。 （4）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、抗沖擊和振動(dòng)的能力較強(qiáng) 由于采用了數(shù)個(gè)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(shí)，也使參與嚙合的齒數(shù)增多，故行星齒輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，抵抗沖擊和振動(dòng)的能力較強(qiáng)，工作較可靠。 通過對(duì)整個(gè)鉆具的工作原理的研究，鉆具的小鉆頭要具有自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的功能，以實(shí)現(xiàn)小鉆頭旋削泥土，撥松泥土實(shí)現(xiàn)快速排渣的功能。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)鉆 圖6 鉆頭運(yùn)動(dòng)軌跡圖 具的沖擊功能小鉆頭的鉆桿需要具有往復(fù)移動(dòng)的功能。這樣才能整個(gè)鉆具將回旋功能、沖擊功能和快速排渣功能集為一體。鉆頭的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6。 結(jié)合行星輪傳動(dòng)的特點(diǎn)，根據(jù)鉆具的性能要求擬訂以下方案： 方案一、潛水電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞給減速器，減速器通過差動(dòng)裝置將動(dòng)力分別傳遞公轉(zhuǎn)齒輪軸和自轉(zhuǎn)齒輪軸，再由公轉(zhuǎn)齒輪軸帶動(dòng)公轉(zhuǎn)箱作公轉(zhuǎn)，而由自轉(zhuǎn)齒輪軸帶動(dòng)行星齒輪作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 方案二、由潛水電機(jī)直接將動(dòng)力傳給主傳動(dòng)軸，通過中心太陽輪和三個(gè)齒輪桿驅(qū)動(dòng)套在小鉆桿上面的齒輪做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)繞中心軸做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，通過鉆桿和液壓缸連接實(shí)現(xiàn)鉆桿的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)小鉆頭的沖擊功能。 方案三、通過潛水電機(jī)將動(dòng)力直接傳給主傳動(dòng)軸，通過中心太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈、孔底鉆桿、托盤以及孔底鉆桿齒輪帶動(dòng)鉆桿做自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過托盤機(jī)構(gòu)、孔壁鉆桿、內(nèi)齒圈以及孔壁鉆桿齒輪帶動(dòng)孔壁鉆繞中心軸做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)繞孔壁鉆桿做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)鉆桿和鉆桿齒輪用滑動(dòng)的花鍵連接和附屬的兩個(gè)彈簧以實(shí)現(xiàn)鉆桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 通過比較可以看出，方案一能實(shí)現(xiàn)鉆桿的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)功能，但小鉆具沒有上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的功能，使得整個(gè)鉆具不具有沖擊功能，其作用效果如同普通的回旋鉆；方案二能實(shí)現(xiàn)鉆桿的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)功能，同時(shí)鉆具具有一定的沖擊功能。但是采用液壓沖擊不能實(shí)現(xiàn)快速?zèng)_擊功能。同時(shí)，由于在整個(gè)裝置中，液壓缸隨鉆具作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣將導(dǎo)致液壓管道旋扭在一起，不能很好地實(shí)現(xiàn)沖擊功能。同時(shí)由于外殼的存在限制了小鉆桿的工作范圍，使得鉆具不能向下鉆進(jìn)。方案三既能實(shí)現(xiàn)鉆桿的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)功能，又能實(shí)現(xiàn)鉆桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的功能，通過孔壁鉆桿、中心鉆桿和孔壁鉆桿的群體作用很好的將鉆具下面的土掏空，在沖擊力的作用下使得整個(gè)鉆具整體下降，實(shí)現(xiàn)層進(jìn)鉆孔。 通過比較得出方案三為最佳方案。故采用方案三進(jìn)行設(shè)計(jì)。 4．2 氣舉升渣方案設(shè)計(jì) [15] 在目前的樁工機(jī)械建筑工程上，為了實(shí)現(xiàn)快速排渣功能，主要采用泵吸反循環(huán)排渣和氣舉反循環(huán)排渣兩種方法。 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(shí)與砂石泵組裝在一起的還有真空泵。鉆孔時(shí)，真空泵先啟動(dòng)，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(dòng)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)將高壓空氣通過空氣管道送到主傳動(dòng)桿排渣口附近，并向空心軸內(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?gòu)闹行妮S的中心孔上升，使軸的下端形成真空，于是將鉆渣吸上來，并隨著氣漿混合體從出口排出。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(shí)可改為在主傳動(dòng)桿中間位置通氣。通氣孔一般放在孔深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(duì)淺孔往往采用泵吸反循環(huán)，而對(duì)深孔則采用氣舉反循環(huán)。 通過比較可以得出：采用泵吸反循環(huán)，其排渣能力容易受到孔深的限制，且設(shè)備成本比氣舉排渣所采用的設(shè)備要高，所以在排渣方面優(yōu)先選擇氣舉排渣方案。 同時(shí)，在氣舉排渣的基礎(chǔ)上，可以采用泥漿循環(huán)系統(tǒng)排渣。它的主要作用是利用主要作用是利用泥漿作為載體進(jìn)行排渣；另一個(gè)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(duì)泥漿的要求較高，泥漿的好壞對(duì)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(rùn)土泥漿與硼潤(rùn)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(duì)一般摩擦樁，則多采用混合泥漿或黃土泥漿。 4．3．沖擊錘的具體實(shí)施方案 4．3．1 氣動(dòng)沖擊的優(yōu)點(diǎn) 沖擊錘的沖擊功能采用氣動(dòng)沖擊，與液壓沖擊系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)相比其具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、以空氣為介質(zhì)，供應(yīng)、排放處理都比較方便。 2、氣動(dòng)動(dòng)作迅速、反應(yīng)快； 3、氣動(dòng)結(jié)構(gòu)容易安裝，拆卸； 3、工作環(huán)境適應(yīng)性較好。 結(jié)合鉆具的整體性能要求和安裝維修方面的要求采用氣動(dòng)沖擊方案較為合理。 4．3．2 氣動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[30] 由于整個(gè)鉆具的鉆具群做不規(guī)則的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)小鉆頭均勻的沖擊功能，錘體的中心應(yīng)與中心傳動(dòng)軸的中心重合。同時(shí)，錘體要和整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)安裝在傳動(dòng)軸上。為了解決氣動(dòng)管路不旋扭在一起，實(shí)現(xiàn)暢通快速充氣和放氣，故將氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為如圖7。圖中，1—主傳動(dòng)軸，2—?dú)飧鬃o(hù)套，3—?dú)飧讐荷w，4—活動(dòng)活塞，5—固定活塞，5—?dú)飧淄獗冢?—錘體，8—快排氣缸。其中，主傳動(dòng)軸與潛水電機(jī)直接連接，氣缸護(hù)套通過上部的支架與外殼保持靜止，氣缸部件套在氣缸護(hù)套上保持靜止。同時(shí)，錘體通過螺栓連接在氣缸的外壁上保持同氣缸護(hù)套、氣缸外壁一致。這樣的結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)氣路的管道不至于旋扭打結(jié)，從而保持氣路通氣順暢。為了實(shí)現(xiàn)沖擊功能，采用活塞固定、氣缸運(yùn)動(dòng)的方式，通過氣缸外壁的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)錘體實(shí)現(xiàn)沖擊。在圖中，活動(dòng)活塞和快排氣缸是為了實(shí)現(xiàn)氣體快排的機(jī)構(gòu)。其中，快排型沖擊氣缸的動(dòng)作包括準(zhǔn)備過程和沖擊過程兩個(gè)階段。 準(zhǔn)備過程：先使K1孔充氣，K2孔通大氣，活動(dòng)活塞在壓力的作用下被推到下邊，通過密封圈的作用切斷氣缸上腔到K3的通道。然后K4通氣使得缸體帶動(dòng)錘體上升，充氣一直通至氣源壓力。 圖7 氣缸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) 沖擊過程：先使K2進(jìn)氣，K1排氣，活動(dòng)活塞開始上移，這時(shí)固定活塞的上腔受密封的切口打開，受壓縮的氣體通過K7缸體壁上的方孔快速直接排到大氣中。因?yàn)檫@個(gè)排氣通道的通流面積較大，所以活塞的上腔壓力可以在極短的時(shí)間內(nèi)降低。當(dāng)降到低于蓄氣缸壓力的1/9時(shí)，缸體和錘體錘體自重的作用下開始下降，同時(shí)缸體的下腔快速充氣，使得缸體和錘體在最大的壓差的作用下以最高的速度向下沖擊，以滿足鉆具的需要。 4．3．3． 氣動(dòng)沖擊力的計(jì)算 通過對(duì)鉆具整體性能的分析，沖擊力的大小應(yīng)大于巖石的抗壓力。單個(gè)小鉆具作用在巖石上的作用面積為825，那么單個(gè)鉆具所需要的沖擊力大?。? =S*P 式中，—單個(gè)鉆具所需沖擊力，S—鉆頭作用面積，P—巖石的抗壓強(qiáng)度；在上文已提到鉆具使用范圍為巖石抗壓能力為3～50MPa的地質(zhì)范圍。故 =S*P=825*50MPa=41.25KN 由于鉆具群做不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)（取系數(shù)為0.8），驅(qū)動(dòng)動(dòng)力為群鉆的總和F， 式中，F(xiàn)—驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，n—鉆桿數(shù)，n=15，—單個(gè)鉆桿破巖力，—沖擊力系數(shù)， 即總驅(qū)動(dòng)動(dòng)力為495KN。 4．3．4．氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的密封 有關(guān)氣動(dòng)方面的密封問題可以參考液壓密封的技術(shù)參數(shù)。由于氣動(dòng)結(jié)構(gòu)部分的密封有壓力的要求，而且有些密封處有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為了很好的解決有氣壓要求的密封問題采用圖8(a)密封結(jié)構(gòu)，有相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)零件之間的密封采用圖8(b)密封裝置，以解決O型密封圈變形問題。在圖中，1—橡膠擋塊，2—O型密封圈。 4．4．鉆具的密封與潤(rùn)滑[30] 由于鉆具采用復(fù)合行星運(yùn)動(dòng)，使得整個(gè)鉆具的潤(rùn)滑與密封加大了難度。為此在解決該鉆具的潤(rùn)滑與密封問題時(shí)，其實(shí)施原則是：采用局部封閉式潤(rùn)滑和開式潤(rùn)滑相結(jié)合。為了減少運(yùn)動(dòng)零件相互之間的摩擦問題，在相互運(yùn)動(dòng)零件之間添加防摩擦體，減少運(yùn)動(dòng)體之間的接觸面積。同時(shí)，為了保證鉆具的使用壽命，可選用耐磨材料、采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚨确椒?。其具體實(shí)施方法見裝配圖紙。 圖8 密封裝置示意圖 4．5 整體結(jié)構(gòu)功能分析 為了鉆具能很好地實(shí)現(xiàn)沖擊功能，保證鉆具能實(shí)現(xiàn)層進(jìn)成孔，這就要求整個(gè)鉆具在沖擊力的作用下能整體下降。 4．5．1鉆進(jìn)過程 在鉆進(jìn)過程中，整個(gè)鉆具在沖擊力的作用下有向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，使得抗扭裝置上的板簧向孔壁張開，加大與孔壁的摩擦力，保持內(nèi)齒圈不運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。小鉆具在氣缸壁帶動(dòng)沖擊錘的作用下將孔底堅(jiān)硬的卵石沖碎。完成一次沖擊后，小鉆具在復(fù)位彈簧的作用下自動(dòng)復(fù)位。在傳動(dòng)齒輪的帶動(dòng)下，小鉆具做自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)把鉆渣攪拌至中心軸的排渣口，鉆渣氣舉升渣機(jī)構(gòu)的作用下，底的鉆渣通過氣舉升力將其排到工地上。實(shí)現(xiàn)鉆具的排渣快速功能。同時(shí)托盤在小鉆桿的作用下，帶動(dòng)托盤繞中心軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連接在托盤上面的支撐架與其底部的滾筒也起到松散鉆渣的作用。由于支撐架和抗扭裝置的作用，鉆具懸空在孔底的上方。當(dāng)沖擊錘的沖擊力作用到鉆具的外壁上，鉆具的外殼將帶動(dòng)內(nèi)齒圈和上面的罩殼整體有向下的作用力。沖擊力通過托盤上面的防摩擦裝置和托盤傳至支撐架上；同時(shí)部分沖擊力通過罩殼與其連接為一體的機(jī)構(gòu)傳至中心傳動(dòng)軸的軸肩，將鉆具的主傳動(dòng)軸往下壓，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)鉆具整體向下進(jìn)行層進(jìn)成孔。鉆具在往下鉆進(jìn)的過程中，其主傳動(dòng)軸始終做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 4．5．2 提鉆過程 鉆具在工地上面支撐架和電機(jī)的作用下往上移動(dòng)。在移動(dòng)過程中，抗扭裝置的板簧在孔壁摩擦力的作用下，減少鉆具與孔壁的摩擦；同時(shí)，通過主傳動(dòng)軸軸肩的作用將拉力通過罩殼等結(jié)構(gòu)將力傳至外殼上，從而帶動(dòng)整個(gè)鉆具上升。在提鉆過程中，連接在主傳動(dòng)軸上的電機(jī)停止工作。 第五章 回旋沖擊鉆的性能、技術(shù)參數(shù)及注意事項(xiàng) 5．1 回旋沖擊鉆的性能、技術(shù)參數(shù)[22] 表1 回旋沖擊鉆的性能、技術(shù)參數(shù) 適用地 質(zhì)條件 適用于地質(zhì)等級(jí)為X～I(xiàn)Va，即流沙，沼澤土壤，含水黃土及其他含水土壤至比較堅(jiān)固的頁巖層、各種不堅(jiān)固的頁巖，致密的泥灰?guī)r，砂質(zhì)頁巖，頁巖或砂巖（巖石的單軸抗壓強(qiáng)度為3～50MPa） 鉆機(jī)總重 （/噸） 10.8 外型尺寸 （/） 成孔直徑 （/m） 1.5 鉆孔深度 （/m） 80 主軸轉(zhuǎn)速 （r/min） 32 鉆桿轉(zhuǎn)速 （r/min） 30 配套潛水 電機(jī)功率 （/KW） 22 輸出功率 （/KW） 20 沖擊壓力 （/KN） 495 沖擊頻率 （次/min） 45 鉆進(jìn)速度 （m/沖擊） 0.1 沖擊行程 （/m） 0.52 排渣效率（m/h） 4.03 排渣氣源氣壓 （/MPa） 0.97 成孔效率 （根/天） 9 5．2 鉆進(jìn)注意事項(xiàng) 1） 鉆孔開始時(shí)，在鉆機(jī)外殼不轉(zhuǎn)的前提下應(yīng)先打開氣動(dòng)排渣回路，再啟動(dòng)潛水電機(jī)，待鉆機(jī)托盤的支撐系統(tǒng)穩(wěn)定下降到地面后啟動(dòng)沖擊氣缸氣動(dòng)回路；提鉆時(shí)應(yīng)先斷開沖擊回路的氣源，然后關(guān)閉潛水電機(jī)的電源。同時(shí)，在提鉆的過程中通過鉆具與孔壁之間的空間向孔底灌注泥漿，通過調(diào)整排渣氣源壓力，將地下多余的水排到工地上（建議水位為2.5～3m左右）。 2） 在鉆進(jìn)過程中，應(yīng)有專人負(fù)責(zé)，保證孔內(nèi)外水頭差的高度，盡量減小水頭過快的變化。同時(shí)應(yīng)隨時(shí)注意鉆渣的形式：若排出來的鉆渣是黃泥和細(xì)沙，可以適當(dāng)加大沖擊的頻率，實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)；若排出來的鉆渣是大顆粒的膠結(jié)卵石和巖石，可以適當(dāng)?shù)募哟鬀_擊力，減少主軸的轉(zhuǎn)速，保證破巖的壓力。 3） 鉆進(jìn)過程中，每班工作人員應(yīng)堅(jiān)守崗位，司機(jī)、技術(shù)人員要隨時(shí)觀察各種情況，并做好相關(guān)的記錄工作。如鉆機(jī)工作是否正常，空壓機(jī)、供漿量及排漿量是否正常等等，若發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的措施。 4） 在正常鉆進(jìn)時(shí)，若發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不能鉆進(jìn)，可略提起鉆具，并調(diào)整鉆機(jī)的位置再下鉆。 5） 鉆機(jī)使用后應(yīng)對(duì)鉆機(jī)的整個(gè)零部件進(jìn)行檢查，并清洗鉆機(jī)上面的泥沙。對(duì)那些磨損較大的零部件做好記錄并進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S修，為以后鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完善工作提供必要的參考資料。 第六章 主要零部件參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6．1 主傳動(dòng)軸設(shè)計(jì) 軸的設(shè)計(jì)也和其它零件的設(shè)計(jì)相似，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力計(jì)算兩方面。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)算指的是軸的強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性等方面的計(jì)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(dòng)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。初步選擇主軸的材料為40Cr。 6．1．1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[10] 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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： 1）、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(jì)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(duì)加工精度和裝配工藝要求很高，且存在主軸在一個(gè)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(duì)軸的結(jié)構(gòu)將大大簡(jiǎn)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。同時(shí)綜合考慮現(xiàn)行的加工水平，為了減少加工的成本，主軸采用分段加工制造。初步擬訂整個(gè)鉆具的主軸分三段，各段裝配完后用法蘭盤連接。 2)、軸上零件的定位 為了防止軸上零件受力時(shí)發(fā)生沿軸向或周向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，軸上零件除了有游動(dòng)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(duì)鉆具來說，其工作時(shí)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。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱的形式，不能很好地解決裝配問題，故軸肩通過焊接的方法加工出來。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(duì)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(dòng)齒輪處h=(0.07～0.1)150=10.5～15mm,取12mm。 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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪與軸的周向定位均采用矩形花鍵連接。為了保證齒輪與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為H7/n6；推力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。 6．1．2 主軸的校核 進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采用相應(yīng)的計(jì)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，主傳動(dòng)軸主要是受鉆具電機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩，故采用扭矩強(qiáng)度校核。計(jì)算過程如表2下： 表2 主軸的校核[10] 計(jì) 算 數(shù) 據(jù) 計(jì) 算 結(jié) 果 主軸承受的最大扭矩 根據(jù)初定的參數(shù)選最大量4.6KN.m 主軸結(jié)構(gòu)參數(shù) 根據(jù)結(jié)構(gòu)初定外徑為240mm，內(nèi)徑為180mm； 抗扭截面系數(shù) = =1598400 軸的扭剪應(yīng)力 = =2.877MPa 前已選定軸的材料為40Cr調(diào)質(zhì)鋼，查得［］=70Mpa，因此［］，故初定的結(jié)構(gòu)參數(shù)在安全范圍內(nèi)。 6．2．傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì) 6．2．1 針式齒輪設(shè)計(jì)說明 1）齒輪機(jī)構(gòu)的類型很多，但直齒圓柱齒輪傳動(dòng)乃是最簡(jiǎn)單、最基本，但是對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，其維修不方便，故在本設(shè)計(jì)中采用針式齒輪傳動(dòng)。但為了計(jì)算方便，其計(jì)算設(shè)計(jì)過程采用等效方法，用圓柱齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算方法計(jì)算、校核針式齒輪的強(qiáng)度。 2）該機(jī)構(gòu)為一般工作機(jī)器，速度不高，但其工作環(huán)境惡劣，參考相關(guān)資料選用9級(jí)精度。 3）與常規(guī)齒輪一樣，針式齒輪的工作部分的齒輪材料采用20CrMnTi，為了減少制造成本，其他的固定部分采用鑄鋼。 4）初選中心太陽輪齒數(shù)Z=30，而一般i=1～3，參考樁工機(jī)械查齒輪傳動(dòng)比經(jīng)驗(yàn)值，取i=1.56行星齒輪齒數(shù)Z=ixZ=30X1.56=47.兩嚙合齒輪齒數(shù)互質(zhì)。 6．2．2 按齒面接觸度強(qiáng)計(jì)算[2] 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算,即: d≥ (1) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 表3 傳動(dòng)齒輪計(jì)算—1 設(shè)計(jì)計(jì)算項(xiàng)目 設(shè)計(jì)依據(jù) 設(shè)計(jì)結(jié)果 載荷系數(shù)K 查設(shè)計(jì)資料K=（1.2～1.4） 取K=1.3 扭矩T 根據(jù)實(shí)際工況要求 取T=2.3KN.m 齒寬系數(shù)φ φ==0.5(1+u)φ 取φ=0.5 0.4 材料影響系數(shù)Z 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 189.8MP 接觸疲勞強(qiáng)度 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) σ=1300MPa σ=560 Mpa 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N=60nJL N=2.6×10 N=1.3×10 接觸疲勞壽命系數(shù) 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) K=0.96,K=0.97 接觸疲勞許用應(yīng)力 [σ]=，取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1 [σ]=1248MPa [σ]=543.2MPa （2）計(jì)算 表4 傳動(dòng)齒輪計(jì)算—2 設(shè)計(jì)計(jì)算項(xiàng)目 設(shè) 計(jì) 依 據(jù) 計(jì)算結(jié)果 小齒輪分度圓直徑d d ≥ [σ]取最小值 d=265mm 計(jì)算圓周速度ν 計(jì)算齒寬b b=φ．d b=106mm 計(jì)算齒寬與齒高比b/h m= d/ Z=106/30=3.53mm =7.94mm b/h=13.35 計(jì)算載荷系數(shù) K= k k K 使用系數(shù)k k=1.5 動(dòng)載系數(shù)k k=1.06 載荷分布系數(shù)K, K= =1.4 =1.21 K=2.69 修正后分度圓直徑 =337mm 模數(shù)m m=11.23mm 6．2．3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)[2] 由式(10-5)得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為： （1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 表5 傳動(dòng)齒輪計(jì)算—3 設(shè)計(jì)計(jì)算項(xiàng)目 設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù) 設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果 齒輪的彎曲疲勞極限 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 疲勞強(qiáng)度系數(shù) 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 疲勞許用應(yīng)力 載荷計(jì)算K 齒形系數(shù) 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 應(yīng)力校正系數(shù) 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) ， 計(jì)算齒輪的 行星輪的數(shù)值大 （2）設(shè)計(jì)計(jì)算 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒輪的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)6.17. 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=8mm,按接觸強(qiáng)度算得分度圓直徑mm,算出中心太陽輪的齒數(shù) : 。取，則行星輪齒數(shù) ：。這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊。 6．2．4 幾何尺寸計(jì)算 根據(jù)保證滿足同心條件，可以計(jì)算內(nèi)齒圈的齒數(shù)： 根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算可得中心太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈的幾何尺寸，如下表： 表 6 傳動(dòng)齒輪幾何尺寸(單位:mm) 名稱 符號(hào) 計(jì)算公式 結(jié)果 太陽輪 行星輪 內(nèi)齒圈 模數(shù) m 根據(jù)齒輪強(qiáng)度定出的標(biāo)準(zhǔn)值 8 壓力角 a 分度圓直徑 d 334 520 1374 齒頂高 8 8 8 齒根高 10 10 10 齒高 h 18 18 18 頂隙 c 2 2 2 齒頂圓直徑 350 536 1358 齒根圓直徑 314 500 1394 基圓直徑 318 495 1307 齒距 25 25 25 齒厚 12.5 12.5 12.5 齒槽寬 12.5 12.5 12.5 齒寬 b 而一般小齒輪 144 134 128 6．2．5 驗(yàn)算 ，合適。 其他齒輪幾何參數(shù)設(shè)計(jì) 在這個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪圈內(nèi)圓周的下段為光滑的圓柱面，與托盤外圓周動(dòng)配合，托盤為一側(cè)面光滑的圓盤，其上有3個(gè)與行星齒輪相對(duì)應(yīng)的3個(gè)行星孔，行星孔內(nèi)為齒輪圈，每一個(gè)行星輪外側(cè)周邊的下部用軸承均勻固定著3個(gè)或若干個(gè)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(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，此轉(zhuǎn)動(dòng)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?jī)?nèi)沿的表面和行星齒輪上沿的下表面接觸，下部?jī)?nèi)沿的表面和行星齒輪下沿的上表面接觸。托盤內(nèi)行星孔為齒輪圈,它的分度圓直徑應(yīng)小于520.設(shè)計(jì)時(shí),我們?nèi)=340mm,孔底鉆齒輪與托盤上的行星孔的內(nèi)齒相嚙合,假設(shè)它兩者的傳動(dòng)比是3.7, 故托盤齒輪的幾何尺寸和孔底鉆齒輪的幾何尺寸為: 表6 其他傳動(dòng)齒輪幾何尺寸 (單位:mm) 名 稱 符 號(hào) 計(jì)算公式 結(jié) 果 托 盤 孔壁鉆齒輪 孔底鉆齒輪 分度圓直徑 d 340 92 104 齒頂高 8 齒根高 10 齒 高 h 18 齒頂圓直徑 324 108 120 齒根圓直徑 360 72 84 第七章 主要零部件的選材、熱處理及工藝分析 7．1 傳動(dòng)零件 為了實(shí)現(xiàn)鉆具預(yù)定的性能，確保鉆具的實(shí)用性，很好地解決傳動(dòng)齒輪的潤(rùn)滑與摩擦問題，對(duì)整個(gè)鉆具實(shí)用性具有舉足輕重的作用。 齒輪傳動(dòng)常見的失效形式主要有輪齒折斷和齒面損傷。為了防止齒輪折斷，常采用以下方法：選用合適的材料和熱處理方法，使齒根芯部有足夠的韌性；采用正變位齒輪，增大齒根園角半徑，對(duì)齒根進(jìn)行噴丸、輥壓等強(qiáng)化處理。為了防止齒面損傷，常提高齒面硬度，增大齒輪模數(shù)，改善潤(rùn)滑條件。 回旋沖擊鉆采用針式齒輪傳動(dòng)解決了一些齒輪潤(rùn)滑、摩擦和制造成本等問題。由于鉆具的工作環(huán)境惡劣（鉆具在泥漿里工作），其主要失效形式是齒面磨損。為此，齒輪傳動(dòng)的工作部分零件（如齒銷）采用中淬透性滲碳鋼（如20GrMnTi），熱處理要求為：滲碳深度為1.2～1.6mm，表面碳濃度=1.0%，表面硬度為58～60HRC。 7．2 孔底鉆桿 從鉆具的整體功能分析可知，孔底鉆桿既要帶動(dòng)托盤做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、鉆桿齒輪做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又要沿鉆桿齒輪做往復(fù)直線移動(dòng)。此外，鉆桿的頂部還要和錘體發(fā)生剛性沖擊，底部為了方便鉆具的安裝維修，通過螺紋將鉆具快速地安裝到鉆桿上，通過銷的作用帶動(dòng)鉆頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)鉆具預(yù)定的功能目標(biāo)，在結(jié)構(gòu)上，孔底鉆桿要設(shè)有花鍵帶動(dòng)鉆桿齒輪做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為了保證鉆桿的強(qiáng)度帶動(dòng)托盤做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)鉆桿要求具有強(qiáng)的韌性。為此，孔底鉆桿的結(jié)構(gòu)如圖9所示。 圖9 孔底鉆桿結(jié)構(gòu) 通過對(duì)鉆桿的工作要求分析，為了保證鉆桿的韌性，采用采用中淬透性滲碳鋼20GrMnTi，滲碳淬火，滲碳深度為1.2～1.6mm，表面碳濃度=1.0%，工作表面硬度為58～60HRC。其工藝路線為：下料，（銅棒）——正火——車——車兩端——車——平左端面——鉆，（銅塊）——鉆——攻——銑花鍵——滲碳處理——倒角——接焊（將銅塊與鉆桿軸焊接到一起）。 孔壁鉆桿與孔底鉆桿的功能基本一致，其加工工藝與孔底鉆桿的加工工藝基本一致。 7．3 其他零部件的材料選擇及熱處理方式 在整個(gè)鉆具中，主要零部件有齒輪固定圈、齒輪壓板、罩殼、外殼等等。在保證零件強(qiáng)度條件下，同時(shí)考慮制造成本的因素，齒輪固定圈采用鑄鋼材料HT250，分段鑄造；齒輪壓板采用45，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理；罩殼采用灰鑄鐵，分段鑄造成型；外殼采用灰鑄鐵，分段鑄造。 第八章 回旋沖擊鉆的可行性、實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性分析 通過對(duì)鉆具結(jié)構(gòu)及工作過程的分析，可以看出，設(shè)計(jì)出來的新型鉆具采用星形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使鉆具兼有沖擊鉆和回旋鉆兩種成孔原理的優(yōu)點(diǎn)，配套鉆機(jī)功率較小，能耗低；通過采用氣舉反循環(huán)排渣，有效的提高了在單位時(shí)間內(nèi)施工效率；通過采用針式齒輪傳動(dòng)，有效的解決了直齒圓柱齒輪齒根圓半徑小造成齒輪折斷形式的失效，同時(shí)有效的解決了齒輪制造加工的成本以及齒輪維修、安裝等問題；采用局部封閉式潤(rùn)滑和開式潤(rùn)滑相結(jié)合，在一定程度上解決機(jī)器的摩擦與潤(rùn)滑問題，保證了機(jī)器的使用壽命；在制造方面，由于鉆具的精度要求不高，其零部件的加工可以在普通的機(jī)床上可以完成（有一些零件可以直接鑄造成型，不需加工）；由于一些大型零件的相對(duì)尺寸比較大，其制造可以采用分段處理的方法，有效的節(jié)約了材料和制造帶來的成本過高等問題；通過分析，在理論的基礎(chǔ)上，該新型鉆具有了一定的可行性和實(shí)用性且其性價(jià)比較好。 但是，由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜性不可避免地給鉆具帶來了較高的制造費(fèi)用；由于鉆具復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)給鉆具在潤(rùn)滑和防摩擦方面帶來很多的不便；工作時(shí)，鉆具在泥漿中不可避免存在細(xì)沙等硬質(zhì)顆粒，在沙層中尤其嚴(yán)重，對(duì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的磨損是嚴(yán)重的，工作一段時(shí)間后，傳動(dòng)件（嚙合部分零件）不得不更換，由此會(huì)給施工帶來很多不便，使得用戶、建設(shè)單位難以接受。同時(shí)，采用氣舉反循環(huán)排渣，由于氣壓和氣壓零部件壓力的限制，在一定程度上限制了鉆具成孔的深度。此外，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在施工過程中不可避免地發(fā)生一些不可預(yù)測(cè)的一些實(shí)際的問題，使得鉆具的穩(wěn)定可靠性難以達(dá)到理想要求。 第九章 設(shè)計(jì)總結(jié) 本次設(shè)計(jì)的目的是為了系統(tǒng)地把大學(xué)中所學(xué)的專業(yè)知識(shí)連貫起來應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中，來解決生產(chǎn)實(shí)際問題，從而鍛煉我們的分析問題和解決問題的能力，從而設(shè)計(jì)出滿足要求的機(jī)械產(chǎn)品。 本次設(shè)計(jì)完成了大直徑樁基礎(chǔ)工程成孔鉆具回旋沖擊鉆的總體設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中為了使整個(gè)鉆具實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，其主要內(nèi)容包括鉆具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、齒輪傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)、主軸的設(shè)計(jì)以及泥漿循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)四個(gè)部分。 在這次設(shè)計(jì)中最大的感受是：理論與實(shí)踐必須相結(jié)合，只有將正確的理論應(yīng)用于實(shí)踐中，才能真正發(fā)揮理論的價(jià)值，才能更深刻地了解和掌握理論的真正內(nèi)涵；要作到理論與實(shí)踐相結(jié)合必須有一定的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但在這實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)方面，我很欠缺，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)內(nèi)容中出現(xiàn)了一些錯(cuò)誤。這些缺點(diǎn)還在待于在日后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和工作中來彌補(bǔ)和提高，此外，設(shè)計(jì)工作是一項(xiàng)繁重的工作，必須具有嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng)和頑強(qiáng)的決心和毅力。 參考文獻(xiàn) [1]孫恒，陳作模. 機(jī)械原理 [M].北京：高等教育出版社，2001 [2]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2001 [3]王伯惠，上官興著.中國(guó)鉆孔灌注樁新發(fā)展[M].北京：人民交通出版社，1999 [4]吳宗澤，羅圣國(guó). 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，1999 [5]鄒慧君. 機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：高等教育出版社， 1998 [6]劉鴻文. 材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1992.9 [7]《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》編輯委員會(huì).現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2002 [8] 成大仙. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第1、2、3卷）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002 [9]劉古岷，王渝，胡國(guó)慶.樁工機(jī)械[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 [10] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè)(第5卷)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000 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