大直径桩基础工程成孔钻具设计

摘要

本次毕业设计完成了大直径桩基础工程成孔钻具I型钻具总体设计。设计内容包括行星齿轮传动部分的设计、钻具的设计、主轴的设计以及泥浆循环系统的设计等几个主要部分。同时，本设计在AutoCAD的基础上，完成了该型钻具的总装图和绝大部分零件图的绘制。设计后的钻具配套功率小，既能够产生旋转运动又能产生冲击运动，且利用气举反循环排渣快速成孔。

关键词：成孔钻具；行星运动；旋转冲击；气举反循环排渣

ABSTRACT

The graduate design presents the collectivity design of I type drill hole machine,which can make a big diameter stake of substructure .The design contents include the main parts of the following,which are the spread of the planet wheel gear,drill facility,the principal spindle and the slurry circle system.Besides, it has finished the assembly drawing of the drill machine and also most of its part drawings based on the AutoCAD.As a result,the drill machine with a small power which not only could circumgrate movement, but also could impact movement,and could aliminate the dregs with air anti circulate. So it can quick drill the hole.

Keywords:hole drill machine；planet movement；circumgyrateimpact；aliminate the dregs with air anti circulate

目录

第1章前言 (1)

第2章概述 (3)

第3章设计中要考虑的问题和方案 (4)

第4章行星齿轮设计 (8)

4.1行星齿轮的特点 (8)

4.2行星齿轮的设计计算 (9)

4.3行星齿轮均载装置 (18)

第5章钻杆齿轮设计 (20)

第6章钻杆回转驱动齿轮设计 (22)

第7章钻具的设计 (24)

第8章主钻头的设计 (27)

第9章主轴的设计 (29)

9.1主轴的结构设计 (29)

9.2主轴的校核 (30)

第10章泥浆循环系统的设计 (32)

设计总结 (35)

参考文献 (36)

致谢 (37)

附录1 (38)

附录2 (45)

第1章前言

长期以来，桥梁、港口、码头、水工和工民建筑物的基础工程，在0.8米以上 2.0米以下常规直径桩基础成孔施工中，广泛使用冲击钻和回旋钻两种基本钻型，以及泥浆护壁正循环排渣方法施工。随着国内外桩基础工程机械的研究开发，为了适应各种工程地质条件施工，提高成孔施工效率，降低设备投入量和适应大直径桩基成孔需要，目前在传统的冲击钻和回旋钻的基础上，已生产出了如：重型冲击钻、连杆冲击反循环钻、套管钻机、潜孔冲击锤、潜水回旋钻、回转斗钻、短螺旋钻和扩底钻头等施工机械设备，大部分产品实现了反循环排渣，明显地提高了成孔施工效率，一般岩层成孔直径可达到2.5米左右，进口设备成孔直径已可达6米。其中结构简单的国产重型冲击钻成孔直径也可达3.0米。但是仍然存在着种种不适应施工需要的问题，主要是：1、普通回旋成孔钻，对工程地质条件变化的适应性差，特别是不适应大砾石地质和无风化硬岩层成孔，地质适应范围受限。2、一般冲击钻虽然地质适应性好，但施工效率显低，同时大直径的重型冲击锤自旋性差，成孔失圆度大。3、设备和钻具通用和互换性差，即一种设备只能配套相应钻具。一种规格的钻具，只能适用于相应直径的成孔。4、国内大直径的钻具设备研发，少有研究采用新的运动原理和结构，一般只能采取加大直径，增加配套功率和扭矩，以及选用高硬刃具材料等办法，因而有趋向高功率配置和笨重方向发展的趋势，不仅固有的弱点问题没有解决，而且又更加大了施工设备投资，影响工程建设效益。如：湖南省道1804线周家店至常德公路改建工程，在柳叶湖大桥四根3.0米直径桩基础施工中，由于施工成本的原因，第一个枯水施工季节，没有进场大直径成孔设备，施工单位采取沉井明挖法施工失败。在第二个枯水施工季节，终于以60多万的价格，新购置到重型冲击钻机设备，开始进行返工施工。韶关产冲击锤重达13吨，配套设备均是个别设计生产，使用直径4.5公分钢丝绳。由于锤重绳粗，常规的设备匹配和连接方式，在这“重型”面前显得非常脆弱，出现了每两个工作班必须更换连接，每次需三小时，每15个工作班，损坏一次导轮或轴，每次更换需时间1—2天的情况，另外3—1#桩基出现了严重的孔壁失圆现象，明显地影响了工程质量、进度和效率。5、适应桩基础沉井护壁不排水施工的设备缺乏。而不排水施工可避免发生沉井严重偏位、沉井滞留和井口沉陷以及下沉缓慢等诸多问题。

各项工程基础的施工进度往往是影响整个项目建设工期的关键，其造价也是影响项目投资的主要不定因素。鉴于以上情况，为适应各类建筑工程材料、设计和施工技术的发展需要，如何从钻孔桩基础施工成孔设备着手，综合冲击钻和回旋钻两种基本钻型成孔原理的优点，研究开发出新型成孔钻具，以解决桩基工程施工，要求快速高效、稳定

可靠、广泛适用和适应超大直径方向发展的问题，是长期以来国内外业内人士不乏探索的命题。

第2章概述

在桩基工程施工中大量使用的冲击钻和回旋钻，它们工作状态的一个共同特点，是切削刀刃与孔壁和孔底保持整体的或线或面的接触，摩擦阻力大，切削相对速度低，能量分散，分布不合理，无效功耗大，效率低。如果单个刃具能实现如下图所示的平面单迹线星形运动，并同时具有径向旋削软散颗粒，轴向冲击破碎整体岩石的功能。则数个小直径的刃具也将会产生高效率的复合运动和作用，由若干连续点的运动，形成连续的曲线运动，若干曲线的运动，使施工面呈周边包络线为圆形的细密网状曲面，实现钻具逐层从上至下的整体成孔运动。

本课题设计源于1984年以来一件孩童游戏工

具，因其游戏时规则均匀的迹线运动（如右图所

示），令人眼花的组合变化，激起了我的思考和对

生产及生活现象的观察。

星形运动的钻具主要由钻架、动力轴、齿轮

组、钻杆、钻头组成。其特征在于钻架由外支架

圈和斜支杆组成，动力轴是中空的圆管，位于钻架的中心轴线上，与支架用轴承连接，在外支架圈内，有齿轮组，齿轮组由一个中心齿轮、三个行星齿轮、齿轮圈和托盘组成，中心齿轮用键固定在动力轴上，大小相同的3个行星齿轮均匀分布在中心齿轮周围，行星齿轮与中心齿轮和齿轮圈上段的内齿同时啮合，齿轮圈与外支架圈固定在一起，齿轮圈内圆周的下段为光滑的圆柱面，与托盘外圆周动配合，托盘为一侧面光滑的圆盘，其上有3个与行星齿轮相对应的3个行星孔，行星孔内为齿轮圈，每一个行星轮外侧周边的下部用轴承均匀固定着3个或若干个钻杆，钻杆的下端安装有钻头刃具，钻杆的中部用键固定有被动转动齿轮，此转动齿轮与托盘上的行星孔的内齿相啮合，齿轮圈上部和下部都有内沿，上部内沿的表面和行星齿轮上沿的下表面接触，下部内沿的表面和行星齿轮下沿的上表面接触。