(内含CAD)水平定向钻机.docx

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1、（内含CAD）水平定向钻机摘要水平定向钻机（HDD）是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施（管道、电缆）的一种施工机械，它广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等管线铺设施工中的一种施工设备。S DrawinglS梧里森齿抡减速箱2014JO29 22.2.19 翌硯盼作业单级斜躺设计a减速器箱体一绞车传动装置閔十四起更绞车传动装登设计说阴书S臧睜a课程设计总裝配圍S课程设计总装配囹12S课程设计总装配囹Hl本论文介绍了水平定向钻机的特点，穿越施 工工艺介绍，目前国内外水平定向钻机发展情况 等方面。主要进行了钻机的起重结构设计，包括 动力方式选择、液压缸的选择，以及完整的CAD

2、 图纸和用PROE建立随车起重机的三维模型。关键词：水平定向钻机，起重机，液压缸, PROE建模AbstractHorizontal directional drilling machine isnot digging in the surface conditionsthe laying of a variety of underground utilities(pipelines,cables,etc.)of a construction machinery.lt is widely used in water supply, electricity, telecommunications

3、, natural gas, coal gas, petroleum pipeline laying a construction equipment in the construction.This paper introduces the characteristics of horizontal directional drilling rig, through the construction process is introduced, at present domestic and foreign horizontal directional drilling rig develo

4、pment etc.The design of the hoisting structure of drilling rig, including power mode selection, the choice of hydraulic cylinder, as well as CAD drawings complete and use PROE to build 3D model of lorry-mounted crane Keywords:horizontal directional drillingmachine, crane, hydraulic cylinder, PROE mo

5、deling.第一章绪论1.1水平定向钻机的基本结构水平定向钻整机主要有底盘、动力头、钻架、 发动机系统、钻杆自动存取装置、钻杆自动润滑装置、虎钳、瞄固装置、钻具、液压系统、电气 系统、起重系统等部件组成。如图1-11瞄固装置2导向卸扣夹持器钻杆4驾驶室5 随车吊车6机箱（发动机）7底盘、履带8可移动式回转器9进给回拉马达10防护套图1-1三一重工SD360水平定向钻机外貌图1.2水平定向钻机的应用和分类水平定向钻机铺管技术是将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法结合在一起 的一项施工新技术，它具有施工速度快、施工 精度高、成本低等优点，广泛应用于供水、煤气、 电力、电讯、天然气、石油等

6、管线铺设施工工 程中。水平定向钻进设备，在十几年间也获得了 飞速发展，成为发达国家中新兴的产业。目前其IIill发展趋势正朝着大型化和微型化、适应硬岩作 业、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、应用范围广等特征发展。 该种设备一般适用于管径q>300（pl200mm的钢 管、PE管，最大铺管长度可达1500m,适应于 软土到硬岩多种土壤条件，应用前景广阔。- 按照水平定向钻机所提供的推拉力和扭矩的大小，可以将定向钻机分为小型、中型、大型 三大类。各类钻机的主要性能参数和应用范围见 表1 13 表1.1各种钻机的性能参数分类

7、参数型小中型大型推拉力（KN）<100100-450>450扭矩(KN M)<33-30>30功率（KW）<100100-180>180钻杆长度（M）1.5-3.03. 0-9. 09. 0-12. 0铺管直径（皿）50-350350-600600-1200铺管长度（M）<300300-600600-1500铺管深度（M）<66-15>15设计参数：最大回拖力：33kN 动力头最 大扭矩：1. 5kN. m 动力头转速：0"120r/min 钻杆直径/长度：60mm/3m由表1可知，该水平 定向钻机属于小型钻机，许多该类机配有柴油

8、机 发动机，液压驱动系统等，其中起重系统暂时不 普及。小型钻机适合口径50-350nun的管线铺设 作业，铺管长度最大300m。13水平定向钻机的工作原理水平定向钻机的底孔钻进类似于其他类型 的钻孔。都是由一定的动力系统提供钻孔过程推 进或回拖的动力，然后通过相应的传动机构把动 力传到钻头上。由钻头将不同岩层破碎并在相应 的岩层里钻出底孔，最后根据施工方钻孔设计要 求用扩孔钻头将孔扩到所需要的尺寸。在达到设 计尺寸后进行管线回拖，将所需要铺设的管线拖 进孔中，完成管道铺设口。14课题提出的背景随着我国国民经济的高速发展和政府对环 境的日益重视，自20世纪90年代以来，我国非 开挖的工程施工量和

9、投入的设备数量均以每年 40%的高速度增长。非开挖技术在我国已形成了 一个新兴产业，引起了各级政府和环境部门的高 度重视。我国极具潜力的非开挖技术市场也吸引 了大批国际非开挖设备制造商。在中国管道建设 大发展的21世纪，非开挖技术将具有十分广阔的应用前景，经济效益和社会效益也非常巨大。71=现代工程的施工量越来越大，工期要求也越 来越严格，操作人员的体力也有所加大，因此在 施工过程中，提高作业效率，减轻操作人员的劳 动强度，就显得尤为重要。无论群众或者政府机 关对现代的公共基础设施施工的效率以及施工 过程中对环境的影响越来越重要，因此设备的自 动化程度越高、效率越高、适应范围越广是水平 定向钻

10、机的发展方向。其中小型水平定向钻机在 原始机构上设计一个随车起重系统的重要性越 来越明显。1.5课题目的和主要研究内容本课题是在小型水平定向钻机的基础上所 做的进一步研究，在小型水平定向钻机的原始结 构上安装一个适合的随车起重系统。就目前国内 外市场上具有随车起重系统的一般是重型级，而 小型没配置随车起重系统。其实按照水平定向钻 机销售的情况而已，小型水平定向钻机使用大大 超过大型水平定向钻机的使用，但是小型水平定 向钻机由于本身的结构和重量的限制，没有设计 起重系统。可是根据现实的情况来说，设计小型ea级的起重系统使用越来越重要，市场也越来越需 求。其目的有二：一是加快施工效率、减少施工 用

11、期、对施工周围居民的日常生活和对周围环境 的影响；二是减少操作人员的劳动强度，以及操 作人员的人身安全。本课题主要进行了对小型水平定向钻机起 重系统的研究，对起重系统的结构设计。具体内 容有起重系统的起升机构、回转机构、变幅机构 和伸缩机构的选择、设计以及计算，应用Pro/e 建立随车起重系统的三维模型。第二章水平定向钻机起重装置结构简介水平定向钻机随车起重装置是安放在水平 定向钻机机车上面的一种附加起重设备。它属于 臂架式起重装置，其运行支撑装置常釆用步履， 它可以在无轨路面上行驶，不仅减少劳动力，而 且节约资源、减少费用，是国民经济建设中必不 可少的一种高效、快捷、方便的装卸机械。随车起重

12、装置在搬运物料时，经历上料、 运送、卸料和回到原处的一系列过程，有时运转, 有时停转，是一种间歇动作的机械。它通常由 四部分构成：工作机构、动力装置与控制系统。工作机构指机械传动部分，常见的有：起升 机构、运行机构、回转机构和变幅机构。它们是 为了实现起重装置不同运动要求而设置的，依靠 这四个机构的复合运动，可以使起重装置在所需 的任何指定位置进行上料和卸料。由于按设计要求，起重装置的运行机构是步 履式水平定向钻机，此次设计仅就起升机构、回 转机构和变幅机构进行设计，对其进行分析与计 葬。2.1起升机构简介起升机构用于实现货物的升降，它是任何起 重装置必不可少的部分，是起重装置中最重要、 最基

13、础、最核心的部分。起升机构工作的好坏， 直接影响到整台起重装置的工作性能.起升机 构（如图24）主要由取物装置、钢丝绳卷绕系 统、制动装置、减速装置、驱动装置以及安全装 置等部分。其中不少零件釆用标准通用零件。从 发动机到各工作装置间的动力传动，有机械传 动、电力传动和液压传动三种形式。机械传动的 传动零件都是刚体，传动可靠，效率高，但整个 传动装置复杂、笨重。电力传动型式中的机械零 件数量少，总体布置方便，操纵轻便，调速性好。 但整个传动装置需要电动机数量多，重量大，价 格贵。液压传动调速方便，传动平稳，操纵方便, 结构简单，重量轻，但传动效率较低。2.2变幅机构变幅机构用以改变从取物装置中

14、心线到起 重机回转中心线之间的水平距离。其主要部分是 起重臂。起重臂是随车起重装置的主要受力构 件，吊臂的设计合理与否，直接影响随车起重装 置的承载能力、整机稳定性和自重。另外为了能 给人以安全、稳定、可靠的感觉，吊臂界面的选 择与外观设计都要合理。臂的形式有直臂式和折 臂式两种。直臂有良好的通过性，它适用于中小 吨位轮式的起重装置。箱形结构制造简单，具有 良好的抗弯和抗扭等优点。伸缩油缸与前置式变 幅油缸相结合，使臂架受力合理，变幅范围更大。 在此选用伸缩式直臂箱形结构。2.3回转机构转机构是使起重装置的回转部分相对于非回转部分实现回转的装置。回转机构包括回转 支承装置和回转驱动装置。回转支

15、承装置为起重 1=1机的回转部分提供稳固的支撑，并将来自 回转部分的载荷传递给基础构件。回转驱动装置 的作用是绕起重机的垂直轴线在水平平面内沿 弧弧线移物品。当起升、变幅和回转三个机构 配合动作时，就可以把所起吊的货物在起重机幅 度所能达到的范围内任意移动，从而扩大了作业 范围。2.4传动系统的选择及各回路工作原理 2.4.1传动系统的选择市场上，水平定向钻机机车通常以内燃机作为原动力。起重装置一般也是如此，但是在一些 作业场地相对固定、范围也较小的情况下，也有 采用外接电源作为动力源，各机构用电动机驱动 的。如港口、仓库等。对与釆用内燃机为原动力 的水平定向钻机，在从原动力至各机构的传动形

16、式上有三种形式，即机械传动，电力传动和液压 传动。如图23：（a）机械传动671-电动机或液压马达；2.减速 器；3-起升卷筒；4-制动器；5.离合器；6-钢丝绳滑轮组；7-吊钩；8-变幅机构；9-回转机构；图2-3机械传动是通过各种机械零件，蒋原动机的 机械能通过控制装置传递到各工作机构。其缺 点：（1）重量较大，布置困难，机构的承受超 载能力差；（2）每个工作机构需设置逆转机构，使机 构复杂化。电传动是将内燃带动的发电机所发出的电 能或外接电源的电能，通过控制装置，分配到各 机构的驱动电机上，带动起重机的各机构工作。其优点:(1) 布置简单，调速性能好，操纵方便;(2) 过载能力强，维护方

17、便。缺点：电机的重量大，成本高，从而传动方式 的自重较大，成本高。液压传动是现代起重机广泛釆用的传动方式。它通过液压泵将内燃机的机械能转变成液压 油的液压能，在各种液压控制元件的控制下，将 液压能传递给各机构的液压执行原件，还远机械能。其优点是:(1)元件尺寸小、重量轻、结构紧凑;(2)调速范围大，且可无级调级;(3) 反应速度快，动特性好；(4) 运转平稳，液压油的弹性可以缓冲;操纵方便，易实现自动控制;(6)由于液压元件日趋标准化、系列化，所以质量稳定，成本下降。其缺点:(1)传动效率低;(2)制造安装不当还会发生泄漏;(3) 环境温度对其传动效果影响较大;(4) 系统出现故障不易处理等。

18、)综合市场发展趋势、用户的需求以及以上各 自的优缺点，本次设计起重机选择液压传动。起 重机的起升机构、变幅机构、旋转机构和臂架伸 缩机构均采用液压传动,其原理图如图1-8所示。 该液压系统由安装在水平定向钻机机车底盘上 的取力箱带动，直接从油箱中吸油，经过滤油器2,输出压力油。改变发动机的转速，可改变泵 的排出油量，从而对个机构的工作速度进行调 节。1油泵；2滤油器；3手动换向阀;4四联阀；5制动器；6,7溢流阀;8回转马达;9变幅油缸；10，12，14平衡阀;11臂架伸缩油缸；13 起升卷筒马达;图1-8液压系统原理图2.4.2回路工作原理回路原理：旋转机构回路：液压马达8通过蜗轮减速箱 和

19、开式小齿轮，与转盘上的固定内齿圈相啮合来 驱动转盘。由于转盘速度较低，驱动转盘的液压 马达转速也不高，不必设置马达制动回路。通过 阀4-1的三个工作位置，可获得左转、右转和停 转三个不同工况。伸缩回路：多节臂架的伸缩由一个变幅油缸 9控制。为防止吊臂架的自重作用下下落，该回 路中串有平衡阀10.手动换向阀4-II操纵伸缩臂 伸出、停止、缩回三种工况。变幅回路：手动换向阀4-EI控制液压缸11, 使起重臂幅度变小，停止变幅，幅度增大，变幅 作业要求平稳可靠，因此该回路装有平衡阀12o起升回路：起升机构是在起重机最主要的机 构，直接关系到起重作业安全。平衡阀14的作 用是防止重物下降时速度失控，但

20、是由于马达的 泄漏，尽管有平衡阀，仍可能产生“溜车”现象。 为此，在油马达输出轴上装设常闭式液压制动器 5.当制动器的油缸与会油相通时，借助弹簧力， 制动瓦抱紧制动轮锁紧马达，是吊载停止运动； 当制动器的油缸与压力油相通时，压力油克服弹 簧力，推动油缸活塞，给制动器松闸，是马达旋 转，实现吊物升降。为避免其他机构工作导致制 动器松闸发生意外，起升回路置与液压系统串联回路的最末一级。手动换向阀4IV的中位釆用Y形，其作用是在中位时，将阀的进、出油口与通 往马达的进油口连通。在制动时为油马达的回路 补油，避免由于马达泄漏造成进油路的吸空现第三章起升机构的设计由第二章可知对于随车起重机来液压传动系统

21、说是较合适的传动类型。故起升结构釆 用液压马达一减速机一卷筒的传动方案。电动机 通过联轴器同传动效率较高的渐开线圆柱齿轮 减速器相连接，减速器的输出轴上装有卷筒，它 通过钢丝绳和吊钩相联。这种结构紧凑、易于实 现。起升时，马达逆时针旋转，摩擦片被松开， 卷筒顺时针旋转放下货物；制动时，马达停止旋 转，卷筒依靠自重顺时针旋转，使二级齿轮轴顺 时针旋转，摩擦片被压紧，棘爪顶住棘轮，卷筒 停止转动，重物悬吊不动。吊钩的升降靠马达改 变转向来实现。3.1起升机构基本参数根据设计要求，此次设计的起重机额定起重量Cp=3000kgo查起重机设计手册何属于汽 车起重机，其起升速度为830m/min，本次设计

22、 咱定起升速度为15m/min.市场上销售的3T的起 重机的起重高度为&2m,所以本次设计的起升 -一滑轮组效率， =0975机构的基本参数为： 额定起重量=Cp=3000kg 起升速度=15m/min 起升高度=82m3.2吊钩的选择根据要求査起重机设计手册问选择A型短钩，用起重量按3.5T可查得所用吊钩尺寸D=65mm d=45mm l>95mm Ri=90mmR?=80mmS=50mmdi=40mmLi=95mmR2=22mmR6=45mmb=40mmdo=M36L2=34mmR=70mmh=65mmL=215mmR=9mmR4=10mmR7=35mm 重量=6kg。3.3

23、钢丝绳的选择根据起重机的额定起重量Cp二3000kg,查起 重机设计手册选取换轮组倍率呼4。钢丝绳最大拉力:S max =Q + G2m/式中。一额定起重力， Q = gCp = 30000/VG一一吊钩组重力，G = 図=6xl0 = 60N. S max =30000+602x4x0.975= 3853.85"根据起重机设计与实例3钢丝绳工作级别选系数C=0105D nin = CyS = 0.105 x J3853 .85 = 6.5mm查起重机设计手册3选用单股钢丝绳直径10. 0mm,钢丝直径2. 0mm,钢丝总断面59. 66心 参考自重50. 71kg/100m,钢丝破

24、断拉力llOOONo 钢丝绳在使用时需要与其他承载零件连接以传 递载荷。本设计采用楔形套筒法，查取选用： 楔 楔套 楔形接头ll#GB5973-86ll#GB5973-86HT200ZG20011#GB597386ZG270-5003.4滑轮的选择根据钢丝绳直径10.0mm,查起重机设计与 实例""中附表2,选择滑轮WJ02201,滑轮主要 尺寸：D=280mm,D=325mm， R=8mm，b=35mm，W=26mm， f=8mm, D2=55mm,D=63mm，B=64mm,推荐轴承型号为211,参考质量95kg。3.5卷筒的选择卷筒按绕绳的层次分为单层绕卷筒和多层 绕

25、卷筒。单层绕卷筒表面通常切出螺旋槽，钢丝绳依 次卷绕在槽内，使绳索与卷筒接触面积增大，单 位压力降低。因为绳槽节距大于钢丝绳直径，所 以避免了钢丝绳之间的相互摩擦，从而延长了钢 丝绳的使用寿命。多层绕卷筒用于起升高度很大，而卷筒长度 又受限制的情况，如汽车起重机。它的主要缺点 是内层钢丝绳受到外层钢丝绳的挤压，在卷绕过 程中相邻绳圈之间有摩擦，使绳索寿命降低。此 外，在绳索拉力不变时，载荷力矩随卷筒上绳索 层数的不同而变化，造成载荷力矩不稳定。为改 善钢丝绳在卷筒上的接触状态，提高绳索的寿 命，釆用切螺旋槽的多层绕卷筒。起重机大多釆用多层绕卷筒，其容绳量大。随着a起升高度的增加。起升机构中卷筒

26、的绕绳量相应 增加。采用尺寸较小的多层绕卷筒对小机构尺寸 是很有利的。其表面做成螺旋绳槽，两边有侧板以防钢丝脱出，二级减速大齿轮与卷旋绳槽，两 边有侧板以防钢丝绳脱出，二级减速大齿轮与卷 筒连接在一起。3.5.1卷筒直径D卷筒直径的大小影响钢丝绳的弯曲程度。为 确保钢丝绳的寿命，卷筒直径不能太小。按起重机设计手册岡规定，卷筒的名义直径:Do=ed (mm)即 Do=ed =20xl0=200mm卷筒的槽低直径D为:D = Do d = (e-l)d(mm)=190mm式中，D一卷筒槽底直径(mm)Do 按钢丝绳中心计算的卷筒卷绕直径(mm)e 卷筒直径与钢丝绳直径之比e=20d钢丝绳直径算得：

27、卷筒名义直径D= 200mm3.5.2卷筒长度L及校核本卷筒采用多层卷绕单联卷筒，由公式:/» = £()+ 2Li + LiTC r X H maxX d/X, L(> = 1.1 XTrxn(Doxnd)厶-绕卷长度；H max最大起升咼 /xH = 8.2/?：d钢丝绳直径，（I = 1 Omnr,其中Do 卷筒直径，Do = 200”a一一层数，“ =5;m滑轮组倍率，加=4;乙-根据构造需要选定，乙= 20;厶2-固定钢丝绳所需要的长度,厶2e3/,r = l mm代入数据可知M=165mm本卷筒为钢卷筒ZG230-450,可由经验公式确定6d,考虑到工艺要

28、求，取15mm.大拉力为S max的钢丝绳绕上卷筒后，把卷筒箍紧，使卷筒产生压缩、弯曲和扭转应力，其中压 缩应力a最大，当Ls3D时，弯曲和扭转的合成 应力不超过压缩应力的30%,因此弯曲和扭转应力可忽略。"max6 = A &xP式中A原与卷筒层数有关的系数，取2s喰一钢丝绳最大拉力3852.85NP卷筒节距11.5mm6一卷筒厚度15mm町一许用压应力=S,其中（JS=23ON/,W爲=153 N/ mm23853.85?6 = 2x心 44.79N / innr15x11.5Jl< 5合格3.6钢丝绳速度由已知 U斤= 15?/min， 从而可知：V = Vnxm

29、式中 m“滑轮组倍率，m=4；. V 绳= 15x4 = 60/?/ min3.7卷筒转速及扭矩卷筒转速:V绳 z (D + d*=60x10-112.4r/min(160+10)x3.14D-卷筒直径 d钢丝绳直径卷筒最大扭矩:S钢丝绳单绳拉力一卷筒的效率，产09838液压马达、泵、发动机的参数的设计以及选择 381液压马达初步选定减速比i=26. 69,则马达转速n 马=n 卷 Xi = 112.4X26. 69 = 3000r/min马达扭矩:M 马二M卷 / (iX n)n = n卷x n轴承3X n开齿x n闭齿 n卷一卷筒效率轴承一轴承传动效率n开齿一开式齿轮传动效率n闭齿一闭式齿

30、轮传动效率n=0. 98X0. 993X0. 94X0. 99=23. 6Nm由马达转速、扭矩选用马达 MFB5*排量 qm二 10. 55ml/r转速 100r/ min3600r/ min 最大输出扭矩31Nm3&2油泵的容=1仙5Q= ”马达转速 如一马达排量 曲一马达容积效率Q= 3000x10.55 =3296& 75 ml0.963.8.3油泵驱动功率N 重二V 升 XQ 起=15X3000X6.8 / 60 =5. 1KWN«=N .g / x>1=11卷X"轮组X”减X” q总X”磁X礎卷卷筒效率、滑轮组效率 处一导向轮效率 减速机效率

31、 11脱一马达总效率T|磁 油泵总效率n=0.98x0.95x0.96x0.94x0.87x0.8=0.5855N= 085 =8.72 kw根据市场小型水平定向钻机的发动机本次 设计选择东风康明斯B系列6BTA5.9-C170其 具体参数为：发动机 型号额定功率/ 转速最大扭矩廉速6BTA5.9-C170125/2000730/1300所以N 发=2000r/min3&4泵的排量Q3296&75q,” = 发 x % = 2000x0.93 = 17.7ml/rQ 一油泵容量3296875ml/min n容一容积效率0.93由泵的排量、驱动功率选用：泵 CB-B20 排量 qm=20ml/r综合上述，液压马达的选型为MFB5*,发动机型号为东风康明斯6BTA5.9-C170,泵的型号为 CB-B20o