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全套CAD图纸，联系153893706第一章 绪 论1.1 选题意义目前越来越多的大规模交通、铁道、电力、地铁、水利等建设活动过程中都需要水平定向钻探技术，即非开挖施工技术。该技术与开挖施工技术相比，具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、社会效益显著等优点。可广泛应用于穿越公路、铁道、建筑物、河流，以及在闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区等条件下进行的供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线的铺设，更新和修复。1.2 国内外概况1900年美国人采用顶管法成功地实现了非开挖铺设管线的技术突破。非开挖技术经历60年的发展，先后只发明了螺旋钻进法和冲击矛法技术。1970年美国加洲人率先使用“水平导向钻进法”穿过河流铺设第一条采用此技术的管道，成为创立“水平导向钻进法”的第一人。由于他经常到全美各地推广此技术。因此，“水平导向钻进法”成为非开挖施工所普遍采用的施工工艺。随着非开挖技术的不断成熟，人们又针对不同的管网情况，1980年发明了“胀管法”（爆管法），此技术逐步推行开来，特别是自来水行业运用较多。国内现状：非开挖铺设更换管道技术以其独特的优越性，已被人们逐步接受，特别是在大中城市，商业繁华地区普遍采用此项技术，我国香港特别行政区已运用很久。但内地还处在起步阶段1.3 设计特点所谓定向钻探，就是在钻探和钻井施工中，利用土层造斜规律，采用人工造斜手段，或者两种同时并用，使井孔按照设计的轨迹钻达预定目标的钻进方法。在钻探施工中，根据地质条件，合理采用定向钻进方法，不但能够提高工程量，节约施工费用，而且能够缩短施工时间，获得较好的技术经济效果。而对钻孔深度300米左右的水平定向钻机需求量比较大，以往的300米水平定向钻机，存在着机械式、笨重、使用不方便等缺点。鉴于以上原因，此次毕业设计，我的导师陈少云老师让我对300米水平定向钻机（FDP-15D）进行研究。经过调研，我觉得水平定向钻机是一种小型液压钻机，应有以下特点： 1. 经济耐用可靠、质优价廉；2. 结构简单，易于加工制造；3. 操作简单，维修方便；4. 适用于、两种钻杆；5. 钻进速度快，效率高；6. 施工周期短、综合施工成本低、社会效益显著。7. 随着水平定向钻探技术的发展，这种钻机应具有良好的发展空间。第2章 FDP-15D钻机总体方案的确定2.1 具体方案的确定经过陈老师的细心指导和长时间的搜集和查阅资料，我对钻机的整体结构和工作原理都有所了解。钻机的结构与其所采用的钻进工艺相关联。目前国内外都正在研制和应用全液压钻机。全液压钻机同传统钻机一样，都是用来完成钻进和升降钻具等基本工序，以实现采取岩心，达到探矿的目的。从结构上看，全液压钻机可以分为立轴式全液压钻机和动力头式全液压钻机。二者相比较，动力头式全液压钻机具有结构简单、重量轻、操作简便、可以实现无级调速、加压给进等优点，工作效率大大改善。并且动力头式全液压钻机也是钻机的发展方向之一。综合各方因素，我选择设计水平定向动力头式全液压钻机。具体方案如下：1. 考虑到此钻机常用于户外作业，动力可选柴油机。2. 钻机应用螺纹连接钻头精简结构，节约时间，提高有效钻进速度。3. 动力头采用单极齿轮减速器，减少变速箱体积，根据不同的地质条件，选用不同的钻进速度。4. 在满足上述要求的同时，尽量结构简单，操作方便，适于整体或解体搬运。尽量做到标准化、通用化、系列化。 2.2 技术特性1. 最大钻进深度 2. 导向孔直径 3. 钻杆直径 4. 动力头转速 第3章 FDP-15D钻机结构方案的确定一台全液压钻机主要包括主机、动力设备和操纵台三个部分。3.1 主机部分水平定向全液压钻机的主机包括回转机构、给进机构等基本部件。3.1.1 回转机构 全液压动力头式钻机的回转机构，就是移动式回转器，亦称为动力头。动力头是钻机的重要组成部分，主要由回转马达、减速器、水接头组成。它的功能有二：一是传递扭矩，以带动钻具旋转钻进或拧卸钻杆；二是动力头由给进机构带动，以传递向上或向下的轴向力及其运动，用来实现加减压给进。 本全液压钻机通常采用导向钻杆，其钻进工艺对动力头的基本要求有下列几点：1) 动力头的钻数和扭矩应是可调的，最好的方案是无级调速，以适应钻进工艺的需要。2) 转数调节范围应满足钻进工艺的需要。3) 具有正反转的能力。4) 回转平稳、振动少和噪音不大等。动力头转速调节范围，取决于地质条件、钻头直径以及钻进方式。由于是全液压钻机可以实现无级调速，马达的调速范围在8300r/min之间完全满足钻机的要求。采用导向钻杆钻进时，要求高转速。国外的最高转速以达20003000r/min；国内大致在10001500r/min，而从处理事故和拧紧钻杆的要求，则需要低速档，一般为200300r/min。本设计动力头的转速范围为160、 1120r/min。 本设计的动力头主要特点如下：1. 油马达上装有安全阀，可自动进行过载安全保护。2. 无液压卡盘，采用螺纹连接结构，使整体结构简单化。3. 结构紧凑，节省原材料。4. 壳体由铸铁制成，故有良好的工艺性。 动力头按照回转油马达的安装位置不同，可分为装有油马达的动力头（A型）和不装油马达的动力头（B型）两类。A型动力头与B型动力头相比，具有结构简单紧凑、工作可靠、重量轻和搬运方便等优点。目前，国内外全液压动力头式钻机的大多数均采用A型动力头。本设计也采用A型动力头。A型动力头的工作原理（图1-1）：油马达2经齿轮传动箱带动输出轴回转，从而使钻具回转。图 1-1 钻机动力头原理示意图1-底座 2-马达 3-联轴器 4-减速器 5-法兰盘 6-钻头3.1.2 给进机构 给进机构是钻机的工作机构之一，它对钻机的技术性能、工作效率以及其应用范围有着极大的影响。全液压动力头式钻机给进机构的功用有二：一是用来保证钻头具有所需压力，一是实现进给；二是用来“倒杆”。 一个完善的给进机构应满足下列要求： 1) 能调节钻头压力，浅孔时加压、深孔时减压，故要求给进机构具有加压和减压等机能，压力调定后就应保持恒定不便。2) 给进速度是可以调节的，并应能无级调速，使钻头给进速度能与机械钻速相适应。3) 给进行程应尽可能的长。4) 结构简单、工作可靠、操作灵活安全。并应配备有仪表来观测钻头压力、进尺和钻速等。目前，全液压动力头式钻机的给进机构有油缸液压给进机构和油马达链条给进机构两种。大多数钻机采用油缸给进机构。油缸给进机构又分为一般油缸给进机构和油缸链条倍速给进机构两种。一般油缸给进机构是油缸的液压力或运动直接作用于动力头和钻具；油缸的行程和动力头的给进行程相等，故又称为非倍数油缸给进机构。油缸链条倍速给进机构是动力头的给进行程等于活塞行程的两倍。本设计选用单油缸链条给进机构。单油缸链条给进机构工作原理（图1-2）：给进油缸缸体固定在机架上，活塞杆的前端与带有链轮的连接轴相连接。拖板向后移动。每根链条的一端都是绕过链轮之后固定在给进机架上，而另一端绕过链轮之后分别与拖板相连接，组成为一个封闭的倍增传动链，拖板行程比活塞行程增大一倍。 图1-2 给进机构示意图1-动力头 2-液压油缸 3-链条3.2 动力设备部分全液压钻机的动力设备，包括动力机、油泵、油箱、过滤器、冷却器等。3.2.1 动力机驱动油泵的动力机，一般采用电动机或柴油机。在坑道钻探中，也有采用风马达的。动力机的转数，一般为14601800转/分，国外钻机有增高动力机转数的趋势，高达24003600转/分。这样可以大大提高油泵排油量，或缩小油泵尺寸和重量，使动力机和油泵小型化。动力机的功率是设计钻机的依据。钻机的功用主要是用来完成钻进工序。回转钻进所需的功率包括破碎孔底岩石和回转钻具等所需功率，前者基本上不受孔深的影响；后者当转数不高时随孔深的变化也不大，当转数较高时随孔深增加而增大。本设计采用柴油机作为动力机。3.2.2 油泵油泵是将动力机的机械能转换成液压能的一种装置，它是液压传动中的动力源。目前，每台全液压钻机的油泵站通常有两个油泵，一个为主油泵，它向回转马达供油；另一个为辅助油泵，它向给进机构供油。但有的钻机（如泰美克250型钻机）只有一个油泵，它向油马达及各油缸供油。油泵类型的选择应能满足钻机工作的特点和要求。由于钻机的回转速度有高有低，一般主油泵选用变量油泵，并且都用轴向柱塞式变量油泵，它能使液动机实现无级容积调速；辅助油泵多用齿轮油泵，也有选用轴向柱塞式变量油泵的。这时因为轴向柱塞式变量油泵具有 体积小、重量轻、调速方便、转速高、压力大等特点，它较适用于钻机的工作需要。但定量油泵价格比较便宜。本设计采用双油泵，主油泵采用变量泵，辅助油泵采用定量油泵。3.2.3 油箱油箱是用来储油、散热、分离油中杂质和空气的装置。它的形状和尺寸要根据钻机的总体布置及散热的需要来决定。按一般机械要求，油箱的有效容积为油泵的每分钟流量的三倍以上。但是，考虑野外工作条件的需要，钻机的油箱容积不能太大。而且多数钻机在油箱里装有冷却器，因此油液的发热大为改善。本钻机也采用这种结构。3.3 操纵台部分 “集中手柄操纵”这是全液压钻机的特点之一。钻机的所有控制阀、各种仪表等都集中装在操纵台的控制面板上。从油泵输出的压力油经高压橡胶管到各控制阀，操纵控制阀手把的各种不同位置，使压力油经阀板下的软管分配给各个液动机，根据钻探工艺的需要来驱动油马达、给进油缸等，从而完成钻探各工序的动作。因此，操作台是钻机的操纵驱纽。 本钻机也采用“集中手柄操纵”。第4章 动力机的确定4.1 电动机功率的确定本钻机的驱动装置采用柴油机，因为钻机多在野外作业，柴油机无需外接能源。本设计的液压系统由两个独立的支路组成，油泵马达回路系统和油泵油缸给进系统，且两油泵共用一台电动机联合驱动，因此钻机的电动机的总功率为： 其中：钻机的电动机总功率 回转钻杆及破碎岩石所需功率 给进油缸所需功率 4.1.1 油泵马达回转机构1基本参数的确定：机械效率 液压传动效率 钻头外径 钻头内径 其中：孔底破碎岩石所需的功率 钻头与孔底摩擦所消耗功率 回转钻杆所需的功率 机械效率 取 液压马达效率 取井底破碎岩石所需功率 其中：动力头转速 r/min 钻头切削刃数 取 钻进速度 岩石抗压强度 见表41表41 岩石抗压强度 岩 石 名 称抗压强度（N/cm2）硬 土1800其中： 井底环状切削面积钻头外径 取 钻头内径 取 将动力头各种转数以及岩石的不同抗压强度分别代入上式中所得的相应值见表42中。钻头与孔底摩擦所需功率其中：岩石抗压强度 钻具和岩石间摩擦系数 取 侧摩擦系数 取 动力头转速 钻头外半径 钻头内半径 将动力头的不同转数和不同孔底压力代入上式中，的相应值见表42。回转钻杆所需功率 其中：孔深 取 钻杆直径 动力头转速 冲洗液的比重 取 将上述各参数及动力头的不同转速代入上式中所得值列表42中。表42 功率计算表 功率 （N/cm2）30（回托）60（回托）120（钻进）18000.220.260.03718000.711.430.27818003.157.9219.9518004.089.61 20.26518005.112.025.33 2马达的选择马达转矩的确定其中： 马达的转矩 马达的输出功率，根据表42取得 马达输出轴的平均角速度 式中： 马达转速 动力头转速按120转最大功率计算，将所求的值列于表43。表43 马达转矩12036025.13507.3625.25根据设计要求，用两个马达分担功率，需选用低速大扭矩马达。其主要根据转矩来选择。辅助因素包括排量、额定压力、转速范围等最终确定。可选用型摆线马达，其技术参数如下表44。表44 马达技术参数排量最高转速最大输出转矩最高工作压力重量3液压泵的选择液压泵的选择主要根据供油压力和最大供油量两个因素决定。其中： 马达的进油压力 马达的输入功率 马达的实际输入流量 其中： 马达排量 马达的转速 容积效率 将所求的值列于表45。表45 马达及泵的流量1202405210457.7115.5 即 其中： 考虑系统泄露修正系数，一般。这里取根据经验，对简单的系统，对于复杂系统。这里取。将所求的数值分别列于表46。表4-6 马达的进油压力及排量 压力 （N/cm2）12024018005.5216.5由表中的数值，查液压元件手册可选：柱塞泵CCY14-1B,其技术参数如下表47。表47 柱塞泵的技术参数理论排量最高压力额定转速驱动功率容积效率重量4.1.2 油泵油缸给进机构1.给进油缸的基本参数油缸数量 1个油缸直径 活塞杆直径 活塞有效行程 油缸面积 活塞杆面积 有效面积 2.油泵工作压力的计算钻机打水平孔时，油缸最大推力为：式中：W油缸最大推力按设计要求 150KN 因此，油泵的工作压力P为：3. 油泵最大工作流量计算油缸回程时的最大容积油量：油缸送进时的最大容积油量：当选用动力头的速度时，动力头送进时每分钟所需油量为：令活塞回程时间为0.3min，则回程所需油量为：4. 给进油缸所需的功率 5根据上面的计算，查液压元件手册选用MCY14-1B型柱塞泵，其技术参数如下表48。表48 型柱塞泵的技术参数排油量额定压力额定转速驱动功率容积效率重量 0.86.4kg4.1.3 泥浆泵 考虑钻进润滑的需要,引进HBW150/40型泥浆泵，功率7.5KW。4.2 柴油机的选择 柴油机的功率 由此，可查的此设计选用R6105G36型柴油机，其技术参数如下表49。表49 电机技术参数额定功率满载转速效率0.822 第5章 机械传动系统设计5.1 变速箱的设计 5.1.1 强度计算的依据1) 在校核零件的强度时，假设两液压马达全部功率输入动力头，然后再输入动力。2) 动力头在连续工作情况下，可连续工作10000小时，纯机动时间每班16小时，可连续工作20个月。5.1.2 齿轮强度的计算 选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿轮。本设计的传动方案选用直齿圆柱齿轮。考动力头的工作环境较为恶劣，为增大齿轮使用寿命大小齿轮都选用硬齿面。根据表52选得大小齿轮的材料都为40Cr，并且需要调质及表面淬火，齿面硬度为4855HRC。精度等级选为7级。齿宽系数根据表53中的单级齿轮传动，两支承相对齿轮为对称布置，且两齿轮均为硬齿面。选择齿宽系数为0.6。因为受载比较平稳、齿轮为硬齿面、支承为对称分布，故取。齿数选择时为了避免根切，对于标准直齿圆柱齿轮，开式齿轮传动中为保证齿根弯曲强度，常取，闭式齿轮传动中常取，本设计取。变速箱内各齿轮主要参数及材料见表54。表5-2齿轮常用材料及其力学性能材料热处理方法齿面硬度许用接触应力 许用弯曲应 40Cr调质后淬火4855HRC 13951426483518表5-3齿宽系数齿轮相对于轴承的位置齿面宽度软齿面硬齿面对称布置0.81.40.40.9非对称布置0.61.20.30.6悬臂布置0.30.40.20.25表54齿号齿数模数齿宽材料硬度齿型角螺旋角精度Z1192.58040Cr4855HRC 200007DCZ2382.57540Cr4855HRC 200007DC1确定许用接触疲劳应力其中： 失效概率为1时试验齿轮的接触疲劳极限力单位：。由表52 查得 解除疲劳强度的最小安全系数，（失效概率为1）。2确定许用弯曲疲劳应力其中： 齿轮弯曲疲劳极限。由表52 查得 齿轮弯曲疲劳强度安全系数。机械齿轮失效率1时 弯曲疲劳寿命系数。由于m =5.5，查表得。大小齿轮的齿面硬度相同， 3小齿轮转矩的计算 4按齿面接触疲劳强度计算 mm其中： 小齿轮的分度圆直径。 载荷系数，取。 齿数比。 齿宽系数，取得。 许用接触应力。代入数值得：齿轮模数为：5按齿根弯曲疲劳强度计算其中： 齿型系数，查表得，。6接触疲劳强度校核1) 分度园上的圆周力Ft2) 使用系数 3) 动载系数 4) 齿向载荷分布系数 5) 齿间载荷分布系数 6) 节点区域系数 7) 弹性系数 8) 重合度系数 9) 接触应力 10) 寿命系数 11) 安全系数 ， 12) 润滑剂系数 13) 速度系数 14) 粗糙度系数 15) 硬化系数 16) 尺寸系数 17) 许用接触应力18) 接触强度判断 因为，所以校核通过。7弯曲疲劳强度校核1) 齿向载荷分布系数 2) 应力修正系数 3) 重合度系数 4) 齿根应力5) 寿命系数 6) 相对齿根圆角敏感系数 7) 相对齿根表面状态系数 8) 尺寸系数 9) 许用齿根应力10) 弯曲强度因为 ,所以弯曲强度校核通过。8具体参数的确定由上述计算可见，本设计的齿轮传动接触疲劳强度较弱，故应以为佳。 查标准模数取得模数 。齿轮主要几何尺寸：分度圆直径 齿顶高直径 中心矩 齿宽 ，故取， 取。由于设计结构需要，改b180mm，b275mm5.1.3 轴的设计1. 输出轴上功率、转速和转矩的初步确定已知下列条件：材料40Cr，调质处理，各齿轮分度圆直径为：， 将计算结果输入表55。表55 输出轴上功率、转速和转矩（r/min）3060120612255191019102029.32. 求作用在齿轮上的力 因为是直齿圆柱齿轮传动 圆周力 径向力 其中： 小齿轮传递的转矩，。 大齿轮传递的转矩，。 大齿轮的节圆直径，对标准齿轮即分度圆直径，。 啮合角，对标准齿轮为20。圆整后， 。方向如图51所示。3. 初步估计轴的最小直径，选取连轴器。初估轴径：安装联轴器处轴的直径d-（图51a）为周的最小直径。d- =其中：查得A = 90107为满足设计结构需求取d- 。选取联轴器：由于承受轴向力过大，所以采用单独设计的非标联轴器。4轴的结构设计1）拟订轴上零件的装配方案 轴上的大部分零件包括：大圆柱齿轮、档油环、左端轴承和轴承端盖以及联轴器依次由左端装配，仅右端轴承和轴承端盖由右端装配。2）根据轴向定位及固定要求，确定轴的各段直径和长度，见表56。3）轴上零件的周向固定 齿轮采用平键定位，滚动轴承与轴则采用过渡配合。4）定出轴肩处的圆角半径r的值见图61a，轴端倒角取245。表56 轴的各段直径和长度轴段位置轴段直径和长度说明d- = 7080联轴器需要L- =62.52联轴器需要d- =120根据滚动轴承32215，查手册取d- = 120L- =81.5初选圆锥滚子轴承30224 dDT = 12021543.5上d-= 140为满足用轴承受大的轴向力设计L- = 20按齿轮宽度加轴套设计d=75初选圆锥滚子轴承322寸 dDT = 7513033.25L=116.5按照轴承和轴套的宽度确定 d =70结构考虑L =109.5结构考虑5） 确定轴的需用应力 已知轴的材料，该轴无特殊要求，选用材料35SiMn，调质处理。由于轴的尺寸较大，性能数据按毛坯直径的选用，查手册得, , , 。需用应力，查手册得, , 6） 画轴的计算简图，计算支反力由轴的结构简图（51），可确定出轴承支撑点跨距，悬臂。由此可画出轴的受力简图，如图61b所示。水平面支反力如图61c所示 垂直面支反力如图61e所示画轴的弯矩图和扭矩图水平面弯矩图（图51d）截面B处 垂直面弯矩图（图51f）截面B左边 截面B右边 合成弯矩图（图51g）截面B左边 截面C右边 扭矩图（图61h）扭矩 图51 轴的设计图8）按弯扭合成应力校核轴的强度从图51g可见截面C处弯矩最大，应校核该截面的强度。截面C的当量弯矩其中：校核强度 其中：W 轴的抗弯截面系数，对直径为d的空心轴校核结果：，截面C的强度足够。5.2.4 滚动轴承的寿命计算 轴承的额定寿命与所受载和的大小有关，工作载荷越大，引起的接触应力也越大，轴承的额定寿命也就越小。其中： 基本额定寿命，单位：。 指数。求轴承，滚子轴承。 在较高温度下工作的轴承，应该采用经过较高温度回火处理的高温轴承。由于在轴承样本中列出的基本额定动载荷值是对一般轴承而言的， 因此，如果要将该数值用于高温轴承，需乘以温度系数ft （见表67），即其中： 高温轴承的修正额定动载荷 轴承样本所列的同一型号轴承的基本额定动载荷表57 温度系数轴承工作温度/C125150175200225250300温度系数0.950.900.850.800.750.700.60所以轴承的寿命计算公式为：对于同时承受径向载荷R和轴向载荷A的轴承类型，寿命计算公式中的这个载荷P就是一个与实际作用的复合外载荷有同样效果的当量载荷。它的计算公式为：其中： 径向载荷系数。其值见表68。 轴向载荷系数。其值见表68。表58 径向载荷系数X和轴向载荷系数Y轴承类型相对轴向载荷A/C0A / ReA / Ree名称代号XYXY圆锥滚子轴承30000100.4（Y）e注： C0是轴承基本额定静载荷 表中括号内的系数Y和e的值应查轴承手册，对不同型号的轴承有不同的值。 但是，此公式只是一个理论值，实际上，轴承上的载荷由于机械的惯性、零件的不精确性及其他因素的影响，所以应对于当量动载荷乘上一个经验的载荷系数，其值见表69。故实际计算时，轴承的当量动载荷P应为：表59 载荷系数载荷性质举例无冲击或轻微冲击1.01.2电机、汽轮机、通风机、水泵等中等冲击或中等微冲击1.21.8车辆、动力机械、起重机、造纸机、冶金机械、选矿机、卷扬机、机床等强大冲击1.83.0破碎机、轧钢机、钻探机、震动筛等查手册得，。因为: ，所以当量动载荷 所以轴承的最小寿命为4418小时。5.3 链条选择 本钻机的进给动作主要靠链条来传动，查机械手册得下表：ISO链号板数组合抗拉强度 KNLH12222248.9LH12232348.9LH12343475.6LH12444497.9LH12464697.9LH126666146.8LH128888195.7由于钻机回托时链条受力是15KN，采用两根链条共同受力，古选LH1246链条。第6章 钻机液压系统的设计与计算 利用密闭容器内的液体的压力来进行能量转换、传递和分配的液压传动系统与其它传动方式相比具有许多优点和缺点。 优点： 同等体积下，液压装置能比电气装置产生出更多的动力。 同等功率下，液压装置的体积小、质量小、结构紧凑。 液压装置工作比较平稳。由于质量小、惯性小、反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向。 液压装置能在大范围内实现无级调速，还可在运行过程中进行调速。 液压传动易于实现自动化。 液压装置易于实现过载保护。 液压元件的布置具有较大的机动性。 液压传动来实现直线运动远比用机械传动简单。 缺点： 液压传动不能保证严格的传动比。 液压传动在工作过程中常有较多的能量损失。 液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性易受到温度的影响，因此不宜在很高或很低的温度下工作。 液压元件在制造精度上的要求较高，造价较贵。 液压传动要求有单独的能源。 液压传动出现故障时不宜找出原因。 但总的来说，液压传动的优点是突出的，它的一些缺点有的现已大为改善；有的将随着科学技术的发展而进一步得到克服。液压传动的发展前景广大。 任何液压传动系统的设计，除了应符合其主机在动作循环和静、动态性等方面所提出的要求外，还必须满足结构简单，使用方便、工作安全可靠、效率高、寿命长、经济性好等条件。6.1 液压系统的确定6.1.1 形式的选择 按照液体流动的循环方式不同，液压系统可以分为开式循环系统和闭式循环系统两种。 闭式循环系统结构紧凑，油路封闭，运动平稳。但是其结构复杂，散热条件差，为补偿油液泄露和进行油液更新及冷却必须设置完整的补油系统，油液过滤精度要求也较高。开式循环系统结构简单，又也可以很好的在油缸中进行冷却和沉淀杂质，散热条件好。适用于多个液动机进行并联的情况；也适用于定量油泵、节流调速的液压系统。所以，大多数全液压系统都采用开式循环系统。本设计也采用开式循环系统。6.1.2 调速方案的选择 钻机的回转速度、给进都有快有慢，必须根据钻进工艺的要求进行调整。液动机的调速方法主要有节流调速和容积调速。 节流调速是利用节流元件来控制通过流量以实现液动机速度调节的一种方法，它用于定量泵与定量液动机所组成的系统。根据节流元件在系统中的安装位置不同，可分为进油节流、回油路节流和旁路节流调速三种。从调速范围、低速稳定性及承受的载荷能力等方面来看，回油路调速性能最好，旁路调速最差。在钻机的给进液压系统中，主要是选用回油路节流调速方案。 容积调速是利用改变油泵或油马达的每转排量来实现液动机速度调节的一种方法。它没有流量和压力的损耗、效率高、发热小，适用于大功率系统；但是变量油泵结构复杂、价格贵。在全液压钻机液压系统中多用容积调速系统。 本设计综合各方面的因素，采用回油路节流调速。6.1.3 换向回路的选择 根据钻进工艺的要求，回转器应具有正反转能力，给进机构能实现直线往复运动。因此，液动机必须换向。液动机的启停和换向，一般采用换向阀，也有采用双向变量油泵的。当液压系统为单油泵单液动机的闭式系统时，一般采用双向变量油泵来实现液动机的换向。如果液动机单独控制时，通常采用一个换向阀来实现液动机的换向。本设计选用换向阀来实现液动机的换向。6.1.4 压力控制回路的选择 在全液压钻机的液压系统中，常采用的压力控制回路有：调压和限压回路、减压回路、背压平衡回路、顺序动作回路、缓冲制动回路、减压给进回路等。 调压限压回路为钻机常用的一种回路，可调溢流阀安装在油泵的出口处，以调节和限制系统的压力。单向阀是用来防止事故停车时压力油产生反向冲击的。 减压回路用在多个液动机的复杂系统中，由于液动机的负载大小和工作要求不同，因此它们要求的工作压力有时差别较大，为了保证系统的正常运行，对某些个别的支路将进行减压。 背压平衡回路是利用背压阀使油缸活塞具有一定的背压，从而使给进速度平稳，并可避免液压冲击。 本设计采用调压限压回路和背压平衡回路。6.1.5 液压系统图的方案确定由图61所示，两方案最大的不同即：方案一有两台油泵，方案二有一台油泵。目前，全液压钻机的油泵站通常有两台油泵，一个为主油泵，它向回转马达供油。另一个为辅助油泵，它向给进机构供油。故本设计选用方案一。通过液压系统试验无级调速，由一台电机带动两个泵，液压系统由两个独立的回路组成，互不干扰使得液压回路简单化。马达与减速器相连避免了马达效率低的问题。调压溢流阀是调节和限制系统的压力起调节和安全保护的作用。油泵马达回路中的电磁换向阀有三个位置，用来实现油马达的正转、反转或停转。油泵油缸回路中的电磁换向阀也有三个位置，可使油缸上腔或下腔进压力油或不进油，完成给进钻具的各种工作。单向背压阀的作用是防止油缸推力过大，影响油马达的工作，使油缸获得适当的稳定压力。另外，由于钻进过程中，油马达的外负载是变化的，这就要求油马达的输出扭矩随外负载的增减而变化，以满足钻进工艺的要求。为此，油马达设有压力补偿装置，它能起到自动调节油马达转速的作用。图61 液压原理图6.2 液压元件的选择6.2.1 油泵的选择 在第四章中有介绍。6.2.2 马达的选择 1额定压力的选择钻机液压系统的额定压力应根据钻机的使用情况和外负载特性来决定。一般马达的外负载较大时，额定压力选高一些，反之应选低一些；而钻机持续工作时间越长，外负载冲击越大，则额定压力应改选的越低。目前，全液压钻机主要系统的额定工作压力为如果额定工作压力选的高些，则液动机及各种阀的尺寸可以选的小些，结构较为紧凑，动作部件的惯性力小，易于满足大功率的要求。但是，工作压力选得太高，对液压系统的密封性要求很高，制造困难，液压装置的寿命低。若工作压力选得过低，其结果恰恰相反。2油马达合理转速范围的选用每种类型的马达都有其高效的使用转速范围，在该转速范围外，便会出现传动效率下降的现象；因此，油马达的选型主要是使油马达高效的转速范围与钻机的常用转速范围相适应。目前，用金刚石钻头在基岩钻进中，一般高速用14001600 r/min，我国现用8001000 r/min左右。仅在地表钻进时使用300r/min左右。因此，全液压动力头式钻机都选用高速小扭矩的油马达，这样，齿轮传动箱的传动结构比较简单，一般只用一对齿轮传动。由于非开挖导向钻机的钻头和回托的特殊需要，马达合理的转速范围是60120r/min。具体型号的选择见第四章。6.2.3 液压缸的选择 见第四章。6.2.4 阀类元件的选择 液压阀是用来控制液压系统中油量的流动方向或调节其压力和流量的。一个形状相同的阀，可因为作用机制不同，而具有不同的功能。 油泵马达回路中油泵的额定流量油泵油缸回路中油泵的额定流量两回路泵的额定流量相差不大，为了制造简单两回路中的阀元件可以选得一样。查手册，可以得到本设计中所用的各种阀的具体型号。表61 调压溢流阀型号通径额定流量压力重量表62 液控单向阀型号通径最大流量最大工作压力重量表63 电磁换向阀型号通径最大流量最大工作压力重量表64 单向背压阀型号通径最大流量最大工作压力重量6.2.5 辅助液压装置的选择 1滤油器的选择 滤油器的功用在于过滤混在液压油液中的杂质，使进到系统中取得油液的污染度降低，保证系统正常地工作。 滤油器按其滤芯材料的过滤机制来分，有表面型滤油器、深度型滤油器和吸附型滤油器三种。表面型滤油器的整个过滤作用是有一个几何面来实现的。滤下的污染杂质被截流在滤芯元件靠油液上游的一面。在这里，滤芯材料具有均匀的标定小孔，可以滤除比小孔尺寸大的杂质。深度型滤油器的滤芯材料为多孔可透性材料，内部具有曲折迂回的通道。大于表面孔径的杂质直接被截流在外表面，较小的污染杂质进入滤材内部，撞到通道壁上，由吸附作用而得到滤除。吸附型滤油器的滤芯材料把油液中的有关杂质吸附在其表面。本设计中采用表面型滤油器。2 油箱的选择 油箱的功用主要是存储油液，此外还起着散发油液中热量（在周围环境温度较低的情况下则是保持油液中热量），释放出混在油液中的气体，沉淀油液中污物等作用。液压系统中的油箱有整体式和分离式两种。整体式油箱利用主机的内腔作为油箱，这种油箱结构紧凑，各处漏油易于收回，但增加了设计和制造的复杂性，维修不便，散热条件不好，且会使主机产生热变形。分离式油箱单独设置，与主机分开，减少了油箱发热和液压源振动对主机工作精度的影响，因此得到了普遍的采用。油箱的容积应满足设备停止运转时，由于重力作用又能返回油箱；操作时，油面保持适当高度；可以散发操作时产生的热量；分离出油中的空气和杂物。油箱的有效容积（油面高度为油箱高度80时的容积）应根据液压系统发、散热平衡的原则来计算，一般估算式为： 其中： 油箱的有效容积。单位： 与系统压力有关的经验数字：低压系统，中压系统，高压系统。 液压泵的额定流量。3 油管的选择 液压系统中使用的油管种类很多，有钢管、尼龙管、塑料管、橡胶管等，需要按照安装位置、工作环境和工作压力来正确选用。 油管的规格尺寸大多由它所接的液压元件接口处尺寸决定，只有对一些重要管道才验算其内径和璧厚。油管的管径不宜选得过大，以免使液压装置的结构庞大；但也不能选得过小，以免使管内液体流速加大，系统压力损失增加或产生振动和噪音，影响正常工作。油管内径： 其中： 油管内径 油管流量 管中油液的流速，吸油管道取，高压管道取，（压力高的取大值，低的取小值），回油管道取，短管及局部收缩处取。在强度保证的情况下，管壁可尽量选得薄些。薄壁易于弯曲，规格较多，装接教易，采用它可减少管接头数目，有助于解决系统泄露问题。该系统只有吸油管路为钢管，所以仅验算吸油管路壁厚。油管壁厚： 其中： 油管壁厚 油内工作压力。已知为10Mpa. 管道材料的抗拉强度.查表得油泵马达回路带入公式中，求得数值见表65表65 油泵马达回路各种管道参数吸油管道高压管道回油管道短管及局部收缩处管中油液的流速1.441.96油管内径38.0822.5322.5312.0取油管内径 该系统只有吸油管路为钢管，所以仅验算吸油管路壁厚。则油管壁厚 查手册选得标准管件，见表66。表66 油泵马达回路吸油管标准参数公称直径钢管外径管接头连接螺纹 管子壁厚4050M4823.5油泵油缸回路带入公式中，求得数值见表67。表67 油泵油缸回路各种管道参数吸油管道高压管道回油管道短管及局部收缩处管中油液的流速131.86油管内径13.67.810.1312.9取油管内径则油管壁厚 查手册选得标准管件，见表68。表68 油泵油缸回路吸油管标准参数公称直径钢管外径管接头连接螺纹 管子壁厚15221.6管接头的选择 管接头是油管与油管，油管与液压元件之间的可拆连接件，它必须具有装拆方便，连接牢固，密封可靠，外形尺寸小，通流能力大，压将小，工艺性好等各项条件。 管接头的种类很多，其规格可查阅有关手册。密封装置的选择 密封装置的作用是防止液体泄露或污染物从外部侵入液压系统。在液压传动中，密封装置虽然属于辅件，但几乎所有液压元件都不能缺少它。 密封装置应当满足以下基本要求： 在工作压力下具有良好的密封性能，并随着压力的增加能自动提高密封性能。 密封装置对运动零件的摩擦阻力要小，摩擦系数要稳定，以免出现运动零件卡住或运动不均匀等现象。 耐磨性好，工作寿命长。 制造简单，便于安装和维修。根据密封部分的运动状况，密封装置有静密封和动密封之分，动密封又有往复运动密封和旋转密封两种。根据实际需要具体选择。第7章 FDP-15D钻机的使用与维护1操作注意事项所有钻探人员都应注意下列事项，避免因操作不当造成机器或人身事故。 在搬运过程中应避免碰撞，在分组搬运过程中应将油管固定后方能进行。 拖车动力站为短距离转场用，限速30公里/小时，长距离运输需放在机动车上。 开始钻进作业前，确认设备接地良好。 开动后首先应验证转动方向是否正确。 检查油路系统各接头是否拧紧，油箱油位是否正确。 在正式工作前应使机器空转10分钟，此时油路系统应调整到零压。 在钻进前应把钻机提到指定转速。2 机器的保养与维护正确的使用和保养是顺利完成钻孔任务的保障，每个操作者都应予以高度重视，对FDP-15D钻机应按如下规定进行保养与维护。 应在每班开始工作前，对机器各转动部分予以检查。看运转是否灵活可靠。 对外露的转动及滑动表面，应在每班开车前擦试干净，并于表面上涂一层20号机械油。 润滑及液压油等应按其进行更换。 油泵用油（油箱内的油）需要保证清洁无杂质，应使用50时运动粘度为17-23的油质，如20号机械油或14号高速柴油机油液。 当油箱内的油温超过70时应适当的停车冷却，待油温下降后再继续工作。第8章 FDP-15D钻机的经济分析跨入新世纪，企业究竟会面对一个怎样的竞争环境，经济全球化彻底改变企业的活动范围。随着我国社会主义市场经济体制的确立和逐步完善，特别是党的“十五”大以后，我国各行各业的改革工作都在纵深发展，企业竞争日益激烈。如何在市场经济的环境中提高产品竞争能力已经成为机械行业所面临的重大课题。产品的成本则是关系产品在市场上是否有竞争能力的重要因素，它直接影响企业的经济效益。可以说，降低成本是一个永恒的经济主题。本钻机采用先进技术，尽量降低成本。每台可售价320000元，每台可获利税20000元，如果企业每年生产50台，新增产值1600万元，创利税320万元。由于该钻机的售价相对较低，一般用户都可承担得起。纵观国内外的钻机市场，液压钻机是发展的大趋势。该钻机高效低耗、安全、舒适，适应各种恶劣工作条件，可以满足水电施工的特殊要求。本钻机就是全液压钻机。利用国内外先进技术和成功经验，结合我国国情和钻机的具体使用要求。力求简单和适用，尽可能的利用最少的元件来实现钻机所具备的各种动作。降低故障发生概率，提高能量利用率和钻机的可靠性，降低工人劳动强度。为适应坑道钻探工作，本钻机可采用分马达或电动机驱动；原动机、油泵和油箱集装在一起，形成一个活动的液压泵站，便于移动；小操作台可按需要固定在钻机的不同位置，以适应在坑道内钻孔的需要，同时也便于观察钻机的工作情况。这样，能够降低故障发生率，提高能量利用率和钻机的可靠性，降低工人劳动强度。但也有不足之处，由于采用液压系统要求技术水平相对高些。随着我国公路建设的高速发展，公路通车里程的快速增加，道路机械化养护已越来越受到重视。但目前，这方面的成型产品仍是空白，进口产品的价格昂贵，维护不便。水平定向钻机的研制成功恰好填充了这项空白，具有广阔的市场前景。 第 9章 结 论时间如水，毕业设计的完成代表四年的大学生活即将结束。也是对我四年学业的综合检验。本次设计我设计的是300米水平定向全液压动力头式钻机FDP-15D。FDP-15D水平定向钻机是一种小型液压钻机，其结构简单，易于制造加工且操作简便。与目前的同类钻机相比，该钻机具有施工周期短、综合施工成本低、社会效益显著等优点。随着水平定向钻探技术的发展，该钻机具有良好的发展前景。本钻机的给进机构是油缸链条给进机构，主要突出优点在于给进速度和给进行程上都增加了一倍，是一般钻机所不具有的，同时结构上比较简单，加工也较比方便，制造成本相应降低。另外，为适应道路钻探作业，该钻机采用柴油机驱动；原动机、油泵、油箱集装在一起，形成一个活动的液压泵站，便于移动；钻机配备进口价值10万元的钻头探测设备，可以完美控制钻进轨迹。在近三个月的设计过程中，我了解了一些钻机的内容以及其它有关的内容的知识。为了使自己能够完成任务，我严格要求自己，使自己的设计按照国家的标准进行制图,并且从中学到很多的知识。整个设计是在边绘制边计算的过程中完成的。我也发现仅仅书本上的知识在实际设计应用中是远远不够的，只有通过长期的实践经验才能设计出满意的产品。致谢四年的大学生活即将结束，在这四年里我学会了不少的东西，无论在学习上、生活中、思想上都有很大的转变，从一开始带着父母的殷切希望，怀着充实自我，掌握一技之长，为以后找工作，实现自己的人生价值的目标作努力，到最后找工作进一步接触社会，学到一些从理论上学不到东西，增加了许多经验，这一切的成果都离不开众多可敬师长谆谆教导、不厌其烦的耐心讲解传授，以及许多同学、朋友的坦诚相见砥励共勉；加上自己对本专业有一定的兴趣，特别是在毕业设计期间，大家更是同心努力希望自己把设计搞好，因为这是四年大学生活最后的收尾工作，它是我们平时对我们所学的课程理解，接受能力，熟知程度，以及记忆能力的
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