内含CAD水平定向钻机.docx
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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。
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
Abstract
Horizontaldirectionaldrillingmachineisnotdigginginthesurfaceconditions,thelayingofavarietyofundergroundutilities（pipelines,cables,etc.）ofaconstructionmachinery.Itiswidelyusedinwatersupply,electricity,telecommunications,naturalgas,coalgas,petroleumpipelinelayingaconstructionequipmentintheconstruction.
Thispaperintroducesthecharacteristicsofhorizontaldirectionaldrillingrig,throughtheconstructionprocessisintroduced,atpresentdomesticandforeignhorizontaldirectionaldrillingrigdevelopmentetc..Thedesignofthehoistingstructureofdrillingrig,includingpowermodeselection,thechoiceofhydrauliccylinder,aswellasCADdrawingscompleteandusePROEtobuild3Dmodeloflorry-mountedcrane.
Keywords:
horizontaldirectionaldrillingmachine,crane,hydrauliccylinder,PROEmodeling.
第1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1-1
1---瞄固装置2---导向卸扣夹持器3---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φ300~φ1200mm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1.1
表1.1各种钻机的性能参数
分类
参数
小型
中型
大型
推拉力（KN）
<100
100-450
>450
扭矩（KN·M）
<3
3-30
>30
功率（KW）
<100
100-180
>180
钻杆长度（M）
1.5-3.0
3.0-9.0
9.0-12.0
铺管直径（mm）
50-350
350-600
600-1200
铺管长度（M）
<300
300-600
600-1500
铺管深度（M）
<6
6-15
>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50-350mm的管线铺设作业，铺管长度最大300m。
1.3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。
1.4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。
[7]
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、减少施工周期、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，其运行支撑装置常采用步履，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，对其进行分析与计算。
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2-1）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。
其中不少零件采用标准通用零件。
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
回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。
回转支承装置为起重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圆弧弧线移物品。
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。
对与采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式上有三种形式，即机械传动，电力传动和液压传动。
如图2-3：
1-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采用的传动方式。
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；
（5）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。
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-I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-Ⅲ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12。
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4-Ⅳ的中位采用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像。
第3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说是较合适的传动类型。
故起升结构采用液压马达—减速机—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Сp=3000kg。
查《起重机设计手册》
属于汽车起重机，其起升速度为8－30m/min,本次设计咱定起升速度为15m/min.市场上销售的3T的起重机的起重高度为8.2m，所以本次设计的起升机构的基本参数为：
额定起重量=Сp=3000kg
起升速度=15m/min
起升高度=8.2m
3.2吊钩的选择
根据要求查《起重机设计手册》
选择A型—短钩，用起重量按3.5T可查得所用吊钩尺寸D=65mmS=50mmb=40mmh=65mmd=45mmd1=40mmd0=M36L=215mml>95mmL1=95mmL2=34mmR=9mmR1=90mmR2=22mmR3=70mmR4=10mmR5=80mmR6=45mmR7=35mm重量=6kg。
3.3钢丝绳的选择
根据起重机的额定起重量Сp=3000kg，查《起重机设计手册》
选取换轮组倍率m=4。
钢丝绳最大拉力：
式中
额定起重力，
根据《起重机设计与实例》[10]钢丝绳工作级别选系数C=0.105
查起重机设计手册[10]选用单股钢丝绳直径10.0mm，钢丝直径2.0mm,钢丝总断面59.66
参考自重50.71kg/100m，钢丝破断拉力11000N。
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11#GB5973-86HT200
楔套11#GB5973-86ZG200
楔形接头11#GB5973-86ZG270-500
3.4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,D1=325mm,R=8mm,b=35mm,W=26mm,f=8mm,D2=55mm,
D3=63mm,B=64mm,推荐轴承型号为211，参考质量9.5kg。
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，采用切螺旋槽的多层绕卷筒。
起重机大多采用多层绕卷筒，其容绳量大。
随着起升高度的增加。
起升机构中卷筒的绕绳量相应增加。
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》
规定，卷筒的名义直径：
Do=ed（mm）
即Do=ed=20
10=200mm
卷筒的槽低直径D为：
D=Do-d=（e-1）d（mm）
=190mm
式中，D—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=20
d—钢丝绳直径（mm）,10mm
算得：
卷筒名义直径D=200mm``
3.5.2卷筒长度L及校核
本卷筒采用多层卷绕单联卷筒，由公式：
及
其中
代入数据可知
=165mm
本卷筒为钢卷筒ZG230-450，可由经验公式确定δ≈d，考虑到工艺要求，取15mm.最大拉力为Smax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
最大，当L
3D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。
=A
式中A—原与卷筒层数有关的系数，取2
S
—钢丝绳最大拉力3852.85N
P—卷筒节距11.5mm
δ—卷筒厚度15mm
[σy]—许用压应力=
，其中σs=230N/
[
]=153N/
合格
3.6钢丝绳速度
由已知
，从而可知：
式中m--滑轮组倍率，m=4；
3.7卷筒转速及扭矩
卷筒转速：
D--卷筒直径
d--钢丝绳直径
卷筒最大扭矩：
--钢丝绳单绳拉力
--卷筒的效率，
=0.98
3.8液压马达、泵、发动机的参数的设计以及选择
3.8.1液压马达
初步选定减速比i＝26.69，则马达转速
n马＝n卷×i＝112.4×26.69＝3000r/min
马达扭矩：
M马=M卷／（i×η）
η=η卷×η轴承3×η开齿×η闭齿
η卷—卷筒效率
η轴承—轴承传动效率
η开齿—开式齿轮传动效率
η闭齿—闭式齿轮传动效率
η=0.98×0.993×0.94×0.99
M
=
23.6Nm由马达转速、扭矩选用
马达MFB5*排量qm=10.55ml/r
转速100r/min~3600r/min
最大输出扭矩31Nm
3.8.2油泵的容量
Q=
—马达转速
—马达排量
—马达容积效率
Q=
＝32968.75ml
3.8.3油泵驱动功率
N重=V升×Q起=15×3000×6.8／60＝5.1KW
N
=N
／η
η=η
×η
×η
×η
×η
×
η
—卷筒效率`
η
—滑轮组效率
—导向轮效率
η
—减速机效率
η
—马达总效率
η
—油泵总效率
η=0.98×0.95×0.96×0.94×0.87×0.8＝0.585
N
=
＝8.72kw
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/转速
6BTA5.9-C170
125/2000
730/1300
所以N
=2000r/min
3.8.4泵的排量
q
=
=
＝17.7ml/r
Q—油泵容量32968.75ml/min
η容—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-B20。
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