回旋沖擊鉆具星形運動結(jié)構(gòu)設(shè)計說明書

1、中文摘要與關(guān)鍵詞摘 要：本畢業(yè)論文在建立星型運動原理的基礎(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)計的內(nèi)容，其主要內(nèi)容包括氣舉排渣方案、小鉆具的設(shè)計以及傳動軸的設(shè)計等幾個主要部分。通過對行星輪傳動的研究，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)合行星傳動的運動結(jié)構(gòu)，設(shè)計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，設(shè)計出來的鉆具結(jié)構(gòu)確保了鉆具沖擊和快速、及時排渣功能的實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：復(fù)合行星運動；整體結(jié)構(gòu)；氣舉反循環(huán)排渣；氣動驅(qū)動Abstract And KeywordAbstract： Basing on star movement principle,

2、 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

3、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 analys

4、is of the problems which is existing on present pile labor foundation engineering, the moving structure of the drilling tools 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 d

5、rills. The drilling tools 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

6、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，主要是：1、普通回旋成孔鉆，成孔穩(wěn)定，但成渣能力低，對不同工程地質(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，但大直徑成孔施工進度慢，震動大易致孔壁坍塌，同時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)需要創(chuàng)新思路，以及泥漿護壁正循環(huán)排渣方法施工。在鉆具方面還需要對刃具切削運動和機構(gòu)繼續(xù)進行創(chuàng)新探索，因為使用常規(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，尋求超硬刃具材料等辦法，而有逼向大功率配置和設(shè)

7、備笨重的方向發(fā)展趨勢。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、沉井護壁非排水施工的設(shè)備缺乏。非排水沉井護壁施工可避免發(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。隨著國內(nèi)外樁基礎(chǔ)工程機械的研究開發(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、潛孔沖擊錘、潛水回旋鉆、回轉(zhuǎn)斗鉆、短螺旋鉆和擴底鉆頭等施工機械設(shè)備，大部分產(chǎn)品實現(xiàn)了反循環(huán)排渣，明顯地提高了成孔施工效率，一般

8、巖層成孔直徑可達到2.5米左右，進口設(shè)備成孔直徑已可達6米。其中結(jié)構(gòu)簡單的國產(chǎn)重型沖擊鉆成孔直徑也可達3.0米。但是仍然避免不了上文提及的一些實際問題，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)合工程實際解決鉆具實用性的要求。最近，日本利根公司生產(chǎn)的RRC型潛水鉆機，通過理論分析鉆機能綜合實現(xiàn)回旋鉆具和沖擊鉆具的優(yōu)點，但實踐表明：這種鉆機在實際運用過程中只具回旋鉆的工作特點，不能實現(xiàn)沖擊鉆的沖擊功能，只能實現(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

9、孔灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計和施工的發(fā)展需要，通過探索一種能建立起成孔刃具群進行復(fù)星形運動的機構(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，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 建立星形運動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)的一個最大特點，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。如果能使單個小直徑刃具能實現(xiàn)如圖1所示的平面單跡線運動，切削刀刃與孔壁和孔底保持近

10、似點狀態(tài)接觸，并同時具有徑向旋削和軸向沖擊破碎巖石的功能，則由數(shù)個小直徑刃具組成的刃具群將會在成孔運動中產(chǎn)生群體作用效應(yīng)，這樣由若干連續(xù)點的鉆削運動，形成周邊圓形的細密網(wǎng)狀的成孔平面，從而實現(xiàn)鉆具群體逐層由上至下的整體成孔運動。圖1 群鉆運動軌跡示意圖為了實現(xiàn)這種復(fù)雜的運動，其中復(fù)合行星運動則可以實現(xiàn)這種運動。通過研究得出這種運動的運動原理，其運動原理如圖2所示。圖2 星型運動原理圖由運動原理圖，可得出鉆具各零部件的連接關(guān)系，其結(jié)構(gòu)簡示意圖如“圖3”。圖3 結(jié)構(gòu)簡圖在圖3中：1主傳動軸，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

11、一個整體，托盤與外殼之間有滑動摩擦。在整個運動過程中，由中心太陽輪帶動3個均布在內(nèi)齒圈的行星輪作自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)運動；托盤通過套在行星輪上的孔底鉆桿及齒輪帶動托盤作圓周運動（繞太陽輪的中心作公轉(zhuǎn)），同時，受結(jié)構(gòu)的約束，孔底鉆桿齒輪則與行星輪運動形式一致：既作繞中心軸作公轉(zhuǎn)運動，又繞鉆桿中心作自轉(zhuǎn)運動，其運動軌跡是一個復(fù)雜曲線運動，如圖1所示；孔壁鉆的動作是通過連在托盤上面的孔壁鉆桿，通過托盤的圓周運動帶動整個孔壁鉆桿齒輪與內(nèi)齒圈嚙合：既繞中心太陽輪做公轉(zhuǎn)，同時繞鉆桿中心作自轉(zhuǎn)運動，其運動軌跡和托盤一樣：繞太陽輪作圓周運動。21 運動條件根據(jù)機械原理的知識，機構(gòu)要實現(xiàn)有規(guī)律的運動應(yīng)滿足原動件的數(shù)目應(yīng)等

12、于運動鏈的自由度數(shù)。通過以上分析則可以得出：2與3之間為一個高副，3與4之間為一個高副，孔底鉆齒輪與托盤之間為一個高副，孔壁鉆齒輪與內(nèi)齒圈之間為一個高副；中心太陽輪與機架之間有一個回轉(zhuǎn)副，孔底鉆桿與行星輪之間有一個轉(zhuǎn)動副，孔壁鉆桿與托盤之間有一個轉(zhuǎn)動副，托盤與外殼之間有一個回轉(zhuǎn)副。同時，孔底鉆桿及齒輪既繞行星輪中心作回轉(zhuǎn)運動又繞中心軸作回轉(zhuǎn)運動，即存在兩個回轉(zhuǎn)副；同時鉆桿與其齒輪之間有上下的移動副。即：F=3xn-2xPL-PH=3x7-2x8-4=1 (1)通過計算，滿足原動件的數(shù)目等于機構(gòu)的自由度數(shù)的基本條件，因而這種機構(gòu)具有確定的運動。第三章 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮的問題為了很好地解決當前建

13、筑工程鉆孔灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計和施工中出現(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，在設(shè)計過程中應(yīng)考慮以下問題：31 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)式鉆孔機和沖擊式成孔機。其中旋轉(zhuǎn)式成孔機具有適應(yīng)性強（只要變更鉆頭類型和壓重數(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、振動輕微、成孔率高等特點，故廣泛應(yīng)用在建筑工程上。沖擊式成孔機的工作原理是利用成孔機的曲柄連桿機構(gòu)，將動力的回轉(zhuǎn)運動改變?yōu)橥鶑?fù)運動，通過鋼絲繩帶動鉆頭上下運動

14、，使鉆頭產(chǎn)生沖擊作用，將地質(zhì)層的卵石或巖石破碎，同時鉆渣由取渣筒取出。沖擊式成孔機能適用于任何土質(zhì)條件，對于直徑大于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，但對于大直徑成孔施工進度慢，震動大易致孔壁坍塌，同時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動。通過小直徑刃具群的星形運動，又同時具有轉(zhuǎn)動切削和沖擊破石的功能，則小直

15、徑刃具群的復(fù)合運動和作用，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，即保留旋轉(zhuǎn)鉆機的成孔率高，成孔穩(wěn)定等特點，同時利用沖擊鉆地質(zhì)適應(yīng)性強的特點，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。同時利用氣舉排渣實現(xiàn)快速排渣，根據(jù)實際工作要求的需要使鉆具用較小的功率達到旋轉(zhuǎn)鉆機和沖擊式鉆機的綜合優(yōu)點。通過綜合比較，創(chuàng)新設(shè)計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)等級為XIVa，即流沙，沼澤土壤，含水黃土及其他含水土壤至比較堅固的頁巖層、各種不堅固的頁巖

16、，致密的泥灰?guī)r，砂質(zhì)頁巖，頁巖或砂巖（巖石的單軸抗壓強度為350MPa）。參照一般普通回旋鉆具，回旋沖擊鉆的主軸旋轉(zhuǎn)速度為1645r/min（參考KQ潛水電機主軸轉(zhuǎn)速）,傳遞扭矩為1.9，沖擊頻率為45r/min。同時，設(shè)計出來的鉆具有以下特點：1、在鉆同直徑的地下孔，回旋沖擊鉆與普通的旋轉(zhuǎn)式成孔機和沖擊式成孔機相比，所消耗的功率要小，成孔效率要高；2、設(shè)計出來的回旋沖擊鉆要求其小鉆兼有自旋運動和往復(fù)移動的沖擊功能，實現(xiàn)地下成孔。其中自旋運動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。32 回旋沖

17、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網(wǎng)狀的包絡(luò)面。通過實地考查， 結(jié)合回旋沖擊鉆的性能要求，我們發(fā)現(xiàn)要達到這種加工目的，在沖擊過程中，要實現(xiàn)分階段分別對孔底鉆，孔壁鉆和鉆具的外殼進行沖擊。同時在沖擊完成后，需要有裝置將小鉆頭提回至一定的高度，實現(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孔底鉆桿在傳動裝置的作用下實現(xiàn)自旋運動，實現(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100mm，進入堅硬的巖石層。同時在沖擊力的作用下，整個鉆具的外殼和中心鉆連同上面的整個傳動部分的零部件往下鉆進100mm；沖擊力撤消后，鉆桿在回位裝置的作用下，往上移動50mm，又作自轉(zhuǎn)運動。在整個沖擊過程中，（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是三個均布在托盤上面的撐架，鉆具在作回旋運轉(zhuǎn)的時候，撐架將整個鉆具撐起，使得鉆具的傳動機構(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)運動，實現(xiàn)撥松泥土的功能；同時在沖擊狀態(tài)下，沖擊錘先作用于孔底鉆，后作用