回旋冲击钻钻具星型运动结构设计说明书(全套,CAD有图)

中文摘要与关键词

摘 要：本毕业论文在建立星型运动原理的基础上，阐述了大直径桩基础工程施工中成孔钻具的总体设计的内容，其主要内容包括整体结构设计、传动方案设计、冲击功能的实施方案、气举排渣方案、钻具主要零件的材料选择及热处理方式、传动部分的齿轮设计、小钻具的设计以及传动轴的设计等几个主要部分。通过对行星轮传动的研究，结合目前桩工基础工程存在的问题，建立起了大直径桩基础工程成孔钻具复合行星传动的运动结构，设计出来的钻具兼有冲击钻具和回旋钻具两种成孔钻具的优点，设计出来的钻具结构确保了钻具冲击和快速、及时排渣功能的实现。

关键词：复合行星运动；整体结构；气举反循环排渣；气动驱动

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回旋冲击钻具星形运动结构设计

Abstract And Keyword

Abstract： Basing on star movement principle, 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 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 analysis of the problems which is existing on present pile labor foundation engineering, the moving structure of the drilling tool’s 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 drills. The drilling tool’s 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

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回旋冲击钻具星形运动结构设计

第一章 前言

目前，大口径钻孔灌注桩在重大基础工程中得到了广泛的应用。在现实生活中桥梁、港口、码头、水工和工民建筑物的建筑工程中，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。但是这两种钻具存以下缺点，主要是：1、普通回旋成孔钻，成孔稳定，但成渣能力低，对不同工程地质条件适应性差，特别不适应胶结砾石地质和破岩成孔，地质适应范围受限。2、一般冲击钻虽然地质适应性好，破岩能力强，但大直径成孔施工进度慢，震动大易致孔壁坍塌，同时大直径的重型冲击锤自旋性差，还易使成孔失圆。3、大直径的成孔设备研发需要创新思路，以及泥浆护壁正循环排渣方法施工。在钻具方面还需要对刃具切削运动和机构继续进行创新探索，因为使用常规钻头解决大直径成孔需要，一般采取了开发大功率钻机，寻求超硬刃具材料等办法，而有逼向大功率配置和设备笨重的方向发展趋势。这样不仅固有的问题没有解决，而且又更加大了施工设备投资，影响了工程建设效益。4、沉井护壁非排水施工的设备缺乏。非排水沉井护壁施工可避免发生沉井偏位、滞留和井口沉陷以及下沉缓慢等诸多问题，还可解决如污水处理需要的大直径曝气井的同步施工问题。

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。但是仍然避免不了上文提及的一些实际问题，如钻具的使用寿命短，钻具的成本高；有的只是提高了成孔的效率，没有结合工程实际解决钻具实用性的要求。

最近，日本利根公司生产的RRC型潜水钻机，通过理论分析钻机能综合实现回旋钻具和冲击钻具的优点，但实践表明：这种钻机在实际运用过程中只具回旋钻的工作特点，

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不能实现冲击钻的冲击功能，只能实现回旋钻的基本功能；而且其工作范围也因它的工作原理受到一定的局限，比如在地质条件较差的工地上施工，其工作效率低，消耗的能量也比较多。

鉴于以上情况，为适应各类建筑工程钻孔灌注桩基础设计和施工的发展需要，通过探索一种能建立起成孔刃具群进行复星形运动的机构，使钻具兼有冲击钻和回旋钻两种基本钻型成孔原理的优点，创新开发出一种新型成孔钻具是发展的需要，这样可以满足桩基工程施工要求快速高效、稳定可靠、广泛适用的要求以及超大直径方向发展。

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第二章 建立星形运动的基本原理

在桩基工程施工中大量使用的回旋钻头，其工况状态的一个最大特点，就是切削刀刃与孔壁和孔底保持整体的线面接触状态，以挤压作用效应为主，刮削切入阻力大，成渣能力低，且线速分布不均，作用能量分散，无效功耗大，所以刮削作用难以有效发挥。如果能使单个小直径刃具能实现如图1所示的平面单迹线运动，切削刀刃与孔壁和孔底保持近似点状态接触，并同时具有径向旋削和轴向冲击破碎岩石的功能，则由数个小直径刃具组成的刃具群将会在成孔运动中产生群体作用效应，这样由若干连续点的钻削运动，形成周边圆形的细密网状的成孔平面，从而实现钻具群体逐层由上至下的整体成孔运动。

图1 群钻运动轨迹示意图

为了实现这种复杂的运动，其中复合行星运动则可以实现这种运动。通过研究得出这种运动的运动原理，其运动原理如图2所示。

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图2 星型运动原理图

由运动原理图，可得出钻具各零部件的连接关系，其结构简示意图如“图—3”。

图3 结构简图

在图3中：1—主传动轴，2—中心太阳轮，3—行星轮， 4—内齿圈，5—孔底钻杆及齿轮，6—托盘，7—孔壁钻杆及齿轮，8—外壳。其中，外壳与内齿圈为一个整体，托盘与外壳之间有滑动摩擦。在整个运动过程中，由中心太阳轮带动3个均布在内齿圈的行星轮作自转、公转运动；托盘通过套在行星轮上的孔底钻杆及齿轮带动托盘作圆周运动（绕太阳轮的中心作公转），同时，受结构的约束，孔底钻杆齿轮则与行星轮运动形式一致：既作绕中心轴作公转运动，又绕钻杆中心作自转运动，其运动轨迹是一个复杂曲线运动，如图—1所示；孔壁钻的动作是通过连在托盘上面的孔壁钻杆，通过托盘的圆周运动带动整个孔壁钻杆齿轮与内齿

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圈啮合：既绕中心太阳轮做公转，同时绕钻杆中心作自转运动，其运动轨迹和托盘一样：绕太阳轮作圆周运动。

2．1 运动条件

根据机械原理的知识，机构要实现有规律的运动应满足原动件的数目应等于运动链的自由度数。通过以上分析则可以得出：2与3之间为一个高副，3与4之间为一个高副，孔底钻齿轮与托盘之间为一个高副，孔壁钻齿轮与内齿圈之间为一个高副；中心太阳轮与机架之间有一个回转副，孔底钻杆与行星轮之间有一个转动副，孔壁钻杆与托盘之间有一个转动副，托盘与外壳之间有一个回转副。同时，孔底钻杆及齿轮既绕行星轮中心作回转运动又绕中心轴作回转运动，即存在两个回转副；同时钻杆与其齿轮之间有上下的移动副。即：

F=3xn-2xPL-PH=3x7-2x8-4=1 (1)

通过计算，满足原动件的数目等于机构的自由度数的基本条件，因而这种机构具有确定的运动。

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第三章 整体结构设计要考虑的问题

为了很好地解决当前建筑工程钻孔灌注桩基础设计和施工中出现的问题，创新开发一种回旋冲击钻，使钻具兼有冲击钻和回旋钻两种基本钻型成孔原理的优点，在设计过程中应考虑以下问题：

3．1 回旋冲击钻具的适用范围及性能要求

在目前的建筑工程上，主要采用旋转式钻孔机和冲击式成孔机。其中旋转式成孔机具有适应性强（只要变更钻头类型和压重数量，就可以适应各种松软覆盖层直至极应的硬岩层），并可以满足各种施工要求：桩径可以由10cm直至几米；钻孔深度可以由几米直至上千米。还具有噪声低、振动轻微、成孔率高等特点，故广泛应用在建筑工程上。冲击式成孔机的工作原理是利用成孔机的曲柄连杆机构，将动力的回转运动改变为往复运动，通过钢丝绳带动钻头上下运动，使钻头产生冲击作用，将地质层的卵石或岩石破碎，同时钻渣由取渣筒取出。冲击式成孔机能适用于任何土质条件，对于直径大于300mm，含量又在10%以上的大漂石岩层或整体岩层只能采用冲击式成孔。但是，1、普通回旋成孔钻，成孔稳定，但成渣能力低，对不同工程地质条件适应性差，特别不适应胶结砾石地质和破岩成孔，地质适应范围受限，所需配备设备功率大，能量损耗大。2、一般冲击钻虽然地质适应性好，破岩能力强，但对于大直径成孔施工进度慢，震动大易致孔壁坍塌，同时大直径的重型冲击锤自旋性差，还易使成孔失圆。

回旋冲击钻建立起了切削刃具群的星形运动。通过小直径刃具群的星形运动，又同时具有转动切削和冲击破石的功能，则小直径刃具群的复合运动和作用，可提高成孔效率，使钻具兼有冲击钻和回旋钻两种基本钻型成孔原理的优点，即保留旋转钻机的成孔率高，成孔稳定等特点，同时利用冲击钻地质适应性强的特点，较好地回避了岩石的韧性和耐磨性，而利用了岩石的脆性和不耐冲击的特性，增大了钻具的地质适用范围，既适用于在松软地层和砾石层成孔，也适用于基岩嵌入成孔。同时利用气举排渣实现快速排渣，根据实际工作要求的需要使钻具用较小的功率达到旋转钻机和冲击式钻机的综合优点。

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通过综合比较，创新设计出来的回旋冲击钻应广泛适用于各种软硬不同的地质条件：适用于地质等级为X～IVa，即流沙，沼泽土壤，含水黄土及其他含水土壤至比较坚固的页岩层、各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩，砂质页岩，页岩或砂岩（岩石的单轴抗压强度为3～50MPa）。参照一般普通回旋钻具，回旋冲击钻的主轴旋转速度为16～45r/min（参考KQ潜水电机主轴转速）,传递扭矩为1.9～4.6KN.m，冲击频率为45r/min。

同时，设计出来的钻具有以下特点：1、在钻同直径的地下孔，回旋冲击钻与普通的旋转式成孔机和冲击式成孔机相比，所消耗的功率要小，成孔效率要高；2、设计出来的回旋冲击钻要求其小钻兼有自旋运动和往复移动的冲击功能，实现地下成孔。其中自旋运动是用来拨松孔底的泥土沙石，往复的冲击功能则是用来击碎孔底较大的沙石颗粒，便于钻具实现快速排渣；3、回旋冲击钻的使用寿命比一般的钻具使用寿命长。

3．2 回旋冲击钻成孔原理及存在的问题

由图1可以看出，回旋冲击钻的工作面积是一个网状的包络面。通过实地考查， 结合回旋冲击钻的性能要求，我们发现要达到这种加工目的，在冲击过程中，要实现分阶段分别对孔底钻，孔壁钻和钻具的外壳进行冲击。同时在冲击完成后，需要有装置将小钻头提回至一定的高度，实现小钻头的自旋和拨松泥土沙石的功能。其冲击工作状态如图4。

在图4（a）中，1—孔壁钻杆和2—孔底钻杆在传动装置的作用下实现自旋运动，实现拨松泥土沙石的作用，使得土层a变为碎石状态；在冲击力的作用下，空底钻和孔壁钻进100mm，进入坚硬的岩石层。同时在冲击力的作用下，整个钻具的外壳和中心钻连同上面的整个传动部分的零部件往下钻进100mm；冲击力撤消后，钻杆在回位装置的作用下，往上移动50mm，又作自转运动。在整个冲击过程中，（a）中的碎石状孔渣在钻头的自转变为流沙状，最后在反循环气举升渣的作用下，将直径小于180mm的颗粒排到工地上。

图中装置4是三个均布在托盘上面的撑架，钻具在作回旋运转的时候，撑架将整个钻具撑起，使得钻具的传动机构离孔底工作面有一定的高度，从而使得小

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钻头在没有压力的情况下作自转运动，实现拨松泥土的功能；同时在冲击状态下，冲击锤先作用于孔底钻，后作用在孔壁钻，最后冲击力落到钻具的外壳上面，通过连在托盘上面的撑架将大部分冲击力传至地面。随着托盘绕钻具中心做回转运动，带动撑架和滚筒作纯滚动，同时起到松散石块的作用。

为了实现快速排渣，排渣口不得设置的太高，必须控制在在回旋状态下钻头的工作范围内。这样才能保证钻具在不同的工作状态下，钻具形成的孔渣不至于上升到整个钻具的传动装置内，磨损整个装置传动的零部件。

1—孔壁钻，2—孔底钻，3—中心钻，4—撑架

a—碎石状，b—坚固岩石层

(a) 回旋状态

b—坚固岩石层被击破 (b) 冲击状态

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a—流沙状，b—碎石状，c—岩石层

(c) 回位状态 图4 钻具成孔过程示意图

3．3 回旋冲击钻结构的具体布局

3．3．1 抗扭装置

由图2和图3分析可以得出，传动装置里面的内齿圈与钻具的外壳要作为一个固定件，实现内齿圈的抗扭转作用。结合实际工程的情况，在钻具的外壳位置安装一个抗扭装置，如图5。在图中1为板簧，板簧的一端与上支架采用圆柱副连接，另一端采用滑动副。通过两个支架和螺栓一起将整个部件连接到钻具的外壁。钻具在工作时，板簧在外力的作用下，发生变形，紧贴靠在孔的内壁，通过板簧作用在地下孔内壁的静摩擦力来实现整个钻具的抗扭功能，使得整个钻具按照规定的运动工作。

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图5 抗扭装置

在钻具向下钻进的过程中，在摩擦力的作用下，板簧向孔壁张开，板簧向上移动，加大与井壁的摩擦力，有效地实现抗扭作用。在提钻过程中，由于摩擦力的作用下，板簧向下移动，使整个装置脱离井壁，减少与井壁的摩擦，这样有效地避免了功率的损耗。 3．3．2 小钻具复位装置

由于整个钻具的性能要求：小钻头既要实现自转运动，又要实现往复运动。小钻具在冲击力的作用下可以使小钻头实现冲击功能，但同时又要实现复位功能。同时，在复位之后冲击之前小钻头要具有一定的压力实现拨松泥土的作用。为了实现这样的功能要求，故在小钻头的两端加上两个弹簧：上弹簧要求弹性系数较小，容易发生弹性变形，这样才可以减少冲击力的损失；下弹簧要求具有较大的弹性系数，这样才能保证小钻头在上升的过程中具有一定的向下的压力，有效实现小钻头的拨松泥土的功能。

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第四章 设计主要内容

4.1 方案比较

该钻具的创新就是利用行星轮运动的特点，行星传动的特点有：

（1）体积小，质量小，结构紧凑，承载能力大 由于行星齿轮传动具有功率分流和各中心轮构成共轴线式的传动以及合理地应用内啮合齿轮副，因此可使其结构紧凑。再由于在中心轮的周围均匀地分布着数个行星轮来共同分担载荷，从而使得每个齿轮所承受的负荷较小，并允许这些齿轮采用较小的模数。此外，在结构上充分利用了内啮合承载能力大和内齿圈本身的可容积体积，从而有利于缩小其外廓尺寸，使其体积小，质量小，结构非常紧凑，且承载能力大。一般，行星齿轮传动的外廓尺寸和质量约为普通齿轮的1/2～1/5（即在承受相同的载荷条件下）。

（2）传动效率高 由于行星齿轮传动结构的对称性，即它具有数个匀称分布的行星轮，使得作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力能互相平衡，从而有利于达到提高传动效率的作用。在传动类型选择恰当、结构布置合理的情况下，其效率值可达0.97～0.99。

（3）传动比较大，可以实现运动的合成与分解 只要适当选择行星齿轮传动的类型及配齿方案，便可以用少数几个齿轮而获得很大的传动比。在仅作为传递运动的行星齿轮传动中，其传动比可到几千。应该指出，行星齿轮传动在其传动比很大时，仍然可保持结构紧凑﹑质量小、体积小等许多优点。而且，它还可以实现运动的合成与分解以及实现各种变速的复杂的运动。

（4）运动平稳、抗冲击和振动的能力较强 由于采用了数个结构相同的行星轮，均匀的分布于中心轮的周围，从而可使行星轮与转臂的惯性力相互平衡。同时，也使参与啮合的齿数增多，故行星齿轮传动的运动平稳，抵抗冲击和振动的能力较强，工作较可靠。

通过对整个钻具的工作原理的研究，钻具的小钻头要具有自转和公转运动的功能，以实现小钻头旋削泥土，拨松泥土实现快速排渣的功能。同时为了实现钻

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自转方向公转方向装有刀具的钻盘空心钻杆 图6 钻头运动轨迹图

具的冲击功能小钻头的钻杆需要具有往复移动的功能。这样才能整个钻具将回旋功能、冲击功能和快速排渣功能集为一体。钻头的运动轨迹如图6。

结合行星轮传动的特点，根据钻具的性能要求拟订以下方案：

方案一、潜水电动机将动力传递给减速器，减速器通过差动装置将动力分别传递公转齿轮轴和自转齿轮轴，再由公转齿轮轴带动公转箱作公转，而由自转齿轮轴带动行星齿轮作自转运动。

方案二、由潜水电机直接将动力传给主传动轴，通过中心太阳轮和三个齿轮杆驱动套在小钻杆上面的齿轮做自转运动，同时绕中心轴做公转运动。同时，通过钻杆和液压缸连接实现钻杆的往复直线运动，以实现小钻头的冲击功能。

方案三、通过潜水电机将动力直接传给主传动轴，通过中心太阳轮、行星轮、内齿圈、孔底钻杆、托盘以及孔底钻杆齿轮带动钻杆做自转和公转运动，同时通过托盘机构、孔壁钻杆、内齿圈以及孔壁钻杆齿轮带动孔壁钻绕中心轴做公转运动，同时绕孔壁钻杆做自转运动。同时，整个机构钻杆和钻杆齿轮用滑动的花键连接和附属的两个弹簧以实现钻杆的往复运动。

通过比较可以看出，方案一能实现钻杆的自转和公转运动功能，但小钻具没有上下往复运动的功能，使得整个钻具不具有冲击功能，其作用效果如同普通的回旋钻；方案二能实现钻杆的自转和公转运动功能，同时钻具具有一定的冲击功能。但是采用液压冲击不能实现快速冲击功能。同时，由于在整个装置中，液压缸随钻具作回转运动，这样将导致液压管道旋扭在一起，不能很好地实现冲击功能。同时由于外壳的存在限制了小钻杆的工作范围，使得钻具不能向下钻进。方案三既能实现钻杆的自转和公转运动功能，又能实现钻杆的往复运动的功能，通过孔壁钻杆、中心钻杆和孔壁钻杆的群体作用很好的将钻具下面的土掏空，在冲

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击力的作用下使得整个钻具整体下降，实现层进钻孔。

通过比较得出方案三为最佳方案。故采用方案三进行设计。

4．2 气举升渣方案设计 [15]

在目前的桩工机械建筑工程上，为了实现快速排渣功能，主要采用泵吸反循环排渣和气举反循环排渣两种方法。

泵吸反循环施工原理。先在桩位上插入比桩径大10%～15%的钢护筒，护筒的顶面标高至少应比最高地下水位高出2m。钻机水龙头出口与砂石泵由橡胶软管联在一起，同时与砂石泵组装在一起的还有真空泵。钻孔时，真空泵先启动，通过软管将孔内的泥浆吸出水龙头，顺着吸渣软管到达砂石泵内，砂石泵启动后，孔内的泥浆与钻渣从空心钻杆内被吸出，送入沉渣池，稀浆流入孔内，这样的循环方式称为泵吸反循环。泵吸反循环由于受到真空度的制约，一般的钻孔深度约为50m，深度大于50m的钻孔桩，则应采用气举反循环的方式排渣。

气举反循环排渣的工作原理。在钻进过程中，空压机将高压空气通过空气管道送到主传动杆排渣口附近，并向空心轴内喷出。当气体与泥浆混合后，混合体的密度大大降低，从而迅速从中心轴的中心孔上升，使轴的下端形成真空，于是将钻渣吸上来，并随着气浆混合体从出口排出。当钻孔深度超过50m，一般0.7MP风压的空压机产生的风压无法有效冲入钻杆，排渣能力下降，此时可改为在主传动杆中间位置通气。通气孔一般放在孔深40m处左右，比较几种排渣方法的排渣效率可知，采用气举反循环，孔深在80m处排渣的效率仍然良好，而泵吸反循环排渣，在孔深50m处就十分困难了。因此，施工中对浅孔往往采用泵吸反循环，而对深孔则采用气举反循环。

通过比较可以得出：采用泵吸反循环，其排渣能力容易受到孔深的限制，且设备成本比气举排渣所采用的设备要高，所以在排渣方面优先选择气举排渣方案。

同时，在气举排渣的基础上，可以采用泥浆循环系统排渣。它的主要作用是利用主要作用是利用泥浆作为载体进行排渣；另一个重要的作用是具有较好的护壁作用，可以减少甚至完全阻止孔内外的渗漏，因此又具有稳定水头的作用。施工中对泥浆的要求较高，泥浆的好坏对成孔的质量以及桩的质量都有重要的影响。

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泥浆一般有纯硼润土泥浆与硼润土黄泥混合泥浆。在泥浆中加入一定比例的纯碱（或碳酸氢纳）和纤维素（如CMC），可以大大地提升孔壁的稳定性。高质量的泥浆主要用于支承桩，对一般摩擦桩，则多采用混合泥浆或黄土泥浆。

4．3．冲击锤的具体实施方案

4．3．1 气动冲击的优点

冲击锤的冲击功能采用气动冲击，与液压冲击系统、机械传动相比其具有以下优点：

1、以空气为介质，供应、排放处理都比较方便。 2、气动动作迅速、反应快； 3、气动结构容易安装，拆卸； 3、工作环境适应性较好。

结合钻具的整体性能要求和安装维修方面的要求采用气动冲击方案较为合理。 4．3．2 气动结构设计[30]

由于整个钻具的钻具群做不规则的旋转运动，要实现对每个小钻头均匀的冲击功能，锤体的中心应与中心传动轴的中心重合。同时，锤体要和整个气动系统安装在传动轴上。为了解决气动管路不旋扭在一起，实现畅通快速充气和放气，故将气动驱动结构设计成为如图7。图中，1—主传动轴，2—气缸护套，3—气缸压盖，4—活动活塞，5—固定活塞，5—气缸外壁，7—锤体，8—快排气缸。其中，主传动轴与潜水电机直接连接，气缸护套通过上部的支架与外壳保持静止，气缸部件套在气缸护套上保持静止。同时，锤体通过螺栓连接在气缸的外壁上保持同气缸护套、气缸外壁一致。这样的结构就可以实现气路的管道不至于旋扭打结，从而保持气路通气顺畅。为了实现冲击功能，采用活塞固定、气缸运动的方式，通过气缸外壁的往复运动带动锤体实现冲击。在图中，活动活塞和快排气缸是为了实现气体快排的机构。其中，快排型冲击气缸的动作包括准备过程和冲击过程两个阶段。

准备过程：先使K1孔充气，K2孔通大气，活动活塞在压力的作用下被推到下边，通过密封圈的作用切断气缸上腔到K3的通道。然后K4通气使得缸体带动

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锤体上升，充气一直通至气源压力。

图7 气缸驱动结构

冲击过程：先使K2进气，K1排气，活动活塞开始上移，这时固定活塞的上腔受密封的切口打开，受压缩的气体通过K7缸体壁上的方孔快速直接排到大气中。因为这个排气通道的通流面积较大，所以活塞的上腔压力可以在极短的时间内降低。当降到低于蓄气缸压力的1/9时，缸体和锤体锤体自重的作用下开始下降，同时缸体的下腔快速充气，使得缸体和锤体在最大的压差的作用下以最高的速度向下冲击，以满足钻具的需要。 4．3．3． 气动冲击力的计算

通过对钻具整体性能的分析，冲击力的大小应大于岩石的抗压力。单个小钻

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具作用在岩石上的作用面积为825mm2，那么单个钻具所需要的冲击力大小F1：

F1=S*P

式中，F1—单个钻具所需冲击力，S—钻头作用面积，P—岩石的抗压强度；在上文已提到钻具使用范围为岩石抗压能力为3～50MPa的地质范围。故

F1=S*P=825mm2*50MPa=41.25KN

由于钻具群做不规则的运动（取系数为0.8），驱动动力为群钻的总和F，

FnF1

式中，F—驱动动力，n—钻杆数，n=15，F1—单个钻杆破岩力，—冲击力系数，

FnF11541.250.8495KN

即总驱动动力为495KN。 4．3．4．气动结构的密封

有关气动方面的密封问题可以参考液压密封的技术参数。由于气动结构部分的密封有压力的要求，而且有些密封处有相对运动。为了很好的解决有气压要求的密封问题采用图8(a)密封结构，有相对直线运动零件之间的密封采用图8(b)密封装置，以解决O型密封圈变形问题。在图中，1—橡胶挡块，2—O型密封圈。

4．4．钻具的密封与润滑[30]

由于钻具采用复合行星运动，使得整个钻具的润滑与密封加大了难度。为此在解决该钻具的润滑与密封问题时，其实施原则是：采用局部封闭式润滑和开式润滑相结合。为了减少运动零件相互之间的摩擦问题，在相互运动零件之间添加防摩擦体，减少运动体之间的接触面积。同时，为了保证钻具的使用寿命，可选用耐磨材料、采用适当的热处理工艺等方法。其具体实施方法见装配图纸。

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图8 密封装置示意图

4．5 整体结构功能分析

为了钻具能很好地实现冲击功能，保证钻具能实现层进成孔，这就要求整个钻具在冲击力的作用下能整体下降。 4．5．1钻进过程

在钻进过程中，整个钻具在冲击力的作用下有向下的运动趋势，使得抗扭装置上的板簧向孔壁张开，加大与孔壁的摩擦力，保持内齿圈不运动的特点。小钻

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具在气缸壁带动冲击锤的作用下将孔底坚硬的卵石冲碎。完成一次冲击后，小钻具在复位弹簧的作用下自动复位。在传动齿轮的带动下，小钻具做自转和公转的复合运动把钻渣搅拌至中心轴的排渣口，钻渣气举升渣机构的作用下，底的钻渣通过气举升力将其排到工地上。实现钻具的排渣快速功能。同时托盘在小钻杆的作用下，带动托盘绕中心轴做回转运动。连接在托盘上面的支撑架与其底部的滚筒也起到松散钻渣的作用。由于支撑架和抗扭装置的作用，钻具悬空在孔底的上方。当冲击锤的冲击力作用到钻具的外壁上，钻具的外壳将带动内齿圈和上面的罩壳整体有向下的作用力。冲击力通过托盘上面的防摩擦装置和托盘传至支撑架上；同时部分冲击力通过罩壳与其连接为一体的机构传至中心传动轴的轴肩，将钻具的主传动轴往下压，从而实现整个钻具整体向下进行层进成孔。钻具在往下钻进的过程中，其主传动轴始终做回转运动。 4．5．2 提钻过程

钻具在工地上面支撑架和电机的作用下往上移动。在移动过程中，抗扭装置的板簧在孔壁摩擦力的作用下，减少钻具与孔壁的摩擦；同时，通过主传动轴轴肩的作用将拉力通过罩壳等结构将力传至外壳上，从而带动整个钻具上升。在提钻过程中，连接在主传动轴上的电机停止工作。

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第五章 回旋冲击钻的性能、技术参数及注意事项

5．1 回旋冲击钻的性能、技术参数[22]

表1 回旋冲击钻的性能、技术参数

适用地 质条件 钻机总重 （/吨） 钻孔深度 （/m） 配套潜水 电机功率 （/KW） 冲击频率 （次/min） 排渣效率（m/h） 3适用于地质等级为X～IVa，即流沙，沼泽土壤，含水黄土及其他含水土壤至比较坚固的页岩层、各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩，砂质页岩，页岩或砂岩（岩石的单轴抗压强度为3～50MPa） 156015604300成孔直径 10.8 （/mmmmmm） （/m） 80 主轴转速 （r/min） 输出功率 22 （/KW） 钻进速度 45 （m/冲击） 排渣气源气压 4.03 （/MPa） 0.97 0.1 20 32 钻杆转速 （r/min） 冲击压力 （/KN） 冲击行程 （/m） 成孔效率 （根/天） 外型尺寸 1.5 30 495 0.52 9 5．2 钻进注意事项

1） 钻孔开始时，在钻机外壳不转的前提下应先打开气动排渣回路，再启动潜水电机，待钻机托盘的支撑系统稳定下降到地面后启动冲击气缸气动回路；提钻时应先断开冲击回路的气源，然后关闭潜水电机的电源。同时，在提钻的过程中通过钻具与孔壁之间的空间向孔底灌注泥浆，通过调整排渣气源压力，将地下多余的水排到工地上（建议水位为2.5～3m左右）。

2） 在钻进过程中，应有专人负责，保证孔内外水头差的高度，尽量减小水头过快的变化。同时应随时注意钻渣的形式：若排出来的钻渣是黄泥和细沙，可

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回旋冲击钻具星形运动结构设计

以适当加大冲击的频率，实现快速钻进；若排出来的钻渣是大颗粒的胶结卵石和岩石，可以适当的加大冲击力，减少主轴的转速，保证破岩的压力。

3） 钻进过程中，每班工作人员应坚守岗位，司机、技术人员要随时观察各种情况，并做好相关的记录工作。如钻机工作是否正常，空压机、供浆量及排浆量是否正常等等，若发现异常现象应及时采取相应的措施。

4） 在正常钻进时，若发现钻机在长时间内不能钻进，可略提起钻具，并调整钻机的位置再下钻。

5） 钻机使用后应对钻机的整个零部件进行检查，并清洗钻机上面的泥沙。对那些磨损较大的零部件做好记录并进行适当的维修，为以后钻机结构设计的完善工作提供必要的参考资料。

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回旋冲击钻具星形运动结构设计

第六章 主要零部件参数及结构设计

6．1 主传动轴设计

轴的设计也和其它零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两方面。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。

由于主轴要完全处于水下的泥浆之中，在满足强度、刚度的情况下，要有一定的防腐蚀能力，这就要求合理的选择材料。轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数是用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。合金钢比碳钢具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。初步选择主轴的材料为40Cr。 6．1．1 主轴的结构设计[10]

轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴联接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。其主要考虑的问题如下： 1）、定轴上零件的装配方案

拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。由于钻具的外形特点为圆筒形，这样就存在三种装配方案：一种是零件在主轴从上到下进行装配；一种是零件在主轴上从下到上进行装配；还有一种是零件从主轴两端进行装配。分析可知，前两种装配方案对加工精度和装配工艺要求很高，且存在主轴在一个方向上存在过多阶梯的情况，影响轴的强度。最后一种装配方案能从主轴的两端分别进行装配，轴的径向尺寸变化不大，这对轴的结构将大大简化，提高了轴的强度。根据以上分析，选择零件从主轴上两端进行装配的方案。同时综合考虑现行的加工水平，为了减少加工的成本，主轴采用分段加工

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回旋冲击钻具星形运动结构设计

制造。初步拟订整个钻具的主轴分三段，各段装配完后用法兰盘连接。 2)、轴上零件的定位

为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求者外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置。 1.零件的轴向定位

轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈和轴承端盖来保证的。对钻具来说，其工作时受到的轴向力很大，且变化较大。这样安装其上的齿轮将用轴肩来进行定位。由于整个结构采用对称的形式，不能很好地解决装配问题，故轴肩通过焊接的方法加工出来。由资料得，定位轴肩的高度h=(0.07～0.1)d，其中d为与零件相配处轴径尺寸。对下端太阳轮的轴肩高度h=(0.07～0.1)150=10.5～15mm，取12mm。上端中心传动齿轮处h=(0.07～0.1)150=10.5～15mm,取12mm。 2.零件的周向定位

周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。齿轮与轴的周向定位均采用矩形花键连接。为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为H7/n6；推力轴承与轴的定位是借过渡配合来保证的，其值径尺寸公差为m6。

6．1．2 主轴的校核

进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采用相应的计算方法，并恰当的选其许用应力。分析主轴的载荷分布情况可知，主传动轴主要是受钻具电机的旋转扭矩，故采用扭矩强度校核。计算过程如表2下：

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表2 主轴的校核

计 算 数 据 主轴承受的最大扭矩 主轴结构参数 [10]

计 算 结 果 根据初定的参数选最大量4.6KN.m 根据结构初定外径为240mm，内径为180mm； d3(1r4)Wt(1r) 1654d3抗扭截面系数 1804240(1)4240=1598400 mm3 = 53轴的扭剪应力 4.6106T= =2.877MPa Wt15984001前已选定轴的材料为40Cr调质钢，查得［故初定的结构参数在安全范围内。

］=70Mpa，因此

ca［1］，

6．2．传动齿轮设计

6．2．1 针式齿轮设计说明

1）齿轮机构的类型很多，但直齿圆柱齿轮传动乃是最简单、最基本，但是对于本设计而言，其维修不方便，故在本设计中采用针式齿轮传动。但为了计算方便，其计算设计过程采用等效方法，用圆柱齿轮的设计计算方法计算、校核针式齿轮的强度。

2）该机构为一般工作机器，速度不高，但其工作环境恶劣，参考相关资料选用9级精度。

3）与常规齿轮一样，针式齿轮的工作部分的齿轮材料采用20CrMnTi，为了减少制造成本，其他的固定部分采用铸钢。

4）初选中心太阳轮齿数Z1=30，而一般i=1～3，参考桩工机械查齿轮传动比经验值，取i=1.56行星齿轮齿数Z2=ixZ1=30X1.56=47.两啮合齿轮齿数互质。 6．2．2 按齿面接触度强计算[2]

由设计计算公式进行试算,即:

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ktTtu1ZE3 d1t≥2.32 duH(1) 确定公式内的各计算数值

表3 传动齿轮计算—1

设计计算项目 载荷系数Kt 扭矩T 设计依据 查设计资料Kt=（1.2～1.4） 根据实际工况要求 φ齿宽系数φd d2设计结果 取Kt=1.3 取T=2.3KN.m =b=0.5(1+u)φa d10.4 取φ材料影响系数ZE 接触疲劳强度 a=0.5 189.8MPaσ12查机械设计手册 查机械设计手册 Hlim1=1300MPa σHlim2=560 Mpa 计算应力循环次数 N=60n1JLh 查机械设计手册 [σH]=N1=2.6×10 N2=1.3×108 KHN1=0.96,KNH2=0.97 HH8接触疲劳寿命系数 接触疲劳许用应力 KHN1Hlim1，取失效概率[σs[σ]1=1248MPa ]2=543.2MPa 为1%,安全系数S=1

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（2）计算

表4 传动齿轮计算—2

设计计算项目 设 计 依 据 2计算结果 kTu1ZE小齿轮分度圆直d1t ≥ 2.323tt duH径d1t [σHd1t=265mm ]取最小值 计算圆周速度ν 计算齿宽b 计算齿宽与齿高比b/h b=φd1tn1601000d 0.45ms b=106mm ．d1t mt= d1t/ Z1=106/30=3.53mm h2haCmt=7.94mm **b/h=13.35 K= kA kv KHa KH 使用系数kA kA=1.5 动载系数kv kv=1.06 计算载荷系数 载荷分布系数KHa,KF KHa= KF=1.4 K=2.69 KH1.150.18(10.6d2)d20.31103b =1.21 KF1.24 修正后分度圆直径d1 模数m d1d1t3Kmd1 Kt d1=337mm m=11.23mm Z16．2．3 按齿根弯曲强度设计[2]

由式(10-5)得弯曲强度的设计公式为：

2KT1YFaYSa m3 2dz1F（1）确定公式内的各计算数值

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表5 传动齿轮计算—3

设计计算项目 齿轮的弯曲疲劳极限FE1 查机械设计手册 设计计算依据 设计计算结果 FE1620MPa FE2380MPa KFN10.86 疲劳强度系数KFN1 查机械设计手册 KFN20.88 疲劳许用应力F1 载荷计算K 齿形系数YFa1 应力校正系数 Ysa1 FKFN1FE1 SF1F20.86620MPa380.86MPa 1.40.88380MPa238.86MPa 1.4KKAKVKFKF 查机械设计手册 K1.51.061.41.242.76 YFa12.55 YFa22.39 查机械设计手册 Ysa11.61，Ysa21.666 YFa1YSa1计算齿轮的YFaYSaF12.551.610.01078 380.862.391.6660.01667 238.86F YFa2YSa2F2行星轮的数值大 （2）设计计算

622762.310m30.016676.17

1302对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿轮的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数6.17. 并就近圆整为标准值m=8mm,按接触强度算得分度圆直径d1337mm,算出中心太阳轮的齿数 : Z133742.125。取Z142，则行星轮齿数 ：Z2iZ11.564265。8

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回旋冲击钻具星形运动结构设计

这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑。 6．2．4 几何尺寸计算

根据保证满足同心条件，可以计算内齿圈的齿数：

Z3Z12Z242265172

根据设计计算可得中心太阳轮、行星轮、内齿圈的几何尺寸，如下表：

表 6 传动齿轮几何尺寸(单位:mm)

名称 符号 计算公式 根据齿轮强度定出的标准值 结果 太阳轮 行星轮 8 内齿圈 模数 压力角 分度圆直径 齿顶高 齿根高 齿高 顶隙 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距 齿厚 齿槽宽 m a d 20 dmz haha*m 334 8 10 18 2 350 314 318 25 12.5 12.5 20 520 8 10 18 2 536 500 495 25 12.5 12.5 1374 8 10 18 2 1358 1394 1307 25 12.5 12.5 ha hf h c hfha*c*m hhahf cc*m dad2ha dfd2hf o1da df db dbdcos p s a pm spap2 2 bdd1134而一齿宽 b 般小齿轮144 134 128 b1b(510)

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6．2．5 验算

2T122.3106FtN13772N

d1334KAFt1.51377295.6Nmm100Nmm，合适。 b144其他齿轮几何参数设计

在这个传动系统中，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。托盘内行星孔为齿轮圈,它的分度圆直径应小于520.设计时,我们取d=340mm,孔底钻齿轮与托盘上的行星孔的内齿相啮合,假设它两者的传动比是3.7, 故托盘齿轮的几何尺寸和孔底钻齿轮的几何尺寸为:

表6 其他传动齿轮几何尺寸 (单位:mm)

结 果 名 称 分度圆直径 齿顶高 齿根高 齿 高 齿顶圆直径 齿根圆直径 符 号 d 计算公式 托 盘 340 孔壁钻齿轮 92 8 10 18 324 360 108 72 120 84 孔底钻齿轮 104 dmz haha*m ha hf h hfha*c*m hhahf da df dad2ha dfd2hf

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回旋冲击钻具星形运动结构设计

第七章 主要零部件的选材、热处理及工艺分析

7．1 传动零件

为了实现钻具预定的性能，确保钻具的实用性，很好地解决传动齿轮的润滑与摩擦问题，对整个钻具实用性具有举足轻重的作用。

齿轮传动常见的失效形式主要有轮齿折断和齿面损伤。为了防止齿轮折断，常采用以下方法：选用合适的材料和热处理方法，使齿根芯部有足够的韧性；采用正变位齿轮，增大齿根园角半径，对齿根进行喷丸、辊压等强化处理。为了防止齿面损伤，常提高齿面硬度，增大齿轮模数，改善润滑条件。

回旋冲击钻采用针式齿轮传动解决了一些齿轮润滑、摩擦和制造成本等问题。由于钻具的工作环境恶劣（钻具在泥浆里工作），其主要失效形式是齿面磨损。为此，齿轮传动的工作部分零件（如齿销）采用中淬透性渗碳钢（如20GrMnTi），热处理要求为：渗碳深度为1.2～1.6mm，表面碳浓度wc=1.0%，表面硬度为58～60HRC。

7．2 孔底钻杆

从钻具的整体功能分析可知，孔底钻杆既要带动托盘做回转运动、钻杆齿轮做自转运动，同时又要沿钻杆齿轮做往复直线移动。此外，钻杆的顶部还要和锤体发生刚性冲击，底部为了方便钻具的安装维修，通过螺纹将钻具快速地安装到钻杆上，通过销的作用带动钻头做旋转运动。为了实现钻具预定的功能目标，在结构上，孔底钻杆要设有花键带动钻杆齿轮做自转运动，同时为了保证钻杆的强度带动托盘做回转运动钻杆要求具有强的韧性。为此，孔底钻杆的结构如图9所示。

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回旋冲击钻具星形运动结构设计

图9 孔底钻杆结构

通过对钻杆的工作要求分析，为了保证钻杆的韧性，采用采用中淬透性渗碳钢20GrMnTi，渗碳淬火，渗碳深度为1.2～1.6mm，表面碳浓度wc=1.0%，工作表面硬度为58～60HRC。其工艺路线为：下料50980，9045（铜棒）——正火——车48980——车两端42440——车3254——平左端面——钻8，（铜块4220）——钻2125——攻M2420——铣花键——渗碳处理——倒角——接焊（将铜块与钻杆轴焊接到一起）。

孔壁钻杆与孔底钻杆的功能基本一致，其加工工艺与孔底钻杆的加工工艺基本一致。

7．3 其他零部件的材料选择及热处理方式

在整个钻具中，主要零部件有齿轮固定圈、齿轮压板、罩壳、外壳等等。在保证零件强度条件下，同时考虑制造成本的因素，齿轮固定圈采用铸钢材料HT250，分段铸造；齿轮压板采用45，进行调质处理；罩壳采用灰铸铁，分段铸造成型；外壳采用灰铸铁，分段铸造。

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第八章 回旋冲击钻的可行性、实用性及经济性分析

通过对钻具结构及工作过程的分析，可以看出，设计出来的新型钻具采用星形运动机构使钻具兼有冲击钻和回旋钻两种成孔原理的优点，配套钻机功率较小，能耗低；通过采用气举反循环排渣，有效的提高了在单位时间内施工效率；通过采用针式齿轮传动，有效的解决了直齿圆柱齿轮齿根圆半径小造成齿轮折断形式的失效，同时有效的解决了齿轮制造加工的成本以及齿轮维修、安装等问题；采用局部封闭式润滑和开式润滑相结合，在一定程度上解决机器的摩擦与润滑问题，保证了机器的使用寿命；在制造方面，由于钻具的精度要求不高，其零部件的加工可以在普通的机床上可以完成（有一些零件可以直接铸造成型，不需加工）；由于一些大型零件的相对尺寸比较大，其制造可以采用分段处理的方法，有效的节约了材料和制造带来的成本过高等问题；通过分析，在理论的基础上，该新型钻具有了一定的可行性和实用性且其性价比较好。

但是，由于结构较为复杂性不可避免地给钻具带来了较高的制造费用；由于钻具复杂的运动给钻具在润滑和防摩擦方面带来很多的不便；工作时，钻具在泥浆中不可避免存在细沙等硬质颗粒，在沙层中尤其严重，对传动结构的磨损是严重的，工作一段时间后，传动件（啮合部分零件）不得不更换，由此会给施工带来很多不便，使得用户、建设单位难以接受。同时，采用气举反循环排渣，由于气压和气压零部件压力的限制，在一定程度上限制了钻具成孔的深度。此外，由于地质条件的复杂性，在施工过程中不可避免地发生一些不可预测的一些实际的问题，使得钻具的稳定可靠性难以达到理想要求。

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回旋冲击钻具星形运动结构设计

第九章 设计总结

本次设计的目的是为了系统地把大学中所学的专业知识连贯起来应用于实际当中，来解决生产实际问题，从而锻炼我们的分析问题和解决问题的能力，从而设计出满足要求的机械产品。

本次设计完成了大直径桩基础工程成孔钻具回旋冲击钻的总体设计。在设计过程中为了使整个钻具实现预定的功能，其主要内容包括钻具整体结构设计、齿轮传动部分设计、主轴的设计以及泥浆循环系统的设计四个部分。

在这次设计中最大的感受是：理论与实践必须相结合，只有将正确的理论应用于实践中，才能真正发挥理论的价值，才能更深刻地了解和掌握理论的真正内涵；要作到理论与实践相结合必须有一定的理论基础和丰富的实践经验，但在这实践经验方面，我很欠缺，导致在设计内容中出现了一些错误。这些缺点还在待于在日后的进一步学习和工作中来弥补和提高，此外，设计工作是一项繁重的工作，必须具有严谨细致的工作作风和顽强的决心和毅力。

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致 谢

在本次设计中，首先衷心感谢我的指导老师曾经梁老师的悉心指导和耐心帮助，他严谨的工作作风和渊博知识给了对我这个课题给了我很大的帮助。接下来我要感谢我这个课题小组的成员对我的工作的帮助和支持，同时也感谢为我的课题提出宝贵意见的同学及朋友，他们帮我解决了许多的难题，并为我的设计提出了许多的宝贵意见。

最后，在此想所有的论文评审老师和答辩委员会的全体老师表示由衷地感谢。

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