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1、第1页摘要随着我国基本建设的不断加速，正反循环钻机由于其成本低廉、市场需求旺盛、盈利能力强而受到很多企业追捧。4万亿基础建设投资的逐步到位，其中公路、铁路建设占大部分比例，这也为正反循环钻机提供了广阔的市场需求。 从国内外的现状来分析，正反循环钻机在以下几方面还存在着问题：第一，现有回转式反循环钻机成孔直径小，一般都在1米以下。由于铁路、公路、桥梁建设要求的桩孔直径大都在1米以上，这极大的限制了正反循环钻机的使用范围。第二，现有回转式反循环钻机多采用重锤加压，只适用于较软的土层，无法适用于岩层较复杂的地形。针对以上几方面问题，本文对正反循环钻机的钻进性能做了改进，主要包括以下两反面内容：第一，
2、动力头采用渐开线行星齿轮传动，在提高钻进性能（最大成孔直径可达2m，最大钻孔深度可达80m）的同时，保证了动力头的紧凑性、对称性，这有利于保证桩孔的垂直度。第二，采用了纵向进给机构，大大提高了钻进性能（可钻进f2级的岩土）。该机构由带小功率电机的卷扬机和滑轮组组成，可实现微速进给、快速提升，大大提高了成孔质量和成孔效率。另外，本钻机采用全电力驱动，有利于实现速度控制。本文主要内容包括正反循环钻机的总体设计、动力头的设计、起升/进给机构的设计以及配套设备的选型。1绪论1.1 引言正反循环桩孔钻机是在传统无循环成孔钻机的基础上发展起来的新机型。该机将传统的无循环钻进工艺改成先进的反循环钻进工艺，克
3、服了无循环钻进造成的孔底重复破碎的致命弱点，使钻效提高数倍之多，给成孔钻机注入了新的活力。同时该钻机又保留了冲击钻机结构简单、可靠、操作维修方便的优点。在目前灌注桩施工中取得较好的效果，使这种钻机在岩土钻掘的领域中占有重要的一席之地。冲击反循环多采用泵吸反循环方式，也可采用气举反循环，前者配砂石泵，后者配空压机。1.2 课题研究的意义及目的近几年，随着我国基本建设的不断加速，反循环钻机由于其成本低廉、市场需求旺盛、盈利能力强而受到很多企业追捧。正反循环桩孔钻机是在传统无循环成孔钻机的基础上发展起来的新机型。该机将传统的无循环钻进工艺改成先进的反循环钻进工艺，克服了无循环钻进造成的孔底重复破碎的
4、致命弱点，使钻效提高数倍之多，给成孔钻机注入了新的活力。该类钻机主要适于砂土、粘性土、粉质土等土层施工，在灌注桩基础加固等多种地基基础施工中得到广泛应用。 总之，我国基础建设特别是高铁建设为桩工机械行业提供了巨大的发展空间，也对桩工机械企业及其产品提出了更高的要求。对于旋挖钻机的研究能够促进桩工机械行业的发展，为我国未来几年的基础建设提供了物质保障。1.3国内外研究现状及存在的问题 意大利马塞伦蒂公司生产的机械式MR-2型反循环钻机是一种拖车装钻机。采用卷扬冲击方式，冲击钻进时由两台同步卷扬机提落钻头来完成。为确保两台卷扬机同步，配有补偿机构，采用泵吸反循环方式。日本神户制钢生产的KPC-12
5、00型冲击反循环钻机采用液压驱动方式，由液压马达通过传动装置分别带动提排渣管的卷筒卷扬机和冲击钻进用的双筒同步卷扬机，用离合器的离合进行冲击，通过自动控制装置可自动调节冲击行程和次数。排渣方式以气举反循环为主。冲击钻进时用套管跟进护壁。国内技术现状：目前国内生产循环钻机厂商主要有上海探矿机械厂、山东探矿机械厂、黄海机械厂。上海探矿机械厂GPS系列产品以机械传动、重锤加压、砂石泵反循环排渣为主要特点占据半壁江山，曾研发冲击与回转一体化钻机未果。国产循环钻机存在的主要问题如下： 现有回转式反循环钻机成孔直径小，一般都在1米以下。由于铁路、公路、桥梁建设要求的桩孔直径大都在1米以上，这极大的限制了正
6、反循环钻机的使用范围。现有回转式反循环钻机多采用重锤加压，只适用于较软的土层，无法适用于岩层较复杂的地形。 产品模仿甚至抄袭现象严重，创新不足，缺少自己的特点，销售上只能拼价格。旋挖钻机对资金和技术的要求都非常高，有的企业不愿意在技术上投入，只看到眼前利益，这样的企业也许在市场高峰时能赚到钱，但不可能长久。 国产配套件的质量应进一步提高，如钻杆、钻具。遇到坚硬地层施工困难，像郑西线的某些地层有大量卵石，国产钻机与国外钻机相比差距很明显，钻具问题需要主机厂与配套件厂联合攻关。 施工配套工艺工法研究不够。我国地域辽阔，在南方较软地区或在含有大量卵石地层，单一旋挖钻机成孔困难，需要一些其他设备配合才
7、能施工。国外广泛使用套管式钻机配合施工，国内可采用振动桩锤沉拔大深度钢护筒配合施工。2 正反循环钻机总体设计2.1总体功能原理设计2.1.1 设计题目分析表2-1 设计题目分析与分析结果一览表分类层次目标系统类属基本功能基本约束基本难点一级分类桩机打桩打入或钻进性能1钻进性能2钻杆垂直度的调节3钻进深度、稳定性与行驶轮廓尺寸的矛盾二级分类回转成孔桩机回转成孔起升变幅钻进性能起重性能钻杆垂直度回转扭矩三级分类正反循环钻机泥浆护壁钻杆、动力头密封四级分类流动式正反循环钻机底盘支腿行驶性能行驶轮廓尺寸表2-2 难点分析与对策一览表难点钻进性能钻杆垂直度调节钻进深度与行驶轮廓尺寸的矛盾明确问题地质情况
8、复杂；不同的建筑工程对桩孔深、孔径有着不同的要求。成孔的垂直度是影响成孔质量好坏的重要因素；如今，建筑工程对桩基质量要求越来越高XZ15钻机钻进最大深度为60m，要求钻架高度12m，影响车辆行驶长度；支腿宽度影响车辆行驶宽度。寻找线索增大动力头的扭矩；提高钻具的切削性能；电液比例伺服控制系统。自动垂直调平系统拆装式结构折叠式结构伸缩式结构对策提高动力头扭矩，加压进给自动垂直调平系统拆装式、伸缩式结构2.1.2 功能模块分析表2-3 功能模块划分与可能形态阵行向量缩减一览表行号功能模块行向量元素取舍说明1钻进回转振动冲击纵向加压优点：口径大缺点：无法钻进较硬的岩层2起升绳轮+绳筒续表行号功能模块
9、行向量元素取舍说明3变幅伸缩摆臂（挠）摆臂（刚）限值带载伸缩加大伸缩载荷臂架受力不好4底盘履带式汽车式高速公路禁行越野性能有限5支腿蛙式X式H式折叠式辐射式跨距有限适应性差布置空间有限布置空间有限2.1.3 总体功能原理方案图2-1 总体功能原理图2.2总体技术任务拟定2.2.1非量化指标表2-4 本机的功能与构造非量化指标一览表（摘选）分功能与构造满足条件补充条件钻进动力头转速，纵向加压、调速，紧急制动起升升，停，制动变幅升，降，停防止载荷拖动支腿适应性强，易于调平防止非操纵动作底盘稳定性其他备选副卷扬机，泥浆泵或注水泵2.2.2 量化指标类比同类产品，按照国家标准，应当实现以下参数。表2-
10、5 钻进作业能力参数最大钻孔直径Dmax 2m动力头最大扭矩Tmax 23.5kNm最大钻孔深度Lmax 80m最大回转速度nmax 15r/min最大推进力66KN最大推进速度10mm/min泥浆泵流量200泥浆泵扬程26m每节钻杆长度2m每节钻杆重量100kg表2-6 起升作业能力参数最大提拉力66KN最大起升速度0.17m/s表2-7 行驶与通过性能参数行驶最高车速2km/h行驶自重20t总长7205mm总宽2985mm总高3740mm2.3总体驱动方案设计2.3.1功率估算1) 初始参数的选定 采用有钻杆回转钻进的钻机，其钻机的能力参数包括：钻进孔深、钻孔直径、钻杆直径和钻孔倾角。这些
11、参数表明了钻机可以完成的钻孔结构，同时反映出钻机的钻进能力和使用的范围。 最大钻孔深度根据实际情况，结合市场需求，选取最大钻孔深度为80m。 最大钻孔直径根据实际情况，结合市场需求，选取最大钻孔直径为2m。 钻杆直径与长度L钻杆直径大小与孔深、孔径、转速和传递功率大小有关。一般钻孔越深，直径越大，所用钻杆的直径也越大。如果钻孔直径大，而采用的钻杆直径小，钻杆在钻孔中的弯曲度增加，工作条件恶化，不仅影响钻进速度和质量，而且也容易引起孔内事故，特别是在高转速的情况下，更加容易导致以上情况的发生。因此，根据钻杆的转速高低，钻杆直径与钻孔直径应有合理的级配关系。目前，我国钻杆直径与钻孔直径的级配关系大
12、致如下表2-8（文献1）所列。表2-8 钻杆直径与钻孔直径的级配关系钻孔类别岩心探空水文孔水井孔工程桩孔钻进方法钢粒钻进合金钻进金刚石钻进以合金为主以合金为主以合金为主级配(D/d)2.82.21.12.02.54610根据实际情况，D取1.5m，D/d取6.8，得 = 1500/6.8 = 219.6mm。查文献7表2-120选用无缝钢管，其直径为，壁厚 根据实际情况，取钻杆长度L = 2000mm2) 功率估算 动力头功率动力头输出轴所需的功率由钻头在孔底破碎岩石所消耗的功率，及回转钻杆所消耗的功率所组成。 孔底破碎岩石所需的功率 钻头切削岩石所需的功率 钻头与孔底、孔壁摩擦所消耗的功率
13、切削岩石所需功率钻头切削岩石所需的功率可根据切削原理推导出下面的计算公式： w 单向压缩情况下，岩石的抗压强度极限(见参考文献表1-10)；m钻头上硬质合金的组数或刮刀数目；n钻头的转速；F孔底碎岩面积；D、d钻头的外径及内径；h每组合金或每片刮刀每转的吃入深度， ，v为平均钻速。把岩石单轴抗压强度极限的作为岩石的坚固性系数，即，根据文献3表2-9，结合市场需求，取，即可以钻入软弱页岩，很软的石灰岩，白垩，盐岩，石膏，无烟煤，破碎的砂岩和石质土壤。则：刮刀数目m取3；钻头钻速取15r/min；孔底碎岩面积；每片刮刀的吃入深度； w 钻头与孔底摩擦消耗功率钻头与孔底摩擦所消耗的功率可采用下式计算
14、： 系数，决定于钻孔的弯曲度、钻杆的弯曲度及钻具质量，通常=1.11.3； f钻头与岩石的摩擦系数，见表； n钻头转速； C钻压； R钻头外半径； r钻头内半径表2-10 钻头与岩石的摩擦系数岩石名称花岗岩石英砂岩石灰岩泥质岩粘土摩擦系数0.30.40.350.50.250.550.20.30.120.2取； 根据实际地质状况，取； 转头转速； 钻压； ； ； 回转钻杆所需功率回转钻杆所需功率与钻杆的直径、长度、钻秆的连接方式、钻杆的弯曲率、钻杆的回转速度、孔壁情况、孔内冲洗液类型、钻杆的受裁情况等因案有关。这些因素对研究回转钻杆所需功率带来较大的难度和复杂性。目前的研究是基于一定的条件下，考虑影响回转钻杆功率的主要因素，得出在一定范围内适用的经验公式。回转钻杆所需
