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目錄
Abstract II
第一章 文獻綜述 1
1.1 非開挖水平定向鉆機簡介 1
1.2 非開挖鉆機國內(nèi)外發(fā)展概況及發(fā)展趨勢 1
1.2.1 非開挖鉆機國內(nèi)外發(fā)展概況 1
1.2.2 非開挖鉆機發(fā)展趨勢 2
第二章 泥土輸送裝置設(shè)計方案 3
2.1 輸送裝置簡介 3
2.2 輸送裝置方案 3
2.3 帶式輸送機簡介 4
2.4 帶式輸送機布置方式 5
第三章 帶式輸送機設(shè)計選型 6
3.1 原始數(shù)據(jù) 6
3.2 輸送帶速度選擇 6
3.3 輸送帶寬度計算 6
3.4 功率計算 7
3.5 最大張力計算 8
3.6 輸送帶層數(shù)計算 9
3.7 驅(qū)動裝置選型 9
3.8 分配各級傳動比、各軸功率計算 10
3.9 托輥選型 11
3.10 其他部件選型 11
第四章 減速器設(shè)計 12
4.1 齒輪設(shè)計計算 12
4.2 軸設(shè)計計算 16
4.3 軸的校核 19
4.4 軸承的選擇及校核計算 21
4.5 鍵的選擇及校核計算 22
4.6 聯(lián)軸器選擇 23
4.7 減速器箱體設(shè)計 23
4.8 減速器潤滑密封 24
第五章 帶傳動設(shè)計 25
5.1 確定計算功率 25
5.2 選擇帶型號 25
5.3 選取帶輪基準直徑 25
5.4 確定軸間距和帶的基準長度 25
5.5 驗算小帶輪包角 26
5.6 確定v帶根數(shù)z 26
5.7 計算初拉力 26
5.8 計算作用在軸上的壓軸力 26
5.9 V帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 26
第六章 快速接頭選型 28
6.1 快速接頭簡介 28
6.2 快速接頭選型 29
第七章 總結(jié) 30
參考文獻 31
致謝 32
附錄Ⅰ：翻譯原文 33
附錄Ⅱ：翻譯 41
非開挖水平定向鉆機泥土輸送裝置設(shè)計
[摘要]： 通過分析非開挖鉆機泥土輸送裝置國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，應(yīng)用和具體的檢測方法，經(jīng)過查閱相關(guān)資料、討論，擬定采用分節(jié)帶式輸送機實現(xiàn)該功能，帶式輸送機為電機驅(qū)動，通過一級齒輪減速箱和V帶傳動將動力傳輸?shù)綕L筒，滾動轉(zhuǎn)動帶動皮帶運輸泥土。本文的設(shè)計思路主要是先計算出帶式輸送機的運輸量及阻力，對帶式輸送機相關(guān)設(shè)備進行選型，通過阻力計算選擇電機型號，再設(shè)計減速箱、V帶傳動以及快速接頭。最后對關(guān)鍵部件進行校核，通過校核計算得到了該機構(gòu)的零件選型與零件加工尺寸，并驗證了方案的可行性。通過AutoCAD出圖，最終完成設(shè)計說明書的書寫和外文翻譯。
[關(guān)鍵字]：非開挖水平鉆機；泥土輸送；減速器；帶式輸送機
Trenchless horizontal directional drilling mud conveying design
Abstract: Through the analysis of trenchless rig mud conveyer domestic and foreign research present situation, application and specific detection method, through access to relevant data, discussion and formulate the function is realized by using sectional belt conveyor, belt conveyor for motor drive, through a gear reducer and V belt driving power transmission to the roller, roller rotation drive belt transporting soil. Design idea of this article is mainly to calculate the volume and resistance of belt conveyor, the selection of belt conveyor equipment, choose motor model, through the calculation of resistance to design reducer, V belt transmission and fast connection. Finally, the key components, this article got the agency by checking calculation of the selection of the components and parts processing size, and verify the feasibility of the scheme. Through the AutoCAD drawing, the final design specification writing and foreign language translation.
Key words: Trenchless horizontal drilling; Soil transport; gear reducer; belt conveyor
II
第一章 文獻綜述
1.1 非開挖水平定向鉆機簡介
水平定向鉆機是不開挖表面的時候，建設(shè)地下公用設(shè)施的一種機器，水平定向鉆進技術(shù)將石油的定向鉆進技術(shù)與傳統(tǒng)管線施工方法結(jié)合在一起，具有施工快、精度高成本低等優(yōu)點[1]。廣泛運用于供水、電力、電訊、天然氣、煤氣、石油等鋪設(shè)管線施工中，可以適用沙土、粘土、卵石等各種地況，在我們國家的大部分非硬質(zhì)巖地區(qū)都可以施工。工作溫度為-15℃~+45℃。一般來說適用于鋪設(shè)直徑管道300~1200 mm的鋼管及PE管，最大鋪管的長度甚至可以達到1500 m左右。使用水平定向鉆機進行管線鋪設(shè)施工，一般分為兩個階段：第一階段按照設(shè)計好的曲線鉆一個導(dǎo)向孔；第二階段將導(dǎo)向孔擴大孔徑，并把管線沿擴大的導(dǎo)向孔回拖到導(dǎo)向孔中從而完成整個管線的鋪設(shè)工作。水平定向鉆機主要是由鉆機系統(tǒng)、控向系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、鉆具及輔助機具組成。他們的功能分別是：鉆機系統(tǒng)為穿越的設(shè)備鉆進工作以及回拖工作的主體控向系統(tǒng)為通過計算機檢測并且控制鉆頭在地下具體位置和其它的參數(shù)，引導(dǎo)鉆頭正確的鉆進的方向性的工具；動力系統(tǒng)是由液壓動力源和發(fā)電機組成的動力源為鉆機系統(tǒng)提供高壓的液壓油作為鉆機的動力。泥漿系統(tǒng)是為鉆機系統(tǒng)提供適合鉆機的工況的泥漿。鉆具及輔助的機具為鉆進中鉆孔和擴孔時使用的機具[2]。
1.2 非開挖鉆機國內(nèi)外發(fā)展概況及發(fā)展趨勢
1.2.1 非開挖鉆機國內(nèi)外發(fā)展概況
非開挖的水平鉆機是20世紀80年代在發(fā)達國家興起的，隨著控制和通訊技術(shù)的快速發(fā)展，非開挖水平鉆機的整體性能已經(jīng)十分完美。因為非開挖水平鉆機是地下工作的所以必須要求它有較高的穩(wěn)定性和可靠性。鉆桿的頂進和回拖都采用的是一體化技術(shù)用先進的無纜或者有纜式的導(dǎo)向儀引導(dǎo)。同時機器也必須具有長時間和不間斷的作業(yè)的能力[2]。行業(yè)主要生產(chǎn)廠家有美國的Ditch Witch、VERMEER、AUGERS、Case公司；德國TT、FLX、HUTTE公司；加拿大UTILX公司；意大利TECNIWELL公司；加拿大UTILX公司；英國POWERMOLE、STEVE VICK公司；瑞士TERRA公司等。
國內(nèi)主要有中國科學(xué)院勘探技術(shù)研究生產(chǎn)的GBS-10、GBS-8、GBS-5拖式非開挖鉆機和GBS-40、GBS-20、GBS-12自動行走式的非開挖鉆機。徐工集團生產(chǎn)ZD1245等系列非開挖水平鉆采用進口的渦輪增壓柴油發(fā)動機為鉆機提供動力，國際的液壓元器件的廠商為它提供配套的設(shè)備，整機性能可靠而穩(wěn)定[3]。有獨立的液壓驅(qū)動的頂進回拖、旋轉(zhuǎn)和泥漿輸送功率供給更加充足，雙速驅(qū)動的動力頭，進一步的提高機器生產(chǎn)的效率，自動裝卸鉆桿的裝置很先進，有線控制可以操控機器的單獨的行走。另外，北京土行孫公司開發(fā)生產(chǎn)的DDW80、DDW200等定向鉆；連云港黃海機械廠與首鋼地址
勘察院共同開發(fā)的FDP-15及FDP-12水平定向鉆；深圳鉆通公司生產(chǎn)的ZT20、ZT1 ZT10水平定向鉆中聯(lián)重科的KSD25水平定向鉆是收購了英國保路捷公司推出的新產(chǎn)品，采用分體式的結(jié)構(gòu)，用戶可以選配空壓機和泥漿系統(tǒng)得以實現(xiàn)干濕兩用[4]。
水平定向鉆按提供的推拉力、扭矩大小分為小、中、大型三大類。各類鉆機性能參數(shù)應(yīng)用范圍見表1.1。
表1.1 水平定向鉆機參數(shù)
分類
大型
中型
小型
推拉力（KN）
＞450
100-450
＜100
扭矩(KN/m)
＞30
3-30
＜3
功率(KW)
＞180
100-180
＜100
鉆桿長度(m)
9.0-12.0
3.0-9.0
1.5-3
鋪管直徑(mm)
600-1200
350-600
50-350
鋪管長度(m)
600-1500
300-600
＜300
鋪管深度(m)
＞15
6-15
＜6
1.2.2 非開挖鉆機發(fā)展趨勢
水平定向鉆設(shè)備在十幾年時間內(nèi)得到了飛速的發(fā)展，成為發(fā)達國家新興產(chǎn)業(yè)。目前它的發(fā)展朝著大型化、微型化、自備錨固系統(tǒng)、鉆桿自動堆放提取、鉆桿連接初自動潤滑防觸電等自動化功能、適應(yīng)硬巖作業(yè)、超深度導(dǎo)向、應(yīng)用范圍大等特征發(fā)展[3]。
第二章 泥土輸送裝置設(shè)計方案
2.1 輸送裝置簡介
輸送裝置按照工作的原理主要可以分為兩類：機械輸送以及氣流輸送。機械輸送設(shè)備主要有：管鏈輸送機、皮帶輸送機、滾筒輸送機、斗式提升機、螺旋輸送機以及板鏈斗式提升機等。氣流輸送裝置主要有：負壓真空輸送、正壓稀相輸送、正壓稀相閉路輸送、旋轉(zhuǎn)閥密相輸送、密相動壓氣力輸送、密相高壓發(fā)送罐輸送方式等。鉆機泥土輸送常采用的有螺旋輸送和皮帶輸送方式。
2.2 輸送裝置方案
鉆機泥土輸送常采用螺旋輸送和皮帶輸送裝置。下面對這兩種方案進行對比并選擇。
皮帶輸送機的性能特點：輸送帶是根據(jù)摩擦傳動的原理運動，具有輸送量很大輸送距離很遠、輸送穩(wěn)定，物料和輸送帶之間沒有相對的運動，噪音較小，維修較方便能量消耗少且結(jié)構(gòu)簡單、部件標準等優(yōu)點[5]。
螺旋輸送機（又稱絞龍）。其整體結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)由頭節(jié)中間節(jié)、尾節(jié)和驅(qū)動部分構(gòu)成。螺旋輸送機具有結(jié)構(gòu)簡單、占地少、方便多點裝料、設(shè)備很容易密封以及能多點卸料、管理和操作相對簡單等優(yōu)點。常用于水平或小于20°傾斜方向輸送各種各樣的粉狀和粒狀物料，如水泥、礦渣、生料和煤粉等。螺旋輸送機的缺點主要是運行阻力很大，相比其他輸送機來說動力消耗更大，機件磨損很快，維修量較大。不適宜于輸送粘性較大、容易結(jié)塊、粒狀塊大、磨琢大的物料，被輸送的物料溫度一般要低于200度[5]。而且一般用于中小輸送量以及輸送距離小于50 m的場合。
考慮到本文研究的是非開挖水平定向鉆機的泥土輸送裝置，因此需要輸送的是粘性較大的泥土，而螺旋輸送裝置不能夠很好的輸送粘性較大的物料，因此在本課題中皮帶輸送機更能夠滿足工作條件的要求。本次課題擬定采用皮帶輸送機來實現(xiàn)鉆機的泥土輸送。鉆機鉆進過程中鉆桿慢慢的深入地下，皮帶輸送機隨著鉆桿一起進入，因此皮帶輸送機應(yīng)該與鉆桿配套，尺寸也應(yīng)該相當(dāng)，所以采用分節(jié)式皮帶輸送機，相鄰兩節(jié)之間運用快速接頭連接。
考慮到每一節(jié)皮帶輸送裝置的設(shè)計參數(shù)一樣，因此取一節(jié)進行設(shè)計計算即可。本次設(shè)計主要內(nèi)容為：帶式輸送機設(shè)計選型以及減速器設(shè)計。
其中帶式輸送機設(shè)計主要為輸送機的布置的形式，驅(qū)動的方式，輸送帶的選型，拉緊裝置的設(shè)計，清掃裝置的設(shè)計等，以設(shè)計出合適的驅(qū)動和控制系統(tǒng)。設(shè)計出各個系統(tǒng)后，還要對某些關(guān)鍵部位進行校核，以保證所設(shè)計的系統(tǒng)能符合工作要求正常運行。
2.3 帶式輸送機簡介
皮帶輸送機包括： 180度皮帶轉(zhuǎn)彎機、90度皮帶轉(zhuǎn)彎機、不銹鋼皮帶轉(zhuǎn)彎機、45度皮帶轉(zhuǎn)彎機、皮帶提升機、電子原件皮帶輸送機、燈檢皮帶輸送機、不銹鋼皮帶輸送機、塑料噴嘴皮帶輸送機、多層皮帶輸送機等。主要由：頭架、驅(qū)動裝置、傳動滾筒、尾架、托輥、中間架、尾部改向裝置、卸載裝置、清掃裝置、安全保護裝置等部件組成[5]。
皮帶輸送機是利用輸送帶間歇或連續(xù)運動來輸送輕重不同的物品，既可以輸送各種散料，又可以輸送各種紙箱、包裝袋等單件重量不大的件貨，用途非常的廣泛。結(jié)構(gòu)形式主要有：槽型皮帶機、爬坡皮帶機、轉(zhuǎn)彎皮帶機、平型皮帶機等，輸送帶上還可以增設(shè)提升擋板、裙邊等附件，從而能滿足各種工藝要求。
輸送帶是帶式輸送機承載物料的構(gòu)件，帶上物料隨輸送帶運行，物料根據(jù)需要可以在輸送機的端部和中間部位卸下。輸送帶用旋轉(zhuǎn)的托棍支撐，運行阻力小。帶式輸送機可以水平或沿傾斜的線路布置。使用光面輸送帶沿傾斜的線路布置時，不同物料的最大運輸傾角不同，具體數(shù)據(jù)如下表2-1所示：
表2-1 不同物料的最大運角[5]
物料種類
角 度
物料種類
角 度
煤 塊
18 °
篩分后的石灰石
12°
煤 塊
20 °
干 沙
15°
篩分后的焦碳
17 °
未篩分的石塊
18°
0—350mm礦石
16 °
水 泥
20°
0—200mm油田頁巖
22°
干 松 泥 土
20°
2.4 帶式輸送機布置方式
電動機通過聯(lián)軸器、減速器帶動傳動滾筒轉(zhuǎn)動或其他驅(qū)動機構(gòu)，再借助滾筒或其他的驅(qū)動機構(gòu)與輸送帶的摩擦力，使輸送帶運動。通用固定式輸送帶輸送機一般采用單點驅(qū)動，驅(qū)動裝置集中安裝在輸送機長度某一位置，一般在機頭處。單點驅(qū)動方式按傳動滾筒的數(shù)目分，可分為單滾筒和雙滾筒驅(qū)動兩種。對每個滾筒的驅(qū)動又可以分為單電動機驅(qū)動和多電動機驅(qū)動方式。因為單點驅(qū)動方式最常用，因此凡是沒有指明是多點驅(qū)動方式的，一般都為單驅(qū)動方式[6]。
單筒、單電動機驅(qū)動方式最簡單，考慮驅(qū)動方式時是首選。在大運量、長距離鋼繩芯膠帶輸送機中常采用的是多電動機驅(qū)動。
綜上：針對本次設(shè)計要求，決定采用單筒單電機驅(qū)動，向上運輸布置形式的移動帶式輸送機。帶式輸送機傳動方案如圖2-2所示：
1-電動機；2 -聯(lián)軸器；3-減速器；4、5-齒輪；6、7-帶輪；8-滾筒
圖2-1 帶式輸送機傳動簡圖
第三章 帶式輸送機設(shè)計選型
3.1 原始數(shù)據(jù)
1. 輸送物料為泥土，最大輸送量：40 t/h；
2. 物料細度為50 mm，松散密度為1.8 t/m3；
3. 輸送機布置形式為上運；
4. 給料點位于機頭位置；
5. 工作環(huán)境：室外、潮濕、少量塵土；
6. 輸送機傾角為18°；
7. 動堆積角為30°。
3.2 輸送帶速度選擇
1) 輸送散狀物料一般取帶速v=0.8~2 m/s；
2) 輸送成件物品一般取帶速v=0.25~1 m/s;
3) 輸送易碎、易飛揚的物料一般取帶速v=0.8~1 m/s為宜。
本次設(shè)計輸送物品為泥土，且有少量塵土，因此選擇帶速v=1 m/s。
3.3 輸送帶寬度計算
對于散狀物料，輸送帶寬度按照：
式中：B——輸送帶寬度，m；
Q——所需輸送量，t/h；
——物料松散密度，t/m3；
V——輸送帶速度，m/s；
Y——斷面系數(shù)，動堆積角為30°的兩節(jié)式槽型托輥取y=0.132；
C——傾角系數(shù)，輸送機傾角為18°時傾角系數(shù)為0.85；
K——裝載系數(shù)，一般取h=0.8~0.9。
所以：
取帶寬為：200 mm。
3.4 功率計算
傳動滾筒軸功率P0按下式計算：
式中：P0——傳動滾筒軸功率，KW；
P1——空載功率，KW；
P2——水平負載功率，KW；
P3——垂直負載功率，KW；
P4——附加功率，KW；
f——托輥阻力系數(shù)，取f=0.03；
L——傳動滾筒至尾部滾筒的水平中心距，m；
——中心距修正值，m，取=49 m；
H——垂直提升高度，m；
W——除物料外，輸送機單位長度內(nèi)所有運動部件質(zhì)量之和，Kg/m，帶寬為200 mm時W=15 Kg/m。
附加功率P4按下式計算：
式中：F1——導(dǎo)料槽阻力，N；
F2——犁式卸料器阻力，N；
F3——內(nèi)、外清掃器阻力，N；
V——帶速，m/s；
B——帶寬，m；
——物料松散密度，t/m3；
L1——導(dǎo)料槽長度，0.5 m；
——輸送帶上每米長度物料的質(zhì)量，=A，kg/m；
a——犁式卸料器阻力系數(shù)。帶寬小于300時不用犁式卸料器，所以a=0。
所以：
故：
電動機功率按下式計算：
式中：P——電動機功率，KW；
P0——傳動滾筒軸功率，KW；
——傳動總效率；
K——備用系數(shù)，P0＜5 KW時取K=1~1.1。
查《機械課程設(shè)計》可知：閉式齒輪傳動、滾動軸承和聯(lián)軸器的效率分別?。?0.97 =0.99、 =0.99；所以傳動總效率
所以：
即電動機功率為1.348 KW，分10節(jié)所以電機總功率為13.48 KW。
3.5 最大張力計算
在單驅(qū)動的帶式輸送機中，驅(qū)動滾筒的趨入點的張力通常為輸送帶的最大張力，可按下式計算：
式中：——趨入點張力，N；
e——自然對數(shù)的底；
——輸送帶與滾筒的摩擦系數(shù)，=0.2；
——輸送帶在滾筒上的包角，=180°；
所以：
3.6 輸送帶層數(shù)計算
輸送帶層數(shù)按下式計算：
式中：Z——輸送帶帶芯層數(shù)；
——最大工作張力，N；
n——安全系數(shù)，一般多層帶取n=8~10；
B——輸送帶寬度，mm；
——帶芯徑向扯斷強力，N/（mm層）
經(jīng)計算Z＜1，所以輸送帶為單層。
3.7 驅(qū)動裝置選型
QD80輕型帶式輸送機有與其配套的QDF風(fēng)冷電動滾筒，而驅(qū)動裝置即電機應(yīng)與Q D F風(fēng)冷電動滾筒相匹配。查《運輸機械設(shè)計選用手冊》可知：帶寬200 mm時QDF風(fēng)冷滾筒的參數(shù)如下表3-1：
表3-1 QDF風(fēng)冷滾筒參數(shù)[5]
帶寬 mm
滾筒直徑 mm
名義轉(zhuǎn)矩 Nm
功率 KW
參考重量 kg
200
160
250
0.55或0.75
55~70
電動機功率經(jīng)計算為P=13.48 KW，所以選用電動機功率為15 KW，滾筒軸轉(zhuǎn)速為：
配合計算出的功率決定選擇Y200L型電動機，其參數(shù)見表3-2：
表3-2 YH132S-8型電動機[7]
電動機型號
額定功率
轉(zhuǎn)速
軸外伸軸徑
軸外伸長度
Y200L
15kw
730 r/min
28mm
60mm
3.8 分配各級傳動比、各軸功率計算
（1）總傳動比:
（2）分配帶傳動比為2，則減速器傳動比為4.1，傳動比小于5，可以采用一級圓柱齒輪減速器。
（4）計算各軸的轉(zhuǎn)速:
I軸轉(zhuǎn)速：
Ⅱ軸轉(zhuǎn)速：
（5）各軸的輸入功率：
I軸輸入功率:
II軸輸入功率：
（6）各軸的轉(zhuǎn)矩
各軸的輸出轉(zhuǎn)矩：
各軸轉(zhuǎn)速、功率及轉(zhuǎn)矩見下表3-3：
表3-3各軸轉(zhuǎn)速、功率及轉(zhuǎn)矩
軸號
轉(zhuǎn)速n/(r/min)
輸入功率P（kW）
轉(zhuǎn)矩T（）
傳動比i
Ⅰ軸
730
14.85
31.5
4.1
Ⅱ軸
161
14.1
122.8
3.9 托輥選型
本系列配置的托輥分為：分為平行托輥和槽型托輥兩類，此處選擇槽型托輥。初選QDC11型托輥。
3.10 其他部件選型
由于本次設(shè)計的是小型輸送機，機長較短，功率較小，故可以采用螺旋拉緊裝置采用固定落地式機架，角鋼焊接。該輸送機輸送速度慢不用考慮制動裝置，只選擇空段清掃器、頭部清掃器。螺旋拉緊裝置采用QDD13型，空段清掃器采用QDE11型頭部清掃器采用QDE24型。機架采用QDJ1-55型。導(dǎo)料槽采用QDJ1-91型[5]。
第四章 減速器設(shè)計
4.1 齒輪設(shè)計計算
按圖2-1所示的傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。運輸機為一般工作機器，速度不高，所以選用七級精度（GB 10095-88）。選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為2 80HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，硬度相差40HBS。選擇小齒輪齒數(shù)z1=20,大齒輪齒數(shù)z2=20×4.1=82，取z2=82。螺旋角通常在之間選擇這里取。
按齒面接觸疲勞強度設(shè)計：
式中：K——載荷系數(shù)，初選K=1.3；
T1——小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩；
——齒寬系數(shù)，初選=1；
——材料的彈性影響系數(shù)，根據(jù)材料選擇=189.8；
——齒輪接觸疲勞強度極限，按齒面硬度查得小齒輪；大齒輪；
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
式中：j——齒輪轉(zhuǎn)一圈時，同一齒面嚙合次數(shù)，j=1；
——齒輪工作壽命，取=48000 h；
所以大小齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別為：
查《機械設(shè)計手冊》可知：大小齒輪接觸疲勞壽命系數(shù)分別為：和。
接觸疲勞許用應(yīng)力：
式中：S——安全系數(shù)，取S=1；
所以大小齒輪接觸疲勞許用應(yīng)力：
1. 計算
1) 計算小齒輪分度圓直徑，帶入中較小的值：
2) 計算圓周速度v：
3) 計算齒寬：
4) 計算齒寬與齒高比：
模數(shù)：
齒高：
齒寬與齒高比：
5) 計算載荷系數(shù)：
根據(jù),7級精度，查得動載系數(shù)；
直齒輪：；
查《機械設(shè)計》可知：
使用系數(shù)：；
七級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時，；
由，查得：；
故動載系數(shù)：
6) 按實際的載荷系數(shù)校正分度圓直徑：
7) 計算模數(shù)m:
2. 按齒根彎曲強度設(shè)計
式中：——齒形系數(shù)；
——應(yīng)力校正系數(shù)。
查《機械設(shè)計》可知：
小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲強度極限；
彎曲疲勞壽命系數(shù)：，；
1) 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力：
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，則：
2) 計算載荷系數(shù)K：
3) 查齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù)：
由齒數(shù)查得 ，，，。
4) 計算大小齒輪的并比較：
顯然大齒輪的數(shù)值較大。
5) 設(shè)計計算：
由于齒輪模數(shù)大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，所以齒輪模數(shù)按彎曲強度計算的更接近真實情況，就近圓整為標準值：m=2。
小齒輪齒數(shù)：
大齒輪齒數(shù)： ，取。
3. 幾何尺寸計算：
A. 計算分度圓直徑：
B. 計算中心距：
C. 計算齒寬：
，取,
減速器齒輪數(shù)據(jù)見表5-1：
4-1減速器齒輪數(shù)據(jù)
齒輪
齒數(shù)
齒頂高
齒根高
分度圓直徑
中心距
齒寬
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
小齒輪
34
1.5
2
68
164
55
71
64
大齒輪
130
1.5
2
260
50
263
256
4.2 軸設(shè)計計算
(一) 高速軸設(shè)計
1. 初定軸的最小直徑
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由《機械設(shè)計》取
圓整后：d=20 mm。輸入軸與輸出軸之間的最小直徑是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑所以先選聯(lián)軸器。聯(lián)軸器計算轉(zhuǎn)矩，查《機械設(shè)計》，由于轉(zhuǎn)矩的變化很小，所以=1.3，則：
聯(lián)軸器選擇彈性柱銷聯(lián)軸器，型號為：HL3型聯(lián)軸器[7]，轉(zhuǎn)矩
高速軸聯(lián)軸器Ⅰ的孔徑應(yīng)該與電動機外伸軸直徑（d=28 mm）相當(dāng)，所以半聯(lián)軸器長度，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度為：。
2、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
1) 軸上零件定位，固定及裝配
齒輪左面是由套筒定位，右面是由軸肩定位，聯(lián)接均以平鍵作為過渡配合固定兩軸承均以軸肩定位。
2) 確定軸各段直徑和長度
為了滿足半聯(lián)軸器軸向定位要求，軸段右端必須制出一軸肩，所以取段的直徑，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度：，所以為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸端面上，這一段的長度應(yīng)比略短取：
因為軸承只承受徑向力的作用，所以選用深溝球軸承，參照工作要求并根據(jù)：，選取6308型軸承[8]，尺寸：所以，，左邊的滾動軸承用套筒進行軸向定位，右邊軸承采用軸肩定位。所以取，齒輪軸軸段的直徑：取：,
。 軸承端蓋總寬度為：，所以?。骸Ｈ?。至此，初步確定了軸的各段直徑和長度。
3) 軸上零件的周向定位
齒輪,半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。
a.齒輪與軸的連接
由于齒輪分度圓直徑過小，因此采用齒輪軸形式。
為了保證齒輪與軸配合有良好的對中性,故選擇齒輪輪轂與軸的配合為：
b.半聯(lián)軸器與軸的聯(lián)接
選用平鍵為：，半聯(lián)軸器與軸的配合為：
滾動軸承與軸的周向定位是通過過渡配合來實現(xiàn)的，選軸的直徑尺寸公差為：。
4) 確定軸上圓角和倒角尺寸
取軸端倒角1.6×45°，Ⅵ處圓角為R2，軸肩處圓角半徑為。
軸尺寸參數(shù)如圖4-1：
圖4-1 高速軸參數(shù)
(二) 低速軸設(shè)計
1)初步估計軸的最少直徑
軸材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)《機械設(shè)計》取
取d=40mm。
2)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
初步選擇滾動軸承。因為軸承同時受到徑向力與軸向力的作用，所以決定選用6311型深溝球軸承。參照軸的最小直徑，其尺寸，所以：，。左邊的滾動軸承采用套筒實現(xiàn)軸向定位，右邊的滾動軸承用軸肩定位，所以取。
3) 確定軸各段直徑和長度
軸段右端必須制出一軸肩，所以段直徑，帶輪與軸配合的轂孔長度為，為保證軸端擋圈只壓在帶輪上而不壓在軸的端面上，所以該段的長度應(yīng)比帶輪長度略短，取：。選取安裝齒輪處軸段的直徑為，齒輪左邊與左邊軸承之間用套筒進行定位，已知齒輪輪轂的寬度為，為使套筒端面可靠地壓緊齒輪，該軸段應(yīng)略短于輪轂寬度，所以?。?，齒輪右端用軸肩定位，軸肩高度為，所以取，則軸環(huán)處的直徑：，軸環(huán)寬度：,取。 軸承端蓋的總寬度為：，所以取。取，至此初步確定了低速軸各段直徑和長度。
4)軸上零件的周向定位
齒輪及半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。
a．齒輪與軸的連接
按得：平鍵截面，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為：。
為保證齒輪與軸的配合有良好對中性，所以選擇齒輪輪轂與軸的配合為：
b．帶輪與軸的聯(lián)接
選用平鍵為：，半聯(lián)軸器與軸的配合為：
由于滾動軸承與軸的周向定位是通過過渡配合來實現(xiàn)的，所以選軸的直徑尺寸公差為：。
5)確定軸上的圓角和倒角尺寸
取軸端倒角，Ⅵ處圓角R2，軸肩處圓角半徑。
軸尺寸參數(shù)如圖4-2：
圖4-2 低速軸參數(shù)
4.3 軸的校核
(1) 求軸上的載荷
確定軸承支點位置時，深溝球軸承的作用點在對稱中心處，而作為簡支梁的軸的支撐跨距，根據(jù)軸的計算簡圖可以作出軸的彎矩圖、扭矩圖和計算彎矩圖，可看出截面處計算彎矩最大的是軸的危險截面。軸的彎矩圖如圖4-3：
圖4-3 彎矩圖
(2) 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度
從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩圖和扭矩圖中可以看二面C是軸的危險截面。
作用在齒輪上的圓周力、徑向力和軸向力分別為：
圓周力：
徑向力：
軸向力：
根據(jù)軸承支反力作用點以及軸承和齒輪在軸上的安裝位置得：
水平面徑向支反力：
垂直面徑向支反力：
水平面彎矩：
垂直面彎矩：
合成彎矩：
轉(zhuǎn)矩：
因為軸是單向回轉(zhuǎn)的，所以轉(zhuǎn)矩為脈動循環(huán)，。
危險截面初的當(dāng)量彎矩：。
前面選擇軸的材料為45鋼，調(diào)制處理，查得[9]。
因此軸是安全的。
4.4 軸承的選擇及校核計算
1. 軸承選擇
軸承1：深溝球軸承6308型，40×90×23。
軸承2：深溝球軸承6311型，55×120×29。
2. 校核軸承
校核軸承1，查《機械設(shè)計課程設(shè)計》得，。取
由于軸承只受徑向力作用所以：，對于球軸承，，所以：
按每年300個工作日，每天兩班制，壽命大概為30年，所以該深溝球合適。
校核軸承2，查《機械設(shè)計課程設(shè)計》，，取
由于軸承只受到徑向力作用，所以，對于球軸承，
按每年300個工作日，每天兩班制，壽命大概為34年，所以該深溝球合適。
4.5 鍵的選擇及校核計算
1. 選擇鍵聯(lián)接的類型
8級以上精度尺寸齒輪有定心的精度要求，所以應(yīng)當(dāng)采用平鍵，且鍵的材料為鋼，所以
2. 軸Ⅰ與聯(lián)軸器相聯(lián)處鍵的校核
鍵A：，為單鍵。由：
所以軸Ⅰ與聯(lián)軸器相連的鍵滿足要求。
3. 軸Ⅱ上鍵的校核
1）齒輪與軸Ⅱ相聯(lián)處
鍵A：，為單鍵。由：
所以齒輪與軸Ⅱ相連的鍵滿足要求。
2）帶輪與軸Ⅱ相聯(lián)處
鍵A：，為單鍵。由：
所以帶輪與軸Ⅱ相連的鍵滿足要求。
上述計算可知全部鍵均滿足要求。
4.6 聯(lián)軸器選擇
由前面設(shè)計已經(jīng)選擇彈性柱銷聯(lián)軸器，HL3型聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩為：，經(jīng)計算能夠滿足要求。
聯(lián)軸器的孔徑為，聯(lián)軸器長度為，聯(lián)軸器與軸配合轂孔的長度為：。
4.7 減速器箱體設(shè)計
減速器箱體結(jié)構(gòu)計算匯總見表4-2：
表4-2 減速器箱體參數(shù)[7]
名稱
符號
計算公式
結(jié)果
箱座壁厚
8
箱蓋壁厚
6
箱蓋凸緣厚度
9
箱座凸緣厚度
12
箱座底凸緣厚度
20
地腳螺釘直徑
查《機械設(shè)計課程設(shè)計》
18
地腳螺釘數(shù)目
n
查《機械設(shè)計課程設(shè)計》
4
軸承旁聯(lián)接螺栓直徑
9
機蓋與機座聯(lián)接螺栓直徑
=（0.5~0.6）
8
軸承端蓋螺釘直徑
=（0.4~0.5）
8
視孔蓋螺釘直徑
=（0.3~0.4）
5
定位銷直徑
=（0.7~0.8）
10
外機壁至軸承座端面距離
=++（8~12）
15
大齒輪頂圓與內(nèi)機壁距離
>1.2
19
齒輪端面與內(nèi)機壁距離
>
16
機蓋，機座肋厚
6
4.8 減速器潤滑密封
對于一級圓柱齒輪減速器，傳動裝置為輕型，而且傳速較低，所以采用飛濺潤滑即可，故箱體內(nèi)選用全AN150全耗損系統(tǒng)用油（GB443-1989），油裝至規(guī)定高度[10]。
密封性為了保證機蓋與機座聯(lián)接處密封，聯(lián)接凸緣應(yīng)有足夠的寬度，聯(lián)接表面應(yīng)精創(chuàng)，其表面粗度應(yīng)為密封的表面要經(jīng)過刮研。而且，凸緣聯(lián)接螺柱之間的距離不宜太大，并勻均布置，保證部分面處的密封性[11]。
第五章 帶傳動設(shè)計
5.1 確定計算功率
查《機械設(shè)計手冊》得：工作情況系數(shù)：KA=1.1，則計算功率：
5.2 選擇帶型號
根據(jù)，,選用帶型為B型帶．
5.3 選取帶輪基準直徑
1）初選小帶輪基準直徑
根據(jù)和查《機械設(shè)計手冊》得小帶輪基準直徑為。取小帶輪直徑
2）驗算帶速v
在5～25m/s范圍內(nèi)，故V帶合適
3）計算大帶輪基準直徑
5.4 確定軸間距和帶的基準長度
查《機械設(shè)計手冊》初步選取中心距
所以帶長，=
選取基準長度得實際中心距
中心距地變化范圍為438~510mm
5.5 驗算小帶輪包角
包角合適，所以不用采用張緊輪。
5.6 確定v帶根數(shù)z
1）計算單根V帶額定功率
由和查得，轉(zhuǎn)速，傳動比，得。查得，
2）帶的根數(shù)
所以選Z=5根帶。
5.7 計算初拉力
單根普通V帶張緊后的初拉力為：
5.8 計算作用在軸上的壓軸力
5.9 V帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1）
（2）小帶輪設(shè)計
采用材料HT150鑄鐵[9]
因為D1=120mm＞3d，d為減速器軸的直徑d=40mm， 而且＜300mm，所以采用腹板式。腹板上不開孔。部分結(jié)構(gòu)尺寸如下：
（3）大帶輪設(shè)計
由于 D2=240mm， 故仍采用腹板式。有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸如下：
第六章 快速接頭選型
6.1 快速接頭簡介
快速接頭多用于移動管道中，主要分為以下幾種：
（1） 插座式接頭：具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的優(yōu)點。有一定的撓度，能適應(yīng)管道隨溫度變化而伸縮變形的工況。其原理是靠摩擦力定位因此不能承受軸向力。壓力過大時容易產(chǎn)生脫節(jié)現(xiàn)象。
（2） 牙扣式快速接頭：主要可分為兩種：三爪式和消防水帶式，前一種結(jié)構(gòu)為承口內(nèi)有凹槽，插口有三個凸緣，和高壓鍋的鍋蓋類似。后一種插口和承口結(jié)構(gòu)一樣，靠牙扣和凹槽結(jié)合初承受軸向力。
（3） 搭扣式接頭：可分為單掛鉤式和雙掛鉤式，前一種掛鉤在插口上，由掛鉤承受軸向力，且接頭處允許有15到20度的轉(zhuǎn)角。后一種掛鉤在承口上，插口上邊有掛鉤槽，靠插口硬插入自動掛鉤。具有使用方便、受力好以及性能好的優(yōu)點，其缺點是連接速度較慢。
（4） 暗鎖式接頭：該接頭常用于金屬管道上，承口開四個孔，可以插鎖片，插口上有四個鎖槽，插入承口后旋轉(zhuǎn)管道使鎖片進入鎖槽即可卡死。其缺點是連接速度慢優(yōu)點是連接可靠。
（5） 彈簧壓緊式接頭：彈簧壓緊式接頭用鋼管加工，熱浸電鍍后焊接在管子兩端承口和插口做成了兩個直徑不同的球形。這種接頭的優(yōu)點是可抗震動，允許轉(zhuǎn)角較大缺點是承受軸向力不大。
（6） 杠桿緊扣式接頭：杠桿緊扣式接頭的承口和插口都呈半球形，其原理與箱子上的扣吊掛鉤相同，利用杠桿原理壓緊，所以具有結(jié)合牢固，密封性好撓性好的優(yōu)點，主要缺點是需要人工拆卸，速度較慢。
（7） 雙平口抱箍式接頭：其承口和插口結(jié)構(gòu)相同，都是在管端加工出45度角的凸緣，在凸緣端面設(shè)置止水墊，再用兩段鉸接的抱箍扣在承插口的凸緣上，通過旋轉(zhuǎn)抱箍上的連接螺栓卡緊。優(yōu)點是可在較小的空間實現(xiàn)連接；缺點是連接速度慢，不允許有連接轉(zhuǎn)角。
6.2 快速接頭選型
將快速接頭運用到帶式輸送機連接裝置中的主要要考慮的有以下幾點：
1. 結(jié)構(gòu)簡單，制造方便；
2. 連接可靠，不會產(chǎn)生脫節(jié)現(xiàn)象；
3. 裝卸簡單快捷；
4. 有一定的撓度，在接頭處允許有一定的轉(zhuǎn)角；
5. 有一定的剛度，能承受一定的重量而不用支撐裝置；
6. 能承受一定的軸向力。
結(jié)合快速接頭工作環(huán)境以及各種快速接頭的優(yōu)缺點，決定采用雙掛鉤式接頭。
第七章 總結(jié)
本人自3月20號起開始畢業(yè)設(shè)計，按照學(xué)院及指導(dǎo)老師安排的進度循序漸進。在查閱參考文獻的基礎(chǔ)上，理論聯(lián)系實際，基于我國現(xiàn)階段的非開挖水平鉆機泥土輸送裝置，參考國內(nèi)外一些先進的鉆機生產(chǎn)廠家，對帶式輸送裝置和傳動方案進行合理選型及設(shè)計，并且深入了解了影響減速器以及其它主要設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的原因。通過阻力計算得出電動機功率，再選擇電動機，根據(jù)電動機轉(zhuǎn)速分配傳動比再計算齒輪、軸以及帶輪并進行校核，最后對快速接頭進行選型。從而設(shè)計出一套技術(shù)先進，經(jīng)濟合理的鉆機泥土輸送裝置 。在設(shè)計過程中，就所選技術(shù)方案及工藝參數(shù)進行了論證，比較及說明。在設(shè)計過程中，通過自己查閱文獻以及指導(dǎo)老師的幫助，解決了在設(shè)計中遇到的一些問題。在計算完相關(guān)的數(shù)據(jù)后，自行繪制圖紙，主要繪制了減速器裝配圖，以及軸和齒輪的零件圖。最后詳細、規(guī)范的書寫了設(shè)計說明書。順利地完成設(shè)計工作。
通過完成本次畢業(yè)設(shè)計使我熟悉了機械設(shè)計的基本內(nèi)容和方法以及非開挖水平定向鉆機的運行流程。提高了自己的動手能力、學(xué)習(xí)能力以及解決問題的能力。
參考文獻
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[9] 張代東，機械工程材料應(yīng)用基礎(chǔ).北京：機械工業(yè)出版社,2001.
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[11] 吳宗澤，羅圣國.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊[M].3版.北京：高等教育出版社,2006.
致謝
通過幾個月的努力，我的畢業(yè)設(shè)計終于完成了，這也意味著我的大學(xué)生活即將結(jié)束。大學(xué)四年，無論是在學(xué)習(xí)上還是思想上，我都得到了顯著的提升，這除了我自身的努力外跟老師和同學(xué)們的關(guān)心支持也是分不開的。特別是在本次畢業(yè)設(shè)計過程中，我的導(dǎo)師周友行老師以及黃健凱師兄從選題到開題再到中期檢查一直都耐心的指導(dǎo)我嚴格把關(guān)、循循善誘讓我受益匪淺。同時也要感謝在這期間給予我?guī)椭耐跬约捌渌瑢W(xué)。畢業(yè)設(shè)計能系統(tǒng)的訓(xùn)練我們對知識的運用能力，在本次畢業(yè)設(shè)計中我各方面的能力都得到了一定的提升，對機械設(shè)計的流程也更了解。畢業(yè)設(shè)計的完成也意味著我將開始人生新的旅程。我將永遠銘記我曾是湘潭大學(xué)興湘學(xué)院的一名學(xué)生，在今后的工作和生活中時刻牢記博學(xué)篤行、盛德日新的校訓(xùn)。再次感謝老師以及同學(xué)們對我的幫助，謝謝！
附錄Ⅰ：翻譯原文
Modeling of an obstacle detection sensor for horizontal directional drilling (HDD) operations
A.P. Jaganathan a, J.N. Shah a, E.N. Allouche a,?, M. Kieba b, C.J. Ziolkowski b
Keywords: Look-ahead；Numerical modeling；Differential impedance；Obstacle detection；Horizontal directional drilling
Abstract: Horizontal Directional Drilling (HDD) is a commonly used construction method for the installation of underground pipelines, conduits and cables in urban areas and across obstacles such as rivers, railways and highways. A key concern in using the HDD method is the risk of hitting existing buried utilities during the pilotboring operation, which could potentiallly result in significant economic losses, disruption of services and injuries and/or loss of life. The Differential Impedance Obstacle Detection (DIOD) is a “l(fā)ook-ahead” sensory system, developed for the purpose of detecting metallic and thermo plastic pipes in the path of the boring head. The DIOD sensor was numerically simulated, and the model was validated by comparing its predictions with experimental measurements performed on a physical prototype in a controlled environment. Following validation of the model, a parametric study was undertake n to predict the performance of the DIOD under various scenarios that could be encountered in practice.
1、 Introduction
Beneath the US landscape lie a vast network of buried utilities and pipelines, stretching for nearly 10.6million miles, which include natural gas lines, power lines, water distribution and collection systems and optical-fiber communication lines [1]. The need for laying new utilities to support newtechnologies (i.e., the ‘lastmile’ program), coupled with increasing dem ands of an ever growing population, has resulted in a highly congested underground space, particularly in urban areas. A parallel trend is the increase in the utilization of newer construction methods that minimize excavation, and reduce disruption to traffic patterns and the built environment. Horizontal Directional Drilling (HDD), a trenchless method for installing pipelines and conduits underground, has become in recent years a midstream construction method due to its versatility, cost effectiveness and relatively small foot print [2]. A major concern in employing t he HDD method is the occurrence of an inadvertent utility strike during the boring process. As the drill head advances underground, it might damage an existing utility located along its path. Such utility strikes can cause significant economic losses (i.e., service interruptions, damage to a buried utility or building foundation) as well as injuries and fatalities if a hazardous utility (i.e., flammable liquid lines, electrical conduits, natural gas lines) is hit. Thousands of inadvertent utility strikes have been reported over the past fifteen years, some with severe consequences. The Damage Information Reporting Tool (DIRT), sponsored by the Common Ground Alliance, reported 258 HDD related utility hits in 2005 alone across the country [3]. A specific concern during HDD installations in urban areas is the accidental placement of a natural gas line in a way that it transects a lateral connection or a gravity sewer line. Such occurrences, commonly named ‘cross-bores’, could create a long-term risk as an attempt to remove blockade in the drain (induced by the presence of the transecting gas line) could compromise the gas line, resulting in leakage of natural gas into adjacent homes via the sewer system[4]. Fig. 1 shows photographs of typical ‘cross-bores’ created during HDD installations. Between 1996 and 200 6 at least 20 explosions occurred in 13 states due to attempts to clear sewer lat