非开挖水平定向钻机顶进回拖系统结构设计[摘要]：本文通过分析非开挖水平定向钻机顶进回拖系统国内外研究现状，应用和具体的检测方法，经过查阅相关资料、讨论，提出了一种利用齿轮齿条传动的解决方案，并详细设计了一种用于非开挖水平定向钻机顶进回拖系统结构，该系统能够正常、稳定的实现钻机动力头顶进回拖功能。
该顶进回拖系统包括电机、联轴器、减速箱、齿轮齿条、动力头、导轨等核心部分，通过AutoCAD出图，最终完成设计说明书的书写和外文翻译。
[关键词] 非开挖；水平定向钻机；顶进回拖；齿轮齿条Horizontal Directional Drilling Promoting Mechanism DesignAbstract: This thesis puts forward a solution using the gear rack drive by the analysis of trenchless horizontal directional drilling head back drag system research status at home and abroad, application and specific detection method, through access to relevant data, discussion, the main task is to design the feed machanism,the choose of Driving method,also design for fatigue strength like bolts and bood.Clarified the trenchless horizontal directional drilling using gear rack driving head back to the working principle of drag function，The feasibility of the scheme is verified by checking calculation，verify through checking the feasibility of scenarios and modeling using two-dimensional assembly drawings generated in AutoCAD, and parts diagram。
Key words: horizontally directional drilling; Jacking and pull back; rack and pinion目录第一章绪论 (1)1.1非开挖水平定向钻机常见的顶进回拖系统结构及发展现状 (1)1.1.1 液压油缸进给方式 (1)1.1.2 马达-链条进给方式 (2)1.1.3 液压马达-齿轮齿条进给式 (2)1.2非开挖水平定向钻机国内外现状 (3)1.2.1国外HDD的现状 (3)1.2.2国内HDD的现状 (4)1.3本论文研究的主要内容和特色 (5)1.4本论文研究的意义及主要关键技术指标 (6)1.4.1 意义 (6)1.4.2 关键技术指标 (6)第二章总体方案及动力头导轨设计计算 (7)2.1 总体方案设计 (7)2.1.1整体方案内容 (7)2.1.2设计方案特点 (8)2.2 动力头与导轨的设计计算 (8)2.3电动机选型 (9)2.3.1电动机选型设计计算 (9)2.3.2 电动机型号及技术参数 (10)第三章减速箱齿轮组设计计算 (13)3.1减速箱齿轮组设计计算 (13)3.1.1传动比分配 (13)3.1.2 齿轮传动设计计算 (13)3.1.3减速齿轮组结果汇总 (15)3.2按齿根弯曲疲劳强度校核 (17)3.2.1计算弯曲疲劳许用应力 (17)3.2.2校核计算 (17)第四章齿轮齿条设计计算与校核 (19)4.1齿轮齿条设计计算 (20)4.2 设计计算结果汇总 (22)第五章轴的设计计算及校核 (24)5.1轴的设计计算 (24)5.2 轴的校核 (26)5.3轴承的校核 (27)第六章辅助部件的设计计算 (29)6.1螺栓的设计 (29)6.1.1螺栓的主要作用 (29)6.1.2螺栓的设计计算及校核 (29)6.2 润滑 (31)总结 (33)参考文献 (34)翻译 (35)第一章绪论1.1非开挖水平定向钻机常见的顶进回拖系统结构及发展现状非开挖水平定向钻机顶进回拖机构结构的不同，对进给回拖力的影响相当大，水平钻机中常用的回拖机构根据结构不同可分为液压油缸进给方式、马达-链条回拖式、液压马达-齿轮齿条回拖式；根据提供进给回拖速度与力的不同，结构可分为液压油缸倍速进给机构，马达-链条倍力机构。
1.1.1 液压油缸进给方式1、油缸直推式进给方式：该方式采用一个或多个油缸直接驱动动力头以实现进给回拖动作，其结构如下图1.1所示。
优点是传动最简单，无需任何其它中间传动原件，动力头滑架结构简单，便于加工；缺点是油缸形成略大于钻杆长度，在大载荷，长行程的工况下可能存在油缸压杆稳定性问题。
图1.1 液压油缸直推式进给机构示意图2、油缸倍速机构：该方式使用油缸通过链轮，链条等中间传动原件驱动动力头，以实现进给回拖动作，其结构如下图1.2所示。
动力头的行程与进给回拖速度是油缸的2倍，因而被称为倍速机构，该机构使得钻机轴向尺寸小于油缸直推进给方式，在同等进给行程下油缸压杆稳定性不如直推式敏感，钻机适应性更强，其缺点是油缸有效推力只利用了一半，传动环节较多，油缸拆卸不便。
图1.2 液压油缸倍速进给机构示意图1.1.2 马达-链条进给方式马达-链条回拖式一般由一对低速大功率液压马达驱动一对减速器，由减速器驱动链轮链条，由链轮链条向动力头提供进给回拖力，其结构如下图1.3所示。
该机构回拖进给行程不受限制，能提供足够的进给力，工作速度快，工作平稳，结构紧凑，成本适中。
但马达排量和体积都增大了。
图1-3 液压马达-链条进给机构示意图1.1.3 液压马达-齿轮齿条进给式液压马达－齿轮齿条回拖式：通过一组或多组液压马达驱动齿轮，与固定于机架的的齿条做相对运动来实现动力头的进给回拖动作,其结构如下图1.4所示。
这种结构承载能力强，不受进给长度限制，但液压马达布置在动力头或动力头托架上，因此动力头结构复杂，尺寸大，适用于大吨位的钻机。
图1.4 液压马达-齿轮齿条进给机构示意图1.2非开挖水平定向钻机国内外现状随着我国城市化建设的迅速发展，非开挖技术的应用越来越广泛。
非开挖行业作为一项新兴产业，在我国方兴未艾。
水平定向钻机(Horizontally Directional Driller，简称HDD)是广泛使用的一种非开挖产品，主要用于供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线的铺设或更新。
我国HDD的产品开发尚处于小规模发展的阶段,预计未来几年将处于急速发展的上升时期。
1.2.1国外HDD的现状HDD起始于20世纪70年代末期，随着技术与装备的不断改进和完善，80年代中期在发达国家才逐渐为人们认可和接受，得以迅速发展，并以其独特的技术优势和广阔的市场前景得到了世界各国的重视。
据了解，目前国外大约有30多家HDD制造商，典型生产厂家有DITCH WITCH公司、威猛公司、凯斯公司等。
DITCH WITCH公司生产的非开挖定向钻机具有先进的控制技术和良好的通讯设备，技术性能先进、操作性能良好,目前生产的系列产品有JT520、JT920、JT1720、JT2720、JT4020、JT7020。
其中JT2720/JT2720M、JT4020/JT4020M型定向钻是其在我国销售的主导产品。
威猛公司的产品系列有：D7×11A、D10×15A、D16×20A、D24×26、D24×40、D33×44、D50×100、D75×100、D80×120、D100×120、D200×300。
美国CASE公司生产的60系列5种型号分别为6010、6030、6060、6080、60100，其中凯斯6030型定向钻是其在我国销售的主导产品。
美国凯斯公司是发展水平定向钻较晚的公司，但生产的产品性能先进，尤其是在PLC控制、自动更换钻杆等方面有其独特的先进性和优越性。
另外还有美国的AUGERS公司、INGERSOLL-RAND公司、德国的FLOWTEX、HUTTE公司、英国的POWERMOLE、STEVE VICK公司、瑞士的TERRA公司、加拿大的UTILX公司和意大利的TECNIWELL公司等。
目前国外HDD的产品大都具有以下几个技术特点：主轴驱动齿轮箱采用高强度钢体结构, 传动扭矩大,性能可靠；全自动的钻杆装卸存取装置；大流量的泥浆供应系统和流量自动控制装置；先进的液压负载反馈，多种电气逻辑控制系统,，高质量的PLC电子电路系统确保长时间的可靠工作；高强度整体式钻杆以及钻进和回拖钻具；快速锚固定位装置；先进的电子导向发射和接收系统。
总之，国外HDD产品规格齐全，自动化程度高，结构紧凑，地层适应性强，均为履带底盘驱动，机动性能好，设计体现以人为本的设计理念，功能齐全。
回拖力50～700kN，扭矩1 200～40 000Nm，性能指标覆盖范围大，功率匹配合理、可靠，技术水平含量高，尤其是在PLC控制、自动更换钻杆等方面有其独特的先进性和优越性。
目前国外HDD的发展朝着大型化、微型化、硬岩作业、机械自动化（含自备式锚固系统、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）、超深度导向监控等趋势发展。
1.2.2国内HDD的现状目前我国HDD产品整体的水平相对落后，HDD的技术发展历程主要经历了3个阶段。
第一阶段为技术引进期。
即80年代中期至90年代中期，我国的HDD产业有了一定的基础和发展，建立了自己的设计、研制基地，并开发出一定数量和规格的HDD。
第二阶段为研发期。
即90年代中期以后，原地矿部、建设部、冶金部等一些相关单位，在一些小型HDD的自主研发方面取得了一些突破和可喜的成绩，主要产品有中国地质科学院勘探技术研究所生产的GBS-5、GBS-8、GBS-10拖式非开挖定向钻机、GBS-12、GBS-20、GBS-40自行走非开挖定向钻机。
连云港黄海机械厂与首钢地质勘察院共同开发了FDP-12、FDP-15水平定向钻等,北京派普莱非开挖技术有限公司开发了DDW80、DDW100、DDW180水平定向钻,这两家生产的均是拖式非开挖钻机。