0393-GPS-20型工程鉆機(jī)設(shè)計(jì)【全套5張CAD圖+說(shuō)明書(shū)】
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摘 要
GCPS—20型鉆機(jī)是一種復(fù)合式多功能鉆機(jī)，為適應(yīng)我國(guó)深基礎(chǔ)工程和連續(xù)墻以及水利工程、橋梁工程的發(fā)展與需要，結(jié)合大口徑鉆機(jī)灌注樁和地下連續(xù)墻施工的特點(diǎn)，為解決在復(fù)雜地層、硬巖中成孔而研制，特別卵石層、基石、漂石層能大幅度提高施工效率，在各種成孔方法中是比較經(jīng)濟(jì)有效的方法。
鉆機(jī)是集回轉(zhuǎn)、沖擊鉆進(jìn)工藝于一體的多功能復(fù)合型鉆機(jī)，用轉(zhuǎn)盤(pán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)可用于第四世紀(jì)覆蓋層，沖擊鉆進(jìn)時(shí)可用于卵石、灰?guī)r、花崗巖等硬巖地層。
本鉆機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，而且各種操作手柄布置合理，操作簡(jiǎn)單，便于使用與維護(hù)。
關(guān)鍵詞： 沖擊鉆進(jìn) 變速箱 減速器 轉(zhuǎn)盤(pán)
Abstract
The types GCPS-20 drill the machine is a kind of compound type multi-function drill the machine, in order to adapt the our country development and demands of the deep foundation and consecution wall and marine hydraulic engineering, the bridge engineering, combine the big caliber to drill the machine to infuse to note the stake and the characteristics of underground continuous wall construction, in order to solve to become the bore but research to manufacture in complicated geologic strata, hard rock, significant exaltation of ability of special egg stone layer, sill, the stone layer construction efficiency, is a more economic valid method in variously become the bore method.
Drill the machine is to gather the turn-over and pound at to drill into the craft in the integral whole of multi-function and compound type drill the machine, can used for to overlay the layer the fourth century while using to turn the dish turn-over to drill into, can used for the hard rock geologic strata of egg stone, ash rock, granite...etc. while pounding at to drill into.
Drill the characteristics of the machine originally is a structure simple, tightly packed, and various operation hand handle arrange reasonable, operate in brief, easy to usage and support.
Keyword：The impact drill into Become soon box
Deceleratethe machine Turn the dish
目 錄
摘 要……………………………………………………………………………I
Abstract ………………………………………………………………………II
第1章 緒論 ……………………………………………………………………1
1.1 項(xiàng)目的研究意…………………………………………………………1
1.2 國(guó)內(nèi)外科技現(xiàn)狀………………………………………………………1
1.3 設(shè)計(jì)產(chǎn)品的用途和應(yīng)用領(lǐng)域…………………………………………1
第2章 鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì) ………………………………………………………2
2.1 總體布局設(shè)計(jì)…………………………………………………………2
2.1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)………………………………………………………2
2.1.2 氣動(dòng)系統(tǒng)………………………………………………………2
2.1.3 電氣系統(tǒng)………………………………………………………2
2.1.4 工具系統(tǒng)………………………………………………………2
2.1.5 各部件的功能…………………………………………………2
2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)…………………………………………………………3
2.3 主要性能特點(diǎn)…………………………………………………………4
第3章 動(dòng)力機(jī)確定 ……………………………………………………………5
3.1 按鉆頭鉆進(jìn)所需功率計(jì)算……………………………………………5
3.2 按鉆機(jī)沖擊鉆進(jìn)所需功率計(jì)算………………………………………7
第4章 帶輪選擇 ………………………………………………………………9
第5章 變速箱的設(shè)計(jì)及計(jì)算…………………………………………………12
5.1 變速箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) …………………………………………………12
5.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算 ……………………………………………………………12
5.2.1 初步選定 ……………………………………………………12
5.2.2 選定變速箱傳動(dòng)公比 ………………………………………12
5.2.3 按彎曲強(qiáng)度確定齒輪模數(shù) …………………………………13
5.2.4 按接觸強(qiáng)度確定齒輪分度圓直徑與中心距 ………………14
5.2.5 齒寬的確定 …………………………………………………15
5.2.6 齒輪齒數(shù)確定 ………………………………………………16
5.2.7 計(jì)算齒輪相關(guān)參數(shù)、確定齒輪 ……………………………16
5.3 錐齒輪計(jì)算 …………………………………………………………17
5.3.1 初步計(jì)算 ……………………………………………………17
5.3.2 幾何計(jì)算 ……………………………………………………17
5.4 齒輪校驗(yàn) ……………………………………………………………22
5.4.1 齒輪受力分析 ………………………………………………22
5.4.2 齒輪傳動(dòng)齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核 …………………………22
5.4.3 齒輪傳動(dòng)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 …………………………25
5.5 變速箱軸的計(jì)算 ……………………………………………………27
5.5.1 一軸計(jì)算 ……………………………………………………27
5.5.2 二軸計(jì)算 ……………………………………………………27
5.5.3 三軸計(jì)算 ……………………………………………………28
5.6 軸的校驗(yàn) ……………………………………………………………28
5.6.1 按轉(zhuǎn)矩計(jì)算 …………………………………………………28
5.6.2 軸上受力分析 ………………………………………………29
5.6.3 求支反力 ……………………………………………………29
5.6.4 作彎矩和轉(zhuǎn)矩圖 ……………………………………………30
5.6.5 確定危險(xiǎn)截面及安全系數(shù)校核計(jì)算 ………………………33
第6章 轉(zhuǎn)盤(pán)的計(jì)算……………………………………………………………36
6.1 轉(zhuǎn)盤(pán)輸出轉(zhuǎn)速 ………………………………………………………36
6.2 大、小錐齒輪計(jì)算 …………………………………………………36
6.2.1 初步計(jì)算 ……………………………………………………36
6.2.3 幾何計(jì)算 ……………………………………………………37
6.3 錐齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度校驗(yàn) ……………………………………42
6.3.1 計(jì)算公式 ……………………………………………………42
6.3.2 許用接觸應(yīng)力計(jì)算 …………………………………………43
6.3.3 齒面接觸強(qiáng)度校核結(jié)果 ……………………………………44
6.4 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度校核 ……………………………………………44
6.4.1 計(jì)算公式 ……………………………………………………44
6.4.2 齒根許用彎曲應(yīng)力計(jì)算 ……………………………………45
6.4.3 齒根彎曲強(qiáng)度校核結(jié)果 ……………………………………46
6.5 轉(zhuǎn)盤(pán)軸結(jié)構(gòu)計(jì)算 ……………………………………………………46
第7章 鉆機(jī)其余部分零部件選擇 …………………………………………48
7.1 聯(lián)軸器的選用 ………………………………………………………48
7.2 減速器齒輪安排 ……………………………………………………48
第8章 鉆機(jī)的維護(hù)保養(yǎng) ……………………………………………………51
8.1 鉆機(jī)維護(hù)保養(yǎng)的重要性 ……………………………………………51
8.2 維護(hù)保養(yǎng)要求 ………………………………………………………51
8.3 主要部件保養(yǎng)項(xiàng)目 …………………………………………………52
8.3.1 轉(zhuǎn)盤(pán) …………………………………………………………52
8.3.2 變速箱 ………………………………………………………52
8.3.3 減速器 ………………………………………………………52
8.3.4 主、副卷?yè)P(yáng)機(jī) ………………………………………………52
8.3.5 水龍頭 ………………………………………………………52
8.3.6 鉆具 …………………………………………………………53
8.3.7 沖擊卷?yè)P(yáng)機(jī) …………………………………………………53
8.3.8 氣路系統(tǒng) ……………………………………………………53
8.3.9 傳動(dòng)鏈條 ……………………………………………………53
8.3.10 沖擊鋼絲繩…………………………………………………53
8.3.11 氣胎離合器…………………………………………………53
8.3.12 主離合器……………………………………………………54
8.4 安全操作注意事項(xiàng) …………………………………………………54
第9章 經(jīng)濟(jì)性分析……………………………………………………………56
第10章 專題 水平定向鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)探討 …………………………………58
結(jié) 論……………………………………………………………………………64
致 謝……………………………………………………………………………65
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………66
附錄1中文（譯文） …………………………………………………………68
附錄2英文（原文） …………………………………………………………74
VIII
第1章 緒 論
1.1 項(xiàng)目的研究意義
隨著國(guó)家基本建設(shè)的投入持續(xù)增長(zhǎng),尤其是像京滬高速鐵路、奧運(yùn)場(chǎng)館等一批國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目的陸續(xù)啟動(dòng),將對(duì)工程鉆機(jī)技術(shù)要求更高、鉆機(jī)不僅要具有高效性、環(huán)保性，更要具有復(fù)合性。通常使用的工程鉆機(jī)在工作時(shí)只有鉆進(jìn)，當(dāng)遇到較為堅(jiān)硬的巖石層，如卵石、灰?guī)r、花崗巖等硬巖石地層，就不得不改變鉆進(jìn)方位，或另鉆它孔，為解決此問(wèn)題在老師的指導(dǎo)下我設(shè)計(jì)這臺(tái)帶有沖擊鉆的多功能復(fù)合型鉆機(jī)，它可有效的解決上述問(wèn)題。我相信這臺(tái)鉆機(jī)一定會(huì)有很廣闊的市場(chǎng)前景!
1.2 國(guó)內(nèi)外的科技現(xiàn)狀
隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,各類建筑和工程施工的數(shù)量激增,工程難度日益加大,質(zhì)量要求越來(lái)越高,極大的推動(dòng)了各類基礎(chǔ)處理施工技術(shù)的發(fā)展,尤其是近 20 年來(lái),由于建筑的大型化和高層化,各種處理范圍廣,效率高,污染少,成本低的深基礎(chǔ)施工工法，如大型旋挖樁、地下連續(xù)墻、各種錨固、高壓旋噴、深層攪拌等已成為基礎(chǔ)工程施工的重要手段。而現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)基礎(chǔ)施工設(shè)備效率低下,污染嚴(yán)重,不能適應(yīng)新施工技術(shù)的要求,施工企業(yè)一直在大量進(jìn)口該類設(shè)備。加大開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的新型基礎(chǔ)工程施工鉆機(jī)的力度,滿足市場(chǎng)急需,替代進(jìn)口,是該類設(shè)備制造業(yè)的首要任務(wù)。
1.3設(shè)計(jì)產(chǎn)品的用途和應(yīng)用領(lǐng)域
這臺(tái)鉆機(jī)設(shè)計(jì)為散裝式轉(zhuǎn)盤(pán)沖擊、回轉(zhuǎn)復(fù)合式多功能鉆機(jī)，適用于基礎(chǔ)工程和連續(xù)墻以及水利工程、鉆鑿高層建筑、橋梁、港口基礎(chǔ)樁孔的鉆進(jìn)，也用于大口徑水井及其他工程孔的鉆，主要用于第四世紀(jì)地層及其卵石、灰?guī)r、花崗巖、漂石層等硬巖地層。
主要應(yīng)用于建筑工程、水利工程、橋梁工程、礦井鉆進(jìn)等領(lǐng)域。
第2章 鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)
2.1 總體布局設(shè)計(jì)
鉆機(jī)由底座、傳動(dòng)裝置、減速器（分動(dòng)箱）、主副卷?yè)P(yáng)機(jī)、沖擊卷?yè)P(yáng)機(jī)、轉(zhuǎn)盤(pán)、鉆塔、氣動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、工具系統(tǒng)組成。
2.1.1傳動(dòng)系統(tǒng)
電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)皮帶傳至變速器，變速器為一進(jìn)三出結(jié)構(gòu)，一路輸出經(jīng)齒輪傳至主副卷?yè)P(yáng)機(jī)；一路輸出至減速器，經(jīng)由萬(wàn)向軸傳至轉(zhuǎn)盤(pán)，供回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；一路輸出經(jīng)鏈輪傳動(dòng)沖擊卷?yè)P(yáng)機(jī)，供沖擊提升。
2.1.2氣動(dòng)系統(tǒng)
空壓機(jī)輸出壓力氣，由空氣包至氣控箱，分兩路經(jīng)操縱閥控制，傳至沖擊卷?yè)P(yáng)機(jī)兩只氣胎離合器，完成沖擊提升及降落。
2.1.3電氣系統(tǒng)
控制電機(jī)啟動(dòng)及關(guān)閉，為氣動(dòng)系統(tǒng)提供電源控制，為操縱箱提供控制系統(tǒng)。
2.1.4工具系統(tǒng)
游動(dòng)滑車(chē)、水龍頭、主動(dòng)鉆桿、孔內(nèi)鉆桿、加重塊、刮刀鉆頭、墊叉組成回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工具系統(tǒng)。游動(dòng)滑車(chē)、水龍頭、孔內(nèi)鉆桿、沖擊排渣管、沖擊鉆頭、孔口導(dǎo)向工具、墊叉組成沖擊鉆進(jìn)工具系統(tǒng)。
2.1.5各部件的功能
1． 轉(zhuǎn)盤(pán) 轉(zhuǎn)盤(pán)用于驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鉆桿及鉆具回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤(pán)系一級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)大錐齒、轉(zhuǎn)臺(tái)、大、小補(bǔ)心驅(qū)動(dòng)鉆桿工作。
2． 減速器 減速器是進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)速、提高扭矩而設(shè)計(jì)的，有兩檔變速，由雙聯(lián)滑動(dòng)齒輪實(shí)行。
3． 變速箱 變速箱為二軸一級(jí)變速箱，有三擋變速，由單、雙聯(lián)齒輪滑移實(shí)現(xiàn)變速。變速箱內(nèi)有正、反轉(zhuǎn)裝置，由雙向牙嵌離合器實(shí)現(xiàn)，單向牙嵌離合器實(shí)現(xiàn)卷?yè)P(yáng)機(jī)離合。
4． 主、付卷?yè)P(yáng)機(jī) 主、付卷?yè)P(yáng)機(jī)均為行星式卷?yè)P(yáng)機(jī)，靠制動(dòng)行星輪來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆具的提升。
5． 底座 底座由滑臺(tái)、下座、油缸、孔口板組成，轉(zhuǎn)盤(pán)、卷?yè)P(yáng)機(jī)組固定于滑臺(tái)上，鉆塔固定于下座上，油缸一端固定于滑臺(tái)，另一端與孔口板相聯(lián)，油缸用于滑臺(tái)的后移和孔口板開(kāi)合。
6． 鉆塔 鉆塔用于懸掛游動(dòng)滑車(chē)、水龍頭和提升器等提升設(shè)備，結(jié)構(gòu)形式為“n”型，鉆塔內(nèi)設(shè)有導(dǎo)向槽和主動(dòng)鉆桿后置懸掛裝置。導(dǎo)向槽用于水龍頭導(dǎo)向，懸掛裝置用于換接鉆桿時(shí)主動(dòng)鉆桿不落地。鉆塔起落由油缸完成。
2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)
1. 沖擊卷?yè)P(yáng)機(jī)
提升能力 （kN） 60
提升速度 （m/s） 0.4 .05 0.6
2. 沖擊行程 (m) 0.5—4
3. 沖擊次數(shù) (1/min) 6—14
4. 沖錘質(zhì)量 (kg) 3000—5000
5. 主、副卷?yè)P(yáng)機(jī)
提升能力 (單繩kN) 30
卷繩速度 (m) 0.45, 0.68, 1.13, 1.69
0.31, 0.46, 0.77, 1.15
6. 轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速 (r/min) 13, 17, 21, 26, 42, 52
7. 主機(jī)動(dòng)力型號(hào)(功率) YD280S 55 KW (1480 r/min )
8. 鉆塔額定負(fù)載 ( kN) 180
9. 空壓機(jī)型號(hào)( 排量，壓力) UB 300—500
（3.55 /min, 0.8 MP）
10. 配備砂石泵型號(hào)（型號(hào)） 6BS (180/h)
或8BS（340 /h）
11. 外型尺寸 （長(zhǎng)X寬X高） 10000X2400X1700
12. 重量
主機(jī)重量 （t） 10.4
全套設(shè)備總重 （t） 28
2.3 主要性能特點(diǎn)
這臺(tái)鉆機(jī)的主要性能特點(diǎn)是：
1. 鉆機(jī)是集回轉(zhuǎn)、沖擊鉆進(jìn)工藝于一體的多功能復(fù)合型鉆機(jī)，用轉(zhuǎn)盤(pán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)可用于第四世紀(jì)覆蓋層，沖擊鉆進(jìn)時(shí)可用于卵石、灰?guī)r、花崗巖等硬巖地層；
2. 最大鉆孔直徑為2000毫米；
3. 鉆機(jī)為機(jī)械傳動(dòng)，機(jī)械、液壓操動(dòng)，操作方便、可靠；
4. 鉆機(jī)轉(zhuǎn)速范圍廣，有6檔變速，適用于不同地層要求，利于提高鉆進(jìn)效率；
5. 整套設(shè)備安裝在滑撬式底座上，對(duì)孔就位方便，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)
6. 液壓操縱滑臺(tái)平移讓出孔口，孔口開(kāi)闊，起下大直徑鉆具靈活、方便；
7. 鉆塔上設(shè)有導(dǎo)向槽，有助于提高鉆孔垂直度，降低超徑系數(shù)。鉆塔上有水龍頭后置懸掛裝置，主動(dòng)鉆桿不落地，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短輔助作業(yè)時(shí)間；
8. 主、付卷?yè)P(yáng)機(jī)均采用行星式卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)，提生能力強(qiáng)，輔助水龍頭后置懸掛裝置，可實(shí)現(xiàn)塔上無(wú)人作業(yè)；
9. 鉆進(jìn)可采用加重塊加壓（根據(jù)不同地層選用）；
10. 排渣方式為泵吸反循環(huán)，排屑效率高，減少孔底重復(fù)破碎，鉆進(jìn)速度快；
11. 整機(jī)尺寸設(shè)計(jì)合理，便于汽車(chē)運(yùn)輸及安裝；
12. 動(dòng)力為電機(jī)；
13. 經(jīng)濟(jì)耐用、性能可靠。
第3章 動(dòng)力機(jī)確定
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，動(dòng)力機(jī)的選擇偏大些，加大儲(chǔ)備系數(shù)，這樣可以提高鉆進(jìn)效率。
3.1 按鉆頭所需功率計(jì)算
設(shè)電機(jī)輸出實(shí)際功率為N。
N。＝1.2Nj
式中：Nj—鉆機(jī)所需功率 KW
Nj＝（Nh＋Ny）/η
式中: Nh—回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)所需功率 （KW） η—效率 η=0.8
Ny—油泵所需功率 （KW）
Nh=N1+N2+N3
式中: N1—井底破碎巖石、土層所需功率 （KW）
N2—鉆頭與孔底摩擦所需功率 （KW）
N3—回轉(zhuǎn)鉆桿所需功率 （KW）
1. Nh=N1+N2+N3的計(jì)算
N1=
其中： m---鉆頭切削刀數(shù) 取m=4
n---轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)數(shù) 鉆進(jìn)時(shí) =26 r/min
h---轉(zhuǎn)進(jìn)速度 試取h=0.8cm/min
δ---巖石抗壓強(qiáng)度 其值見(jiàn)表3-1
A---井底破碎環(huán)狀面積
A=
2. N 2=δ×f×e×n×(R+r)/1944800
式中： f---鉆具與巖石直間的摩擦系數(shù) f=0.5
e---側(cè)摩擦系數(shù) e=1.1
R---鉆頭外圓半徑 R=200cm
r---鉆頭內(nèi)孔半徑 r=0cm
3. N3= (當(dāng)n<200r/min時(shí))
式中： L---孔深 取L=8000mm
d---鉆桿直徑 d=100mm
γ---沖洗液比重 γ=1.5
將上述參數(shù)及轉(zhuǎn)盤(pán)的不同轉(zhuǎn)速分別代入以上各式，所得值列表 3—2中。
表 3 - 1
巖 石 名 稱
抗 壓 強(qiáng) 度 δ（N/cm2）
大理石、石灰?guī)r
1000
煤
2000
粘土、頁(yè)巖、片狀砂巖
4000
表 3 - 2
N (KW)
或C(N/cm2 )
13r/min
17 r/min
21 r/min
N1
1000
5.83
6.23
6.57
2000
11.65
12.46
13.14
4000
23.31
24.93
26.29
N2
1000
0.37
0.48
0.59
2000
0.74
0.96
1.19
4000
1.48
1.92
2.38
N3
0.49
0.77
1.10
N回
1000
6.69
7.48
8.26
2000
12.88
14.19
15.43
4000
25.28
27.62
29.77
N (KW)
或C(N/cm2 )
26r/min
42 r/min
52r/min
N1
1000
6.93
7.81
8.24
2000
13.82
15.56
16.42
4000
27.63
37.11
40.55
N2
1000
0.74
1.19
1.47
2000
1.47
2.38
2.94
4000
2.94
4.76
5.88
N3
1.59
3.59
5.16
N回
1000
9.26
11.59
14.87
2000
16.88
21.53
26.52
4000
32.16
45.46
51.59
3.2 當(dāng)鉆機(jī)進(jìn)行沖擊鉆進(jìn)時(shí)功率計(jì)算
沖擊卷?yè)P(yáng)機(jī)的提升能力為 60KN
提升速度 V（m/s） 0.4 0.5 0.6
所需功率 P=FV
P (KW) 為 24 30 36
變速器的傳遞效率η=0.8
所需電機(jī)的功率 ==45KW
鉆進(jìn)時(shí)所需的最大功率為 51.59 KW
沖擊時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)不工作，按鉆進(jìn)時(shí)選擇電機(jī) P=55KW。
第4章 帶輪選擇
軸轉(zhuǎn)速 793.8 r/min ,電機(jī)轉(zhuǎn)速 1480 r/min, 每天工作16 小時(shí)以上，=55KW
1. 設(shè)計(jì)功率 =
查：工況系數(shù)=1.6
=1.6×55=88KW
2. 選定帶型
根據(jù)=88KW =1480 r/min
確定帶型為 C型 =200～315mm
3. 傳動(dòng)比 i==1.86
4. 小帶輪直徑 =355 mm
大帶輪直徑 =355i =661.88 mm
取 = 630 mm
5. 軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速
===825.6 r/min
6. 帶速
V = = = 27.5 m/s
7. 初定軸間距
= 1500 mm
8. 所需基準(zhǔn)長(zhǎng)度
= 2+（+）+
=2×1500 +
=4565.4 mm
查取 =4500 mm
9. 實(shí)際軸間距
取 =1467.3 mm
10. 小帶輪包角
= - =
11. 單根V帶基本額定功率
由 = 200 mm 和 =1480 r/min 查得C型帶 =14012 KW
考慮傳動(dòng)比的影響，額定功率的增量
12. V帶的根數(shù)
Z =
——小帶輪包角修正系數(shù) = 0.96
——帶長(zhǎng)修正系數(shù) = 1.04
= 5.78
取 Z= 6根
13. 單根V帶預(yù)緊力
m ——帶的每米質(zhì)量 m= 0.3
= 654.65 N
第5章 變速箱的設(shè)計(jì)與計(jì)算
5.1 變速箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
變速箱為二軸一級(jí)變速箱，有三擋變速，由單、雙聯(lián)齒輪滑移實(shí)現(xiàn)變速。變速箱內(nèi)有正、反轉(zhuǎn)裝置，由雙向牙嵌離合器實(shí)現(xiàn)，單向牙嵌離合器實(shí)現(xiàn)卷?yè)P(yáng)機(jī)離合。
5.2 結(jié) 構(gòu) 計(jì) 算
5.2.1 初步選定
轉(zhuǎn)盤(pán)所需的轉(zhuǎn)速為：10、15、24、30、33、65
減速器有兩擋減速，傳動(dòng)比為
再由轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速可知，變速器的處定轉(zhuǎn)速為
10
15
24
30
33
65
0.059
160
250
500
0.13
160
250
500
由表可知變速箱輸出轉(zhuǎn)速 (r/min) :160、250、500
5.2.2 選定變速箱公比：
=1.26
在變速箱中錐齒輪降速，二軸的轉(zhuǎn)速為（r/min） ：
500×1.26=630
250×1.26=315
160×1.26=202
確定一軸最高轉(zhuǎn)速為：=630×1.26=793.8 r/min
確定一軸其余傳動(dòng)比為： = = 2.52 =
= = 3.9 =
5.2.3 按彎曲強(qiáng)度確定齒輪模數(shù)
由公式
式中： k ——載荷系數(shù)，一般取 k=1.2～2
取 k=1.5
——小齒輪傳遞的額定轉(zhuǎn)矩 N·M
= 636.7 r/min
——復(fù)合齒形系數(shù) 取 =4.5
——齒寬系數(shù) 取 =20
——小齒輪齒數(shù) 試取 =19
——許用彎曲應(yīng)力
=
——齒輪選用氣體滲碳處理的許用應(yīng)力
取=1300
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的最小安全系數(shù)
取 = 1.1
= = 1300/1.1 =1181.8 N/
計(jì)算 = 2.87
試取 m = 4 mm
5.2.4 按接觸強(qiáng)度確定齒輪分度圓直徑與中心距
由公式 得
式中 K——載荷系數(shù) 取 K = 1.5 ;
——小齒輪傳遞的額定轉(zhuǎn)矩（Nm）;
u—— 齒數(shù)比 u= 3.9
——齒寬系數(shù) = 1.0526
——許用接觸應(yīng)力 =
—— 實(shí)驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力（N/）
取 = 1300
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的最小安全系數(shù)
取 = 1.1
= = = 1181.8 N/
計(jì)算= 766×0.0935 = 71.62 mm
=4×19= 76 mm
經(jīng)計(jì)算，齒輪可用。
5.2.5 齒寬的確定
由公式
已知 =20 = 19
= = 1.0526
由公式
式中 b ——齒寬
——齒輪分度圓直徑
=4×19= 76mm
= 1.0526×76 = 80 mm
5.2.6 齒輪齒數(shù)確定
傳動(dòng)比
齒數(shù)和 s = 95
1.26
42
53
2.51
27
68
3.9
19
76
5.2.7 計(jì)算齒輪相關(guān)參數(shù)、確定各齒輪
詳見(jiàn)表
中心距 = 142.5 mm
齒輪
齒數(shù)
模數(shù)
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
全齒高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
19
4
76
4
5
9
84
66
76
4
304
4
5
9
312
294
27
4
108
4
5
9
116
98
68
4
272
4
5
9
280
262
42
4
168
4
5
9
276
158
53
4
212
4
5
9
220
202
5.3 錐齒輪計(jì)算
5.3.1 初步計(jì)算
由設(shè)計(jì)公式 得
載荷系數(shù) K= 1.5
齒數(shù)比 1.26
估算時(shí)的齒輪許用接觸應(yīng)力
估算結(jié)果 mm
5.3.2 幾何計(jì)算
（1） 齒數(shù) 取 =48 =1.26×48=60.48
取 =60
實(shí)際齒數(shù)比為 = =1.25
（2） 分錐角 ==37.9°
（3） 大端模數(shù) =3.315 mm
取 =5 mm
（4） 分度圓直徑
= =5×48=240 mm
= =5×60=300 mm
（5） 外錐距 = 193.72
（6） 齒寬系數(shù) 取 =0.3
b ==58.116 mm
取 b=55 mm
實(shí)際齒寬系數(shù) =0.284
（7） 中點(diǎn)模數(shù) =（1-0.5）=4.29 mm
中點(diǎn)分度圓直徑 ==205.9 mm
=257.4 mm
（8） 切向變位系數(shù) =0 =0
高變位系數(shù) =0 =0
（9） 頂隙 0.2×5 =1 mm (GB12369-1990)
（10） 大端齒頂高 mm =5 mm
大端齒根高 mm
mm
全齒高 h==11 mm
齒根角
齒頂角 ==1.77° = 1.77°
（11） 頂錐角
根錐角
（12） 大端齒頂圓直徑
mm
（13） 冠頂距
（14）大端分度圓弧齒厚
mm
（15） 大端分度圓弦齒厚
mm
（16） 當(dāng)量齒數(shù)
當(dāng)量齒輪分度圓直徑
當(dāng)量齒輪頂圓直徑
mm
當(dāng)量齒輪根圓直徑
當(dāng)量齒輪傳動(dòng)中心距
當(dāng)量齒輪基圓齒距
（17） 嚙合線長(zhǎng)度
=143.38 mm
（18） 端面重合度
（19） 齒中部接觸線長(zhǎng)度
齒中部接觸線的投影長(zhǎng)度
5.4 齒 輪 校 驗(yàn)
經(jīng)設(shè)計(jì)可知，齒輪、在較高的轉(zhuǎn)速下工作，承受較大的載荷，在變速過(guò)程中又受較小的沖擊，故校驗(yàn)齒輪、。
5.4.1 齒輪的受力分析
直齒輪端面分度圓上的額定圓周力
式中 T——齒輪額定轉(zhuǎn)矩
d ——齒輪分度圓直徑 d=304mm
額定圓周力
5.4.2 齒輪傳動(dòng)齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件：
（1）由公式 得：
式中：——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 取=2.5
——材料彈性系數(shù) 取=189.8
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的重合度與螺旋角系數(shù)
取=1
——齒寬（mm） b=80 mm
——小齒輪分度圓直徑（mm） =76 mm
——傳動(dòng)比 =3.9
——使用系數(shù) 取 =1.35
——?jiǎng)虞d系數(shù)
=
式中 、—— 齒輪精度系數(shù) 7級(jí)精度
=26.8 =0.0193
——小齒輪齒數(shù) =19
——圓周速度 =nr=0.5m/s
=
=1.02
取 = 1.02
——齒向載荷分布系數(shù)
=
=1.379
取 =1.4
——齒間載荷分配系數(shù) 取=1.1
計(jì)算應(yīng)力
= 1403.09 N/
（2）許用應(yīng)力計(jì)算
由公式
式中 ——許用接觸應(yīng)力 （N/）
——實(shí)驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力 （）
= 1300
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命 取=1.2
——潤(rùn)滑油膜影響系數(shù) 取 =0.95
——工作硬化系數(shù) 取 =1.0
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù) 取 =0.963
——接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù) 取 = 1.00
計(jì)算許用應(yīng)力
故安全，可用。
5.4.3 齒輪傳動(dòng)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算
強(qiáng)度條件
（1） 由公式 得：
式中 ——計(jì)算彎曲應(yīng)力 （）
——法面模數(shù) （mm）
——齒向載荷分布系數(shù) = =1.4
——齒間載荷分配系數(shù) = =1.1
——復(fù)合齒形系數(shù) 取= 4.5
——抗彎強(qiáng)度計(jì)算的重合度與螺旋角系數(shù)
=1.0
計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度
= 483.65
（2） 許用應(yīng)力
式中 ——許用彎曲應(yīng)力 （）
——齒輪材料的彎曲疲勞強(qiáng)度基本值 （）
取 = 800
——抗彎強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù) 取 =1.2
——相對(duì)齒根圓角敏感性系數(shù) 取 =0.7
——相對(duì)表面狀況系數(shù) 取 = 1
——抗彎強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù) 取 =0.95
——彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù) 取 =1.0
許用彎曲應(yīng)力
故安全，可用。
5.5 變 速 箱 軸 的 計(jì) 算
由公式 得：
式中 ——軸的最小直徑 mm
——軸傳遞的額定轉(zhuǎn)矩
——軸的許用轉(zhuǎn)應(yīng)力
軸的材料為 ，查取= 40～52
取=40
5.5.1 一軸
由轉(zhuǎn)速 功率 P=55KW，確定軸的最小直徑，
軸最小直徑為
一軸為矩形花鍵軸傳動(dòng)，查手冊(cè)取d=46 mm
矩形花鍵軸為：
5.5.2 二軸
由最低轉(zhuǎn)速為
軸最小直徑為
一軸為矩形花鍵軸傳動(dòng)，查手冊(cè)取d=72mm
矩形花鍵軸為：
5.5.3 三軸
在設(shè)計(jì)過(guò)程中二軸與三軸的轉(zhuǎn)速相同，故兩軸的最小軸徑相等， 三軸的最小軸徑為
5.6 軸 的 校 核
通過(guò)設(shè)計(jì)可知，變速箱三軸承受的轉(zhuǎn)矩、彎矩最大，故校核三軸。
軸的材料為，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，查得材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)為：
硬度 抗拉強(qiáng)度 屈服點(diǎn)
彎曲疲勞極限 扭轉(zhuǎn)疲勞極限
許用靜應(yīng)力 許用疲勞應(yīng)力
5.6.1 按轉(zhuǎn)矩計(jì)算
最小軸徑為
式中 A——按定的系數(shù) 取 A= 100
P——功率 P=55 KW
——最小轉(zhuǎn)速 =202 r/min
計(jì)算得
≥ 故安全。
5.6.2 軸上受力分析
軸傳遞的轉(zhuǎn)矩
圓柱齒輪圓周力
式中 ——三軸圓柱齒輪分度圓直徑 mm
徑向力
錐齒輪圓周力
式中 ——三軸錐齒輪分度圓直徑 mm
徑向力
軸向力
5.6.3 求支反力
（1）在水平面內(nèi)的支反力
由得
A點(diǎn)的支反力為：
（2） 在垂直平面內(nèi)的支反力
由得
A點(diǎn)的支反力為：
5.6.4 作彎矩和轉(zhuǎn)矩圖
受力分析及轉(zhuǎn)矩見(jiàn)圖5-1。
（1）齒輪作用在水平面的彎矩圖
（2）齒輪作用在垂直平面內(nèi)的彎矩圖
（3）合成彎矩圖
（4）作轉(zhuǎn)矩圖
5.6.5 確定危險(xiǎn)截面及安全系數(shù)校驗(yàn)計(jì)算
（1） 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸及彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖、截面H處的轉(zhuǎn)矩、彎矩最大，且有花鍵槽引起的應(yīng)力集中和軸肩處的應(yīng)力，故H面處最危險(xiǎn)，H面為危險(xiǎn)截面。
（2） 安全系數(shù)校驗(yàn)計(jì)算
由于變速器軸轉(zhuǎn)動(dòng)，彎矩引起對(duì)稱循環(huán)的彎應(yīng)力，轉(zhuǎn)距引起的為脈動(dòng)
循環(huán)的切應(yīng)力。
彎曲應(yīng)力幅為
式中 ——抗彎斷面系數(shù) 查得W=54.5=54.5m
由于是對(duì)稱循環(huán)彎曲應(yīng)力，故平均應(yīng)力為 =0
根據(jù)式 得：
式中 ——40Cr彎曲對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)的疲勞極限
取 = 350
——正應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù) =1.99
——表面質(zhì)量系數(shù) =0.92
——尺寸系數(shù) 查=0.64
計(jì)算
切應(yīng)力幅為
式中 ——抗扭斷面系數(shù)
===102.4×
根據(jù)式
式中 ——40Cr扭轉(zhuǎn)疲勞極限 =200
——切應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù) =1.61
——表面質(zhì)量系數(shù) =0.92
——尺寸系數(shù) 查 =0.64
——平均應(yīng)力折算系數(shù) =0.21
計(jì)算
軸 H 截面的安全系數(shù)由公式
S
由表可知=1.3～1.5
故>,該軸H截面是安全的。
第6章 轉(zhuǎn) 盤(pán) 的 計(jì) 算
6.1 轉(zhuǎn) 盤(pán) 輸 出 轉(zhuǎn) 速
轉(zhuǎn)盤(pán)輸出轉(zhuǎn)速（r/min）: 13、17、21、26、42、52
輸入轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速 (r/min): 65、85、105、130、210、260
轉(zhuǎn)盤(pán)用于驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鉆桿及鉆具回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤(pán)系一級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)大錐齒、轉(zhuǎn)臺(tái)、大、小補(bǔ)心驅(qū)動(dòng)鉆桿工作。
6.2 大、小 錐 齒 輪 計(jì) 算
6.2.1 初步計(jì)算
（1）按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算
由設(shè)計(jì)公式 得
式中： 載荷系數(shù) K= 1.5
齒數(shù)比 5
轉(zhuǎn)矩：
估算時(shí)的齒輪許用接觸應(yīng)力
估算結(jié)果
（2）按齒根抗彎強(qiáng)度計(jì)算
由式得：
式中 K——載荷系數(shù) 取 K=1.5
——復(fù)合齒形系數(shù) 取= 4.6
——小齒輪齒數(shù) =18
——齒輪許用彎曲應(yīng)力
=
式中 ——抗彎強(qiáng)度=600
——抗彎強(qiáng)度的安全系數(shù) =1.8
=
計(jì)算
取 =16 mm
（3）齒輪齒數(shù) =
取 =18
6.2.2 幾何計(jì)算
（1） 齒數(shù) =18
=5×18=90
（2） 分錐角 ==11.3°
（3） 大端模數(shù)
（4） 分度圓直徑
= =16×18=288 mm
= =16×90=1440 mm
（5） 外錐距 = 734.88 mm
（6） 齒寬系數(shù) 取 =0.3
b ==220.464 mm
取 b=200 mm
實(shí)際齒寬系數(shù)
（7） 中點(diǎn)模數(shù) =（1-0.5）=13.8 mm
中點(diǎn)分度圓直徑 ==248.8 mm
=1244.2 mm
（8） 切向變位系數(shù) =0 =0
高變位系數(shù) =0 =0
（9） 頂隙 0.2×16 =3.2 mm (GB12369-1990)
（10）大端齒頂高 mm =16 mm
大端齒根高 mm
mm
全齒高 h==35.2 mm
齒根角
齒頂角 ==1.497° = 1.497°
（11） 頂錐角
根錐角
（12） 大端齒頂圓直徑
mm
（13） 冠頂距
（14）大端分度圓弧齒厚
（15） 大端分度圓弦齒厚
mm
（16） 當(dāng)量齒數(shù)
當(dāng)量齒輪分度圓直徑
當(dāng)量齒輪頂圓直徑
當(dāng)量齒輪根圓直徑
當(dāng)量齒輪傳動(dòng)中心距
當(dāng)量齒輪基圓齒距
（17）嚙合線長(zhǎng)度
= 1199.10 - 1128.15 = 70.95 mm
（18） 端面重合度
（19） 齒中部接觸線長(zhǎng)度
齒中部接觸線的投影長(zhǎng)度
6.3 錐齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
6.3.1 計(jì)算公式
式中 中點(diǎn)分度圓上的切向力
——使用系數(shù) =2.25
——?jiǎng)虞d系數(shù) 由7級(jí)精度和中點(diǎn)節(jié)線速度
取=1.1
——齒向載荷分布系數(shù) 取 =1.2
有效工作齒寬 取 =1.5=1.8
——端面載荷系數(shù)
取 =1
——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) =2.5
——中點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
式中 參數(shù)=2
=1.123
——彈性系數(shù) =189.8
——螺旋角系數(shù) 直齒輪 =1
——錐齒輪系數(shù) =0.8
——載荷分配系數(shù) =1
計(jì)算接觸應(yīng)力
6.3.2 許用接觸應(yīng)力
式中 ——實(shí)驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限 =1300
——壽命系數(shù) =1
——潤(rùn)滑油影響系數(shù) =0.95
——工作硬化系數(shù) =1
——尺寸系數(shù) =1
——最小安全系數(shù) =1.1
許用接觸應(yīng)力值
6.3.3 齒面接觸強(qiáng)度校核結(jié)果
；
通過(guò)。
6.4 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度校核
6.4.1 計(jì)算公式
式中 ——復(fù)合齒形系數(shù)
——重合度系數(shù)
——錐齒輪系數(shù)
=1.03
——載荷分配系數(shù)
齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算值
6.4.2 齒根許用彎曲應(yīng)力
式中 ——齒根彎曲疲勞強(qiáng)度基本值
——壽命系數(shù) =1
——相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù) =1
——相對(duì)齒根表面狀況系數(shù) =1
——尺寸系數(shù)
——最小安全系數(shù) =1.4
許用彎曲應(yīng)力值
6.4.3 齒根彎曲強(qiáng)度校核結(jié)果
齒輪安全，可用。
6.5 轉(zhuǎn) 盤(pán) 軸 結(jié) 構(gòu) 計(jì) 算
選擇軸的材料為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)為：
抗拉強(qiáng)度為 屈服點(diǎn)
彎曲疲勞極限 扭轉(zhuǎn)疲勞極限
許用靜應(yīng)力
許用疲勞應(yīng)力
軸的最小直徑為
式中 A——按定的系數(shù) 取 A= 100
P——功率 P=55 KW
——最小轉(zhuǎn)速 =65 r/min
計(jì)算得
取最小軸徑為
軸的結(jié)構(gòu)如圖：
第7章 鉆機(jī)其余部分零件的選擇
7.1 聯(lián)軸器的選擇
減速器與轉(zhuǎn)盤(pán)之間用萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器連接，由減速器輸出的最小轉(zhuǎn)速為，傳遞的功率為55KW，計(jì)算轉(zhuǎn)矩為：
聯(lián)軸器的計(jì)算功率：
式中——聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速系數(shù) =1.25
——軸承壽命系數(shù) =1.8
——聯(lián)軸器的軸間角系數(shù) =1.5
——載荷性質(zhì)系數(shù) =1.3
計(jì)算轉(zhuǎn)矩
查取， 選擇聯(lián)軸器為：
7.2 減速器齒輪安排
如表7.2——1
齒數(shù)
模數(shù) m
2 4
6
3 2
6
2 1
6
3 5
6
2 0
6
3 0
6
表 7.2——1
降速比：
輸入轉(zhuǎn)速為（r/min）：167、261、519
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