200米鉆機回轉器設計【4張CAD圖紙+PDF圖】

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目錄 摘 要 1 Abstract 2 第1章 緒 論 3 1.1 選題的意義 3 1.2 設計內容 3 1.3 設計方法 4 1.4 預期目標 4 第2章 鉆機概述 5 2.1 鉆機的功用 5 2.2 對鉆機的要求 5 2.3 鉆機的組成 5 2.4 鉆機的分類和名稱 6 2.4.1分類 6 2.4.2名稱 7 第3章 鉆機的總體設計 8 3.1 本設計鉆機的應用場合 8 3.2設計方案的確定 8 3.2.1 本設計鉆機的特點 8 3.2.2 總體設計方案的確定 8 3.3 鉆機的技術特性和要求 9 第4章 動力機的確定 11 4.1 輸出功率計算 11 4.2 回轉鉆進及破碎巖石、土層所需功率 11 4.3 給進油缸所需功率的計算 13 4.3.1 給進油缸的基本參數(shù) 13 4.3.2 油缸工作壓力的計算 13 4.3.3 油泵最大工作流量計算 14 4.3.4 給進油缸功率計算 14 4.4 動力機功率的確定 14 第5章 機械傳動系統(tǒng)設計 15 5.1 主要參數(shù)的選擇 17 5.1.1 變速箱 17 5.1.2 絞車 17 5.1.3 回轉器 17 5.2 機械傳動系統(tǒng)初步計算 17 5.2.1 變速箱各檔傳動 18 5.2.2 絞車的纏繩速度 18 5.2.3 立軸的轉速 19 第6章 變速箱的設計與計算 21 6.1 變速箱的結構特點及設計要求 21 6.1.1 結構特點 21 6.1.2 設計要求 21 6.2 齒輪副的強度計算與校核 22 6.2.1 變速箱內各齒輪主要參數(shù)確定 22 6.2.2 主要齒輪副的強度設計計算與校核 22 6.3 軸的強度計算與校核 28 6.3.1 軸的強度計算 29 6.3.2 軸的強度驗算校核 32 第7章 絞車 34 7.1 絞車的結構特點 34 7.2 主要參數(shù)的選擇 34 7.2.1 絞車性能參數(shù) 34 7.2.2 絞車卷筒轉速和提升速度計算 36 7.3 絞車所需功率 37 7.4 絞車齒輪副強度簡單校核 38 第8章 回轉器的設計 39 8.1 回轉器的結構特點 41 8.2 回轉器的弧齒錐齒輪副設計 41 8.2.1 弧齒錐齒輪參數(shù)設計 41 8.2.2 零部件的強度與壽命計算 41 8.3 軸徑的估算 42 8.3.1齒輪受力分析 47 第9章 液壓系統(tǒng)的設計與計算 39 9.1 液壓卡盤的設計與計算 41 9.1.1 卡瓦對鉆桿的夾緊力 41 9.1.2 蝶型彈簧的軸向推力 41 9.1.3 蝶型彈簧的設計計算 41 9.1.4 蝶型彈簧的變形量計算 41 9.1.5 所需油壓的計算 41 9.1.6 卡瓦徑向伸縮量計算 41 9.1.7 缸體的強度計算 41 9.2 給進油缸的設計 42 9.3 夾持器 42 第10章 可行性及經(jīng)濟成本分析 47 10.1 可行性分析 52 10.1.1 設計可行性分析 53 10.1.2 市場可行性分析 53 10.2 經(jīng)濟性分析 53 第11章 使用說明 47 11.1 概述 52 11.2 鉆機分組情況 52 11.3 工作原理 52 11.3.1 鉆機的工作原理 53 11.3.2 立軸的給進運動 53 11.3.3 立軸的快速移動 53 11.4 操作程序 52 11.5 機器的保養(yǎng)與維護 52 11.6 故障原因及排除方法 52 11.7 鉆機的安全注意事項 52 結論 55 致謝 56 參考文獻 57 專題 58 附錄1 70 附錄2 77 附錄3 86 附錄4 94 摘 要 200米液壓鉆機主要用于鉆探各種深度為200米左右的各種角度的各類用途的孔，可在不同硬度的巖石中鉆孔，而在煤層、軟巖石中鉆孔以及在農(nóng)田打井時效率最高。鉆機組成主要分為回轉器、絞車、變速箱、機架、操作儀。在本次的設計中主要對回轉器部分進行了分析創(chuàng)新設計，通過了結構合理性分析及各強度的較核驗算。對鉆機整體進行了設計，通過最后設計結果，滿足了初定的設計要求。該項目的成功設計，有效滿足了由于150米鉆機不能完成的鉆探探測任務，為新型的探測作出了有力準備，填補了目前的空白。在設計中加入和優(yōu)化設計理論和綠色設計理論，使得操作者減輕了勞動強度，考慮了油的各種泄露問題，對環(huán)境減輕了甚至免去了污染，符合新型設計理論。 關鍵字 地質勘探 鉆機 回轉器 Abstract 200 meters liquid presses drill machine is mainly used to drill to explore various depth as 200 meters any kind of angle of bore . It can drill a hole in the rock of different degrees of hardness. Drilling a hole in the coal seam, soft rock and in the farmland beat the well time and limited efficacy rate . the Drillling machine constitutes is divided in to turn round a machine, winch and become soon a box, machine and operates an instrument. Main carried on an analytical innovation design towards turning round the machine part in the design ,by the structure rationality an analytical and each strength to check to calculate more. Carried on a design towards drilling machine wholly, pass an end the design result, satisfy a beginning settle of design request. The successful design of that item, satisfied effectively to drill machine and can't complete because of 150 meters of drill and explore mission, in order to probe in to make emollient preparation newly, fill up current blank. Join in the design with excellent turn design the theories and green to design theories, make the operation ease labor strength, considering oil of various reveal a problem and ease to the environment to even avoid a pollution, match new design theories. Key words The geology probes into, drill machine, turn round a machine 第1章 緒 論 1.1 選題的意義 題目的選擇，是通過畢業(yè)實習上的調查了解，以及目前能源行業(yè)的火暴形式，大家都知道社會的發(fā)展離不了能源的供應，針對在課前的調查中了解到目前在能源開采的緊張，需要一些專門化的設備，來解決實際問題。選擇200米液壓鉆機的設計，主要是考慮到目前的75米，100米，150米以及當前的200米鉆機存在著各種問題，他們不能滿足現(xiàn)在實際要求，對新型200米鉆機的設計能解決目前存在的問題，對他的成功設計，將有效改進目前的鉆探工藝，取得較大的經(jīng)濟效益。 1.2 設計內容 1. 200米液壓鉆機回轉器的設計 2．主要技術參數(shù)： （1）.鉆進深度(使用Φ42或Φ50鉆桿) 200m （2）.鉆孔直徑 ①開孔直徑 89m ②終孔直徑 ≥60mm （3）. 立軸行程 500mm （4）．最大液壓給進壓力 4 MPa （5）．卡盤最大工作壓力（彈簧常閉式液壓卡盤） 6 MPa （6）．立軸內孔直徑 52mm （7）．油缸最大起拔力 32.5KN （8）．油缸最大給進力 20KN 1.3 設計方法 確定了設計題目，就得需要相應的設計方法，有了明確的設計方法理念才能完成預期的設計目標。有針對性的設計才能取得良好的效果，根據(jù)自己的調研情況，我設計采用的方法是改進型創(chuàng)新設計，主要理論知識來源于鉆機的結構原理，鉆機的鉆進工藝，及巖心巖石的理論研究知識。 1.4 預期目標 每一項設計都有一個預期計劃目的，本次設計的預期目標為，設計結果應滿足設計要求，設計的鉆機應較前期鉆機有突出的設計優(yōu)勢。設計最終應滿足鉆進200米的各項功能要求，對環(huán)境無污染或少污染，得到綠色設計要求，能有效減輕勞動者的勞動強度，及提高操作者的安全保證，得到優(yōu)化設計的要求。并且能夠取得較高的經(jīng)濟效益和社會效益。  第2章 鉆機概述 2.1 鉆機的功用 鉆探是地質勘探工作的重要手段之一。鉆機是實現(xiàn)該手段的主要設備。其基本功用是以機械動力帶動鉆頭向地殼鉆孔并采取巖礦心。鉆機同時還是進行石油、天然氣勘探及開采、水文水井鉆探、工程地質鉆探等工程的重要設備。 2.2 對鉆機的要求 鉆機的技術性能要保證在施工中能滿足合理的工藝要求，以最優(yōu)規(guī)程，達到預計的質量要求；維護保養(yǎng)簡單容易；安裝拆卸搬遷方便；利于快速鉆進；鉆進輔助時間短；鉆孔施工周期短；體力勞動強度低等。概括起來說，是鉆機要為多、快、好、省地完成鉆探生產(chǎn)任務創(chuàng)造有利條件。 根據(jù)鉆機的基本功用，對鉆機具體要求如下： 1.通過回轉鉆具等鉆進方式將動力傳給鉆頭，使鉆頭具有適合鉆進規(guī)程需要的轉速及調節(jié)范圍，以便有效地破碎巖石； 2.能通過鉆具向鉆頭傳遞足夠的軸心壓力，并有相當?shù)恼{整范圍，使鉆頭有效地切入或壓碎巖石； 3.能調整和控制鉆頭給進速度，保證連續(xù)鉆進； 4.能完成升降鉆具的工作，并能隨著鉆具重量的變化而改變提升速度，以充分利用動力機的功率和縮短輔助時間； 5.能變換鉆進角度和按一定技術經(jīng)濟指標舊響應深度的直徑的鉆孔，以滿足鉆孔設計的要求和提高鉆進效率。 2.3 鉆機的組成 目前常用的鉆機由如下各部分組成： 1.機械傳動系統(tǒng) 將輸入的動力變速并分配到回轉機構、升降機構。對于液壓鉆機還要有驅動油泵，使液壓系統(tǒng)工作的裝置。 2.液壓傳動系統(tǒng) 利用油泵輸出的壓力油驅動馬達、油缸等液動機，以使立軸回轉和控制給進機構、移動鉆機、松緊卡盤、夾持器等； 3.回轉機構 回轉鉆具，以帶動鉆頭破碎孔底巖石。 4.給進機構 調整破碎巖石所需要的軸心壓力和控制給進速度。在出現(xiàn)孔內事故時，可以進行強力起撥。 5.升降機構 用于升降鉆具（提取巖心和更換鉆頭）和進行起下套管等作業(yè)。 6.機架 支承上述各機構及系統(tǒng)，使之組裝成一個整體，成為完整的機器。 2.4 鉆機的分類和名稱 隨著鉆探工程在國民經(jīng)濟各部門中的廣泛應用，鉆機類別和型號也在增多。為此將鉆機實行科學分類和確定名稱，對識別、評價和選擇鉆機是很有意義的。 2.4.1分類 ⑴按用途分類 按用途不同，可將現(xiàn)行廣泛使用的鉆機分為三大類，即地質勘探用巖心鉆機；石油鉆探用鉆機；專用鉆機（水文水井鉆機、物探鉆機、工程鉆機等）； ⑵按鉆機標準鉆進孔深分類 根據(jù)不同孔深范圍，將各種不同鉆進孔深的鉆機分成三類或四類。 按三類分見表2—1。 表2—1 (m） 類別 淺孔鉆機 中深孔鉆機 深孔鉆機 Ⅰ Ⅱ 10—300 10—300 300—800 300—800 800—1200 1000—2000 按四類分類見表1—2。 表1—2 （m） 淺孔鉆機 次深孔鉆機 中深孔鉆機 深空鉆機 10—150 200—400 500—800 900以上 ⑶按原來地質總局設備管理分類 鉆機可分為六類，即淺孔鉆機、巖心鉆機、石油鉆機、水文水井鉆機、汽車鉆機和砂礦鉆機； ⑷按裝載方式分類 可以分為滑橇式、卡車式、拖車式； ⑸按破碎巖石方式分類 可分為回轉式、沖擊式和沖擊回轉式； ⑹按回轉機構型式分類 可分為立軸式、轉盤式、動力頭式； ⑺按進給機構分類 可以分為手輪（把）式、油壓式、螺旋差動式、長油缸式、油馬達—鏈輪式。 2.4.2名稱 鉆機的名稱是按照鉆機綜合特征及主要性能，以漢字拼音字母及數(shù)字編排成的代號來表示的。通常把這種代號稱為型號，并以銘牌指示在鉆機上。 國產(chǎn)鉆機名稱一般有三部分組成： 首部為用途類別和結構特征代號，用漢語拼音中的一個字母表示。如“X”是漢字“心”的拼音首字母，表示鉆機用于巖心鉆進?！癠”是漢字“油”的首字母，表示給進機構類型屬于油壓式。 中部為主要性能參數(shù)代號，用鉆機標準鉆進深度數(shù)字表示。如標準鉆進深度為200米的鉆機，中部代號為200。 尾部為變型代號，可用漢語拼音字母中的一個字母或數(shù)字為代號。無尾部的是指首次產(chǎn)品。如是第二次修改后的產(chǎn)品，尾部代號為2。 第3章 鉆機的總體設計 3.1 本設計鉆機的應用場合 200米型液壓鉆機主要用于鉆探深度為200米的各種角度的放水孔、地質構造孔、滅火孔、抽放瓦斯孔及鐵路、公路、橋梁、隧道、國防建設、工業(yè)民用建設、農(nóng)田打井及地質勘探、工程爆破以及其它用途的各種工程孔。 該機可用于不同硬度的巖石中鉆探任何角度的鉆孔，而在煤層、軟巖層、硬巖層中鉆孔和農(nóng)田打井時效率為最高。整個機組由兩部分組成，即200米型鉆機、150/3.0泥漿泵。鉆機沖洗液為泥漿或清水。在地面鉆探不需要使用鉆塔，只要有一定高度的三角架可供提升使用就可以。 200米型液壓鉆機配備動力為電動或柴油機，適用于井上、井下或野外沒有電源的場地作業(yè)。 3.2 設計方案的確定 3.2.1 本設計鉆機的特點 通過市場調研了解到，目前鉆探工程對鉆孔深度200米左右的鉆機需求量日趨增加，而當前的200米鉆機，存在著勞動強度大、適應性差等缺點。鑒于以上原因，我們決定改進200米鉆機。經(jīng)幾次方案討論決定，鉆機應具有以下特點： 1. 經(jīng)濟耐用可靠、質優(yōu)價廉； 2. 便于解體搬運； 3. 體積小，重量輕； 4. 操作簡單，維修方便； 5. 適用于Φ42、Φ50mm兩種鉆桿； 6. 適用于合金鉆頭或金剛石鉆頭鉆進； 7. 鉆進速度快，效率高； 8. 動力為電機或柴油機。 3.2.2 總體設計方案的確定 經(jīng)過調研和幾次方案論證，考慮到現(xiàn)場特點，從實用角度出發(fā)，確定方案如下： 1. 考慮到井下、井上和野外作業(yè)，動力可選電機或柴油機； 2. 考慮到有軟巖石、硬巖石的鉆進，除了正常的鉆進速度外，增加高速600r/min； 3. 鉆機除配機動絞車外，增加了液壓卡盤減輕勞動強度，節(jié)約時間，提高有效鉆進速度； 4. 考慮到高轉速時，絞車速度不能太快，所以增加了互鎖裝置，安全可靠； 5. 由于本機動力較大，動力由V型帶傳動到變速箱的傳動軸上易使傳動軸彎曲，所以增加了卸荷裝置； 6. 采用二級回歸式變速箱，減少變速箱體積，根據(jù)不同的地質條件，選用不同的鉆進速度； 7. 在滿足上述要求的同時，盡量結構簡單，操作方便，適于整體或解體搬運。盡量做到標準化, 通用化，系列化。 3.3 鉆機的技術特性和要求 考慮到鉆機的實際工作情況，根據(jù)我國當前生產(chǎn)技術和工藝水平，本200型鉆機的技術特性為： 1.鉆進深度(使用Φ42或Φ50鉆桿) 200m 2.鉆孔直徑 ⑴開孔直徑 89m ⑵終孔直徑 ≥60mm 3. 鉆孔傾斜角度 0～360° 4. 立軸轉速 120、240、350、600r/mm 5. 立軸行程 500mm 6．最大液壓給進壓力 4 MPa 7．卡盤最大工作壓力（彈簧常閉式液壓卡盤） 6 MPa 8．立軸內孔直徑 52mm 9．油缸最大起拔力 32.5KN 10．油缸最大給進力 20KN 11. 絞車提升速度 0.26、0.61、0.70m/s 12. 絞車轉速 33、79、91r/min 13．絞車提升負荷 ⑴．0.70m/s 3.35KN ⑵. 0.61m/s 6.00KN ⑶. 0.26m/s 12KN 14. 卷筒 ⑴ 直徑 140mm ⑵ 寬度 100m ⑶ 鋼絲繩直徑 8.8mm ⑷ 容繩長度 32.8m 15．配備動力 ⑴電動機 ① 型號 YB160L－4 ② 電壓 380/660V ③ 功率 15KW ④ 轉速 1460r/min ⑵柴油機 ① 型號 S1500 ② 功率 15KW ③ 轉速 2200r/min 16.外型尺寸（L×h×b） 1370×685×1200mm 17．重量（不含柴油機） 750Kg  第4章 動力機的確定 4.1 輸出功率計算 根據(jù)現(xiàn)場需要，動力機的選擇偏大些，加大儲備系數(shù)，這樣可以提高鉆進效率。 輸出功率為 （4—1） 式中： —鉆機所需功率(KW) 式中： —回轉鉆及破壞巖石、土層所需功率(KW) — 效率 =0.9 —油泵所需功率(KW) 4.2 回轉鉆進及破碎巖石、土層所需功率 回轉鉆進及破碎巖石、土層所需功率計算公式如下： = （4—2） 式中： —井底破碎巖石、土層所需功率(KW) = 式中： m—鉆頭切削刃數(shù) 取m=6 n—立軸轉速 r/min h—鉆進速度 當轉速130r/min、250r/min時,h=5cm/min 當轉速350r/min、600r/min時,h=1.5cm/min δ—巖石抗壓強度,其值見表3-1 —井底環(huán)狀面積，取鉆頭直徑D=7.7cm,內孔直徑 d=5.9cm cm2 —鉆頭與孔底摩擦所需功率(KW) （4—3） 式中： δ—孔底壓力或巖石抗壓強度 —鉆具與巖石直接的摩擦系數(shù) f=0.5 e—側摩擦系數(shù) e=1.1 —立軸轉速 R—鉆頭外圓半徑 R=3.85cm r—鉆頭內孔半徑 r=2.95cm 將立軸不同轉速和不同孔底壓力代入式（4—3）中,所得相應數(shù)值見 表3—1。 —回轉鉆桿所需功率(KW) 當<200r/min時 當n>200r/min時 式中：—孔深 ， 硬質合金鉆進時，取＝200000mm 金剛石鉆進時，?。?5000mm —鉆桿直徑 取=50mm —立軸轉速; —沖洗液比重, =1.15 將上述參數(shù)及立軸不同轉速代入上式，所得值列表4—2中。 4.3 給進油缸所需功率的計算 4.3.1 給進油缸的基本參數(shù) 1. 給進油缸的基本參數(shù) ⑴給進油缸的數(shù)量 ＝2 ⑵油缸直徑 ＝60mm ⑶活塞桿直徑 ＝30mm ⑷活塞桿有效行程 ＝500mm ⑸油缸面積 ＝2826mm2 ⑹活塞桿面積 ＝706.5mm2 ⑺有效面積 ＝2119.5mm2 4.3.2 油缸工作壓力的計算 ⑴鉆機鉆打水平孔時，油缸的最大推力為： 式中：—油缸最大推力 —孔底最大壓力 C＝13345N —鉆桿與孔壁間的摩擦力 式中：—鉆桿單位長度重量 ＝55.46N/m —鉆桿長度 ＝200m —摩擦系數(shù) ＝0.35 N 故 N ⑵油泵的工作壓力 4.3.3 油泵最大工作流量計算 ⑴油缸回程時的最大容油量: L ⑵油缸送進時的最大容油量: L ⑶當選用立軸的鉆進速度=0.05m/min=0.5dm/min時,立軸送進時每分鐘所需的油量為: L/min ⑷令活塞回程時間為0.3min,則回程所需油量為: L/min 4.3.4 給進油缸功率計算 根據(jù)以上的計算，可以得到給進油缸的功率： KW 4.3.5 油泵滿負荷工作時所需要的功率 根據(jù)上面的計算,選用YBC—12/80型齒輪油泵(排油量12L/min,額定壓力8MPa,最大壓力12MPa)。油泵滿負荷時所需功率是： (4—4) 式中：—額定壓力 =800N/cm2 —額定流量 =12L/min —機械效率 =0.9 —容積效率 =0.71 將上述參數(shù)代入式（4—4）中可以得到： 上式油泵排量在額定轉速1460r/min時是12L,在995r/min時是8L。 4.4 動力機功率的確定 通過上述的計算說明，立軸鉆進時給進所需功率很小，而且油泵滿負荷工作時一般是立軸停止轉動狀態(tài)，液壓卡盤松開時，必須停止鉆進。所以參考表3—1，本機選用15電機或柴油機，基本能滿足表3—1中粗線以上各種工作狀態(tài)。 表4—1 各種類型巖層的抗壓強度 （N/cm2） 巖 石 名 稱 抗 壓 強 度 粘土、頁巖、片狀砂巖 4000 石灰?guī)r、砂巖 8000 大理石、石灰?guī)r 10000 堅硬的石灰?guī)r、頁巖 12000 黃鐵況、磁鐵礦 14000 煤 2000 表4—2 電機功率選擇計算 功率N（KW） 轉速r/min 抗壓強度δ (N/cm2) 120 240 350 600 N1 2000 0.21768 0.25887 0.11532 0.13195 4000 0.43537 0.51775 0.23064 0.26391 8000 0.87075 1.03550 0.46128 0.52782 10000 1.08844 1.29438 0.57660 0.65978 12000 1.30613 1.55326 0.69192 0.79173 14000 1.52382 1.81214 0.80724 0.92369 N2 2000 0.46153 0.92307 1.34615 2.30769 4000 0.92307 1.84615 2.69230 4.61538 8000 1.84615 3.69230 5.38461 9.23076 10000 2.30769 4.61538 6.73076 11.5384 12000 2.76923 5.53846 8.07692 13.8461 14000 3.23076 6.46153 9.42307 16.1538 N3 2.67 7.75 4.8 9.83 N回轉器 (N1+N2+N3) 2000 3.34922 8.93195 6.26147 12.2696 4000 4.02845 10.1139 7.72295 14.7093 8000 5.38691 12.4778 10.6459 19.5885 10000 6.06613 13.6597 12.1073 22.0282 12000 6.745364 14.84172 13.56885 24.46789 14000 7.424592 16.02368 15.03033 26.90754 N油泵 0.028 0.028 0.028 0.028 N (N油+N回） 2000 3.377227 8.959954 6.289475 12.29765 4000 4.056455 10.14191 7.75095 14.7373 8000 5.41491 12.50582 10.6739 19.61659 10000 6.094137 13.68777 12.13538 22.05624 12000 6.773364 14.86972 13.59685 24.49589 14000 7.452592 16.05168 15.05833 26.93554 =N/0.9 8.280658 11.26879 13.4838 13.6640 =1.1 9.108724 12.39567 14.8321 15.0304 第5章 機械傳動系統(tǒng)設計 5.1 主要參數(shù)的選擇 5.1.1 變速箱 參考國內外現(xiàn)有小型鉆機的轉速系列，本機采用了不規(guī)則排列的中間轉速系列。 立軸有四種轉速，120、240、350r/min轉速適合合金鉆頭鉆進，600r/min轉速適合金剛石鉆頭鉆進。 5.1.2 絞車 為了減輕鉆機重量，不使動力機過大，絞車的纏繩速度不宜過高，基本上采用低速，本機升降機速度為0.26～0.70m/s。 卷筒纏繩速度為三種，見表5—1 表4—1 絞車卷筒纏繩速度 Ⅰ檔 Ⅱ檔 Ⅲ檔 Ⅳ檔 立軸轉速 r/min 120 240 350 600 纏繩速度 m/s 0.26 0.61 0.70 — 5.1.3 回轉器 立軸的轉速，主要取決于地質條件、鉆頭直徑及鉆進方式，當使用直徑為75mm鉆頭時，采用硬質合金和鉆粒，根據(jù)國內外的經(jīng)驗，立軸轉速取 n＝90～400r/min比較適宜；采用金剛石鉆頭鉆進時，立軸轉速取n＝400～1000r/min比較適宜。本機選用120～600r/min，即適合合金鉆頭鉆進，由適合金剛石鉆頭鉆進。 5.2 機械傳動系統(tǒng)初步計算 5.2.1 變速箱各檔傳動 根據(jù)設計方案可知變速箱的幾種傳動如下所示： 1， 立軸的Ⅰ速回轉運動125r/min D1→D2→Z1→Z2→Z3→Z4→Z10→Z11 2， 立軸的Ⅱ速回轉運動210r/min D1→D2→Z1→Z2→Z5→Z6→Z10→Z11 3， 立軸的Ⅲ速回轉運動340r/min D1→D2→Z1→Z4（內齒）→Z10→Z11 4， 立軸的Ⅳ速回轉運動580r/min D1→D2→Z1→Z2→Z7→Z8→Z6（內齒）→Z10→Z11 5， 絞車的低速回轉運動 D1→D2→Z1→Z2→Z3→Z4→Z9→Z12→Z13→Z14→Z15 6， 絞車的中速回轉運動 D1→D2→Z1→Z2→Z5→Z6→Z9→Z12→Z13→Z14→Z15 7， 絞車的高速回轉運動 D1→D2→Z1→Z4（內齒）→Z9→Z12→Z13→Z141→Z15 5.2.2 絞車的纏繩速度 第一檔速度: m/s 式中:mm 式中:=140mm為卷筒直徑,=8.8mm為鋼絲繩直徑。 故 =0.28 同樣方法可以得到: m/s m/s (計算從略) 考慮到皮帶、軸承、齒輪等的效率，確定絞車提升速度分別為： ＝0.26ms =0.61m/s =0.70m/s。 5.2.3 立軸的轉速 根據(jù)機械傳動路線，立軸的轉速計算如下： 式中： —立軸的第一檔轉速 r/min —電機轉速 n=1460r/min —主動皮帶輪直徑 D1=160mm —大皮帶輪直徑 D2=355mm Z1—Z11傳動鏈中各齒輪的齒數(shù),Z1=25,Z2=31,Z3=19,Z4=40 Z10=20,Z11=39 故 r/min 同理可求出第二檔、第三檔和第四檔轉速分別表示如下： 第二檔： Ⅱ= 式中：Z5=28,Z6=31 故 Ⅱ=r/min 第三檔： Ⅲ= 式中: Z4內=24 故 Ⅲ==351.5≈350r/min 第四檔： Ⅳ= 式中： Z7=46,Z8=21,Z6內=21 故 Ⅳ= 考慮到皮帶傳動、齒輪傳動、軸承等的效率，所以各檔轉速確定為120、240、350、600r/min。 第6章 變速箱的設計與計算 6.1 變速箱的結構特點及設計要求 6.1.1 結構特點 變速箱的結構有變速部分、分動部分、操縱部分和箱體組成。本設計中變速部分和分動部分合為一整體，縮小了箱體的結構尺寸。其具體特點是： 1.采用了回歸式的傳動形式，箱體呈扁平狀，有利于降低鉆機的高度，齒輪Z4即使移動齒輪又是結合子，因此結構緊湊； 2.變速、分動相結合，減少了零件的數(shù)目，有效利用變速箱內的空間； 3.操縱機構采用了齒輪齒條撥叉機構，操縱靈活可靠，每個移動齒輪單獨控制，并有互鎖裝置，這種互鎖裝置安全可靠，結構簡單； 4.增加了卸荷裝置，減少了齒輪的受力。 6.1.2 設計要求 1.在校核零件強度時，假設電機的功率全部輸入變速箱，然后再輸入絞車和回轉器； 2.變速箱在不更換齒輪的情況下，可連續(xù)工作10000小時，純機動時間每班16小時，可連續(xù)工作20個月。 3.本設計零件的強度和壽命計算方法和數(shù)據(jù)是按《機械設計手冊》（化學工業(yè)出版社）計算的。 6.2 齒輪副的強度計算與校核 6.2.1 變速箱內各齒輪主要參數(shù)確定 根據(jù)立軸轉速的要求，前面已經(jīng)初步選擇各齒輪的齒數(shù)，由鉆機的實際情況，變速箱內各齒輪的主要設計參數(shù)見表6—2。 表6—2 變速箱內齒輪的主要設計參數(shù) 齒輪編號 齒數(shù)Z 模數(shù)m 齒寬b 變 位系數(shù)Xn 材料 硬度RC 應力角 備注 Z1 25 4 40 1.0 40Cr 40—50 20o Z2 31 4 30 0.76 40Cr 40—50 20o Z3 19 4 30 0 20CrMnTi 57—62 20o Z4 40 4 30 0 40Cr 40—50 20o Z5 28 4 25 0 40Cr 40—50 20o Z6 31 4 25 0 40Cr 40—50 20o Z7 47 3.5 25 -1.03 40Cr 40—50 20o Z8 21 3.5 35 0.04 40Cr 40—50 20o 6.2.2 主要齒輪副的強度設計計算與校核 現(xiàn)選擇變速箱中重要傳動軸Ⅲ軸上的Z3、Z4齒輪副為例進行齒輪副的強度設計計算和校核。 1.按照齒面接觸疲勞強度計算 參數(shù)名稱 符號 值 計算轉矩 T 251370 N 齒寬系數(shù) 0.4 接觸疲勞極限 1080 MPa 970MPa 設計許用應力 [][] 972MPa 873MPa 88 初定小齒輪直徑 73mm 初定齒寬 b 30 圓周速度 v 2.03m/s 使用系數(shù) 1.25 動載系數(shù) 1.15 齒間載荷分配系數(shù) 1.16 齒向載荷分布系數(shù) 1.81 載荷系數(shù) K 3.02 彈性模量 MPa1/2 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 2．5 接觸最小安全系數(shù) 1．05 應力循環(huán)次數(shù) 3.18×108 接觸壽命系數(shù) 1．12 許用接觸應力 1152MPa 1053MPa 校核驗算 = =1054.16 = =715.5 計算結果表明，，，接觸疲勞強度合適。 6.3 軸的強度計算與校核 在變速箱中共有三根軸，其中Ⅲ軸相對尺寸直徑小，長度大，所受到的力多。下面僅以該軸的強度壽命進行驗算。 Ⅲ軸共有7種工作狀態(tài)，向回轉器傳遞4種狀態(tài)的動力，驅動絞車的3種轉速。相比而言回轉器120r/min的轉速時該軸受扭矩最大，受力最大。 已知條件：材料40Cr，調質處理。該軸的各檔轉速及其傳遞的功率、轉矩見表6—3。 表6—3 Ⅲ軸的各檔轉速及其傳遞的功率、轉矩 速度序號 轉速（r/min） 傳遞功率(KW) 傳遞轉矩(N·m) Ⅰ 252.07 14.55 513.4 Ⅱ 479.3 14.55 270.0 Ⅲ 685.4 14.55 188.80 Ⅳ 1187.7 14.14 105.7 軸上各齒輪的分度圓直徑為： mm,mm,mm,mm,mm 6.3.1 軸的強度計算 1. 在各種轉速下齒輪所受力計算 齒輪圓周力，齒輪徑向力 由分析可知在Ⅰ檔轉速下所受力為最大： N =6417.5×20o=2335.78N 2. 計算軸受到的支承反力 由于軸的轉速處于最低時所受到的力和轉矩最大，所以以第一檔轉速時的受力情況為條件進行計算。Ⅲ軸的長度較大，相對直徑較小，尤其是Z4與Z3嚙合處的花鍵軸，支承跨度大，容易產(chǎn)生彎曲變形，因此本次校核只在該花鍵軸上取截面，從而軸的受力可以簡化。軸的受力簡圖如圖6—1。 圖6—1 傳動軸的受力簡圖 如圖6—1，將軸受到的力簡化為水平方向和垂直方向受力，下面分別從這兩個方向分別列出方程計算支承反力。 ⑴水平方向受力 N N ⑵垂直方向受力 N N （3）當量轉矩計算如下 6.3.2 軸徑的校核 1.校核軸徑 Z4齒根圓直徑計算： mm Ⅲ軸最小軸徑計算： Ⅲ=mm 故 Ⅲ<,滿足要求。 第7章 絞車 7.1 絞車的結構特點 本鉆機考慮到井上、井下鉆探作業(yè)，故設置了絞車，絞車結構如附錄圖3所示。在結構上選擇常用的固定輪系的行星式傳動絞車，其特點是： 1、結構簡單而緊湊，傳動裝置兼起離合作用，并有過載保護作用； 2、傳動功率大，效率高。 3、傳動平穩(wěn)，操縱靈活。 7.2 主要參數(shù)的選擇 7.2.1 絞車性能參數(shù) 1.確定鋼絲繩直徑d 根據(jù)GB1102－74標準，選定鋼絲繩直徑如下： 外徑：=8.8mm 總斷面積：=27.88mm2 總破斷力：=47300N 抗拉強度：=1700Mpa 繩型：繩6×37（纖維芯） 2.卷筒參數(shù)確定如下 卷筒內徑：＝140mm 卷筒外徑：＝243mm 卷筒有效長度：L0＝100mm 容繩長度： 式中：——每層鋼絲繩圈數(shù) ＝11 ——每層纏繩長度之和，共6層， m 3.絞車主要齒輪副的幾何參數(shù)計算 在絞車中，行星齒輪的外嚙合為重要齒輪副，只計算齒輪Z14、Z15的幾何參數(shù)。它們的主要參數(shù)見表7—1。 表7—1 齒輪Z14、Z15的主要幾何參數(shù) 齒輪 齒數(shù)Z 模數(shù)m 變位系數(shù)Xn 材料 硬度HRC Z14 18 3 0.15 20CrMnTi 5762 Z15 18 3 0.15 20CrMnTi 5762 7.2.2 絞車卷筒轉速和提升速度計算 1.絞車共有3種轉速,各種轉速計算如下 第Ⅰ檔: = =33.4r/min 第Ⅱ檔: Ⅱ =78.77/r/min 第Ⅲ檔: Ⅲ =90.84r/min 2.三種轉速下的繞繩速度 在4.4.2中已經(jīng)對絞車的繞繩速度，即提升速度進行了計算，現(xiàn)加上提升力總結于表7—1中。 表7—1 提升速度 卷筒轉速 提升力 Ⅰ=0.26m/s Ⅰ=28r/min 12000N Ⅱ=0.61m/s Ⅱ=50r/min 6000N Ⅲ=0.70m/s Ⅲ=78r/min 3350N 7.3 絞車所需功率 1.卷筒所受扭矩： 2.絞車軸所受扭矩: 3.絞車軸所需功率: 7.4 絞車齒輪副強度簡單校核 7.4.1 按接觸疲勞強度校核 1.圓周力計算 2.其他參數(shù)計算 查閱相關資料,將校核所涉及的其它參數(shù)列于表7—2中。 表7—2 序號 參數(shù)名稱 參數(shù)符號 參數(shù)值 1 工況系數(shù) KA 1.25 2 動載系數(shù) KV 1 3 齒間載荷分配系數(shù) KHα 1.05 4 齒向載荷分配系數(shù) KHβ 1 5 節(jié)點區(qū)域系數(shù) ZH 2.35 6 彈系數(shù) ZE 189.8 7 重合度系數(shù) Zε 0.97 8 螺旋角系數(shù) Zβ 1 9 壽命系數(shù) ZN1，ZN2 1.02，1.11 10 最小安全系數(shù) SHmin，SFmin 1，1.4 11 潤滑劑系數(shù) ZL 1 12 速度系數(shù) ZV 0.9 13 粗糙度系數(shù) ZR 0.9 14 齒面工作硬化系數(shù) ZW 1 15 尺寸系數(shù) ZX 1 16 傳動比 U 0.3 17 齒寬 B 22mm 3.接觸應力計算 根據(jù)軸的材料，查閱相關資料可得 載荷系數(shù)K= KA·KV·KHα·KHβ=1.25×1×1.05×1=1.31 ⑴計算接觸應力： ⑵許用接觸應力： 同樣可以得到 顯然，，通過接觸強度校核。 第8章 回轉器的設計 8.1 回轉器的結構特點 回轉器的結構附錄圖5所示，是由本體、立軸、立軸導管、弧齒錐齒輪等組成。立軸上端裝有常閉式液壓卡盤。其特點是： 1、回轉器尺寸小、緊湊。 2、回轉器適用于各種角度的孔的鉆進。 3、離開孔口采用開箱式，簡單可靠，減輕鉆機重量。 4、立軸行程比過去小型鉆機大，為500mm，縮短鉆進輔助時間。 8.2 回轉器的弧齒錐齒輪副設計 8.2.1 弧齒錐齒輪參數(shù)設計 錐齒輪傳動的主要尺寸可用類比法或按傳動方式來確定。對閉式傳動可按齒面接觸強度估算，對開式傳動可按結構初步確定，也可用表23.4-22所示來確定，或按彎曲強度估算，并用計算載荷驗算. 設計中該傳動采用垂直正交傳動方式小弧錐齒大端直徑的估算：齒輪齒數(shù)設計為Z10=20 Z11=39 齒面硬度Z10為HRC57、Z11為HRC52, （8—1） 式中： —設計齒輪的許用接觸應力 ＝ ＝1200N/mm2 由《機械設計手冊》圖23.2－18查得。 —安全系數(shù) 1～1.2 ?。?.1； u—傳動比也為齒數(shù)比 u=20/39； T1—所受轉距； K —使用系數(shù) 取K＝1.5。 可知 取 ＝120 mm； 則有齒輪大端模數(shù) ＝/z=120/20=6 mm。 其他相關參數(shù)如表8－1，8－2所示： 表8－1 名稱 小弧錐齒Z10 大弧錐齒Z11 分錐角 27.15° 62.85° 齒寬系數(shù) 0.3 0.3 終點模數(shù) 5.1 5.1 中點法向模數(shù) 4.178 4.178 齒寬中點螺旋角 35° 35° 8.2.2 零部件的強度與壽命計算 Z10與Z11的主要參數(shù)見表8－2。齒面硬度Z10為HRC52、Z11為HRC57，錐距R＝131.49mm,節(jié)錐角δ10=2709’,δ11=62051’ 表8-2 齒 號 齒 數(shù) 模數(shù) 變位 系數(shù) 齒寬 材料 齒頂系數(shù) 壓力角 螺旋角 旋向 精度 Z10 20 6 0.29 40 20CrMnTi 0.85 200 350 右 8DC Z11 39 6 0.29 40 20CrMnTi 0.85 200 350 左 8DC 齒輪在各種轉速下傳遞的功率、轉速及轉矩見表8－3 表5－3 功率 KW 轉速 r/min 轉矩 n·m 14.12 234 576.3 14.12 468 288.1 14.19 682.5 198.5 14.02 1170 114.6 1. 齒輪校核公式 按接觸強度校核計算，計算接觸應力： （8—2） 許用應力： （8—3）