毕业设计（论文）-液压潜孔钻机回转系统设计.doc

机械专业本科生毕业论文（设计）题 目 液压潜孔钻机回转系统设计学生姓名 指导教师 学 院 机电工程学院 专业班级 机械设计及自动化 完成时间 摘要目录摘要abstract第一章 绪论1 11引言1 12潜孔钻机的发展与现状1 13潜孔钻机的分类3 14潜孔钻机的优点3 15潜孔钻机的发展趋势4 16潜孔钻机实际应用中出现的问题5 17本设计的选题来源、选题意义及其内容5第二章 回转系统的总体设计7 21回转系统的基本功能7 22参数的选择与确定7 221换位角7 222钻头直径与回转速度7 223回转力矩8 224主要参数的确定8 23回转机构结构选择9 24方案的比较与选择12第三章 主要零部件选择与设计14 31动力机构的选择14 311原动机类型的选择14 312液压马达选型14 32钻机参数的匹配15 321转速16 322扭矩16 323轴推力16 33轴的设计与校核17 331轴的材料17 332确定最小轴径18 333轴的校核18 34轴承的选型与校核18 341轴承的设计选型18 342圆锥滚子轴承的设计选型20 343圆锥滚子轴承的校核21 35齿轮的设计和选型21 351齿轮材料的选择21 352齿轮传动的参数选择22 353齿轮各参数的计算24 354齿轮的校核25第四章 其它结构及辅助装置的设计28 41减振器的选型28 411减振的必要性28 412减振器的类型28 413减振器的选型30 42供风机构30 43轴承的固定30 431轴向定位30 432轴向固定30 433轴向紧固装置31 44轴承的润滑与密封31 441轴承的润滑31 442轴承的密封32第五章 设计总结及展望35 51总结35 52展望35致谢36参考文献37附录附录一：实习报告附录二：设计图纸列表附录三：外文翻译附录四：外文原文摘要摘要通过对大直径深孔潜孔钻机及凿岩技术发展现状的分析，本设计选择了“潜孔钻机回转系统设计”进行研究。本文分析了潜孔钻机的特点及其发展概况，并根据潜孔钻机的工作特点确定了潜孔钻机回转系统的设计方案。回转头工作时，所需要的扭矩和转速通过两个液压马达传递给小齿轮轴，经过减速器减速，再与主轴连接，从而达到工作要求。本论文重点介绍了潜孔钻机回转系统的工作原理，技术参数的确定以及齿轮传动的设计和计算。根据设计所计算出的参数和特点，选择合适的元件，其中包括减速变位齿轮的设计。为了减小经过钻杆传递给回转机构的冲击振动，在本设计中设计一种减振机构。同时，针对大直径高气压潜孔钻机回转机构密封圈座受径向力影响的问题，设计了迷宫式回转密封系统，大大提高了密封系统的可靠性。关键词：潜孔钻机；回转动力头；减速器；密封系统abstractthis paper worked at the subject of this field, the study of the large-diameter blasthole dth drill swiveling head, according to the analysis which the dth drill working performance has an effect on the rock-drilling quality and the present developing situation of the dth drill and rock-drilling technology. this paper have a description of the trait of dth drill and the developing general situation, combining on the basis of working trait of the dth drill, established the design project of the dth drill swiveling head. when the swiveling head working, the torque and velocity past two hydraulic motor hand down to the pinion shaft, transit retarder slowdown, anew to principal axes tie, thereby run up to job description in. the emphases of this paper is the working principle of the dth drill, the confirm of the technical parameter and the design and the calculate of the gear transmission. based on the calculated parameter and trait, selected the right element, including the design of retarder profile. in order to reduce the shocking vibration which transmit from the drill pipe to the slew machine, in this paper, designed a new type of shock absorber. at the same time, aim at major diameter anticyclone long holing machine swinger packing holder under radial force thumb problem, design the clearly labyrinth gyration sealing system, increasing the security of the pressurize greatly.keywords: dth drill；power swiveling head；retarder；sealing systemi第一章 绪论第一章 绪论11 引言 为了获得矿床开采的最佳方法，人们根据矿床的赋存条件，不断的改善各种采矿工艺及相应的凿岩设备。钻凿大直径深孔、装填柱状药包或球状药包进行阶段空场采矿是人们最近发展的采矿工艺，为此，潜孔钻机成为采矿作业的必需设备。潜孔钻机是当前采矿作业广为使用的钻孔机械之一，目前在国内外的金属矿山以及水力、建筑、铁道、煤炭和港湾等工程中潜孔钻机得到广泛的使用127。12 潜孔钻机的发展与现状 自从上世纪50年代初期，第一台潜孔钻机在比利时问世以来，主要应用于露天矿山。到六十年代初期，国外露天矿已经普遍使用潜孔钻机，其中澳大利亚发展最快，到1965年他们已经完全实现了露天凿岩作业潜孔化。六十年代中期，牙轮钻机技术迅速发展。在国外大型露天矿山，潜孔钻机很快被牙轮钻机所取代，但在中小型露天矿，潜孔钻机仍然是主要钻孔设备，并且在结构和性能方面还在不断地完善和发展。经过多年的实践，现已大致制定了潜孔钻机凿岩的工作范围，100170mm的炮孔适合于潜孔钻机凿岩，而165mm孔径的炮孔则被认为是大直径深孔采矿法球状药包爆破的最佳孔径。50年代末期，我国从苏联引进了一批ba-100型井下潜孔钻机及m-1900等型潜孔冲击器，于是潜孔凿岩在我国北方很多矿山得到迅速推广，当时主要用它钻凿100110mm的深孔。60年代初，我国开始自行研制露天潜孔钻机，1964年试制出第一台露天潜孔钻机（yq150型）。后来经过多次更新换代，不断开发研究，才发展为现在的孔径由80250mm的一系列露天潜孔钻机。从而，露天潜孔钻机在我国中、小露天矿获得进一步应用和推广，主要用于钻凿150mm孔径、612m孔深的炮孔。70年代初，加拿大国际金属公司开始改装露天矿潜孔钻机应用于地下矿井进行大直径深孔段空场法和vcr法采矿获得成功。同时加拿大国际镍业公司 与加拿大工业公司（cil）合作创造了使用潜孔钻机的vcr采矿法并获专利权。瑞典atlas copco公司生产的配cop7型冲击器的roc-306型潜孔钻机在vcr采矿法中亦获得成功。70年代使用的潜孔设备有：前苏联产hkp-100m及cby-6型潜孔钻机，瑞典atlas公司产simba-5型及cop6型潜孔钻机。我国早期地下潜孔钻机都是仿苏产品。如yq-100b潜孔钻机及cyq-80潜孔台车等。80年代起，地下采矿用潜孔钻机发展迅速，相继研制出导轨式、自行式潜孔钻车和带有自动控制仪表的高精度潜孔钻机。瑞典atlas 公司制造的promec m188型潜孔钻机，配用cop62型潜孔冲击器以及165mm柱齿钻头，可钻100m深的下向孔和45m深的上向孔。在凿岩平巷中利用激光将钻机定位在准确位置上，激光器安设在巷道的一端，在钻机的右铡有两个靶标作导向用。机上的29型trans tronic侧斜仪可按要求的钻孔方向调定推进器的位置。其它辅助自控装置，可使风压保持稳定，转速平滑，推力恒定，钻凿90mm深孔的偏斜率不到1%。sqz-1型潜孔钻车是我国自行研制成功的适应于“深孔分段爆破掘进天井”钻孔需要的一种潜孔钻机。该车配用j-808b、j-100b潜孔冲击器，钻孔偏斜率小于1%。钻/扩孔直径90/115mm，钻孔深度4050m；其特点是体积小，一次定位后，可钻凿天井范围内所有平行深孔，且造价低，特别适用于中小型矿山。仿瑞典simba-5制造的深孔分段爆破法掘进天井专用设备，由yz-100外回转凿岩机、大框架、小框架及主、副立柱等组成，左右范围180，孔径64102mm，孔深50m以内。tyq-80型潜孔钻机结构与fji-700相似，但液压台车与钻架分离，配用yq-100b钻机、c-100、j-80潜孔冲击器及柱齿式钻头，钻孔直径90mm，扩孔直径110mm,孔深在50m以内，孔偏斜率在1%左右。这两种钻机的特点是一次定位能钻完天井范围内所有平行孔，从而成孔平行率高，孔偏小。缺点是立钻不易，且在安装和钻孔移位时容易发生大小框架和副立柱回转事故。clq15型履带式潜孔钻车，配用qc80潜孔冲击器，适用于露天和井下采矿中深孔凿岩，在普氏系数f=814的中硬岩中，能获得良好凿岩速度，孔径范围为8290mm，经济凿孔深度30 m，是一种新型、先进的凿岩工具。 在进行诸如大孔径凿岩或vcr凿岩时，钻凿的有效性取决于炮孔的准确度。为此，用计算机辅助控制钻机工作提高钻凿炮孔的精确度。计算机通过保持旋转头的方向及钻头恒定的推力来控制钻孔角度及优化炮孔直径。其次是提供最高程度的自动化作业，使凿岩工很少操纵钻机就能实现上述目的。同时，计算机控制还使得钻机能在环境恶劣的地方工作。加拿大国际镍业公司研制的gd-60潜孔钻机通过可编程逻辑控制器（plc）来控制钻机的各种功能：钻架倾角的方位、钻杆接卸顺序以及通过液压、转速、扭矩和定位传感器监测凿岩质量。 进入90年代以来，无论是研制者还是制造商和用户自己，都十分注重潜孔钻机性能的改善与完善。在不断研制新产品的同时，研究人员根据需要赋予不少型号钻机以新的功能。 加拿大正大量使用多功能凿岩穿孔设备，以适应vcr采矿法对高精度、低偏斜、大孔径、深炮孔的要求。由连续采矿系统（cms）公司研制的cd系列潜孔钻机是潜孔与天井钻机的有效结合体。如cms cd-360潜孔钻机配以罗格机械（machines roger）公司的凿岩机具（如v-30），既可钻天井，又能进行潜孔凿岩，这种钻具的优化结合，为采矿界提供了一种有效且经济的钻孔新设备。通过增设钻杆，加大钻孔深度,更换新型高效冲击器及钻头,扩大钻孔的方位范围及配备其它钻具,使yq-150潜孔钻机的性能得以拓展。新研制的sqz-100型潜孔钻机在一定程度上改善了上述不足，对于已建立了空气压缩系统的采矿工区而言，不失为一种经济实用的设备3456。13潜孔钻机的分类目前潜孔钻机的分类方法有很多，主要由以下几种：根据行走方式的不同；根据推进和回转机构工作方式的不同；根据使用地点不同；根据孔径的不同。潜孔钻机的行走方式有履带式和轮胎式两种，以前者属多。行走机构既有液压马达驱动也有柴油机驱动，这两种行走和驱动方式可以任意组合。潜孔钻机的推进和回转方式有风动、风动液压、电动液压三种。根据使用地点的不同，潜孔钻机可分为井下和露天两大类。井下潜孔钻机有kqj-80及kqj-100两种（k为穿孔类的“孔”字头，q为潜孔钻机的“潜”字头，j为井下的“井”字头，数字表示孔径，毫米）。露天潜孔钻机有kq-100、kq-150、kq-200及kq-250等四种。根据孔径的不同，潜孔钻机又可分为轻型潜孔钻机（孔径为80100毫米、机重为数百千克到23吨）；中型潜孔钻机（孔径为150毫米，机重为1015吨）；重型潜孔钻机（孔径为200毫米，机重为2535吨）；特重型潜孔钻机（孔径为250毫米，机重为4045吨）89。14潜孔钻机的优点在发展大直径深孔采矿方法的过程中，主要采用潜孔钻机和牙轮钻机两种类型的钻机钻凿大直径深孔，经过几十年的发展，牙轮钻机只是随着钻机直径的大型化，在作业效率和钻凿中硬岩方面取得了技术上的优势。在中硬岩上如果钻凿孔径小于250 mm时，实践证明牙轮钻头的寿命并不是很理想，但是潜孔钻机的钻头寿命比起牙轮钻机要好。相比较而言潜孔钻机有以下几个方面的优点：1.不需选择岩石类型。无论是在软、硬、极硬岩和各种固结岩层中都可以用潜孔钻机钻凿炮孔。2.可钻斜向孔或任意方向的孔。潜孔钻机作业时不需要对岩石施加较高的轴压，故可设计出钻凿任意孔向的钻机，从而对露天矿的边坡处理、分级开采、制定合理的凿岩爆破工艺参数、减轻地震波对地面的破坏作用及改善爆破质量等作业带来一系列好处。3.可钻较直的孔。由于潜孔钻机的冲击器冲击短而快，故可最大限度地减少破碎岩层、倾斜岩层、裂隙及溶洞的影响，从而能钻较直的孔而且能保持孔壁的完整。4.钻机的钻孔范围大。目前潜孔钻机可钻直径80762mm的炮孔。5.对环境的污染比较小，可以为操作者提供很好的工作环境。钻机冲击器的废气通过钻头清扫孔底，将岩粉从钻杆与孔壁的环形空间排出孔外，并由地面的除尘机构进行处理。6钻杆寿命长。潜孔钻机的钻杆转速低、负荷小，钻杆成本低、寿命长。7钻孔速度高。钻机的冲击器随气压的增大使钻孔速度成倍的增加。8. 可钻凿深孔。因潜孔钻机只需适当的轴压，故可用较小的钻机（重量轻）钻较深的孔，从而可减小矿山贫化的经济损失。15潜孔钻机的发展趋势在我国露天矿山中，潜孔钻机占钻孔设备总数的5060。中小型露天铁矿、石灰石矿和有色金属矿山的钻孔设备绝大多数为潜孔钻机。大型露天金属矿山虽然以牙轮钻机为主要钻孔设备，但在钻边坡预裂孔时也离不开潜孔钻机。国外的情况也一样，许多国家的中、小型露天矿，仍普遍使用潜孔钻机。国内外潜孔钻机仍处在更新和发展之中。1.冲击器潜孔钻机的前途很大程度上取决于冲击器的质量及其性能的提高。冲击器的发展趋势主要有以下几个方面：（1）增加冲击功。提高压气压力是增加冲击功最有效的方法。（2）提高压气能量利用率。（3）改进冲击器结构。根据波动力学理论的研究成果，棒槌形细长活塞的应力峰值小，波的作用时间长，凿岩效果好，钻具寿命长。此外，国内外普遍采用中心配气杆配气和中心排气的冲击器结构，提高排渣和冷却钻头的效果以延长冲击器寿命。2.钻头改进钻头各部分的结构要素和柱齿的分布，以提高钻孔效率；改进硬质合金柱齿的造型和镶嵌工艺。3.钻孔直径国内外潜孔钻机钻孔直径多在80230mm之间。对于井下潜孔钻机，国内外都有高风压、大孔径方向发展的趋势。4.传动方式的发展目前国内外潜孔钻机的回转、推进机构都采用液压马达传动，其承载能力强，可以无极变速和无极调压，以便获得最优的转速和合理的轴压力；此外，起落钻架、稳车、送杆等机构均采用液压传动，从而提高钻机的机械化和自动化程度，进而有利于提高钻机的作业效率。5.其它方面的发展微型计算机在潜孔钻机上的应用已成为必然趋势。美国、瑞典、加拿大、挪威、德国、日本、法国等国家的主要金属矿山采掘设备研究、设计院所和制造公司，相继在潜孔钻机上装备微型计算机或微机处理器，其发展方向是：提高钻孔精确度；提高钻机的工作效率和使用寿命；逐步提高钻机的全自动作业程度，从而大减轻操作工人的劳动强度；在照明差、噪声大以及大气质量差的条件下的钻孔作业部分或全部实现遥控作业；随机收集、处理、显示或自动记录钻孔过程中各种参数的变化情况等。总之，未来的钻机都将配置一套“智能化”系统189。16 潜孔钻机实际应用中出现的问题在实际应用过程中发现，除了钻机本身的制造水平和定位的准确性之外，受到一些客观因素的影响导致了钻孔过程中钻孔发生偏斜，其客观因素主要是钻头轴压力、岩体构造和岩石性质的变化。由于潜孔钻机一般钻孔较深，钻孔过程中必须多次接杆，钻杆质量不断变化，钻头轴压力也发生变化。轴压力过大，会造成钻头回转不平稳，钻头产生飘移，使钻孔发生偏斜。在钻孔过程中，钻头接触的孔底岩石结构和性质具有复杂多变性。当钻头前端工作面同时接触到不同性质的岩石时，会使其受力不均匀，其合力的作用线与钻头轴线不重合，导致钻头发生偏斜。钻孔偏斜过大，不仅造成炮孔底部间距过大或过小，影响爆破效率，导致可采率降低、贫化率上升，也限制了钻孔深度，制约了采矿费用的进一步降低。17本设计的选题来源、选题意义以及内容- 5 -第二章 回转头的总体设计第二章 回转系统的总体设计21回转系统的基本功能潜孔钻机凿岩属于冲击旋转破碎凿岩法，凿岩时冲击器潜入孔内，在压缩空气的作用下，直接不断地对孔底施加冲击力，同时钻具随同钻头主轴转动，这样，冲击器每次冲击后，钻头都会偏转一定的角度，以利下次冲击凿岩。高压气经冲击器做功后，由钻杆与孔壁间隙高速冲击，带走孔内岩石颗粒及粉尘。干净的孔底可避免产生二次研磨，达到延长钻具工作寿命的目的。为了完成上述工作，回转系统必须具备下述功能。 （1）回转 回转头不但要为钻具提供最佳的回转转速及力矩，同时要能承受凿孔及排渣的目的。 （2）供风 高压气从回转头输入，经钻杆至冲击器，完成做功，达到凿岩和排渣的目的。 （3）拆卸钻杆 简易的潜孔钻机，一般都采用人工拆卸钻杆；自行式潜孔钻机大部分都采用回钻头与钻机配合自动卸杆111213。22参数的选择与确定2.2.1换位角 冲击器两次冲击间钻具转动形成的扇形夹角称为换位角。换位角太小，浪费冲击功，钻机生产效率低；换位角太大，钻头一次冲击不能完全破碎，不但生产效率低，且钻头磨损加剧。可见要提高生产效率，必须要保证具有最佳的换位角。影响换位角的因素很多，诸如岩石物理机械特性，冲击器的冲击频率、冲击功，钻具的轴向压力，钻头的大小、类型等等。遗憾的是还没有一种精确计算换位角的方法，在通常的设计中，人们往往只采用经验公式和类比法进行选择111213。2.2.2钻头直径和回转速度表21列出的是钻头直径与回转头转速的关系，可供参考。值得提出的是在我国早期的潜孔钻机设计中，常常把回转头回转速度定的偏高，殊不知偏高的转速反而降低机器的生产效率。例如qzj100b潜孔钻机，用105钻头，回转速度90 r/min，改进后定型为hr100k,仍用105的钻头，回转速度降为40 r/min，实际生产表明，改进后的钻机效率大为提高，钻头损耗也随之下降，真正达到了高效低耗的目的111213。表21 回转速度、回转力矩与钻头直径的关系钻孔直径d（mm）100150200回转速度n (r/min)304015251020回转力矩t(nm)50010001500300035005500钻头大小是决定回转头转速的关键因素，但考虑到其他一些因素的影响，性能好的钻机回转头在一定范围内可无级调速，有经验的操作人员可以根据钻具冲击的声音和凿进速度，调取最佳回转速度，以达到最好的功效111213。2.2.3回转力矩回转头所需的力矩主要用来克服：（1）岩石钻具的剪切阻力；（2）钻具与孔底的摩擦力；（3）钻杆与孔壁间摩擦力（包括岩石不稳定时的卡阻力）；（4）卸杆时，钻杆螺纹副的摩擦力。在设计中，主要依据钻头直径选取回转力矩，其关系见表21。实际上，钻具顺利凿岩时所需回转力矩比表21列出的要小许多，要选取足够大的后备力矩基于两个原因：（1）用于克服卡钻；（2）拆卸钻杆时，拧松螺纹力矩比拧紧时的大，因此，回转头的反向力矩大于正向力矩，一般大1312，甚至更大。设计中，必须重视这一问题，否则会产生因回转头反向力矩不够，致使转杆上的螺纹无法拆卸的现象111213。表22 是国内外几种潜孔钻机回转头有关性能参数，在设计中可以参考。表22 是国内外几种潜孔钻机回转头的性能参数型号roc306cmm2t150hr100kpromecm177swd165凿孔直径（mm）105216105165150216105115150216152回转驱动方式风马达液压马达液压马达气马达液压马达液压马达回转速度n(r/min)03005003040030050回转力矩t（nm）200044205600560035002.2.4主要参数的确定根据设计任务书的要求，本设计的内容是设计一套一体化潜孔钻机的回转系统，该系统包括动力机构，减速机构和连接件。根据潜孔钻机的功能要求确定主要的技术参数如下：钻孔直径：200 mm转速钻具：050 rpm回转扭矩：6000 nm提升下降速度：2025 m/min提升力：10 t钻孔最大功率：45 kw23回转装置结构选择潜孔钻机是以潜孔冲击器即钻头的冲击和回转运动破岩钻孔的一种冲击回转式钻孔机械。回转动力装置的功能是使钻具产生破岩所需的回转运动和回转力矩，同时使钻具轴向推进。回转动力装置是潜孔钻机最重要的部件，其性能直接影响钻机的生产率、钻机效率和作业成本。根据潜孔钻机的工作环境，转速要求及各种负载要求，为了给工作部件提供平稳的转速，满足扭矩要求，本设计机构中的转速及扭矩由动力机通过减速机构减速传给工作轴来实现。根据设计任务要求，参考市场上现有的潜孔钻机回转动力系统动力机和减速机构以及相关的文献，提出以下的几种总体功能原理方案17111213。方案一：电机驱动回转电机与回转减速器用弹性联轴节连接，回转减速器与供风回转器用一组螺栓连接。回转电机、回转减速器及供风回转器三者连接成一个整体，再将其固定在可沿转架导轨滑动的滑板上。回转减速器可用普通圆柱齿轮减速器、行星轮减速器，也可以用针齿摆线轮减速器8，如图2-1所示：1.供风回转器 2.回转减速器 3.送风弯管 4.弹性联轴节 5.回转电机6.平衡接头 7.滑板8.钻架 9.钻杆 10.提升链条图2.1 电机驱动回转头方案二：气马达驱动采用气马达驱动，三级行星轮减速器减速。适合于比较危险的工作场合。方案三：多级齿轮传动，如图2-2所示：1.大齿轮 2.小齿轮 3.花键齿轮轴 4.轴承座5.工作主轴 6.行星齿轮图2-2 方案三原理图此方案采用多级齿轮传动来实现减速。机构动力由2个动力机通过联轴器传到齿轮6，再由花键齿轮轴3于大齿轮的传动经过大齿轮2及齿轮1来实现减速。方案四：多级行星齿轮式，如图2-3所示。 1.行星齿轮系小齿轮 2.行星齿轮系 3.行星齿轮系 4.小齿轮5.大齿轮 6.主轴图2-3方案四原理图该大扭矩减速回转器的主要构件为：主轴、大齿轮、小齿轮、行星轮减速机构。通过主轴中心对冲击器供气。两台动力机带动回转器转动，通过行星轮减速机构、小齿轮和大齿轮，最终通过主轴将马达的扭矩输出。此方案是由2个动力机带动，很好地解决了主轴扭矩的要求。高速马达在经过行星齿轮系的大幅减速后传到小齿轮上的速度有较大范围的降低。行星系齿轮的设计采用标准齿轮的设计。降低的速度再经过一级齿轮减速机构的减速最终传到工作部件-主轴。通过一系列的减速后，速度降低，但扭矩并没有降低，从而能保证扭矩的要求。方案五：如图2-4所示图24双马达驱动回转头当要求回转头输出力矩很大，而单个动力机不能满足要求时，往往采用两种办法解决：（1）采用两个马达并联输入动力；（2）采用多级减速器，如采用二级行星减速器。此方案就是采用了两个液压马达，分别由两个小齿轮对称输入动力，驱动中心大齿轮。由于一级减速后，回转力矩已满足要求。故直接由大齿轮输出力矩。一些用两个气动马达为动力的回转头，经过一级行星减速器后，转速仍过高，力矩过小。故又在后面增加一级定轴减速。由此可看出此方案在设计时考虑深度广。同时，在这个方案中所选的马达为液压马达。液压马达的类型很多，在设计时能有多面性。方案采用低速大扭矩液压马达，完全能符合设计的各个参数要求。采用的两级减速装置，在结构上也较为合理，节约了多级齿轮系在生产加工时各种要求，降低了成本89。方案六，如图2-5：图2-5中心进风回转头从图看出，此方案结构简单。回转动力头工作主轴所要求的转速和扭矩直接由一个动力机直接传到主轴上。但由于回转动力头的工作主轴在作业时通常是受到严重轴向冲击力。因此，动力机将会受到很大的冲击力，这样使得动力机容易受损，大大地降低了其使用寿命，不适合在我国现在的矿山行业中使用89。方案三、四和五的共同点是都采用了两个动力机来实现工作主轴的动力要求。同时也采用了不同等级的减速机构来实现转速和扭矩的传递。而方案五的设计比较独特，具有新颖性。24方案的比较与选择比较以上六种方案，在方案一中如果选用合适的减速器会有传动比大，体积小的优点。但是要实现这样的传动就必须有外部能源，即要有外界电源。在一体化的液压潜孔钻机中用这个方案显然是不合适的。方案二中因采用三级减速机构，齿轮的结构较为复杂，同时要求加工的精度也增高，各种防尘装置的密封性不可忽视。结构的复杂和精度的要求使得齿轮的加工必须反复的校正和加工，这样使得加工成本增高，不利于大量生产。因此这种装置也不常使用。方案三中机构的优点在于它的齿轮传动设计独特性，采用滚针传动和花键齿轮传动。动力由动力机输入到行星齿轮系进行减速，再于主轴连接来满足工作主轴的要求。不过在行星齿轮系的设计中，因采用三级减速机构，齿轮的结构较为复杂，同时要求加工的精度也增高，各种防尘装置的密封性不可忽视。结构复杂和精度要求使得齿轮的加工必须反复的校正和加工，这样使加工成本增高，不利于大量生产。另外，由于工作主轴与齿轮的连接是悬臂布置，在回转动力头工作时，轴上受到的冲击力将使轴产生横向变形，长期工作后，轴将会与机构内部的其他部件发生摩擦和冲撞，损坏内部结构。方案四中，两个动力机的动力通过精密的行星齿轮系的减速传动给工作轴。此方案重要的部件就是行星齿轮系的设计。在行星齿轮系中有一个齿轮为齿轮轴，其要求的加工精度和齿轮重合度非常高。同时，动力机高速输入动力给行星齿轮系机构，行星齿轮系的润滑极为重要。在设计、加工时同样难以保证其能正常安全地工作。而且，在实际的工作环境中，不利于拆装和更换润滑剂。方案五同样具有以上两个方案的减速机构的特点，但其只采用了二级减速机构，在不失工作主轴要求的各项参数的情况下，降低了减速器结构的复杂性和内部零件反复多次的加工校正。另外，在减速机构中采用了变位齿轮的设计，小齿轮齿数小于17，避免产生严重的根切，同时又能满足齿轮传动的重合度。在工作主轴上套着一个大齿轮，大齿轮和小齿轮之间的齿数比比较大，从而使得在各种复杂环境条件下，可以通过调节动力机的功率来实现大范围的动力变动。这在目前我国的矿山行业是是最常使用的，也是最经济的设计。方案六特点是机构简单。但是工作的环境会有所限制，在非常坚硬的岩石环境下工作不能发挥它的优点，不能满足本次设计的要求。上述的三种方案的结构都很相似，但通过比较可知，方案五的优点最突出，因此本回转动力系统的设计选用方案五。- 13 -第三章 主要零部件的选择与设计第三章 主要零部件的选择与设计31 动力机构的选型3.1.1原动机类型的选择能提供动力的能源装置通常有：电机、马达。电机又分为直流电动机和异步电动机。直流电动机具有调速平滑，调速范围大过载能力大；可实现频繁的启动、制动和反转，能满足自控翕动中特殊运行要求等特点。异步电动机具有结构简单、使用和维护方便，运行可靠等特点，其成本仅为同功率、同转速直流电动机的1/21/3。但是，考虑到潜孔钻机的工作环境和整个机器的能源提供条件，电机不适合作为潜孔钻机回转系统的动力机构。马达又分为气动马达和液压马达。气动马达是把压缩空气的压力能转换为机械能的能量转换装置，其作用相当于电气传动中的电动机，或液压传动中的液压马达。但是，气动马达（尤其是叶片式）体积大，力矩小及转速高，不能直接与针摆减速器连接（针摆减速器的最大允许转速1500/min，转速过高，运动所受动载荷大，磨损严重，寿命降低），需要配用大速比的减速器；并且压气驱动噪音大，在作业中严重影响操作者身体健康。与气动发达相比液压马达有以下特点：（1）可以无级调速；只要控制进油阀的开闭程度，即控制油的流量，就能调节马达的功率和转速，并可得到较高的转速；（2）可以正转反转。在正反转换向时冲击很小。气动马达反转工作的一个主要特点是它具有几乎是瞬刻升到全速的能力，停转也迅速；（3）工作安全：在具有爆炸性瓦斯的工作场所，无引火爆炸的危险。同时不受到震动和高温的影响；（4）有过载保护作用：过载时马达只是降低转速或停车，动过载解除后即能重新正常运转，并不产生故障；（5）具有高的起动力矩，可以直接负载起动；（6）结构简单，工艺性好，体积小，重量轻，维护方便，使用寿命长。此外液压马达能实现低速大扭矩传动，噪音小且效率高，当配以合适的液压系统后，可达到优良的无级调速功能，达到正反转一定比例的回转力矩。虽然气动马达有单位重量轻等优点，但其转速高、启动及低速性能差，不适合经常卡钻的工况及恶劣的施工条件。从国内外发展趋势来看，液压驱动无疑是今后潜孔钻机回转系统的优选方案。3.1.2液压马达的选型结构参数参考：钻具转速：050rpm回转扭矩：6000 n m钻孔最大功率：45 kw由于方案五中的动力采用两个原动机来实现动力的供给，所以所要选的液压马达的扭矩应在0到3000 nm的范围内。根据资料，选用2k系列低速大扭矩摆线液压马达系列。该系列马达采用补偿式端面配流结构，其输出轴采用二圆锥滚子轴承，该系列马达具有较大的排量和较高的输出扭矩，效率高，工作安全可靠，广泛应用于工程机械，石油机械，矿山机械等行业。技术参数表：表31 2k系列低速大扭矩摆线液压马达技术参数表排 量 ml/r80100130160195245305395490转速rpm连续799742576477385308246191153间断908924720713577462365335230流量lpm连续757575757575757575间断759595115115115115130115扭矩n.m连续235295385455540660765775845间断345445560570665820885925930压力mpa连续20.520.520.520.520.520.520.515.212间断313131262626241914峰值3131313131313122.517允许最大背压mpa14注：1.应避免同时在最高扭矩和最大转速下使用马达；2.超过允许背压时，应接外泻管，并保证马达内腔总能充满液压油；3.推荐用油：68抗磨液压油，工作条件下的粘度不低于13cst。过滤精度：iso1813。4.最大入口压力和最大回油压力差为31mpa,但工作压力差应符合性能表中的要求。5.马达运转前应检查系统各元件是否连接正确，油液通过过滤器到指定高度，并无负载运转1015分钟，检查系统是否有噪音等，确认系统正常后，应在额定压力的30下运转约1小时，确保在满负荷工作前马达内充满液压油。根据表31参数，经过比较分析，多重考虑，选用额定扭矩为660 n m，额定转速为308rpm的液压马达作为回转头的动力机。32 钻机工作参数的匹配潜孔钻机的主要工作参数有钻具转速、扭矩及轴推力,这些参数的大小及相互匹配直接影响钻孔速度及钻孔成本，因此，合理选择这些参数是正确有效使用潜孔钻机的关键。3.2.1 转速钻具转速的合理选择对于减少机器振动、提高钻头寿命和加快钻进速度都有很大作用。转速的大小应能保证钻头在两次相邻冲击之间的转角最优，此时钻头单次冲击破碎的岩石量最大，凿速最快。最优转角的大小主要取决于钻孔直径、钻头结构以及岩石性质。因此,选择钻具转速必须依据钻孔直径、钻头结构、冲击器频率以及岩石性质。根据国内外的生产经验，钻具转速推荐值见表32。表3-2 钻具转速推荐值钻头直径d（mm）回转转速n(r/min)100304015015302001020250815表3-2 仅列出了回转转速与钻孔直径的关系，从中可以看出钻孔直径越大，回转速度越慢。同时，确定回转速度还必须考虑岩石性质和冲击器频率。岩石越硬，回转速度应越低；频率越高，转速也应该提高，因此，硬岩、低频选上表中的下限，软岩、高频则取上限。在钻进操作中，必须正确选择钻具的回转速度，回转速度过大，单次冲击岩石破碎量将会减小，不仅导致钻进速度降低，还会加速钻头的磨损；回转速度过小，则浪费冲击功，加大破碎功比耗，同样会降低钻进速度。3.2.2 扭矩在正常钻进过程中，钻具的回转扭矩主要用来克服钻头与孔底的摩擦阻力和剪切阻力以及钻具与孔壁的摩擦阻力。钻具阻力矩与钻孔直径、孔深均成正比。在整体性比较好的岩石中，正常钻进所需的扭矩并不大，孔径在150mm 以下的钻进阻力矩一般为1000 n m 左右。这样做主要是为了卸杆和防卡钻。扭矩越大，卸钻杆越容易，防止卡钻的能力就越强，能钻孔的深度也越深。在节理比较发育的破碎带中钻进，一定要选择扭矩比较大的钻机，大孔径深孔凿岩作业的回转扭矩也要选择高一些。3.2.3 轴推力轴推力是潜孔凿岩的一个非常重要的参数，它选择是否恰当，不仅对钻头寿命有影响，更重要的是直接影响钻孔速度。轴推力过大，不仅会导致回转不连续而产生回转冲击，还会导致孔底钻屑过度破碎，产生能量浪费，影响钻孔速度，同时，还会加速钻头的磨损；轴推力过小，钻具反跳加剧，钻头不能紧贴孔底，使冲击能量不能有效作用到孔底岩石上，影响凿岩效率，同时，还会加速钻机及钻具的损坏。轴推力不等同钻机的推进力，它是推进力与钻具重量的矢量和。最优的轴推力不仅与钻孔直径有关，还与岩石性质有关。表3-3为不同钻头直径下的轴推力推荐值。从表3-3 可看出:钻头直径越大，最优轴推力也越大。同时，岩石性质对最优轴推力也有影响，岩石越坚硬，最优轴推力也越大，在表3-3 中取上限，反之取下限。表3-3 不同钻头直径下的轴推力钻头直径d(mm)最优轴推力f(n)1004000600015060001000020010000140002501400018000 根据表33选定钻头直径d=200mm时的最优轴推力f=1000014000n。33 轴的设计与校核3.3.1 轴的材料轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛，其中最常用的是45号钢。合金钢比碳钢具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。但是，在一般工作温度下（低于200），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此在选择钢的种类和决定钢的热处理办法时，所根据的是强度和耐磨性，而不是轴的弯曲或扭转刚度。但也应当注意，在既定条件下，有时也可选择刚度较低的钢材，而用适当增大的轴的截面面积的办法来提高轴的刚度。各种热处理（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）以及表面强化处理（如喷丸、滚压等），对提高轴的抗疲劳强度都有显著的效果。综合考虑下，本文选择40cr作为回转轴的材料。经调质处理后硬度为241286hbs。该材料一般用于载荷较大的重要轴，非常适合回转轴工作的工况。3.3.2确定最小轴径p=45kw n=050rpm 回转扭矩：约为6000nm对于空心轴有 查表得 97取 0.5查机械设计手册可得空心轴的求得 mm当轴截面上有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱，所以将d增大57，所以取dmin=1.0693.6100mm。3.3.3轴的校核由于轴主要受扭矩的作用，虽然键槽、轴肩及过渡配合所引起的应力集中均将削弱轴的疲劳强度，但是由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕的确定的，所以无需校核、从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，过盈配合引起的应力最严重，但是过盈配合处的轴径较大，故不必做强度校核。由机械设计第三章附录可知，键槽的应力集中系数比过盈配合小，所以该轴不需校核。由于本设计中无严重的应力循环不对称性，故也可以略去静强度校核。34 轴承的选型和校核 3.4.1轴承的设计选型选用轴承时，首先是选择轴承类型。正确选择轴承类型时应考虑如下主要因素：（一）轴承的载荷轴承所受载荷的大小、方向和性质，是选择轴承类型的主要依据。根据载荷的大小选择轴承类型时，由于滚子轴承中主要元件间是线接触，宜用于承受较大的载荷，承载后的变形也较小。而球轴承中则主要为点接触，宜用于承受较轻的或中等的载荷，故在载荷较小时，应优先选用球轴承。根据载荷的方向选择轴承类型时，对于纯轴向载荷，一般选用推力轴承。较小的纯轴向载荷可选用推力球轴承；较大的纯轴载荷可选用推力滚子轴承。对于纯径向载荷，一般选用深沟球轴承，圆柱滚子轴承或滚针轴承。（二）轴承的转速 从工作转速对轴承的要求看，可以确定以下几点： 1.球轴承与滚子轴承相比较，有较高的极限转速，故在高速时应优先采用球轴承。 2.在内径相同的条件下，外径小则滚动体就越小，运转时滚动体加在外圈滚道上的离心惯性力就越小，因而也就更适于在更高的转速下工作。故在高速时，宜选用同一直径系列中外径较小的轴承。外径较大的轴承，宜用于低速重载的场合。3.保持架的材料于结构对轴承转速影响极大。4.推力轴承的极限转速均很低。当工作转速高时，若轴向载荷不十分大，可以采用角接触球轴承承受纯轴向力。（三）轴承的调心性能选用时尽可能保证轴承在轴于轴承座孔的轴线有不大的相对偏斜时仍能正常工作。同时在轴的刚度和轴承座孔的支承刚度较低时，应尽量避免使用圆柱滚子轴承和滚针轴承。根据上述分析，小齿轮轴的轴承内侧选用gb/t283-1994 圆柱滚子轴承nu 206e(表3-4),外侧选用gb/t283-1994 圆柱滚子轴承nu209e(表3-5)。大齿轮上套用gb/t283-1994 圆柱滚子轴承nu1026(表3-6)。主轴上采用gb/t299-1995 型号352028 x2 圆锥滚子轴承(表3-7)。表3-4 圆柱滚子轴承nu206e的技术性能参数型号内径d(mm)外径d(mm)宽度b(mm)动载荷cr(kn)静载荷cor(kn)极限转速n