33+200米液压钻机变速箱的设计(论文+DWG图纸)
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黑龙江科技学院 毕业设计（论文）任务书 姓名： 任务下达日期： 年月日 设计（论文）开始日期： 年 月 日 设计（论文）完成日期： 年 月 日 一、设计（论文）题目： 200 米液压钻机变速箱的设计 二、专题题目： 轴工艺规程编制 三、设计的目的和意义： 钻机是进行大陆科学钻探 地质勘探研究 的重要设备和工具，对钻机设计制造技术的研究关系到钻探工程的发展，意义重大。本项 目的研 究目的，是要在对钻机功能结构认识的基础上从最经济的角度对钻机变速箱的结 构进行优化并重新进行设计改进，以节省生产成本，提高有钻机的使用寿命 。 同时，希望通过本次设计，复习和巩固大学四年来所学到的专业知识，掌握机械行业工作要求的基本知识和技能，为走上工作岗位奠定一个良好的基础。 四、设计（论文）主要内容： 200 米钻机变速箱整体设计，变速箱中重要传动轴的加工工艺规程的编制，钻机绞车的结构简要设计，回转器的工作原理简单了解。绘制变速箱、绞车，钻机整体装配图和变速箱、传动轴零件图。 五、设计目标： 通过毕业实习了解液压钻机的基本结构和工作原理，重点对 200 米钻机的变速箱进行设计计算，使之理论上满足 200 米深度的钻探要求。对传动轴的加工工艺规程进 行规划，使之满足设计的要求。通过设计，简单了解绞车和回转器的结构，掌握绞车和回转器的工作原理。通过绘制装配图和零件图，熟练掌握 件的用法。 六、进度计划： 、 4、 5 周，进行毕业实习，通过深入工厂实地了解、看书查资料、上网等各种途径对设计题目进行比较详细的了解。 周进行钻机的整体传动计算，包括 各轴的输入输出功率计算。 、 8 周进行变速箱的传动计算，包括齿轮传动、几何参数和轴的转速传动计算。 至第 14 周，绘制钻机、变速箱和绞车装配图，绘制箱体、花键轴零件图。 5 周，轴的加工工艺规程编制。 6 周，翻译外文资料。第 17 周，打印说明书、 图、准备答辩。 七、参考文献资料： 1 王秉晋 2 型油压钻机知识 质出版社， 1978： 80 2 赖海辉 北京：冶金工业出版社， 1985： 23 3 沃兹德维任斯基 北京：地质出版社， 1985： 75 77 4 陕西省地质局 北京：地质出版社， 1977： 56 57 5 濮良贵，纪名刚 北京：高等教育出版社， 2001 6 甘永宁 上海：上海科学技术出版社， 2001 7 李文双，于信伟，苏发 哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2004： 326 8 龚桂义 2 版） 等教育出版社， 1990 9 孙明主 ） 龙江人民出版社， 2000： 142 172 10 孙德音 北京：机械工业出版社， 2001 11 章日晋等编 北京：机械工业出版社， 1987 12 孙桓，陈作模 六版） 等教育出版社， 2000： 327 13 李喜桥 北京：北京航空航 天大学出版社， 2003 14 陈隆德 大连：大连理工大学出版社， 1988 15 徐溥滋，陈铁鸣，韩永春 北京：化学工业出版社， 1980 16 胡家秀 北京：机械工业出版社， 2004 17 李益民 北京：机械工业出版社， 1993： 223 227 指 导 教 师： 院（系）主管领导： 年 月 日 I 摘要 随着我国地质勘探、工程建设和农田水利等事业的发展，对各种钻探设备提出了更多的要求。钻机作为钻探设备的重要工具之一，在这些工程中起了举足轻重的作用。为了适应当前各种勘探工作和工程建设项目对浅孔钻机的要求，本设计任务在 钻机的基础之上进行了一些改进，设计出了钻探深度为 200 米的液压钻机。设计中根据钻机使用的环境和场合，运用比较和参照的方法，借鉴同类型钻机的设计参数，通过比较分析，重点对变速箱重新进行设计计算。在此基础之上运用绿色设计的理念，对不影响钻机性能的环节进行了优化。最后，设 计出的 200 米钻机理论上满足钻探深度为 200 米的设计要求，同时尽量节省了制造成本和生产时间。 关键字 地质勘探 钻机 变速箱 of in of in in to on on a a as 00 to of of of 00as my At on of of to of it on of to of 00 in it as as 1 第 1 章 绪 论 选题的意义 本设计选择了 200 米钻机的变速箱设计，主要原因是当前我国地质勘探、工程建设和农田水利等事业正在逐渐完善，对各种钻探设备尤其是钻机提出了更多的要求。现在市场上 流行 的钻机中 以钻探深度为百米左右的液压 钻机为主，这些钻机在承担各种生产建设 项目 中起到了至关重要的作用。但是，我们 通过 调查和了解发现，随着生产建设项目的扩大，市场对上钻探深度为几 百米的液压钻机的需求量正在逐步上涨， 尤其是钻探深度为 200 左右的钻机，市场前景更加乐观。 变速箱是钻机中最重要的部分之一，通过对钻机变速箱的设计改进，就解决了钻机设计制造中的关键环节。 所以，选择 200 米液压钻机 变速箱 的设计不仅对钻机这个 生产 行业 有着重要的经济意义，同时间接推动了我国国民经济的发展，意义十分重大。 钻机概述 钻机的功用 钻探是地 质勘探工作的重要手段之一。钻机是实现该手段的主要设备。其基本功用是 以机械动力带动钻头向地壳钻孔并采取岩矿心。钻机同时还是进行石油、天然气勘探及开采、水文水井钻探、工程地质钻探等工程的重要设备。 对钻机的要求 钻机的技术性能要保证在施工中能满足合理的工艺要求，以最优规程，达到预计的质量要求；维护保养简单容易；安装拆卸搬迁方便；利于快速钻进；钻进辅助时间短；钻孔施工周期短；体力劳动强度低等。概括起来说，是钻机要为多、快、好、省地完成钻探生产任务创造有利条件。 根据钻机的基本功用，对 钻机具体要求如下： 钻头具有适合钻进规程需要的转速及调节范围，以便有效地破碎岩石； 有相当的调整范围，使钻 2 头有效地切入或压碎岩石； 证连续钻进； 能随着钻具重量的变化而改变提升速度，以充分利用动力机的功率和缩短辅助时间； 标旧响应深度的直径的钻孔，以满足钻孔设计的要求和提高钻进效率。 钻机的组成 目前常用的钻机由如下各部分组成： 将输入的动力变速并分配到回转、升降机构。 对与液压钻机还要有驱动油泵，以使液压系统工作的装置。 利用油泵输出的压力油驱动马达、油缸等液动机，以使立轴回转和控制给进机构、移动钻机、松紧卡盘等； 回转钻具，以带动钻头破碎孔底岩石。 调整破碎岩石所需要的轴心压力和控制给进速度。在出现孔内事故时，可以进行强力拔出。 用于升降钻具（提取岩心和更换钻头）和进行起下套管等作业。 支承上述各机构及系统，使之组装成一个整体，成为完整的机器。 钻机的分类和名称 随着钻探工程在国民经济各部门中的广泛应用，钻机类别和型号也在增多。为此将钻机实行科学分类和确定名称，对识别、评价和选择钻机是很有意义的。 按用途分类 3 按用途不同，可将现行广泛使用的钻机分为三大类，即地质勘探用岩心钻机；石油钻探用钻机；专用钻机（水文水井钻机、物探钻机、工 程钻机等）； 按钻机标准钻进孔深分类 根据不同孔深范围，将各种不同钻进孔深的钻机分成三类或四类。 按三类分见表 1 1。 表 1 1 (m） 类别 浅孔钻机 中深孔钻机 深孔钻机 10 300 10 300 300 800 300 800 800 1200 1000 2000 按四类分类见表 1 2。 表 1 2 （ m） 浅孔钻机 次深孔钻机 中 深孔钻机 深空钻机 10 150 200 400 500 800 900 以上 按原来地质总局设备管理分类 钻机可分为六类，即浅孔钻机、岩心钻机、石油钻机、水文水井钻机、汽车钻机和砂矿钻机 ； 按装载方式分类 可以分为滑橇式、卡车式、拖车式； 按破碎岩石方式分类 可分为回转式、冲击式和冲击回转式； 按回转机构型式分类 可分为立轴式、转盘式、动力头式； 按进给机构分类 可以分为手轮（把）式、油压式、螺旋差动式、长油缸 式、油马达 链轮式。 钻机的名称是按照钻机综合特征及主要性能，以汉字拼音 字母及数字编排成的代号来表示的。通常把这种代号称为型号，并以铭牌指示在钻机上。 国产钻机名称一般有三部分组成： 首部为用途 类别和结构特征代号，用汉语拼音中的一个字母表示。如“ X”是汉字“心”的拼音首 字母，表示钻机用于岩心钻进。 “ U”是汉字“油”的 4 首字母，表示给进机构类型属于油压式。 中部为主要性能参数代号，用钻机标准钻 进深度数字表示。如标准钻进深度为 200 米的钻机，中部代号为 200。 尾部为变型代号，可用汉语拼音字母中的一个字母或数字为代号。无尾部的是指首次产品。 如是第二次修改后的产品，尾部代号为 2。 设计主要 内容 目： 200 米液压钻机变速箱的设计 主要技术参数：见表 1 1 表 1 1 钻探深度 200m 立轴转速 120、 240、 350、 600r/孔直径 89孔直径 60机角度 0 360 5 第 2 章 钻机的总体设计 本设计钻机的应用场合 200 米 型钻机主要用于钻探深度为 200 米的各种角度的放水孔、地质构造孔、灭火孔、抽放瓦斯孔及铁路、公路、桥梁、隧道、国防建设、工业民用建设、农田打井及地质勘探、工程爆破以及其它用途的各种工 程孔。 该机可用于不同硬度的岩石中钻探任何角度的钻孔，而在煤层、软岩层、硬岩层中钻孔和农田打井时效率为最高。整个机组由两部分组成，即 200 米钻机、 150/浆泵。钻机冲洗液为泥浆或清水。在地面钻探不需要使用钻塔，只要有一定高度的三角架可供提升使用就可以。 本 200 米 钻机配备动力为电动或柴油机，适用于井上、井下或野外没有电源的场地作业。 计方案的确定 本设计钻机的特点 通过市场调研了解到，目前钻探工程对钻孔深度 200 米左右的钻机需求量日趋增加，而当前的 200 米钻机，存在着劳动强度大、适应性差等缺点。鉴于以上原因，我们决定改进 200 米钻机。经几次方案讨论决定，钻机应具有以下特点： 1. 经济耐用可靠、质优价廉； 2. 便于解体搬运； 3. 体积小，重量轻； 4. 操作简单，维修方便； 5. 适用于 42、 50种钻杆； 6. 适用于合金钻头或金刚石钻头钻进； 7. 钻进速度快，效率高； 8. 动力为电机或柴油机。 6 总体设计方案的确定 经过调研和几次方案论证，考虑到现场特点，从实用角度出发，确定方案如下： 上和野外作业，动力可选电机或柴油机 ； 岩石 的钻进，除了正常的钻进速度外，增加高速600r/ 加了液压卡盘减轻劳动强度，节约时间，提高有效钻进速度 ； 车速度不能太快，所以增加了互锁装置，安 全可靠； 力由 V 型带传动到变速箱的传动轴上易使传动轴弯曲，所以增加了卸荷装置； 速箱，减少变速箱体积，根据不同的地质条件，选用不同的钻进速度； 量结构简单，操作方便，适于整体或解体搬运。尽量做到标准化 , 通用化，系列化。 钻机的技 术特性和要求 考虑到钻机的实际工作情况，根据我国当前生产技术和工艺水平，本200 型钻机的技术特性为： 使用 42 或 50 钻杆 ) 200m 开孔直径 89m 终孔直径 60 0 360 120、 240、 350、 600r/ 500 4 簧常闭式液压卡盘） 6 52 7 20 s 33、 79、 91r/ s s s 12直径 140宽度 100m 钢丝绳直径 容绳长度 电动机 型号 4 电压 380/660V 功率 15转速 1460r/8 第 3 章 动力机的确定 输出功率计算 根据现场需要，动力机的选择偏大些， 加大储备系数，这样可以提高钻进效率。 输出功率为0.1 3 1） 式中： 钻机所需功率 ( 式中 : 回转钻 及破坏岩石、土层 所需功率 ( 效率 =0.9 油泵所需功率 (回转钻进及破碎岩石、土层所需功率 回转钻进及破碎岩石、土层所需功率计算公式如下： 2 3N N N（ 3 2） 式中 : 1N 井底破碎岩石、土层所需功率 (1N= 343060000Am n h 式中 : m 钻头切削刃数 取 m=6 n 立轴转速 （ r/ r/h 钻进速度 (cm/ 当转速 130r/250r/ ,h=5cm/转速 350r/600r/ ,h= 岩石抗压强度 ,其值见表 3 井底环状面积，取钻头直径 D=孔直径 d= 2 2 2( ) ( 7 . 7 5 . 9 ) 1 9 . 344 9 2N 钻头与孔底摩擦所需功率 (2 ()1944800f e r （ 3 3） 式中 : 孔底压力或岩石抗压强度 ； f 钻具与岩石直接的摩擦系数 f=0.5 e 侧摩擦系数 e=1.1 n 立轴转速 (r/R 钻头外圆半径 ( R=r 钻头内孔半径 ( r=立轴不同转速和不同孔底压力代入式 （ 3 3） 中 ,所得相应数值见 表 3 1。 3N 回转钻杆所需功率 (当 n 200r/ 1 1 2 1 . 3 33 0 . 9 2 1 0N d r L n 式中： L 孔深 (， 硬质合金钻进时，取 L 200000刚石钻进时，取 L 75000mm d 钻杆直径 ( 取 d =50mm n 立轴转速 (r/r 冲洗液比重 , r =上述参数及立轴不同转速代入上式，所得值列表 3 2 中。 10 给进油缸所需功率的计算 给进油缸的基本参数 1. 给进油缸的基本参数 给进油缸的数量 n 2 油缸直径 D 55活塞杆直径 d 30活塞杆有效行程 L 500油缸面积 1A 活塞杆面积 2A 7有效面积 12A A A 油缸工作压力的计算 钻机大水平孔时，油缸的最大推力为： F式中： W 油缸最大推力 (N) C 孔底最大压力 (N) C 13345N 钻杆与孔壁间的摩擦力 (N) mF q L f 式中： q 钻杆单位长度重量 (N/m) q m L 钻杆长度 (m) L 200m f 摩擦系数 f 5 . 4 6 2 0 0 0 . 3 5 3 8 8 2 . 2 N 故 1 3 3 4 5 3 8 8 2 . 2 1 7 2 2 7 . 2W N 油泵的工作压力 P 11 1 7 2 2 7 . 2 1 0 . 2 81 6 . 7 6 油泵最大工作流量计算 油缸回程时的最大容油量 : 11 2 3 . 7 5 5 0 1 . 1 8 7V A L L 油缸送进时的最大容油量 : 2 1 6 . 7 6 5 0 0 . 8 3 8V A L L 当选用立轴的钻进速度 v = ,立轴送进时每分钟所需的油量为 : 2 2 0 . 1 6 7 6 0 . 5 0 . 1 6 6Q A v L/令活塞回程时间为 回程所需油量为 : 1 1 . 1 8 7 2 7 . 9 1 30 . 3Q L/ 给进油缸功率计算 根据以上的计算，可以得到给进油缸的功率： 1 0 2 7 . 8 8 0 . 1 6 6 0 . 0 2 86 0 1 0 2 6 0 1 0 2 油泵满负荷工作时所需要的功率 根据上面的计算 ,选用 12/80型齿轮油泵 (排油量 12L/定压力8大压力 12油泵满负荷时所需功率是 ： 126 0 1 0 2 (3 4) 式中 : P 额定压力 (N/ P =800N/ 额定流量 (L/ Q =12L/ 机械效率 1= 容积效率 2=12 将上述参数代入式（ 3 4）中可以得到： 8 0 0 1 2 2 . 4 56 0 1 0 2 0 . 9 0 . 7 1 W 上式油泵排量 在额定转速 1460r/是 12L,在 995r/是 8L。 动力机功率的确定 通过上述的计算说明，立轴钻进时给进所需功率很小，而且油泵满负荷工作时一般是立轴停止转动状态，液压卡盘松开时，必须停止钻进。所以参考表 3 1， 本机选用 15机或柴油机，基本能满足表 3 1 中粗线以上各种工作状态。 表 3 1 各种 类型 岩层的抗压强度 （ N/ 岩 石 名 称 抗 压 强 度 粘土、页岩、片状砂岩 4000 石灰岩、砂岩 8000 大理石、石灰岩 10000 坚硬的石灰岩、页岩 12000 黄铁况、磁铁矿 14000 煤 2000 表 3 2 电机功率选择计算 功率 N（ 转速 r/压强度 (N/120 240 350 600 000 000 000 0000 2000 4000 000 000 13 000 0000 2000 4000 3 回转器 (2+2000 000 000 0000 2000 4000 油泵 (N 油 +N 回 ） 2000 000 000 0000 2000 4000 ，主要取决于地质条件、钻头直径及钻进方式，当使用直径为 75头时，采用硬质合金和钻粒，根据国内外的经验，立轴转速取 n 90 400r/较适宜；采用金刚石钻头钻进时，立轴转速取 n 4001000r/较适宜。本机选用 120 600r/适合合金钻头钻进，由适合金刚石钻头钻进。 绞车 为了减轻钻机重量，不使动力机过大，绞车的缠绳速度不宜过高，基本上采用低速，本机升降机速度为 s。 卷筒缠绳速度为三种，见表 4 1 表 4 1 绞车卷筒缠绳速度 变速箱 参考国内外现有小型钻机的转速系列，本机采用了不规则排列的中间转速系列。 立轴有四种转速， 120、 240、 350r/速适合合金钻头钻进， 600r/ 机械传动系统初步计算 立轴 的 转速 根据机械传动路线，立轴的转速计算如下： 档 档 档 档 立轴转速 r/20 240 350 600 缠绳速度 m/s 15 3 1 0112 2 4 1 1 Z Z Z 式中 :n 立轴的第一档转速 (r/ n 电机转速 (r/ n=1460r/D 主动皮带轮直径 ( 60D 大皮带轮直径 ( 551 动链中各齿轮的齿数 ,5,1,9,0 0,9 故 1 6 0 2 5 1 9 2 01 4 6 0 1 2 5 . 2 6 1 2 03 5 5 3 1 4 0 3 9n r/二档、第三档和第四档转速分别计算如下： 第二档： n =5 1 0112 2 6 1 1 Z Z Z 式中 :8,1 故 n = 1 6 0 2 5 2 8 2 01 4 6 0 2 4 5 . 8 6 2 4 03 5 5 3 1 3 1 3 9 r/三档： n =10112 1 14 Z 内式中 : =24 故 n = 1 6 0 2 5 2 014603 5 5 2 4 3 9 =350r/四档： n =7 8 1 0112 2 8 1 16Z Z Z Z Z 内式中 : 6,1, =21 故 n = 1 6 0 2 5 4 7 2 1 2 01 4 6 0 6 0 9 . 1 6 0 0 / m i 5 3 1 2 1 2 1 3 1 r 考虑到皮带传动、齿轮传动、轴承等的效率，所以各档转速确定为 120、240、 350、 600r/ 16 绞车的缠绳速度 第一档速度 : 3 9 1 31112 2 4 1 2 1 4()60000 Z Z n D Z Z Z Z m/s 式中 :0 1 4 0 8 . 8 1 4 8 . 8D D d 中 :0D=140卷筒直径 ,d =钢丝绳直径。 故 1 1 4 8 . 8 1 6 0 2 5 1 8 3 3 1 8 1 8( 1 4 6 0 )6 0 0 0 0 3 5 5 3 1 3 8 8 3 1 8 5 4 =样方法可以得到 : 2 m/s 3 m/s (计算从略 ) 考虑到皮带、轴承、齿轮等的效率，确定绞车提升速度分别为： 1U 2U=s 3U=s。 17 第 5 章 变速箱的设计与计算 变速箱的结构特点及设计要求 结构特点 变速箱的结构有变速部分、分动部分、操纵部分和箱体组成。本设计中变速部分和分动部分合为一整体，缩小了箱体的结构尺寸。其具体特点是： 体呈扁平状，有利于降低钻机的高度，齿轮 动齿轮又是结合子， 因此结构紧凑； 动相结合，减少了零件的数目，有效利用变速箱内的空间； 纵灵活可靠，每个 移动齿轮单独控制，并有互锁装置，这种互锁装置安全可靠，结构简单； 少了齿轮的受力。 设计要求 强度时，假设电机的功率全部输入变速箱，然后再输入绞车和回转器； 连续工作 10000 小时，纯机动时间每班 16 小时，可连续工作 20 个月。 每种速度的工作时间分配情况见表 6 1。 表 5 1 变速箱四种速度工作时间分配情况 转速（ r/ 占总工作时间百分率 工作时间 (h) 120 30% 3000 240 30% 3000 350 20% 2000 600 20% 2000 算方法和数据是按机械设计手册（ 化学工业出版社） 计算的。 18 齿轮副的强度计算 与校核 变速箱内各齿轮主要参数确定 根据立轴转速的要求，前面已经初步选择各齿轮的齿数，由 钻机的实际情况， 变速箱内各齿轮的主要设计参数见表 6 2。 表 5 2 变速箱内齿轮的主要设计参数 齿轮编 号 齿数 Z 模数 m 齿宽 b 变 位系数料 硬度 力角 备注 5 4 40 00 50 20 1 4 30 00 50 20 9 4 30 0 207 62 20 0 4 30 0 400 50 20 8 4 25 0 400 50 20 1 4 25 0 400 50 20 7 5 00 50 20 1 5 00 50 20 主要齿轮副的强度设计计算与校核 现选择变速箱中重要传动轴 轴上的 度设计计算和校核。 初步计算 计算 转矩3 . 9 6 89 . 5 5 1 0 9 . 5 5 1 0 2 5 1 3 6 9 . 85 3 0 . 6 7PT n N19 齿宽系数 查 阅 相关手册，取d= 接触疲劳极限 查阅相关手册， 1080 970 初步计算的许用接触应力 3Hl i m 30 . 9 0 . 9 1 0 8 0 9 7 2H 4Hl i m 40 . 9 0 . 9 9 7 0H =873 查阅相关资料，取8 初步计算小齿轮直径333 22( 1 ) 2 7 8 7 3 5 . 4 ( 2 . 1 1 )8 8 7 2 . 5 6 0 . 7 9 7 2 2 . 1 3d=73 初步齿宽 b 3 0 . 4 7 6 3 0 . 4 取 b =30 参数选取 计算 圆周速度 v 3 3 . 1 4 7 3 5 3 0 . 6 7 2 . 0 36 0 1 0 0 0 6 0 0 0 0 m/s 使用系数 动载系数 齿间载荷分配系数相关 资料 ，先求小齿轮切向力0 332 2 2 5 1 3 6 9 . 8 6 6 1 4 . 9 973d N 然后有 1 . 2 5 6 6 1 4 . 9 9 1 6 8 . 7 530N/100N/时 3434( ) ( ) ， 故 =19 0 而可以得到重合度系数 z4 4 1 . 4 0 0 . 9 333Z 由 此可得 2211 1 . 1 60 . 9 3 齿向载荷分布系数阅相关资料 得到： 2 2 3331 0 . 6 ( ) ( ) 1 0H B C 2 2 33 0 3 01 . 1 7 0 . 1 6 1 0 . 6 ( ) ( ) 0 . 6 1 1 0 3 07 6 7 6 = 载荷系数 K 21 A v H K K K= 载荷系数 节点区域系数 接触最小安全系数 总工作时间0000h 11 应力循环次数 查阅相关资料，估计 10716 125% 工作压力（ D 油缸内径 (m) D m) p 缸体材料许用拉压力 式中：p 为材料抗拉强度 S 安全系数 S=5， 取 S=4 故 00 104(00 104 150%=900 104（ 6 66 0 1 0 1 7 1 0 P 5 460 . 1 79 0 0 1 0 1 7 1 0 0 . 0 0 4 5 取 t=8以强度足够。 45 给进油缸的设计 给进油缸 为双作用单活塞杆往复运动油缸，所起的作用是： 合绞车起拔在钻杆。 钻杆摩擦力的计算 200 型钻机，打水平孔时，需克服 200m 钻杆的自重和孔壁的摩擦力，其力为： 6 9 . 6 2 0 0 0 . 3 5 4 8 7 2F q L f N 摩 式中 ： q 长度重量 (N m); q=m L 钻杆长度 (m) L=200m; f 摩擦系数 f =低速钻进时 ,当井底压力 C=10000N 时 ,则活塞杆所产生的推力必须大于 ,即 4872+10000=14872N,活塞杆有效面积 泵工作压力为 ： 214872 4 4 6 . 0 7 4 4 5 N / c . 6 7 2P 油缸直径的计算 根据所需油缸最大作用力以及液压系统的最大工作压力可求得油缸直径。 24 4 3 2 5 0 0 5 . 8 c 3 . 1 4 6 0 0 式中： D 油缸计算直径 ( D 油压系统的调整压力 (N/ P=600N/ 油缸最大起拔力 (N) 2500N。 46 第 9 章 使用说明 述 本 200 米 钻机主要用于矿井内部，供钻探深度为 200 米的各种角度的放水孔、地质构造孔、灭火孔、抽放瓦斯孔及其他用途的各种工程孔，也可以在地面钻探深度为 200 米的地质勘探孔 及其他用途的各种浅孔。 本 钻机可在各种不同硬度的岩层中钻探任意角度的孔，尤其在煤层、软岩石及中硬岩石中钻孔效率为最高。整个机组由 200 米 钻机及泥浆泵两部分组成。在矿井内部钻探时不需要井架。钻孔冲洗液为泥浆、清水或煤水。在地面钻探时也不需要使用钻塔 ,只要有一定高度的三角架可供提升使用就可以。 机分组情况 本 200 米 钻机共分六组，整机外观总装图附录 3。 1回转器（ 01）：是钻机立轴产生回转及往复运动部分。 2变速箱（ 02）：是钻机立轴、绞车产生各种不同转数的传动与变速部分。 3绞车（ 03）：是升降钻具的部分。 4抱闸（ 04）：是用来提升与停止钻具在任何位置的部分。 5机架（ 05）：是连接机器各组的机体，并将机器稳定地固定在钻场基台木上。 6操纵仪（ 06）：是控制钻机液压系统的总枢钮。 构特征与工作原理 本钻机型式为：机械传动、液压给进、弹簧夹紧、立轴式钻机。 机结构 05） 回转器部分主要由液压卡盘、立轴、本体、立轴导管、大弧齿锥齿轮、两根油缸和两根导向杆组成。 47 （ 1）液压卡盘 主要由下列构件组成：五片碟形弹簧和位 于其上的带外环、内锥的移动套；位于外环上的活塞；插入碟形弹簧和移动套内孔中的主轴；主轴中的三片卡瓦外锥与移动套内锥相配合，卡瓦置于主轴上部的三个等分的槽中。下部由两轴承支持。卡盘的外壳，即缸体和压头座，由螺栓联接在一起。卡盘的主要动作是高压油从上部进入缸体推动活塞下移压移动套，移动套压碟形弹簧，由于移动套下移，三片卡瓦在主轴槽内呈自由状态，被主轴内的涨环外推，松开钻杆。当释放油压时，在碟形弹簧的弹力推动下，移动套上移，迫使卡瓦向中心移动，在压缩涨环的同时夹紧了钻杆。组装时碟形弹簧的预紧力为 32换卡瓦 时，先将上端螺钉取出，再取下压盖，防尘盖 ,垫及卡环，然后取出涨环，卡瓦，即更换新的卡瓦和涨环。 （ 2） 给进油缸主要有活塞杆、油缸上盖、下盖，用锁紧钢丝连接在一起。 在更换弧齿锥齿轮时，为保证成对弧齿锥齿轮锥顶重合，需加垫调整间隙保证啮合。 每次安装液压卡盘时立轴螺纹端部不许接触卡盘螺纹内端面，卡盘与立轴用圆螺母防止松动。 09）如 附录 4。 变速箱主要由四对直齿园柱齿轮及两根平行的花键轴构成。动力由电动机首先传到装在变速箱体的带有卸荷装置的大皮带轮上，然后经过不同的传动链，将动力传给小园 弧锥齿轮 主动齿轮 52 为轴齿轮，通过滚动轴承架于箱体内，轴齿轮 44 端面加工有不通孔，内装 一对 滚动轴承 51 构成支点，支撑花键轴 50。花键轴 50 是通过滚动轴承 12 架于变速箱体内。花键轴 50 上装有齿轮 6、 49、 46。在花键轴 50 上安装的齿轮 49 为移动齿轮，变速箱所产生的不同转速，就是改变移动齿轮 49 的位置来实现的。 安装在花键轴 50 上的齿轮 6 也是移动齿轮，该齿轮将三种不同速度传给绞车。 变速箱前部的 T 型槽是与回转器部分的连接盘连用的，连接盘上的 T 型螺钉可在 T 型槽内固定于任何位置，钻机给进角度的调整就是用 T 型槽来实现的。 3绞车 (07)见 附录 5 48 绞车为行星齿轮机构，绞车轴 19 固定在轴承座 21 及变速箱体的滚动轴承上，绞车轴的左端用键与传动齿轮 8 相连接。绞车轴中部带有齿轮。当变速箱中的齿轮 6（附录 4）将动力传给齿轮 8 时，绞车轴 19 就会同传动齿轮8 一同旋转。当提升时，应将用闸带刹住， 使固定在闸筒 12 上的两个行 星齿轮 16 只能在行 星齿轮轴 30 上自转而无公转。因而带动内齿圈 15 使卷筒 17产生转动。当钻具提升到一定高度，需要使卷筒停止转动时，应很快的松开刹住闸筒 12 的抱闸，同时又很快的用另一抱闸将卷筒右侧的制动 部分抱紧，使卷筒 17 与内齿圈 15 停止转动，这时由绞车轴 19 传来的动力，传给行 星齿轮 16 后，行星齿轮除了自身的转动外又通过行 星齿轮轴 30 带动闸筒 12 一起转动。下降钻具时左右闸带全松开，卷筒因钻具自重下落而回转。依此循环往返便可完成钻具的升降工作。 为了牢固的将钢丝绳固定在绞车上，在卷筒右侧开有小孔将绳头穿过孔后，通过绳卡将钢丝绳固定。 在更换拆装内齿圈 15 时应先将内齿圈 15 与卷筒相固定用的螺钉取下，然后，在卷筒容绳侧用螺钉将内齿圈顶出。 动闸 (14) 钻机所选用的制动闸，左右是一致的，整个 闸带与闸筒（或卷筒）之间的间隙是用调整连杆下部螺钉来实现的。 架（ 01）见附录 3 机架 1 是连接钻机各组的总框架，电机也装在机架上，皮带松紧是通过调整压带轮来实现的。 纵仪（ 15）见附录 3 操纵仪 28 由油路控制阀 27 和压力表 23、手轮 24（调 速 ）和手轮 26（调压 ）等组成。其功能主要是控制液压卡盘和进给油缸的。压力控制阀 26 是调整油路压力，改变立轴压力的控制机构；手轮 25 是控制进给速度的；控制阀27 控制油缸上升与下降； 另一 控制阀控制液压卡盘松卡钻杆。 机的工 作原理 钻机的传动系统如图 2 所示，电机动力通过以下各传动链传到固定在立轴上的大弧齿锥齿轮上，从而使立轴带动钻具一起产生旋转运动；齿轮油泵 49 输送出一定的压力，一方面用于打开液压卡盘，另一方面通过油路控制阀使给进油缸产生往复运动，给进油缸带动钻具往复运动。至此，钻具即可旋转，又可给进，从而完成钻进任务。钻屑的排泄是通过与钻机配套的泥浆泵来完成。各传动链如下： 回转运动 120r/1 回转运动 240r/1 回转运动 350r/1 齿） 回转运动 600r/1 齿） 齿） 低压油管将油箱中的 20 号机油吸入油泵，使其产生需用的压力，再经高压油管、调压阀、高压油管进入油缸中的活塞上部，推动活塞产生直线运动，活塞下部具有一定的压力的 20 号机油经高压油管，进入调速阀，调整调速阀的回油量大小即可控制给进速度的快慢。（当需要减压钻进时，也按此操作控制活塞的下部压力）然后流经油管及操纵阀、低压油管回到油箱。 油泵、高压油管、调压阀、操纵阀、高压油管、调速阀、高压油管，进入活塞的下部，推动活塞产生直线运动，活塞上部的机油经过高 压油管、操纵阀及低压油管回到油箱，当调速阀的流量调整为最大时，立轴得到快速移动。完成一个 500尺后，将卡盘控制阀打开，经油管松开液压卡盘，将操纵阀手柄位置板到上升位置，黑龙江科技学院 毕业设计（论文）任务书 姓名： 任务下达日期： 年月日 设计（论文）开始日期： 年 月 日 设计（论文）完成日期： 年 月 日 一、设计（论文）题目： 200 米液压钻机变速箱的设计 二、专题题目： 轴工艺规程编制 三、设计的目的和意义： 钻机是进行大陆科学钻探 地质勘探研究 的重要设备和工具，对钻机设计制造技术的研究关系到钻探工程的发展，意义重大。本项 目的研 究目的，是要在对钻机功能结构认识的基础上从最经济的角度对钻机变速箱的结 构进行优化并重新进行设计改进，以节省生产成本，提高有钻机的使用寿命 。 同时，希望通过本次设计，复习和巩固大学四年来所学到的专业知识，掌握机械行业工作要求的基本知识和技能，为走上工作岗位奠定一个良好的基础。 四、设计（论文）主要内容： 200 米钻机变速箱整体设计，变速箱中重要传动轴的加工工艺规程的编制，钻机绞车的结构简要设计，回转器的工作原理简单了解。绘制变速箱、绞车，钻机整体装配图和变速箱、传动轴零件图。 五、设计目标： 通过毕业实习了解液压钻机的基本结构和工作原理，重点对 200 米钻机的变速箱进行设计计算，使之理论上满足 200 米深度的钻探要求。对传动轴的加工工艺规程进 行规划，使之满足设计的要求。通过设计，简单了解绞车和回转器的结构，掌握绞车和回转器的工作原理。通过绘制装配图和零件图，熟练掌握 件的用法。 六、进度计划： 、 4、 5 周，进行毕业实习，通过深入工厂实地了解、看书查资料、上网等各种途径对设计题目进行比较详细的了解。 周进行钻机的整体传动计算，包括 各轴的输入输出功率计算。 、 8 周进行变速箱的传动计算，包括齿轮传动、几何参数和轴的转速传动计算。 至第 14 周，绘制钻机、变速箱和绞车装配图，绘制箱体、花键轴零件图。 5 周，轴的加工工艺规程编制。 6 周，翻译外文资料。第 17 周，打印说明书、 图、准备答辩。 七、参考文献资料： 1 王秉晋 2 型油压钻机知识 质出版社， 1978： 80 2 赖海辉 北京：冶金工业出版社， 1985： 23 3 沃兹德维任斯基 北京：地质出版社， 1985： 75 77 4 陕西省地质局 北京：地质出版社， 1977： 56 57 5 濮良贵，纪名刚 北京：高等教育出版社， 2001 6 甘永宁 上海：上海科学技术出版社， 2001 7 李文双，于信伟，苏发 哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2004： 326 8 龚桂义 2 版） 等教育出版社， 1990 9 孙明主 ） 龙江人民出版社， 2000： 142 172 10 孙德音 北京：机械工业出版社， 2001 11 章日晋等编 北京：机械工业出版社， 1987 12 孙桓，陈作模 六版） 等教育出版社， 2000： 327 13 李喜桥 北京：北京航空航 天大学出版社， 2003 14 陈隆德 大连：大连理工大学出版社， 1988 15 徐溥滋，陈铁鸣，韩永春 北京：化学工业出版社， 1980 16 胡家秀 北京：机械工业出版社， 2004 17 李益民 北京：机械工业出版社， 1993： 223 227 指 导 教 师： 院（系）主管领导： 年 月 日 I 摘要 随着我国地质勘探、工程建设和农田水利等事业的发展，对各种钻探设备提出了更多的要求。钻机作为钻探设备的重要工具之一，在这些工程中起了举足轻重的作用。为了适应当前各种勘探工作和工程建设项目对浅孔钻机的要求，本设计任务在 钻机的基础之上进行了一些改进，设计出了钻探深度为 200 米的液压钻机。设计中根据钻机使用的环境和场合，运用比较和参照的方法，借鉴同类型钻机的设计参数，通过比较分析，重点对变速箱重新进行设计计算。在此基础之上运用绿色设计的理念，对不影响钻机性能的环节进行了优化。最后，设 计出的 200 米钻机理论上满足钻探深度为 200 米的设计要求，同时尽量节省了制造成本和生产时间。 关键字 地质勘探 钻机 变速箱 of in of in in to on on a a as 00 to of of of 00as my At on of of to of it on of to of 00 in it as as 1 第 1 章 绪 论 选题的意义 本设计选择了 200 米钻机的变速箱设计，主要原因是当前我国地质勘探、工程建设和农田水利等事业正在逐渐完善，对各种钻探设备尤其是钻机提出了更多的要求。现在市场上 流行 的钻机中 以钻探深度为百米左右的液压 钻机为主，这些钻机在承担各种生产建设 项目 中起到了至关重要的作用。但是，我们 通过 调查和了解发现，随着生产建设项目的扩大，市场对上钻探深度为几 百米的液压钻机的需求量正在逐步上涨， 尤其是钻探深度为 200 左右的钻机，市场前景更加乐观。 变速箱是钻机中最重要的部分之一，通过对钻机变速箱的设计改进，就解决了钻机设计制造中的关键环节。 所以，选择 200 米液压钻机 变速箱 的设计不仅对钻机这个 生产 行业 有着重要的经济意义，同时间接推动了我国国民经济的发展，意义十分重大。 钻机概述 钻机的功用 钻探是地 质勘探工作的重要手段之一。钻机是实现该手段的主要设备。其基本功用是 以机械动力带动钻头向地壳钻孔并采取岩矿心。钻机同时还是进行石油、天然气勘探及开采、水文水井钻探、工程地质钻探等工程的重要设备。 对钻机的要求 钻机的技术性能要保证在施工中能满足合理的工艺要求，以最优规程，达到预计的质量要求；维护保养简单容易；安装拆卸搬迁方便；利于快速钻进；钻进辅助时间短；钻孔施工周期短；体力劳动强度低等。概括起来说，是钻机要为多、快、好、省地完成钻探生产任务创造有利条件。 根据钻机的基本功用，对 钻机具体要求如下： 钻头具有适合钻进规程需要的转速及调节范围，以便有效地破碎岩石； 有相当的调整范围，使钻 2 头有效地切入或压碎岩石； 证连续钻进； 能随着钻具重量的变化而改变提升速度，以充分利用动力机的功率和缩短辅助时间； 标旧响应深度的直径的钻孔，以满足钻孔设计的要求和提高钻进效率。 钻机的组成 目前常用的钻机由如下各部分组成： 将输入的动力变速并分配到回转、升降机构。 对与液压钻机还要有驱动油泵，以使液压系统工作的装置。 利用油泵输出的压力油驱动马达、油缸等液动机，以使立轴回转和控制给进机构、移动钻机、松紧卡盘等； 回转钻具，以带动钻头破碎孔底岩石。 调整破碎岩石所需要的轴心压力和控制给进速度。在出现孔内事故时，可以进行强力拔出。 用于升降钻具（提取岩心和更换钻头）和进行起下套管等作业。 支承上述各机构及系统，使之组装成一个整体，成为完整的机器。 钻机的分类和名称 随着钻探工程在国民经济各部门中的广泛应用，钻机类别和型号也在增多。为此将钻机实行科学分类和确定名称，对识别、评价和选择钻机是很有意义的。 按用途分类 3 按用途不同，可将现行广泛使用的钻机分为三大类，即地质勘探用岩心钻机；石油钻探用钻机；专用钻机（水文水井钻机、物探钻机、工 程钻机等）； 按钻机标准钻进孔深分类 根据不同孔深范围，将各种不同钻进孔深的钻机分成三类或四类。 按三类分见表 1 1。 表 1 1 (m） 类别 浅孔钻机 中深孔钻机 深孔钻机 10 300 10 300 300 800 300 800 800 1200 1000 2000 按四类分类见表 1 2。 表 1 2 （ m） 浅孔钻机 次深孔钻机 中 深孔钻机 深空钻机 10 150 200 400 500 800 900 以上 按原来地质总局设备管理分类 钻机可分为六类，即浅孔钻机、岩心钻机、石油钻机、水文水井钻机、汽车钻机和砂矿钻机 ； 按装载方式分类 可以分为滑橇式、卡车式、拖车式； 按破碎岩石方式分类 可分为回转式、冲击式和冲击回转式； 按回转机构型式分类 可分为立轴式、转盘式、动力头式； 按进给机构分类 可以分为手轮（把）式、油压式、螺旋差动式、长油缸 式、油马达 链轮式。 钻机的名称是按照钻机综合特征及主要性能，以汉字拼音 字母及数字编排成的代号来表示的。通常把这种代号称为型号，并以铭牌指示在钻机上。 国产钻机名称一般有三部分组成： 首部为用途 类别和结构特征代号，用汉语拼音中的一个字母表示。如“ X”是汉字“心”的拼音首 字母，表示钻机用于岩心钻进。 “ U”是汉字“油”的 4 首字母，表示给进机构类型属于油压式。 中部为主要性能参数代号，用钻机标准钻 进深度数字表示。如标准钻进深度为 200 米的钻机，中部代号为 200。 尾部为变型代号，可用汉语拼音字母中的一个字母或数字为代号。无尾部的是指首次产品。 如是第二次修改后的产品，尾部代号为 2。 设计主要 内容 目： 200 米液压钻机变速箱的设计 主要技术参数：见表 1 1 表 1 1 钻探深度 200m 立轴转速 120、 240、 350、 600r/孔直径 89孔直径 60机角度 0 360 5 第 2 章 钻机的总体设计 本设计钻机的应用场合 200 米 型钻机主要用于钻探深度为 200 米的各种角度的放水孔、地质构造孔、灭火孔、抽放瓦斯孔及铁路、公路、桥梁、隧道、国防建设、工业民用建设、农田打井及地质勘探、工程爆破以及其它用途的各种工 程孔。 该机可用于不同硬度的岩石中钻探任何角度的钻孔，而在煤层、软岩层、硬岩层中钻孔和农田打井时效率为最高。整个机组由两部分组成，即 200 米钻机、 150/浆泵。钻机冲洗液为泥浆或清水。在地面钻探不需要使用钻塔，只要有一定高度的三角架可供提升使用就可以。 本 200 米 钻机配备动力为电动或柴油机，适用于井上、井下或野外没有电源的场地作业。 计方案的确定 本设计钻机的特点 通过市场调研了解到，目前钻探工程对钻孔深度 200 米左右的钻机需求量日趋增加，而当前的 200 米钻机，存在着劳动强度大、适应性差等缺点。鉴于以上原因，我们决定改进 200 米钻机。经几次方案讨论决定，钻机应具有以下特点： 1. 经济耐用可靠、质优价廉； 2. 便于解体搬运； 3. 体积小，重量轻； 4. 操作简单，维修方便； 5. 适用于 42、 50种钻杆； 6. 适用于合金钻头或金刚石钻头钻进； 7. 钻进速度快，效率高； 8. 动力为电机或柴油机。 6 总体设计方案的确定 经过调研和几次方案论证，考虑到现场特点，从实用角度出发，确定方案如下： 上和野外作业，动力可选电机或柴油机 ； 岩石 的钻进，除了正常的钻进速度外，增加高速600r/ 加了液压卡盘减轻劳动强度，节约时间，提高有效钻进速度 ； 车速度不能太快，所以增加了互锁装置，安 全可靠； 力由 V 型带传动到变速箱的传动轴上易使传动轴弯曲，所以增加了卸荷装置； 速箱，减少变速箱体积，根据不同的地质条件，选用不同的钻进速度； 量结构简单，操作方便，适于整体或解体搬运。尽量做到标准化 , 通用化，系列化。 钻机的技 术特性和要求 考虑到钻机的实际工作情况，根据我国当前生产技术和工艺水平，本200 型钻机的技术特性为： 使用 42 或 50 钻杆 ) 200m 开孔直径 89m 终孔直径 60 0 360 120、 240、 350、 600r/ 500 4 簧常闭式液压卡盘） 6 52 7 20 s 33、 79、 91r/ s s s 12直径 140宽度 100m 钢丝绳直径 容绳长度 电动机 型号 4 电压 380/660V 功率 15转速 1460r/8 第 3 章 动力机的确定 输出功率计算 根据现场需要，动力机的选择偏大些， 加大储备系数，这样可以提高钻进效率。 输出功率为0.1 3 1） 式中： 钻机所需功率 ( 式中 : 回转钻 及破坏岩石、土层 所需功率 ( 效率 =0.9 油泵所需功率 (回转钻进及破碎岩石、土层所需功率 回转钻进及破碎岩石、土层所需功率计算公式如下： 2 3N N N（ 3 2） 式中 : 1N 井底破碎岩石、土层所需功率 (1N= 343060000Am n h 式中 : m 钻头切削刃数 取 m=6 n 立轴转速 （ r/ r/h 钻进速度 (cm/ 当转速 130r/250r/ ,h=5cm/转速 350r/600r/ ,h= 岩石抗压强度 ,其值见表 3 井底环状面积，取钻头直径 D=孔直径 d= 2 2 2( ) ( 7 . 7 5 . 9 ) 1 9 . 344 9 2N 钻头与孔底摩擦所需功率 (2 ()1944800f e r （ 3 3） 式中 : 孔底压力或岩石抗压强度 ； f 钻具与岩石直接的摩擦系数 f=0.5 e 侧摩擦系数 e=1.1 n 立轴转速 (r/R 钻头外圆半径 ( R=r 钻头内孔半径 ( r=立轴不同转速和不同孔底压力代入式 （ 3 3） 中 ,所得相应数值见 表 3 1。 3N 回转钻杆所需功率 (当 n 200r/ 1 1 2 1 . 3 33 0 . 9 2 1 0N d r L n 式中： L 孔深 (， 硬质合金钻进时，取 L 200000刚石钻进时，取 L 75000mm d 钻杆直径 ( 取 d =50mm n 立轴转速 (r/r 冲洗液比重 , r =上述参数及立轴不同转速代入上式，所得值列表 3 2 中。 10 给进油缸所需功率的计算 给进油缸的基本参数 1. 给进油缸的基本参数 给进油缸的数量 n 2 油缸直径 D 55活塞杆直径 d 30活塞杆有效行程 L 500油缸面积 1A 活塞杆面积 2A 7有效面积 12A A A 油缸工作压力的计算 钻机大水平孔时，油缸的最大推力为： F式中： W 油缸最大推力 (N) C 孔底最大压力 (N) C 13345N 钻杆与孔壁间的摩擦力 (N) mF q L f 式中： q 钻杆单位长度重量 (N/m) q m L 钻杆长度 (m) L 200m f 摩擦系数 f 5 . 4 6 2 0 0 0 . 3 5 3 8 8 2 . 2 N 故 1 3 3 4 5 3 8 8 2 . 2 1 7 2 2 7 . 2W N 油泵的工作压力 P 11 1 7 2 2 7 . 2 1 0 . 2 81 6 . 7 6 油泵最大工作流量计算 油缸回程时的最大容油量 : 11 2 3 . 7 5 5 0 1 . 1 8 7V A L L 油缸送进时的最大容油量 : 2 1 6 . 7 6 5 0 0 . 8 3 8V A L L 当选用立轴的钻进速度 v = ,立轴送进时每分钟所需的油量为 : 2 2 0 . 1 6 7 6 0 . 5 0 . 1 6 6Q A v L/令活塞回程时间为 回程所需油量为 : 1 1 . 1 8 7 2 7 . 9 1 30 . 3Q L/ 给进油缸功率计算 根据以上的计算，可以得到给进油缸的功率： 1 0 2 7 . 8 8 0 . 1 6 6 0 . 0 2 86 0 1 0 2 6 0 1 0 2 油泵满负荷工作时所需要的功率 根据上面的计算 ,选用 12/80型齿轮油泵 (排油量 12L/定压力8大压力 12油泵满负荷时所需功率是 ： 126 0 1 0 2 (3 4) 式中 : P 额定压力 (N/ P =800N/ 额定流量 (L/ Q =12L/ 机械效率 1= 容积效率 2=12 将上述参数代入式（ 3 4）中可以得到： 8 0 0 1 2 2 . 4 56 0 1 0 2 0 . 9 0 . 7 1 W 上式油泵排量 在额定转速 1460r/是 12L,在 995r/是 8L。 动力机功率的确定 通过上述的计算说明，立轴钻进时给进所需功率很小，而且油泵满负荷工作时一般是立轴停止转动状态，液压卡盘松开时，必须停止钻进。所以参考表 3 1， 本机选用 15机或柴油机，基本能满足表 3 1 中粗线以上各种工作状态。 表 3 1 各种 类型 岩层的抗压强度 （ N/ 岩 石 名 称 抗 压 强 度 粘土、页岩、片状砂岩 4000 石灰岩、砂岩 8000 大理石、石灰岩 10000 坚硬的石灰岩、页岩 12000 黄铁况、磁铁矿 14000 煤 2000 表 3 2 电机功率选择计算 功率 N（ 转速 r/压强度 (N/120 240 350 600 000 000 000 0000 2000 4000 000 000 13 000 0000 2000 4000 3 回转器 (2+2000 000 000 0000 2000 4000 油泵 (N 油 +N 回 ） 2000 000 000 0000 2000 4000 ，主要取决于地质条件、钻头直径及钻进方式，当使用直径为 75头时，采用硬质合金和钻粒，根据国内外的经验，立轴转速取 n 90 400r/较适宜；采用金刚石钻头钻进时，立轴转速取 n 4001000r/较适宜。本机选用 120 600r/适合合金钻头钻进，由适合金刚石钻头钻进。 绞车 为了减轻钻机重量，不使动力机过大，绞车的缠绳速度不宜过高，基本上采用低速，本机升降机速度为 s。 卷筒缠绳速度为三种，见表 4 1 表 4 1 绞车卷筒缠绳速度 变速箱 参考国内外现有小型钻机的转速系列，本机采用了不规则排列的中间转速系列。 立轴有四种转速， 120、 240、 350r/速适合合金钻头钻进， 600r/ 机械传动系统初步计算 立轴 的 转速 根据机械传动路线，立轴的转速计算如下： 档 档 档 档 立轴转速 r/20 240 350 600 缠绳速度 m/s 15 3 1 0112 2 4 1 1 Z Z Z 式中 :n 立轴的第一档转速 (r/ n 电机转速 (r/ n=1460r/D 主动皮带轮直径 ( 60D 大皮带轮直径 ( 551 动链中各齿轮的齿数 ,5,1,9,0 0,9 故 1 6 0 2 5 1 9 2 01 4 6 0 1 2 5 . 2 6 1 2 03 5 5 3 1 4 0 3 9n r/二档、第三档和第四档转速分别计算如下： 第二档： n =5 1 0112 2 6 1 1 Z Z Z 式中 :8,1 故 n = 1 6 0 2 5 2 8 2 01 4 6 0 2 4 5 . 8 6 2 4 03 5 5 3 1 3 1 3 9 r/三档： n =10112 1 14 Z 内式中 : =24 故 n = 1 6 0 2 5 2 014603 5 5 2 4 3 9 =350r/四档： n =7 8 1 0112 2 8 1 16Z Z Z Z Z 内式中 : 6,1, =21 故 n = 1 6 0 2 5 4 7 2 1 2 01 4 6 0 6 0 9 . 1 6 0 0 / m i 5 3 1 2 1 2 1 3 1 r 考虑到皮带传动、齿轮传动、轴承等的效率，所以各档转速确定为 120、240、 350、 600r/ 16 绞车的缠绳速度 第一档速度 : 3 9 1 31112 2 4 1 2 1 4()60000 Z Z n D Z Z Z Z m/s 式中 :0 1 4 0 8 . 8 1 4 8 . 8D D d 中 :0D=140卷筒直径 ,d =钢丝绳直径。 故 1 1 4 8 . 8 1 6 0 2 5 1 8 3 3 1 8 1 8( 1 4 6 0 )6 0 0 0 0 3 5 5 3 1 3 8 8 3 1 8 5 4 =样方法可以得到 : 2 m/s 3 m/s (计算从略 ) 考虑到皮带、轴承、齿轮等的效率，确定绞车提升速度分别为： 1U 2U=s 3U=s。 17 第 5 章 变速箱的设计与计算 变速箱的结构特点及设计要求 结构特点 变速箱的结构有变速部分、分动部分、操纵部分和箱体组成。本设计中变速部分和分动部分合为一整体，缩小了箱体的结构尺寸。其具体特点是： 体呈扁平状，有利于降低钻机的高度，齿轮 动齿轮又是结合子， 因此结构紧凑； 动相结合，减少了零件的数目，有效利用变速箱内的空间； 纵灵活可靠，每个 移动齿轮单独控制，并有互锁装置，这种互锁装置安全可靠，结构简单； 少了齿轮的受力。 设计要求 强度时，假设电机的功率全部输入变速箱，然后再输入绞车和回转器； 连续工作 10000 小时，纯机动时间每班 16 小时，可连续工作 20 个月。 每种速度的工作时间分配情况见表 6 1。 表 5 1 变速箱四种速度工作时间分配情况 转速（ r/ 占总工作时间百分率 工作时间 (h) 120 30% 3000 240 30% 3000 350 20% 2000 600 20% 2000 算方法和数据是按机械设计手册（ 化学工业出版社） 计算的。 18 齿轮副的强度计算 与校核 变速箱内各齿轮主要参数确定 根据立轴转速的要求，前面已经初步选择各齿轮的齿数，由 钻机的实际情况， 变速箱内各齿轮的主要设计参数见表 6 2。 表 5 2 变速箱内齿轮的主要设计参数 齿轮编 号 齿数 Z 模数 m 齿宽 b 变 位系数料 硬度 力角 备注 5 4 40 00 50 20 1 4 30 00 50 20 9 4 30 0 207 62 20 0 4 30 0 400 50 20 8 4 25 0 400 50 20 1 4 25 0 400 50 20 7 5 00 50 20 1 5 00 50 20 主要齿轮副的强度设计计算与校核 现选择变速箱中重要传动轴 轴上的 度设计计算和校核。 初步计算 计算 转矩3 . 9 6 89 . 5 5 1 0 9 . 5 5 1 0 2 5 1 3 6 9 . 85 3 0 . 6 7PT n N19 齿宽系数 查 阅 相关手册，取d= 接触疲劳极限 查阅相关手册， 1080 970 初步计算的许用接触应力 3Hl i m 30 . 9 0 . 9 1 0 8 0 9 7 2H 4Hl i m 40 . 9 0 . 9 9 7 0H =873 查阅相关资料，取8 初步计算小齿轮直径333 22( 1 ) 2 7 8 7 3 5 . 4 ( 2 . 1 1 )8 8 7 2 . 5 6 0 . 7 9 7 2 2 . 1 3d=73 初步齿宽 b 3 0 . 4 7 6 3 0 . 4 取 b =30 参数选取 计算 圆周速度 v 3 3 . 1 4 7 3 5 3 0 . 6 7 2 . 0 36 0 1 0 0 0 6 0 0 0 0 m/s 使用系数 动载系数 齿间载荷分配系数相关 资料 ，先求小齿轮切向力0 332 2 2 5 1 3 6 9 . 8 6 6 1 4 . 9 973d N 然后有 1 . 2 5 6 6 1 4 . 9 9 1 6 8 . 7 530N/100N/时 3434( ) ( ) ， 故 =19 0 而可以得到重合度系数 z4 4 1 . 4 0 0 . 9 333Z 由 此可得 2211 1 . 1 60 . 9 3 齿向载荷分布系数阅相关资料 得到： 2 2 3331 0 . 6 ( ) ( ) 1 0H B C 2 2 33 0 3 01 . 1 7 0 . 1 6 1 0 . 6 ( ) ( ) 0 . 6 1 1 0 3 07 6 7 6 = 载荷系数 K 21 A v H K K K= 载荷系数 节点区域系数 接触最小安全系数 总工作时间0000h 11 应力循环次数 查阅相关资料，估计 10716 125% 工作压力（ D 油缸内径 (m) D m) p 缸体材料许用拉压力 式中：p 为材料抗拉强度 S 安全系数 S=5， 取 S=4 故 00 104(00 104 150%=900 104（ 6 66 0 1 0 1 7 1 0 P 5 460 . 1 79 0 0 1 0 1 7 1 0 0 . 0 0 4 5 取 t=8以强度足够。 45 给进油缸的设计 给进油缸 为双作用单活塞杆往复运动油缸，所起的作用是： 合绞车起拔在钻杆。 钻杆摩擦力的计算 200 型钻机，打水平孔时，需克服 200m 钻杆的自重和孔壁的摩擦力，其力为： 6 9 . 6 2 0 0 0 . 3 5 4 8 7 2F q L f N 摩 式中 ： q 长度重量 (N m); q=m L 钻杆长度 (m) L=200m; f 摩擦系数 f =低速钻进时 ,当井底压力 C=10000N 时 ,则活塞杆所产生的推力必须大于 ,即 4872+10000=14872N,活塞杆有效面积 泵工作压力为 ： 214872 4 4 6 . 0 7 4 4 5 N / c . 6 7 2P 油缸直径的计算 根据所需油缸最大作用力以及液压系统的最大工作压力可求得油缸直径。 24 4 3 2 5 0 0 5 . 8 c 3 . 1 4 6 0 0 式中： D 油缸计算直径 ( D 油压系统的调整压力 (N/ P=600N/ 油缸最大起拔力 (N) 2500N。 46 第 9 章 使用说明 述 本 200 米 钻机主要用于矿井内部，供钻探深度为 200 米的各种角度的放水孔、地质构造孔、灭火孔、抽放瓦斯孔及其他用途的各种工程孔，也可以在地面钻探深度为 200 米的地质勘探孔 及其他用途的各种浅孔。 本 钻机可在各种不同硬度的岩层中钻探
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