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13-25吨水平定向钻机推进机构设计,13,25,水平,定向,钻机,推进,机构,设计
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25吨水平定向钻机推进机构设计 摘 要：水平定向钻机是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施(管道、电缆等)的一种施工机械,本论文介绍了水平定向钻机的特点，穿越施工工艺介绍，目前国内外水平定向钻发展情况，等方面。主要进行了钻机的推进机构设计，包括传动方式的选择，链条与轴的设计，还有液压缸的结构设计，也包括了一些重要零件如螺栓和键的强度校核和设计。 关键词：水平定向钻 ;板式链;槽轮;滚子链 25 Tons of Horizontal Directional Drilling Promoting Mechanism DesignStudent:Liu Zhen WeiTutor:Chen Zhi Liang(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128) Abstract :Horizontal directional drilling machine is not digging in the surface conditions, the laying of a variety of underground utilities (pipelines, cables, etc.) of a construction machinery.This thesis introduce the charcterristic of horizontally diretionalt drilling to you ,and how construct through the earth ,also the development of orizontally diretionalt drilling.and so on.In this thesis ,the main task is to design the feed mechanism,the choose of Driving method ,the design of a chain and a shaft ,also design for fatigue strength like bolts and bond. Key words: horizontally directional drilling ;flat wedge chain ;grooved wheel ;roller chain1 前言 这次毕业设计是机械设计及自动化的一个十分重要的学习环节，是对机械方面的知识的一次全面检查巩固和提高。本次毕业设计涉及到得知识面有：水平定向钻穿越施工工艺介绍，轴的设计，推进油缸结构设计，键和螺栓设计与分析等。通过这次毕业设计我对设计有了更多的了解包括设计的思路和方法.同时也使得我的各方面能力得到提升。2 水平定向钻机概述2.1 了解水平定向钻机特点 1 水平定向钻机是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施(管道、电缆等)的一种施工机 械，它广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等管线铺设施工中。目前其发 展趋势正朝着大型化和微型化、适应硬岩作业、自备式锚固系统、钻杆自动堆放与提取、超深度导向监控、应用范围广等特征发展。近几年水平定向钻穿越技术在世界各国及各个行业得到了广泛的应用，在环保和市政管网改扩建项目及大型管道穿越江河工程项目上更显出了其独特的优势，其工作过程是通过计算机控制进行导向和探测把产品管线回拖到扩大了的导向孔中，完成管线穿越的施工过程。2.2 水平定向钻机系统简介：图1 钻机示意图Fig.1 Rig diagram各种规格的水平定向钻机都是由钻机系统、动力系统、控向系统、泥浆系统、钻具及附助机具组成，它们的结构及功能介绍如下： 1 钻机系统：是穿越设备钻进作业及回拖作业的主体，它由钻机主机、转盘等组成，钻机主机放置在钻机架上，用以完成钻进作业和回拖作业。 2 动力系统：由液压动力源和发电机组成动力源是为钻机系统提供高压液压油作为钻机的动力，发电机为配套的电气设备及施工现场照明提供电力。 3 控向系统：控向系统是通过计算机监测和控制钻头在地下的位置和其它参数，引导钻头正确钻进的方向性工具，由于有该系统的控制，钻头才能按设计曲线钻进，现经常采用的有手提无线式和有线式两种形式的控向系统。 4 泥浆系统：泥浆系统由泥浆混合搅拌罐和泥浆泵及泥浆管路组成，为钻机系统提供适合钻进工况的泥浆。 5 钻具及辅助机具：是钻机钻进中钻孔和扩孔时所使用的各种机具。钻具主要有适合各种地质的钻杆，钻头、泥浆马达、扩孔器，切割刀等机具。辅助机具包括卡环、旋转活接头和各种管径的拖拉头。2.3 国内外水平定向钻机发展情况 我国水平定向钻进铺管领域有以下几个特点： （1）仍维持高速发展的势头2008非开挖管线施工的产值和钻机的年增长率均达到47，虽不及2007的100和2006的53，但由于基数较大，其增加的绝对值(12亿元和200台)仍高于2006和2007。如此高的增长率仍遥遥领先于世界其它国家。 （2）进口钻机继续减少，国产大中型钻机增长迅速2008进口钻机无论从绝对数量还是从所占的比例来看继续减少，2008进口钻机37台，比2007的47台减少了21；进口钻机所占中国市场的份额已从2004年的10减少到5。这和国产钻机质量的提高和国产大、中型钻机数量的增加，特别是中型钻机的增加有直接的关系。2005年我国自己生产的大中型钻机已达292台，而2004年还不足100台。但在回拖力200t以上的特大型钻机仍依靠进口。 （3）完成多项高风险条件下的施工项目这些条件包括大口径、长距离施工；复杂的地层和苛刻地面条件。这些都不仅要求有足够能力的钻进设备、控向仪器等硬件设备，而且要求大批技术熟练、经验丰富的操作人员。【1】 国内外相关产品的发展特点 ： 国内有徐工的ZD1245/ZD1550/ZD2070/ZD25100系列水平定向钻机，ZD系列水平定向钻 机在国内首次采用了电液比例控制技术、机电液一体化PLC控制技术、动力头闭式回路节能、防触电报警等多项先进技术。中国地质科学院勘探技术研究所、 连云港黄海机械厂、北京土行孙非挖技术有限公司生产的DDW80、DDW100、DDW200系列水平 定向钻、中联重科、深圳钻通公司生产的ZT10，ZT12、ZT15、ZT20系列水平定向钻。在以上的 国内钻机中目前以徐工的ZD系列水平定向钻机的配备为最好，该系列产品在国内首次采用了电 液比例控制技术、机电液一体化PLC控制技术、动力头闭式回路节能、防触电报警等多项先进技术。【2】 综合国外水平定向钻机的特点主要有： 1)中小型定向钻机多采用橡胶履带底盘，具有自行走功能，减小对人行道和草坪的损坏。 2)系列化程度高，从2T到600T，适合不同口径和长度，各类地层的施工；具有多种硬岩施工方 法，如泥浆马达、顶部冲击、双管钻进，能进行软、硬岩层的施工。应用范围非常广 3)液压系统采用电液比例控制技术，或负荷传感系统，液压元件采用了国际先进成熟的产品； 4)应用先进的PLC控制和电液比例控制技术，主要实现四个方面的自动控制功能：自动钻进，自 动回拖、自动锚固，和行走时的无级变速控制和转向控制，自动化程度高。智能化和电气化程度很高 。此外应用先进的PLC控制和电液比例控制技术使得钻机的控制性能更为完善 5)作业安全和舒适，具有驾驶室，具有无线 (或有线)导向控制系统、地下电缆与管道探测技术、防触电安全保护技术、远程控制紧急停机技术等安全 措施，确保机器和人员的安全。 6)先进的钻进规划设计软件：如VERMEER公司的ATLAS BORE PLANNER软件和美国十方公司的DRILLSMART软件等，专为HDD(水平定向 钻进)施工而开发。强大的软件功能支持使得钻机的精度和可靠性得到很大提高。国内外同类技术及厂家比较表如表1表2下： 表1 技术参数Table.1 Technical parameters CASE6030 沟神JT2720 威猛 廊坊GPS10 徐工ZD1245D2440A 最大回拖/进 136/136 120/120 108/108 150/70 122/108 给力(KN)动力头最 5423 3660 5451 6000 4500 大扭矩(Nm)主轴最大 三速 215 260 80 210转速(r/min)自动装卸钻杆 有 有 有 无 有最大钻进长度(m)300 300 300 300 300自动锚固 有 有 有 无 有表2 国内外同类厂家比较表Table.2 Domestic and foreign similar factories comparison企 业 主要产品 目前的规模 特 点北京土行孙公司 DDW80、DDW100、 已形成系列化、 拖式自行走式DDW150、DDW200 批量化，年产量已DDW250、DDW320 达160余台中联重科 KSD15、KSD25 已批量生产 自行走，动力系与主机两单元体，干湿两用，全负荷敏感控 制，英国技术，回拖 力1525吨德国海瑞克 回拖力100600吨 进口数台 成熟技术，底盘分模块式、拖式、履带式多种2.4 水平定向钻穿越施工工艺介绍 水平定向钻穿越施工工艺： 使用水平定向钻机进行管线穿越施工，一般分为二个阶段：第一阶段是按照设计曲线尽可能准确的钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔，并将产品管线沿着扩大了的导向孔回拖到导向孔中，完成管线穿越工作。 （1） 钻导向孔: 要根据穿越的地质情况，选择合适的钻头和导向板或地下泥浆马达，开动泥浆泵对准入土点进行钻进，钻头在钻机的推力作用下由钻机驱动旋转（或使用泥浆马达带动钻头旋转）切削地层，不断前进，每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位置。钻机被安装在入土点一侧，从入土点开始，沿着设计好的线路，钻一条从入土点到出土点的曲线，作为预扩孔和回拖管线的引导曲线。 （2 ）预扩孔和回拖产品管线：一般情况下，使用小型钻机时，直经大于200毫米时，就要进行予扩孔，使用大型钻机时，当产品管线直径大于Dn350mm时，就需进行预扩孔，预扩孔的直径和次数，视具体的钻机型号和地质情况而定。回拖产品管线时，先将扩孔工具和管线连接好，然后，开始回拖作业，并由钻机转盘带动钻杆旋转后退，进行扩孔回拖，产品管线在回拖过程中是不旋转的，由于扩好的孔中充满泥浆，所以产品管线在扩好的孔中是处于悬浮状态，管壁四周与孔洞之间由泥浆润滑，这样即减少了回拖阻力，又保护了管线防腐层，经过钻机多次预扩孔，最终成孔直径一般比管子直径大200mm，所以不会损伤防腐层。见示意图2：预扩孔和示意图3：回拖管线。 在钻导向孔阶段，钻出的孔往往小于回拖管线的直径，为了使钻出的孔径达到回拖管线直径的1.31.5倍，需要用扩孔器从出土点开始向入土点将导向孔扩大至要求的直径。 地下孔经过预扩孔，达到了回拖要求之后，将钻杆、扩孔器、回拖活节和被安装管线依次连接好，从出土点开始，一边扩孔一边将管线回拖至入土点为止。 2、 水平定向钻施工的特点： （1） 定向钻穿越施工具有不会阻碍交通，不会破坏绿地，植被，不会影响商店，医院，学校和居民的正常生活和工作秩序，解决了传统开挖施工对居民生活的干扰，对交通，环境，周边建筑物基础的破坏和不良影响。 （2 ）现代化的穿越设备的穿越精度高，易于调整敷设方向和埋深，管线弧形敷设距离长，完全可以满足设计要求埋深，并且可以使管线绕过地下的障碍物。 （3 ）城市管网埋深一般达到三米以下，穿越河流时，一般埋深在河床下 918米，所以采用水平定向钻机穿越，对周围环境没有影响，不破坏地貌和环境，适应环保的各项要求。 （4 ）采用水平定向钻机穿越施工时，没有水上、水下作业，不影响江河通航，不损坏江河两侧堤坝及河床结构，施工不受季节限制，具有施工周期短人员少、成功率高施工安全可靠等特点。 （5 ）与其它施工方法比较，进出场地速度快，施工场地可以灵活调整，尤其在城市施工时可以充分显示出其优越性，并且施工占地少工程造价低， 施工速度快。 （6 ）大型河流穿越时，由于管线埋在地层以下 918mm，地层内部的氧及其他腐蚀性物质很少，所以起到自然防腐和保温的功用，可以保证管线运行时间更长。2.5 水平定向钻机在国内的应用 交通运输我国交通运输业在“九五”期间投资力度比较大，其中公路建设亿元，铁路建设亿元，高等级公路和高速铁路建设任务繁重。高速铁路建设也在紧锣密鼓地进行规划实施，如北京到上海的京沪高速铁路已完成规划，总投资超过亿元，拟采用高架形式，则可以想像其桩基工作量。水平定向钻机因其施工速度快、成孔质量高、环境污染小、操作灵活方便、安全及适用性强等诸多优势，已成为发达国家钻孔灌注桩施工主要成孔设备。在这一背景下，这些高等级公路建设及高速铁路建设必将持续拉动市场对水平定向钻机的需求。 水利水电建设 水利水电建设是我国“十五”期间投资的重点。重点是防洪、抗旱和综合利用，对全国七大水系进行综合治理，对湖泊、渠道进行清淤等。 由于我国蕴藏着丰富的水电资源，为开发应用这种清洁的能源，国家现已开始大量投资建设的各类电站，每年新增装机万，每年土石方工程量亿立方米，混凝土量约万立方米。水电建设相应带来系列的配套建设，如输电线路等，这些工程为水平定向钻机带来了新的市场机会。 建筑业 建筑业已被列为国民经济发展的四大支柱产业之一，而且施工的机械化水平日益提高，已成为世界是建筑机械最大的市场，到年，建筑面积平均每年将达到亿多平方米。另外，奥运工程、城市改造工程等都需要大量的桩基，建筑超高，基础工程量越大，并且这些在城市施工的桩基工程，都有严格的环保要求，对反循环钻机的使用会有限制，更拉动了水平定向钻机市场。 4、国内市场及供方情况 目前国内水平定向钻机市场显得红火，产销两旺，进口钻机的势头依然强劲。 进口钻机借其高技术含量和高可靠性受到国内一些大的基础公司的信赖，进口数量逐年增多。 国外钻机技术先进、可靠性高是其占领高端市场的法宝，而其规范的市场运作和完整的产品系列也是其成功的有效的保证。国外的钻机公司进入中国市场后其规范的市场运作使国内的用户感到踏实，有利于培养自己忠实的用户群。 国产钻机以其适用和较低价位抢占了一定量的国内用户。国产水平定向钻机厂经过几年的发展，前期性毛病大大减少，又占有地利优势，维修方便，使国内用户群体不断扩大。 目前国内水平定向钻机生产厂家主要有：徐工系列，三一，北京经纬巨力、山河智能、天津宝峨公司、石家庄煤机公司、连云港黄海等。 有人相比于新加坡钻机市场后认为中国水平定向钻机的合理保有量应达到台套，每年新增需求量为台套。有消息说某民营公司计划一年生产台水平定向钻机，另有一与铁路系统有关公司也准备进入这一机种的生产，计划年产台。徐工集团也把水平定向钻机调整到实力强大的徐州工程机械制造厂进行生产，年内计划可能达到台。其它公司如北京经纬巨力、山河智能、天津宝峨公司等也会扩大生产，为市场提供更多机器。3 水平定向钻机进给机构传动部分设计3.1 传动方式的选择 在水平定向钻机中，动力头要求的行程为3200mm，即3.2m。传动距离较远。且要求钻杆回拖力为25吨。所以传递的力比较大。 常用的机械传动有带传动、链传动，齿轮、蜗杆传动。其中链传动有如下特点。 链传动是一种具有中间绕性件的非共扼齿合传动，它兼有齿轮传动和带传动的一些特点，传动距离大，传递功率大，且能在温度高，湿度大等恶劣环境下工作。 根据上面的分析，选择链传动的方式是合理的。3.2 传动方案的选择3.2.1 板式链与槽轮组合方案及板式链与槽轮选择 尽管上面的分析确定了以链传动的方式，但是到底通过怎样的传动装置以及采用何种驱动呢？下面，进行了两种方案的设计和分析。下面的设计方案利用油缸进给的方式。如下图 图2 油缸推进 Fig.2 Oil cylinder propulsion 采用液压油缸进给，因为是液压缸对滑轮的水平驱动，所以.四个滑轮都是槽轮，而不是有齿的链轮。 因为没有啮合，链条直接在槽轮上拖动。所以链条选择板链。板式链与槽轮选择 （1）板式链的选择采用的是板式链。板式链由链板用销轴连接而成，可以有多种组合形式。它广泛用于起重和牵引工况，有时又称起重链或拉拽链。目前，我国板式链标准采用GB/T 6074-1995（见附表），本标准规定了板式链的结构形式、技术要求、试验方法等，同时规定了端接头及槽轮的型式、尺寸。对于板式链的选择，主要是根据拉伸极限载荷来确定的。 因为钻机的拽引力最大为25吨，即250KN。查标准有LH1688的拉伸极限载荷为338.1KN，以及LH2066的拉伸极限载荷为347KN，这两种板链比较合理。但是考虑到而LH1688则因为板数组合为8，而LH2066板数组合为6，结构上更加紧凑。方案一选择了LH2066板式链。 （2）槽轮的结构尺寸与材料选择根据我国板式链标准GB/T 6074-1995，它同时规定了和板式链相配套的端接头及槽轮的型式、尺寸。如下图：图3 槽轮示意图Fig.3 Slot wheel schemes查标准，LH2066板链，节距P=31.75，D=5 =5 =158.75mm (1)取D=160mm轮缘间宽b=1.05=68.25mm b=70mm (2)=30.48mm轮缘直径D=D+=158.75+30.48+11.11=200.34mm (3)取 材料的选择：板链和槽轮的摩擦较大，有一定冲击载荷，工作环境较恶劣，容易造成槽轮表面磨损和点蚀等。所以槽轮要耐磨，耐热，有一定的强度。可以选择经过调制处理的45钢，或者40Cr.3.2.2 滚子链和滚轮组合方案及设计原理如下图：图4 马达驱动 Fig.4 Motor drive和液压驱动不同的是，此方案采用马达直接驱动链轮，此时链条选用的是比较常用的滚子链来和链轮啮合传动。用液压马达直接驱动滚轮，通过滚子链来传递25吨的拽引力。下面将展开对滚子链和滚轮的设计。设计滚子链传动时原始数据为：传动的功率p=50kw，转速为n=320r/min，传动比i=1设计步骤：1)链轮齿数z1 、z2和传动比i小链轮齿数z1对链传动的平稳性和使用寿命有较大影响。齿数少，外廓尺寸小，但齿数过少，运动不均匀性加剧，动载荷和冲击加大；链条进入和退出啮合时，链节间的相对转角增大，铰链的磨损加剧；链传递的圆周力增大，加速了链条和链轮的损坏。齿数过多，将增大传动尺寸和质量，链条磨损后节距的伸长容易发生跳齿和脱链，同样会缩短链条的使用寿命。齿数的选取原则：（1）链传动速度高时，齿数多些；（2）为考虑磨损均匀，链轮齿数应取与链节数互为质数的奇数，并优先选用以下数列：17、19、21、23、25、38、57、76、95、114。 如下表表3 齿数优先选用Table.3 Gear priority to choose速v(m/s) 0.63 38 8 25 齿数 17 21 25 35 钻机链速设为38m/s。（取整），且。 (4)所以取=212)确定计算功率Pca计算功率Pca是根据传递的功率P，并考虑到载荷性质和原动机的种类而确定，即 kW (5)-工作情况系数，查表，取=1.4 求的 1.4 (6)3)初选中心距a0a小，传动结构紧凑，但a太小，链条总长太短，单位时间里每一链节参与啮合次数过多，加剧链的磨损和疲劳。a过大，承载好，但链条长，横向振动大。一般（张紧或托板），中心距不可调时，。 (7)取 (8)1 链节数Lp=96 (9) 4 )节距和排数的确定 一定条件下，节距越大，链传动承载能力越强，但节距越大，链传动的多边形效应越严重，动载荷、冲击、振动越严重。因为钻机要求的拽引力较大，传递的功率大；取小节距的多排链，确定为双排链，此设计符合工作要求。 (10)-在特定条件下，单排链所能传递的功率 -链传的计算功率-小链轮齿数系数-链长系数-多排链系数设计时先定传动的列数查表得Kp=1.7=1.11 =0.99 (11)求的=39KW由上式计算得P0由图9-13查得链号28A查表9-1得节距p。P=44.45mm 5)验算链速 判断是否与假设符。V= (12)与原假设相符。 6)确定实际中心距 (13) (14) =1667mm为保证松边有合适的垂度 若传动中心距可调，a取大值；若中心距不可调，a取小值。实际中心距 (15) a (16) 7)链轮毂孔最大直径 当确定了链条节距和小链轮齿数后，链轮的结构和各部分尺寸已可定出（表），毂孔的最大直径dkmax也可定出，但dkmax不小于安装链轮处的轴径；若不能满足要求时，可采用特殊结构的链轮（如链轮轴）或重新选择链传动参数（增大z1或p）。查表得 8)计算压轴力Q (17)式中：Fe-链传递的有效圆周力，N； KQ-压轴力系数，对于水平传动，KQ=1.15；对于垂直传动KQ=1.05。 =1.15=288kN (18) 9)滚子链滚轮的结构链轮是链传动的主要零件，链轮齿形已经标准化。链轮设计主要是确定其结构及尺寸，选择材料和热处理方法。 链轮的基本参数是配用链条的节距p,套筒的最大外径，排距以及齿数z。链轮的主要尺寸及计算公式如下， 分度圆直径d= =44.45/sin(180/21)=298.5mm (19) 齿顶圆直径 =298.5+1.25=329mm (20) =298.5+(1-=314mm (21) 分度圆弦齿高 =16.8mm (22) (23) =0.5(44.45-25.4)=9.52mm齿根圆直径=298.5-25.40=273.10mm (24)齿侧凸缘 为内链板高度,查表=42.24mm (25) =250mm (26) 链轮毂孔最大需用直径 （由z和节距p查表） (27) 10)链轮材料的选择 对于不需要热处理的片式链轮，可采用Q235、Q345(16Mn)、或10、20钢制造。一般硬度在HBl40以下，适于中速、中等功率、较大的链轮加工。要求热处理的链轮一般选用 45钢、45钢锻造、45铸钢或4OCr钢加工，适用于受力较大重要场合与高强度链条配套的主、从动链轮的加工。铸铁链轮主要应用在精度要求不高或外形复杂的链轮，如环链轮等。 因为钻机工作时，链轮链条受力较大，强度高，所以选择常用的45钢为宜。如果强度要求更高，可以选择合金钢。3.3 确定选择方案采用板式链与槽轮组合方案有如下特点：1. 液压缸推进比较平稳，稳定性好。2. 动力头的行程和速度是液压缸活塞杆的两倍。从而使得动力头有足够的行程。3. 链条和槽轮没有啮合，链条选择了板式链，板链通过槽轮来传动。采用滚子链和滚轮组合方案运动不平稳，冲击大，噪音大。因此采用板式链与槽轮组合方案 3孟繁忠，链条链轮产品设计与检验，P61884 轴的设计轴是组成机器的重要零件，主要用来支撑机器中做回转运动的零件（如带轮，链轮、齿轮、涡轮等），以实现传递运动和动力。4.1 轴的分类 按照承受载荷的不同，轴可分为转轴、心轴和传动轴三类。工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴，这类轴在各种机器中最为常见。只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴，心轴又分为转动心轴和固定心轴两种。只承受扭矩而不承受弯矩的轴称为传动轴。 轴还可以按照轴线形状的不同，分为曲轴和直轴两大类。曲轴通过连杆可以将旋转运动改变为往复直线运动，或作相反的运动变换。直轴根据外形的不同，可以分为光轴和阶梯轴两种。分类 结构简图 受载情况 转轴 同时承受弯矩和扭矩 心轴 只承受弯矩，不传递扭矩 传动轴 主要承受扭矩只承很小弯矩图5 轴分类Fig.5 Axis classification4.2 轴的材料 轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，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提高抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛，其中最常用的是45号钢，并通过正火或调质处理保证其机械性能。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，并要求减少尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下的轴，常采用合金钢。必须指出：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方法时，所根据的是强度与耐磨性，而不使轴的弯曲或扭转刚度。4.3 轴设计方法设计轴的基本可要求是结构合理和具有足够的强度，不同机械对轴的工作有不同的要求。对于机械中的转轴，主要应满足强度和结构的要求；对于工作时不许有过大变形的轴（如机床主轴），则应主要满足刚度要求；对于高速运转轴（如高速磨床主轴和汽轮机主轴等），则应满足振动稳定性的要求，以免发生共振而破坏。 设计轴的一般步骤是：1先按工作要求选择材料；2初步计算基本直径、确定轴各段直径和长度等结构尺寸3强度计算4.4 槽轮轴的设计4.4.1 槽轮轴的形状与材料选择 臂架的剖面图如下图6 轴孔解剖图Fig.6 Anatomical diagrams. When 由臂架剖面图，根据轴形状的分类，只能采用光轴 得知轴只能采用光轴，因为阶梯轴没有足够的安装空间。而光轴，则从一侧敲进去，通过装有滚动轴承的滚轮，再从敲进另外一个轴孔。4.4.2 槽轮轴强度分析 设计之初，我采用了用套环、紧定套等来轴向定位。因为链条上的拽引力为25吨，通过滚轮(定滑轮)，作用在轴上的力有50吨。如果采用套环等来定位滚轮，因为套环主要是轴向定位，径向支撑轴的力很小。所以，轴受到很大的弯矩。下面对此进行分析。图7 采用套环等轴向定位滚轮的方式示意图Fig.7 Using casing ring etc axial orientation roller way schemes 对上面的设计方案，简化进行下面受力分析和轴的刚度计算。轴的受力图和轴弯矩受力图如下： 图8 轴受力简图 Fig.8 Axial force diagram 弯矩图如下：图9 轴弯矩受力图Fig.9 Shaft bending moment by trying toM=250=37KN (28)，查表，45钢的弯曲疲劳极限为60MPa (29)轴和槽轮用滚子轴承配合，所以轴受到的扭矩较小，忽略不计。W为抗弯截面系数，实心轴抗弯截面系数W= 要满足弯曲强度，则d183mm.如果要采用这种方式，考虑到安全因素等，则轴径的大小要200mm左右。而200mm直径的轴相当大，会导致槽轮也必须比较大，因而不合理。 根据上面的分析，槽轮轴不能承受大的弯矩，为了使轴的直径不太大，而且必须满足弯曲强度，那么就必须减少或消除弯矩。所以，中联重科生产的钻机在臂架内焊接了导轨，焊接导轨起到支撑轴的作用，从而减少了轴的弯矩。使得周受到的弯矩分布更为均匀，成而满足设计要求。 在臂架上焊接了支撑轴的导轨，这样，导轨消除了轴的弯曲应力。图10 焊接导轨支撑轴 Fig.10 Welding guide supporting shaft 在导轨的支撑下，轴的弯矩大大减少了，受力分析如图 图11 轴受力示意图Fig.11 Axial force diagram其中A,B为滚动轴承盖与焊接导轨相接处轴的位置。因为有导轨的支撑，M大大的减少了，轴基本上不会弯曲疲劳损坏。同时，因为槽轮通过滚动轴承与轴配合，所以，扭矩也比较小。因而，此轴的强度校核主要是在AB处危险截面处的剪切应力。轴径向受力分析如下图所示，链条拽引力对轴产生了50吨的径向力图12 链条槽轮受力分析Fig.12 Chain slot wheel stress analysis剪切强度条件为： (30)F为A，B两截面的剪切力，如下图图13 轴剪切力分析Fig.13 Axial shear force analysis 轴材料45钢的屈服极限为=80MPa,代入公式 ,考虑到安全系数等不确定因素，可以取轴的直径为100mm,满足剪切应力要求. 弯曲强度校核 通过焊接导轨的支撑,轴的弯矩大大减少,基本上只在槽轮与轴通过滚子轴承配合的那一段存在弯矩,这是因为跨度(L=104mm)小。下面进行估算。近似把轴承传递给轴的径向力平均分配在轴上，如上图。弯矩M= ，其中q= ,L=104mm (31) M=8666Pa (32 ) w-轴的抗弯截面系数，w= (33) (34) 所以，通过焊接导轨的支撑，弯矩大大减少，满足弯矩强度条件。通过对轴的剪切强度来校核轴，满足强度条件。 小结 轴的设计包括结构的设计和强度的校核。轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装零件的类型、尺寸、数量以及轴联接方法；载荷的性质、大小；轴上的加工工艺等。因此钻机槽轮轴的结构选择光轴的形式。在强度校核中，不能简单的照样书本上的实例来照搬。而要根据轴的受力分析，来选择合适的校核方法。在本设计中，考虑了两种方案的设计，一种是采用套环等定位元件来定位轴，这种情况下，轴的弯矩比较大，所以进行弯矩的校核是必要的。事实上，校核的结果是这种方案的弯矩过大，导致需要的轴半径大，而不符合实际生产。在第二种设计方案中，采用了焊接导轨来支撑轴，以减少轴的弯矩。因为弯矩较小，所以轴的强度校核主要是轴受到的剪切力5 推进油缸结构设计5.1 液压缸主要零部件设计5.1.1 缸筒 （1）分类 常用的缸筒结构有八类。通常根据缸筒与端盖的连接型式选用，而连接型式又取决于额定工作压力、用途和使用环境等因素。有法兰连接，螺纹连接，外半环连接，内半环连接。在本设计中，采用内半环连接，它的优点是：结构紧凑，重量轻。缺点是安装时，端部进入缸体较深，密封圈有可能被进油孔边缘擦伤。 （2）缸筒材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒还要求有良好的焊接性能。根据液压缸的参数、用途和毛坯的来源等可选用以下各种材料：25，35，45等；25CrMo,35CrMo,等。在本钻机中，工作压力大，缸筒材料选择30CrMo。 （3）缸筒计算本钻机的回拖力为250KN，则油缸的最大推力为F=250KN，且液压系统工作压力当液压缸的理论作用力F及共油压力p为已知时，则无活塞杆侧的缸筒内径D为：m (35)求的mm=107mm (36)液压缸主要参数缸筒内径和活塞杆直径，此数值确定后必须选用符合国家标准GB/T 23481993的数值，这样才便于选用标准密封件和附件。查标准,暂取D=100mm 缸筒壁厚 (37) -为缸筒材料强度要求的最小量 -为缸筒外径公差余量 -腐蚀余量当/D=0.080.3时，可用使用公式： 其中为缸筒材料的许用应力，=/n ，n为安全系数，通常取5。30CrMo钢 (38)代入得mm，查工程液压缸产品系列，取缸筒外径为=121mm5.1.2 活塞杆材料和技术要求活塞杆一般用中碳钢（如45号钢），调质处理。对活塞杆通常要求淬火，淬火深度一般为0.51mm，或活塞杆直径每毫米淬深0.03mm。一般采用H8/h7或H8/f7配合，其圆度和圆柱度公差不大于直径公差的一半。安装活塞的轴颈与外圆的同轴度公差不大于0.01mm，活塞杆的外圆粗糙度Ra一般为0.10.3um。太光滑了，表面形成不了油膜，反而不利于润滑。表4 液压缸工作压力与活塞杆直径Table.4 Hydraulic cylinder pressure of work and the diameter of piston rod受压缩，工作压力p/MPa 7推荐活塞杆直径d (0.50.55)D (0.60.7)D 0.7D因为已知液压系统工作压力为28MPa,所以d=0.7D=70mm查标准，取d=63mm5.1.3 活塞 结构型式 根据密封装置型式来选用活塞杆型式（密封装置则按工作条件选定）。通常分为整体活塞和组合活塞两类。本油缸中，采用组合式活塞。组合式活塞可以多次拆装，密封件使用寿命长，而且可以更换。 活塞与活塞杆的连接 活塞与活塞杆连接有多种形式，有卡环型，轴套型，螺母型等。在此设计中，我采用了卡环型连接方式，两个半卡环卡入环槽，套上挡环，在装上弹性档圈。所有型式均须有锁紧措施，以防止工作时由于往复运动而松开。同时在活塞与活塞杆之间需设置静密封圈。 活塞尺寸及加工公差 活塞宽度一般为活塞外径的0.6-0.8倍，但也要根据密封件的型式、数量和安装导向环的沟槽尺寸而定。活塞外径的配合一般采用f9，外径对内径的同轴度公差不大于0.02mm,端面与轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100,外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差之半。导向长度HL/20+D/2 （L为液压缸最大行程） (39)活塞宽度B =（0、61、0）D； A =(0.610)D （D80mm） 则取B=80mm5.1.4 导向套活塞杆导向套装在液压钢的有杆侧端盖内，用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封。外侧装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水分带到密封装置处，损坏密封装置。导向套典型结构型式有端盖式、端盖式加导向套。本设计中，采用了端盖加导向套这种型式。导向套一般采用摩擦系数小、耐磨性好的青铜材料制作。导向套长度的确定导向套滑动面长度A A =(0.61)d （D80mm） (40) 取A=63油口油口包括油口孔和联接螺纹。液压缸的进、出油口可布置在端盖或缸筒上。油口孔大于多属于薄壁孔。经过查询相关的资料和图表以及公式手册，通过孔的流量按下式计算： (41)式中 C-流量系数，接头处大孔与小孔之比大于7时，C=0.6-0.62,小于7时，C=0.7-0.8A-油孔的截面积B-液压油密度 -油孔前壁腔压力，Pa从式中可见，C 是常量，对流量影响最大的因素是油孔的面积A。根据上式可以求出孔的直径，以满足流量的需求，从而保证液压缸正常工作的运动速度。液压缸油口联接螺纹尺寸因符合GB/T28781993的规定。 钻机的推进油缸的工作压力为20MPa，所以选择进出油口螺纹为M335.1.5 缸体与缸盖连接方式常见连接方式有法兰连接式、半环连接式 、螺纹连接式 、拉杆连接式 、焊接式连接等。如下图图14 缸体与端盖连接Fig.14 Cover and cylinder connections 在本设计中，采用了螺纹联接的方式较好。适合于钻机安装在空间有限的臂架内。 5.1.6 小结 在液压缸的设计中，因为对钻机的很多参数不知道，所以，在此设计中，很多地方采用了经验公式，来根据国家标准的推荐系列来选择尺寸。液压缸的主要尺寸包括：液压缸内径D、活塞杆直径d、液压缸缸体长度L。而这几个尺寸是有标准的。只有选择标准，才能方便选择合适的密封圈等其他配件。6 键和螺栓设计与分析6.1 键的分析 在链传动中，链的拽引力为25吨。链条的一端用接头固定在支架上。其中，链接头上有四个螺栓，但是这四个螺栓不能承受25吨的水平剪力，所以四个螺栓只受拉力即预紧力，不受剪力。而25吨的拽引力就用键来承担。键主要用来实现轴和轴上零件之间的周向固定以传递转矩。有些类型的键还可以实现轴上零件的轴向固定或轴向移动。键是标准件，分为平键，半圆键，楔键和切向键等。设计时应根据各类型键的结构和应用特点进行选择。 平键的两侧面是工作面，上表面与轮彀槽底之间留有间隙。这种键定心性较好，装拆方便。常用的平键有普通平键和导向平键两种。两种键的类型和特点表现在以下几点 普通平键的端部形状可制成圆头（A型），方头（B型）或单圆头（C型）。圆头键的轴槽用指形铣刀加工，键在槽中固定良好，但轴向键槽端部的应力集中较大。方头键用盘形铣刀加工，轴的应力集中较小。单圆头键通常用于轴端。普通平键应用最广。 导向平键较长，需用螺钉固定在轴槽中，为了便于拆装，在键上制出起键螺纹孔。这种键能实现轴上零件的轴向移动，构成动联接。如变速箱的滑移齿轮即可采用导向平键。6.1.1 键在轴上工作时的强度校核方法 1键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应根据键联接的结构特点、使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按符合标准规格和强度要求来取定。键的主要尺寸为其截面尺寸（一般以键宽b键高h表示）与长度L。2.键联接强度计算当平键联接传递转矩时，主要的失效形式是工作面被压溃。除非有严重的过载，一般不会出现键的剪断。（1） 平键联接强度计算图15 平键联接受力情况Fig.15 Flat key coupling stress假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键联接的强度条件为 (42) 导向平健联接和滑键联接的强度条件为 式中：T传递的转矩，Nm； k键与轮彀键槽的接触高度，k=0.5h，此处h为键的高度，mm； l键的工作长度，mm，圆头平键lLb，平头平键 l L，这里 L为键的公称长度，mm；b为键的宽度，mm； d轴的直径，mm； p键、轴、轮彀三者中最弱材料的许用挤压应力， MPa，见下表； p键、轴、轮彀三者中最弱材料的许用压力，MPa， 以上的强度校核是键在轴上工作时的强度校核。表5 键联接的许用挤压应力，许用应力（MPa）Table.5 Key connection is allowable compressional stress, allowable stress (MPa)许用挤压应力、 联接工作方式 键或毂、轴的材料、载 荷 性 质许用压力 静载荷 轻微冲击 冲击 p 静联接 钢 120150 100120 6090 铸 铁 7080 5060 3045p 动联接 钢 50 30 406.1.2 联接板上键的强度校核注：如与键有相对滑动的被联接件表面经过淬火，则动联接的许用压力p可提高23倍。以上是键在轴上的受力分析，键传递的是转矩。而在本钻机中，用平键和螺栓把链条联接板固定在支架上，而25吨的拽引力就有平键来承受。示意图如下图16 键联接Fig.16 Key connection因为此处键的工作面和轴上的工作面不一样。所以要对公式进行改变。但是原理是一样的。如下普通平键联接的强度条件为 (43)由F=25吨 L=56mm (44)查表45钢110MPa ，代入上式，求出kkmm即键的高度h=82mm,键尺寸为b为10 (45)6.2 链板接头联接螺栓的设计螺栓的应用非常的广泛，钻机中用的也特别多。中联重科生产的KSD25钻机中，用到了很多不同大小的螺栓。有M6,M8,M12,M16,M22等一些螺栓。其中，在两个链板和支架的联接中，每一个链板都用了4个M12来联接。下面对这个螺栓进行分析。图17 螺栓联接Fig.17 Bolt connection 理论上说，这四个螺栓是不能承受剪切的，它们是直接旋进螺孔，没有螺母和垫圈与接合面的摩擦力来抵消剪切力，只起到联接和固定的作用。而25吨的水平拽引力只能由键来承担。所以，对键和键槽的配合要求非常高。键的配合不能有间隙产生，否则，螺栓很容易被剪断。下面，分析下如果键和键槽有间隙，导致拽引力转移到四个螺栓上面的受力分析。承受工作剪力的紧螺栓联接 螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为 (46) (47)式中：F 螺栓所受的工作剪力，N； d0 螺栓剪切面的直径（可取为螺栓孔的直径），mm； Lmin 螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，mm，设计时应使Lmin1.25d0； p螺栓或孔壁材料的许用挤压应力，MPa ； 螺栓材料的许用切应力，MPa 。 图18 承受工作剪力的紧螺栓联接Fig.18 Work under shear tight bolt connection 采用45钢，= （48）其中F=62.5KN L=25mm d=12mm （49）则，满足=208MPa=426MPa满足挤压条件 （50）螺栓杆的剪切强度条件为 （51）= （52）代入数据， 553MPa （53）所以，M12的螺栓不能承受剪力。有公式22mm （54）从理论上讲，可以把M12的螺栓改为M24的螺栓，这样，M24螺栓不仅可以满足螺栓的挤压强度，而且可以满足剪切强度。这样，能承受当键存在配合上的间隙时导致拽引力转移到螺栓上的剪切力。但是，中联重科的
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