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推进架及回转器设计,推进,回转,设计
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推进架及回转器设计1 绪论 1.1 钻机的主要用途 1 钻机主要是为了适应旋喷工法在我国的逐步推广研制而成的。通过不同模块的组合，可以适合定喷、摆喷、旋喷等施工工艺；单重、双重、三重旋喷等各种施工要求。2 可用于各类软地基加固、高层建筑地下室的防渗处理、大江大河堤坝的整治、铁公路、桥墩的加固等。1.2 钻机的主要特点 1 钻机适应性能好，可以对钻机配套不同模块，不同钻具。实际上XP-30是一种系钻机，用户可以根据自己的实际需要配置成性能价格比最优的钻机来投入施工，并且可以不断更新模块，来解决不同的旋喷工艺。 2 钻机在某些软土层施工时，钻孔和旋喷可一次完成；旋喷提升时，在旋喷深度不高于副塔高度时（14 m），不用拆卸钻杆，可一次旋喷成桩。（在复杂地层应配引孔机） 3 钻机采用全液压技术：钻机移位和转向、动力头变速、钻具提升和钻机起塔，均采用液压控制，操作方便灵活，维护省时、省力。 4 移动机架采用特殊技术，是钻机在移位过程中不用枕木，大大降低工人劳动强度，降低施工成本，提高作业效率。 5 钻机采用双卷扬机，应用电动控制，大大降低了劳动力，提高了生产效率。1.3 钻机的主要组成 钻机主要由动力组件，包括三台电动机带三组泵，动力头部分，给进架部分，桅杆组件油箱组件，移动机架，机架，卷扬机，操纵台，电器柜及其它辅助装置组成。其中我设计的部分为桅杆组件里的回转器及推进架部分。图1.1钻机主要部件图1.3.1 主塔主塔主要是给动A头提供一个移动的载体。主塔架上装有动力头，孔口装置，顶部滚轮组件，底部滚轮组件，滑动导轨，油缸等部件，其中动力头采用链条拖动，主塔架为焊接件，要求表面平整，不得有裂纹，折皱，凹陷等缺陷，各焊缝需焊透，不得烧穿及有裂纹等缺陷，焊缝必须清理，焊接连续，焊高要求5mm，焊后要去渣，清理打磨，去毛刺。主塔架是由钢板，钢管，槽钢等焊接而成，材料为Q235A，45钢。其中Q235A为优质碳素结构钢，心部强度要求不高，用于重要的焊接结构；45钢强度较高，塑性和韧性较好，用于制作承受较大载荷的小截面调质件和应力较小的大型正火零件以及心部强度要求不高的表面淬火件。主塔架上的安装部件顶部底部滚轮组件，滑动导轨是为了拉动动力头和链条的通过而设计的，动力头的拉动采用了两条链，两端拉动，其中一链条接油缸，通过滑动导轨的一个滚轮，过顶部滚轮，连到动力头的前端接头；另一链条从一焊接板处接头引出，接滑动导轨另一滚轮，过底部滚轮组件，连接到动力头的后端接头，在油缸的压力作用下，链条拉动动力头实现其提升，从而进行钻机钻进动作。1.3.2 副塔副塔架主要是为了在旋喷时可一次提升，中途不用拆卸钻杆而设计的，有两节5 m 的副塔架和一节3m副塔架，成孔时也是如此，塔架架可以根据用户的需要设计适当的高度。（注意：当成孔深度大于钻机高度时，就要拆装钻杆了，另外有一套撑杆，主要是用来支撑主塔和副塔，钻机施工时一定要安装上）副塔架是焊接件，主要由钢管，钢板焊接而成，其中钢管的材料为20钢，冷变形塑性高，一般供弯曲，压延用，为获得好的深冲压延性能，板材应正火或高温回火，用于不经受很大应力而要求很大韧性的机械零件，还可用于表面硬度高而心部要求不大的渗碳与氰化零件。副塔架上还安装了孔口装置和天车滑轮，主要是为了提升钻杆及其它器具时保持一定的稳定性和直线度，其中孔口装置通过一槽钢焊接在副塔架上，天车滑轮安装在副塔顶端。装配整台钻机时，副塔通过螺栓与主塔连接，钻机工作时，塔架由起塔油缸支撑，可绕支点旋转一定的角度，再用辅助支撑组件固定，链条拉动动力头实现钻进。1.4 钻机的工作原理钻机的工作以及部件组成的认识：整台设备的动作有：主塔的起塔、回转器的加压提升、回转器的回转运动、机架移动、卷扬的起吊、支腿油缸；所有的这些动作是由多个不同型号性能的油缸和马达实现，而油缸和马达动作的控制则是由所设计的液压系统（操控抬）实现。利用电器原理（电器柜）控制设备中的泵站给系统提供转速和动力支持，卷扬机组帮助实现更大范围的作业！所有这些设备合理的布局在底架上，所以整台设备的生产核心在于液压系统和电器原理的设计以及相对成熟的装配工作。整台钻机的工作理念是利用（40Mpa）高压水（水泥浆等）冲击岩石，对岩石进行粉碎作业。高压直线水柱经过回转器的回转形成高压的螺旋水柱进行更大压力更大空间的作业，旋喷钻机因此而得名！部件间的连接：电器柜与电动机（泵站）连接，对其进行工作控制；泵站油路连接液压操纵台实现整个液压系统的控制；利用油管连接各个组件油缸或者马达实现各个规定的动作（即每一个部件的动作都是由相应的油缸实现）；整个液压油路的供油和回油由油箱实现；当工作的高度很大时，可连接安装主副塔架，利用卷扬机组和天车滑轮进行钻杆的调用安装。另外卷扬机组则用于调用钻杆和一些辅助性的物品，提高了效率。2 主塔的设计2.1 方案论证 主塔的结构主要是根据零部件选择和装配确定的，动力头的拉动可以采用单排链，也可以采用双排链，根据所选择的链条及其型号设计相应的滚轮结构和顶部底部滚轮组件，导轨和滚轮的安装位置也可以进行受力情况进行设计，主塔架的设计也是根据其上零部件的安装位置确定的，在受力较大的地方有加强筋或板。 方案一：这以结构采用单排链拉动动力头，底部滚轮组件安装在主塔架端部，安装在主塔架的端部，缩短了主塔架的长度。在滑动导轨运动经过部分焊接较宽的支撑板，筋板，支撑板的数量较少。图2.1方案一此种方案缩短了主塔架的长度，但底部滚轮的安装可靠度不是很高，链条也需要长点，适合油缸的行程不是太大的工作要求。 方案二：仍采用单链拉动动力头，但底部滚轮安装在主塔架内部，但主塔架采用较多窄的支撑板焊接，增强了支撑能力，安装也比较方便，可在较大油缸行程下使用。综合比较我采用方案二。 二者同样都采用了倍增原理，以下是推进架示意图及倍增原理示意图：图2.2 推进架工作示意图 推进架是支承孔口装置、动力头等部件，完成动力头加压和提升动作的部件。加压升缸于给进架内部，活塞杆通过滑动导轮、上下滚轮组拉动链条，由链条将作用力传递给动力头。 如图2.2，当换向阀2扳向上时，起塔油缸向上伸出与支撑组件相配合，将主塔立起。另外有一套撑杆，主要是用来支撑桅杆和副塔，桅杆升起后，必须立即用两根支撑钢管支撑好，扳紧桅杆下端紧固螺母，方可开动钻机。桅杆要下降回位时，首先必须先卸下支撑杆，扳开桅杆紧固螺母，才可扳动液压操纵阀，以下降桅杆。换向阀2扳向下，起塔油缸回缩与支撑组件相配合，将主塔平放好，然后固定住。加压提升油缸位于给进架内部，活塞杆通过滑动导轮、上下滚轮组拉动链条，由链条将作用力传递给动力头。利用倍增原理，油缸的位移传到动力头上时为原来的两倍。当加压提升油缸伸长X时，滑动导轮向下移动距离为X，图中滚轮2两边的链条同时象滑轮一样伸长X，对于链条b来说就等于移动了2X，于是链条带动回转器提升了2X。同上，当加压提升油缸缩短X时，链条a也带动回转器向下移动了2X。这就是倍增原理了。2.2 主塔架的设计2.2.1 设计要求设计主塔架需要考虑节省材料，装配合理，为主塔架上安装的零部件提供合理的放置空间，最重要的是满足受力要求，保证工作时的强度和刚度。主塔架采用焊接作为连接件,用两工字钢对接来组成塔架结点。在受力较大的部分加加强筋，连接板等。在需要安装滚轮，油缸等零部件的位置设计合理结构。2.2.2 设计步骤 a. 简单的分析主塔的受力主塔架受力包括：自身的重力，动力头，孔口装置及滑轮滚轮等的重力，链条的拉力，支撑油缸的提升力等。 b.主塔架结构的确定采用工字钢作为主支撑，使用槽钢作筋，在受力较大的地方加腹板或者筋板。如放置动力头的位置，放置孔口装置的位置，放置滚轮组件的部分等受力较大的部分。在需要放置外部连接件的地方加焊所需要的支撑部分。如安装底部滚轮组件部分，安装顶部滚轮组件部分，安装链条接头部分，安装底部定滑轮部分，安装起塔油缸部分，安装支架部分等，为油缸和链条通过部分留有适当的运动空间。焊接滑动导轨，长度为油缸的行程。2.2.3 主塔架结构确定主塔架的二维图如下：图2.3主塔架二维图主塔架的三维图图2.4主塔架的三维图2.3 底部滚轮组件的设计2.3.1 滚轮的设计焊接链的滚轮一般由铸铁制成，结构与钢丝绳滑轮相仿，为了使链条与滑轮接触良好，滑轮轮缘制成槽形的，槽行两侧有的带边，有的不带边，链轮直径按驱动情况确定，一般取：手动D20d；机动D30d(d为链环圆钢直径)通过底部滚轮组件的链条选适用于起重和牵引的板式链条，链条型号选择LH1244-254，此链条极限拉伸载荷97.9KN，公称节距19.05mm，销轴直径为7.94mm，其余尺寸参数可查表。则底部滚轮的尺寸确定如下：D207.94=158.8mm，取D=162mm，链轮宽B=4.8d+4=42.112mm，取B=46mm，槽两边留的厚度b=0.4d+2=5.176mm，则槽宽=0.6d+5=9.764mm,取为16mm，具体尺寸如下：图2.5底部滚轮2.3.2 总体结构的确定 底部滚轮组件除主要零件滚轮外，还有其余零部件，滚轮装于轴上，且选相应轴承，主轴的尺寸根据滚轮三维图表达如下：图2.6滚轮三维图孔和轴承的尺寸确定，装配图如下：图2.7孔和轴承装配图底部滚轮组件的受力图如同定不滚组件，但其链条的拉力相对的较小，在这里不作具体的分析。2.4 顶部滚轮组件的设计2.4.1 顶部滚轮的设计设计类似于底部滚轮组件。因受力不同，则所选链条和滚轮型号都不同。通过顶部滚轮的链条还是选择板式链条，型号为LH1288-344，此链条极限拉伸载荷为195.7KN，公称节距19.05mm，链数组合88，销轴直径d=7.94mm，其余参数可查表获得。顶部滚轮的尺寸确定如下：D20d158.8mm，因为此链条的拉力较大，取的直径也偏大，D=181mm，链轮宽B=4.8d+4=42.112mm，取B=72mm，槽两边留的厚度b=0.4d+2=5.176mm，则槽宽=0.6d+5=9.764mm，取为17mm,具体的尺寸如下：图2.8顶部滚轮2.4.2 总体结构的确定 滚轮装于轴上，且与轴之间用轴承连接，选择适当的轴承型号。 顶部滚轮组件的装配图如下：图2.9顶部滚轮组件的装配图顶部滚轮组件的三维实体图如下：图2.10顶部滚轮组件的三维实体图2.5 滑动导轨的设计滑动导轨在链条的拉力作用下沿滑动导轨的上下导轨滑动，其主要由用于链条通过的滚轮，支撑轴，导轨架，轴承，盖等组成。其中的两个滚轮，一个通过的链条型号是HL1288-344，另一通过的链条型号是HL1244-254，则所选的滚轮一同底部滚轮组件中的滚轮，另一同顶部滚轮组件中的滚轮。根据所选的轴承配相应的盖。滑动导轨的剩下一根轴用于连接油缸。滑动导轨的装配图如下：图2.11滑动导轨的装配图滑动导轨的三维实体图如下：图2.12滑动导轨的三维实体图因其滚轮的尺寸与顶部滚轮和底部滚轮相同，且通过的链条同，受力分析同上。2.6 下封板组件的设计下封板组件主要是加强固定作用，装于主塔架的底部装滑动导轨和滚轮组件的部位，其宽度根据主塔架的宽度确定，再加固定部分，在主塔上，共有上封板组件3个，固定在受力较大的地方，滑动导轨的运动经过位置。下封板组件的零部件装配图：图2.13零部件装配图下封板组件的三维实体图如下：图2.14三维实体图2.7 油缸定位组件的设计油缸定位组件用于油缸的定位，防止油缸的移动，其形状根据油缸的尺寸确定。其零部件装配图如下：图2.15零部件装配图油缸定位组件三维实体图如下：图2.16三维实体图2.8 链条的选用起重机械中应用的链条有环形焊接链和片式关节链，链条绕性好，可用较小直径的链轮和卷筒，由载荷产生的驱动机构的力矩较小，传动比也较小，传动机构外形尺寸小，比较耐腐蚀。根据最大工作载荷及安全系数计算链条的破坏载荷Sp，以Sp来选择链条（Sp为破坏载荷，Smax为链条的最大工作载荷，n为安全系数）SpSmaxn（2.1）由于动力头的提升力通过链条的拉力实现，所以Smax最小应为60KN,安全系数选3，Sp最小应取180KN，选板式链拉伸极限载荷大于180KN的链条，型号选为GB/T6074-1995板式链LH1288-344，板数组合88，极限拉伸载荷195.7KN； 后有一辅助链条，用于动力头回退时拉动动力头，同样，Smax最小应为30KN,安全系数选3，Sp最小应取90KN。选择链条型号GB/T6074-1995板式链LH1244-254，板数组合44单排链，极限拉伸载荷97.9KN。2.9 主塔的总装图经过以上的分析，主塔架上安装的零部件包括油缸，滚轮，滑轮，孔口装置，动力头，滑动导轨等，确定主塔总装图及其主要的零部件。主塔的装配图：图2.17 主塔的装配图主塔的三维图：图2.18 主塔的三维图3 回转器的设计3.1 回转器介绍图3.1 回转器三维图图3.2 回转器各零件图 回转器由液压马达驱动，经齿轮传动变速，带动前端钻杆接头正反转。回转器可有两档变速，换档变速手柄位于箱体侧面，档位I和II分别对应主轴的两组不同输出转速。钻进时，结合操纵台控制手把和回转器速度档位来选取所需的合适速度。回转器箱体内贮存有齿轮润滑油，使用时应经常检查油量是否足够。当钻机工作一段时间后，回转器会出现晃动情况，这时可调整回转器与桅杆连接处的支头螺栓，但不可太过于紧。回转器里装有一个液压卡盘，主要是用来抱紧和松开钻杆的作用。 3.2 回转器设计要求1、 输出调速范围及各档转速要能满足各工作机构运动速度的要求；2、要求能按各工作机构的需要合理分配动力；3、要求根据需要改变工作机构的运动方向（反档）；4、具有足够的强度、刚度和耐磨性，保证工作可靠、运转平衡，传动效率高，发热量小，结构简单，维修方便，使用寿命长等。3.3 回转器设计步骤1、根据传动系统中所给的档数，传动比与调速范围，草拟传动方案；、调研，收集资料，分析比较；、确定回转器的形式和布局；、确定工作总时数（根据制造缓和使用的具体情况，一般连续工作两年）；各档时间使用率（根据钻进工艺和钻速级数，用统计方法得出）；绘出回转器传动草图：主轴转速输出表：（r/min），其中（6）为6、7阀，（10）为10、11表 3-1 主轴转速输出表对应的马达流量 9.619.361.170.7 80.4L/min手柄或旋扭回转器手柄（6）（6、10）（1）（1、6）（1、6、10）0101540505502040120140160经过筛选，选取额定钻速（r/min，正反转）：010（无级可调2000N.M）、020（无级可调670N.M）、10、15、20、40、40、50、55、120、140、160。2、 确定回转器的主要参数；包括：中心距A，齿轮模数m，齿宽b3、 据传动比选配齿轮，确定各档齿轮齿数；4、 进行齿轮、轴、轴承等零件的强度、刚度和寿命的计算；5、 进行结构设计，绘制装配图（应考虑结构的先进性、合理性、工艺性、装配性及系列化、通用化、标准化等问题，还应注意与总体设计相协调）。3.4 设计方案的选择方案一：如图一所示，采用一滑移齿轮，一空套齿轮传动，满足设计要求方案二：如图二所示，直接采用双联滑移齿轮，获得两级转速方案比较：方案一有如下优点：结构紧凑，便于控制滑移齿轮。但缺点是空套齿轮加工复杂，需要在空套齿轮中加一个内齿轮。方案二有如下优点：齿轮数目少，双联滑移齿轮易加工，便于控制，但传动啮合精度较之方案一比之较低。因为回转器体积要小，故采用方案一。 图3.3 方案比较图根据设计任务得要求以及钻机工作情况，初拟传动方案如下图3.4：图3.4 传动方案图3.5 主要零部件的结构及其选用3.5.1 各轴在回转器中的位置在回转器中，布置轴的位置时要考虑整机布置要求以及与前后部件连接的位置关系，并力求使各轴的位置有利于降低钻机的重心，有利于操纵装置的布置，有利于拨叉接近换档齿轮，有利于齿轮在各轴上的布置。3.5.2 各档齿轮在传动轴上的布置各档齿轮在传动轴上的布置方式影响轴的挠度，轴承的受力和寿命，影响换档操纵的方便性，以及回转器的尺寸。因此在进行齿轮结构设计和安排齿轮在轴上的位置的时候必须考虑以下几点：（1）允许情况下，尽可能减少齿轮的齿数；（2）齿轮结构形状要简单；（3）齿轮在传动轴上的布置要尽量缩短轴向尺寸，充分利用可借用的空间，以利于减少回转器箱体的尺寸；（4）受力大的齿轮尽可能安排在靠近轴的支承部位，以改善轴的受力情况；（5）排列布置，以利于换档方便。3.5.3 反档的布置钻机设置反档主要是用以旋喷工艺及处理孔内事故。 对于本设计，采用的方法是通过改变操作台控制阀的位置进而改变进出油口的位置，从而改变液压油的流向，以此来实现反档。3.5.4 轴的支承方式及轴承的选用传动轴的支承方式取决于轴的受力情况和回转器的结构形式。对于简支方式支承的轴，当轴只承受扭矩及径向力时，可以选用径向球轴承。假若轴上受有轴向力，一般采用圆锥滚子轴承。对于受径向尺寸限制，不容易采用球轴承支承的轴，多采用滚针轴承。此种轴承不能承受轴向力，不允许有角度偏斜，极限转速也较低。根据轴上各部位受力大小，结构方式和受力性质情况，同一根轴可以采用不同类型和规格的轴承支承，但要考虑各种类型轴承的特性，恰当选择。另外应注意有些轴承只能成对使用，如圆锥滚子轴承、向心推力球轴承等。轴承的选用与轴的支承结构形式要考虑拆装方便。轴的轴向定位，通常采用把一端轴承内、外圈分别固定在轴及箱体上，而另一端轴承内圈固定在轴上，外圈以滑动配合装在箱体孔内，以便在轴受热后能自由伸长，同时，可以消除零件制造精度带来的安装误差，以及简化拆装工艺。但是，也可以采用两边轴承外圈固定，而用轴作轴向固定的方式。当轴两端采用圆锥滚子轴承支承时，为了便于调整轴承间隙，在轴承压盖与箱体之间应装有调整垫片，或其它调整装置。激溅润滑是利用存储在回转器箱体内一定量润滑油的油面高度，通过沉浸在油液中很传动零件的转动，激溅油液润滑其它需要润滑的零件。此种润滑方式不需要复杂的润滑装置，但要求有一定的油面高度，为保证润滑可靠还可采取一些的措施。回转器箱体密封要可靠，否则会造成润滑油的漏失，或脏物进入变速箱。因此，在变速箱上的所有装合面要加密封件，例如：轴承盖与箱体装合面要加纸垫或橡胶密封圈，挡盖与箱体涂抹密封胶。另外还可以采取其它措施增加密封性能，例如：箱体上采用不钻透螺孔，放油螺丝采用锥形细牙螺纹结构，为防止回转器箱体温度升高时箱内空气膨胀，迫使油液泄漏，箱盖上应设有通孔等。3.6 回转器液压计算及各转速的输出扭矩3.6.1 实际参数的计算用户所需的转速及转矩（见下表）表3-2 转速及转矩表回转器输出参数实际转速r/min0100201540405055120140160实际扭矩Nm20006702100250071025002500850850840根据回转器设计所提供的参数，可知两对传动齿轮传动比分别为：，。将用户所需转速分为两档，见下表：i1=0.5306 i2=1.5714 9.6、19.3、61.1、70.7、80.4 L/min主轴转速输出表：（r/min），其中（6）为6、7阀，（10）为10、11表3-3 主轴转速输出表对应的马达流量9.619.361.170.7 80.4L/min手柄或旋扭回转器手柄（6）（6、10）（1）（1、6）（1、6、10）0101540505502040120140160经过筛选，选取额定钻速（r/min，正反转）：010（无级可调2000N.M）、020（无级可调670N.M）、10、15、20、40、40、50、55、120、140、160。其他参数的计算：1) 回转器转速为010r/min回转器输出扭矩： （3.1）回转器所需功率 油马达输出转速： （3.2）油马达输出扭矩 2) 回转器转速为020r/min回转器输出扭矩： （3.3）回转器所需功率 油马达输出转速： （3.4） 油马达输出扭矩 3) 回转器转速为15r/min回转器输出扭矩： （3.5）回转器所需功率 油马达输出转速： （3.6） 油马达输出扭矩 4) 回转器转速为40/min回转器输出扭矩： （3.7）回转器所需功率 油马达输出转速： （3.8）油马达输出扭矩 5) 回转器转速为40r/min回转器输出扭矩： （3.9）回转器所需功率 油马达输出转速 ： （3.10）油马达输出扭矩 6) 回转器转速为50r/min回转器输出扭矩： （3.11）回转器所需功率 油马达输出转速： （3.12）油马达输出扭矩 7) 回转器转速为55r/min回转器输出扭矩： （3.13）回转器所需功率 油马达输出转速： （3.14）油马达输出扭矩 8) 回转器转速为120r/min回转器输出扭矩： （3.15）回转器所需功率 油马达输出转速： （3.16）油马达输出扭矩 9) 回转器转速为140r/min回转器输出扭矩： （3.17）回转器所需功率 油马达输出转速： （3.18）油马达输出扭矩 10) 回转器转速为160r/min回转器输出扭矩： （3.19）回转器所需功率 油马达输出转速： （3.20）4 关键零件校核4.1 顶部滚轮组件主轴受力分析及轴承校核4.1.1 顶部滚轮组件主轴校核主轴的受力情况包括，滚轮组件的重力和链条的拉力。其中滚轮组件的重力大小为77.42N，链条的拉力为63KN，其中链条为板数组合88的板式链。拉力通过轴承转化成主轴上的扭矩5701.5N.m轴的材料为40Cr，调质处理后硬度为HB210-260，平均取为235HB，查表得b=900MPa，s=620Mpa，-1b=0.44b=323.4 Mpa；-1=0.3b=220.5 Mpa，脉动循环疲劳极限0b=1.7-1b=549.78 Mpa，0=1.6-1=352.8 Mpa等效系数 （4.1） （4.2）轴的受力简图如下：图4.1 轴的受力简图直径为45的截面与右边50的截面的结合面处为最危险截面。弯矩：M= 5032 N.m弯曲应力幅 ： （4.3）弯曲平均应力m=0切应力 ： （4.4）有效应力集中系数，在此截面处有直径的变化，过渡圆角半径r=1mm，由D/d=50/45=1.11，r/d=1/45=0.022和b=735表得K=2.08，K=1.69表面状态系数Ra=3.2m，查表得=0.91尺寸系数查表得=0.73，=0.78安全系数：弯曲安全系数，设为无限寿命Kn=1，由下式得： （4.5）基本上满足使用要求，还有套筒增加其强度。4.1.2 顶部滚轮滚动轴承寿命校核在推进架组件中，滚动轴承都是用在滚轮组件中的（底部滚轮组件，顶部滚轮组件，滑动滚轮组件）。滑动滚轮运动速度组件只是沿轨道缓慢移动，运动速度比较低。底部和顶部滚轮都是固定在推进架体上的，它们的轴承只是在链条的带动下做缓慢的转动。另外，这些轴承的受力情况比较简单，仅仅受到径向载荷的作用。所以选择圆柱滚子轴承。滚动轴承寿命校核对单个轴承受力分析：采用圆柱滚子轴承，受到径向力作用，F=60kN。查表，NJ210E的基本尺寸：d=50mm,D=90mm。基本额定载荷C=61.2kN,C=69.2kN , 极限转速6000r/min。Fa=0，X=1，Y=0。查表得，载荷系数f=1.01.2（属于平稳运转或者有轻微冲击），本设计取1.1。当量动载荷： （4.6）计算轴承寿命： （4.7） 其中，n为轴承转速，取其最小值，n=15。C为基本额定动载荷， =1.57x105 （4.8） （4.9）轴承寿命合格。4.2 回转器主轴、齿轮及轴承校核4.2.1 主轴校核以下回转器齿轮、轴的强度计算，取钻机的极限工作状态，即钻机主轴达到速度40r/min，花键轴达到最低速度75.38r/min，回转器液压马达输入转矩为最大连续值2500Nm。 主轴材料40cr, 3、调质处理HB230270。 1、轴的疲劳强度校核1） 根据载荷分布及应力集中部位，选取轴上截面进行分析如图。图4.2 截面分析图图4.3 截面受力图经过综合比较最后确定如图上的四个截面为危险截面。 2）校核危险截面的安全系数（表4-1）根据计算说明取许用安全系数为SP=1.6,计算出安全系数。表4-1 计算安全系数表计算内容几公式计算值或数据截面IIIIIIIVT/N.m2500250025002500M/N.m1440114700Z/ cm27.456.742.927.2Zp/cm=2Z54.8113.485.854.4都为12.14.43.32.22.04.43.32.2. 计算出安全系数均大于许用值，故轴的疲劳强度足够。 2. 轴的静强度校核2） 确定危险截面根据载荷较大及截面较小的原则选取截面II、III、IV为危险截面.3） 校核危险截面的安全系数。表4-2 数据表计算内容及公式计算数据截面II5000229456.7113.4III5000042.985.8IV5000027.254.4 表4-3 校核表计算内容及公式计算数据截面II50029012.46.65.8III5002904.94.9IV5002903.23.2取许用安全系数（=0.714表4-3）。计算安全系数大于许用值，故轴的静强度足够。 3. 花键的挤压强度校核公式： （4.10）算出：P=20 MPa花键的挤压强度足够。4.2.2 齿轮校核以下回转器齿轮、轴的强度计算，取钻机的极限工作状态，即钻机主轴达到速度40r/min，花键轴达到最低速度75.38r/min，回转器液压马达输入转矩为最大连续值2500Nm。档：固定齿轮z1与双联滑移齿轮啮合z2 固定齿轮z1 =26 材料：20CrMnTi 渗碳淬火处理后齿面硬度HRC5662， 心部硬度HRC3045 滑移齿轮z2 =49 材料：20CrMnTi 渗碳淬火处理后齿面硬度HRC5662，心部及花键硬度HRC3045。齿面接触疲劳强度计算：表4-4 接触疲劳强度计算表计 算 项 目计 算 内 容计 算 结 果转矩使用液压马达的额定扭矩接触疲劳极限查 手 册初步计算的许用接触应力固定齿轮粗 选滑移齿轮啮合粗 选模数已 知齿宽粗 选使用系数查 表4-3圆周速度v转速齿轮7级精度动载系数KV续表4-4计 算 项 目计 算 内 容计 算 结 果 齿向载荷分布系数 表4-2：A=1.12,B=0.18,C=0.23载荷系数 弹性系数查 手 册 节点区域系数查 手 册 接触最小安全系数查 手 册 应力循环系数 验算 齿面接触疲劳强度合格根弯曲疲劳强度验算表4-5 根弯曲疲劳强度验算表计 算 项 目计 算 内 容计 算 结 果重合度系数YY=0.25+0.75/ =/cos2b=1.69Y=0.69齿间载荷分配系数KF查 手 册KF= KH=1.1齿向载荷分布系数KFb/h=60/(2.256)=4.44 N=0.784KF= (KH)KF=1.116载荷系数K查 手 册K=KAKv KFKF=1.601.011.11.116齿形系数YF查 手 册YF1=2.62 YF2=2.33应力修正系数YS查 手 册YS1=1.59 YS2=1.70弯曲疲劳强度Flim查 手 册Flim1=1050MPa弯曲最小安全系数应力循环系数NL查 手 册NL1=60rn1th=6011410000NL2= NL2/ i=1.853107/1.88SFmin=1.60NL1=1.853107NL2=0.986107弯曲寿命系数YN查 手 册YN1=0.97 YN2=0.99尺寸系数YX查 手 册YX=1.0许用弯曲应力FF1= Flim1YN1YX/ SFmin=10500.971/1.6F2= Flim2YN2YX/ SFmin=10500.991/1.6F1=640MP aF2=650MPa齿根弯曲疲劳强度合格4.2.3 以下为回转器轴承寿命校核：已知：功率： （4.11）转速： 轴承寿命校核 ： 轴承工作总时间 ： 小时各种状况下工作的时间： 小时 小时 小时 小时 小时 小时各工作状况下延续时间： （4.12） 占使用期的比值 ： 平均转速 ： = （4.13） =0.1510+0.1720+0.240+ 0.260+0.17120+0.15170 =70.8 r / minFa=631086/3000=22.8=23 KN两个圆锥滚子轴承受到的径向力合力为： N （4.14）(其中Mm为平均转速时的主轴力矩)如图：其中靠右的轴承30202受到的径向力为：Fr=7385/92(92+191) /2=1200 NX,Y值： Fa/Fr=23 KN/1200N=19e=0.43 取X=0.4,Y=1.4 （4.15） =32.7 KN （4.16）查表得：=2.0 =1.5 =1.8 =0.8 =1.0 （4.17）=245 KN 则： 动力头输出端的轴承验算通过4.2.4 主轴有限元分析图4.4 主轴有限元分析图5 结论与展望5.1 结论该类型的钻机，主要用于各类软地基加固、高层建筑地下室的防渗处理、大江大河堤坝的整治、铁路公路桥墩的加固等。本课题主要着重于负责钻机推进架设计及回转器，并制作相关的三维软件，以满足设计改进、质量控制、售后服务、商务洽谈方面的要求。5.2 不足之处及未来展望在钻机推进架及回转器机械设计部分仍然有所欠缺，对结构设计方面缺乏系统思考的能力。钻机移位和转向、动力头变速、钻具提升和钻机起塔，均采用液压控制，操作方便灵活，维护省时、省力。移动机架采用特殊技术，使钻机在移位过程中不用枕木，大大降低工人劳动强度，降低施工成本，提高作业效率。钻机采用双卷扬机，应用电动控制，大大降低了劳动力，提高了生产效率。致谢经过三个多月的努力，我的毕业设计终于即将结束！回首这个一生难忘的过程，骤然间发现自己学到了很多，也考虑了很多，终于明白了毕业设计带给自己的真正含义，那是一种无价的经历与回忆！江苏省无锡探矿机械总厂有限公司是我毕业设计的实习地点，在实习的这段时间里，我得到了公司领导和各位工程师大力的支持，他们耐心的指导给予了我莫大的动力与信心，对此我表示最真挚的谢意！特别是屠德钢总工程师、谢菲工程师在实习期间对我各个方面的培养与指导，另外我还要向我的指导老师屠德钢表达我最诚挚敬意，感谢他长时间来对我的悉心指导。是你们让我能够在短短时间里与先前有了一个很大的进步与成长，这些宝贵的经历将会是我我以后人生的发展的一笔财富，我也会用实际行动去让这份经历拥有它应有的价值！毕业设计是真正意义上的结束了，然而真正的挑战才刚刚拉开帷幕。短期的工作是完成了；然而它带给我的影响将会永远的牵引着我。在毕业设计这个过程里我学到了很多东西，这让我对自己的以后的工作有了莫大的信心和推力在最后，我想再真挚地向我敬爱的屠德钢老师以及总工程师带领的团队成员在我毕业设计中给予我的支持与鼓励表示感谢！参考文献 1 成大先 机械设计手册M北京：化学工业出版社，20022 吴宗泽，罗圣国机械设计课程设计手册M北京：高等教育出版社，19993 戴曙，金属切削机床M北京：机械工业出版社，19994 魏发孔水平驱动剪刀撑乐池升降机的动力性能研究 J甘肃工业大学学报，1997，6：961015 刘鸿文材料力学M北京：高等教育出版社，19916 菜光起，等机械制造工艺学M沈阳：东北大学出版社，19947 冯之敬 机械制造工程原理M北京：机械工业出版社，20018 王秀彦，蔡胜利升降式工作台的液压系统设计J液压传动，1999，3：35399 郭绍什主编，钻探手册M北京：中国地质大学出版社，199310 杨惠民主编，钻探设备M北京：地质出版社，199411 屠厚泽主编，钻探工程学M上海：中国地质大学出版社，198812 Creamer R HMachine DesignJAddison：Wesley PubCo ,197613 Wright R TProcesses of ManufacturingMThe Coodheart：Willcox Company , 198714 Ball and Roller ScrewsEngineering Material and DesignJ19(12),1975C15 刘济庆，王崇宇编。结构力学M北京：国防工业出版社，198516 章宏甲，黄谊，王积伟主编。液压与气压传动M北京：机械工业出版社，200037编编 号号无锡太湖学院毕毕业业设设计计（论论文文）题目：题目： 推进架及回转器设计推进架及回转器设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业学 号： 0923057学生姓名： 骆红飞 指导教师： 屠德纲 （职称：XXX ） （职称： ）2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚诚 信信 承承 诺诺 书书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 推进架及回转器设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 92 学 号： 0923057 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日无无锡锡太太湖湖学学院院信信 机机系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书一、题目及专题：一、题目及专题：1、题目 推进架及回转器设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 旋喷钻机，主要用于各类软地基加固、高层建筑地下室的防渗处理、大江大河堤坝的整治、铁路公路桥墩的加固等。本课题主要着重于负责钻机推进架设计及回转器，并制作相关的三维软件，以满足设计改进、质量控制、售后服务、商务洽谈方面的要求。 另外，江苏省无锡探矿机械总厂有限公司对此系列钻机已拥有比较成熟生产制造和工艺技术的经验，使设计更具可行性，另外根据钻机市场的调研，国内外市场对此系列钻机的需求正不断扩大，对钻机施工时的行走要求越来越高，因而该钻机的研发、可行性空间很大。三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 熟悉钻机机械技术的发展历程，特别是近十几年来国内外各种钻机新产品及新技术； 熟练掌握推进架原理以及回转器的原理和使用； I 熟练 ug 的建模，绘制，仿真等相关操作，正真的做到把想法变成数据及图片，再到成品的流程； 熟练钻机整体结构的组成和分类，把握钻机未来的发展及主要研发方向。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 92 班班 姓名姓名 骆红飞 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期：自自 2011 年年 11 月月 7 日日 至至 2012 年年 5 月月 25 日日六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师指导教师签名签名 签名签名 签名签名教教研研室室主主任任学科组组长研究所学科组组长研究所所长所长签名签名 系主任系主任 签名签名2013 年年 5 月月 25 日日II摘摘 要要高架旋喷钻机是江苏省无锡探矿机械总厂有限公司开发的一款适合高压旋喷施工工艺的钻机。该机主要是为了适应旋喷工法在我国的逐步推广研制而成的。通过不同模块的组合。可以适合定喷、摆喷、旋喷等施工工艺；单重、双重、三重旋喷等各种施工要求。可用于合类软地基加固、高层建筑地下室的防渗处理、大江大河堤坝的整治、铁路公路、桥墩的加固等。钻机适应性能好，可以对钻机配套不同模块，不同钻具。钻机在某些软土层施工时，钻孔和旋喷可一次完成；旋喷提升时，在旋喷深度不高于副塔高度时（14 m），不用拆卸钻杆，可一次旋喷成桩（在复杂地层应配引孔机）。采用全液压技术：钻机移位和转向、动力头变速、钻具提升和钻机起塔，均采用液压控制，操作方便灵活，维护省时、省力。移动机架采用特殊技术，使钻机在移位过程中不用枕木，大大降低工人劳动强度，降低施工成本，提高作业效率。钻机采用双卷扬机，应用电动控制，大大降低了劳动力，提高了生产效率。关键词：关键词：钻机；旋喷；动力头；工艺IIIAbstract jet-elevated rotary drilling rig is prospecting by Wu Xi Mineral Exploration Machinery Plant Co., Ltd. for the development of a high pressure jet grouting construction of the drilling rig. It is for promote the progressive development of adapt to spin spray method in China. Through a combination of different modules. May be suitable for directional spray, swing spray and rotating spray, construction technology, such as construction requirements for single, double, triple spin spray and so on. Can be used for a type of soft foundation strengthening, the high-rise building basement seepage control, rectification of the major rivers of dams, reinforcing the railway, the roads
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