毕业设计（论文）-GCPS-20型工程钻机的设计.pdf

诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导 下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中 列出。 本人签名：年月日 毕业设计任务书毕业设计任务书 设计题目：GCPS20 型工程钻机的设计 系部：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化学号：112011104 学生：李长刚指导教师（含职称） ：娄菊红 （副教授）吴璞(助教) 1课题意义及目标 随着国家基本建设的投入持续增长，将对工程钻机技术要求更高、钻机不仅要具 有高效性、环保性，更要具有复合性。通常使用的工程钻机在工作时只有钻进，当遇 到较为坚硬的岩石层，如卵石、灰岩、花岗岩等硬岩石地层，就不得不改变钻进方位， 或另钻它孔， 为解决此问题， 本文希望学生设计一台带有冲击钻的多功能复合型钻机。 2主要任务 （1）钻机总体方案的设计与选定。 （2）钻机的变速箱结构设计、转盘的设计、动力机确定、机构传动系统设计。 （3）钻机各部分零件图及装配图的绘制。 （4）查阅相关资料，撰写毕业设计开题报告。按照学院毕业设计说明书撰写要 求， 写出设计说明书一份， 并提供计 CAD 图纸。 要求有各部分零件图和完整的装配图。 3主要参考资料 1濮良贵纪明刚机械设计（第七版）M高等教育出版社，2004 2GPS20 型工程钻机使用说明 上海金泰股份有限公司探矿机械厂 3殷琨发展中的冲击回转钻进技术J探矿工程（第 5 期） ，1997 4进度安排 设计各阶段名称起止日期 1 调查研究，收集资料，撰写毕业设计开题报告2015.01.10 至 2015.03.10 2 总体设计方案确定2015.03.10 至 2015.04.01 3 完成各部分的设计计算，并绘制零件图和装配图2015.04.01 至 2015.05.20 4 编写设计说明书。指导教师审核资料，修改资料。2015.05.20 至 2015.06.15 5准备毕业设计答辩。 2015.06.15 至 2015.06.20 审核人审核人：年月日 I GCPS20 型工程钻机的设计 摘要：GCPS20 型钻机是一种复合式多功能钻机，为适应我国深基础工程和连续 墙以及水利工程、桥梁工程的发展与需要，结合大口径钻机灌注桩和地下连续墙施工 的特点，为解决在复杂地层、硬岩石地层中成孔而研制，特别是在卵石层、基石、漂 石层能大幅度提高施工效率，在各种成孔方法中是比较经济有效的方法。 该钻机是集回转、冲击钻进工艺于一体的多功能复合型钻机，用转盘回转钻进时 可用于第四世纪覆盖层，冲击钻进时可用于较为坚硬的岩石层，如卵石、灰岩、花岗 岩等硬岩石地层。 本篇设计重点设计了工程钻机的机构传动系统， 查阅相关机械手册， 按照机械设计和机械原理来进行包括变速箱的设计及计算、 转盘的计算、 动力机确定、 带轮的选择等。 本钻机的特点是结构简单，紧凑，而且各种操作手柄布置合理，操作简单，便于 使用与维护。 关键词关键词：冲击钻进, 变速箱, 减速器, 转盘 II Design of GCPS-20 type engineering drill Abstract：GCPS-20 drill is a kind of drill which is composite and multi-function，in order to adapting our countrys development and the demands of the deep foundations， continuous wall，marine hydraulic engineering and the bridge engineering，combining the characteristics of the big caliber and the underground continuous wall construction, in order to solve the difficulty of pore-forming in the complicated geologic strata, hard rock, which can especially improve the construction efficiency in the pebble layer, foundation and boulders，this kind of pore-forming method is more economic and more valid in various pore-forming methods。 This kind of drilling machine is a multifunctional composite drilling which combines both rotary and percussion drilling technology，The rotary table rotary drilling can be used for the fourth century covering layer, the impact of drilling can be used for more rigid rock layer，such as gravel, limestone, granite and other hard rock strata. This article focuses on the design of the transmission system of engineering drilling machine, access to relevant mechanical manual, in accordance with mechanical design and mechanical principles， including the design and calculation of the gearbox，the Calculation of the turntable，the confirmation of the power machine，and the belt wheel selection。 The characteristics of the machine is the simple structure，tightly packed, and the operating handled arrange reasonable，which has a simple operation and is very easy for usage and maintenance。 Keywords: Percussion drilling, Gearbox, The decelerator , The turntable III 目 录 1前言.1 1.1 课题项目的研究意义1 1.2 国内外研究进展2 1.3 设计产品所解决的问题和应用领域3 2钻机的总体设计.3 2.1 主要性能特点3 2.2 总体布局设计4 2.2.1 传动系统.4 2.2.2 气动系统.4 2.2.3 电气系统.4 2.2.4 工具系统.4 2.2.5 各部件的作用.4 2.3 主要参数的选取5 3动力机确定.6 3.1 按钻头钻进所需功率计算6 3.2 按钻机冲击钻进所需功率计算9 4变速箱的设计及计算.9 4.1 变速箱的结构特点9 4.2 结构计算9 4.2.1 初步选定.9 4.2.2 选定变速箱传动公比.10 4.2.3 按弯曲强度确定齿轮模数.10 4.2.4 按接触强度确定齿轮分度圆直径与中心距.11 4.2.5 齿宽的确定.12 4.2.6 齿轮齿数确定.13 4.2.7 计算齿轮相关参数、确定齿轮.13 4.3 锥齿轮计算13 4.3.1 初步计算.13 IV 4.3.2 几何计算.14 4.4 齿轮校验17 4.4.1 齿轮受力分析.17 4.4.2 齿轮传动齿面接触疲劳强度校核.18 4.4.3 齿轮传动齿根弯曲疲劳强度校核.20 4.5 变速箱轴的计算21 4.5.1 一轴计算.21 4.5.2 二轴计算.22 4.5.3 三轴计算.22 4.6 轴的校验22 4.6.1 按转矩计算.22 4.6.2 轴上受力分析.23 4.6.3 求支反力.23 4.6.4 作弯矩和转矩图.24 4.6.5 确定危险截面及安全系数校核计算.26 5带轮选择.28 6转盘的计算.31 6.1 转盘输出转速31 6.2 大、小锥齿轮计算31 6.2.1 初步计算.31 6.2.3 几何计算.32 6.3 锥齿轮齿面接触疲劳强度校验35 6.3.1 计算公式.35 6.3.2 许用接触应力计算.37 6.3.3 齿面接触强度校核.37 6.4 齿根抗弯疲劳强度校核37 6.4.1 计算公式.37 6.4.2 齿根许用弯曲应力计算.38 6.4.3 齿根弯曲强度校核.39 6.5 转盘轴结构计算39 V 7钻机其余部分零部件选择.40 7.1 联轴器的选用40 7.2 减速器齿轮安排41 8钻机的维护保养.43 8.1 钻机维护保养的重要性43 8.2 维护保养要求43 8.3 主要部件保养项目43 8.3.1 转盘.44 8.3.2 变速箱.44 8.3.3 减速器.44 8.3.4 主、副卷扬机.44 8.3.5 水龙头.44 8.3.6 钻具.44 8.3.7 冲击卷扬机.44 8.3.8 气路系统.45 8.3.9 传动链条.45 8.3.10 冲击钢丝绳.45 8.3.11 气胎离合器.45 8.3.12 主离合器.45 8.4 安全操作注意事项45 9结论.47 参考文献.48 致谢.50 太原工业学院毕业设计 1 1前言前言 1.1 课题项目的研究意义课题项目的研究意义 随着国民经济的飞速发展，基础设施和建设项目规模的扩大，现代大口径钻孔技 术应用日益广泛，如应用于钻孔灌注桩的工程施工。用于钻孔施工各种大型水井、大 型建筑基桩（包括高层和大型建筑物基桩、铁路和公路桥梁基桩、海港码头、海上石 油平台和滨海建筑基桩等）及地下油库、安装核设施和特种试验工程钻孔等钻孔工作 量非常巨大。 因此各种大口径基础工程施工用钻机， 以其经济有效、 施工快速的特点， 越来越受到设计与建筑单位的重视1。 目前国内大口径钻孔多采用单一功能的冲击钻机或回转钻机，采用的是单一的回 转钻进或冲击钻进方法。即在土层、砂土层、粘土层等软地层应用回转钻进；在砂砾、 卵砾层、漂石、基岩层等硬地层，采用冲击钻进。但在实际工程施工中存在的问题是， 往往同一个孔位的钻孔需要穿越的地层情况复杂，通常一个数十米的孔，要穿越软地 层、砂砾、卵砾、砾石层和基岩层等在这样的地层钻孔，目前的施工方法只能采用一 种钻进方法，施工效率低；而有的地层单独一种钻进方法难以实现，需要冲击和回转 两台钻机现场转换， 这样一是钻孔速度慢、 钻进效率低， 因为占据了大量的辅助时间， 二是由于需要配备两台钻机，钻进成本高。为解决此问题,我们需要设计 GCPS20 型工程钻机2。 GCPS-20 型工程钻机就是一种用于水坝、港口、码头、桥梁、高层建筑等工程的 大口径灌注桩施工的复合式多功能钻机，为适应我国深基础工程和连续墙以及水利工 程、桥梁工程的发展与需要，结合大口径钻机灌注桩和地下连续墙施工的特点，为解 决在复杂地层、硬岩中成孔而研制，特别卵石层、基石、漂石层能大幅度提高施工效 率，在各种成孔方法中是比较经济有效的方法。常见工程钻机的结构由动力部分、变 速箱、减速箱、主副卷扬机、转盘、液压部分、水龙头、钻塔、机架、控制箱以及其 他辅助部件构成3。 随着国家基础建设的投入快速增长，尤其像京沪高速铁路、奥运比赛场地等一批 国家重点项目的启动，将对工程钻机的技术要求更高，钻机不仅要具有高效、环保的 特性，更要具有一定的复合性。一般使用的工程钻机在工作时只有钻进功能，当遇到 太原工业学院毕业设计 2 较为坚硬的岩石层时（如卵石、灰岩、花岗岩等硬岩石地层）就必须改变钻进方位或 另钻它孔。为解决此类问题，在老师的指导下我设计这台带具有冲击钻的多功能复合 型钻机， 它可以有效的解决上述问题。 我相信这台钻机一定会有很广阔的市场前景4! 1.2 国内外研究进展国内外研究进展 GCPS-20 型工程钻机是一种复合式旋挖钻机。 其实旋挖钻机在二战以前首先在美 国卡尔维尔特公司问世，二战之后在欧洲得以发展，在 1948 年意大利的迈特公司首 先开始研制，接着在意大利和德国得以开始发展，到 7080 年代在日本得到快速发 展，当时日本称其为回转斗成桩，也叫阿司特利工法（Earth Drill） ，在德国、日本这 类钻机应用相当普遍。 国外产品发动机功率达到 448kW，最大扭矩可以达到 360kNm，钻孔直径达到 4m，钻深 90 余米等，其品牌主要集中于土力、宝峨、意马、 巨力、麦特、卡萨格兰第、日本产小扭矩旋挖等。目前国外的旋挖钻机一般都有摇管 装置、自锁互扣钻杆、液压系统采用恒功率变量自动控制、由两个或三个液压马达驱 动的大扭矩动力头（可配套管连结器） 、先进的监控仪表（如发动机和液压系统自动 监测和报警系统、钻孔深度显示、钻桅自动测斜纠偏装置） ，还配有各种保险装置（如 防止带负载起动，卷扬机超高限位等） ，但是各家公司的旋挖钻机都有各自的技术特 点5。 中国在80年代初从日本引进过其工作装置， 当时配装在KH-125型履带起重机上。 1984 年，天津探矿机械厂曾引进美国 RDI 公司的旋挖钻机并进行研究。1987 年，北 京展览馆首次展出了意大利土力公司（SOILMEC）的钻机产品，1988 年，北京城建 机械厂根据土力公司的样机设计了直径为 1.5m 的履带起重附着式旋挖钻机。 1994 年， 郑州勘察机械厂曾引进英国 BSP 公司的附着式旋挖钻孔机生产技术，但都没有形成大 批量生产。 1992 年， 宝峨公司在中国北京设立了代表处并开始对我国的业务 于 1995 年在天津成立了独资子公司即宝峨天津机械工程有限公司，主要生产适合中国市场的 宝峨 BG20 型旋挖钻机。1998 年，在上海又成立了中德合资上海宝峨金泰工程机械股 份有限公司，主要生产 BG15 型和 BG24 型旋挖钻机。1998 年，徐工集团开始自主开 发 RD18 旋挖钻机，于 1999 年试制成功并投入批量生产，最近几年中国旋挖钻机取 得了较快的发展。 后来， 北京经纬巨力、 三一重工等公司也纷纷涉足旋挖钻机的生产， 太原工业学院毕业设计 3 目前为止国内外生产旋挖钻孔机的厂商有近二十家。随着全球经济的高速发展,各类 建筑和工程施工的数量激增,工程难度日益加大,质量要求越来越高,极大的推动了各 类基础处理施工技术的发展,尤其是近 20 年来,由于建筑的大型化和高层化,各种处 理范围广,效率高,污染少,成本低的深基础施工工法，如大型旋挖桩、地下连续墙、 各种锚固、高压旋喷、深层搅拌等已成为基础工程施工的重要手段。而现有国产基础 施工设备效率低下,污染严重,不能适应新施工技术的要求,施工企业一直在大量进口 该类设备。加大开发适合我国国情的新型基础工程施工钻机的力度,满足市场急需,替 代进口,是该类设备制造业的首要任务。 1.3 设计产品所解决的问题和应用领域设计产品所解决的问题和应用领域 本设计产品所解决的问题 GCPS-20 型工程钻机是集回转、冲击钻进工艺于一体的多功能复合型钻机，适用 于基础工程和连续墙以及水利工程、钻凿高层建筑、桥梁、港口基础桩孔的钻进，也 用于大口径水井及其他工程孔的钻， 主要用于第四世纪地层及其卵石、 灰岩、 花岗岩、 漂石层等硬岩地层。 主要应用于建筑工程、水利工程、桥梁工程、矿井钻进等领域。 2钻机的总体设计钻机的总体设计 2.1 主要性能特点主要性能特点 GCPS-20 型工程钻机的主要性能特点： （1）该钻机是集回转、冲击钻进工艺于一体的多功能复合型钻机，用转盘回转钻 进时可用于第四世纪覆盖层，冲击钻进时可用于卵石、灰岩、花岗岩等硬岩地层； （2）该钻机转速范围广，有 6 档变速，适用于不同地层要求，利于提高钻进效率； （3）该钻机为机械传动，机械、液压操动，操作方便、可靠； （4）该钻机的最大钻孔直径为 2000 毫米 ； （5）该钻机的整套设备安装在滑撬式底座上，对孔就位方便，机动性强； （6）该钻机的液压操纵滑台平移让出孔口，孔口开阔，起下大直径钻具灵活、方 太原工业学院毕业设计 4 便； （7）该钻机的主、付卷扬机均采用行星式卷扬机构，提生能力强，辅助水龙头后 置悬挂装置，可实现塔上无人作业； （8）该钻机的钻塔上设有导向槽，有助于提高钻孔垂直度，降低超径系数。钻塔 上有水龙头后置悬挂装置，主动钻杆不落地，减轻劳动强度，缩短辅助作业时间； （9）该钻机的钻进可采用加重块加压（根据不同地层选用） ； (10) 该钻机的排渣方式为泵吸反循环，排屑效率高，减少孔底重复破碎，钻进速 度快； (11) 该钻机的动力为电机； (12) 该钻机的整机尺寸设计合理，便于汽车运输及安装； (13) 该钻机经济耐用、性能可靠。 2.2 总体布局设计总体布局设计 该钻机由底座、传动装置、减速器（变速箱） 、主副卷扬机、冲击卷扬机、转盘、 钻塔、气动系统、电气系统、工具系统组成6。 2.2.1 传动系统传动系统 电机的动力经皮带传至变速器，变速器为一进三出结构，一路输出经齿轮传至主 副卷扬机；一路输出至减速器，经由万向轴传至转盘，供回转钻进；一路输出经链轮 传动冲击卷扬机，供冲击提升。 2.2.2 气动系统气动系统 空压机输出压力气，由空气包至气控箱，分两路经操纵阀控制，传至冲击卷扬机 两只气胎离合器，完成冲击提升及降落。 2.2.3 电气系统电气系统 控制电机启动及关闭，为气动系统提供电源控制，为操纵箱提供控制系统。 2.2.4 工具系统工具系统 游动滑车、水龙头、主动钻杆、孔内钻杆、加重块、刮刀钻头、垫叉组成回转钻 进工具系统。游动滑车、水龙头、孔内钻杆、冲击排渣管、冲击钻头、孔口导向工具、 垫叉组成冲击钻进工具系统。 2.2.5 各部件的作用各部件的作用 1.转盘转盘转盘用于驱动主动钻杆及钻具回转，转盘系一级圆锥齿轮传动构，通过 太原工业学院毕业设计 5 大锥齿、转台、大、小补心驱动钻杆工作。 2.减速器减速器减速器是进一步降低转速、提高扭矩而设计的，有两档变速，由双联 滑动齿轮实行。 3.变速箱变速箱变速箱为二轴一级变速箱，有三挡变速，由单、双联齿轮滑移实现变 速。变速箱内有正、反转装置，由双向牙嵌离合器实现，单向牙嵌离合器实现卷扬机 离合。 4.主、副卷扬机主、副卷扬机主、副卷扬机均为行星式卷扬机，靠制动行星轮来实现钻具的 提升。 5.底座底座底座由滑台、下座、油缸、孔口板组成，转盘、卷扬机组固定于滑台上， 钻塔固定于下座上，油缸一端固定于滑台，另一端与孔口板相联，油缸用于滑台的后 移和孔口板开合。 6.钻塔钻塔钻塔用于悬挂游动滑车、水龙头和提升器等提升设备，结构形式为“n” 型，钻塔内设有导向槽和主动钻杆后置悬挂装置。导向槽用于水龙头导向，悬挂装置 用于换接钻杆时主动钻杆不落地。钻塔起落由油缸完成。 2.3 主要参数的选取主要参数的选取 1. 冲击卷扬机 提升能力 （KN）60 提升速度 （m/s）0.4.050.6 2. 冲击行程(m)0.54 3. 冲击次数(1/min)614 4. 冲锤质量(kg)30005000 5. 主、副卷扬机 提升能力(单绳 KN)30 卷绳速度(m)0.45, 0.68, 1.13, 1.69 0.31, 0.46, 0.77, 1.15 6. 转盘转速(r/min)13, 17, 21, 26, 42, 52 7. 主机动力型号(功率)YD280S55 KW (1480 r/min ) 8. 钻塔额定负载 ( KN)180 9. 空压机型号( 排量，压力)UB 300500 太原工业学院毕业设计 6 1 N （3.55 3 m /min, 0.8 MP） 10. 配备砂石泵型号（型号）6BS (180 3 m /h) 或 8BS（340 3 m /h） 11. 外型尺寸 （长 X 宽 X 高 m） 10X2.4X1.7 12. 重量 主机重量 （t）10.4 全套设备总重 （t）28 3动力机确定动力机确定 3.1 按钻头钻进所需功率计算按钻头钻进所需功率计算 设动力机实际输出功率为 (3.1) 式 中 ：钻机所需功率 KW (3.2) 式中回转钻进所需功率 （KW）效率=0.8 油泵所需功率（KW） (3.3) 式 中井底破碎岩石、土层所需功率 （KW） 钻头与孔底摩擦所需功率（KW） 回转钻杆所需功率 （KW） 1.的计算 34 1 /3060000NmnhA (3.4) 其中：m-钻头切削刀数取 m=4 n-转盘转数钻进时 min n=26 r/min h-转进速度试取 h=0.8 cm/min -岩石抗压强度其值见表 3.1 0 N yhj NNN j N h N y N 321h NNNN 2 N 3 N 321h NNNN j0 2 . 1NN 太原工业学院毕业设计 7 A-井底破碎环状面积 2222 ()/ 4(1000)/ 47850ADdcm 2. 2 N = f e n (R +r)/1944800(3.5) 式中：f-钻具与岩石之间的摩擦系数f=0.5 e-侧摩擦系数e=1.1 R-钻头外圆半径R=200cm r-钻头内孔半径r=0cm 3. 1121.7 3 7.8 10NLd n (当 n S ,该轴 H 截面是安全的。 6 6 350 10 1.39 1.99 74.39 100 0.92 0.64 S 1 36 55 9550 202 12.70 22 0.2 810 ma p T MPa W 1 m S K 6 66 200 10 5.76 1.61 12.7 100.21 12700 10 0.92 0.64 S 2222 1.39 5.76 1.35 1.395.76 S S S SS 太原工业学院毕业设计 28 钻机的装配图示意图如下图图 4.3 图 4.3钻机装配示意图 5带轮选择带轮选择 轴转速 793.8r/min ,电机转速 1480 r/min, 每天工作 16 小时以上， 动 P =55KW. 其工作原理图如下图 5.1 图 5.1带轮的工作原理图 大 轮 直 径 （从动轮） 小轮直径 （主动轮） 带轮中心距 太原工业学院毕业设计 29 1. 设计功率设计功率(5.1) 查：工况系数 A k=1.6 d p =1.655=88KW 2.选定带型2.选定带型 根据 d p =88KW 1 n =1480 r/min 确定带型为 C 型 d d =200315mm 3.传动比3.传动比 4.小带轮直径小带轮直径 1 d d =355 mm 大带轮直径大带轮直径 2 d d=355i =661.88 mm 取 2 d d= 630 mm 位置关系见图 5.1 5. 轴的实际转速轴的实际转速 由公式则 6.带速带速(5.2) 由上公式得： 7.初定轴间距初定轴间距 0 1500amm 8.所需基准长度所需基准长度 (5.3) 1480 / min 1.86 793.8 r i 1 2 1 2 (1) d d n d n d 2 (1 0.01)1480 355 825.6min 630 nr 1 1 60 1000 d d n V 355 1480 27.5 60 1000 Vm s 2 0 dd dd0d a4 d-d dd 2 a2 12 210 L 动 pkpd A 太原工业学院毕业设计 30 由式(5.3)得 查取4500 d Lmm 9. 实际轴间距9. 实际轴间距 取 a=1467.3 mm 10. 小带轮包角10. 小带轮包角 11.单根 V 带基本额定功率11.单根 V 带基本额定功率 由 1 d d = 200 mm 和 1 n =1480 r/min 查得 C 型带 1 p =14012 KW 考虑传动比的影响，额定功率的增量 1 1.14PKW。 12.V 带的根数12.V 带的根数 (5.4) a k 小带轮包角修正系数 a k = 0.96 l k 带长修正系数 l k = 1.04 由上式 取 Z= 6 根 13.单根 V 带预紧力13.单根 V 带预紧力 (5.5) m 带的每米质量m= 0.3 1 .kg m 0 2 3.1427.5 2 1500(630355) 24 1000 4565.4 d L mm 0 0 45004565.4 15001467.3 22 dd LL aamm o dd 1 26.1693 .57 a d-d -180a 12 o () d al p Z pp k k 88 Z=5.78 (14.12 1.14) 0.96 1.04 2 0 2.5 500(1) d a p Fmv KZV 太原工业学院毕业设计 31 由上式计算 6转盘的计算转盘的计算 6.1 转盘输出转速转盘输出转速 转盘输出转速（r/min）:13、17、21、26、42、52 输入转盘转速 (r/min):65、85、105、130、210、260 转盘用于驱动主动钻杆及钻具回转， 转盘系一级圆锥齿轮传动机构， 通过大锥齿、 转台、大、小补心驱动钻杆工作。 6.2 大、小锥齿轮计算大、小锥齿轮计算 6.2.1 初步计算初步计算 （1）按齿面接触强度计算 由设计公式(6.1) 式中： 载荷系数K= 1.5 齿数比u 5 转矩： 估算时的齿轮许用接触应力 估算结果 （2）按齿根抗弯强度计算 2 0 2.588 500(1)0.3 27.5 0.966 27.5 654.65 F N 1 3 1 1951 e HP KT d u 1 95509550 55 8080.77 65 P TN m n 22 lim 1300 /1182/ 1.1 H HP H N mmN mm S 3 1 2 1.5 8080.77 1951234.44 5 1182 e dmm 太原工业学院毕业设计 32 由公式(6.2) 式中K载荷系数取 K=1.5 FS Y复合齿形系数取 FS Y= 4.6 1 Z 小齿轮齿数 1 Z =18 FP 齿轮许用弯曲应力 (6.3) 式中 FE 抗弯强度 FE =600 2 /N mm F S 抗弯强度的安全系数 F S =1.8 计算 取 e m =16 mm （3）齿轮齿数 取 1 Z=18 6.2.3 几何计算几何计算 （1） 齿数 1 Z=18 21 5 1890Zu Z （2） 分锥角 （3） 大端模数16 e mmm 1 3 22 1 32 1 FS e FP KTY m Zu FE FP F S 2 600 333.33/ 1.8 FP N mm 3 22 1.5 8080.77 4.6 3214.9 1851 333.33 e mmm 6525.14 16 44.234 m d e e1 1 Z 1 1 2 arctan11.3 Z Z 21 9011.378.7 太原工业学院毕业设计 33 （4） 分度圆直径 1 d = e m 1 Z=1618=288 mm 2 d= e m 2 Z =1690=1440 mm （5）外锥距 （6） 齿宽系数取0.3 R 220.464 d bRmm 取 b=200 mm 实际齿宽系数 （7） 中点模数 m m = e m （1-0.5 R ）=13.8 mm 中点分度圆直径 1m d= 1(1 0.5 ) R d=248.8 mm 22(1 0.5 ) mR dd=1244.2 mm （8） 切向变位系数 1t x =0 2t x =0 高变位系数 1 x =0 2 x =0 （9） 顶隙 e ccm 0.216 =3.2 mm(GB12369-1990) （10）大端齿顶高 11 (1)16 ae hx mmm 2a h =16 mm 大端齿根高 11 (1)(1 0.20) 1619.2 fe hcx mmm 22 (1)(1 0.20) 1619.2 fe hcx mmm 全齿高(2)35.2 e hc mmm 齿根角 齿顶角 1a = 2f =1.497 21af = 1.497 （11）顶锥角 111 11.31.49712.797 aa 222 78.71.7780.47 aa 1 1 734.88 2sin e d Rmm 200 0.272 734.88 R e b R 1 1 19.2 arctanarctan1.497 734.88 f f e h R 2 2 19.2 arctanarctan1.497 734.88 f f e h R 太原工业学院毕业设计 34 根锥角 111 11.31.4979.803 ff 222 78.71.49777.203 ff （12）大端齿顶圆直径 1111 2cos2882 16 cos11.3319.38 aea ddhmm 2222 2cos1446.32 aea ddhmm （13）冠顶距 （14）大端分度圆弧齿厚 21 25.12 e smsmm （15） 大端分度圆弦齿厚 （16） 当量齿数 当量齿轮分度圆直径 2 111 1440 sin16sin11.3716.87 22 ka d Ahmmmm 1 222 288 sin16 sin78.7128.32 22 ka d Ahmmmm 111 2tan162 0 tan20025.12 22 et smxxmm 22 1 11 22 1 25.12 125.12125.12 66 288 s ssmm d 2 2 22 2 2 125.12 6 s ssmm d 1 1 1 18 18.37 coscos11.3 v z z 2 2 2 90 463.39 coscos78.7 v z z 22 11 151 248.8253.73 5 vm u ddmm u 太原工业学院毕业设计 35 22 21 5253.736343.25 vV du dmm 当量齿轮顶圆直径 11 2253.732 16285.73 vava ddhmm 22 26343.252 166375.25 vava ddhmm 当量齿轮根圆直径 vb11 dcos20(253.73 cos20 )238.43 v dmmmm vb22 dcos20(6343.25 cos20 )5960.71 v dmmmm 当量齿轮传动中心距 当量齿轮基圆齿距 cos3.14 16 cos2047.21 vbm pmmm （17）啮合线长度 （18） 端面重合度 （19）齿中部接触线长度 齿中部接触线的投影长度 188.56 bmbm llmm 6.3 锥齿轮齿面接触疲劳强度校验锥齿轮齿面接触疲劳强度校验 6.3.1 计算公式计算公式 12 11 (253.736343.25)3298.49 22 vvv addmm 2222 1122 2222 1122 1 sin 2 1 285.73238.436375.255960.713298.49sin20 2 1199.10 1128.1570.95 vavavbvavbvvt vavbvavb gdddda mm 70.95 1.50 47.21 va va vb g p 212 200 1.50 1 188.56 1.50 va bm va b lmm 太原工业学院毕业设计 36 2 2 1.52 11.04F (6-4) 式中中点分度圆上的切向力 A K 使用系数 A K =2.25 V K 动载系数由 7 级精度和中点节线速度 由取 V K =1.1 H K 齿向载荷分布系数 取 He K =1.2 有效工作齿宽0.85 e bb取 H K =1.5He K =1.8 H K 端面载荷系数 /64957.96/ 200324.79/100/ tet FbFbNN mmN mm 取 H K =1 H Z 节点区域系数 H Z =2.5 MB Z 中点区域系数 (6.5) 式中参数 1 F =2 2 1 1 AVHHt HMBHELSKHP mbm K K KKF u ZZ Z ZZ Z d lu 1 1 20002000 8080.77 64957.96 248.8 t m T FN d 1 1 1.0579/ 60 1000 m m d n m s 22 1212 1122 tan 11 vt MB vava vbVvbV Z ddFF dZdZ 22 1 tan20 2285.736375.251.04 11 238.4318.375960.71463.39 1.123 MB Z 太原工业学院毕业设计 37 式中 E Z 弹性系数 E Z =189.8 2 N/mm Z螺旋角系数直齿轮Z=1 K Z 锥齿轮系数 K Z =0.8 LS Z载荷分配系数 LS Z=1 计算接触应力 6.3.2 许用接触应力计算6.3.2 许用接触应力计算 (6.6) 式中 limH 实验齿轮的接触疲劳极限 2 lim 1300 H N mm N Z 寿命系数 N Z =1 LVR Z润滑油影响系数 LVR Z=0.95 W Z 工作硬化系数 W Z =1 X Z 尺寸系数 X Z =1 minH S最小安全系数 minH S=1.1 许用接触应力值 6.3.3 齿面接触强度校核齿面接触强度校核 22 1044.5/1127.1/ HHP N mmN mm； 符合要求。 6.4 齿根抗弯疲劳强度校核齿根抗弯疲劳强度校核 6.4.1 计算公式计算公式 (6.7) 式中 FS Y复合齿形系数 2 2 2.25 1.1 1.8 1 64957.9651 1.123 2.5 189.8 1 1 0.8 248.8 188.565 1044.5 H N mm lim min H HPNLVRXW H Z ZZ Z S 2 1300 1 0.95 1 11127.1/ 1.1 HP N mm AVFFt FFSKLSFP nm K K KKF Y Y Y Y bm 太原工业学院毕业设计 38 1 4.8 FS Y 2 4.83 FS Y Y重合度系数 0.250.75/0.250.75/1.520.74 va Y K Y 锥齿轮系数 (6.8) LS Y 载荷分配系数 2 1 LSLS YZ 齿根弯曲应力计算值 6.4.2 齿根许用弯曲应力计算齿根许用弯曲应力计算 (6.9) 式中 FE 齿根弯曲疲劳强度基本值 2 600/ FE N mm NT Y寿命系数 NT Y=1 relT Y相对齿根圆角敏感系数 rel Y=1 RrelT Y相对齿根表面状况系数 RrelT Y=1 X Y 尺寸系数 12 1 XX YY minF S最小安全系数 minF S=1.4 许用弯曲应力值 22 11188.56200 11 44200188.56 bm K bm lb Y bl 22 1 2.25 1.05 1.8 64957.96 4.8 0.75 1 1 360.3 /360.3 200 13.8 F N mmN mm 2 2 21 1 4.8 360.3361.8/ 4.82 FS FF FS Y N mm Y min FE FPNTrelTRrelTX F Y YYY S 2 600 1 1 1 1428.57/ 1.4 FP N mm 太原工业学院毕业设计 39 6.4.3 齿根弯曲强度校核齿根弯曲强度校核 因此齿轮安全，可用。 6.5 转盘轴结构计算转盘轴结构计算 选择轴的材料为 45 钢，经调质处理，材料力学性能数据为： 抗拉强度为650 b MPa屈服点360 s MPa 弯曲疲劳极限 1 270MPa扭转疲劳极限 1 155MPa 许用静应力 1 260MPa 许用疲劳应力 1 180207MPa 轴的最小直径为 (6.10) 式中A按 定的系数取 A= 100 P功率P=55 KW min n最小转速 min n=65 r/min 通过计算得 取最小轴径为 min 105dmm 轴的结构如图 6.1 22 1 22 2 360.3/428.57/ 361.8/428.57/ FFP FFP N mmN mm N mmN mm 3 min min P dA n 3 min 55 110104.04 65 dmm 图 6.1转盘轴的结构及尺寸 太原工业学院毕业设计 40 7钻机其余部分零部件选择钻机其余部分零部件选择 7.1 联轴器的选用联轴器的选用 减速器与转盘之间用万向节联轴器连接，由减速器输出的最小转速为65 /minr， 传递的功率为 55KW，计算转矩为 联轴器的计算功率： Cnhan TT KKKKT (7.1) 式中 n K 联轴器转速系数 n K =1.25 h K 轴承寿命系数 3 35 10 h K =1.8 K联轴器的轴间角系数K=1.5 a K 载荷性质系数 a K =1.3 计算转矩8080.77 1.25 1.8 1.15 1.327.2 C TKN m 查下表 7.1， 选择联轴器为：SWP-B200 型（JB/T3241-2004） 实物图如下图 7.1 min 95509550 55 8080.77 65 P TN m n SWP-B 型十字包 （配 JB3241-91 型标准联轴器） 表 7.1联轴器型号 太原工业学院毕业设计 41 图 7.1实物图 7.2 减速器齿轮安排减速器齿轮安排 表 7.2减速器齿轮 齿数模数 m 1 Z 246 2 Z 326 3 Z 216 4 Z 356 5 Z 206 6 Z 306 降速比： 输入转速为（r/min） ：167、261、519 输出转速为（r/min） ：65、85、105、130、210、260 1 35 18 2 34 42 i 2 22 18 2.5 47 42 i 太原工业学院毕业设计 42 各轴转速如表 7.3 表 7.3各轴转速 输 入 转 速 （r/min） 一 轴二轴三轴 传动比转速（r/min）传动比转速（r/min） 167167127.585 97.565 261261195130 157.5105 519519390260 315210 5 6 1.5 Z Z 1 2 1.33 Z Z 3 4 1.7 Z Z 1 2 1.33 Z Z 3 4 1.7 Z Z 1 2 1.33 Z Z 3 4 1.7 Z Z 太原工业学院毕业设计 43 8钻机的维护保养钻机的维护保养 8.1 钻机维护保养的重要性钻机维护保养的重要性 钻机的使用寿命在很大程度上取决于对它的维护保养，钻机的使用者必须全面的 了解钻机的各种结构、作用原理、安全操作、维护保养等各方面的知识，认真的做好 维护保养工作，不但能够延长钻机的使用寿命还能防止不必要的机械故障，提高钻机 的工作效率和经济效益。 8.2 维护保养要求维护保养要求 1. 钻机各部表面和机台上，必须保清洁。 2. 对各轴承和摩擦副必须经常注意温升情况。轴承温升不大于40，最高温升不大 于80。如超过比值应停车检查。 3. 谁时注意各齿轮副和传动件的运转响声，发现异常声响应立即停车检查。 4. 随时观察钻机各部件的运转情况，如发现不正常的振动、晃动、位移等现象应及 时检查处理。 5. 如发现漏油、漏气、非正常漏水、及紧固件松动等现象，应及时检查和消除。 6. 经常检查三角皮带及链条的松紧程度和破裂，检查各防护罩的牢固程度，避免发 生以外事故。 7. 气路系统操作时，要观察气压表是否正常，如有异常现象，应立即修理。 8. 按润滑要求及时进行润滑。 9. 在气温过低或过高时钻进，在复杂地层中钻进，可适当缩短期。 10. 钻机停止使用时，空压机及储气筒中空气应全部排空。 变速箱、减速器和转盘：120 号工业齿轮油（冬季用） 90 号工业齿轮油（夏季用） 其他部位润滑油： 润滑脂：钙基润滑脂 空压机：非溶剂性油 气动三联件：20 号机油 8.3 主要部件保养项目主要部件保养项目 太原工业学院毕业设计 44 8.3.1 转盘转盘 1. 经常检查转盘定位螺栓的松紧，确保转盘工作是稳定 2. 经常检查转盘内润滑油是否渗进泥等杂物，并及时清除。检查液面高底，保证 正常润滑。 3. 定期检查推力轴承间隙大小，并加以调