机械毕业设计（论文）-300米履带式液压水井钻机设计【全套图纸】.doc

摘 要本次毕业设计的主要任务是设计一台300米履带式液压水井钻机，钻孔口径为152-305mm。整个钻机的设计主要由动力头、钻架、底盘，履带行走机构和液压系统等部件的设计组成。与以往常见钻机相比，本次设计的300米潜水井钻机采用履带式液压驱动行走系统，行动更加灵活，更能适应潮湿等恶劣环境。动力头的主体结构也做了较大改动，延长了主轴使用寿命，动力头采用整体浮动结构形式，在接卸钻杆时有效的保护了接头螺纹，减少了钻杆的损坏。本文所研究的主要是动力头部分设计。动力头部分也是整个钻机最重要的部分，而齿轮和主轴的设计又关系整个动力头的使用情况，故文中对齿轮和主轴进行了详细的校核计算，主轴末端的密封也是本设计的一个重点，主要体现在自紧密封圈的设计上。箱体采用钢板焊接方式制成，在满足使用要求的前提之下，还降低了制造成本。关键词：齿轮设计；自紧密封；强度校核全套图纸，加153893706AbstractThis graduation project primary mission is designs a 300 meter marching hydraulic pressure water well drilling machine, the drill hole caliber is 152-305mm.The entire drilling machine design mainly by the power head, the drill tower, the chassis, the caterpillar band walks part and so on organization and hydraulic system designs is composed. With formerly was common the drilling machine to compare, this design 300 meters dived the water well drilling machine to use the marching hydraulic pressure actuation undercarriage system, the motion are more flexible, could adapt and so on moistly the adverse circumstance. The power head main body structure also did modified greatly, lengthens the main axle service life, the power head has used the whole fluctuation structural style, when picked up and unload the drill rod the effective protection attachment thread, reduced the drill rod damage. This article studies mainly is the power head part design. The power head part also is the entire drilling machine most important part, but the gear and the main axle design relates the entire power head the service condition, therefore in the article the counter gear and the main axle have carried on the detailed examination computation, the main axle terminal seal also are a this design key point, mainly manifests in from in the tight seal packing collar design. The box body uses the steel plate welding manner to make, in satisfies the operation requirements under the premise, but also reduced the production cost. Keyword：Gear design; From tight seal; Intensity examination目 录摘 要IAbstractII1绪 论11.1水井钻探概述11.2冲击回转转进简介41.3动力头式钻机简介52设计技术要求112.1设计原始数据112.2设备的工作环境112.3设计要求113钻机的总体方案设计123.1动力装置的选择123.2传动系统的选择133.3钻机的总体布置134动力头整体分析164.1主要参数的确定164.2结构方案设计165动力头部件设计205.1液压马达选型205.2计算传动比225.3计算传动装置的运动和动力参数225.4齿轮的设计235.5主轴的设计325.6键的设计与校核395.7轴承端盖的设计405.8轴承的选择及强度校核415.9动力头箱体的设计465.10密封设计475.11其他附件的选型设计496液压系统设计507钻机经济性分析537.1钻机的技术评价537.2钻机的经济性分析53参考文献54致 谢55附 录56IV山东科技大学学士学位论文1绪 论用于钻凿水文地质勘察孔和工农业及生活用水水井、地热井的钻机称为水文水井钻机。由于该类钻机施工的目的层是含水层和含水带,地层复杂,如破碎裂隙带、卵砾石层、松散地层、大量的第四系覆盖层,同时还必须满足下井管、安装抽水设备的需要,所以要求该类钻机钻进口径较大(150800mm),能使用多种钻进工艺,回转扭矩大,提升能力大,搬迁、移动性能好。根据水井成井方法的不同,水井钻机主要有钢丝绳冲击钻机和回转钻机两大类。前者具有结构简单、造价低廉、适于在卵砾石层施工,是钻机发展历程中最为古老的一种机型。但因钢绳冲击钻进效率低,对含水层的保护作用差,难于满足新型钻井工艺发展的要求,故此类钻机的发展基本处于停止状态,目前占有市场份额也很小(仅限于乡镇打井队及个体打井户使用)。在此基础上发展起来的冲击反循环钻机,因其钻进卵砾石地层和坚硬基岩地层有较高的钻进效率,在基桩施工中得到了较普遍的应用。因人类对地下水开发活动的加剧和水井钻进工艺的发展,回转式水文水井钻机已成为当代各类钻机中发展变化较快的一类机型。回转类水井钻机,按其结构特征可分为转盘型和两大类。从适应水井钻进工艺要求的角度讲,动力头式钻机特别是全液压动力头式水井钻机代表了当代水井钻机的发展方向。1.1水井钻探概述1.1.1钻探工程的定义及分类在水文地质钻探、工程地质钻探、石油钻井以及水井钻、施工钻中都有碎岩、排粉及护壁的问题。它们有许多共同之处，但都有各自的特点和要求，因而形成不同的钻探分支。钻探工程包括钻探工艺和钻探机械两方面的内容。钻探工程在国民经济中占有相当重要的地位，并且随着工农业建设的发展，钻探工程的应用范围愈来愈广。在地质工作中钻探工程主要用于下列各方面：1普查找矿钻探：为了揭露表土，探察基岩的性质及产状，了解底层及地质构造，或验证物探资料等而进行的普查找矿钻探。2矿产勘探钻探：详细查明一个矿区的地质构造，探明矿体的产状、品味，求得矿产的储量，为矿产的开采提供必要的地质资料。3水文地质及水井钻探：查明地下水的赋存状态、水质水量及其运动规律等水文地质情况。4工程地质钻探：为查明桥基、坝基、路基、或水库、港口及大型设备、高层建筑的地质基础和地基承载能力而进行的专门钻探工作称工程地质钻探。它有特殊的取样要求和需在孔内进行专门的测试工作。5。油气田钻探：为勘探石油及天然气矿产而进行的钻探工作称油气田钻探，通称石油钻井。1.1.2机械碎岩法目前在钻进中所采用的破碎岩石的方法，就其性质而言，主要是机械的碎岩方法。至于其它物理的或化学的碎岩方法则处于实验阶段，尚未有效的用于生产。采用机械的碎岩方法进行钻探已有悠久的历史。这种方法是利用某种碎岩工具，向岩石施加一定的外力，使工具着力点处的岩石破碎下来，达到钻进的目的。通常根据碎岩工具（或称磨料）的材质，把钻进的方法分为：硬质合金钻进、钢粒钻进、金刚石钻进等。有时也根据施加外力的性质和方式，把钻进方法分为：冲击钻进、回转钻进、冲击回转钻进等。1.1.3机械碎岩法的主要内容为使钻进工作连续进行，使钻孔不断向底层深部不断延伸，钻到预定的地点，必须进行破碎岩石、清除岩屑、维护孔壁等三项必要的工作。因此，这三者是钻探工作的基本内容。很明显，为了向岩石钻进，必须破碎岩石。如何有效的破碎岩石，是钻进工艺的一个首要问题。在钻进过程中，破碎下来的岩屑假如仍留在原地，则会严重影响继续向下破碎岩石，甚至不能继续钻进。所以，必须及时把破碎下来的岩石清除出孔。时间证明，钻孔底面清洁的程度是影响钻进效率的一大因素，特别是在深孔钻进的时候，必须十分重视清除孔底岩屑的环节。随着钻进，孔底工作面不断地延伸到地壳深处。此时，上部孔段就成为破碎孔底岩石和清除孔底岩石必经的通道。为此，保持上壁的稳定，维持通道顺畅则是钻进的必要条件。可见，破碎岩石、清除岩屑、维护孔壁是钻进工作的不可缺少的内容。但是，在实际工作中不能把三者等量齐观，它们随着所钻的地层、所用的设备和钻具以及钻进的技术水平之不同所表现出来的问题也有很大差异。因此要根据具体情况，抓住关键问题，加以研究解决。在地质钻探中，为了确切了解地下情况，必须获得真实的岩石样品。所以在钻进的过程中要求采取岩心或收集岩样。这是地质钻探必要的工作环节。如何保证取得满足地质要求的岩心是地质钻探的一个专门课题。在地质钻探中，还要求知道所取岩样在地壳中的确实位置，因此需要了解钻孔在空间（地内）的真实位置及状态。所以必须进行钻孔弯曲的测量和研究钻孔弯曲的规律。通常人们把采取岩心和钻孔弯曲及其测量称为地质钻探工作的两项质量指标。它们也是地质钻探的主要内容。在水文地质钻探、工程地质钻探、石油钻井以及水井钻、施工钻中都有碎岩、排粉及护壁的问题。它们有许多共同之处，但都有各自的特点和要求，因而形成不同的钻探分支。总之，钻探工艺研究的内容比较广泛，并且随着科学技术的发展和工程施工的需要还会增加不少新内容，也会逐渐成熟起来，形成一门专门的技术学科。1.2冲击回转转进简介1.2.1冲击回转钻进的特点和实质冲击回转钻进就是把冲击式钻进和回转式钻进相结合的一种钻进方法。其主要指在回转钻进的基础上加入一个冲击器（也称潜孔锤）以提高钻进效率的一种钻进方法。在钻头上或岩心上连接一个专门的冲击器，在钻进中，给钻具以一定的轴向压力和回转运动，同时冲击器给钻具以一定频率的冲击能量。在井底以冲击和回转切削共同作用破碎岩石，进行钻进。冲击回转钻进能够提高钻进效率的原因，归纳起来有以下几点：1）冲击载荷的特点是接触应力瞬时可达到极高值，应力比较集中。所以尽管动硬度要比静硬度大，但仍易产生微裂纹。并且冲击速度愈大，岩石脆性增大，有利于裂隙的发育。因此可以用不大的冲击功就可破碎坚硬的岩石，而静压入则需要很大的力。2）切削刃具的磨损减少。在冲击回转钻进中切削刃具磨损减少的原因有：（1）钻进中所需的轴向压力较小，转速很低；（2）体积破碎的摩擦系数低于表面破碎时的摩擦系数，而在冲击回转钻进中容易达到体积破碎的程度；（3）钻速快，切削刀具的磨损就减小；（4）冲击破碎岩石时刃具与岩石的作用时间很短。3）因为在冲击时还加有一定的轴向压力，并连续施加冲击载荷，所以在碎岩过程中间隙发育较完全，很有利于破碎较硬的岩石。4）因为在冲击中又有连续不断的回转切削运动，改变了冲击载荷的传递方向，充分发挥了冲击碎岩和切削碎岩的效果。1.2.2冲击回转钻进的应用范围冲击回转钻进除了可以提高钻速外，又由于钻进中所需的轴向压力较小，转速较低，所以钻孔不易弯曲，孔内事故也较少，原材料的消耗低，所以它是当前的一种现实可行的高效、优质、低消耗的钻进方法。冲击回转钻进最适宜于钻进粗粒而不均匀的地层，在69级岩石中钻进效果尤为显著。现在冲击回转钻进不仅用于硬质合金钻进，而且也应用于钢粒钻进和金刚石钻进以及牙轮钻进，且伴随着其所钻孔深和孔径的日益发展其应用范围越来越广。1.3动力头式钻机简介动力头式钻机是目前钻机三大主要机型之一，是近些年来发展最快、应用日益广泛的钻机。它以其移动式回转器自带动力液压马达、风动马达或电动机而得名。动力头式钻机传动系统简单，执行机构各自独立，主机重量小，因而布局灵活。在功能上可以打任何角度孔水平孔、下向孔乃至上向扇面孔，而且给进行程长，钻压控制平稳准确，从而能获得更高的钻效、钻孔质量和岩心采取率。在总体结构方面，只有一个动力头和一个给进导向机构，施工时不需要另立钻塔，被称为“无塔钻机”。目前动力头式钻机在煤田地质勘探、矿井钻探，建筑工程及地质工程中都有着广泛的应用。1.3.1钻机的分类钻机由于施工目的、要求和工作条件的不同，设计与制造水平的不断发展，通常从不同角度对钻机进行分类，主要划分为以下类型：（1）按照传动方式不同，钻机可分为：1)机械传动钻机：结构简单，传动可靠，传动效率高，易于加工制造；但整体性强不便于运输，在传动中有较大的振动和冲击。2）半液压传动钻机：采用机械传动和液压传动相结合的钻机；一般回转和提升系统采用机械传动、给进系统采用液压传动。3）全液压传动钻机：传动平稳，便于实现顺序动作和远距离控制；增强了钻机的功能，提高了操作的自动化。（2）按照钻探目的和用途的不同，钻机可分为：1）石油钻机：用于陆地及海洋石油天然气的普查、勘探和开采的钻孔施工；这类钻机由于钻井的深度大，所以功率大，设备结构复杂庞大。2）固体矿产勘探钻机：固体矿产勘探往往要提取岩心作为地质资料，因此这种钻机也称为岩心钻机。3）水文地质调查和水井钻机：用于地下水资源的调查、勘探和开采。4）工程地质勘探钻机：用于桥梁、水坝、高层建筑及其它重要大型工程建筑基础的地基勘察。5）工程施工钻机：用于大型工程建筑的基础桩孔的施工。6）坑道钻机：用于地下坑道各种钻孔的施工。7）砂矿钻机：用于砂矿矿床的勘探。按照所采用的钻进方法的不同，钻机可分为:冲击式钻机：包括钢绳冲击式和钻杆冲击式钻机，通过钻头周期性的上下运动冲击破碎岩石。回转式钻机：包括立轴式、转盘式及动力头（移动回转器）式钻机，通过钻头在孔底的回转而破碎岩石。1）振动式钻机：它是采用振动器迫使钻具产生轴向周期性振动，依靠振动所产生的力使钻头吃入地层，实现钻进，适用于松软地层的钻进。2）复合式钻机：将振动、冲击、回转、静压等功能以不同方式组合在一起的钻机。1.3.2动力头式钻机的基本组成动力头式钻机是指回转和给进机构都采用液压传动的动力头式钻机。用于不同施工目的的全液压动力头式钻机尽管在具体结构上差别较大，但从功能上讲，通常包括以下几个部分：（1）回转机构：是驱动钻具回转，提供回转速度和转矩的装置，又称动力头。（2）提升与给进机构：向钻具施加轴向力，并能移动钻具的机构，主要用于调节钻头载荷、控制给进速度，升降钻具，当出现孔内事故时，还可用于强力起拔钻具。（3）钻杆拧卸、夹持装置：有两种方式，通常是直接用动力头反转来卸开钻杆；但对于转矩很大的钻机，常要另配一个卸管装置。无论哪种方式，在钻机靠孔口的部位都要安装一个承受拧卸钻杆的反转矩和钻具重力的夹持器。（4）液压传动系统：用于产生并控制压力油以实现各液压部件所需的速度、转矩运动方向等。（5）机架与底座：用于连接和支承钻机各部件，使之成为一个整体并与地基相固定，在必要时还可使主机移位。1.3.3动力头式钻机的主要参数（1）动力头主轴转矩：这是一项表明钻机的钻进能力和应用范围的参数。小转矩（几百Nm）的动力头式钻机只能用于小口径浅钻孔；大转矩（几千Nm）的动力头式钻机才能用于大口径或深钻孔施工。（2）动力头主轴转速范围：这是一项说明钻机的工艺适应性的参数，基本上可分为低转速和高转速两大类，从而适用于不同的钻进工艺和钻孔直径。此项参数在很大程度上决定了所选用的液压马达和液压泵的类型。（3）给进行程：这是代表给进系统性能的一项重要参数，其大小对起下钻效率有一定影响。（4）给进起拔力：此项参数大小必须满足正常钻进和处理孔内事故的要求。（5）给进起拔速度：这也是一项影响起下钻效率的参数。（6）夹持器额定转矩：夹持器除了支持孔内钻具重力之外，必须能承受旋紧和松开钻具连接螺纹的正反两个方向的转矩。（7）卡盘额定转矩：这一项参数应大于正常钻进和拧卸钻杆时所需要的转矩。在大体了解钻机工艺后，本次设计主要采用泥浆钻进、泡沫钻进以及潜孔锤钻进工艺，由于采纳这些工艺需要一些先进的设备，如：履带行走设备、动力头等等，因此合理布局这些设备成了一项重要的课题。该型水井钻机将主要用于地热空调的开发利用。80米以下的地下水常年保持恒温，基本维持在20度上下。通过水循环，人们在冬天可以用来取暖，夏天可以用来降温，与现在的取暖和降温方式相比，可以节省大量宝贵的资源和费用。因此，该型水井钻机的应用前景非常广阔。1.3.4国外钻探设备及钻探技术新进展世界上较早研制生产的全液压动力头式岩心钻机主要有瑞典阿特拉斯科普柯公司生产的泰美克系列钻机、鲍格曼工厂生产的托拉姆220型钻机、美国长年公司生产的HC-150型钻机等。这些钻机的特点是钻孔深度范围广，转速调节范围较大，能满足各种钻进工艺，但钻孔直径较小。澳大利亚万通公司生产的UDR系列多功能钻机，其钻进角度从45到90，可采用金刚石取心、反循环潜孔冲击锤、回转式潜孔冲击锤三种钻进方式，采用金刚石取心钻进最大钻进深度可达2000多米。这种钻机结合了传统的旋转钻机、冲击式钻机和取芯钻机的各种优点，具有广泛的用途，节约了钻探成本，提高了钻探效率。波兰发欣格（FASING-MOJ）公司生产的以乳化液为动力的手持式液压钻机和带有冲击机构的手持式液压、电动钻机用于煤矿的生产具有高效快速的特点。整体来说，国外钻机逐渐向大型化及小型化方向分化，既有适合于长期钻探作业、钻深能力大的钻机，又有容易携带、自动化程度高的小型钻机，这也突出了钻机产品的发展方向。1.3.5我国钻探设备发展概况建国初期，我国只有极少量的陈旧的日本利根手把给进式钻机和美国沙利文钻机。为了解决地质勘探对钻探设备的急需，从苏联引进大量成套的KAM-500型手把给进式钻机。尽管这些钻机在结构、性能上并不十分良好，但却为推动我国早期的地质勘探工作发挥了积极的作用。50年代后期，我国又分别从苏联、瑞典等国家引进了一些结构性能较为良好的液压给进的立轴式钻机，有力地改善并充实了钻探设备。与此同时先后建立了勘探技术研究机构和若干个钻探设备制造厂，并通过对国外钻探设备的使用、消化和吸收，结合我国的实际情况开始独立设计和生产钻探设备。60年代中期，我国自行设计、制造的钻探设备已开始逐渐取代进口设备，而且发展极为迅速。70年代，随着人造金刚石钻进和绳索取心钻进的使用和推广，新型钻探设备的研制工作取得了相当大的进展，制造出了转速高、调速范围大的金刚石岩心钻机，钻探设备的应用范围进一步拓宽，促使钻探设备的研制工作向着多类型、多功能和系列化的方向迅速发展。以DIAMEC-250型为代表的一批瑞典、美国、日本产的全液压动力头式钻机先后进入中国，引起了强烈反响，并在冶金和煤炭系统较早开始了新型全液压动力头式坑道钻机的研制。80年代，我国岩心钻机、水文水井钻机、工程勘察钻机、泥浆泵及钻塔等设备已形成系列，钻探设备基本实现了国产化，并开始有少量出口。随着改革开放的进一步深化，钻探技术拓宽服务领域，钻探设备及钻探工程施工正在逐步走向市场，以MK系列为代表的全液压动力头式钻机在煤矿井下逐步得到了应用和推广。90年代以来，我国钻探设备在设计能力，设备类型，结构类型及技术性能等方面都已逐渐接近世界先进水平，而且正向着结构轻便、性能良好、品种齐全、多功能、操作自动化和产品系列化的方向发展。随着钻探工艺的不断发展，钻探施工领域的不断扩大及某些先进科学技术和材料的应用，对钻探设备的发展又起到了极大的促进作用。2设计技术要求2.1设计原始数据钻孔深度：300米钻孔直径：152305毫钻杆直径：89、108钻杆长度：3米2.2设备的工作环境此设备可以在露天、粉尘、潮湿、泥泞路面等比较恶劣的环境中工作。2.3设计要求在满足使用要求的前提下，使制造成本最低。从以下几个方面综合考虑；（l）简化每个零件的形状，使机器结构简单；（2）合并零件的功能，减少零件的种类或数量；（3）应用新结构、新工艺、新材料、产品的可靠性；（4）分解部件，研究其装配、组装的最简单的结构；（5）对相似零件进行分组；（6）对相似产品按标准数序列进行产品系列化分析；（7）实现产品零件的通用化和标准化。3钻机的总体方案设计一台钻机与其它机器一样，都由许多零件、部件相互组合而成成的整体。它的性能如何，不仅取决于各类零件、部件设计的是否合理，更重要的是取决于各部件性能相互配合与协调。因此，钻机的总体设计对钻机的整机性能起着决定性的作用。履带式300m钻机的总体设计，要依据设计任务书中所规定的设计要求及山东鲁煤工程机械厂当前的实际状况与制造条件，从全局出发正确合理地选择机型，而后确定整机的主要技术参数及根部件的结构形式，进行整体布局，最后得到一个最佳的设计方案。为了拟定履带式300m钻机的整机设计方案，在确定钻机的原始设计参数和主要工作参数之后，就要在分析的基础之上选定各部件的结构形式和传动方式，进行总体结构方案的设计。3.1动力装置的选择对于钻机常用的动力装置，按动力种类可分为：内燃机驱动、电力驱动及复合驱动；按整机所用原动机的数目可分为：单机驱动和多机驱动；按原动机的特征可分为：具有固定特征的驱动和具有可变特征的驱动。由于由于履带式300m钻机的工作环境较差：在户外进行工作，环境温度变化较大、岩尘多，还要受到风、雨、雪等恶劣天气的干扰。使钻机的工作状况经常变化、过载堵转等现象。这些使用环境和工作特征对钻机的各部件选用，都提出了特殊的要求。所以在综合考虑钻机的生产效率和各部件所需的功率的大小及动力装置的结构尺寸、重量、操作的难易程度、能源的来源及可靠程度、经济性等因素，本钻机选取单机固定特征的内燃机驱动。3.2传动系统的选择（1）传动形式的选择钻孔机械中常用的传动形式有三种，即：机械传动、液压传动和气动。其中：机械传动结构简单、传动可靠，加工及制造比较容易、成本低，但传动系统中有较大的扭振和冲击；液压传动结构简单、体积小，传动平稳可靠，操作、控制方便，可以实现无级调速，但会出现泄漏、裂管等问题；气动结构简单、清洁，成本低，但工作不平稳、冲击性较大，动作不够可靠。综合考虑各种传动系统的优缺点，本钻机采用液压传动。（2）钻机回转机构形式的选择钻机的回转机构的结构形式有多种，有设置在底部、中间、顶部等多种传动装置。其中底部传动是通过六方杠或带有花键的主钻杆带动钻具旋转，通过链条链轮组或钢丝绳滑轮组、齿轮齿条来实现轴向加压，利用该结构是钻杆结构复杂、加工困难；顶部传动的特点是回转机构（动力头）在链条链轮组或钢丝绳滑轮组、齿轮齿条的牵引下沿钻架的轨道上下滑动，以实现连续加压或提升钻具，结构简单、轴压大、钻孔效率高。综合考虑本钻机的特点和应用场合，采用顶部驱动，利用液压缸和钢丝绳滑轮组来实现攻进和提升钻具等，结构简单且工作安全可靠。（3）行走系统的选择由于本钻机的工作环境比较恶劣，即：露天、粉尘、潮湿、泥泞路面等。故采用行走系统采用履带式行走系统。3.3钻机的总体布置钻机的布置关系到钻机的性能和质量及其经济性。根据以上结构形式的确定，可以根据机械设计手册拟定钻机的总体布局，来确定钻机的整机大致尺及各部件的位置尺寸、钻机的重量、重心等。（1）总体布置的原则 有利于提高钻机的刚度、强度、抗振性和稳定性，钻机的重心要尽量低，且重心位置要靠近钻机的形心；有利于提高钻机的作业效率，同时便于操作和维修，保证工作安全可靠；有利于提高传动效率，同时传动部件结构紧凑，颤动路线尽量短；外形应美观、大方、有防护装置，同时符合运输要求。（2）钻机总体的布置将各个部件根据手册简化为相应的质量体，在选择一个布置基准后，进行钻机的总体布置。在钻机的总体布置草图整理好后，即对钻机进行稳定性计算和整机的外形尺寸的确定。稳定性是指钻机在行走或工作过程中不至于发生倾斜或侧滑的性能。图3.1 水井钻机结构示意图4动力头整体分析4.1主要参数的确定钻机动力头的液压驱动回转采用“变量泵一定量马达”的容积调速变量系统，通过改变液压系统中变量泵的排量来调节定量马达的回转速度，在工程应用中可根据不同需求控制转速大小，实现无级调速。钻机工作时，钻头带动洗井液随之旋转，两者旋转速度虽不相同，但对井帮有冲刷作用，在表土层过大的流速可能引起井帮坍塌，对于刀具来说，刀具寿命随转数增加而有所下降，所以刀具外缘线速度一般不宜过大，国外推荐按照下列经验公式确定钻头的经济转速:n=36575/D r/minD:钻孔最大直径 305mm则n=36575/305=119.9mm已知200米钻机的最大钻孔直径为254mm，最大输出扭矩3400N/m，对于300米钻机，其最大钻孔直径为305mm，大致可以得出300米钻机最大扭矩约为4900N/m为确保钻机设计参数满足施工要求，并结合国内其他类似钻机的技术参数进行类比，最终确定动力头的主要参数为：额定转速n： 130 r/min额定扭矩T: 5000 N.m4.2结构方案设计钻机回转机构用以提供钻机所需的转速和扭矩，由给进机构带动回转机构升降，从而实现钻进成孔及回拉扩孔等工作。根据施工地层的不同以及钻进状态的不同，对回转机构有如下一些基本要求：（1）具有不同的转速，以适应不同的地层条件及不同的钻进状态。（2）能提供足够的扭矩，以实现岩层的切削和在钻进液的作用下对钻渣的外送；（3）传动平稳、体积小、重量轻、工作可靠、使用维修方便。由于液压传动具有体积小、重量轻、能容量大、安装布置灵活、可以方便地实现无级调速等优点，现有的钻机大多是液压驱动的动力头式钻机。双液压马达驱动较单马达驱动而言，能够减小马达排量，降低系统工作压力，从而可以选取小型号液压马达，并且可以获得较大的回转扭矩，故该种回转机构在钻机中应用相当广泛。该结构不足之处在于结构较为复杂，制造精度及成本较高。按照双液压马达布置方式的不同，该种驱动方式的回转机构又有以下所示的几种形式：图4.1 双马达-减速器驱动的回转机构方案1、钻杆 2、4、液压马达 3、减速器 5、7、主动齿轮 6、从动齿轮图（a）为纵向前后对称布置，该种结构的动力头由前、后两个马达2、4并联驱动，齿轮减速器起降低转速和增大扭矩的作用，回转功率由传动轴向钻杆输出，阿特拉斯TH10钻机动力头即采用该种机构。图（b-d）只示意地画出了减速器中的主、从动齿轮，主动齿轮5、7由液压马达驱动，经从动齿轮6向钻杆输出转速和扭矩。其中图（b）为对角线前后对称布置，与（a）的驱动方式相同，也是由两个马达并联驱动，由于采用对角线布置，可在很大程度上节省空间，使结构更加紧凑。图（c）为双侧对角线布置，该结构的显著特点为两个马达分别驱动，该种结构可以改善动力头传动的平稳性，减少冲击力，延长轴承、齿轮寿命。不足之处是增加了齿轮数量及制造的难度。图（d）为传动轴双侧对称布置，德国宝娥（柯莱姆）公司的KR806工程钻机采用了该种结构。这种方式使动力头质量分布较为均匀，且主传动轴上仅有扭矩的作用，轴承承受的径向载荷很小，承受拉力、推力的能力得到提高，该机构同样增加了齿轮数量及制造的难度。本设计采用的传动方案为最后一种，如下图图4.2 动力头结构示意图动力头采用双摆线液压马达驱动,经一级减速增大扭矩处理实现主轴中低速大扭矩回转作业。其主体结构包括对称分布的2台摆线液压马达,主传动齿轮副、主轴,焊接箱体,浮动联接座,圆锥滚子轴承等主要零部件。可联接并驱动钻具回转、同时承受钻进过程中的给进、提升压力及工作冲击。此外,亦可完成钻具接卸、在接卸钻具过程中动力头所具有的浮动装置可自动实现对接头螺纹的保护。在保证钻杆螺纹能够顺利旋紧或松开的前提下，钻杆和动力头结合和分离时，丝扣应受到尽可能小的外力影响，保证钻杆和动力头的螺纹不至于因为强制的结合或分离而产生过度的磨损甚至破坏。良好的动力头的设计浮动可以有效保护钻杆螺扣，延长钻杆的使用寿命，避免施工中由于钻杆丝扣的损坏而产生的严重孔内事故；此外还可以简化钻机的操作，提高工作效率。同常规的液压动力头一样,具有无需主动钻杆传动、传动效率高、操纵控制灵活、便于调速、结构紧凑且功率重量比大等优点，可满足多种钻进工艺的要求。5动力头部件设计5.1液压马达选型液压马达是动力头的主要零件之一，是动力输入装置，其性能参数在一定程度上决定了钻机的性能和体积的大小，对于马达的选择至关重要。马达的转速和所能传递的扭矩决定钻进时的转速和扭矩，体积的大小决定传动箱的部分尺寸，从而又决定导轨的宽度，影响整机的体积。（1）由已知确定液压马达的功率液压马达的功率主要是根据工作装置的功率来确定，工作装置的功率根据工作时的额定扭矩和工作装置的转速来确定即：-工作装置的转速，r/min.-工作装置的扭矩，N/m-工作装置的效率，取1液压马达的输出功率为液压马达到转轴的总效率，包括两对齿轮传动，两对滚动轴承。查得齿轮传动效率为轴承传动效率 所以根据选取液压马达的额定功率使=（1-1.3）=73.9-96kw由此选取伊顿齿轮马达6000系列102-1090型盘配流马达，如下图：图5.1 伊顿6000系列摆线马达配流盘的作用是将压力油分配给定转子的各腔，配流盘两密封端面保持压力平衡，使得泄漏最小，Char-Lynn盘配流马达能与柱塞泵共用于同一系统，也可以用于闭式回路系统中，具有磨损补偿专利技术的配流盘使马达具有高性能。这种马达采用镶柱式定转子参数设计，具有工作效率高、工作压力高、压力启动低、运转平稳、双向可获得同样的输出转矩。马达主要性能参数：排量310ml/r额定转速427r/mi额定扭矩905Nm额定工作压力P=20.5Mpa额定流量Q=150L/min5.2计算传动比液压马达确定之后，根据液压马达的满载转速和工作装置的转速，就可计算传动装置的传动比，即根据机械设计实用手册推荐传动比,圆整为圆柱齿轮减速器公称传动比系列值:=3.155.3计算传动装置的运动和动力参数各轴的转速各轴的功率各轴的扭矩5.4齿轮的设计动力头的设计使用寿命为十年，由于钻机的工作类型和载荷情况属于经常间歇的工作，载荷情况为经常承受中等载荷，考虑钻机要进行定期的维护和保养等各方面因素，齿轮按照每年工作300天，一班制进行设计动力头上单个摆线液压马达的额定输入扭矩为T=905Nm，通过一级减速后可以获得较大的输出扭矩。选用的液压马达的额定转速为n=427r/min，动力头的输出转速在130 r/min左右，根据机械设计实用手册推荐传动比，确定传动比i=3.155.4.1选定齿轮类型，精度等级，材料和齿数1、按传动方案，选择直齿圆柱齿轮传动，由机械原理可知，增大压力角，齿轮的齿厚及节点处的齿廓曲率半径亦皆随之增加，有利于提高齿轮传动的弯曲强度及接触强度。我国对一般用途的齿轮传动规定的压力角为=20o。2、材料选择，考虑到动力头输出扭矩较大，承受较大的冲击振动，故大、小齿轮都选择硬齿面，由手册选得小齿轮的材料为20CrMnTi，热处理方式为渗碳后表面淬火，表面硬度为58-62 HRC，大齿轮的材料为20Cr，渗碳后表面淬火，表面硬度为58-62 HRC。3、选取精度等级。因采用表面淬火，齿轮发生变形，需要磨制，故初选6级精度等级（GB10095-88）。4、齿数的确定对于闭式、硬齿面直齿传动，为提高传动的平稳行，减小冲击振动，小齿轮的齿数一般在1840之间，硬齿面传动时齿数宜取小值，由于两个小齿轮相对大齿轮对称分布，故大齿轮的齿数要为偶数个，为使相啮合齿对磨损均匀，延长齿轮的使用寿命，还要使大小齿轮的齿数互为质数。初选小齿轮的齿数为19，则取大齿轮的齿数为193.1560。5.4.2按齿面接触强度设计由设计公式：进行试算1、确定公式内的各计算数值（1）试选载荷系数：当用设计公式初步计算齿轮的分度圆直径d1(或模数mn)时，动载系数、齿间载荷分配系数K及齿向载荷分布系数K不能预先确定，此时可试选一载荷系数=2（2）小齿轮传递的扭矩：T=905N/m（3）由表8-3-4选取齿宽系数：装置状况 两支撑相对小齿轮作对称布置 两支撑相对小齿轮作不对称布置 小齿轮作悬臂布置 fd0.91.4（1.21.9） 0.71.15（1.11.65） 0.40.6 注：1）大、小齿轮皆为硬齿面时fd应取表中偏下限的数值；若皆为软齿面或仅大齿轮为软齿面时fd可取表中偏上限的数值；2)括号内的数值用于人自齿轮，此时b为人字齿轮的总宽度； 3)金属切削机床的齿轮传动，若传递的功率不大时，fd可小到0.2； 4)非金属齿轮可取fd0.51.2。取：（4）由表8-3-34查得材料的弹性影响系数： 弹性模量E(MPa) 齿轮材料 配 对 齿 轮 材 料 灰铸铁 球墨铸铁 铸钢 锻钢 夹布塑胶 11.8104 17.3104 20.2104 20.6104 0.785104 锻 钢 162.0 181.4 188.9 189.8 56.4 铸 钢 161.4 180.5 188.0 球墨铸铁 156.6 173.9 灰 铸 铁 143.7 注：表中所列夹布塑胶的泊松比为0.5，其余材料的均为0.3 取：（5）由图8-3-8中的MQ级质量指标查得齿轮的接触疲劳强度极限： （6）由工作应力循环次数公式计算大小齿轮的应力循环次数：=604271（830010）=6.15=（26.15）/3.15=3.9（7）由图8-3-17查得接触疲劳寿命系数：=0.93 =0.94（8）计算接触疲劳许用应力：=0.931500=1395MPa=0.941500=1410 MPa2、计算（1）试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值 =82mm（2）计算圆周速度（3）计算齿宽b=182=82mm（4）计算齿宽与齿高之比b/h模数:=82/19=4.3 mm齿高:=9.7 mm比值：=82/9.7=8.45（5）计算载荷系数动载系数是考虑齿轮在啮合过程中，由于大小齿轮的相对震动，所产生的内部附加动载荷，对齿轮的承载能力的影响的系数，影响的因素主要有：基节偏差、齿形误差、圆周速度、大小齿轮的质量；轮齿刚度及其在啮合过程中的变化，所传递的载荷，轴系的刚度，齿轮系统的阻尼特性。根据=1.83 m/s ，6级精度，查得动载系数=1.03使用系数是考虑由于齿轮副外部因素引起的动力过载影响的系数。取决于动力机和工作机的特性、质量比、联轴器类型以及运行状态等.查得使用系数=1.85是考虑在载荷沿齿向分布不均匀而影响接触应力和弯曲应力的系数。影响的主要因素有：齿轮及轴系的刚度，齿宽系数及齿向误差，轴心线不平度载荷跑合情况，齿向修形等，是影响齿轮承载能力的重要因素，应通过工艺措施是载荷沿齿向分布均匀，从而降低它的影响。当小齿轮相对支承对称布置时，=1.05+0.26+0.16b=1.05+0.261+0.1682=1.323= =0.883则 =1.28端面载荷分配系数 是考虑在同时啮合的几对齿轮上，由于载荷分配的不均匀而影响接触应力和弯曲应力的系数。影响的主要系数有：齿轮刚度、基节偏差、载荷、重合度、跑合情况等.查得对于直齿轮 =1故载荷系数:K=1.851.0311.323=2.52（6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径=82mm=88.6 mm（7）计算模数m =88.6/19=4.66 mm5.4.3按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为:1、确定公式内的各计算数值（1）由图8-3-9查得大小齿轮弯曲疲劳强度极限:（2）由图8-3-18取弯曲强度寿命系数:=0.9 =0.92（3）计算弯曲疲劳许用应力，对接触疲劳强度计算，由于点蚀破坏发生后只引起噪声、振动增大，并不立即导致不能继续工作的后果，故可取S=SH=1。但是，如果一旦发生断齿，就会引起严重的事故，因此在进行齿根弯曲疲劳强度的计算时取S=SF=1.251.5.取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式则 =643 =657（4）计算载荷系数K=1.851.0311.28=2.44（5）查取齿形系数 ，齿形系数是考虑齿形对弯曲应力影响的系数，与基准齿形，应力计算方法，切齿刀具等因素有关。z(zv) 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 YFa 2.97 2.91 2.85 2.80 2.76 2.72 2.69 2.65 2.62 2.60 2.57 2.55 2.53 YSa 1.52 1.53 1.54 1.55 1.56 1.57 1.575 1.58 1.59 1.595 1.60 1.61 1.62 z(zv) 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100 150 200 YFa 2.52 2.45 2.40 2.35 2.32 2.28 2.24 2.22 2.20 2.18 2.14 2.12 2.06 YSa 1.625 1.65 1.67 1.68 1.70 1.73 1.75 1.77 1.78 1.79 1.83 1.865 1.97 查得；（6）查取应力校正系数，应力校正系数是考虑计算齿轮的齿根应力集中与实验齿轮不同时，对弯曲疲劳极限影响的系数，它与齿根圆角半径和材料对应力集中的敏感性等因素有关。由上表查得；计算大，小齿轮的并加以比较 小齿轮的数值大2、设计计算 mm=4.37mm 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得的模数并就进圆整为标准值。为满足接触疲劳强度，按接触强度计算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数=88.6/5=17.72，取大齿轮齿数 ，取这样设计出的齿轮，能够使两小齿轮对称分布，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。5.4.4几何尺寸计算计算大小齿轮的分度圆直径 计算中心距 计算齿轮宽度 圆整后取 由于动力头的结构为两个对称分布的小齿轮共同驱动大齿轮，从而达到消除径向力的目的，所以两个小齿轮结构尺寸等完全相同。5.4.5齿轮结构设计图5.4.1 小齿轮动力头上的两个小齿轮相对大齿轮对称分布，小齿轮直接连接液压马达，由于马达上的花键为英制，为外部渐开线花键，径节12.24，17齿，30度压力角，齿轮内花键应符合平根侧配合按ANSI B92.1,1976标准。由于动力头的结构为两个对称分布的小齿轮共同驱动大齿轮，从而达到消除径向力的目的，所以两个小齿轮结构尺寸等完全相同。大小齿轮的主要参数见下表齿顶高55齿根高6.256.25齿高11.2511.25齿距P15.7115.71齿厚S7.8457.8531齿顶直径105310齿根圆直径82.5287.5中心距a197.55.5主轴的设计5.5.1整体设计与校核(1)轴的材料由于该轴为空心轴，为保持尺寸的稳定性和减小热处理的变形可选用40Cr(2)轴结构尺寸的初步确定轴结构应满足的条件：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位