100米钻机变速箱设计-机械毕业论文【答辩优秀】

摘要 针对传统钻探行业施工过程中设备搬迁困难、钻孔效率低以及无法倾斜钻探等问题，研制、改进新一代高效可倾式钻探设备则显得尤为必要。该矿用钻机改型过程中所面对的若干问题进行了较为详细研究，并对关键件加工过程出现的工艺文体进行分析和调整。 通过调研了解到，对钻孔深度 100 米左右的钻机需求量比较大，而目前的 100 米钻机，存在着劳动强度大、适应性差等缺点。鉴于以上原因，我们决定开发 100 米钻机。经几次方案讨论决定，钻机应具有以下特点：经济耐用可靠、质优价廉；便于解体搬运；体积小，重量轻；操作简单，维修方便；适用于 42、 50mm 两种钻杆； 适用于合金钻头或金刚石钻头钻进；钻进速度快，效率高；动力为电机或柴油机。 关键词 :100 米 变速箱 钻机 Abstract the equipment moves the difficulty in view of the traditional drilling profession construction process in, the drill hole efficiency lowers as well as is unable to incline questio ns and so on drilling, the development, improves new one generation highly effective to be possible to lean the type drilling equipment to appear especially essential. In this mineral product drilling machine modification process faces certain questions ha ve conducted the comparatively dissect, and the craft literary style which appears to the key processing process carries on the analysis and the adjustment. Un derstood through the invest igat io n and study, quite is big to the dril l hole depth 100 meter about drilling mac h ine demands, but the present 100 meters drilling mac hin es, have the labor intens ity in a big w ay, the c ompatib le infer ior shortc omin g. In view of the fac t that abov e reason, w e dec id ed deve lops 100 m eters drilling mac h ines. Dec ided aft er se vera l p lan d isc ussions that, the drilling m ac hin e should h ave fo llow in g c harac terist ic : ec onomy durab le re liab le, high qua lity at low pric e； is advant ageo us for the dis integr at ion transporting； the vo lume is small, the w eight is light； the operat ion is simple, the service is convenient； is suitable for 42, 50mm two kind of dr ill rods； is suit ab le in the a lloy drill b it or the c arbon b it sneaks in； sneaks in th e speed to be qu ic k, the effic ienc y is h igh； the p ow er is the elec tric al mac hinery or the diesel engine. Kewords: drilling mac hines 100 meters gearbox 目 录 摘要 . ABSTRAC T . 绪论 .1 第 1 章 总体设计 .2 第 2 章 钻机的主要技术特性 .3 第 3 章 动力确定 .5 3.1 回转钻进及破碎岩层 ,土层所需功率 .5 3.2 进给油缸所需功率计算 .6 3.2.1 进给油缸的基本参数 .6 3.2.2 油缸工作压力计算 .6 3.2.3 油泵最大工作流量计算 .7 3.2.4 进给油缸功率 .7 3.3 动力机功率的确定 .7 第 4 章 机械传动系统设计 . 10 4.1 要参数的选择 . 10 4.1.1 回转器 . 10 4.1.2 升降机 . 10 4.1.3 变速箱 . 10 4.2 机械传动系统 . 10 第 5 章 回转器 . 12 5.1 结构特点 . 12 5. 2 零部件的强度与寿命计算 . 12 5.2.1 齿面按接触疲劳强度计算 . 13 5.2.2 弯曲疲劳 强度极限应力 . 13 第 6 章 变速箱的设计与计算 . 15 6.1 变速箱的结构特点 . 15 6.2 零件的强度计算 . 15 6.3 齿轮的强度计 算 . 15 6.4 轴系零部件强度与寿命的校核计算 . 20 第 7 章 绞 车 . 24 7.1 结构特点 . 24 7.2 主要参数的选择 . 24 7.3 绞车所需功率 . 25 7.4 零部件的强度及寿命计算 . 25 第 8 章 液压系统的设计与计算 . 31 8.1 液压卡盘的设计与计算 . 31 8.2 进给油缸的设计 . 33 第 9 章 钻机的使用说明书 . 35 总结 . 50 致谢 . 51 参考文献 . 52 专题 轴的机械加工工艺过程 . 53 附录 1. 59 附录 2. 68 绪论 国内外的科技现状 国内： 六五 九五 期间，我国地质调查工作中探矿工艺与设备获得长足发展，在引进、消化、吸收的基础上，研究开发了一大批新技术、新装备，如：以绳索取心为主体的金刚石钻探技术；液动冲击回转钻探技术；受控定向钻探技术（含对接井施工技术）；多工艺空气钻探技术（中心反循环连续取样及空气潜孔锤钻探技术）；水力反循环连续取心钻探技术；人造金刚石超硬复合材料及其钻头；低固相泥浆等钻井液应用及护壁堵漏 技术； XY 系列、 CD 系列、全液压等新型岩心钻机及配套装备；水文水井钻探设备；短浅坑道机械化作业线等等。在这一领域，我省煤田地质局在煤田地质钻探方面，成功地采用了受控定向钻探技术，并完善了SMQ-1 型取芯器，发展成 3SMQ-2 型取芯器；此外，还研制改进了煤层气储存监测罐。地矿、煤田系统多工艺空气钻探技术的采用更加完善和成熟。 国外： 传统的地质勘查工程技术与装备已十分成熟。立轴式液压钻机仍然是主要机型，全液压动力头钻机获得广泛应用，美国金刚石岩心钻机制造商协会制定的 DCDMA 标准仍然占据钻探管材和钻具市场的主流 ，国际标准化组织（ ISO）的 TC82（矿业技术委员会） /SC6（金刚石钻探设备分技术委员会）也制定了一些标 准，可能成为今后的发展方向。 通过调研了解到，对钻孔深度 100 米左右的钻机需求量比较大，而目前的 100 米钻机，存在着劳动强度大、适应性差等缺点。鉴于以上原因，我们决定开发 100 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、 50mm 两种钻杆； 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。 第 1 章 总体设计 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： 1. 考虑到井下、井上和野外作业，动力可选电机或柴油机。 2. 考虑到有软岩石、硬岩石的钻进，除了正常的钻进速度外，增加高速 340r/min。 3. 钻机除配机动绞车外，增加了液压卡盘减轻劳动强度，节约时间，提高有效钻进速度。 4. 考虑到高转速时，绞车速度不能太快，所以增加了互锁装置，安全可靠。 5. 由于本机动力较大，动力由 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。 6. 采用二级回 归式变速箱，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。 7. 设置压带轮，皮带调整安全可靠。 8. 在满足上述要求的同时，尽量结构简单，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。 第 2 章 钻机技术特性 1. 钻进深度 100m 2. 钻孔直径 1开孔直径 89 2终孔直径 60 3. 钻孔倾斜角度 0 360 4. 立轴转速 110、 190、 340 /min 5. 立轴行程 400 6最大液压给进压力 4MPa 7卡盘最大工作压力（弹簧常闭式液压卡盘） 6MPa 8立轴内孔直径 52 9油缸最大起拔力 28.5KN 10油缸最大给进力 20KN 11. 绞车提升速度 0.25、 0.57、 0.65m/s 12. 绞车转速 28、 50、 78r/min 13绞车提升负荷 0.75m/s 3.35KN . 0.44m/s 6.00KN . 0.22m/s 12KN 14. 卷筒 直径 140mm 宽度 100m 钢丝绳直径 8.8mm 容绳长度 32.8m 15配备动力 电动机 型号 YB160M 4 电压 380/660V 功率 5.5KW 转速 1440r/min 柴油机 型号 S1100 功率 5.5KW 转速 1500r/min 16外型尺寸（ Lhb）m 17重量（不含柴油机） 750Kg 第 3 章 动力机的确定 本机组的驱动装置采用交流感应电动机，因为这种动力机重量轻、结构简单、使用维护方便易实现防爆。 为了便于搬运和机场的布置，钻机和水泵各用一台电机单独驱动，而回转器与油泵共用一台电机联合驱动。 输出功率为 N。 N。 1.2Nj 式中： Nj钻机所需功率 KW Nj（ Nh Ny） / 式中 : Nh回转钻进所需功率 KW 效率 =0.85 Ny油泵所需功率 KW Nh=N1+N2+N3 式中 : N1井底破碎岩石、土层所需功率 KW N2钻头与孔底摩擦所需功率 KW N3回转钻杆所需功率 KW 3.1 回转钻进及破碎岩石、土层所需功率 KW Nh=N1+N2+N3 1. N1=3060000A4 3 m n h 3-1 式中 : m钻头切削刃数 取 m=6 n立轴转速 r/min h钻进速度 h=1.5cm/min. 岩石抗压强度 ,其值见表 3-1 A 井底环状面积，取钻头直径 D=7.3cm,内孔直径 d=5.8cm, A= (D2d2)/4= (7.325.82)/4=15.43cm2 2. N2= fen(R+r)/1944800 3-2 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=0.3 e侧摩擦系数 e=1.1 n立轴转速 R钻头外圆半径 R=3.65cm r钻头内孔半径 r=2.91cm 将立轴不同转速和不同空底压力代入式 3-2 中 ,所得相应数值见表 3-2。 3. N3=7.810 11Ldn1。 7 (当 n200r/min时 ) 3-3-2 式中： L孔深 ， 硬质合金钻进时，取 L 150000mm 金刚石钻进时，取 L 75000mm d钻杆直径 ，取 d=42mm 计算 n立轴转速， r冲洗液比重。 r=1.15 将上述参数及 立轴不同转速代入上式，所得值列表 3 2 中。 3.2 给进油缸所需功率的计算 3.2.1. 给进油缸的基本参数 1）给进油缸的数量 n 2 2）油缸直径 D 55mm 3）活塞杆直径 d 30mm 4）活塞杆有效行程 L 400mm 5）油缸面积 A1 23.76cm2 6）活塞杆面积 A2 7cm2 7）有效面积 A A1 A2 16.76cm2 3.2.2油缸工作压力的计算 钻机大水平孔时，油缸的最大推力为： W C Fm 式中： W油缸最大推力 C孔底最大压力 C 10000N Fm钻杆与孔壁间的摩擦力 Fm q L f 式中： q钻杆单位长度重量 q 45.6N/m L钻杆长度 L 1050m f摩擦系数 f 0.35 Fm 45.610500.35=1675.8N W=10000+1675.8=11675.8N 油泵的工作压力 P P=W/A=11675.8/16.76=696.6N/cm2 3.2.3.油泵最大工作流量计算 油缸回程时的最大容油量 : V1=A1L=23.7640=950.4mL=0.9504L 油缸送进时的最大容油量 : V2=AL=16.7640=0.6704L 当选用立轴的钻进速度 V=0.06m/min=0.6dm/min 时 ,立轴 送进时每分钟所需的油量为 : Q=2AV=20.16760.6=0.2 令活塞回程时间为 0.3min,则回程所需油量为 : Q1=0,95042/0.3=6.336 3.2.4.给进油缸功率 Ny Ny=PQ/60102=696.60.2/60102=0.023 3.2.5.根据上面的计算 , 选用 YBC10/80 型 齿 轮 油 泵 (排 油 量 10L/min, 压力800N/cm2 )。油泵满负荷时所需功率是 : Ny=PQ/60102 1 2 式中 :P额定压力 P=800N/cm2 Q额定流量 Q=10L/min 1机械效率 1=0.9 2容积效率 2=0.71 Ny=80010/601020.90.71=2.04KW 3.3 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 32 本机选用 5.5KW 电机或柴油机，基本能满足表 32 中粗线以上各种工作状态。 表 31 岩 石 名 称 抗 压 强 度 （ N/cm2 ） 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 N (kw) r/min N/cm2 110 190 340 N1 2000 0.0693 0.0794 0.0918 4000 0.1386 0.1589 0.1837 8000 0.2771 0.3177 0.3675 10000 0.3464 0.3971 0.4593 12000 0.4157 0.4765 0.5512 N2 2000 0.2443 0.4230 0.7569 4000 0.4898 0.8460 1.5138 8000 0.9795 1.6919 3.0277 10000 1.2244 2.1149 37846 12000 1.4693 2.5379 4.5346 N3 r/min N/cm2 1.0160 2.5728 2.2804 Nh 2000 1.3296 3.0752 3.1292 4000 1.6444 3.5769 3.9779 8000 2.2726 4.5824 5.6756 10000 2.5868 5.0848 6.5243 12000 2.9010 5.5879 7.3662 Ny r/min N/cm2 0.023 0.023 0.023 Nj=Nh/ 3.4129 3.6179 3.6814 N0=1.2Nj 4.0920 4.3415 4.4177 第 4 章 机械传动系统设计 4.1 主要参数的选择 4.1.1 回转器 立轴的转速，主要取决于地质条件、钻头直径及钻进方式，当使用直径为 75mm 钻头时，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/min 比较适宜；采用金刚石钻头钻进时，立轴转速取 n 400 1000r/min 比较适宜。本机选用 110 340r/min，即适合合金钻头钻进，由适合金刚石钻头钻进。 4.1.2 升降机 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 0.220.66m/s。 4.1.3 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。 （ 1） 立轴有三种转速， 110、 190、 340r/min 转速适合合金钻 头钻进。 （ 2） 卷筒缠绳速度为三种，见表 41 表 4 1 档 档 档 立轴转速 r/min 110 190 340 缠绳速度 m/s 0.22 0.37 0.66 4.2 机械传动系统 机械系统传动路线见图 4 1 传动计算如下： 1.立轴的转速 : n =nD1/D2Z 1/Z2Z 3/Z4Z10/Z11 式中 : n 立轴的第一档转速 r/min n电机转速 n=1440r/min D1主动皮带轮直径 D1=125mm D2大皮带轮直径 D2=285mm Z1Z11 传动链中各齿轮的齿数 ,Z1=31,Z2=54,Z3=31,Z4=54 Z10=21,Z11=39 n =1440125/28531/5431/5421/39=112.1 110r/min n =nD1/D2Z 1/Z2Z5/Z6Z 10/Z11 式中 :Z5=42,Z6=43 n =1440125/28531/5442/4321/39=190.69 190r/min n =nD1/D2Z 1/Z4 内 Z10/ Z11 式中 : Z4 内 =31 n =1460160/36531/3121/39=340.08 340r/min 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 110、 190、 340r/min。 2. 绞车的缠绳速度 V1= D(nD1/D2Z 1/Z2Z3/Z4Z9/Z12/Z13/Z14)/60000 m/s 式中 :D=D0+d=140+8.8=148.8mm 式中 :D0=140mm 为卷筒直径 ,d=8.8mm 为钢丝绳直径。 V1=148.8(1460160/36525/3118/3833/8318/1818/54)/60000 =0.22m/s V2=0.44m/s V3=0.75m/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： U1 0.22m/s U2=0.44m/s U3=0.75m/s。 第 5 章 回转器 5.1 结构特点 回转器的结构如图 5 1 所示，是由本体、立轴、立轴导管、弧齿锥齿轮等组成。立轴上端装有常闭式液压卡盘。其特点是： 1、回转器尺寸小、紧凑。 2、回转器适用于各种角度的孔的钻进 。 3、离开孔口采用开箱式，简单可靠，减轻钻机重量。 4、立轴行程比过去小型钻机大，为 500mm，缩短钻进辅助时间。 5.2 零部件的强度与寿命计算 弧齿锥齿轮副的强度校核 : Z 10 与 Z11 的主要参数见表 5 1。齿面硬度 Z10 为 HRC52、 Z11为 HRC57，锥距 R 77.515m,节锥角 10=28018 22, 11=6104128 表 5-1 齿 号 齿 数 模数 变位 系数 齿宽 材料 齿顶系数 压力角 螺旋角 旋向 精度 Z10 21 3.5 0 22 20CrMnTi 0.85 200 350 右 8DC Z11 39 3.5 0 22 20CrMnTi 0.85 200 350 左 8DC 齿轮在各种转速下传递的功率、转速及转矩见表 5 2 表 5 2 功率 KW 转速 r/min 转矩 n m 5.17 632 80 5.07 208 233 5.07 354 137 5.2.1 齿面按接触疲劳强度计算 （ 1）接触应力 H Z E 1.5ft m axKAKVKH ZR 3 Ft1 N/mm2 b d1 I Ft m ax ZE弹性系数 ZE 189.8 N/mm2 Ft1=Ft m ax小轮运转中最小切向力 Ft m ax=2758N KA使用系数 KA=1.25 Kv动载系数 KV1=KV2=1 KH 齿间 载荷分布系数 KH =1.2 Zx尺寸系数 Zx=1.0 ZR表面状况系数 ZR=1 b有效齿宽 b=22mm d1小轮大端分圆直径 d1=94.5mm I几何系数 I=0.1 将以上各值代入上式 ,得 H=1197N/mm2 (2)接触疲劳极限应力 HIin= HIin ZN ZW/ZQ N/mm2 HIin接触疲劳极限应力 HIin 1352 Zwgz 工作硬化系数 Zw 1 ZN寿命系数 ZN 1 ZQ温度系数 ZQ=1 HIin=135211=1352 (3)安全系数 : SH= HIin/ H=1352/1197=1.12SHIin=1 所以安全。 5.2.2 弯曲疲劳强度极限应力 （ 1） 计算齿根弯曲应力 F Ft KA KU KF YX/b ms J N/mm2 Ft 作用于大端分度圆上的切向力 Ft =2758N KA 使用系数 KA =1.25 Kv 动载系数 Kv=1 KF 载荷分布系数 KF 1.15 Yx尺寸系数 Yx 1 ms大端端面模数 ms=4.5 J几何系数 J 0.18 F 141N/mm2 （ 2） 齿根弯曲疲劳极限应力 FIim FIim YN/YQ N/mm2 YQ温度系数 YQ 1 YN寿命系数 YN 1 FIim齿根弯曲疲劳极限应力 FIim 206.82N/mm2 （ 3） 安全系数 SF FIim/ F 206.82/141=1.46SFmin=1 所以安全。 第 6 章 变速箱的设计与计算 6.1 变速箱的结构特点 变速箱的结构如图 6 1 所示，它是由变速部分、分动部分及操纵部分和壳体等组 成。也是变速部分和分动部分合为一体的传动箱。其特点是： 1、采用了回归式的传动形式，箱体呈扁平状，有利于降低钻机的高度，齿轮 Z4 即是移动齿轮由是结合子，因此结构紧凑。 2、变速、分动相结合，减少了零件数目，有效利用变速箱内的空间。 3、操纵结构采用了齿轮齿条拨叉机构，操纵灵活可靠，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。 4、增加了卸荷装置，减少了轴齿轮的受力状况。 6.2 零件的强度计算 1、在校核零件的强度时，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。 2、变速箱在不更换齿轮的情况下，可连续工作 10000 小时，纯机动时间每班 16 小时，可连续工作 20 个月。 每个速度的工作时间分配情况如下： 第一速（ 110r/min） 为 40即 4000 小时； 第二速（ 190r/min） 为 40即 4000 小时； 第三速（ 340r/min） 为 20即 2000 小时； 3、本机零部件的强度和寿命计算方法和数据是按 机械设计手册 （冶金工业出版社）计算的。 6.3 齿轮强度计算 1、变速箱内各齿轮主要参数及材料见表 6 1 表 6 1 齿数 模数 齿宽 变位系数材料 硬度 RC 应力角 备注 Xn Z1 31 2 35 1.0 40Cr 40-45 200 Z2 54 2 22 0.1 40Cr 40-45 200 Z3 31 2 26 1.0 40Cr 40-45 200 Z4 54 2 26 0.1 40Cr 40-50 200 Z5 42 2 24 0.1 40Cr 40-45 200 Z6 43 2 24 1.0 40Cr 40-45 200 Z7 35 3 25 0 40Cr 40-45 200 Z8 26 3 26 0 40Cr 45-50 200 Z9 33 4 22 0 40Cr 45-50 200 Z12 17 3 26 0 45 40-45 200 Z13 18 3 35 0.15 20CrMnTi 57-62 200 Z14 18 3 20 0.1 20CrMnTi 57-62 200 Z15 54 3 28 0.35 40Cr 200 2、 Z3、 Z4 齿轮副的强度校核 1) 齿根弯曲疲劳强度验算 （ A） 计算齿轮的弯曲疲劳极限应力 l i m l i m * * *F F b N X s rY Y Y 式中limF 被校核齿轮的弯曲疲劳极限应力 limFb 实验齿轮的弯曲疲劳极限应力，由图 F8 13 查得： l i m 3 l i m 4 400F b F b（ Mpa） NY 弯曲寿命系数，因两齿轮的应力循环次数为： 3N= 410 *0.4*60*365=0.87* 810 次 4N= 410 *0.4*60*210=0.5* 810 次 由图 F8 14 知3NY=4NY=1 XY 尺寸系数3XY=4XY=1（图 F8 15） SrY 有效应力集中系数，有图 F8 16 查知3SrY=1.03，4SrY=0.97 所以 lim3F=lim 3Fb*3NY*3XY/3SrY=400*1*1/1.03=370（ Mpa） lim4F=lim 4Fb*4NY*4XY/4SrY=400*1*1/0.97=412（ Mpa） （ B） 比较弯曲强度 图 F8 6 查得齿形系数3FY=1.94，4FY=2.26 则有 lim3F/3FY=370/1.94=191lim4F/4FY=412/2.26=182 因此齿轮4Z弯曲强度弱。 （ C） 计算弯曲工作应力4F 4F=tcF/bm(FY Y Y) （ Mpa） 式中 tcF 计算圆周力，而tcF=tF AK UK K K 其中 tF 工作圆周力tF=20003T/3d=2000*132.5/62=4273（ N） AK 工作状况系数，由表 F8 7 查知AK=1.25 UK 动载系数，因为 V3Z/100=1.18*31/100=0.37，由 F8 4 知UK=1 K 载荷分配系数， K =1/ Y ，当 =1.6 时， Y =0.7，所以K =1/0.7=1.43 K 载荷分布系数，因 d =b/ 3d =26/62=0.45,故由表 F85 查知 K=1.05 则 tcF=4273*1*1*1.43*1.05=6417.5（ N） Y 载荷作用位置数 Y=0.7 Y 螺旋角系数 Y=1 b 齿宽 b=26 (毫米 ) m 模数 m=2 (毫米 ) Fc=tcF/bm(4FY Y Y)=6417.5/26*2(2.26*0.7*1=195（ Mpa） (d)计算齿轮的弯曲疲劳安全系数FS FS=lim4F/4F=412/195=2.11 可靠 2）齿面接触疲劳强度验算 （ A）计算齿轮的接触疲劳极限应力limH limH=limHb*NZ* Z 式中 limHb 实验齿轮的接触疲劳极限应力，由 F8 17 查知 lim 3Hb=lim 4Hb=1100（ Mpa） NZ 寿 命 系 数 ， 由 图 F8 18 查知3NZ=1.19 ， 4NZ=1.22 Z 硬化系数， 取 Z =1 所以 lim3H=1100*1.19*1.03=1348（ Mpa） lim4H=1100*1.22*1.03=1424 （ Mpa） （ B）计算接触工作应力 H=EZ HZ Z31*tcF ubd u （ Mpa） 式中 EZ 材料系数，由 F8 9 查知EZ=189.8 MPa HZ 节点系数，HZ=2.27 由图 F8 10 Z 重合度系数 Z =0.9 由图 F8 9 U 齿数比 U=43/ZZ=54/31=1.74 则 H=189.8*2.27*0.9 6 4 1 7 . 5 1 . 7 4 1*2 6 * 6 2 1 . 7 4=889（ Mpa） （ C） 算安全系数HS HS=lim3H/H=1384/889=1.516 安全可靠 3）短期过载强度校验计算 取最大短期尖峰载荷是额定工作载荷的 1.5 倍 短期过载弯曲极限应力，根据表 F8 12 知 limFs=18*CHR=18*45=810（ Mpa） 最大的弯曲工作应力为 maxF=4F*1.5/AK=195*1.5/1.25=234（ Mpa） 短期过载弯曲强度安全系数 FSS=limFs/maxF=810/234=3.5（安全） 短期过载接触极限应力，根据表 F8 12 知 l i m 4 1 . 3H s CHR =41， 3*45=1859 （ Mpa） 而最大接触应力为 m a x1 .5HHAK =889* 1.51.25 =974 （ Mpa） 短期过载接触强度的安全系数为 HSS limm a x1859974HsH=1.9（安全） 3、其他齿轮对的强度校核 按上面的方法和步骤，对变速箱中的其他齿轮对可进行类似的计算，略。 6.4 轴系零件与部件的强度与寿命的校核计算 在变速 箱中共有三根轴，其中 轴负荷最大，而且相对尺寸直径小、长度长。下面仅以该轴的强度寿命进行验算。 轴共有七种工作状态，向回转器传递四种状态的动力，驱动绞车三种状态。相比而言回转器的 130r/min 的转速时该轴扭矩最大，受力最大。 1、轴的驱动校核 已知下列条件：材料 40Cr，调质 T 220-250，各齿轮分度圆直径为： d4 108、 d6 84、 d8 105. 该轴的四个转速及传递的扭矩见表 6-2 表 6-2 转速（ r/min） 扭矩（ N m） 备 注 档 210 221 7 档 356 118 4 III 档 636 79 28 （ A） 在各种转速下齿轮受力支反力计算结果列表 6 3 中 （ B） 轴的疲劳强度校核： 从表 6 2 中得知，校核轴的强度时，应取低转速的受力状态。表 6 3 RCY RBY Ft6 Ft4 RAY C B Ft6 FR4 A RCX RBX RAX 125 94.5 115 60.5 270 395 续表 6 3 档 档 档 档 Ft4 5362 Fr4 1952 Ft6 4 2594 Fr6 944 Ft1 3113 2450 Fr1 1133 892 Ft8 2450 Fr8 292 RAX 194 174 RBX 883 1092 RCX 603 75 RAY 3680 724 RBY 720 1502 RCY 492 1027 RR 3684 745 RB 1139 1506 RC 778 1030 轴的扭矩图如图 6 3 所示，现计算 ，截面的安全系数。 截面 -的弯矩： 水平弯矩： Mxz =Fr410010-3+RBX17010-3 199N m 垂直弯矩 -： MYZ =Ft410010-3+RBY910-3 542N m 合成弯矩： M Mxz 2 + MYZ 2 575N m 截面 -的弯矩： 水平弯矩： Mxz RAX60510-3+19460.510-3=11N m 垂直弯矩： MYZ RAY60.510-3=223.6N m 合成弯矩： M Mxz +MYZ =223N m 12 量截面扭矩 T 356.6N m 下面是按当量弯矩计算 -、 -两截面的安全系数。 水平受力图： C B Frx A 180 47 水平弯矩图： 11 199 Fty 垂直受力图： C B 垂直弯矩图： 80 145 223 542 合成弯矩图： 60 231 223 575 扭矩图： 356 图 6 3 表 6 4 名 称 -截面 -截面 说 明 扭 矩 T（ N m） 356 356 弯 矩 M（ N m） 575 223 当量力矩 Ml 652 380 轴 经 d（ mm） 36、 42 36、 42 工作应力 m(Mpa) 131 76.92 w=4.9410-6 疲劳极限 -1(Mpa) 350 350 尺寸系数 0.77 0.77 表面质量 0.85 0.85 有效应力 集中系数 K 1.57 1.57 安全系数 S 2.29 3.91 许用安全系数 2.29 2.29 安 全 通过上述验算 轴通过 ,其它轴系从略。 第 7 章 绞车 7.1 结构特点 本钻机考虑到井上、井下钻探作业，故设置了绞车，如图 7 1。在井下矮巷道内钻孔时，绞车难以发挥作用，这时可将绞车拆除。设置绞车也给机器在井下短距离搬运提供自牵的方便。 在结构上选择常用的固定轮系的 NGW 型行星式传动绞车，其特点是： 1、结构简单而紧凑，传动装置兼起离合作用，并有过载保护作用。 2、在一定范围内，可实现无级调速和微动升降。 3、传动功率大，效率高。 4、传动平稳，操纵灵活。 7.2 主要参数的选择 1、确定钢丝绳直径 d 根据 GB1102 74 标准，选定钢丝绳直径如下： 外 径： d=8.8mm 总断面积： A=27.88mm2 总破断力： S=47300N 抗拉强度： =1700Mpa 绳 型：绳 637（纤维芯） 2、钢丝绳的强度校核 绞 车最大提升负荷： Q=12000N 最小安全系数： S=45 在正常情况下，最大起重时的安全系数为： S= S/Q=47300/12000=3.49 S 在急刹车时，取 Q 2.5Q，则安全系数 S S/Q 1.6 3、卷筒参数确定如下： 卷筒内径： D 140mm 卷筒外径： D 230mm 卷筒有效长度： L0 100mm 容绳长度： L n D 式中： n钢丝绳圈数 n 11 D 每层缠绳长度之和，共五层， D 5（ D+d） +20d 32m。 4、绞车参数 提升速度 卷筒转速 提升力 V1=0.22m/s n1=28r/min 12000N V2=0.44m/s n2=50r/min 6000N V3=0.75m/s n3=78r/min 3350N 7.3 绞车所需功率 1. 卷筒所受扭矩： MT 0.5(D+d)Q=0.5(0.14+0.0088)12000 =893N m 2.绞车轴所受扭矩 : MZ=MT/2=298N m 3.绞车轴所需功率 : P=MZ n1 I/9550=2.6KW 7.4 零部件的强度及寿命计算 （一）齿轮强度校核 对 NGW 型行星齿轮传动，只校核外啮合。即 Z13 与 Z14。 Z13 18、 m 3、 X13=0.15、 材料为 20C rMnTi、 HRC=5762 Z14 18、 m 3、 X14=0.15、 材料为 20C rMnTi、 HRC=5762 HIim=1500N/mm2 FIim=450 N/mm2 传递扭矩： Mz 298N m 转 速： nz=n1 i 84r/min 按接触强度校核： 1. 分度圆圆周力 Ft=1000MZ/CS R1=5518.5N 2. 工况系数 KA=1.25 3. 动载系数 KV=1 4. 齿间载荷分配系数 KH =1.05 5. 齿向载荷分配系数 KH =1 6. 节 点区域系数 ZH=2.35 7. 弹性系数 ZE=189.8 N/mm2 8. 重合度系数 Z =0.97 9. 螺旋角系数 Z =1 10. 计算接触应力 H Ft i+1 KA KV KH KH ZH ZE Z Z db i 11.寿命系数 ZN1=1.02 ZN2=1.11 12.最小安全系数 SHm in=1 SFm in 1.4 13.润滑剂系数 ZL=1 14.速度系数 ZV=0.9 15.粗糙度系数 ZR=0.9 16.齿 面工作硬化系数 ZW=1 17.尺寸系数 ZX=1 18.许用接触应力 HP 1min1limHNH S Z ZL1 ZV1 ZR1 ZW1 ZX1 1239N/mm2 HP 2=1308.7N/mm2 19.接触强度判断 因为 H 978N/mm2 HP1 1239N/mm2,所以接触强度校核通过。 按弯曲疲劳强度校核 1. 齿向载荷分布系数 KF =1 2. 应力修正系数 YS 1=1.62 YS 2=1.58 3. 重合度系数 Y =0.9 4. 螺旋角系数 Y =1 5. 计算齿根应力 F F1 mtbF KA KV KF KF YF 1 YS 1 Y Y 263.5N/mm2 F2=423 N/mm2 6. 寿命系数 YNT=1 7. 相对齿根圆角敏感系数 Y reIT =1 8. 相对齿根表面状况系数 YRreIT =1.04 9. 尺寸系数 YX=1 10. 许用齿根应力 FP 1= FP 2 min1limFNTSTF S YY Y reIT1 YRreIT1 YX1 668.6N/mm2 因为 F1 =263.5N/mm2 FP 1 668.6N/mm2； F2=423 N/mm216MPa 时， PP Pn125 Pn工作压力（ Pa） D油缸内径 D 0.17(m) p缸体材料许用拉压力 p= b/S 其中 b 为材料抗拉强度 S安全系数 S=3.5 5 取 S=4 Pn=600104(Pa) PP=600104150%=900104 p= b/S=60106/3.5=17106Pa t=9001040.17/217106=0.0045(m) 取 t=8mm,所以强度足够。 8.2 给进油缸的设计 给进油缸的结构如图 8 4 所示，为双作用单活塞杆往复运动油缸，所起的作用是： 1、完成钻孔过程中的给进运动； 2、当卡钻及处理事故时，配合绞车起拔在钻杆。 1、 TXU 150 型钻机，打水平孔时，需克服 150m 钻杆的自重和孔壁的摩擦力，其力为： F 摩 q L f 69.61500.35=3660N 式中 :q钻杆单位长度重量 q=69.6N/m； L钻杆长度 L=150m； f摩擦系数 f=0.33 在低速钻进时 ,当井底压力 C=10000N 时 ,则活塞杆所产生的推力必须大于 F 摩 +C,即 3660+10000=13660N,活塞杆有效面积 16.76cm2 油泵工作压力为 : P=13660/16.762=407.5 400N/cm2 2、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。 D 4P2/2 P= 428500/23.14600=5.49cm2 5.5cm2 式中： D油缸计算直径 D 5.5cm P油压系统的调整压力 , P=600N/cm2； P2油缸最大起拔力 ,P2=28500N。 第 9 章 钻机的使用说明 一、概 述 100 型液压钻机主要用于矿井内部，供钻探深度为 100 米的各种角度的放水孔、地质构造孔、灭火孔、抽放瓦斯孔及其它用途的各种工程孔，也可以在地面钻探深度为 100 米的地质勘探孔及其它用途的各种浅孔。 100 型 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、软岩石及硬岩石中钻孔效率为最高。整个机组由 100 型钻机和 TBW-75/2.0 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。在地面钻探时需要有有一定高度的三角架可供提升使用。 钻机具有以下特点： 1、 钻机的转数范围宽，有两组供六个转速，高转数需换一对高速齿轮（根据用户需要配备高速齿轮），可使用硬质合金钻头，适合各种地质情况，以提高钻进效率。 2、 钻机装有摩擦离合器，可避免主轴变速时频繁起、停电动机，具有超载保护作用。 3、 本机在较大 范围内采用了液压技术，装有液压卡盘、液压夹持器、液压送进机构，能强力起拔钻杆。操作安全可靠，大大地降低了劳动强度。 4、 立轴让开孔口的方式采用开箱式，结构简单，操作方便。 型号说明： T 勘探机械； X 岩心钻机； U 油压； 150 钻进深度 150 米。 二、技 术 特 性 1最大钻进深度（使用 50mm 钻杆或 42mm 钻杆） 100m 2钻孔直径 1）开孔孔径 89mm 2）终孔直径 不小于 50mm 3钻孔倾斜角度 0 360 4立轴转数 110、 119、 340 r/min 5. 立轴扭矩 640、 358、 232、136N m 6立轴行程 400mm 7液压送进最大液压给进压力 4MPa 8卡盘形式 常闭式液压卡盘 液压卡盘最大工作压力 6MPa 9立轴内孔直径 52mm 10油缸最大起拔力 28.5 KN 11绞车转速 0.217、 0.368、 0.656m/s 12绞车提升速度 0.22、 0.44、 0.75m/s 13绞车提升负荷 1200 、 600、 335Kg 14卷筒 1)直径 110mm 2)钢丝绳直径 8.8mm 3)容绳长度 20m 15电动机 1)型号 YB132S 4 2)功率 5.5kw 3)转速 1440r/min 16钻机外形尺寸 (L b h) 1230 600 11160mm 17钻机总重量 550kg 三、钻机分组情况 100 型钻机共分六组，各组布局及外观如图 1 所示。 1回转器：是钻机立轴产生回转及往复运动部分。 2变速箱：是钻机立轴、绞车产生各种不同转数的传动与变速部分。 3离合器：是动力的传递部分，用以接通或切断动力，实现不停电动机变更立轴或绞车的转数。钻进负荷超载时可保护钻机。 4绞车：是升降钻具的部分。 5抱闸：是控制绞车的机构，用来提升与停止钻具在任何位置的部分。 6机架：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。 7操纵仪：是控制钻机液压系统的总枢钮。 四、结构特征与工作原理 钻机 型式为：机械传动、液压给进、弹簧夹紧、立轴式钻机。 1、钻机结构如下： 1.1 回转器 ,如图 2 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。 1）、液压卡盘如图 2 所示，主要由下列构件组成：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 14 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 32KN。更换卡瓦时，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。 1.2、变速箱，如图 3 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 Z10。 主动齿轮为轴齿轮，通过滚动轴承架于箱体内，轴齿轮端面加工有不通孔，内装滚动轴承与滚动轴承构成支点，支撑花键轴。花键轴是通过滚动轴承架于变速箱体内。花键轴上装有齿轮。在花键轴上安装的齿轮为移动齿轮，变速箱所产生的不同转速，就是改变移动齿轮的位置来实现的。 安装在花键轴上 的齿轮也是移动齿轮，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。 1.3绞车，如图 4 绞车为行星齿轮机构，绞车轴固定在轴承座及变速箱体的滚动轴承上，绞车轴的左端用键与传动齿轮相连接。绞车轴中部带有齿轮。当变速箱中的齿轮（图 3）将动力传给齿轮时，绞车轴就会同传动齿轮一同旋转。当提升时，应将用闸带刹住；使固定在闸筒上的两个游星齿轮只能在游星齿轮轴上自转而无公转。因而带动内齿圈使卷筒产生转动。 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，使卷筒与内齿圈停止转动，这时由绞车轴传来的动力，传给游星齿轮后，游星齿轮除了自身的转动外又通过游星 齿轮轴带动闸筒一起转动。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。在更换拆装内齿圈时应先将内齿圈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 。 1.4制动闸： 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。 10、 11 分别为左右闸把。 1.5机架，如图 1 机架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。 1.6操纵仪，如图 5 操纵仪由油路控制阀和压力表、手轮（调压）和手轮（调速）等组成。其功能主要是控制液压卡盘和进给油缸的。压力控制阀是调整油路压力，改变立轴压力的控制机构；手轮是控制进给速度的；控制阀控制油缸上升与下降；控制阀控制液压卡盘松卡钻杆。液压卡盘的 压力为 6Mpa，给进油缸压力为 4Mpa。 2、钻机的工作原理 钻机的传动系统，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： 立轴的三个回转运动： 2.1、立轴的速回转运动 125r/min D1 D2 Z1 Z2 Z3 Z4 Z7 Z16 Z10 Z11 2.2立轴的速回转运动 210r/min D1 D2 Z1 Z2 Z5 Z6 Z7 Z16 Z10 Z11 2.3立轴的速回转运动 340r/min D1 D2 Z1 Z4（内齿） Z7 Z16 Z10 Z11 绞车的三个回转运动： 2.4绞车的低速回转运动 D1 D2 Z1 Z2 Z3 Z4 Z7 Z8 Z9 Z13 Z14 Z15 2.5绞车的中速回转运动 D1 D2 Z1 Z2 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z13 Z14 Z15 2.6绞车的高速回转运动 D1 D2 Z1 Z4（内齿） Z7 Z8 Z9 Z13 Z14 Z15 2.7立轴的给进运动 D3 D4 经低压油管，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、高压油管及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 号机油经高压油管及，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）然后流经高压油管及操纵阀、低压油管回到油箱。 2.9立轴的快速移动 D3 D4 经油泵、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和、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 400mm 进尺后，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，操纵调速阀将立轴快速上升，然后板动卡盘控制阀手柄，卡瓦自动卡紧钻杆。 五、操作程序 所有钻探人员都应按下列操作程序进行操作，避免因操作不当而造成机器或人身事故。 1、钻机在搬运过程中应避免碰撞，在分组搬运过程中，应将油管固定后方能进行。 2、在工作场地安装时 ，应使用地脚螺栓将钻机固定于基台木上。无论钻任何角度的孔都应在基台木的上面打支柱。 3、电源接通前首先仔细检查钻机各部分安装是否正确。并应用手搬动外部可转动部分看是否零活。 4、电源接通后首先应验证立轴转动方向是否正确。 5、将离合器手把放在断开位置，并将边速手把 3 放在 1 速位置，旋转立轴，检查各立轴旋转部位的转动是否灵活，有无阻力过大现象或异音，如有应设法消除。 6、检查油路系统各接头是否拧紧，快速接头是否扦入 U 型卡圈，油箱油位是否在指定位置上。 7、开动电机检查离合器的可靠性。 8、绝对禁止在运行中变速， 若搬动变速手柄，必须先切断离合器，待离合器停止转动后再进行挂档，以免齿轮打坏，并注意把手柄定位销置于定位孔内，以免齿轮掉档。 9、需要变速或接通绞车时，必须关闭电机。 10、在正式工作前应使机器空转 10 分钟，此时油路系统应调整到零压。 11、在开动回转器立轴转动前，必须先将钻具提离孔底，待运转正常后再进行钻进。 12、各操作手把的操作及配合使用程序如下： 1） 开车前首先将手把 1、 2 放在 0（断开）位置，手轮 3 向左旋至 0 位，手把 4 置于位置 3，手轮 5 向右旋死。 2）上述各手把全部按规定位置准确无误后即可开动电机，转动2 3 分钟后将电机关闭，这时即可将手把 2 调到低速 I 的位置，再进行开车并空转 10 分钟。 3）空运转完毕后，关闭电机，将手把 2 调到需要的转数后再开动电机。 4）上述各传动操作完毕后就可以调整液压部分，液压部分的调整是在机器运转过程中进行的，同时装入钻杆。所以手把位置调的正确与否对机器的安全使用非常重要。 5）手轮 5 向右旋死（拧不动为止），手把 4 搬到第 4 个位置，手把 7 搬到卡紧位置后再松开使其自然回到中间位置，然后慢慢的向右拧动手轮 3，当压力表中的指针逐渐上升到 0 5 1 0Mpa 时停止拧动手轮 3 而将手轮 5 向左慢慢 拧动，当立轴开始移动应继续拧动手轮 5 使钻具下至井底，最后将节流阀调到最慢位置，并根据井下岩石的软硬程度向右旋转，调整手轮 3 使立轴压力达到