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GCD2500钻机冲击系统设计【全套6张CAD图纸+毕业论文】【原创资料】

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关键词：: gcd2500 钻机冲击系统设计全套 cad 图纸毕业论文原创资料

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摘要

本课题主要以GCD2500工程钻机为研究对象，并对其他钻机进行部分了解。针对GCD2500工程钻机现有的曲柄摇杆式冲击机构做了极大改进，本次设计采用液压缸游梁式冲击机构，该机构通过机械控制方式实现油路的自动控制，换向结构简单，换向精度高，克服了曲柄摇杆式冲击机构容易出现打空的情况或者出现滞留且冲次和冲程的调节范围小的不足。

该冲击机构包括液压缸、冲击梁、换向机构、液压系统这主要四个部分组成。它利用液压缸的活塞的往复运动推动与活塞杆相连的冲击梁、压轮，通过齿轮齿条换向机构以实现钻具的冲击运动。本次课题对液压缸、冲击梁、换向机构、和液压系统各部分进行了详细设计并绘制出了设计图纸。对今后钻机冲击系统的设计有很好的指导价值。

关键字：冲击钻机、冲击机构、液压缸、换向机构

Abstract

The main topic to GCD2500 Rig for the study, and other rig partially understood. For GCD2500 Rig existing crank rocker made a great impact mechanism improvements, the design uses a hydraulic cylinder beam impact mechanism that achieve automatic control of the oil by mechanical control, reversing simple structure, change to high precision, overcoming the fight empty case crank rocker mechanism is prone to impact or a small retention of stroke and stroke and the adjustment range of deficiencies appear.

The impact mechanism includes a hydraulic cylinder, impact beams, reversing mechanism mainly of four parts, the hydraulic system. It uses the reciprocating movement of the piston of the hydraulic cylinder push rod connected to the impact beam and the pressure wheel, rack and pinion mechanism to achieve reversing the impact movement of the tool. The topic of hydraulic cylinders, impact beams, each part of the body commutation, and a detailed design of the hydraulic system and draw out the design drawings. Impact on the design of future systems have a good rig to know the value.

Keywords: Impact drill, Impact mechanism, Cylinders, Reversing mechanism

摘要1

Abstract2

第一章绪论4

1.1研究背景与意义4

1.1.1选题背景4

1.1.2课题的内容5

1.1.3课题的目的5

1.1.4课题的意义5

1.2冲击钻机概述5

1.3课题研究现状6

1.3.1国外研究现状6

1.3.2国内研究现状6

1.4本文研究内容及研究思路7

第二章总体设计8

2.1研究对象特点8

2.2设计方案选型与分析10

2.3方案的确定10

第三章冲击系统设计计算11

3.1冲击部分的设计11

3.1.1冲击参数（钻具重量、冲程、冲次）的确定11

3.1.2冲击梁的设计13

3.1.3压轮的设计14

3.2冲击换向机构的设计15

3.2.1齿轮齿条的设计15

3.2.2换向杆的设计17

3.2.3换向拨叉的设计17

3.3冲击液压缸的设计18

3.3.1液压缸的主要零件确定及其技术要求18

3.3.2液压缸主要尺寸的确定19

3.3.3液压缸的结构设计26

3.4冲击液压系统的设计31

3.4.1液压系统原理图31

3.3.2确定液压泵的规格32

3.3.3油箱的设计32

3.3.4阀类元件和辅助元件的选择35

3.3.5其它元件的选择36

第四章 GDC2500钻机的维护与保养38

4.1钻机维护38

4.2钻机保养38

4.3安全操作注意事项40

结论41

致谢42

参考文献43

英文文献翻译44

英文文献原文48

第一章绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1选题背景

随着我国国民经济进入了持续快速发展的新时期，对建筑、交通、港口等大口径工程施工钻探的技术装备要求也越来越多样化。施工地下连续墙、大口径灌注桩时，遇到卵石、漂砾石、硬岩等复杂地层，采用常规回转钻进很难达到满意的施工效果。冲击反循环钻机克服了传统单绳冲击钻排渣不连续、工艺方法单一及成孔质量不高等局限性，集合了反循环、正循环和同步卷扬冲击钻进等工艺技，以适用于多种施工要求，因此给冲击钻机注入新的活力。近几十年来，冲击反循环钻进已被广大工程施工界所接受，目前国内仍然广泛应用于水利、建筑、铁道、公路桥梁、地矿等大口径施工工程领域。冲击钻机由于适用性强、结构简单、成本低、操作简便等优点，广泛应用于水利、铁道、公路桥梁等工程领域。而对冲击钻机的设计研究大多依靠经验或者简化公式，没有考虑冲击机构与缓冲机构、钢丝绳-钻具-岩土系统之间的耦合对钻机系统性能的影响，未提出系统的优化设计方法。

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GCD2500冲击系统-A0.jpg

冲击机构液压系统原理图-A3.jpg

齿轮-A1.jpg

冲击梁-A1.jpg

压轮-A3.jpg

液压缸-A0.jpg

内容简介：: GCD2500钻机冲击系统设计摘要本课题主要以GCD2500工程钻机为研究对象，并对其他钻机进行部分了解。针对GCD2500工程钻机现有的曲柄摇杆式冲击机构做了极大改进，本次设计采用液压缸游梁式冲击机构，该机构通过机械控制方式实现油路的自动控制，换向结构简单，换向精度高，克服了曲柄摇杆式冲击机构容易出现打空的情况或者出现滞留且冲次和冲程的调节范围小的不足。该冲击机构包括液压缸、冲击梁、换向机构、液压系统这主要四个部分组成。它利用液压缸的活塞的往复运动推动与活塞杆相连的冲击梁、压轮，通过齿轮齿条换向机构以实现钻具的冲击运动。本次课题对液压缸、冲击梁、换向机构、和液压系统各部分进行了详细设计并绘制出了设计图纸。对今后钻机冲击系统的设计有很好的指导价值。关键字：冲击钻机、冲击机构、液压缸、换向机构AbstractThe main topic to GCD2500 Rig for the study, and other rig partially understood. For GCD2500 Rig existing crank rocker made a great impact mechanism improvements, the design uses a hydraulic cylinder beam impact mechanism that achieve automatic control of the oil by mechanical control, reversing simple structure, change to high precision, overcoming the fight empty case crank rocker mechanism is prone to impact or a small retention of stroke and stroke and the adjustment range of deficiencies appear. The impact mechanism includes a hydraulic cylinder, impact beams, reversing mechanism mainly of four parts, the hydraulic system. It uses the reciprocating movement of the piston of the hydraulic cylinder push rod connected to the impact beam and the pressure wheel, rack and pinion mechanism to achieve reversing the impact movement of the tool. The topic of hydraulic cylinders, impact beams, each part of the body commutation, and a detailed design of the hydraulic system and draw out the design drawings. Impact on the design of future systems have a good rig to know the value. Keywords: Impact drill, Impact mechanism, Cylinders, Reversing mechanism目录摘要1Abstract2第一章绪论41.1研究背景与意义41.1.1选题背景41.1.2课题的内容51.1.3课题的目的51.1.4课题的意义51.2冲击钻机概述51.3课题研究现状61.3.1国外研究现状61.3.2国内研究现状61.4本文研究内容及研究思路7第二章总体设计82.1研究对象特点82.2设计方案选型与分析102.3方案的确定10第三章冲击系统设计计算113.1冲击部分的设计113.1.1冲击参数（钻具重量、冲程、冲次）的确定113.1.2冲击梁的设计133.1.3压轮的设计143.2冲击换向机构的设计153.2.1齿轮齿条的设计153.2.2换向杆的设计173.2.3换向拨叉的设计173.3冲击液压缸的设计183.3.1液压缸的主要零件确定及其技术要求183.3.2液压缸主要尺寸的确定193.3.3液压缸的结构设计263.4冲击液压系统的设计313.4.1液压系统原理图313.3.2确定液压泵的规格323.3.3油箱的设计323.3.4阀类元件和辅助元件的选择353.3.5其它元件的选择36第四章 GDC2500钻机的维护与保养384.1钻机维护384.2钻机保养384.3安全操作注意事项40结论41致谢42参考文献43英文文献翻译44英文文献原文48第一章绪论1.1研究背景与意义1.1.1选题背景随着我国国民经济进入了持续快速发展的新时期，对建筑、交通、港口等大口径工程施工钻探的技术装备要求也越来越多样化。施工地下连续墙、大口径灌注桩时，遇到卵石、漂砾石、硬岩等复杂地层，采用常规回转钻进很难达到满意的施工效果。冲击反循环钻机克服了传统单绳冲击钻排渣不连续、工艺方法单一及成孔质量不高等局限性，集合了反循环、正循环和同步卷扬冲击钻进等工艺技，以适用于多种施工要求，因此给冲击钻机注入新的活力。近几十年来，冲击反循环钻进已被广大工程施工界所接受，目前国内仍然广泛应用于水利、建筑、铁道、公路桥梁、地矿等大口径施工工程领域。冲击钻机由于适用性强、结构简单、成本低、操作简便等优点，广泛应用于水利、铁道、公路桥梁等工程领域。而对冲击钻机的设计研究大多依靠经验或者简化公式，没有考虑冲击机构与缓冲机构、钢丝绳-钻具-岩土系统之间的耦合对钻机系统性能的影响，未提出系统的优化设计方法。1.1.2课题的内容目前国内以回转式转盘钻机为主，品种单一，难以胜任第四系复杂地层的需要，传统的钢绳冲击钻锤重较轻，施工孔径小，成井速度慢。为了满足工程钻井对设备的配套要求，有必要研制新型的重型钻机。冲击钻进与回转钻进比较，是一种比较传统的钻进方法，实践证明对第四系顶盖层中常见的漂砾石层和强风化的基岩层钻进是一种比较经济而又行之有效的工艺手段。但由于传统的钢绳冲击钻排碴不连续，工艺方法单一，且成井后孔内存碴较厚，阻碍了钻进速度和成孔质量的提高，尤其是大直径孔的不连续排碴更为困难，为了克服单绳冲击钻述的局限性，在设计研制一GCD-2500多工艺钻机时，吸收了国内外工程施工钻探的最新技术成果，集反循环、正循环钻进、回杆冲击钻进、同步卷扬冲击钻进和抓斗钻进等工艺技术干一体，以适用于多种施工要求，1.1.3课题的目的通过对GCD2500钻机冲击系统的设计分析传统的钢绳冲击钻排碴不连续，工艺方法单一，在使用中普遍存在的载荷波动大、噪音大、工作效率低和能耗大，以及缓冲弹簧经常断裂等问题原因。改善冲击钻机在使用中过程中存在的问题。1.1.4课题的意义近几年，随着我国基本建设的不断加速，反循环钻机由于其成本低廉、市场需求旺盛、盈利能力强而受到很多企业追捧。反循环桩孔钻机是在传统无循环成孔钻机的基础上发展起来的新机型，该机将传统的无循环钻进工艺改成先进的反循环钻进工艺，克服了无循环钻进造成的孔底重复破碎的致命弱点，使钻效提高数倍之多，总体性能得到很大的提高。同时，该类钻机既保留了冲击钻机适应性强的特点，又保留了冲击钻机可靠、设备操作简单、施工成本低的优点。在目前施工中，对一些用回转钻进比较困难甚至不能钻进的砾石层、岩石等复杂底层，多采用冲击反循环钻机施工，并取得较好的效果。因此，冲击反循环钻机在岩土钻掘的领域中发挥越来越重要的作用为了适应各种地层的钻孔需要，设计GCD2500工程钻机冲击系统，提高机械传动效率，钻进效率高，成孔质量高；能大大提高工程的效率和减少工程的时间，满足现代社会建设的需要。1.2冲击钻机概述钻机主要用来对地基基础桩基成孔，广泛用于市政建设、公路桥梁、高层建筑等地基础施工工程，配合不同钻具，适应于干式（短螺旋），或湿式（回转斗）及岩层（岩心钻）的成孔作业，钻机具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、机动灵活，施工效率高及多功能特点。目前，钻机已被广泛推广于各种钻孔灌注桩工程。钻机主要分为小型机，中型机和大型机。其中小型机参数要求为：钻机扭矩 100kN.m，发动机功率170kW，钻孔直径5001000mm、深约 40m，整机重量约 40t。小型机的应用市场定位如下: 各种楼房的护坡桩; 楼房部分承重结构桩; 城市改造市政项目中各种桩径小于1m 的桩; 适用于其它用途的桩。小型机的市场覆盖率达30%以上。冲击钻机是一种采用连杆机构或卷扬机带动钢丝绳提升冲击钻具，利用冲击钻具下落的动能产生冲击作用，破碎岩土实现钻进的工程钻机，目前在国内仍然广泛应用于水利“铁道”公路桥梁等大口径施工工程领域。冲击钻进与回转钻进比较，是一种比较传统的钻进方法，实践证明对第四系顶盖层中常见的漂砾石层和强风化的基岩层钻进是一种比较经济而又行之有效的工艺手段。但由于传统的钢绳冲击钻排碴不连续，工艺方法单一，且成井后孔内存碴较厚，阻碍了钻进速度和成孔质量的提高，尤其是大直径孔的不连续排碴更为困难，为了克服单绳冲击钻述的局限性，在设计研制一多工艺钻机时，吸收了国内外工程施工钻探的最新技术成果，集反循环、正循环钻进、回杆冲击钻进、同步卷扬冲击钻进和抓斗钻进等工艺技术干一体，以适用于多种施工要求。1.3课题研究现状1.3.1国外研究现状70年代先后冲击反循环钻机在在意大利、日本、法国研制成功并取得满意的使用效果。意大利马塞伦蒂公司生产的机械式MR-2型冲击反循环钻机是一种拖车装钻机。采用卷扬冲击方式，冲击钻进时由2台同步卷扬机提落钻头来完成，为确保2台卷扬机同步，配有补偿机构，采用泵吸反循环方式。日本神户制钢生产的KPC-1200型冲击反循环钻机采用液压驱动方式，由液压马达通过传动装置分别带动提排渣的卷筒卷扬机和冲击钻机用的双筒同步卷扬机，用离合器进行冲击，通过自动控制装置可自动调节冲击行程和次数。排渣方式以气举反循环为主。冲击钻机时用套管跟进护壁。近年来很多国家都在研究推广利用洗孔介质传递动力的井下冲击，并把它和回转结合起来的冲击-回旋钻进法。有些国家将冲级与震动结合起来成为井上的震动-冲击钻进法。这些方法都是由冲击钻进法演变而来的。1.3.2国内研究现状 80年代初期国内就开始研制冲击反循环钻机，地矿、水利、铁道等部门先后研制出不同冲击方式的机型并批量投入市场，在基础灌注桩和坝基防渗墙等基础工程施工中发挥了较大的作用。在目前批量投产的冲击反循环钻机中，按冲击方式可分为3种机型，即卷扬冲击、曲柄连杆冲击、液压缸冲击，现选这3种冲击方式的各一种有代表性的机型作简单分析介绍。GJD-1500型钻机由中国地质科学院勘探技术研究所与张家口探矿机械厂共同研制的一种具有回转、冲击2种功能的反循环并自动调节冲程和冲次的匹配关系，不会发生打空锤，根绳的同步由液压系统解决。由于冲击油缸提钻头时有一个油缸建立过程，大大减了提绳的惯性力，柔性提锤避免了钢丝绳受到大的冲击力，可延长钢丝绳工作寿命。同时液压冲击可减少振动和噪声，有利于环保。GCF-1500型钻机由中国地质大学(北京、武汉)和张家口探矿机械厂合作研制的机械式冲击反循环钻机，冲击方式采用卷扬冲击。该机中首次研制了带差动机构的双筒同步卷扬机，成功地解决了2绳的同步问题，给机械传动的冲击反循环钻机闯出了一条新路。冲击钻进时通过双筒同步卷扬机的片式离合器的离合进行提落钻头，离合器是由电液控制系统控制完成自动或单动冲击，用卷扬冲击方式其冲程和冲次可根据地层情况任意调节，但更适合长冲程低冲次工况下冲击钻进，以避免频繁离合使离合器过热。采用泵思路吸反循环方式，排渣管由一台单筒卷扬机提吊。CJF-12、CJF-20型钻机这2种钻机是山东省地质探矿机械厂在90年代开发的产品，是机械传动的曲柄连杆游梁式冲击反循环钻机。用差动同步双筒主卷扬机来确保2绳同步，用曲柄连杆游梁机构进行冲击，此结构适合较小冲程较高冲次的工况下冲击，采用机电液联合控制。CJF-20型钻机可用曲柄连杆游梁机构进行冲击钻进，也可用差动同步双筒主卷扬机通过离合器进行冲击钻进，具有2种冲击方式的优点，可视地层状况而选择。采用泵吸反循环，用副卷扬机提排渣管，液压起落钻塔。设有步履机构便于现场移位，整机结构紧凑，性能稳定可靠。该钻机自投产后深受用户青睐，到目前为止已生产200余台，产品分布全国25个省、市、自治区。在国内一些大型工程项目中使用，如小浪底工程黄河大桥、芜湖长江大桥、河北黄壁庄水库6 m防渗墙、江苏江阴长江大桥、湖南浏阳河大桥香港西铁工程兆康工地以及京福、忻太、洛三、灵三高等级公路路桥等，在卵砾石等复杂地层的桩孔施工中，获得用户的好评，取得良好的社会效益和经济效益。是目前国内生产较多、使用较广的冲击反循环钻机。1.4本文研究内容及研究思路通过对国内外钻机传动机构的了解，分析传动机构的原理与特性，对冲击钻机的运动特性进一步深入了解与阐述，重点研究、设计GCD2500钻机的冲击系统。主要研究思路：1）确定冲击机构方案；2）液压缸游梁式冲击机构的设计；3）冲击梁的设计；4）压轮的设计；5）后轮的设计；6）齿轮和齿条传动计算和设计；7）装配图和零件图设计与绘制。第二章总体设计2.1研究对象特点本课题主要以GCD2500程钻机为研究对象，并对其他钻机进行部分了解。GCD2500多工艺钻机冲击系统设计中，把缓冲器从冲击梁移到钻塔的顶部用橡胶板缓冲器代替了螺旋弹黄，大大地简化了冲击梁的结构，同时，避免了双绳提升钻头，两报钢丝绳受载不均时，由于缓冲器的存在、使钻头倾斜而破坏同步提升、刮碰中心排碴管和井壁，也改善了冲击卷扬同步机构的工作状况。橡胶缓冲器容易根据冲击钻头的重量，通过改变橡胶板的接触面积和盛加高度而调整缓冲器的刚度以便更好地吸展和降噪。冲击卷扬是一种差速齿轮机构，在提升钻具时，能保证两根钢丝绳受载不均而同步提升，从而保证钻头中心排碴管与钻头的同心条件。在钻进砾石层时，可在四杆机构停止工作情况下，单独使用冲击卷扬提动钻具，获得更大的提升高度，有足够的冲击动能破碎卵砾石层。或用卷扬提动冲抓锥，进行抓斗钻进。它的单绳操作冲抓锥和双绳操作冲抓锥单绳冲抓锥主要由副卷扬操纵提升，利用装在钻塔上的挂帽座开合抓斗双绳冲抓锥利用冲击卷扬主卷扬双绳开门卸碴，副卷扬单绳在井底关门提升单绳操作和双绳操作通过结构组合很容易互相转化。根据施工的地层需要、可进行正反循环自动冲击钻进，正反循环卷扬冲击钻进，无循环单、双绳冲抓锥钻进，无循环单钢绳冲击钻进。通过调整机构组合，各种工艺之问转换方便。GDC2500钻机的主要技术参数如下：钻机直径：1500mm2500mm钻孔深度：80m冲击钻头重量：3.5t5t自动冲击冲程冲程可调：1110mm1350mm冲次：36次/min37次/min最大冲程：300m（卷扬提升）主卷扬提升能力（单绳）：5t副卷扬提升能力（单绳）：3t电动机功率：55KW，或75KW钻机主机重量：14.5t钻塔高度：8.2m冲击抓斗净重：3t图2-1 GCD-2500钻机见图1-缓冲器 2-钻塔 3-起塔油缸 4-冲击梁 5-连杆6-冲击齿轮 7-副卷扬 8-冲击同步卷扬2.2设计方案选型与分析方案1：曲柄摇杆式冲击机构优点：机构简单冲程大而且有过个冲程可以选择冲击载荷大运动具有均衡机构载荷的作用载荷波动幅度较少缺点：容易出现打空的情况或者出现滞留冲次和冲程的调节范围小方案2：液压缸游梁式冲击机构优点：通过机械控制方式实现油路的自动控制，换向结构简单，换向精度高缺点：换向速度过高时引起液压冲击，速度过低换向阶段容易切断油路 2.3方案的确定考虑到曲柄摇杆式冲击机构容易出现打空的情况或者出现滞留且冲次和冲程的调节范围小本次设计选择方案2：液压缸游梁式冲击机构，具体结构如下：图2-2 液压缸游梁式冲击机构1-换向阀 2-冲击液压缸 3-冲击梁 4-压轮 5-齿轮 6-齿条 7、11-固定碰块 8-可调碰块 9-换向杆 10-拨叉 12-碰块 13-弹簧由图可知这种冲击机构的结构和工作原理，该冲击机构包括液压缸、冲击梁、换向机构、液压系统这主要四个部分组成。它利用液压缸的活塞的往复运动推动与活塞杆相连的冲击梁、压轮，通过齿轮齿条换向机构以实现钻具的冲击运动，换向阀置于图示右位时，液压油同时接通液压缸有杆腔和无杆腔形成差动油路，活塞下行推动冲击梁，压轮下摆，以提高钻具。与此同时，齿轮随着冲击梁逆时针方向旋转一点的角度，并带动齿条左移。当压轮接近下止点时候，齿条右端的碰块就和换向杆上的碰块接触，带动换向杆和拨叉下端左移、拨叉上端右移，使换向阀变为左位工作。于是油路随之换向，压力油进入液压缸的有杆腔、，无杆腔回油，活塞杆缩回而带动冲击梁、压轮上摆，放松钢丝绳，此即为冲击行程。冲击梁上摆时候，齿轮齿条反向运动，齿条左端碰块推动换向杆右移，换向阀又换回右位工作，开始重复下一轮的工作循环。第三章冲击系统设计计算3.1冲击部分的设计3.1.1冲击参数（钻具重量、冲程、冲次）的确定冲击机构要解决的基本矛盾是：钻具对孔底岩石的冲击破碎作用。它是钻具提高到一定高度后，利用其重力完成冲击形成产生的冲击功来实现的。这是一个受孔内冲洗液阻力和孔壁阻力条件下的自由落体运动，而曲柄连杆运动实现的运动规律，不完全与钻具自由落体运动相吻合。钻具下落是一个加速运动，其速度在形成终点时达到最大值，但是冲击机构对应冲击行程后期的运动基本上是减速运动，这样，就出现冲击机构阻滞钻具下落的情况，过交点m后，钻机将在冲击机构牵制下做减速运动，使冲击效果降低。冲击钻机的工艺参数包括：钻具重量、冲程和冲次。（1）钻具重量钻具重量是影响钻头冲击功的主要因素之一。钻头冲击孔底时的能量与钻具质量成正比。但是增大钻具质量，讲增大冲击机构的工作负荷与功率消耗。为保证机构的强度、刚度，其尺寸和重量也将增大。钻具质量，还与冲程密切相关，冲击高度影响钻具在钻孔中降落的末速度，提高冲程可以减少钻具质量，但钻具质量主要决定于钻进地层的性质，如硬度、强度等和钻孔直径，以及其他有关因素，如冲程和钻具强度等。工程地质勘查冲击机构主要用于砂土层钻进和取样，所以质量较小，一般100200kg；水井、工程施工钻机的钻孔直径大，冲击机构多用于卵砾石或基岩钻进，所以钻具质量较大，最大的钻具质量可以达到7000kg，根据现有GDC2500钻机搭配的钻头重量确定本钻机设计钻具重量为3.55t。（2）冲程（冲击高度）的确定冲击高度S是指钻具在冲击过程中，钻具被提离孔底的高度，改变冲击机构上的曲柄与连杆的位置，可得到不同的冲击高度。一般钻机的可变冲击高度范围在0.61.1米。冲击钻具冲击底孔的动能与其速度的平方成正比；而冲击钻具落到孔底时的末速度V与冲击高度S的关系为：，j为钻具在孔内下降的加速度。虽然增大冲程将提高钻具的末速度和冲击能量，但是冲程的增大，将延长钻具冲击行程的时间。为保证钻具冲程与冲击机构运动的同步，必须相应降低冲次。否则，将出现钻具“打空”的现象。这就说明冲程受冲次的制约，冲程过大可能导致钻具的损坏，也会增大冲击机构的尺寸、质量和惯性。最大的冲击高度受到钻具本身材料的限制。其极限情况是假设用已磨钝的钻头钻进非常坚硬的岩石，此时钻进不会进尺，即将全部的冲击能用用户钻具的变形上。用公式表达为：式中：P-钻具冲击到井底时岩石的反冲击力，因为它由0变化至最大值，故取最大值的1/2，为钻具的长度变形量，而：带入，得，钻具的压应力为：，其中，是常数，另，并用许用应力代替，带入上式，则其冲击高度S为最大，即此时冲击高度为Smax式中：L-钻具长度，mF-钻具的平均断面积，m2-钢的密度，7850kg/m3E-弹性模量，普通钢材E=210GN/m2j-钻具下降加速度，根据试验，一般j=74.5m/s2-钢的许用应力，=150MPa故可得=1.480.96m结合现有GDC2500钻机的冲程选定本次设计的冲程为1110mm1350mm。（3）冲次（冲击频率）的确定冲次，即钻具每分钟冲击孔底的次数。显然，在钻具每次冲击获得良好的破碎效果前提下，增加冲次，就将提高钻进效率。冲次过低，将阻滞钻具的冲击运动；冲次过高，将产生钻具“打空”的严重后果。为此，要求钻机的冲击机构在循环一次中要与钻具下落的时间相吻合即冲击次数n要与冲击高度S相匹配。匹配的冲击次数，称为合理的冲击次数。结合现有GDC2500钻机的冲次选定本次设计的冲击频率为36次/min。3.1.2冲击梁的设计（1）冲击梁的结构设计由于GDC2500钻机搭配的钻具重量为3.55t，冲击梁和冲击液压缸负载较大，因此决定采用双梁双液压缸结构，具体结构如下图：图3-1 冲击梁（2）冲击梁的尺寸设计如上图所示，如果冲击梁与压轮的铰接点为A、冲击梁与液压缸的铰接点B，冲击梁与机架的铰接点O；如果忽略压轮上下运动时钢丝绳在压轮和导向轮上包角的变化和钢丝绳的弹性伸长等因素，可以近似认为：冲击工作时，钢丝绳上某标记点（通常为悬点）的位移和钻具的冲程等于A点的位移，从图中可以看出，A点位移和B点的位移是半径不同的两段圆弧，但考虑到冲击梁的长度大，工作时的摆动角小，可以近似看做直线，以S0、S分别表示钻具冲程和所需液压缸行程，则S0、S的关系为：经过上述近似简化后油缸负载F与钻具重量G（单个油缸承受G/2钻具）关系为：由以上行程和负载关系可以看出油缸的行程S与铰接点位置比值成正比，而液压缸负载与铰接点位置比值成反比；其中液压缸行程决定油缸的纵向长度尺寸而液压缸所受负载决定其横向直径尺寸，因此为了综合考虑液压缸长度与直径大小选定铰接点位置比值为：另根据GDC现有冲击梁长度选定冲击梁总长：，因此3.1.3压轮的设计（1）压轮的结构设计根据设计方案，此处的压轮承担钢丝绳导向和冲击梁传力的作用，因此压轮选用普通单沟槽式导向轮的结构，具体结构如下图：图3-2 压轮压轮的直径D和宽度B主要是根据钢丝绳的结构和直径的大小来决定，总的原则是在不使钢丝绳过分弯曲的前提下，将D和B设计的偏小一点。这对减轻冲击梁的惯量和冲击大小都有好处。最于轻型、中型钻机，当钢丝绳的安全系数较大时，允许选用，其中d为钻井钢丝绳的直径d=30mm，所以：按照上述原则，取 D=300mm，B=50mm。3.2冲击换向机构的设计如下图所示为换向机构的简化图，其原理为：齿轮与冲击部分的冲击梁相连，冲击梁的上下摆动带动齿轮正反转动（冲击梁摆动的角度与齿轮转动的角度相等），齿轮转动带动齿条左右移动，齿条移动时齿条上的碰块推动换向杆左右移动，换向杆再通过拨叉推动换向阀推杆左右移动而实现换向阀左右位的切换。假设图示DE、DE位置为拨叉的两个左右极限位置，则位移DD即所需为换向杆行程S1，EE即为所选的的换向阀换向行程S2。图3-3 换向机构简图3.2.1齿轮齿条的设计（1）齿轮的设计根据上图所示关系可知齿轮摆动角为：查液压阀资料得到换向阀换向行程为20mm根据设计要求必须在冲击梁接近上下止点时齿条才开始推动换向杆动作，其它时间齿条均为空程，选定冲击梁在接近上下止点1时齿条开始推动换向杆动作。齿轮齿条的传动为纯滚动，即齿轮转动时转过的圆弧长度与齿条移动距离相等，由于该机构齿轮实际工作行程只有在接近上下止点1时作用，因此必须选用较大的分度圆直径，初选d=1000mm。换向机构中工作负载只有推动换向阀的阻力，负载很小无需考虑强度问题，只需考虑传动精度和加工工艺性。由于该处齿轮分度圆较大，如果选定的模数太小，齿轮齿数将会很大，综合考虑齿轮加工时加工效率和传动精度，该处选用齿轮模数为m=5.0mm，则齿轮的尺寸如下：通过前述分析可知该齿轮的转动角只有26，因此选用扇形齿轮结构，详细结构如下图：图3-4 扇形齿轮（2）齿条的设计齿条采用30mm的圆钢加焊接碰块的结构，如下图示：图3-5 齿条齿轮设计中已经分析到，齿轮齿条的传动为纯滚动，也就是说齿条移动距离与齿轮转动时转过的圆弧长度相等，因此有：齿条负载行程：齿条空载行程：因此齿条长度为：，选250mm。齿顶高：齿全高：齿全高：3.2.2换向杆的设计考虑到换向负载很小，换向杆选用20mm的圆钢加焊接碰块的结构，跟据齿条的尺寸选定两换向杆两碰块间距为370mm。如下图示：图3-6 换向杆3.2.3换向拨叉的设计由图3-3可知，换向杆行程S1(为位移DD)与换向阀换向行程S2(为位移EE)的关系为：查相换向阀资料，换向行程S2=20mm，而前述已算得换向杆行程S1=8.727mm，因此选定则即拨叉铰链中心C距换向杆的垂直距离为，距换向阀推杆垂直距离为考虑到换向负载很小，拨叉选用15mm的圆钢套加焊接铰接支座的结构，详细如下图示：图3-7 拨叉3.3冲击液压缸的设计液压缸是液压传动系统中的执行元件，用来实现工作机构直线往复运动或小于360摆动运动的能量转换装置。活塞缸结构简单、工作可靠，因此在液压系统中得到了广泛的使用。在完成了液压系统的设计后，还必须对主要参数进行计算与校核，确定液压缸的材料，并对液压缸各部分的结构进行了设计。3.3.1液压缸的主要零件确定及其技术要求（1）缸体液压缸缸体的常用材料一般为20、35、45号无缝钢管，铸铁可采用HT200HT350间的几个牌号或球墨铸铁。由于球墨铸铁具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳强度，也具有良好的塑性和韧性，其屈服度比钢高。因此，球墨铸铁制造承受静载荷的构件比铸钢节省材料，重量也轻。所以本设计的液压缸采用Q235。铸件需进行正火消除内应力处理。1）缸体的内径因为须与活塞配合，防止漏油，所以要尽量减少表面粗糙度，可采用H8、H9配合。当活塞采用橡胶密封圈时，Ra为0.10.4m，当活塞用活塞环密封时，Ra为0.20.4m，且均需研磨。 2）缸体内径的圆度公差值可按9、10、11级精度选取，圆柱度公差应按8级精度选取。3）缸体端面的垂直度公差可按7级精度选取。4）缸体与缸头采用螺纹连接时，螺纹应用6级精度的米制螺纹。5）当缸体带有耳环或轴销时，孔径或轴径的中心线对缸体内孔轴线垂直公差值按9级精度选取。此液压缸体的外径需要与机架配合，应进行加工，且与中心线同轴度的要求。装卸时需把吊环螺栓吊起。所以缸体端部选用螺纹连接，螺纹连接径向尺寸小，质量轻，使用广泛。装卸需用专用工具，安装时应防止密封圈扭曲。（2）缸盖本液压缸采用在缸盖中压入导向套，缸盖选用HT200铸铁，导向套选用铸铁HT200，以使导向套更加耐用。（3）活塞液压缸活塞常用的材料为耐磨铸铁，灰铸铁，钢及铝合金等。本设计液压缸活塞材料选用45号钢，需要经过调质处理。1）活塞外径D对内孔d的径向跳动公差值，按7、8级精度选取。2）端面T对内径d轴线的垂直度公差值，应按7级精度选取。3）外径D的圆柱度公差值，按9、10、11级精度选取。4）活塞与缸体的密封结构由前可以选用O型密封圈。3.3.2液压缸主要尺寸的确定液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。所以设计时，可用类比法来确定。前述已知液压缸行程与钻具冲程的关系为故：油缸负载F与钻具重量G（单个油缸承受G/2钻具）关系为故：（1）液压缸的工作压力的确定执行元件的工作压力可以根据负载循环图中的最大负载来选取，也可以根据主机的类型了确定（见表3-1和表3-2）。表3-1 按负载选择执行元件的工作压力负载/ KN50工作压力/MPa0.811.522.5334455表3-2 各种机械常用的系统工作压力设备类型机床农业机械或中型工程机械液压机、重型机械等磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力0.82.0352881010162032所设计的油缸最大负载值为61250N，参考表3-1和表3-2按照负载大小或按照液压系统应用场合来选择工作压力的方法，初选液压缸的工作压力。钻具从高处下落时，为了防止负载突然消失而产生的钻头突然掉下危急人员安全，液压缸回油腔应有一定的背压，查液压工程手册（回油路带背压阀）取背压为。表3-3 执行元件背压的估计值系统类型背压p1 （MPa）中、低压系统08MPa简单的系统和一般轻载的节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的调速系统0.50.8回油路带背压阀0.51.5采用带补液压泵的闭式回路0.81.5中高压系统816MPa同上比中低压系高50%100%高压系统1632MPa如锻压机等出算可忽略（2）液压缸内径D和活塞杆直径d的确定为了节省能源宜选用较小流量的油源。利用单活塞缸差动连接满足快进速度的要求，且往复快速运动速度相等，这样就给液压缸内径D和活塞杆直径d规定了的关系。由此求得液压缸无杆腔面积为:活塞杆直径可以由值算出，由计算所得的D与d的值分别按表3-4和表3-5圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封元件。表3-4 液压缸内径尺寸系列 (GB2348-1980) (mm)810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）250320400500630注：括号内数值为非优先选用值表3-5 活塞杆直径系列 (GB2348-1980) (mm)45681012141618222252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400由GB/T2348-1980查得标准值为D=110mm，d=80mm。由此计算出液压缸的实际有效面积为:（3）液压缸壁厚和外径的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般指液压缸中最薄处的厚度。从材料力学可以知道，承受内压力的圆筒，其内应力分别规律因为壁厚的不同而各异。一般计算时可以分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径D与其壁厚的比值D/10的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般采用无缝钢管，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒壁厚公式计算式中液压缸壁厚（m）。 D液压缸内径（m）。试验压力，一般取最大工作压力的（1.251.5）倍（MPa）。额定压力16Mpa，取=1.5MPa。缸筒材料的许用应力。=，其中为材料抗拉刚度，n为安全系数，一般取n=3。的值为：锻钢：= 110120MPa；铸钢：=100110MPa；无缝钢管：=110110MPa；高强度铸铁：= 60MPa；灰铸铁：=25MPa。在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使得液压缸的刚度往往不够。因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式公式进行校核。对于D/10时，应该按材料力学中的厚壁圆筒公式进行壁厚的计算。对于脆性材料以及塑性材料式中的符号意思与前面相同。液压缸壁厚算出后，即可以求出缸体的外径为 +式中值应该按无缝钢管标准，或者按有关标准圆整为标准值。在设计中，取试验压力为最大工作压力的1.5倍，即=1.58MPa=12MPa。而缸筒材料许用应力取为=100MPa。应用公式得，下面确定缸体的外径，缸体的外径+=110+219.8mm=149.6mm。在液压传动设计手册中查得选取标准值=150mm。在根据内径D和外径重新计算壁厚，=mm=20mm。（4）液压缸工作行程的确定液压缸工作行程长度，可以根据执行元件机构实际工作的最大行程来确定，并且参照表3-6中的系列尺寸来选取标准值。表3-6液压缸活塞行程参数系列（mm）255080100125160200250320400500630800100012501600200025003200400040639011014018022028036045055070090011001400180022002800390024026030034038042048053060065075085095010501200130015001700190021002400260030003800注：液压缸活塞行程参数依、次序优先选用。由已知条件知道最大工作行程为540mm，参考上表系列，取液压缸工作行程为550mm。（5）缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖，其有效的厚度t按强度要求可以用下面两式进行进似计算。无孔时：有孔时：式中缸盖有效厚度（m）。缸盖止口内径（m）。缸盖孔的直径（m）。在此次设计中，利用上式计算可取t=70mm（6）最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支撑面中点到缸盖滑动支撑面的距离H称为最小导向长度（图3-2）。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，从而影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定得最小导向长度。对于一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求式中液压缸的最大行程。液压缸的内径。为了保证最小导向长度H，如果过分增大和B都是不适宜的，必要时可以在缸盖和活塞之间增加一个隔套K来增加H的值。隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定，即在此设计中，液压缸的最大行程为850mm，液压缸的内径为115mm，所以应用公式的 =mm =82.5mm，取90mm活塞的宽度B一般取得B =（0.61.0）D；缸盖滑动支撑面的长度，根据液压缸内径D而定。当D80mm时，取；当D80mm时，取。活塞的宽度B =（0.61.0）d =4880mm，取60mm（7）缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应该大于内径的2030倍。缸体长度L =550+60mm=610mm。（8）固定螺栓得直径液压缸固定螺栓直径按照下式计算式中 F液压缸最大负载。 Z固定螺栓个数。 k螺纹拧紧系数，k=1.121.5。根据上式求得=12.1mm（9）液压缸强度校核1）缸筒壁厚校核：。前面已经通过计算得：D=110mm，=20mm。则有10，所以为厚壁缸。=15mm=16.23mm可见缸筒壁厚满足强度要求。2）活塞杆稳定性的验算：活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的轴向力F不能超过使它稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，从而破坏液压缸的正常工作。的值与活塞杆材料性质、截面的形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。活塞杆的稳定性的校核依照下式（稳定条件）进行式中安全系数，一般取=24。当活塞杆的细长比时 = 当活塞杆的细长比时，且 = 20120时，则 = 式中安装长度，其值与安装方式有关。活塞杆截面最小回转半径， = 。柔性系数。由液压缸支承方式决定的末端系数。E活塞杆材料的弹性模量，对刚取E =。J活塞杆横截面惯性矩，A为活塞杆横截面积。f由材料强度决定的实验值。根据验算，液压缸满足稳定性要求。3.3.3液压缸的结构设计液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括：液压缸缸体与缸盖的连接结构、活塞杆与活塞的连接结构、活塞杆导向部分的结构、密封装置、缓冲装置、排气装置、以及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件的不同，结构形式也各不相同。设计时根据具体情况进行选择。（1）缸体与缸盖的连接形式缸体与缸盖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。图3-8 常见的缸筒和缸盖结构图3-8所示为常见的缸盖和缸筒连接形式。图4-1a 为法兰式连接结构，这种连接结构简单、成本低廉，容易加工，便于装卸，强度较大，能够承受高压。但是外形尺寸较大，常用于铸铁制的缸筒上。图3-8b 为半环式连接结构，这种连接分为外半环连接和内半环连接两者形式。它们的缸筒壁部由于开了环形槽而削弱了强度，为此有时要增加壁厚。它容易加工和装卸、重量较轻，半环连接是一种应用较为普遍的连接结构，常用于无缝钢管和锻钢制的缸筒上。图3-8c、f 为螺纹连接形式，这种连接分为外螺纹连接和内螺纹连接两者形式。它的缸筒端部结构复杂，外径加工必须要求同时保证内外径同心，装卸要使用专用工具，它的外形尺寸和重量都比较小，结构紧凑，常常用于无缝钢管和锻钢制的缸筒上。图3-8d 为拉杆式连接形式，这种连接结构简单，工艺性好、通用性强、易于装拆，但是端盖的体积和重量都非常大，拉杆在受力后容易拉伸变长，从而影响密封效果，仅适用于长度不大的中低压缸。图3-8d 为焊接式连接，这种连接形式强度高，制造简单，但是焊接时容易引起缸筒的变形。缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。通过综合考虑，在此设计中，缸体端部与缸盖采取法兰连接的形式。（2）活塞杆与活塞的连接结构活塞和活塞杆的结构形式有很多，常见的有一体式、锥销式连接外、还有螺纹式连接和半环式连接等多种形式，如图3-9所示。半环式连接结构复杂，装卸不便，但是工作可靠。图3-9 活塞杆与活塞的结构此外，活塞和活塞杆也有制成整体式结构的，但是它只能适应于尺寸较小的场合。活塞一般用耐磨铸铁制造，活塞杆则不论是空心的还是实心的，大多用钢料制造。经过综合考虑，在此设计中，活塞杆与活塞的连接采取螺纹连接的形式，如图3-10所示。图3-10 活塞杆与活塞的连接形式这种连接方式结构简单，便于拆卸，成本低廉，但是在震动的过程中容易松动，所以加了防松装置，应用范围较广。（3）活塞杆导向部分的结构活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结果可以做成端盖整体式直接导向，也可以做成与端盖分开的导向套导向结构。后者导向套磨损后便于更换，所以应用比较普遍。导向套的位置可以安装于密封圈的内侧，也可以安装于密封圈的外侧。机床和工程机械中一般采用装在内测的结构，有利于导向套的润滑；而压油机常采用装在外测的结构，在高压下工作时，使得密封圈由足够的油压将唇边张开，以提高系统的密封性能。活塞杆处的密封形式由O型、V型、Y型和型密封圈。为了清除活塞杆处外漏部分粘附的灰尘，保证油液清洁以及减少磨损，在端盖外侧增加防尘圈。此设计经过综合考虑，采取端盖直接导向。（4）密封装置液压缸中常见的密封装置有间隙密封，摩擦环密封，密封圈密封等。间隙密封依靠运动件间的微笑间隙来防止泄露。为了提高这种装置的密封能力，常在活塞的表面制造出几条微小的环形槽，用以增大油液通过间隙时的阻力。它结构简单，摩擦阻力小，可以耐高温，但是泄露大，加工要求高，磨损后无法恢复原有能力，只有在尺寸小、压力较低、相对运动速度较高的缸筒和活塞间使用。摩擦环密封依靠活塞上的摩擦环（尼龙或者其他高分子材料制成）在“O”形圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄露。这种材料密封效果好，摩擦阻力较小并且稳定，可以耐高温，磨损后有自动补偿能力，但是加工要求高，装拆不方便，适用于缸筒和活塞之间的密封。油缸主要采用密封圈密封，密封圈有O形、V形、Y形及组合式等数种，其材料为耐油橡胶、尼龙、聚氨脂等。它利用橡胶或者塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静、动配合面之间来防止泄露。它结构简单，制造方便，磨损后有自动补偿能力，性能可靠，在缸筒和活塞之间、活塞和活塞杆之间、缸筒和缸盖之间都能使用。（1）O形密封圈（如图3-11）O形密封圈的截面为圆形，主要用于静密封。与唇形密封圈相比，运动阻力较大，作运动密封时容易产生扭转，故一般不单独用于油缸运动密封。图3-11 O形密封圈（2）V形密封圈（如图3-12）V形圈的截面为V形，如图所示，V形密封装置是由压环、V形圈和支承环组成。当工作压力高于10MPa时，可增加V形圈的数量，提高密封效果。安装时，V形圈的开口应面向压力高的一侧。图3-12 V形密封圈（3）Y形密封圈（如图3-13）Y形密封圈的截面为Y形，属唇形密封圈(Lip Seal)。它是一种摩擦阻力小、寿命较长的密封圈，应用普遍。Y形圈主要用于往复运动的密封。根据截面长宽比例的不同，Y形圈可分为宽断面和窄断面两种形式，图所示为宽断面Y形密封圈。图3-13 Y形密封圈对于活塞杆外伸部分来说，由于它很容易把脏物带入液压缸，使油液受到污染，使密封件磨损，因此常需要在活塞杆密封处增添防尘圈，并且放在向着活塞杆外伸的一段。（5）缓冲装置液压缸带动质量较大的部件作快速往复运动时，由于运动部件具有很大的动能，因此当活塞运动到液压缸终端时，会与端盖碰撞，而产生冲击和噪声。这种机械冲击不仅引起液压缸的有关部分的损坏，而且会引起其它相关机械的损伤。为了防止这种危害，保证安全，应采取缓冲措施，对液压缸运动速度进行控制。当活塞移至端部，缓冲柱塞开始插入缸端的缓冲孔时，活塞与缸端之间形成封闭空间，该腔中受困挤的剩余油液只能从节流小孔或缓冲柱塞与孔槽之间的节流环缝中挤出，从而造成背压迫使运动柱塞降速制动，实现缓冲。液压缸中常用的缓冲装置有节流口可调式（如图3-14）和节流口变化式（如图3-15）两种。图3-14 节流口可调式缓冲装置图3-15 节流口变化式缓冲装置在此设计中，为了适当的减轻加工难度，决定采取如图3-16所示的缓冲装置。这种缓冲装置可以调节。（6）排气装置排气装置在液压缸中是十分必要的，这是因为油液中混入的空气或者液压缸长期不使用，外界侵入的空气都积聚在液压缸内的最高部位处，影响液压缸运动平稳性，低速时引起爬行现象、启动时造成冲击、换向时降低精度等。液压缸中的排气装置通常有两种形式：一种是在缸盖的最高部位处开排气孔，用长管道接向远处排气；另外一种是在液压缸缸盖最高部位安装排气塞。两种排气装置都是在液压缸排气时打开（让它全行程往复移动多次），排气完毕后关闭。图3-16 常见排气装置（7）液压缸的安装结构液压缸的安装连接结构包括液压缸的安装结构、液压缸的进、出油口的连接等。1）液压缸的安装形式液压缸的安装形式根据安装位置和工作要求得不同可以有长螺栓安装、脚架安装、法兰安装、轴销和耳环安装等。2）液压缸进、出油口形式以及大小的确定液压缸进、出油口，可以布置在端盖或者缸体上。对于活塞杆固定的液压缸，液压缸进、出油口可以设在活塞杆的端部。如果液压缸没有专用得排气装置，液压缸进、出油口应该设在液压缸的最高处，以便空气能首先从液压缸排出。液压缸进、出油口得形式一般选用螺孔或者法兰连接。现列出压力小于16MPa小型系列单杆液压缸螺孔连接油口得安装尺寸，见表3-4。表3-4 单杆液压杆油口安装尺寸（ISO8138） (mm)缸体内径D进、出油口缸体内径D进、出油口25M141.580M271.532M141.5100M271.540M181.5125M271.550M221.5160M331.563M221.5200M421.5综上所述，液压缸结构如下：图3-17 液压缸3.4冲击液压系统的设计3.4.1液压系统原理图根据设计方案，在综合考虑设计要求，便可组成完整的液压系统原理图，如图3-18所示。图3-18 液压系统原理图3.3.2确定液压泵的规格上述已选定系统工作压力为8MPa，选取油路总压力损失为0.8MPa。则泵的最大工作压力为：已知该钻机冲次为36次/min，冲程为1350mm，对应的油缸行程为540mm，也就是说油缸每分钟完成36次540mm行程的往复运动，且油缸的往复运动速度相同，因此油缸运行速度为：则液压泵的最大供油量为：液压缸所需的最大流量为38.2L/min，若取系统泄漏系数K=1.05，则泵的流量为最后根据以上计算数据查阅产品样本，确定选择YB-55型叶片泵，当液压泵转速为n=960r/min时，液压泵的输出流量为55L/min。3.3.3油箱的设计液压油箱的作用是贮存液压油，分离液压油中的杂质和空气，同时还起到散热的作用。（1）液压油箱有效容积的确定液压油箱在不同的工作条件下，影响散热的条件很多，通常按压力范围来考虑。液压油箱的有效容量v可概略的确定为：已知该系统为中压系统（p=8MP）取：V=(57)=260L364L取V=300L式中，V 液压油箱的有效容积液压泵的额定流量（2）液压油箱的外形尺寸液压油箱的有效容积确定后，需设计液压油箱的外形尺寸，一般尺寸为（长：宽：高）1：1：11：2：3，为提高冷却效率，在安装位置不受限制时，可将液压油箱的容量予以增大。（3）液压油箱的结构设计液压油箱简称油箱，它往往是一个功能组件，在液压系统中的主要功能是存储液压油液、散发油液热量、溢出空气及消除泡沫和安装元件等。油箱的制造一般采用焊接和铸造两种方式之一，多数油箱采用焊接技术获得。在一般设计中，液压油箱多采用钢板焊接的分离式液压油箱，很少采用机床床身底座作为液压油箱。因此，在此设计中采用了焊接的方式获得油箱。油箱的工作图样是油箱加工和安装的依据。通常油箱应包括箱顶、箱壁、隔板、放油螺塞、吊耳、支脚等零件。（4）油箱的制造工艺a.材料通常油箱的箱顶、箱壁、箱底和隔板的常用材料为Q235A钢板，伺服系统的油箱宜采用不锈钢板，箱壁和箱顶所采用板材的平直度应符合GB/T11841996中的12级，且应无严重锈蚀。清洗孔法兰盖板可采用HT200经切削加工后用螺钉联接在油箱侧壁上，吊耳常用材料为25钢。箱顶和箱壁常用可拆连接。b.焊接前后的注意事项油箱焊接前，板边要加工出坡口。焊接时，板间应留有适量的缝隙。焊接前，必须清楚板材焊接部位及周围的氧化层和铁锈。如果是分层焊接，没焊完一层，必须用钢丝刷刷净焊层，进行检查，有无夹渣、气孔、咬边等现象。如果有，可用气动工具等挖去后补焊，然后再焊另一层。箱体焊接时应尽量用夹具将板材定位、固定并检查其几何尺寸与形位公差。c.焊接后的油箱须彻底清理以便清除所有泥土、切削、毛刺和氧化皮。轻度锈蚀可用钢丝刷或砂轮机清理，严重锈蚀和氧化的表面应喷丸处理。（5）油箱各零件的作用1）隔板作用增长液压油流动循环时间，除去沉淀的杂质，分离、清除水和杂质，调节温度，吸收液压油压力的波动及防止液面的波动。安装型式把隔板设置成低于液压油面，其高度为最低油面的2/3，使液压油从隔板的上方流过。2）吸油管与回油管回油管出口回油管出口型式，有直口、斜口、弯管直口、带扩散器的出口等几种形式，斜口应用的较多，一般为斜口。为了防止液面波动，可将回油管出口设计为斜口。回油管必须放置在液面以下，一般距离液压油箱底面的距离大于300mm，回油管出口绝对不允许放在液面以上。吸油管吸油管前设置了滤油器，其精度为100200目的线隙式滤油器。滤油器应有足够的容量，避免阻力太大。滤油器与箱底间的距离应不小于20mm。吸油管应插入液压油面以下，防止吸油时卷入空气或因流入液压油箱的液压油搅动油面，致使油中混入气泡。吸油管与回油管的方向为了使油液流动具有方向性，要综合考虑隔板、吸油管和回油管的配置，尽量把吸油管和回油管用隔板隔开。为了不使回油管的压力波动波及吸油管，吸油管及回油管的斜口方向应一致，而不是相对着。3）防止杂质进入为了防止液压油被污染，液压油箱应做成完全密封性的。在结构上应注意以下几点：不要将配置管简单的插入液压油箱，这样空气、杂质和水分等便会从其周围的间隙浸入。同时应尽量避免将液压泵直接装在液压油箱顶盖上。在结合面上需衬入密封填料、密封胶和液态密封胶，以保证可靠的密封性。如在液压油箱的上盖可直接焊上。为保证液压油箱通大气并净化抽吸空气，需配置空气滤清器。空气滤清器通常设计成既能过滤空气又能加油的结构。4）顶盖及清洗孔顶盖在液压油箱顶盖上装设电动机、阀组、空气滤清器时，必须十分牢固。液压油箱同它们的结合面要平整光滑。同时，不允许有阀和管道泄露在油箱盖上的液压油流回油箱内。清洗孔液压油箱的清洗孔，应最大限度的易于清扫液压油箱内的各个角落和取出油箱内的元件。5）液面指示为观察液压油箱内的液面情况，应在油箱的侧面安装液面指示计，液位计通常带有温度计且刻有上、下液面限位线。液位计的下刻线至少应比吸油过滤器或吸油管口上缘高出75mm，以防吸入空气。液位计的上刻线对应着油液的容量。液位计与油箱的连接处有密封措施。6）箱底、放油塞、支脚应在油箱底部最低点设置放油塞，以便油箱清洗和油箱更换。为此，箱底应朝向清洗孔和放油塞倾斜，倾斜坡度通常为1/251/20这样可以促使沉积物聚集到油箱中的最低点。为了便于搬迁、放油和散热，应将油箱架起来。油箱应设有支脚。3.3.4阀类元件和辅助元件的选择图3-18液压系统原理图中包括调速阀、换向阀、单项阀等阀类元件以及滤油器、空气滤清器等辅助元件。根据上述流量及压力计算结果，对图3-18初步拟定的液压系统原理图中各种阀类元件及辅助元件进行选择。其中调速阀的选择应考虑使调速阀的最小稳定流量应小于液压缸工进所需流量。图3-18中溢流阀、单向阀、调速阀和电磁换向阀的选择可根据调定压力和流经阀的额定流量来选择阀的型式和规格，其中溢流阀的作用是调定工作进给过程中液压泵的供油压力，因此该阀应选择电磁式溢流阀。连接在液压泵出口处的单向阀用于保护液压泵。调速阀的作用是控制回油路流量，进而控制工进速度。两位两通电磁换向阀的作用是快进转工进和工进转快退。三位四通电磁换向阀的作用是控制整个系统中快进、工进和快退之间的转换。还有最后本设计所选择方案如表3-6所示，表中给出了各种液压阀的型号及技术参数。表3-6 阀类元件的选择序号元件名称通过的最大流量L/min规格型号额定流量L/min 额定压力/MPa额定压降/MPa1叶片泵YB1-5555103两位两通电磁换向阀30.0822D-25256.30.34两位两通电磁换向阀30.0822D-25256.30.35溢流阀3.5Y-63B636.36空气滤清器QUQ27滤油器WU-6580-J8压力表开关K-6B注：此为电动机额定转速时液压泵输出的实际流量。3.3.5其它元件的选择（1）过滤器的选择在液压系统中，由于工作油液中的杂质（包括从系统外部进入的脏物颗粒和系统中液压元件的磨损微粒）进入液压系统，容易引起液压元件工作表面的损坏，而使液压元件的寿命大大缩短，为了保证液压系统的正常工作，提高液压元件的正常寿命进入液压系统中的工作液体必须经滤油器过滤。本系统选用线隙式滤油器。滤油器的结构大同小异，主要有滤芯和壳体，油液从滤芯外部流入，穿过滤芯从内部流出，滤芯起过滤作用。按滤芯的过滤机理，可分为表面型滤油器、深度型滤油器和磁性过滤器。按照过滤器的流量至少是液压泵总流量的两倍的原则，取过滤器的流量为泵流量的2.5倍。由于所设计组合机床液压系统为普通的液压传动系统，对油液的过滤精度要求不高，故有因此系统选取通用型WU系列网式吸油过滤器，参数如表3-7所示。1）滤油器安装本系统滤油器安装在油泵的吸油管上。这种安装能直接防止大颗粒杂质进入液压泵内，保证了液压系统中所有设备不受杂质的影响，但增长了油泵的吸油阻力，而且当滤油器堵塞时，使油泵工作条件恶化。为了避免油泵的损坏，通常在油泵的吸入口安装过滤精度低的线隙式过滤器。2）排油孔螺塞为了换油及清洗箱体时排出油污，在箱座底部油池低处设有排油孔，平时排油孔用螺塞及封油垫封住。排油孔螺塞材料一般用Q235，封油垫材料可用石棉橡胶纸，排油孔螺塞的直径可按箱座壁厚的34倍选取，M=24X1.5。表3-7 通用型WU系列网式吸油中过滤器参数型号通径mm公称流量过滤精度尺寸M（d）HDWU6580-J3212563120（2）压力表及压力表开关的选择液压泵的出口、安装压力控制元件处、与主油路压力不同的支路及控制油路、蓄能器的进油口等处，均应设置测压点，以便用压力表对压力调节或系统工作中的压力数值及其变化情况进行观测。压力表测量范围应大于系统的工作压力的上线，即压力表量程约为系统最高压力的1.5倍左右。在本次设计中，经计算压力表量程约为8MPa。根据使用要求，选用K-1型的压力表开关，压力表的精度等级选2.5级。系统常用的压力表形式为一般弹簧管压力表，即选用电接点式压力表，以便在观测系统压力的同时，在系统压力变化时通过微动开关内设的高压和低压触点发信，控制电动机或电磁阀等元件的动作。压力表应安装在调整系统压力时能直接观察到的部位，压力表接入压力管道时，应通过阻尼小孔以及压力表开关，以防止系统压力突变或压力脉动而使压力表损坏。（3）液位计的选择油箱的侧壁为了便于观察，应安装能目视的透明液位计，以便注油时观察液面。液位计通常带有温度计且刻有上、下液面限位线。液位计的下刻线至少应比吸油过滤器或吸油管口上缘高出75mm，以防吸入空气。液位计的上刻线对应着油液的容量。液位计与油箱的连接处油密封措施。对于油温有严格要求的液压装置，可采用传感式液位温度计，其温度计是利用灵敏度较高的双金属片的热胀冷缩原理来测油温的。在本次设计中，液位计选取YWZ-80型。（4）油管的选择油管的内径可按照所连接元件的接口尺寸确定，也可以按照管路中允许的流速来计算。本例中，由表3-8推荐取油液在压油管的流速v=3m/s算得液压缸无杆强及有杆腔相连的油管的内径为式中 q通过油管的流量； v推荐管道中油液的流速，可按表3-8数值选取。取d=20mm。最后，参照计算由选定的液压元件连接油口尺寸确定油管内经。表3-8 液压油流经不同元件时的推荐流速液压泵的吸油管路d=1525mm0.61.2d32mm1.5压油管路d=1550mm3.0d50mm4.0流经控制阀等短管路6.0溢流阀15安全阀30第四章 GDC2500钻机的维护与保养4.1钻机维护(1)钻机各部分表面和机台上必须保持清洁。(2)对各轴承副和磨擦副经常注意温度情况。轴承温升不得大于40。短时间最高温度不大于80。若超过此值应立即停机检查。(3)随时注意各齿轮副和传动件的运转声音，发现异常响声应立即停机检查。(4)随时观察钻机各部件运转情况，如发现不正常振动，晃动、移位等现象应及时检查，采取相应的措施处理。(5)如发现部件漏油，非正常漏水及坚固件松动等现象，应及时检查和消除。(6)经常检查三角皮带的松紧程度和有无变化破裂，检查各部件防护罩的牢固程度，避免发生意外事故。(7)随时检查钢丝绳有无损坏，尤其注意与钻头反卡部位易折及绳卡是否有松动，如有异常立即采取相应措施处理。绝对不能发生掉钻头事故。(8)随时检查排渣管有无异常，插板是否安全可靠。如松动不能可靠工作应立即修复。绝对不能发生掉排渣管等事故。(9)液压系统要保持清洁，及时清洗滤油纱网（在油箱内）。操作时要观察压力表是否正常如有异常现象应立即修理。(10)电控系统必须保持防水、整洁，定期清除内外灰尘脏物和油垢等。所有触点不允许有油等脏物。如有烧损或氧化斑点应立即修复或更换。使用电压不允许超过额定电压的10%。注意检查所有电控部件前必须断开总电源。(11)按照钻机传动系统及润滑示意图的润滑要求，对每个部位及时润滑、换油。在气温过高或过低时钻进以及在复杂地层中，外部环境恶劣的条件钻进，要适当缩短润滑周期。润滑油、脂、液压油型号如下：a.分动箱内加：HJ-30机械油。b.润滑脂：ZG-3、ZG-4钙基润滑脂。c.液压油：上海稠化液压油14号、40号或液压油20、30号。4.2钻机保养主要部件的保养项目：（1）主离合器:主离合器与飞轮（大皮带轮）组装为一体经常将飞轮外盖板取下检查摇臂、销轴、弹簧、螺栓、磨擦盘有无松动，损坏异常，操纵手柄是否灵活松紧适宜，若不正常及时排除与调整。需润滑的部位及时润滑，观察是否润滑顺畅。(2)减速箱：经常检查箱壳紧固螺栓是否松动，有否渗油现象，若有及时排除。操纵手柄是否操纵灵活，离合齿轮是否离合顺畅，若发现异常立即停车维护调整，挂档、空档要位置可靠。定期以观察润滑油面高低，除按润滑要求定期换油外，若发现油面低则随时加油补充。随时注意三根轴的轴承位置温升以及间隙发现异常立即停机排除。 (3)主卷扬机：定期检查连接、固定螺栓是否松动，连杆拨叉销轴是否可靠。液压离合器温升是否过高（不超过60），离合器弹簧有无损坏，油缸密封圈有无损坏，离合器有无异常声音。若有异常现象及时排除。避免手动冲击钻进及提、下钻具发生意外事故。提升、下降时注意抱闸的松紧程度。要求提升制动灵活可靠，注意抱闸的紧固端，焊接或铆接口要牢固，如有变形、裂痕立即修整或更换。按润滑要求及时润滑。若天热要适当增加对行星差动机构的润滑次数，定期对轴承进行润滑。(4)四连杆冲击机构：定期检查联接、固定螺栓是否松动，连杆前导向轮固定销轴是否可靠，缓冲与复位弹簧工作是否正常。如有松动，断痕等异常现象及时排除。按润滑要求及时润滑，所有开式齿轮及时清除油垢并润滑。(5)钻塔：随时检查塔身销轴，天车螺栓，油缸支架等有无松动异常现象，若有立即停机处理。按润滑要求定期润滑天车滑轮组。观察转动润滑是否正常若发现异常及时排除。(6)机架；定期检查连接螺栓，各焊接部位有无松动开裂现象。发现异常及时排除。纵移装置与机架之间的滑道要定期加注机油润滑，横移装置上导轮与导轨之间加注机油润滑。(7)排渣管、钻头：定期检查机上孔内排渣管接头是否有碰坏变形，密封圈是否掉出变形，插板是否牢固可靠，各焊接位有无异常，若发现异常现象及时排除。钻头随时检查各焊接部位有无开裂，合金是否过度磨损，钢丝绳卡以及钢丝绳有无折断，若发现异常立即停机排除。避免孔内事故。(8)液压系统：随时检查各阀件，管路有无漏油，运输时有无碰损若发现立即修复，液压油要保持油箱的油面高度及清洁卫生。4.3安全操作注意事项(1)钻机使用前应先熟悉钻机传动系统，整体构造，以及所有操作手柄用液压系统的操作要求。详细阅读钻机使用说明书。(2)检查各防护罩是否固定可靠，不得有变形摩擦现象。(3)钻进工作时，垫整机底盘的三排枕木要垫平，注意最后一排垫在离后端面2米处。随时检查钻机和钻塔支撑情况。防止因地面有水沉降引起钻塔倾斜发生事故和打斜孔。(4)随时检查钻机各部件固定情况，特别是主副卷扬与钻头，排渣管的联接部位若发现异常立即采取措施确保安全。(5)对各部件在运转过程中的异常声响，变形、发热、冒烟、异味等情况，必须查明原因及时排除。严禁未查明原因让机器带病运转。(6)各操作手柄灵活可靠，定位换档位置正确。不得违反以下操作规程：(a)提升钻头或冲击钻进都严禁分动箱卷扬档、冲击档同时工作。即连杆冲击钻进时脱开卷扬档，提升钻头或卷扬冲击必须脱开冲击档。(b)主、副卷扬机离合与制动手柄不能同时刹紧。(c)因主离合器为常闭工作式，离与合必须手柄到位。严禁在半离、半合状态下工作。(7)换档时必须脱开主离合器，使齿轮降速至将要停止时换档。严禁高速运转时挂档或强力挂档。(8)提引环与提引器的自锁装置，必须使用到位确保安全可靠。(9)冬季施工要注意防冻，避免冻裂机件。(10)连杆冲击钻进进尺放绳要少松勤放，确保孔底悬距正常。否则要引起整机晃动影响正常工作。(11)开机前都必须先按警铃按钮，使一切工作人员引起注意确保安全。(12)放钻塔速度要慢放。若过快可打开控制箱调整节流阀使放塔速度匀速。(13)若工作状态突然停电或别的事故钻头在孔底需将钻头提升一定高度避免埋钻事故。结论随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在此要感谢我的指导老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。致谢长达数月的毕业设计终于告一段落了。通过这次设计我对四年来学习的各门功课进一步加深了了解，并给予一定的总结。对于各方面知识之间的有机结合有了实际体会，同时也深深的感到了自己所掌握的知识与实际生产应用之间还有相当大的差距，在以后的学习中有待进一步加强。综合运用本专业以及其它有关课程的理论，结合生产知识，培养理论联系实际以及分析和解决工程实际问题的能力，并使大学四年所学的知识得到进一步巩固、深化和扩展。本设计是在指导老师*老师的悉心指导下完成的。在本设计的过程中，侯老师给了我很大的帮助，使我受益非浅。尤其是设计完成的最后阶段，他多次审阅我的设计并提出宝贵的修改意见，使我的设计不断完善。*老师严谨的治学态度，勤奋的敬业精神，以及他的博学与热忱，令我敬佩。在此，我首先要向他表示我最忠心的感谢！当然，设计中也难免出现一些错误、疏漏和不尽如人意的地方。在此，我衷心的恳请各位老师和同学给予批评、指正，我会虚心接受所有的意见和建议，不断总结，使自己在今后的学习和工作中日臻完善。感谢我的同学们，在设计的过程中，是你们帮组了我，给了我不少的意见和建议，在和同学讨论的过程中学到了很多有用的知识。参考文献1 李俊文. GCD-1500钻机冲击机构刚柔体系模态识别D. 北京: 中国地质大学（北京）， 20092 杨惠民. 钻探设备M. 北京: 地质出版社， 19883 GCD1500钻机使用说明书M. 河北: 张家口探矿机械总厂4 颜恩锋.CHF-20型冲击-回转反循环工程钻机钻机冲击机构实验及分析研究D.长春：吉林大学，20055 于萍. CHF-20型冲击回转反循环工程钻机的研制工作机构的研究与仿真分析D. 吉林: 吉林大学， 20056 李振亚. 我国冲击反循环桩孔钻机现状与发展J. 探矿工程（岩土钻掘工程）， 2001， 1: 60-617 武汉地质学院. 钻探工艺学（下册）M. 北京: 地质出版社， 19818 GCD1500钻机使用说明书M. 河北: 张家口探矿机械总厂9 冯德强.钻机设计M.北京：中国地质大学出版社，199210 喻重山，孙孝庆，等. 冲击反循环工程钻机自动同步机构的原理J. 探矿工程， 1994， 4: 1-311 王占丑，李旭文，郝致宝. GCD1500工程钻机钻在桩基工程的应用J. 地质装备， 2002，3(2): 7-812 王崇绪. CJF-20型冲击反循环钻机J. 建筑机械， 2000，10: 50-5213 张所邦，王德贤. CJF-20冲击反循环钻机钻进工艺技术分析J. 地质科技情报， 1999， 18（增刊）: 23-2414成大先，机械设计手册M.北京: 化学工业出版社， 2004英文文献翻译机械设计摘要：机器是由机械装置和其它组件组成的。它是一种用来转换或传递能量的装置，例如：发动机、涡轮机、车辆、起重机、印刷机、洗衣机、照相机和摄影机等。许多原则和设计方法不但适用于机器的设计，也适用于非机器的设计。术语中的“机械装置设计” 的含义要比“机械设计”的含义更为广泛一些，机械装置设计包括机械设计。在分析运动及设计结构时，要把产品外型以及以后的保养也要考虑在机械设计中。在机械工程领域中，以及其它工程领域中，所有这些都需要机械设备，比如：开关、凸轮、阀门、船舶以及搅拌机等。关键词：设计流程设计规则机械设计设计流程设计开始之前就要想到机器的实际性，现存的机器需要在耐用性、效率、重量、速度，或者成本上得到改善。新的机器必需具有以前机器所能执行的功能。在设计的初始阶段，应该允许设计人员充分发挥创造性，不要受到任何约束。即使产生了许多不切实际的想法，也会在设计的早期，即在绘制图纸之前被改正掉。只有这样，才不致于阻断创新的思路。通常,还要提出几套设计方案，然后加以比较。很有可能在这个计划最后决定中,使用了某些不在计划之内的一些设想。一般的当外型特点和组件部分的尺寸特点分析得透彻时，就可以全面的设计和分析。接着还要客观的分析机器性能的优越性，以及它的安全、重量、耐用性，并且竞争力的成本也要考虑在分析结果之内。每一个至关重要的部分要优化它的比例和尺寸，同时也要保持与其它组成部分相协调。也要选择原材料和处理原材料的方法。通过力学原理来分析和实现这些重要的特性，如那些静态反应的能量和摩擦力的最佳利用，像动力惯性、加速动力和能量；包括弹性材料的强度、应力和刚度等材料的物理特性，以及流体润滑和驱动器的流体力学。设计的过程是重复和合作的过程，无论是正式或非正式的进行，对设计者来说每个阶段都很重要。最后，以图样为设计的标准，并建立将来的模型。如果它的测试是符合事先要求的，则再将对初步设计进行某些修改，使它能够在制造成本上有所降低。产品的设计需要不断探索和发展。许多方案必须被研究、试验、完善，然后决定使用还是放弃。虽然每个工程学问题的内容是独特的，但是设计师可以按照类似的步骤来解决问题。产品的责任诉讼迫使设计人员和公司在选择材料时，采用最好的程序。在材料过程中，五个最常见的问题为：（a）不了解或者不会使用关于材料应用方面的最新最好的信息资料；(b)未能预见和考虑材料的合理用途（如有可能，设计人员还应进一步预测和考虑由于产品使用方法不当造成的后果。在近年来的许多产品责任诉讼案件中，由于错误地使用产品而受到伤害的原告控告生产厂家，并且赢得判决）；(c)所使用的材料的数据不全或是有些数据不确定，尤其是当其性能数据长期不更新；(d)质量控制方法不适当和未经验证；(e)由一些完全不称职的人员选择材料。通过对上述五个问题的分析，可以得出这些问题是没有充分理由而存在的结论。对这些问题的研究分析可以为避免这些问题的出现而指明方向。尽管采用最好的材料选择方法也不能避免发生产品责任诉讼，设计人员和工业界按照适当的程序进行材料选择，可以大大减少诉讼的数量。从以上的讨论可以看出，选择材料的人们应该对材料的性质，特点和加工方法有一个全面而基本的了解。在随后生产和售后服务的几年中，要接受新观念的变化，或者由试验和经验为基础，进一步分析并改进。一些设计规则在本节中，建议要运用创造性的态度来替代和改进。也许会创造出更实用、更经济、更耐用的产品。为了激发创造性思维，下列是设计和分析的建议规则。前六个规则对设计者来说特别适用。1.要有创造性的利用所需要的物理性质和控制过程。2.认识负载产生的影响及其意义。3.预测没有想到的负载。4.创造出对载荷更为有利的条件。5.提供良好的应力分布和最小的刚度条件。6.运用最简单的方程来优化体积和面积。7.选择组合材料。8.仔细选择所备的原料和不可缺少的组件。9.调整有效的设计方案，以适应生产过程和降低成本。10.规定好准确的位置条件为了使组件安装时不干涉。机械设计包括一下内容：1.对设计过程、设计所需要公式以及安全系数进行介绍。2.回顾材料特性、静态和动态载荷分析，包括梁、振动和冲击载荷。3.回顾应力的基本规律和失效分析。4.介绍静态失效理论和静态载荷下机械断裂分析。5.介绍疲劳失效理论并强调在压力条件下接近高循环的疲劳设计，这通常用在旋转机械的设计中。6.深入探讨机械磨损机理、表面接触应力和表面疲劳现象。7.使用疲劳分析技术校核轴的设计。8.讨论润滑油膜与滚动轴承的理论和应用。9.深入介绍直齿圆柱齿轮的动力学、设计和应力分析，并简单介绍斜齿轮、锥齿轮和涡轮有关方面的问题。10.讨论弹簧设计、螺杆等紧固件的设计，包括传动螺杆和预紧固件。11.介绍盘式和鼓式离合器以及制动器的设计和技术说明。机械设计一台完整机器的设计是一个复杂的过程。机械设计是一项创造性的工作。设计工程师不仅在工作上要有创造性，还必须在机械制图、运动学、工程材料、材料力学和机械制造工艺学等方面具有深厚的基础知识。任何产品在设计时第一步就是选择产品每个部分的构成材料。许多的材料被今天的设计师所使用。对产品的功能，它的外观、材料的成本、制造的成本作出必要的选择是十分重要的。对材料的特性必须事先作出仔细的评估。仔细精确的计算是必要的，以确保设计的有效性。在任何失败的情况下，最好知道在最初设计中有有缺陷的部件。计算（图纸尺寸）检查是非常重要的。一个小数点的位置放错，就可以导致一个本可以完成的项目失败。设计工作的各个方面都应该检查和复查。计算机是一种工具，它能够帮助机械设计师减轻繁琐的计算，并对现有数据提供进一步的分析。互动系统基于计算机的能力，已经使计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）成为了可能。心理学家经常谈论如何使人们适应他们所操作的机器。设计人员的基本职责是努力使机器来适应人们。这并不是一项容易的工作，因为实际上并不存在着一个对所有人来说都是最优的操作范围和操作过程。另一个重要问题，设计工程师必须能够同其他有关人员进行交流和磋商。在开始阶段，设计人员必须就初步设计同管理人员进行交流和磋商，并得到批准。这一般是通过口头讨论，草图和文字材料进行的。如前所诉，机械设计的目的是生产能够满足人类需求的产品。发明、发现和科技知识本身并不一定能给人类带来好处，只有当它们被应用在产品上才能产生效益。因而，应该认识到在一个特定的产品进行设计之前，必须先确定人们是否需要这种产品。应当把机械设计看成是机械设计人员运用创造性的才能进行产品设计、系统分析和制定产品的制造工艺学的一个良机。掌握工程基础知识要比熟记一些数据和公式更为重要。仅仅使用数据和公式是不足以在一个好的设计中做出所需的全部决定的。另一方面，应该认真精确的进行所有运算。例如，即使将一个小数点的位置放错，也会使正确的设计变成错误的。一个好的设计人员应该勇于提出新的想法，而且愿意承担一定的风险，当新的方法不适用时，就使用原来的方法。因此，设计人员必须要有耐心，因为所花费的时间和努力并不能保证带来成功。一个全新的设计，要求屏弃许多陈旧的，为人们所熟知的方法。由于许多人墨守成规，这样做并不是一件容易的事。一位机械设计师应该不断地探索改进现有的产品的方法，在此过程中应该认真选择原有的、经过验证的设计原理，将其与未经过验证的新观念结合起来。新设计本身会有许多缺陷和未能预料的问题发生，只有当这些缺陷和问题被解决之后，才能体现出新产品的优越性。因此，一个性能优越的产品诞生的同时，也伴随着较高的风险。应该强调的是，如果设计本身不要求采用全新的方法，就没有必要仅仅为了变革的目的而采用新方法。英文文献原文Mechanical DesignAbstract:A machine is a combination of mechanisms and other components which transforms, transmits. Examples are engines, turbines, vehicles, hoists, printing presses, washing machines, and movie cameras. Many of the principles and methods of design that apply to machines also apply to manufactured articles that are not true machines. The term mechanical design is used in a broader sense than machine design to include their design. the motion and structural aspects and the provisions for retention and enclosure are considerations in mechanical design. Applications occur in the field of mechanical engineering, and in other engineering fields as well, all of which require mechanical devices, such as switches, cams, valves, vessels, and mixers.Keywords: Mechanical Design mechanisms Design ProcessThe Design ProcessDesigning starts with a need real.Existing apparatus may need improvements in durability, efficiency, weight, speed, or cost. New apparatus may be needed to perform a function previouslydone by men, such as computation, assembly, or servicing. With the objective wholly or partlyIn the design preliminary stage, should allow to design the personnel fully to display the creativity, not each kind of restraint. Even if has had many impractical ideas, also can in the design early time, namely in front of the plan blueprint is corrected. Only then, only then does not send to stops up the innovation the mentality. Usually, must propose several sets of design proposals, then perform the comparison. Has the possibility very much in the plan which finally designated, has used certain not in plan some ideas which accepts.When the general shape and a few dimensions of the several components become apparent, analysis can begin in earnest. The analysis will have as its objective satisfactory or superior performance, plus safety and durability with minimum weight, and a competitive cost. Optimum proportions and dimensions will be sought for each critically loaded section, together with a balance between the strengths of the several components. Materials and their treatment will be chosen. These important objectives can be attained only by analysis based upon the principles of mechanics, such as those of static for reaction forces and for the optimum utilization of friction; of dynamics for inertia, acceleration, and energy; of elasticity and strength of materials for stress and deflection; of physical behavior of materials; and of fluid mechanics for lubrication and hydrodynamic drives. The analyses may be made by the same engineer who conceived the arrangement of mechanisms, or, in a large company, they may be made by a separate analysis division or research group. Design is a reiterative and cooperative process, whether done formally or informally, and the analyst can contribute to phases other than his own. Product design requires much research and development. Many Concepts of an idea must be studied, tried, and then either used or discarded. Although the content of each engineering problem is unique, the designers follow the similar process to solve the problems. Product liability suits designers and forced in material selection, using the best program. In the process of material, the most common problems for five (a) dont understand or not use about the latest application materials to the best information, (b) failed to foresee and consider the reasonable use material may (such as possible, designers should further forecast and consider due to improper use products. In recent years, many products liability in litigation, the use of products and hurt the plaintiff accused manufacturer, and won the decision), (c) of the materials used all or some of the data, data, especially when the uncertainty long-term performance data is so, (d) quality control method is not suitable and unproven, (e) by some completely incompetent persons choose materials.Through to the above five questions analysis, may obtain these questions is does not have the sufficient reason existence the conclusion. May for avoid these questions to these questions research analyses the appearance indicating the direction. Although uses the best choice of material method not to be able to avoid having the product responsibility lawsuit, designs the personnel and the industry carries on the choice of material according to the suitable procedure, may greatly reduce the lawsuit the quantity. May see from the above discussion, the choice material people should to the material nature, the characteristic and the processing method have comprehensive and the basic understanding. Finally, a design based upon function, and a prototype may be built. If its tests are satisfactory, the initial design will undergo certain modifications that enable it to be manufactured in quantity at a lower cost. During subsequent years of manufacture and service, the design is likely to undergo changes as new ideas are conceived or as further analyses based upon tests and experience indicate alterations. Sales appeal.Some Rules for DesignIn this section it is suggested that, applied with a creative attitude, analyses can lead to important improvements and to the conception and perfection of alternate, perhaps more functional, economical,and durable products. To stimulate creative thought, the following rules are suggested for the designer and analyst. The first six rules are particularly applicable for the analyst.1. A creative use of need of physical properties and control process.2. Recognize functional loads and their significance.3. Anticipate unintentional loads.4. Devise more favorable loading conditions.5. Provide for favorable stress distribution and stiffness with minimum weight.6. Use basic equations to proportion and optimize dimensions.7. Choose materials for a combination of properties.8. Select carefully, stock and integral components.9. Modify a functional design to fit the manufacturing process and reduce cost.10. Provide for accurate location and noninterference of parts in assembly. Machinery design covers the following contents.1. Provides an introduction to the design process , problem formulation ,safety factors.2. Reviews the material properties and static and dynamic loading analysis ,Including beam , vibration and impact loading. 3. Reviews the fundamentals of stress and defection analysis. 4. Introduces fatigue-failure theory with the emphasis on stress-life approaches to high-cycle fatigue design, which is commonly used in the design of rotation machinery. 5. Discusses thoroughly the phenomena of wear mechanisms, surface contact stresses ,and surface fatigue. 6. Investigates shaft design using the fatigue-analysis techniques. 7. Discusses fluid-film and rolling-element bearing theory and application 8. Gives a thorough introduction to the kinematics, design and stress analysis of spur gears , and a simple introduction to helical ,bevel ,and worm gearing. 9. Discusses spring design including compression ,extension and torsion springs. 10. Deals with screws and fasteners including power screw and preload fasteners. 11. Introduces the design and specification of disk and drum clutches an

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