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机械毕业设计全套

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JX03-100@回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计,机械毕业设计全套

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密封改进问题 1、 甩油盘可参考机械设计手册 p87表 7 19的结构、参数及技术要求； 2、 端盖系列零件结构需要采用退刀槽 ， 端盖底部最好采用设计图册 p78图 11 的结构，便于油芯甩油 ； 3、 装油的零件与中心轴连接处应设置一个 轴肩 ，便于安装定位； 铸造时应遵守最小壁厚原则 和壁厚均匀原则 ，参考机械设计手册 p18； 4、 锥销配做，底部升出长度不宜过长 ，参考标准 ； 5、 螺栓与其他零件连接处的间隙不宜过大， 0.5 1mm为宜；螺纹连接长度应加大， 5 8mm； 螺纹的细实线直径 d=0.85*D; 6、 油标处的螺纹连接没有表达好； 7、 在现有的基础上，应尽量减少轴的整体长度，以协调整个钻具的高度； 8、 甩油处的封口零件采用螺纹的结构； 9、 零件与轴 类 配合之间的画法，参考 p14； 以上意见尽供参考。 nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 1 中文摘要与关键词 摘 要： 本文系统的阐述了回旋冲击钻具轴承结构和密封润滑方式的设计。设计内容包括轴承结构设计、密封润滑方式设计、轴承结构主要零件的工艺分析、气动驱动结构的载荷设计以及成本、效益的比较计算等几个主要部分。同时，在 AutoCAD 的基础之上，完成了回旋冲击钻具轴承结构的装配图和主要零件图的绘制。通过对轴承结构和润滑方式的研究以及结合回旋冲击钻具的工作要求，设计出了主轴组合轴承结构、环型轴承结构、芯捻润滑和局部密封润滑方式，成功的解决了回旋冲击钻具工作中传动摩擦大，密封润滑难的问题，有效的保证了 钻具的工作条件，使 设计后的钻具功率损耗小，提高了钻具的工作效率。 关键词： 轴承结构；局部密封；芯捻润滑； 工作效率 nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 2 Abstract Abstract: This graduation design systematically elaborated the designing of the bear structure of rotating striking drill tool and the method of sealing, which including bear structure designing, sealing lubricating method designing, the analysis of the process of main parts of the bear structure, air driving structure loading designing and the comparing calculate of the cost and profit. At the same time, based on the AutoCAD, the assembly drawing and main parts drawing of the bear structure of rotating striking drill tool were finished. Via the study of bear structure and lubricating method, connecting to the working requirement of the rotating striking drill tool, the combined bear structure of the main shaft, round bear structure and twirl-coring lubricating and located sealing lubricating were designed. And some problems such as large frication in transmission and difficulty of sealing lubricating when rotating striking drill tool was working, were resolved successfully, then the working conditions of the drill tool were guaranteed effectively, and the power using was decreased, and the efficiency was promoted. Keywords: bear structure; located sealing; twirl-coring lubricating; working efficiency nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 3 第一章 绪论 1.1 课题来源 基于高层、超高层建筑物及大型桥主塔基础等承载的需要，对 大直径 桩 工机械 要求越来越大。 国内大直径的钻具设备研发，少有研究采用新的运动原理和结构，一般只能采取加大直径，增加配套功率和扭矩，以及选用高硬刃具材料等办法，因而有逼向高功率配置和笨重方向发展的趋势，不仅固有的弱点问题没有解决，而且又更加大了施工设备投资，影响工程建设效益。如：湖南省道 1804 线周家店至常德公路改建工程，在柳叶湖大桥四根 3.0米直径桩基础 施工中，由于施工成本的原因，第一个枯水施工季节，没有进场大直径成孔设备，施工单位采取沉井明挖法施工失败。在第二个枯水施工季节，终于以 60 多万的价格，新购置到重型冲击钻机设备，开始进行返工施工。韶关产冲击锤重达 13吨，配套设备均是个别设计生产，使用直径 4.5公分钢丝绳。由于锤重绳粗，常规的设备匹配和连接方式，在这“重型”面前显得非常脆弱，出现了每两个工作班必须更换连接，每次需三小时，每 15个工作班，损坏一次导轮或轴，每次更换需时间 1 2天的情况，另外 3 1# 桩基出现了严重的孔壁失圆现象，明显地影响了工程质量 、进度和效率。 针对以上桩基础工程中的具体数据 和施工情况 来看，常规的钻具已经难以满足施工要求，而且常规直径桩基础成孔施工广泛使用冲击钻和回旋钻两种基本钻型，排渣采用泥浆护壁正循环方法排渣，这两种基本钻型它们工作的一个共同特点就是切削刀刃与孔壁和孔底保持整体的或线或面的接触，至使摩擦阻力大，切削相对速度低，能量分散，分布不合理，无效功耗大，效率低。根据以上两种钻具的缺点以及结合目前现实施工中所面临的问题，构想出了一种兼有冲击钻和回旋钻优势功能的全新型结构的“回旋冲击钻具”。 该回旋冲击钻具的结构和功能特点是：在 常规主动力杆（空心杆）的驱动下， 回旋冲击 钻具运动机构可靠地建立起了由若干小直径钻杆组成的钻头群连续稳定的径向复星形旋转切削运动，另用气动力或电磁力方式对钻杆群附加轴向可操控的冲击动力，以满足在相应地质条件下实现破碎和旋削复合钻进的需要，此钻具宜采取反循环气升排渣。从理论上说即使全钻具只安装一根钻杆（如 10厘米直径的刃具），钻具运动机构也可驱动其完成设计 3 米以上足够直径断面的成孔，亦即大直径成孔未必一定要配套大扭矩钻机。 nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 4 或 如果 单个刃具能实现如图 1-1 所示的平面单迹线星形运动，并同时具有径向旋削软散颗粒，轴向 冲击破碎整体岩石的功能。则数个小直径的刃具也将会产生高效率的复 合 图 1-1 单点星形运动网状迹线图 运动和作用，由若干连续点的运动，形成连续的曲线运动，若干曲线的运动，使 施工面呈周边 包络线为 圆形的细密网状曲面 ，实现钻具逐层从上至下的整体成孔运动。 1.2 设计的目的及意义 “一桥飞架南北，天堑变通途” ，随着科学技术的高速发展， 一条条 宽敞的 公路 纵横交错， 一幢幢高楼 雨后春笋般的 拔地而起，一座座 雄伟 的 桥梁飞跃大江河 海 ，把祖国的江山打扮得 如此多娇 。桩工工程作为一种基础工程在 祖国 建设中发挥了巨大的作用，并且取得长 足的发展， 各项工程基础的施工进度往往是影响整个项目建设工期的关键，其造价也是影响项目投资的主要不定因素。 为适应各类建筑工程材料、设计和施工技术的发展需要， 从钻孔桩基础施工成孔设备着手，综合冲击钻和回旋钻两种基本钻型成孔原理的优点，研究开发出新型成孔钻具，以解决桩基工程施工，要求快速高效、稳定可靠、广泛适用和适应超大直径方向发展的问题，是长期以来国内外业内人士不乏探索的命题。 本次设计 不但上让我们了解到 桩工 机械在国民经济中的重要作用，同时也培养了我们的实际动手能力， 更深一步 接触一些 新 设计理念，这样对我们以后的 设计都有很大的帮助， 以下是本次设计的目的： 1.全面复习、巩固机械制造工艺学、机械制造装备技术设计以及相关课程的基本知识，并运用所学知识解决 机械加工中的工艺、工艺装备等实际设计问题，提高分析问题、nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 5 解决问题的能力。 使这些知识得到进一步巩固、加深和拓展； 2.学习和掌握机械设计的一般步骤和方法，培养设计能力和解决实际问题的能力，巩固和扩展有关机械设计方面的知识，培养理论联系实际的设计思想。 3.进行基本技能的训练，对计算、制图、运用设计资料（如手 册 、图册、技术标准、规范等）以及进行经验估算等机械设计方面的基本 技能得到一次综合训练，提高技能水平。 1.3 主要工作任务 回旋冲击钻具 是 利用星型运动原理来设计一种采用多个刀具钻削岩层的钻具，此全新型“回旋冲击钻具”能够实现冲钻与旋削功能 相 结合、成孔地质适应广泛、排渣及时彻底、钻进效率高、钻机功率配置要求宽泛灵活、成孔直径适用跨度大等等优点，实为解决长期以来困扰大直径钻孔灌注桩成孔钻具问题的一种全新结构和新思路。 本设计是回旋冲击钻具设计中的一部分设计，及轴承结构 与 润滑方式设计。 设计的主要工作任务如下： 1. 轴承结构 设计 2. 密封润滑方式设计 3. 零部件设计 4. 成本、效益 比较 计算 nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 6 第二章 轴承结构及 密封 润滑方式设计 机器中的轴系大多采用滚动轴承作支承，这些轴系，尤其是主轴和重要的传动轴系的运转状况不仅直接影响着机器的工作性能，而且影响机器的主要技术指标。 轴系中的滚动轴承类型的选择、轴承的布置、支承结构及密封润滑方式的设计等对轴系受力、运转精度、提高轴承寿命及可靠性，保证轴系性能等都将起着重要的作用 20 。 还有就是减少两个具有相对运动的零件之间的摩擦。 本章就针对回旋冲击钻具所需要的轴承结构及润滑方式进行设计 。 2.1 轴承结构 及 密封 润滑的主要功用分析 回旋冲击钻具 结合了冲击钻与回旋钻这两 种 传统钻具的成孔原理， 及实现轴向的冲击破岩和径向的旋削松散，从而 实现冲击 与回旋 功能 相 结合 ， 以达到高效、快速成孔的目的 。 这就要求 其 轴承 结构 以及密封润滑方式 能够满足 这一特定的复合运动所需要的支承 和 保护作用 。 以下是该回旋冲击钻具中轴承结构和密封润滑 方式 的主要功用分析： 1.由于钻具主轴（空心轴）是通过井上电机驱动进行旋转运动， 而 井 下钻具外壳 是通过轮毂与井壁挤紧 的 ，也就是 钻具外壳不能旋转，为了减少扭矩，在主轴与外壳之间设计一轴承结构， 用来 实现旋 转主轴与外壳之间的支承作用。 2.由于钻具主轴 不能 通过井上电机 直接 进行轴向的冲击作用， 而是通过气动驱动重锤 在锤击各根小钻杆之后剩下的力锤到内齿圈上，而内齿圈是与外壁紧连的， 也就是说重锤的冲击力在完成小钻头破岩和抵消外壁磨檫后剩下的力通过外壁传到了主轴上，从而使 空心 主轴往下作业， 这就要求其轴承结构能够把重锤的一部分力通过外壁传到 空心主轴上。 3.内齿圈与托盘的运动情况不一至， 内齿圈与外壁固定，无旋转运动，而托盘做旋转运动， 也就是在这两个零件之间会有相对运动，为了减少两零件的摩擦和实现各自的运动，在两者之间加一 轴承结构，用来支承和减少 摩擦磨损，同时也可以大大减少功率的损失 ，可以提高工作效率。 4.钻杆齿轮 一方面要自转，另一方面要围绕支承轴公转，那么 钻杆齿轮 与托盘之间也存在相对运动， 在这两者之间设置的轴承结构是为了减少摩擦和保护各零件 ，提高零件的使用寿命 。 nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 7 5. 润滑 、密封 对 整个钻具的 性能影响很大， 润滑 起着减少摩擦、降低磨损 、 减少接触应力 和散热冷却的作用，同时也有助于减振、防锈及冲洗杂质；而密封的作用也不可以忽略，它可以防止润滑油外漏，减少外界灰尘和其 它 不利物质进入机体 内 。 由于桩工 机械 的 作业 条件 异常 恶劣， 工程钻具所 面临的是泥浆和沙石，而这些东西恰恰是 很 不利 于钻具正常作业的，甚至对钻具有毁灭性的破坏， 那么密封 、 润滑正是 用来 解决此问题的 良策 。 2.2 主轴 轴承结构及 密封 润滑方案设计与确定 载荷的大小、方向和性质是选择轴承类型和进行 轴承 结构设计的重要依据， 而机械的工作环境和工作条件则是进行密封润滑方式设计的重要制约因素。 由于 回旋冲击钻具中 轴承承受 着 较 大的轴向冲击力 和较小的径向 力 ， 那么在支承上应采用两个或多个线接触的轴承 。 在进行结构设计的同时，需要考虑到结构的装配问题 、结构中零件的加工难度、密封润滑 的稳定性 以及整个结构的经济 性 等指标 ， 表 2-1是为 回旋冲击钻具 轴承结构及润滑方式拟订的三种方案 ： 表 2-1 主轴 轴承结构及润滑方式 的设计方案 序号 结构简图 特点 A 此方案采用双向推力球轴承和圆锥滚子轴承的组合结构，其不但 能够承受较大的径向力 和 双向轴向力 ，还能够承受很大的 轴向冲击载荷， 润滑方式为脂润滑，润滑使用方便，耗量少 ， 密封 性能一般 ， 适用于极限转速底的场合 ， 但是该结构比较笨重， 主轴精密制造段过长， 制造成本高，且发热严重， 整个结构装配难度大 。 nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 8 续表 序号 结构简图 特点 B 该方案采用三个圆锥滚子轴承的组合结构，其能承受较大的轴向力和径向力，也能承受轴向冲击载荷，密封性能良好，采用油润滑，内磨阻小，且润滑系统为循环的，润滑油损失量少。但该结构比较笨重，不便装卸和维护，经济性能差，由于润滑是利用离心力摔油，对主轴平稳转速要求很高，使得润滑油温度升高，且整个结构不便于散热。 C 此方案 是 四个圆锥滚子轴承 的组合结构 ，其能承受很大的轴向 载荷和径向 载荷 ， 还能承受冲击载荷， 密封性能 好 ， 润滑方式采用芯捻润滑， 能够保证供油稳定 、润滑油清洁 且油量不至过多 ， 润滑系统为循环的，润滑油损失量少，整个结构轻巧 、紧凑 ， 且 装卸 与维护 方便，制造成本低，散热性能好， 适用的 主轴极限转速 范围 广 。 该回旋冲击钻具主轴转速为 32r/min,属于 低 转速范围， 由于方案 B的离心式摔油润滑只有在高转速下才能正常工作， 那么 B方案的润滑方式不能满足该钻具的要求，又由nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 9 于钻具要钻到地下几十米的深处作业，为了减少钻具回到地面所耗功率和制造成本，其钻具自身的重量不能过于笨重， C方案相对 A、 B方案来说，设计的是轻型结构， 这点优于 A、 B方案。 A方案采用双向推力球轴承来承受轴向的冲击载荷，钢球 与 保持架磨损，发热严重，且散热性能差，轴承寿命降低。 在安装方面，由于 A、 B 方案的结构笨重，又没有设计钓钩等方便安装的结构，而 C方案在肋版上设置了 八 个大圆孔，这就方便了加工或装配时零件的搬运和 移 动。 A、 B方案在加润滑脂、润滑油时，必须拆开后才能加进去，而 C方案可以直接通过游标孔 往 油槽里 加油，并且可以测量润滑油 油面高 度， 这样就便于维护 。 A、 B、 C 三种方案中的下端支承 处都采用圆锥滚子轴承，该轴承只是起到一个平衡的 作用，并没有承受什么载荷，其 都采用脂润滑 。 综合以上 各种 主轴 轴承结构及润滑方式的设计方案， 再结合该回旋冲击钻具的具体工作环境和 对轴承结构的 功用要求， 通过对 性能、制造、 经济、 安装与维护等各方面的综合比较， 最后确定采用方案 C。 其 主轴 轴承结构及润滑方式示意图如 图 2-1所示： 1 端 盖； 2、 19 油 圈； 3、 9 圆锥滚子轴承； 4 芯捻； 5 上 轴承座（箱体）； 6、 12、 23 毛毡密封圈 ； 7、 11 活塞式密封装置； 8、 16 O 形密封圈 ； 10 弹簧； 13 空心 主轴； 14 下轴承座；15 垫圈； 17 润滑油； 18、 22 甩 油环； 21 轴承套； 20 杆试游标 图 2-1 主轴 轴承结构及润滑方式示意图 nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 10 方案 C中轴承 型号 与润滑 剂 牌号 的选择： 如上图 2-1， 3、 9为同一型号的圆锥滚子轴承， 根据该处的轴径以及配合轴承内径，选择 圆锥滚子轴承 的 代号 为 ： 32052X， 其 尺寸为 BDd 260mm 400mm 87mm 22 ； 3-圆锥滚子轴承采用油润滑，选用 L-AN68 润滑油， 该润滑油主要用于低速重载的设备上 15 。 9-圆锥滚子轴承采用脂润滑，选用 ZL-3通用锂基润滑脂，该润滑脂适用温度在 -20 120C ，主要用于机械的滚动轴承等其他摩擦部位的润滑 15 。 当钻具下井作业时， 重锤锤击各小钻杆，使小钻杆下到一定深度， 然后 再 锤击在内齿圈上，内齿圈把力传给外壁，外壁与 5-上轴承座（箱体）相连，从而通过 1-端 盖把冲击力传到轴承组 3 上， 再经过 18-摔油环传给 13-空心主轴，从而破碎空心主轴钻头下的一方土 石。 钻具完成作业后，在回到地面的过程中，空心主轴把一部分拉力作用到轴承结构上， 用来抵消外壁与井壁的摩擦阻力，把外壁往地面上拉 。 17-润滑油置于 5-上轴承座（箱体）的油槽中，通过 4-芯捻把油渗吸到轴承上方，且与 22-甩 油环贴紧，甩 油环 随空心主轴做圆周转动， 通过离心力的作用，将芯捻上吸附的润滑油甩入到 3-圆锥滚子轴承上，润滑油在重力作用下，必然往下流，从而达到润滑的目的，当剩余的润滑油流到上支承处的最下面一个轴承时， 便 在 18-甩油环的作用下，将其甩入油槽，实现润滑 油 的循环作用。 由于 14-下支承座上附有 气动驱动结构和重锤，为了实现冲击的平衡性，在下支承处安装一 圆锥滚子 轴承 9。 上轴承座、下轴承座以及空心主轴围成的排渣压力气缸的密封润滑设计计算，将在第 3章进行详细阐述。 主轴轴承结构装配图 以及各主要零件图见附图 ZJZC-00 06。 2.3 传动部分轴承结构 及润滑方式 设计 2.3.1 托盘与内齿圈轴承结构设计 根据 回旋冲击钻具的总体结构和运动 情况 ， 如下 页 图 2-2 所示 ， 由于 1-外壁与 4-内齿圈相连，而外壁又不能做回旋运动，故 4-内 齿 圈 与 1-外壁相对 为静止， 3-托盘在钻杆的带动下做回转运动，所以托盘相对内齿圈做回转运动，为了减少 3-托盘与 4-内齿圈之间的摩擦和实现托盘的运动，在两者之间加一轴承装置 2， 该轴承装置 是通过 4个螺栓将其拧紧在 3-托盘上的， 为了实现承载 和防摩擦 的需要，在托盘的周边 进行环型布置， 称该 防摩擦装置为环型轴承结构。 nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 11 此轴承装置的零件图与装配图见附图 ZJZC-15 20。 1 外壁； 2 轴承 装置； 3 托盘； 4 内齿圈 图 2-2 2.3.2 太阳轮与托盘轴承结构设 计 如图 2-3， 由于 1-太阳轮的转速高， 2-托盘 是由 行 星轮带动钻杆，再由钻杆带动 2-托盘做旋转运动，所以托盘的转速低，那么在 1-太阳轮与 2-托盘之间就会产生相对的回旋运动，同样在 1 和 2之间加 3-轴承装置，以减少摩擦和实现各自的运动。 3-轴承装置也 同 2.3（ 1）中的轴承装置一样。 1 太阳轮； 2 托盘； 3 轴承装置； 4 空心主轴 图 2-3 2.3.3 孔底钻钻杆轴承结构设计 如下页图 2-4所示 ， 3-孔底钻钻杆在冲击锤的锤击作用下往下运动， 把冲击 力传给钻头进行破岩，然后在 1-弹簧的弹力作用下复位，由于 1-弹簧随 3-孔底钻钻杆作回旋运动， 而 4-挡板并没有绕 3-孔底钻钻杆作回旋运动，所以 1-弹簧相对 4-挡板有回旋运动，为了减少弹簧与挡板之间的摩擦，故在 图示位置装一推力球轴承，根据孔底钻钻杆的截面直径， 选用轴承代号为 51309的推力球轴承 15 。 由于该处转速不高，载荷也不大，nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 12 选用 ZL-3锂基润滑脂 进行润滑 15 。 1 弹簧； 2 轴承； 3 孔底钻钻杆； 4 挡板 图 2-4 2.3.4 孔壁钻钻杆轴承结构设计 图 2-5所示， 3-孔底钻钻杆处安装轴承的作用同 2.3（ 3）孔底钻钻杆处一样，也是为了减少 1-挡板与 4-弹簧之间的摩擦，根据孔壁钻钻杆的截面直径，同样选用轴承代号为 51309的推力球轴承。选用 ZL-3锂基润滑脂进行润滑 15 。 1 挡板； 2 轴承； 3 孔壁钻钻杆； 4 弹簧 图 2-5 2.3.5 太阳轮 与挡板之间轴承 结构设计 如下页图 2-6所示， 1-垫块、 3-太阳轮随 4-空心主轴做回旋运动， 6-挡板在钻杆的作用下也做回旋运动，但是与主轴相连的零件回旋速度大，而挡板是在行星轮的带动下回旋，所以速度底，为了减少 6-挡板与 1-垫块、 3-太阳轮之间的摩擦，故设置一轴承nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 13 轴承结构，该轴承由 2-轴承内圈、 5-钢球 、 7-轴衬外圈组成，滚珠选用标准件， 选用钢球型号为 KU.10， 直径 为 10mm 15 ， 内、外圈特制。同样选用 ZL-3锂基润滑脂进行润滑。 1 垫块 ； 2 轴承内圈； 3 太阳轮 ； 4 空心主轴； 5 钢球 ； 6 挡板； 7 轴承外圈 图 2-6 2.3.6 孔底钻钻杆齿轮处轴承结构设计 如 图 2-7 所示， 由于 3-孔底钻 钻杆齿轮绕 4-孔底钻钻 作回旋运动，同时还要绕支撑杆作公转，其与 1-托盘之间存在相对的回旋运动，但是 孔底钻 钻杆齿轮 与托盘的重叠区域小，为了减少两者之间的摩擦 ，故在 3-孔底钻 钻杆齿轮 与 1-托盘之间设置一轴承结构， 该轴承结构由 2-轴承外挡圈、 5-轴承内挡圈、 6-滚珠和 7-保持架组成，此结构要求在 孔底钻 钻杆齿轮 上开一环行槽，以便 有利与滚珠的运动， 6-滚珠选用标准件， 选用钢球型号为 KU.7， 144， 重量为 1000 个 1.5KG， 直径为 7.144mm 22 。 6-钢球在 7-保持架的护位下环型布置，所以也称该装置为环型轴承结构， 2-轴承外挡圈、 5-轴承内挡圈和 7-保持架零件图见附图 ZJZC-11 14。 1 托盘； 2 轴承外挡圈； 3 孔底钻钻杆齿轮； 4 孔底钻钻杆； 5 轴承内挡圈； 6 钢球 ； 7 保持架 图 2-7 nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 14 2.3.7 孔壁钻钻杆齿轮 处轴承结构设计 如 图 2-8所示， 3-孔底钻钻杆齿轮与 7-挡板之间的摩擦也是由于两者之间的相对运动，相重叠的摩擦区域小，所采用的防摩擦装置同 2.3（ 7）中一样，且轴承结构和零件尺寸都一样，那么在此就不作 过 多阐述了。 1 轴承外挡圈； 2 滚珠； 3 孔壁钻钻杆齿轮； 4 孔壁钻钻杆； 5 轴承内挡圈； 6 保持架； 7 托盘 图 2-8 2.3.8 钻底处轴承结构设计 如 图 2-9所示，由于 1-钻底挡板相对 6-钻壁作回转运动，且 6-钻壁要托住 1-钻底挡 板，为了减少两者之间的摩擦，在两者之间加一轴承结构，该轴承由 3-轴承内圈、 5-轴承外圈和 4-滚珠装配而成，由于钻底环境恶劣，为了减少沙石进入轴承中，在 6-钻壁上设置一沟槽，并用 2-毛毡密封圈进行密封。 该轴承中 4-钢球 选用标准件， 选用钢球型号为 KU.20， 638， 其直径为 20.638mm 22 。 1 钻底挡板； 2 毛毡密封圈； 3 轴承内圈； 4 钢球 ； 5 轴承外圈； 6 钻壁 图 2-9 nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 15 2.3.9 润滑方式设计 由于机构特性 的 决定 ，同时 为了简化结构 和降低成本 ，建立刃具星形运动的齿轮组等大部件，不可避免的只能在泥浆中润滑， 除开以上已经设计过润滑方式的轴承结构，传动部分其它轴承结构 和齿轮等 均 采 用泥浆润滑， 该泥浆是利用小管道从地面配好输送进来的， 但 这就需要齿轮组采用高锰类耐磨钢特性材料（履带、锷板和道岔类材料），有适应在泥浆砂石中工作的材质要求。以解决有关部件难以密封的滚动、滑动和齿轮摩擦的润滑以及锈蚀问题。另外还需加设防护罩和隔离板，以防异物影响和损坏机件运行。 2.4 轴承结构主要零件 的 工艺分析 图 2-10 所示零件 为主轴轴承结构的 轴承套 零件， 该零件外圆内套在上轴承座中，内 孔 与轴承配合， 主要作用是 减小其同轴度的误差 和降低轴承座的加工 难度 。 该产品为新 研 发产品 ,选用单件生产。待研制成功 ,普及后选用批量生产。 材料为 ZCuSn10P1， 这 种材料耐高温和摩擦，强度高。 图 2-10 轴承 套零件图 nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 16 2.4.1 轴承套 的技术条件和工艺分析 该轴承套属于 长 套筒，其主要技术要求为： 440h7 外圆对 400H7 内 孔的径向圆跳动公差为 0.1mm；左端面对 400H7 内 孔轴线的垂 直度公差为 0.1mm。轴承套外圆为IT7 级精度，采用精车可以满足要求；内孔精度也为 IT7 级，采用 镗 孔可以满足要求。内孔的加工顺序为： 半 精镗 精镗 浮动镗刀块精镗 。 由于外圆对内孔的径向圆跳动要求在 0.1mm内，用软卡爪装夹无法保证。因此精车外圆时应以内孔为定位基准，使轴承套在 大 锥度心轴上定位，用两顶尖装夹。这样可使加工基准和测量基准一致，容易达到图纸要求。 2.4.2 轴承套的加工工艺 表 2 2为轴承套的加工工艺过程。 表 2-2 轴承套的加工工艺过程 序号 工序名称 工序内容 定位与夹紧 1 铸造、清沙 2 时效处理 3 车 1.粗车外圆 460mm 至 450mm 及M4501.5mm 螺纹（工艺用） ， 车空刀槽 3 1mm 三爪卡盘夹一端，大头顶尖顶另一端 2.车端面及倒角 三爪卡盘夹一端，搭中心架托 450m处 3 调头 车端面及倒角取总长 315mm 4 镗 1半精推镗孔到 380mm 一端用 M4501.5mm螺纹固定在夹具中，另一端搭中心架 2精推镗孔到 390.85mm 3 浮动镗刀镗孔 到 尺寸， 表面粗糙度值 Ra为 1.6m 5 车 1车去工艺螺纹，精车 外圆 450mm至尺寸 软爪夹一端，以孔定位顶另一端 6 钻 钻径向油孔 18mm 440mm外圆及端面 7 检查 nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 17 第三章 排渣压力气缸密封润滑方式设计 该回旋冲击 钻具采取反循环气升排渣 ， 也就是利用空气压缩机将高压气体 压入 井下空心主轴内，通过气升来实现排渣。 因空心主轴作回 旋 运动，为了避免通气管 不 被空心主轴扭成一团，故 通气管不能直接 与 空心主轴 相连， 所以设置 如右图 3-1 所示的 排渣压力气缸 ， 该压力气缸是 1-上轴承座、 2-下轴承座和 6-空心主轴所围成的空腔， 通过 1、 4、 7 处的密封装置来实现的。 为 了减少其它杂质对 1、 4处密封装置密封效果的影响， 故在密封装置 1的上方和密封装置 4 的下方分别设置一个毛毡密封 ，以加强对 1、 4处密封装置的保护 。 1、 4、 7处密封装置中的密封圈使用 O 形密封圈， 这 种密封圈的 工作介质 为 ：液压油、 润滑油、 气体 。 其 能承受的最大工作压强为a70， 而该 排渣 1、 4、 7 密封装置； 2 上轴承座； 3 下 压力 气 缸内压强不到a10， 并且 这种 轴 承座； 5、 8 毛毡密封圈； 6 空心主轴 密封圈的 温 度 适用 范 围在 C40 到 图 3-1 排渣压力气缸 C120 之间 ， 故能 满足 要求 。 为了加强 1、 4、 7处密封装置的密封性能，在以上三处加入润滑油，选择 20号 QB汽油机润滑油，该润滑油主要用于缸活塞的润滑 15 。 本章以下内容 将 分别对 1、 4、 7 处密封装置进行设计计算。 3.1 上轴承座处密封设计 3.1.1 密封圈的选择 已知旋转轴轴径 2d =310mm,根据公式 ： nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 18 1d （ 1.03 1.07） 2d 23 （ 3-1） 式中 2d 为旋转轴轴径， 1d 为 O形密封圈实际内径。 由公式（ 3-1）可得： 1d （ 1.03 1.07） 310 319.3mm 1d 331.7mm 根据 1d 的取值范围 选择 O形密封圈 公称外径 335D mm， 断面直径 6.80 dmm，材质为耐油 耐高温 橡胶 -2 23 。 其标记 如下 ： O形密封圈： 335 8.6，橡胶 -2， GB1235-76。 3.1.2 沟槽尺寸设计 由于主轴进行旋转运动， 根据以上选定 的 O 形密封圈， 结合图 3-2 所示结构， 可得以下沟槽尺寸： H=8.2mm,沟 槽宽度 1B =12.2，允许公差为 +0.20, r=0.2 mm， R=0.5 mm. 23 根据公式： HdD 22 23 （ 3-2） 式中 D 为 O形密封圈沟槽外径 ， 2d 为旋转 轴轴径， H 在 1.2中已经查出， H =8.2 mm. 由公式（ 3-2）可得： 2.82310 D =326.4 (mm) 3.1.3 挡圈 作用与 选择 图 3-2 上轴承座处沟槽 O 形密封圈破坏的重要原因之一就是在工作压力作用下被挤入间隙内， 从而使 O 形密封圈严重变形，以 至受到破坏而影响密封效果。 如下 页 图 3-3所示： 压力方向压力方向nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 19 图 3-3 密封圈被挤入间隙 那么在密封圈 受气体压力的另 一端加一挡圈，则可 以 阻止密封圈被挤入间隙 23 ，其结构见下图 3-4所示 ： 压力方向图 3-4 挡圈的设计 根据 3.1.1 中选定的 O 形密封圈的公称外径 D=335 mm、断面直径0d=8.6 mm， 可选 挡圈标外径 3352 D mm，厚度 5.2T mm，材质为聚四氟乙烯 A型 23 。其标记为： 挡圈 A335 2.5聚四氟乙烯 GB1235-76 3.2 下轴承座处密封设计 3.2.1 密封圈的选择 已知旋转轴轴径 2d =240 mm,根据公式 （ 3-1） ： 1d （ 1.03 1.07） 2d 式中 2d 为旋转轴轴径， 1d 为 O形密封圈实际内径。 由公式（ 3-1）可得： 1d （ 1.03 1.07） 240 247.2 mm 1d 256.8 mm nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 20 根据 1d 的取值范围选择 O 形密封圈公称外径 260D mm， 断面直径 7.50 dmm， 由于该处有摩擦，所以选择 材质为耐油 耐高温 橡胶 -2 23 。其标记如下： O形密封圈： 260 5.7，橡胶 -2， GB1235-76。 3.2.2 沟槽尺寸设计 由于主轴进行旋转运动，根据以上选定的 O 形密封圈， 结合图 3-5， 可得以下沟槽尺寸： H=5.4mm, 沟槽宽度 1B =8.5，允许公差为 +0.20， r=0.2mm，R=0.4mm。 23 根据公式 （ 3-2） ： HdD 22 式中 D 为 O形密封圈沟槽外径， 2d 为旋转 轴轴径， H 在上面 已经查出， H =5.4mm. 由公式（ 3-2）可得： 4.52260 D =270.8 (mm) 3.2.3 挡圈 的 选 择 根据 3.2.1 中选定的 O 形密封圈的公称外径D=260mm、断面直径0d=5.4mm， 选择 挡圈 外径2602 D mm， 厚度 2T mm，材质为聚四氟乙烯 图 3-5 下轴承座处沟槽 A型 23 。其标记为： 挡圈 A260 2s 聚四氟乙烯 GB1235-76 3.3 上轴承座与下轴承座 连接 处 密封设计 3.3.1 连接 处密封结构设计 由于 4-上轴承座与 3-下轴承座之间不会发生相对运动，那么在该处的密封就不需考虑摩擦的问题，属于静止密封， 把 6、 7-O 形密封圈紧压入下轴承座的 U 形槽内， 为了更大限度的减少间隙，涂上润滑油， 然后用 1-螺栓和 8-螺母拧紧，中间加 2-弹簧垫压力方向nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 21 圈， 以 防止螺母松散。 该种结构 不但简单，而且 密封性能稳 定可 靠且 能有效的对 高压 气体进行密封， 其结构 如下图 2-7所示： 1 螺栓； 2 弹簧垫圈； 3 下轴承座（排渣气缸）； 4 上轴承座； 5 空 心主轴； 6、 7 O 形密封圈 ； 8 螺母； 图 3-6 连接 处密封设计 3.3.2 密封圈的选择 由于 3-下轴承座（排渣气缸）的内壁与 1-螺栓位置的限制，那么 O 形密封圈 应落在以 5-空心主轴的中心为 中心 ，内、外直径 分别 为 410 mm、 553 mm 的 圆环范围内 。 密封圈的 选择 如下 ： 选择 的 7-O 形密封圈公称外径 为 500D mm，断面直径 为 6.80 dmm， 实际内径1d =484.3mm， 又该处无摩擦，故其温度不 高，所以选择材质为耐油通用橡胶 -2 23 。其标记如下： O形密封圈： 500 8.6，橡胶 -2， GB1235-76。 选择 的 6-O 形密封圈公称外径 450D mm，断面直径 6.80 dmm， 实际内径1d =435.3mm， 材质为耐油通用橡胶 -2 23 。其标记如下： O形密封 圈： 450 8.6，橡胶 -2， GB1235-76。 nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 22 3.3.3 下轴承座（排渣气缸）上 U 形槽尺寸设计 如右图 3-7所示， 根据 3.3（ 2） 已经选定的密封圈，其实际内径分别为 484.3 mm、 435.3 mm，断面直径为 8.6 mm， 由于 O形密封圈具有伸缩性，设计时使 d 稍微小于 6 O 形密封圈的实际公称内径 ,取 d =435 mm； D 稍微小于 7 O形密封圈的实 际公称内径 ,取 D =484 mm； 使 R大 于密封 圈断面直径，取 R=9 mm。为减少密封圈的被压缩 图 3-7 连接 处密封设计 程度，取 h=2 mm。 nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 23 第四章 滚筒设计 在 钻具与井底相接触的地方设置一滚筒组， 用来支撑钻具 和减少摩擦 ， 其滚筒布置如 图 4-1所示： 图 4-1 滚筒布置图 以下 内容 是对 滚筒 进行 的设计计算。 4.1 芯轴的设计 4.1.1 选择轴的材料 由于该芯 轴 是与支架固定的，轴本身不转动， 所承受的转矩 几乎为零 ， 又该滚筒主要起支撑作用，那么此芯轴主要 承受径向 冲击载荷 ， 故 选 材 料 45钢 调质 ，其参数 如下： aP 1551 11 4.1.2 初步确定轴的最小直径 根据钻具现有结构和零件的布置， 如 图 4-1所示， 再结合该课题组中钻具总体结构设计给出的 尺寸 限制， 滚筒 落在长 宽 高为 210mm 180mm 180mm的矩形范围内。 考虑到轴承和滚筒壁的厚度，初步拟订该芯轴的最小轴径为 d =28mm。 4.1.3 轴的结构设计 1）轴肩设置 因为轴承与轴配合的地方精度要求高，为了减少轴的精加工长度，装轴承处的轴径应大于最少轴径 28mm,以便 设置轴肩 ，其值为 1mm。 所以 轴承装配处的轴径为28mm+2mm=30mm。轴承的一端靠端盖轴向固定，另一端则在轴上设置另一轴肩，轴肩的高度要通过所选轴承的装配尺寸来确定，在 下面的 3）处进行设计。 nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 24 2）初步选择轴承 虽然 轴承只受径向力作用， 但是为了实现轴承的轴向定位，简化结构， 故选用圆 锥滚子轴承。参照工作要求并根据 此处轴径 30mm， 选择 轴承为： 代号 30206，其尺寸为 BDd 30mm 62mm 17.25mm 15 3） 轴 段 的长度 和轴径 的设置 取安装 轴承处 的轴段 -、 V - V 的 长度 l vvl 18mm，轴径已知VVd = d 30mm,两轴承 之间制一轴肩进行定位，轴肩的高度 根据轴承的装配尺寸确定， 取 h =3 mm，所以轴段 vd =36mm。 4）轴 与支架的 定位 轴 与支架的周向 定位 采用平键联接。 根据 d 、 VVd 选择 平键截面hb =8mm 7mm, l 30mm， t 4.0mm, 1t 3.3mm 15 ,键槽用键槽铣刀加工 。 5） 轴上零件的 轴向定位 安装在轴上的零件只有两个相同型号的轴承， 其在轴上对称布置，在它们之间已有一轴肩，可以防止两轴承向中间游动，为了不让轴承向轴端游动，在轴的两 端 分别装一端盖， 端盖与滚筒用螺栓拧紧，端盖的内圈伸进滚筒 孔 抵住轴承的外圈，从而实现轴承在轴上轴向定位。 6）确定轴上圆角和倒角尺寸 零件倒角 C和圆角半径 R的值查 文献 11P357页列表如下： 表 4 1 直径 d 18 30 30 50 50 80 C或 R 1.0 1.2 1.6 2.0 取轴端倒角为 1 45o。 其它倒圆 R为 1.5。 7）轴的结构与装配 轴的结构与装配如下 页 图 4-2： nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 25 图 4-2 芯轴结构 与装配 4.1.4 按 轴的剪切强度 校核 芯 轴 由于此 芯 轴很短，且 无 转 矩， 只是承受径向载荷，同时也伴随 有 径向冲击载荷， 那么 可近似 按轴的剪切强度进行 校核， 已知钻具的 自 重和冲击力总和为 544KN,该力 绝 大部分用于冲 击 钻 杆进行破岩， 一部分用于抵消外壁与井壁的摩 擦力， 最后 剩余的力 最多只有 10%传到滚筒上，而该 滚筒 组共3个 ，每个滚筒上有 2对轴承，从极限考虑，假设 该力只有 一个滚筒承受，那么 可以求 出 剪切力 F为 27.2KN。 受力情 图 4-3 况 如 图 4-3所示： 根据公式： AFs12 （ 4-1） 从而可得： aPAF 2.44)1028(4102.27233前面已经查得 aP 1551 ，所以 1 ， 故该芯轴满足剪切强度要求。 4.2 滚筒结构与密封润滑方式设计 4.1中已经 对滚筒的芯轴进行了设计， 同时也选好了轴承和键。 根据滚筒的工作条件和功能的需要， 需设置一钢筒，并且在两端加端盖， 采用毛毡密封圈进行密封， 密封是nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 26 为了阻止沙石进入滚筒内， 如 图 4-4所示： 1 键； 2、 6 毡圈油封； 3 圆柱滚子轴承； 4 芯轴； 5 钢筒； 7 端盖； 8 螺栓 图 4-4 滚筒 结构图 滚筒内轴承采用脂润滑 ， 由于滚筒在有水的环境中工作，所以要用耐水的润滑脂来实现轴承的润滑， 选用 L-XAAMHA1钙基润滑脂 15 。 滚筒的装配图以及 零件图见附图 ZJZC-07 10。 nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 27 第五章 气动驱动结构零件 的 选材 与 载荷设计 5.1 气动驱动结构零件的选材 机械都是由多种不同性能的材料加工成的零件组装而成的， 显然，正确的选择和合理的使用材料十分重要。 下面 就针对右图5-1所示的气动驱动 结构中的零件进行材料性能要求分析， 1-缸盖、 2-缸 筒和 5-排渣气缸 对材料有刚度 、强度、尺寸稳定性要求 ；4-可动活塞和 5-固定活塞对材料有强度要求； 3-冲击锤对材料有强度、冲击韧度、耐摩性要求。 根据以上零件对材料的使用性能要求， 查 文献 16表 10-21和 文献 15 表 2 1 缸盖； 2 缸筒； 3 冲击锤； 4 可动活 -3，选择气动 驱动 结构零件的材料归纳如表 塞； 5 排渣气缸； 6 固定活塞 5-1所示： 图 5-1 气动驱动结构 表 5-1 主轴轴承结构及润滑方式的设计方案 零件名称 缸盖 缸筒 可动 活塞 排渣气缸 固定活塞 冲击锤 材料 HT250 HT250 45 HT250 45 20 5.2 冲击 载荷 的 设计与 主要零件的强度 校核 5.2.1 冲击 载荷的设计 钻具在钻进的过程中，会遇到 各种 不同 的 地层， 而不同地层 的 物质构成 显然是不一样的 ， 根据该回旋冲击钻具的设计要求： 设计后该钻具 能 适应 各种软硬不同的地质 条件 。也就是说能够在 比较坚固 的 砂质页岩 和 页岩质砂岩 中 进行 钻进 。 该地层 岩石的单轴抗压强度 为 3 50MPa7 。 该钻具是由许多小钻头组成的钻头群进行共同作业的， 从 总体设计中 可得 钻头群 中小钻头的个数为 15 个 ，单个小钻头作用在岩石上的冲击面积约为 825 2mm ， 由于 各个小钻头是在星行运动的带动下做回旋或公转运动，且并不是每个钻头都同时作用在岩石nts回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 28 上，那么设一钻头群 同时作用系数 ，取 =0.8， 而所