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緒論
國內(nèi)外的科技現(xiàn)狀國內(nèi)：“六五”—“九五”期間，我國地質(zhì)調(diào)查工作中探礦工藝與設(shè)備獲得長(zhǎng)足發(fā)展，在引進(jìn)、消化、吸收的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了一大批新技術(shù)、新裝備，如：以繩索取心為主體的金剛石鉆探技術(shù)；液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)；受控定向鉆探技術(shù)（含對(duì)接井施工技術(shù)）；多工藝空氣鉆探技術(shù)（中心反循環(huán)連續(xù)取樣及空氣潛孔錘鉆探技術(shù)）；水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆探技術(shù)；人造金剛石超硬復(fù)合材料及其鉆頭；低固相泥漿等鉆井液應(yīng)用及護(hù)壁堵漏技術(shù)；XY系列、CD系列、全液壓等新型巖心鉆機(jī)及配套裝備；水文水井鉆探設(shè)備；短淺坑道機(jī)械化作業(yè)線等等。在這一領(lǐng)域，我省煤田地質(zhì)局在煤田地質(zhì)鉆探方面，成功地采用了受控定向鉆探技術(shù)，并完善了SMQ-1型取芯器，發(fā)展成3SMQ-2型取芯器；此外，還研制改進(jìn)了煤層氣儲(chǔ)存監(jiān)測(cè)罐。地礦、煤田系統(tǒng)多工藝空氣鉆探技術(shù)的采用更加完善和成熟。 國外：傳統(tǒng)的地質(zhì)勘查工程技術(shù)與裝備已十分成熟。立軸式液壓鉆機(jī)仍然是主要機(jī)型，全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)獲得廣泛應(yīng)用，美國金剛石巖心鉆機(jī)制造商協(xié)會(huì)制定的DCDMA標(biāo)準(zhǔn)仍然占據(jù)鉆探管材和鉆具市場(chǎng)的主流，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的TC82（礦業(yè)技術(shù)委員會(huì)）/SC6（金剛石鉆探設(shè)備分技術(shù)委員會(huì)）也制定了一些標(biāo)準(zhǔn)，可能成為今后的發(fā)展方向。
通過調(diào)研了解到，對(duì)鉆孔深度100米左右的鉆機(jī)需求量比較大，而目前的100米鉆機(jī)，存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。鑒于以上原因，我們決定開發(fā)100米鉆機(jī)。經(jīng)幾次方案討論決定，鉆機(jī)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：
1. 經(jīng)濟(jì)耐用可靠、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉；
2. 便于解體搬運(yùn)；
3. 體積小，重量輕；
4. 操作簡(jiǎn)單，維修方便；
5. 適用于Φ42、Φ50mm兩種鉆桿；
6. 適用于合金鉆頭或金剛石鉆頭鉆進(jìn)；
7. 鉆進(jìn)速度快，效率高；
8. 動(dòng)力為電機(jī)或柴油機(jī)。
第1章 總體設(shè)計(jì)
經(jīng)過調(diào)研和幾次方案論證，考慮到現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，從實(shí)用角度出發(fā)，確定方案如下：
1. 考慮到井下、井上和野外作業(yè)，動(dòng)力可選電機(jī)或柴油機(jī)。
2. 考慮到有軟巖石、硬巖石的鉆進(jìn)，除了正常的鉆進(jìn)速度外，增加高速340r/min。
3. 鉆機(jī)除配機(jī)動(dòng)絞車外，增加了液壓卡盤減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約時(shí)間，提高有效鉆進(jìn)速度。
4. 考慮到高轉(zhuǎn)速時(shí)，絞車速度不能太快，所以增加了互鎖裝置，安全可靠。
5. 由于本機(jī)動(dòng)力較大，動(dòng)力由V型帶傳動(dòng)到變速箱的傳動(dòng)軸上易使傳動(dòng)軸彎曲，所以增加了卸荷裝置。
6. 采用二級(jí)回歸式變速箱，減少變速箱體積，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，選用不同的鉆進(jìn)速度。
7. 設(shè)置壓帶輪，皮帶調(diào)整安全可靠。
8. 在滿足上述要求的同時(shí)，盡量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適于整體或解體搬運(yùn)。盡量做到標(biāo)準(zhǔn)化, 通用化，系列化。
第2章 鉆機(jī)技術(shù)特性
1. 鉆進(jìn)深度 100m
2. 鉆孔直徑
1〕開孔直徑 89ｍ
2〕終孔直徑 60ｍｍ
3. 鉆孔傾斜角度 0～360°
4. 立軸轉(zhuǎn)速 110、190、340ｒ/min
5. 立軸行程 400ｍｍ
6．最大液壓給進(jìn)壓力 4MPa
7．卡盤最大工作壓力（彈簧常閉式液壓卡盤） 6MPa
8．立軸內(nèi)孔直徑 52ｍｍ
9．油缸最大起拔力 28.5KN
10．油缸最大給進(jìn)力 20KN
11. 絞車提升速度 0.25、0.57、0.65m/s
12. 絞車轉(zhuǎn)速 28、50、78r/min
13．絞車提升負(fù)荷
⑴．0.75m/s 3.35KN
⑵. 0.44m/s 6.00KN
⑶. 0.22m/s 12KN
14. 卷筒
⑴ 直徑 140mm
⑵ 寬度 100m
⑶ 鋼絲繩直徑 8.8mm
⑷ 容繩長(zhǎng)度 32.8m
15．配備動(dòng)力
1． 電動(dòng)機(jī)
① 型號(hào) YB160M－4
② 電壓 380/660V
③ 功率 5.5KW
④ 轉(zhuǎn)速 1440r/min
2． 柴油機(jī)
① 型號(hào) S1100
② 功率 5.5KW
③ 轉(zhuǎn)速 1500r/min
16．外型尺寸（L×h×b） 1370×685×1200mm
17．重量（不含柴油機(jī)） 750Kg
第3章 動(dòng)力機(jī)的確定
本機(jī)組的驅(qū)動(dòng)裝置采用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，因?yàn)檫@種動(dòng)力機(jī)重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便易實(shí)現(xiàn)防爆。
為了便于搬運(yùn)和機(jī)場(chǎng)的布置，鉆機(jī)和水泵各用一臺(tái)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，而回轉(zhuǎn)器與油泵共用一臺(tái)電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。
輸出功率為N。
N。＝1.2Nj
式中：Nj—鉆機(jī)所需功率 KW
Nj＝（Nh＋Ny）/η
式中: Nh—回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)所需功率 KW η—效率 η=0.85
Ny—油泵所需功率 KW
Nh=N1+N2+N3
式中: N1—井底破碎巖石、土層所需功率 KW
N2—鉆頭與孔底摩擦所需功率 KW
N3—回轉(zhuǎn)鉆桿所需功率 KW
3.1 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及破碎巖石、土層所需功率 KW
Nh=N1+N2+N3
1. N1= 3-1
式中: m—鉆頭切削刃數(shù) 取m=6
n—立軸轉(zhuǎn)速 r/min
h—鉆進(jìn)速度 h=1.5cm/min.
δ—巖石抗壓強(qiáng)度,其值見表3-1
A— 井底環(huán)狀面積，取鉆頭直徑D=7.3cm,內(nèi)孔直徑 d=5.8cm,
A=π(D2–d2)/4=π(7.32–5.82)/4=15.43cm2
2. N2=δ×f×e×n(R+r)/1944800 3-2
式中: δ—孔底壓力或巖石抗壓強(qiáng)度.
f—鉆具與巖石直接的摩擦系數(shù) f=0.3
e—側(cè)摩擦系數(shù) e=1.1
n—立軸轉(zhuǎn)速
R—鉆頭外圓半徑 R=3.65cm
r—鉆頭內(nèi)孔半徑 r=2.91cm
將立軸不同轉(zhuǎn)速和不同空底壓力代入式3-2中,所得相應(yīng)數(shù)值見表3-2。
3. N3=7.8×10－11×L×d×n1。7 (當(dāng)n<200r/min時(shí)) 3-3-1
N3=0.92×10－11×d2×r×L×n1。33 (當(dāng)n>200r/min時(shí)) 3-3-2
式中：L—孔深 ， 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時(shí)，取L＝150000mm
金剛石鉆進(jìn)時(shí)，取L＝75000mm
d—鉆桿直徑 ，取d=42mm計(jì)算
n—立軸轉(zhuǎn)速，
r—沖洗液比重。 r=1.15
將上述參數(shù)及立軸不同轉(zhuǎn)速代入上式，所得值列表3－2中。
3.2 給進(jìn)油缸所需功率的計(jì)算
3.2.1. 給進(jìn)油缸的基本參數(shù)
1）給進(jìn)油缸的數(shù)量 n＝2
2）油缸直徑 D＝55mm
3）活塞桿直徑 d＝30mm
4）活塞桿有效行程 L＝400mm
5）油缸面積 A1＝23.76cm2
6）活塞桿面積 A2＝7cm2
7）有效面積 A＝A1－A2＝16.76cm2
3.2.2．油缸工作壓力的計(jì)算
鉆機(jī)大水平孔時(shí)，油缸的最大推力為：
W＝C＋Fm
式中：W—油缸最大推力
C—孔底最大壓力 C＝10000N
Fm—鉆桿與孔壁間的摩擦力
Fm＝q×L×f
式中：q—鉆桿單位長(zhǎng)度重量 q＝45.6N/m
L—鉆桿長(zhǎng)度 L＝1050m
f—摩擦系數(shù) f＝0.35
Fm＝45.6×1050×0.35=1675.8N
W=10000+1675.8=11675.8N
油泵的工作壓力P
P=W/A=11675.8/16.76=696.6N/cm2
3.2.3.油泵最大工作流量計(jì)算
油缸回程時(shí)的最大容油量:
V1=A1×L=23.76×40=950.4mL=0.9504L
油缸送進(jìn)時(shí)的最大容油量:
V2=A×L=16.76×40=0.6704L
當(dāng)選用立軸的鉆進(jìn)速度V=0.06m/min=0.6dm/min時(shí),立軸送進(jìn)時(shí)每分鐘所需的油量為:
Q=2AV=2×0.1676×0.6=0.2
令活塞回程時(shí)間為0.3min,則回程所需油量為:
Q1=0,9504×2/0.3=6.336
3.2.4.給進(jìn)油缸功率Ny
Ny=PQ/60×102=696.6×0.2/60×102=0.023
3.2.5.根據(jù)上面的計(jì)算,
選用YBC—10/80型齒輪油泵(排油量10L/min,壓力800N/cm2 )。油泵滿負(fù)荷時(shí)所需功率是:
Ny=PQ/60×102×η1×η2
式中:P—額定壓力 P=800N/cm2
Q—額定流量 Q=10L/min
η1—機(jī)械效率 η1=0.9
η2—容積效率 η2=0.71
Ny=800×10/60×102×0.9×0.71=2.04KW
3.3動(dòng)力機(jī)功率的確定
通過上述的計(jì)算說明，立軸鉆進(jìn)時(shí)給進(jìn)所需功率很小，而且油泵滿負(fù)荷工作時(shí)一般是立軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，液壓卡盤松開時(shí)，必須停止鉆進(jìn)。所以參考表3—2本機(jī)選用5.5KW電機(jī)或柴油機(jī)，基本能滿足表3—2中粗線以上各種工作狀態(tài)。
表3—1
巖 石 名 稱
抗 壓 強(qiáng) 度 δ（N/cm2 ）
粘土、頁巖、片狀砂巖
4000
石灰?guī)r、砂巖
8000
大理石、石灰?guī)r
10000
堅(jiān)硬的石灰?guī)r、頁巖
12000
黃鐵況、磁鐵礦
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/η
3.4129
3.6179
3.6814
N0=1.2Nj
4.0920
4.3415
4.4177
第4章 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 主要參數(shù)的選擇
4.1.1 回轉(zhuǎn)器
立軸的轉(zhuǎn)速，主要取決于地質(zhì)條件、鉆頭直徑及鉆進(jìn)方式，當(dāng)使用直徑為75mm鉆頭時(shí)，采用硬質(zhì)合金和鉆粒，根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，立軸轉(zhuǎn)速取n＝90～400r/min比較適宜；采用金剛石鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，立軸轉(zhuǎn)速取n＝400～1000r/min比較適宜。本機(jī)選用110～340r/min，即適合合金鉆頭鉆進(jìn)，由適合金剛石鉆頭鉆進(jìn)。
4.1.2 升降機(jī)
為了減輕鉆機(jī)重量，不使動(dòng)力機(jī)過大，絞車的纏繩速度不宜過高，基本上采用低速，本機(jī)升降機(jī)速度為0.22~0.66m/s。
4.1.3 變速箱
參考國內(nèi)外現(xiàn)有小型鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速系列，本機(jī)采用了不規(guī)則排列的中間轉(zhuǎn)速系列。
（1） 立軸有三種轉(zhuǎn)速，110、190、340r/min轉(zhuǎn)速適合合金鉆
頭鉆進(jìn)。
（2） 卷筒纏繩速度為三種，見表4—1
表4－1
Ⅰ檔
Ⅱ檔
Ⅲ檔
立軸轉(zhuǎn)速 r/min
110
190
340
纏繩速度 m/s
0.22
0.37
0.66
4.2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)
機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)路線見圖4－1
傳動(dòng)計(jì)算如下：
1.立軸的轉(zhuǎn)速:
nⅠ=n×D1/D2×Z1/Z2×Z3/Z4×Z10/Z11
式中: nⅠ—立軸的第一檔轉(zhuǎn)速 r/min
n—電機(jī)轉(zhuǎn)速 n=1440r/min
D1—主動(dòng)皮帶輪直徑 D1=125mm
D2—大皮帶輪直徑 D2=285mm
Z1—Z11傳動(dòng)鏈中各齒輪的齒數(shù),Z1=31,Z2=54,Z3=31,Z4=54
Z10=21,Z11=39
nⅠ=1440×125/285×31/54×31/54×21/39=112.1≈110r/min
nⅡ=n×D1/D2×Z1/Z2×Z5/Z6×Z10/Z11
式中:Z5=42,Z6=43
nⅡ=1440×125/285×31/54×42/43×21/39=190.69≈190r/min
nⅢ=n×D1/D2×Z1/Z4內(nèi)×Z10/ Z11
式中: Z4內(nèi)=31
nⅢ=1460×160/365×31/31×21/39=340.08≈340r/min
考慮到皮帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、軸承等的效率，所以各檔轉(zhuǎn)速確定為110、190、340r/min。
2. 絞車的纏繩速度
V1=πD(n×D1/D2×Z1/Z2×Z3/Z4×Z9/Z12/Z13/Z14)/60000 m/s
式中:D=D0+d=140+8.8=148.8mm
式中:D0=140mm為卷筒直徑,d=8.8mm為鋼絲繩直徑。
V1=π×148.8(1460×160/365×25/31×18/38×33/83×18/18×18/54)/60000
=0.22m/s
V2=0.44m/s V3=0.75m/s (計(jì)算從略)
考慮到皮帶、軸承、齒輪等的效率，確定絞車提升速度分別為：
U1＝0.22m/s U2=0.44m/s U3=0.75m/s。
第5章 回轉(zhuǎn)器
5.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
回轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)如圖5－1所示，是由本體、立軸、立軸導(dǎo)管、弧齒錐齒輪等組成。立軸上端裝有常閉式液壓卡盤。其特點(diǎn)是：
1、回轉(zhuǎn)器尺寸小、緊湊。
2、回轉(zhuǎn)器適用于各種角度的孔的鉆進(jìn)。
3、離開孔口采用開箱式，簡(jiǎn)單可靠，減輕鉆機(jī)重量。
4、立軸行程比過去小型鉆機(jī)大，為500mm，縮短鉆進(jìn)輔助時(shí)間。
5.2 零部件的強(qiáng)度與壽命計(jì)算
弧齒錐齒輪副的強(qiáng)度校核:
Z10與Z11的主要參數(shù)見表5－1。齒面硬度Z10為HRC52、Z11為HRC57，錐距R＝77.515m,節(jié)錐角δ10=28018’ 22”,δ11=61041’28”
表5-1
齒 號(hào)
齒 數(shù)
模數(shù)
變位
系數(shù)
齒寬
材料
齒頂系數(shù)
壓力角
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
齒輪在各種轉(zhuǎn)速下傳遞的功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩見表5－2
表5－2
功率 KW
轉(zhuǎn)速 r/min
轉(zhuǎn)矩 n·m
5.17
632
80
5.07
208
233
5.07
354
137
5.2.1 齒面按接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
（1）接觸應(yīng)力бH＝Z·E· 1.5ftmaxKAKVKHβZR· 3 Ft1 N/mm2
b·d1·I Ftmax
ZE—彈性系數(shù) ZE＝189.8 N/mm2
Ft1=Ftmax—小輪運(yùn)轉(zhuǎn)中最小切向力 Ftmax=2758N
KA—使用系數(shù) KA=1.25
Kv—?jiǎng)虞d系數(shù) KV1=KV2=1
KHβ—齒間載荷分布系數(shù) KHβ=1.2
Zx—尺寸系數(shù) Zx=1.0
ZR—表面狀況系數(shù) ZR=1
b—有效齒寬 b=22mm
d1—小輪大端分圓直徑 d1=94.5mm
I—幾何系數(shù) I=0.1
將以上各值代入上式,得бH=1197N/mm2
(2)接觸疲勞極限應(yīng)力
б’HIin=бHIin·ZN·ZW/ZQ N/mm2
бHIin—接觸疲勞極限應(yīng)力 бHIin＝1352
Zw—gz工作硬化系數(shù) Zw＝1
ZN—壽命系數(shù) ZN＝1
ZQ—溫度系數(shù) ZQ=1
б’HIin=1352×1×1=1352
(3)安全系數(shù):
SH=б’HIin/бH=1352/1197=1.12>SHIin=1 所以安全。
5.2.2 彎曲疲勞強(qiáng)度極限應(yīng)力
（1） 計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力
бF＝Ft·KA·KU·KFβ·YX/b·ms·J N/mm2
Ft—作用于大端分度圓上的切向力 Ft=2758N
KA—使用系數(shù) KA =1.25
Kv—?jiǎng)虞d系數(shù) Kv=1
KFβ—載荷分布系數(shù) KFβ＝1.15
Yx—尺寸系數(shù) Yx＝1
ms—大端端面模數(shù) ms=4.5
J—幾何系數(shù) J＝0.18
бF＝141N/mm2
（2） 齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力
б’FIim＝бFIim· YN/YQ N/mm2
YQ—溫度系數(shù) YQ＝1
YN—壽命系數(shù) YN＝1
бFIim—齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力 б’FIim＝206.82N/mm2
（3） 安全系數(shù)
SF＝б’FIim/бF＝206.82/141=1.46>SFmin=1
所以安全。
第6章 變速箱的設(shè)計(jì)與計(jì)算
6.1 變速箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
變速箱的結(jié)構(gòu)如圖6－1所示，它是由變速部分、分動(dòng)部分及操縱部分和殼體等組成。也是變速部分和分動(dòng)部分合為一體的傳動(dòng)箱。其特點(diǎn)是：
1、采用了回歸式的傳動(dòng)形式，箱體呈扁平狀，有利于降低鉆機(jī)的高度，齒輪Z4即是移動(dòng)齒輪由是結(jié)合子，因此結(jié)構(gòu)緊湊。
2、變速、分動(dòng)相結(jié)合，減少了零件數(shù)目，有效利用變速箱內(nèi)的空間。
3、操縱結(jié)構(gòu)采用了齒輪齒條撥叉機(jī)構(gòu)，操縱靈活可靠，每個(gè)移動(dòng)齒輪單獨(dú)控制，并有互鎖裝置，這種互鎖裝置安全可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
4、增加了卸荷裝置，減少了軸齒輪的受力狀況。
6.2 零件的強(qiáng)度計(jì)算
1、在校核零件的強(qiáng)度時(shí)，假設(shè)電機(jī)的功率全部輸入變速箱，然后再輸入絞車和回轉(zhuǎn)器。
2、變速箱在不更換齒輪的情況下，可連續(xù)工作10000小時(shí)，純機(jī)動(dòng)時(shí)間每班16小時(shí)，可連續(xù)工作20個(gè)月。
每個(gè)速度的工作時(shí)間分配情況如下：
第一速（110r/min） 為40％即4000小時(shí)；
第二速（190r/min） 為40％即4000小時(shí)；
第三速（340r/min） 為20％即2000小時(shí)；
3、本機(jī)零部件的強(qiáng)度和壽命計(jì)算方法和數(shù)據(jù)是按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（冶金工業(yè)出版社）計(jì)算的。
6.3齒輪強(qiáng)度計(jì)算
1、變速箱內(nèi)各齒輪主要參數(shù)及材料見表6－1
表6－1
齒數(shù)
模數(shù)
齒寬
變位系數(shù)Xn
材料
硬度RC
應(yīng)力角
備注
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齒輪副的強(qiáng)度校核
1) 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
（A） 計(jì)算齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力
式中——被校核齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力
——實(shí)驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力，由圖F8——13查得：
（Mpa）
——彎曲壽命系數(shù)，因兩齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：
=*0.4*60*365=0.87*次
=*0.4*60*210=0.5*次
由圖F8——14知==1
——尺寸系數(shù)==1（圖F8——15）
——有效應(yīng)力集中系數(shù)，有圖F8——16查知=1.03，=0.97
所以 =**/=400*1*1/1.03=370（Mpa）
=**/=400*1*1/0.97=412（Mpa）
（B） 比較彎曲強(qiáng)度
圖F8——6查得齒形系數(shù)=1.94，=2.26 則有
/=370/1.94=191>/=412/2.26=182
因此齒輪彎曲強(qiáng)度弱。
（C） 計(jì)算彎曲工作應(yīng)力
=/bm() （Mpa）
式中 ——計(jì)算圓周力，而=
其中 ——工作圓周力=2000/=2000*132.5/62=4273（N）
——工作狀況系數(shù)，由表F8——7查知=1.25
——?jiǎng)虞d系數(shù)，因?yàn)閂/100=1.18*31/100=0.37，由F8——4知=1
——載荷分配系數(shù)，=1/，當(dāng)=1.6時(shí)，=0.7，所以=1/0.7=1.43
——載荷分布系數(shù)，因=b/=26/62=0.45,故由表F8——5查知=1.05
則 =4273*1*1*1.43*1.05=6417.5（N）
——載荷作用位置數(shù) =0.7
——螺旋角系數(shù) =1
b ——齒寬 b=26 (毫米)
m——模數(shù) m=2 (毫米)
=/bm()=6417.5/26*2(2.26*0.7*1=195（Mpa）
(d)計(jì)算齒輪的彎曲疲勞安全系數(shù)
=/=412/195=2.11可靠
2）齒面接觸疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
（A）計(jì)算齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力
=**
式中 ——實(shí)驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力，由F8——17查知 ==1100（Mpa）
——壽命系數(shù)，由圖F8——18查知=1.19， =1.22
——硬化系數(shù)， 取=1
所以 =1100*1.19*1.03=1348（Mpa）
=1100*1.22*1.03=1424 （Mpa）
（B）計(jì)算接觸工作應(yīng)力
=（Mpa）
式中 ——材料系數(shù)，由F8——9查知=189.8
——節(jié)點(diǎn)系數(shù)，=2.27 由圖F8——10
——重合度系數(shù) =0.9由圖F8——9
U——齒數(shù)比 U==54/31=1.74
則 =189.8*2.27*0.9=889（Mpa）
（C） 算安全系數(shù)
=/=1384/889=1.516 安全可靠
3）短期過載強(qiáng)度校驗(yàn)計(jì)算
取最大短期尖峰載荷是額定工作載荷的1.5倍
短期過載彎曲極限應(yīng)力，根據(jù)表F8——12知
=18*=18*45=810（Mpa）
最大的彎曲工作應(yīng)力為
=*1.5/=195*1.5/1.25=234（Mpa）
短期過載彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)
=/=810/234=3.5（安全）
短期過載接觸極限應(yīng)力，根據(jù)表F8——12知
=41，3*45=1859 （Mpa）
而最大接觸應(yīng)力為
=889*=974（Mpa）
短期過載接觸強(qiáng)度的安全系數(shù)為
=1.9（安全）
3、其他齒輪對(duì)的強(qiáng)度校核
按上面的方法和步驟，對(duì)變速箱中的其他齒輪對(duì)可進(jìn)行類似的計(jì)算，略。
6.4 軸系零件與部件的強(qiáng)度與壽命的校核計(jì)算
在變速箱中共有三根軸，其中Ⅲ軸負(fù)荷最大，而且相對(duì)尺寸直徑小、長(zhǎng)度長(zhǎng)。下面僅以該軸的強(qiáng)度壽命進(jìn)行驗(yàn)算。
Ⅲ軸共有七種工作狀態(tài)，向回轉(zhuǎn)器傳遞四種狀態(tài)的動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)絞車三種狀態(tài)。相比而言回轉(zhuǎn)器的130r/min的轉(zhuǎn)速時(shí)該軸扭矩最大，受力最大。
1、Ⅲ軸的驅(qū)動(dòng)校核
已知下列條件：材料40Cr，調(diào)質(zhì)T＝220-250，各齒輪分度圓直徑為：d4＝108、d6＝84、d8＝105.
該軸的四個(gè)轉(zhuǎn)速及傳遞的扭矩見表6-2
表6-2
轉(zhuǎn)速（r/min）
扭矩（N·m）
備 注
Ⅰ檔
210
221．7
Ⅱ檔
356
118．4
III檔
636
79．28
（A） 在各種轉(zhuǎn)速下齒輪受力支反力計(jì)算結(jié)果列表6－3中
（B） 軸的疲勞強(qiáng)度校核：
從表6－2中得知，校核軸的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)取低轉(zhuǎn)速的受力狀態(tài)。表6－3
RCY RBY Ft6 Ft4 RAY
C B Ft6 FR4 A
RCX RBX RAX
125 94.5 115 60.5
270
395
續(xù)表6－3
Ⅰ檔
Ⅱ檔
Ⅲ檔
Ⅳ檔
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
軸的扭矩圖如圖6－3所示，現(xiàn)計(jì)算Ⅰ－Ⅰ，Ⅱ－Ⅱ截面的安全系數(shù)。
截面Ⅰ-Ⅰ的彎矩：
水平彎矩：MxzⅠ=Fr4×100×10-3+RBX×170×10-3＝199N·m
垂直彎矩Ⅰ-Ⅰ：MYZⅠ=Ft4×100×10-3+RBY×9×10-3＝542N·m
合成彎矩：MⅠ＝ MxzⅠ2 + MYZⅠ2 ＝575N·m
截面Ⅱ-Ⅱ的彎矩：
水平彎矩：MxzⅡ＝RAX×605×10-3+194×60.5×10-3=11N·m
垂直彎矩：MYZⅡ＝RAY×60.5×10-3=223.6N·m
合成彎矩：MⅡ＝ MxzⅡ +MYZⅡ =223N·m
12
量截面扭矩T＝356.6N·m
下面是按當(dāng)量彎矩計(jì)算Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ兩截面的安全系數(shù)。
水平受力圖： C B Ⅰ Ⅱ Frx A
180
47 Ⅰ Ⅱ
水平彎矩圖：
11
199 Fty
垂直受力圖： C B Ⅰ Ⅱ
垂直彎矩圖：
80
145 223
542
合成彎矩圖：
60
231 223
575
扭矩圖：
356
圖6－3
表6－4
名 稱
Ⅰ-Ⅰ截面
Ⅱ-Ⅱ截面
說 明
扭 矩
T（N·m）
356
356
彎 矩
M（N·m）
575
223
當(dāng)量力矩
Ml
652
380
軸 經(jīng)
d（mm）
36、42
36、42
工作應(yīng)力
бm(Mpa)
131
76.92
w=4.94×10-6
疲勞極限
б-1(Mpa)
350
350
尺寸系數(shù)
ε
0.77
0.77
表面質(zhì)量
β
0.85
0.85
有效應(yīng)力
集中系數(shù)
Kβ
1.57
1.57
安全系數(shù)
S
2.29
3.91
許用安全系數(shù)
2.29
2.29
安 全
通過上述驗(yàn)算Ⅲ軸通過,其它軸系從略。
第7章 絞車
7.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
本鉆機(jī)考慮到井上、井下鉆探作業(yè)，故設(shè)置了絞車，如圖7－1。在井下矮巷道內(nèi)鉆孔時(shí)，絞車難以發(fā)揮作用，這時(shí)可將絞車拆除。設(shè)置絞車也給機(jī)器在井下短距離搬運(yùn)提供自牽的方便。
在結(jié)構(gòu)上選擇常用的固定輪系的NGW型行星式傳動(dòng)絞車，其特點(diǎn)是：
1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而緊湊，傳動(dòng)裝置兼起離合作用，并有過載保護(hù)作用。
2、在一定范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速和微動(dòng)升降。
3、傳動(dòng)功率大，效率高。
4、傳動(dòng)平穩(wěn)，操縱靈活。
7.2 主要參數(shù)的選擇
1、確定鋼絲繩直徑d
根據(jù)GB1102－74標(biāo)準(zhǔn)，選定鋼絲繩直徑如下：
外 徑：d=8.8mm
總斷面積：A=27.88mm2
總破斷力：∑S=47300N
抗拉強(qiáng)度：б=1700Mpa
繩 型：繩6×37（纖維芯）
2、鋼絲繩的強(qiáng)度校核
絞車最大提升負(fù)荷：Q=12000N
最小安全系數(shù)：[S]=4~5
在正常情況下，最大起重時(shí)的安全系數(shù)為：
S=∑S/Q=47300/12000=3.49≈[S]
在急剎車時(shí)，取Qˊ＝2.5Q，則安全系數(shù)Sˊ＝∑S/Qˊ＝1.6
3、卷筒參數(shù)確定如下：
卷筒內(nèi)徑：D＝140mm
卷筒外徑：Dˊ＝230mm
卷筒有效長(zhǎng)度：L0＝100mm
容繩長(zhǎng)度：L＝n·D∑
式中：n—鋼絲繩圈數(shù) n＝11
D∑—每層纏繩長(zhǎng)度之和，共五層，
D∑＝π[5（D+d）+20d]＝32m。
4、絞車參數(shù)
提升速度 卷筒轉(zhuǎn)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 絞車所需功率
1. 卷筒所受扭矩：
MT＝0.5(D+d)Q=0.5(0.14+0.0088)12000
=893N·m
2.絞車軸所受扭矩: MZ=MT/2=298N·m
3.絞車軸所需功率: P=MZ·n1·I/9550=2.6KW
7.4 零部件的強(qiáng)度及壽命計(jì)算
（一）齒輪強(qiáng)度校核
對(duì)NGW型行星齒輪傳動(dòng)，只校核外嚙合。即Z13與Z14。
Z13＝18、 m＝3、 X13=0.15、 材料為20CrMnTi、 HRC=57~62
Z14＝18、 m＝3、 X14=0.15、 材料為20CrMnTi、 HRC=57~62
бHIim=1500N/mm2 бFIim=450 N/mm2
傳遞扭矩：Mz＝298N·m
轉(zhuǎn) 速：nz=n1·i＝84r/min
按接觸強(qiáng)度校核：
1. 分度圓圓周力 Ft=1000MZ/CS·R1=5518.5N
2. 工況系數(shù) KA=1.25
3. 動(dòng)載系數(shù) KV=1
4. 齒間載荷分配系數(shù) KHα=1.05
5. 齒向載荷分配系數(shù) KHβ=1
6. 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ZH=2.35
7. 彈性系數(shù) ZE=189.8 N/mm2
8. 重合度系數(shù) Zε=0.97
9. 螺旋角系數(shù) Zβ=1
10. 計(jì)算接觸應(yīng)力
бH＝ Ft·i+1·KA·KV·KHβ·KHα ·ZH·ZE·Zε·Zβ
db i
11.壽命系數(shù) ZN1=1.02 ZN2=1.11
12.最小安全系數(shù) SHmin=1 SFmin＝1.4
13.潤(rùn)滑劑系數(shù) ZL=1
14.速度系數(shù) ZV=0.9
15.粗糙度系數(shù) ZR=0.9
16.齒面工作硬化系數(shù) ZW=1
17.尺寸系數(shù) ZX=1
18.許用接觸應(yīng)力
бHP1＝·ZL1·ZV1·ZR1·ZW1·ZX1
＝1239N/mm2
бHP2=1308.7N/mm2
19.接觸強(qiáng)度判斷
因?yàn)? бH＝978N/mm2<бHP1＝1239N/mm2,所以接觸強(qiáng)度校核通過。
按彎曲疲勞強(qiáng)度校核
1. 齒向載荷分布系數(shù) KFβ=1
2. 應(yīng)力修正系數(shù) YSα1=1.62 YSα2=1.58
3. 重合度系數(shù) Yε=0.9
4. 螺旋角系數(shù) Yβ=1
5. 計(jì)算齒根應(yīng)力бF
бF1＝ ·KA·KV·KFβ·KFα·YFα1·YSα1·Yε·Yβ
＝263.5N/mm2
бF2=423 N/mm2
6. 壽命系數(shù) YNT=1
7. 相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù) YδreIT=1
8. 相對(duì)齒根表面狀況系數(shù) YRreIT=1.04
9. 尺寸系數(shù) YX=1
10. 許用齒根應(yīng)力
бFP1=бFP2 ＝ ·YδreIT1·YRreIT1·YX1
＝668.6N/mm2
因?yàn)?бF1 =263.5N/mm2<бFP1＝668.6N/mm2;
бF2=423 N/mm2<бFP2＝668.6N/mm2。
所以彎曲強(qiáng)度校核通過。
（二）絞車軸強(qiáng)度校核
絞車軸材料為20CrMnTi，бb＝1080N/mm2,δS＝835N/mm2,
δ-1＝480N/mm2,HRC=57～62，輸入功率P＝2.6KW,小傳動(dòng)齒輪
扭矩 T1=9550P/n1=9550×2.6/211=118N·m,
傳動(dòng)齒輪分度圓圓周力
Ft=2000T1/d1=2000×118/4×33=1788N,
徑向力
Fr=tgα·Ft=651N。
1. 支反力 單位 N
作用點(diǎn)
水 平 面
垂 直 面
合 成
A
RAX=322Ft/350
=1645
RAY=(125Q－332Fr)/350
=3668
RA=
=4020
B
RBX＝28Ft/350
＝143
RBY=(225Q－28Fr)/350
=7662
RB=
=7664
2. 彎矩 單位 N·m
作用點(diǎn)
水平面
垂直面
合成
C
Mcx＝28RAX/1000
＝46
MCY=28RAY/1000
＝103
Mc=
＝113
D
MDX＝125RBX/1000
=18
MDY＝125RBY/1000
＝958
MD＝
＝958
3. 危險(xiǎn)截面的確定
選取Ⅰ、Ⅱ截面來考慮，因?yàn)樵搩山孛嫠茌d荷較大，且一個(gè)有鍵槽，一個(gè)有應(yīng)力較集中的地方。
4. 校核危險(xiǎn)截面安全系數(shù)
計(jì)算內(nèi)容及公式
計(jì)算值或數(shù)據(jù)
截面Ⅰ
截面Ⅱ
扭矩T， N·m
298
298
彎矩M， N·m
MⅠ=11×MD/176=60
MⅡ=81MD/176=441
截面模數(shù)Z， cm2
5.36
8.95
截面模數(shù)Zp, cm2
11.6
17.9
σ-1 N/mm2
480
480
ψτ,
0. 15
0.15
圓角處應(yīng)力集中系數(shù)
Kσ,Kτ,
圓角Kσ=3.1,槽處Kσ=2.26
圓角Kτ=1.81,槽處Kτ=2.22
圓角Kτ=1.8
圓角Kσ=3.1
表面粗糙度系數(shù)KR
1
1.2
絕對(duì)尺寸影響系數(shù)
ετ，εσ
ετ=0.81,εσ=0.77
ετ=0.78
εσ=0.73
λσ=(Kσ＋KR-1)/εσ
圓角λσ=4, 槽處λσ=3
配合處λσ=3.45
圓角λσ=4.52
配合λσ=2.5
λτ=(Kτ+KR-1)/ετ
圓角λτ=2.23, 槽處λτ=2.74
配合處λ=τ2.48
圓角λτ=2.3
配合處λ=τ2
安全系數(shù)
σ-1
S=
（λσM/Z）2+0.75[(λτ+ψτ)T/ZP]2
SⅠ=6
SⅡ=2.1
取許用安全系數(shù)[S]=1.8,表中計(jì)算S均大于[S],故軸的疲勞強(qiáng)度足夠。
Ⅰ Ⅱ
軸結(jié)構(gòu)草圖
Ⅰ Ⅱ
RAY RAY
受力簡(jiǎn)圖 Fr D B
A C
RAX Ft Q RBX
28
60 125
130
350
Ft
水平力
RAX RBX
水平彎矩圖
18N m
46N m 17
RAY Fr RBY
垂直力
Q
958N m
垂直彎矩圖