全套設(shè)計(jì)-200米液壓鉆機(jī)變速箱的設(shè)計(jì)

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According to the drill environment and situations of the machine usage,this design mission used of the comparison method, taked design parameter from the same kind type drill machines.Passed more analytical,I redesigned the gear-box of the 200-metre drill machine as my key work. At this foundation on make use of the principle of green design, to not affected the function of the machine,it carry on optimal design.At the end of the work,the designed machine satisfy to drill holes of depth as 200 meters in theorety.At the same time, it save the manufacturing costs and producing time as could as possible.Key words geology explore drill machine gear-box97目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 選題的意義11.2 鉆機(jī)概述11.2.1 鉆機(jī)的功用11.2.2 對(duì)鉆機(jī)的要求11.2.3 鉆機(jī)的組成21.2.4 鉆機(jī)的分類和名稱21.3 本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容4第2章 鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)52.1 本設(shè)計(jì)鉆機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合52.2 設(shè)計(jì)方案的確定52.2.1 本設(shè)計(jì)鉆機(jī)的特點(diǎn)52.2.2 總體設(shè)計(jì)方案的確定62.3 鉆機(jī)的技術(shù)特性和要求6第3章 動(dòng)力機(jī)的確定83.1 輸出功率計(jì)算83.2 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及破碎巖石、土層所需功率83.3 給進(jìn)油缸所需功率的計(jì)算103.3.1 給進(jìn)油缸的基本參數(shù)103.3.2 油缸工作壓力的計(jì)算103.3.3 油泵最大工作流量計(jì)算113.3.4 給進(jìn)油缸功率計(jì)算113.3.5 油泵滿負(fù)荷工作時(shí)所需要的功率113.4 動(dòng)力機(jī)功率的確定12第4章 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)144.1 主要參數(shù)的選擇144.1.1 回轉(zhuǎn)器144.1.2 絞車144.1.3 變速箱144.2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)初步計(jì)算144.2.1 立軸的轉(zhuǎn)速144.2.2 絞車的纏繩速度16第5章 變速箱的設(shè)計(jì)與計(jì)算175.1 變速箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求175.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)175.1.2 設(shè)計(jì)要求175.2 齒輪副的強(qiáng)度計(jì)算與校核185.2.1 變速箱內(nèi)各齒輪主要參數(shù)確定185.2.2.主要齒輪副的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算與校核185.3 軸的強(qiáng)度計(jì)算與校核245.3.1 軸的強(qiáng)度計(jì)算255.3.2 軸的強(qiáng)度驗(yàn)算校核29第6章 回轉(zhuǎn)器316.1 回轉(zhuǎn)器的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)316.2 零部件的強(qiáng)度與壽命計(jì)算316.2.1 弧齒錐齒輪副的參數(shù)設(shè)計(jì)316.2.2 計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度32第7章 絞車367.1 絞車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)367.2 主要參數(shù)的選擇367.2.1 絞車性能參數(shù)367.2.2 絞車卷筒轉(zhuǎn)速和提升速度計(jì)算377.3 絞車所需功率387.4 絞車齒輪副強(qiáng)度簡(jiǎn)單校核397.4.1 按接觸疲勞強(qiáng)度校核397.4.2 按彎曲疲勞強(qiáng)度校核40第8章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算428.1 液壓卡盤(pán)的設(shè)計(jì)與計(jì)算428.2 給進(jìn)油缸的設(shè)計(jì)458.2.1 鉆桿摩擦力的計(jì)算458.2.2 油缸直徑的計(jì)算45第9章 使用說(shuō)明469.1 概述469.2 鉆機(jī)分組情況469.3 結(jié)構(gòu)特征與工作原理469.3.1鉆機(jī)結(jié)構(gòu)469.3.2 鉆機(jī)的工作原理489.4 操作程序509.5 機(jī)器的保養(yǎng)與維護(hù)519.6 故障原因及排除方法539.7 鉆機(jī)的安全注意事項(xiàng)54第10章 經(jīng)濟(jì)可行性分析5510.1 市場(chǎng)前景分析5510.2 經(jīng)濟(jì)效益分析56結(jié)論57致謝58參考文獻(xiàn)59專題60附錄169附錄278附錄389附錄490附錄591第1章 緒 論1.1 選題的意義本設(shè)計(jì)選擇了200米鉆機(jī)的變速箱設(shè)計(jì)，主要原因是當(dāng)前我國(guó)地質(zhì)勘探、工程建設(shè)和農(nóng)田水利等事業(yè)正在逐漸完善，對(duì)各種鉆探設(shè)備尤其是鉆機(jī)提出了更多的要求?，F(xiàn)在市場(chǎng)上流行的鉆機(jī)中以鉆探深度為百米左右的液壓鉆機(jī)為主，這些鉆機(jī)在承擔(dān)各種生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中起到了至關(guān)重要的作用。但是，我們通過(guò)調(diào)查和了解發(fā)現(xiàn)，隨著生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的擴(kuò)大，市場(chǎng)對(duì)上鉆探深度為幾百米的液壓鉆機(jī)的需求量正在逐步上漲，尤其是鉆探深度為200左右的鉆機(jī)，市場(chǎng)前景更加樂(lè)觀。變速箱是鉆機(jī)中最重要的部分之一，通過(guò)對(duì)鉆機(jī)變速箱的設(shè)計(jì)改進(jìn)，就解決了鉆機(jī)設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所以，選擇200米液壓鉆機(jī)變速箱的設(shè)計(jì)不僅對(duì)鉆機(jī)這個(gè)生產(chǎn)行業(yè)有著重要的經(jīng)濟(jì)意義，同時(shí)間接推動(dòng)了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，意義十分重大。1.2 鉆機(jī)概述1.2.1 鉆機(jī)的功用 鉆探是地質(zhì)勘探工作的重要手段之一。鉆機(jī)是實(shí)現(xiàn)該手段的主要設(shè)備。其基本功用是以機(jī)械動(dòng)力帶動(dòng)鉆頭向地殼鉆孔并采取巖礦心。鉆機(jī)同時(shí)還是進(jìn)行石油、天然氣勘探及開(kāi)采、水文水井鉆探、工程地質(zhì)鉆探等工程的重要設(shè)備。1.2.2 對(duì)鉆機(jī)的要求 鉆機(jī)的技術(shù)性能要保證在施工中能滿足合理的工藝要求，以最優(yōu)規(guī)程，達(dá)到預(yù)計(jì)的質(zhì)量要求；維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單容易；安裝拆卸搬遷方便；利于快速鉆進(jìn)；鉆進(jìn)輔助時(shí)間短；鉆孔施工周期短；體力勞動(dòng)強(qiáng)度低等。概括起來(lái)說(shuō)，是鉆機(jī)要為多、快、好、省地完成鉆探生產(chǎn)任務(wù)創(chuàng)造有利條件。 根據(jù)鉆機(jī)的基本功用，對(duì)鉆機(jī)具體要求如下： 1.通過(guò)回轉(zhuǎn)鉆具等鉆進(jìn)方式將動(dòng)力傳給鉆頭，使鉆頭具有適合鉆進(jìn)規(guī)程需要的轉(zhuǎn)速及調(diào)節(jié)范圍，以便有效地破碎巖石； 2.能通過(guò)鉆具向鉆頭傳遞足夠的軸心壓力，并有相當(dāng)?shù)恼{(diào)整范圍，使鉆頭有效地切入或壓碎巖石； 3.能調(diào)整和控制鉆頭給進(jìn)速度，保證連續(xù)鉆進(jìn)； 4.能完成升降鉆具的工作，并能隨著鉆具重量的變化而改變提升速度，以充分利用動(dòng)力機(jī)的功率和縮短輔助時(shí)間； 5.能變換鉆進(jìn)角度和按一定技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)舊響應(yīng)深度的直徑的鉆孔，以滿足鉆孔設(shè)計(jì)的要求和提高鉆進(jìn)效率。1.2.3 鉆機(jī)的組成 目前常用的鉆機(jī)由如下各部分組成： 1.機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng) 將輸入的動(dòng)力變速并分配到回轉(zhuǎn)、升降機(jī)構(gòu)。對(duì)與液壓鉆機(jī)還要有驅(qū)動(dòng)油泵，以使液壓系統(tǒng)工作的裝置。 2.液壓傳動(dòng)系統(tǒng) 利用油泵輸出的壓力油驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、油缸等液動(dòng)機(jī)，以使立軸回轉(zhuǎn)和控制給進(jìn)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)鉆機(jī)、松緊卡盤(pán)等； 3.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 回轉(zhuǎn)鉆具，以帶動(dòng)鉆頭破碎孔底巖石。 4.給進(jìn)機(jī)構(gòu) 調(diào)整破碎巖石所需要的軸心壓力和控制給進(jìn)速度。在出現(xiàn)孔內(nèi)事故時(shí)，可以進(jìn)行強(qiáng)力拔出。 5.升降機(jī)構(gòu) 用于升降鉆具（提取巖心和更換鉆頭）和進(jìn)行起下套管等作業(yè)。 6.機(jī)架 支承上述各機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)，使之組裝成一個(gè)整體，成為完整的機(jī)器。 1.2.4 鉆機(jī)的分類和名稱 隨著鉆探工程在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門中的廣泛應(yīng)用，鉆機(jī)類別和型號(hào)也在增多。為此將鉆機(jī)實(shí)行科學(xué)分類和確定名稱，對(duì)識(shí)別、評(píng)價(jià)和選擇鉆機(jī)是很有意義的。 1.分類 按用途分類 按用途不同，可將現(xiàn)行廣泛使用的鉆機(jī)分為三大類，即地質(zhì)勘探用巖心鉆機(jī)；石油鉆探用鉆機(jī)；專用鉆機(jī)（水文水井鉆機(jī)、物探鉆機(jī)、工程鉆機(jī)等）； 按鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鉆進(jìn)孔深分類根據(jù)不同孔深范圍，將各種不同鉆進(jìn)孔深的鉆機(jī)分成三類或四類。按三類分見(jiàn)表11。 表11 (m）類別淺孔鉆機(jī)中深孔鉆機(jī)深孔鉆機(jī)1030010300300800300800800120010002000按四類分類見(jiàn)表12。表12 （m）淺孔鉆機(jī)次深孔鉆機(jī)中深孔鉆機(jī)深空鉆機(jī)10150200400500800900以上按原來(lái)地質(zhì)總局設(shè)備管理分類鉆機(jī)可分為六類，即淺孔鉆機(jī)、巖心鉆機(jī)、石油鉆機(jī)、水文水井鉆機(jī)、汽車鉆機(jī)和砂礦鉆機(jī)；按裝載方式分類可以分為滑橇式、卡車式、拖車式；按破碎巖石方式分類可分為回轉(zhuǎn)式、沖擊式和沖擊回轉(zhuǎn)式；按回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)型式分類可分為立軸式、轉(zhuǎn)盤(pán)式、動(dòng)力頭式；按進(jìn)給機(jī)構(gòu)分類可以分為手輪（把）式、油壓式、螺旋差動(dòng)式、長(zhǎng)油缸式、油馬達(dá)鏈輪式。2.名稱鉆機(jī)的名稱是按照鉆機(jī)綜合特征及主要性能，以漢字拼音字母及數(shù)字編排成的代號(hào)來(lái)表示的。通常把這種代號(hào)稱為型號(hào)，并以銘牌指示在鉆機(jī)上。國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)名稱一般有三部分組成：首部為用途類別和結(jié)構(gòu)特征代號(hào)，用漢語(yǔ)拼音中的一個(gè)字母表示。如“X”是漢字“心”的拼音首字母，表示鉆機(jī)用于巖心鉆進(jìn)。“U”是漢字“油”的首字母，表示給進(jìn)機(jī)構(gòu)類型屬于油壓式。中部為主要性能參數(shù)代號(hào)，用鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鉆進(jìn)深度數(shù)字表示。如標(biāo)準(zhǔn)鉆進(jìn)深度為200米的鉆機(jī)，中部代號(hào)為200。尾部為變型代號(hào)，可用漢語(yǔ)拼音字母中的一個(gè)字母或數(shù)字為代號(hào)。無(wú)尾部的是指首次產(chǎn)品。如是第二次修改后的產(chǎn)品，尾部代號(hào)為2。1.3 本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容1.設(shè)計(jì)題目：200米液壓鉆機(jī)變速箱的設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)：見(jiàn)表11表11鉆探深度200m立軸轉(zhuǎn)速120、240、350、600r/min開(kāi)孔直徑89mm終孔直徑60mm鉆機(jī)角度0360第2章 鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)2.1 本設(shè)計(jì)鉆機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合 200米型鉆機(jī)主要用于鉆探深度為200米的各種角度的放水孔、地質(zhì)構(gòu)造孔、滅火孔、抽放瓦斯孔及鐵路、公路、橋梁、隧道、國(guó)防建設(shè)、工業(yè)民用建設(shè)、農(nóng)田打井及地質(zhì)勘探、工程爆破以及其它用途的各種工程孔。 該機(jī)可用于不同硬度的巖石中鉆探任何角度的鉆孔，而在煤層、軟巖層、硬巖層中鉆孔和農(nóng)田打井時(shí)效率為最高。整個(gè)機(jī)組由兩部分組成，即200米鉆機(jī)、TBW150/3.0泥漿泵。鉆機(jī)沖洗液為泥漿或清水。在地面鉆探不需要使用鉆塔，只要有一定高度的三角架可供提升使用就可以。 本200米鉆機(jī)配備動(dòng)力為電動(dòng)或柴油機(jī)，適用于井上、井下或野外沒(méi)有電源的場(chǎng)地作業(yè)。2.2 設(shè)計(jì)方案的確定2.2.1 本設(shè)計(jì)鉆機(jī)的特點(diǎn)通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研了解到，目前鉆探工程對(duì)鉆孔深度200米左右的鉆機(jī)需求量日趨增加，而當(dāng)前的200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，我們決定改進(jìn)200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42、50mm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)。2.2.2 總體設(shè)計(jì)方案的確定經(jīng)過(guò)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600r/min；3.鉆機(jī)除配機(jī)動(dòng)絞車外，增加了液壓卡盤(pán)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.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。2.3 鉆機(jī)的技術(shù)特性和要求考慮到鉆機(jī)的實(shí)際工作情況，根據(jù)我國(guó)當(dāng)前生產(chǎn)技術(shù)和工藝水平，本TXU200型鉆機(jī)的技術(shù)特性為：1.鉆進(jìn)深度(使用42或50鉆桿) 200m 2.鉆孔直徑 開(kāi)孔直徑 89m 終孔直徑 60mm3.鉆孔傾斜角度 03604.立軸轉(zhuǎn)速 120、240、350、600r/mm5.立軸行程 500mm6.最大液壓給進(jìn)壓力 4 MPa7.卡盤(pán)最大工作壓力（彈簧常閉式液壓卡盤(pán)） 6 MPa8.立軸內(nèi)孔直徑 52mm9.油缸最大起拔力 28.5KN10.油缸最大給進(jìn)力 20KN11.絞車提升速度 0.26、0.61、0.70m/s12.絞車轉(zhuǎn)速 33、79、91r/min13.絞車提升負(fù)荷0.70m/s 3.35KN0.61m/s 6.00KN0.26m/s 12KN14.卷筒直徑 140mm寬度 100m鋼絲繩直徑 8.8mm容繩長(zhǎng)度 32.8m15.配備動(dòng)力 電動(dòng)機(jī) 型號(hào) YB160L4電壓 380/660V功率 15KW轉(zhuǎn)速 1460r/min第3章 動(dòng)力機(jī)的確定3.1 輸出功率計(jì)算根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，動(dòng)力機(jī)的選擇偏大些，加大儲(chǔ)備系數(shù)，這樣可以提高鉆進(jìn)效率。 輸出功率為 （31）式中： 鉆機(jī)所需功率(KW)式中: 回轉(zhuǎn)鉆及破壞巖石、土層所需功率(KW) 效率 =0.9 油泵所需功率(KW)3.2 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及破碎巖石、土層所需功率回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及破碎巖石、土層所需功率計(jì)算公式如下：= （32）式中: 井底破碎巖石、土層所需功率(KW) =式中: m鉆頭切削刃數(shù) 取m=6 n立軸轉(zhuǎn)速（r/min） r/min h鉆進(jìn)速度(cm/min) 當(dāng)轉(zhuǎn)速130r/min、250r/min時(shí),h=5cm/min 當(dāng)轉(zhuǎn)速350r/min、600r/min時(shí),h=1.5cm/min 巖石抗壓強(qiáng)度,其值見(jiàn)表3-1井底環(huán)狀面積，取鉆頭直徑D=7.7cm,內(nèi)孔直徑 d=5.9cmcm2 鉆頭與孔底摩擦所需功率(KW) （33）式中: 孔底壓力或巖石抗壓強(qiáng)度； 鉆具與巖石直接的摩擦系數(shù) f=0.5 e側(cè)摩擦系數(shù) e=1.1 立軸轉(zhuǎn)速(r/min) R鉆頭外圓半徑(cm) R=3.85cm r鉆頭內(nèi)孔半徑(cm) r=2.95cm將立軸不同轉(zhuǎn)速和不同孔底壓力代入式（33）中,所得相應(yīng)數(shù)值見(jiàn)表31。 回轉(zhuǎn)鉆桿所需功率(KW)當(dāng)200r/min時(shí) 式中：孔深(mm) ， 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時(shí)，取200000mm 金剛石鉆進(jìn)時(shí)，取75000mm 鉆桿直徑(mm) 取=50mm 立軸轉(zhuǎn)速(r/min) 沖洗液比重, =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32中。3.3 給進(jìn)油缸所需功率的計(jì)算3.3.1 給進(jìn)油缸的基本參數(shù)1. 給進(jìn)油缸的基本參數(shù) 給進(jìn)油缸的數(shù)量 2 油缸直徑 55mm活塞桿直徑 30mm活塞桿有效行程 500mm油缸面積 23.75cm2活塞桿面積 7cm2 有效面積 16.76cm23.3.2 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：式中：油缸最大推力(N) 孔底最大壓力(N) C13345N 鉆桿與孔壁間的摩擦力(N)式中：鉆桿單位長(zhǎng)度重量(N/m) 55.46N/m 鉆桿長(zhǎng)度(m) 200m 摩擦系數(shù) 0.35N故 N油泵的工作壓力MPa3.3.3 油泵最大工作流量計(jì)算油缸回程時(shí)的最大容油量:L油缸送進(jìn)時(shí)的最大容油量:L 當(dāng)選用立軸的鉆進(jìn)速度=0.05m/min=0.5dm/min時(shí),立軸送進(jìn)時(shí)每分鐘所需的油量為:L/min令活塞回程時(shí)間為0.3min,則回程所需油量為:L/min3.3.4 給進(jìn)油缸功率計(jì)算根據(jù)以上的計(jì)算，可以得到給進(jìn)油缸的功率：KW 3.3.5 油泵滿負(fù)荷工作時(shí)所需要的功率根據(jù)上面的計(jì)算,選用YBC12/80型齒輪油泵(排油量12L/min,額定壓力8MPa,最大壓力12MPa)。油泵滿負(fù)荷時(shí)所需功率是： (34)式中: 額定壓力(N/cm2) =800N/cm2額定流量(L/min) =12L/min機(jī)械效率 =0.9容積效率 =0.71將上述參數(shù)代入式（34）中可以得到： 上式油泵排量在額定轉(zhuǎn)速1460r/min時(shí)是12L,在995r/min時(shí)是8L。3.4 動(dòng)力機(jī)功率的確定通過(guò)上述的計(jì)算說(shuō)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(pán)松開(kāi)時(shí)，必須停止鉆進(jìn)。所以參考表31，本機(jī)選用15電機(jī)或柴油機(jī)，基本能滿足表31中粗線以上各種工作狀態(tài)。 表31 各種類型巖層的抗壓強(qiáng)度 （N/cm2）巖 石 名 稱抗 壓 強(qiáng) 度粘土、頁(yè)巖、片狀砂巖4000石灰?guī)r、砂巖8000大理石、石灰?guī)r10000堅(jiān)硬的石灰?guī)r、頁(yè)巖12000黃鐵況、磁鐵礦14000煤2000 表32 電機(jī)功率選擇計(jì)算功率N（KW） 轉(zhuǎn)速r/min抗壓強(qiáng)度(N/cm2)120240350600N120000.217680.258870.115320.1319540000.435370.517750.230640.2639180000.870751.035500.461280.52782100001.088441.294380.576600.65978120001.306131.553260.691920.79173140001.523821.812140.807240.92369N220000.461530.923071.346152.3076940000.923071.846152.692304.6153880001.846153.692305.384619.23076100002.307694.615386.7307611.5384120002.769235.538468.0769213.8461140003.230766.461539.4230716.1538N32.677.754.89.83N回轉(zhuǎn)器(N1+N2+N3)20003.349228.931956.2614712.269640004.0284510.11397.7229514.709380005.3869112.477810.645919.5885100006.0661313.659712.107322.0282120006.74536414.8417213.5688524.46789140007.42459216.0236815.0303326.90754N油泵0.0280.0280.0280.028N(N油+N回）20003.3772278.9599546.28947512.2976540004.05645510.141917.7509514.737380005.4149112.5058210.673919.61659100006.09413713.6877712.1353822.05624120006.77336414.8697213.5968524.49589140007.45259216.0516815.0583326.93554=N/0.98.28065811.2687913.483813.6640=1.19.10872412.3956714.832115.0304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(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，立軸轉(zhuǎn)速取n90400r/min比較適宜；采用金剛石鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，立軸轉(zhuǎn)速取n4001000r/min比較適宜。本機(jī)選用120600r/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 絞車為了減輕鉆機(jī)重量，不使動(dòng)力機(jī)過(guò)大，絞車的纏繩速度不宜過(guò)高，基本上采用低速，本機(jī)升降機(jī)速度為0.260.70m/s。卷筒纏繩速度為三種，見(jiàn)表41 表41 絞車卷筒纏繩速度檔檔檔檔立軸轉(zhuǎn)速 r/min120240350600纏繩速度 m/s0.260.610.704.1.3 變速箱參考國(guó)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。立軸有四種轉(zhuǎn)速，120、240、350r/min轉(zhuǎn)速適合合金鉆頭鉆進(jìn)，600r/min轉(zhuǎn)速適合金剛石鉆頭鉆進(jìn)。4.2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)初步計(jì)算4.2.1 立軸的轉(zhuǎn)速根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)路線，立軸的轉(zhuǎn)速計(jì)算如下：式中:立軸的第一檔轉(zhuǎn)速(r/min) 電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min) n=1460r/min 主動(dòng)皮帶輪直徑(mm) D1=160mm 大皮帶輪直徑(mm) D2=355mm Z1Z11傳動(dòng)鏈中各齒輪的齒數(shù),Z1=25,Z2=31,Z3=19,Z4=40Z10=20,Z11=39故 r/min第二檔、第三檔和第四檔轉(zhuǎn)速分別計(jì)算如下：第二檔： =式中:Z5=28,Z6=31故 =r/min第三檔： =式中: Z4內(nèi)=24故 =351.5350r/min第四檔： =式中: Z7=46,Z8=21,Z6內(nèi)=21故 =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120、240、350、600r/min。4.2.2 絞車的纏繩速度第一檔速度: m/s式中:mm式中:=140mm為卷筒直徑,=8.8mm為鋼絲繩直徑。故 =0.28同樣方法可以得到:m/s m/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：0.26ms =0.61m/s =0.70m/s。第5章 變速箱的設(shè)計(jì)與計(jì)算5.1 變速箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求5.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 變速箱的結(jié)構(gòu)有變速部分、分動(dòng)部分、操縱部分和箱體組成。本設(shè)計(jì)中變速部分和分動(dòng)部分合為一整體，縮小了箱體的結(jié)構(gòu)尺寸。其具體特點(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即使移動(dòng)齒輪又是結(jié)合子，因此結(jié)構(gòu)緊湊； 2.變速、分動(dòng)相結(jié)合，減少了零件的數(shù)目，有效利用變速箱內(nèi)的空間； 3.操縱機(jī)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，減少了齒輪的受力。5.1.2 設(shè)計(jì)要求 1.在校核零件強(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。 每種速度的工作時(shí)間分配情況見(jiàn)表61。表51 變速箱四種速度工作時(shí)間分配情況轉(zhuǎn)速（r/min）占總工作時(shí)間百分率工作時(shí)間(h)12030%300024030%300035020%200060020%2000 3.本設(shè)計(jì)零件的強(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)（化學(xué)工業(yè)出版社）計(jì)算的。5.2 齒輪副的強(qiáng)度計(jì)算與校核5.2.1 變速箱內(nèi)各齒輪主要參數(shù)確定 根據(jù)立軸轉(zhuǎn)速的要求，前面已經(jīng)初步選擇各齒輪的齒數(shù)，由鉆機(jī)的實(shí)際情況，變速箱內(nèi)各齒輪的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表62。表52 變速箱內(nèi)齒輪的主要設(shè)計(jì)參數(shù)齒輪編號(hào)齒數(shù)Z模數(shù)m齒寬b變 位系數(shù)Xn材料硬度RC應(yīng)力角備注Z1254401.040Cr405020Z2314300.7640Cr405020Z319430020CrMnTi576220Z440430040Cr405020Z528425040Cr405020Z631425040Cr405020Z7473.525-1.0340Cr405020Z8213.5350.0440Cr4050205.2.2.主要齒輪副的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 現(xiàn)選擇變速箱中重要傳動(dòng)軸軸上的Z3、Z4齒輪副為例進(jìn)行齒輪副的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算和校核。 1.按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算初步計(jì)算計(jì)算轉(zhuǎn)矩Nmm 齒寬系數(shù) 查閱相關(guān)手冊(cè)，取=0.4 接觸疲勞極限 查閱相關(guān)手冊(cè)，Z3、Z4兩齒輪的接觸疲勞極限分別為：=1080MPa =970MPa 初步計(jì)算的許用接觸應(yīng)力MPa =873MPa 值 查閱相關(guān)資料，取=88 初步計(jì)算小齒輪直徑mm 取=73mm初步齒寬 mm 取=30mm 參數(shù)選取計(jì)算 圓周速度m/s 使用系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取=1.25 動(dòng)載系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取=1.15 齒間載荷分配系數(shù) 由相關(guān)資料，先求小齒輪切向力N然后有 N/mm 100N/mm同時(shí) 查閱相關(guān)資料得， 故 =190.038+400.017=1.40從而可以得到重合度系數(shù)由此可得 齒向載荷分布系數(shù)查閱相關(guān)資料得到： =1.81 載荷系數(shù) =1.251.151.161.81 =3.02載荷系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取MPa1/2節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取=2.5接觸最小安全系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取=1.05總工作時(shí)間 按照要求=10000h應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 查閱相關(guān)資料，估計(jì)107109 =3.18108 =1.51108接觸壽命系數(shù)查閱相關(guān)資料，取， 許用接觸應(yīng)力MPaMPa校核驗(yàn)算 =1054.16MPa = =715.5MPa計(jì)算結(jié)果表明，接觸疲勞強(qiáng)度合適。2.按照齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算參數(shù)選取計(jì)算重合度系數(shù)齒間載荷分配系數(shù)查閱相關(guān)資料，齒向載荷分布系數(shù)查閱相關(guān)資料，要得到的值先要求。=3.32從資料中可以查出，=1.43載荷系數(shù) =1.251.151.231.43 =2.53齒形系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取，應(yīng)力修正系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取，最小彎曲疲勞極限 查閱相關(guān)資料，取MPa，MPa彎曲最小安全系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 查閱相關(guān)資料，取，彎曲壽命系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取， 尺寸系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取 許用彎曲應(yīng)力=400.4MPa=357.2MPa校核驗(yàn)算 =298.74MPa=283.72MPa計(jì)算結(jié)果表明，彎曲疲勞強(qiáng)度合適。 由于傳動(dòng)中無(wú)嚴(yán)重過(guò)載，故不作靜強(qiáng)度校核。5.3 軸的強(qiáng)度計(jì)算與校核 在變速箱中共有三根軸，其中軸相對(duì)尺寸直徑小，長(zhǎng)度大，所受到的力多。下面僅以該軸的強(qiáng)度壽命進(jìn)行驗(yàn)算。 軸共有7種工作狀態(tài)，向回轉(zhuǎn)器傳遞4種狀態(tài)的動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)絞車的3種轉(zhuǎn)速。相比而言回轉(zhuǎn)器120r/min的轉(zhuǎn)速時(shí)該軸受扭矩最大，受力最大。 已知條件：材料40Cr，調(diào)質(zhì)處理。該軸的各檔轉(zhuǎn)速及其傳遞的功率、轉(zhuǎn)矩見(jiàn)表53。表53 軸的各檔轉(zhuǎn)速及其傳遞的功率、轉(zhuǎn)矩速度序號(hào)轉(zhuǎn)速（r/min）傳遞功率(KW)傳遞轉(zhuǎn)矩(Nm)252.0714.55513.4479.314.55270.0685.414.55188.801187.714.14105.7軸上各齒輪的分度圓直徑為：mm,mm,mm,mm,mm 5.3.1 軸的強(qiáng)度計(jì)算1.在各種轉(zhuǎn)速下齒輪所受力計(jì)算 齒輪圓周力，齒輪徑向力 檔轉(zhuǎn)速下：N =6417.520=2335.78N 同樣可以計(jì)算出齒輪在其他各檔轉(zhuǎn)速下的受力： 檔轉(zhuǎn)速下：N，N檔轉(zhuǎn)速下：N，N檔轉(zhuǎn)速下：N，N 2.計(jì)算軸受到的支承反力由于軸的轉(zhuǎn)速處于最低時(shí)所受到的力和轉(zhuǎn)矩最大，所以以第一檔轉(zhuǎn)速時(shí)的受力情況為條件進(jìn)行計(jì)算。軸的長(zhǎng)度較大，相對(duì)直徑較小，尤其是Z4與Z3嚙合處的花鍵軸，支承跨度大，容易產(chǎn)生彎曲變形，因此本次校核只在該花鍵軸上取截面，從而軸的受力可以簡(jiǎn)化。軸的受力簡(jiǎn)圖如圖51。圖51 傳動(dòng)軸的受力簡(jiǎn)圖如圖51，將軸受到的力簡(jiǎn)化為水平方向和垂直方向受力，下面分別從這兩個(gè)方向分別列出方程計(jì)算支承反力。水平方向受力代入數(shù)據(jù)計(jì)算：N N垂直方向受力代入數(shù)據(jù)計(jì)算：N N3.畫(huà)軸的彎矩圖軸的水平受力彎矩圖和垂直受力彎矩圖分別見(jiàn)圖52和圖53。圖52 軸水平受力、彎矩圖圖53 軸垂直受力、彎矩圖通過(guò)以上計(jì)算，軸的合成彎矩為：Nmm合成彎矩圖見(jiàn)圖54。圖54 軸受到的合成彎矩圖4.軸的當(dāng)量轉(zhuǎn)矩和當(dāng)量彎矩鉆機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不可能完全均勻，且有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)存在，故考慮到安全，常按脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算。許用應(yīng)力值軸的材料為40Cr，查閱相關(guān)資料，取許用應(yīng)力值MPa同時(shí)取MPa。應(yīng)力校正系數(shù)當(dāng)量轉(zhuǎn)矩計(jì)算如下：NmmNmm當(dāng)量彎矩計(jì)算：選擇在齒輪Z4中間截面處445665.33Nmm當(dāng)量彎矩圖如圖65所示。圖55 當(dāng)量彎矩圖5.3.2 軸的強(qiáng)度驗(yàn)算校核1.校核軸徑Z4齒根圓直徑計(jì)算：mm軸最小軸徑計(jì)算：=mm故 ,滿足要求。2.應(yīng)力校核軸所受應(yīng)力計(jì)算如下：式中：W軸的抗彎截面系數(shù) 花鍵軸的抗彎截面系數(shù)計(jì)算如下： （51）式中： 花鍵內(nèi)徑(mm) 取mm; 花鍵鍵寬(mm) 取mm 花鍵外徑(mm) 取mm 花鍵的個(gè)數(shù) 取=8故代入（61）式后得： N所以，可以計(jì)算出軸所受應(yīng)力：MPa顯然，有,通過(guò)校核。第6章 回轉(zhuǎn)器6.1 回轉(zhuǎn)器的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)回轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)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(pán)。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(kāi)孔口采用開(kāi)箱式，簡(jiǎn)單可靠，減輕鉆機(jī)重量。4、立軸行程比過(guò)去小型鉆機(jī)大，為500mm，縮短鉆進(jìn)輔助時(shí)間。6.2 零部件的強(qiáng)度與壽命計(jì)算6.2.1 弧齒錐齒輪副的參數(shù)設(shè)計(jì)錐齒輪傳動(dòng)的主要尺寸可用類比法或按傳動(dòng)方式來(lái)確定。對(duì)閉式傳動(dòng)可按齒面接觸強(qiáng)度估算，對(duì)開(kāi)式傳動(dòng)可按結(jié)構(gòu)初步確定，也可按彎曲強(qiáng)度估算，并用計(jì)算載荷驗(yàn)算。設(shè)計(jì)中該傳動(dòng)采用垂直正交傳動(dòng)方式小弧錐齒大端直徑的估算：齒輪齒數(shù)設(shè)計(jì)為Z10=20，Z11=39 齒面硬度Z10為HRC57，Z11為HRC52式中：設(shè)計(jì)齒輪的許用接觸應(yīng)力 式中：接觸疲勞應(yīng)力() 取1200安全系數(shù) 11.2 取1.1u傳動(dòng)比或齒數(shù)比 u=0.51所受轉(zhuǎn)距(N/mm) 由前一章計(jì)算得K 使用系數(shù) 取K1.5故取 120 mm則有齒輪大端模數(shù) /z=120/20=6 mm其他相關(guān)參數(shù)如表51，52所示表61名稱小弧錐齒Z10大弧錐齒Z11分錐角27.1562.85齒寬系數(shù)0.30.3終點(diǎn)模數(shù)5.15.1中點(diǎn)法向模數(shù)4.1784.178齒寬中點(diǎn)螺旋角35356.2.2 計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度Z10與Z11的主要參數(shù)見(jiàn)表52。齒面硬度Z10為HRC52，Z11為HRC57，錐距R131.49mm,節(jié)錐角10=,11=。表6-2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Z102060.294020CrMnTi0.85右8DCZ113960.294020CrMnTi0.85左8DC齒輪在各種轉(zhuǎn)速下傳遞的功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩見(jiàn)表63 表63功率 KW轉(zhuǎn)速 r/min轉(zhuǎn)矩 nm14.55252513.414.55479.3270.014.55685.4188.814.141187.7105.71.校核公式計(jì)算接觸應(yīng)力： (61)許用應(yīng)力： （62）查閱相關(guān)資料,將校核所涉及的其它參數(shù)列于表64中。表64參數(shù)名稱參數(shù)符號(hào)參數(shù)值節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)2.22彈性系數(shù)189.8接觸強(qiáng)度計(jì)算的重合度系數(shù)0.88接觸強(qiáng)度計(jì)算的螺旋角系數(shù)0.91接觸強(qiáng)度計(jì)算的錐齒輪系數(shù)0.85使用系數(shù)1.5動(dòng)載系數(shù)1.03齒向載荷分布系數(shù)1.50齒向載荷分配系數(shù)1.4傳動(dòng)比1.95接觸強(qiáng)度計(jì)算的有效齒寬34mm小齒輪分度圓直徑120mm錐齒輪中點(diǎn)端面分度圓上名義切向力9610 N試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限1200接觸疲勞的最小安全系數(shù)1.1潤(rùn)滑劑系數(shù)1.0速度系數(shù) 1.0，粗糙度系數(shù)0.95溫度系數(shù)1.02.校核驗(yàn)算：將表64中的參數(shù)代入公式61、62中得：869.3MPa1036.36MPa顯然，并且安全系數(shù)所以滿足安全要求。即齒輪按接觸疲勞強(qiáng)度校核滿足要求。第7章 絞車7.1 絞車的結(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，見(jiàn)附錄5。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(guò)載保護(hù)作用；2.傳動(dòng)功率大，效率高。3.傳動(dòng)平穩(wěn)，操縱靈活。7.2 主要參數(shù)的選擇7.2.1 絞車性能參數(shù)1.確定鋼絲繩直徑d根據(jù)GB110274標(biāo)準(zhǔn)，選定鋼絲繩直徑如下：外徑：=8.8mm總斷面積：=27.88mm2總破斷力：=47300N抗拉強(qiáng)度：=1700Mpa繩型：繩637（纖維芯）2.鋼絲繩的強(qiáng)度校核絞車最大提升負(fù)荷：=12000N最小安全系數(shù)：在正常情況下，最大起重時(shí)的安全系數(shù)為：