200米液壓鉆機(jī)變速箱的設(shè)計(jì)-機(jī)械畢業(yè)論文【答辯優(yōu)秀】

I 目錄 摘要 I Abstract V 第 1 章 緒論 6 1.1 選題的意義 4 1.2 鉆機(jī)概述 5 1.2.1 鉆機(jī)的功用 5 1.2.2 對鉆機(jī)的要求 5 1.2.3 鉆機(jī)的組成 5 1.2.4 鉆機(jī)的分類和名稱 6 1.3 本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 7 第 2 章 鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì) 9 2.1 本設(shè)計(jì)鉆機(jī)的應(yīng)用場合 9 2.2 設(shè)計(jì)方案的確定 9 2.2.1 本設(shè)計(jì)鉆機(jī)的特點(diǎn) 9 2.2.2 總體設(shè)計(jì)方案的確定 10 2.3 鉆機(jī)的技術(shù)特性和要求 10 第 3 章 動(dòng)力機(jī)的確定 12 3.1 輸出功率計(jì)算 12 3.2 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及破碎巖石、土層所需功率 12 3.3 給進(jìn)油缸所需功率的計(jì)算 14 3.3.1 給進(jìn)油缸的基本參數(shù) 14 3.3.2 油缸工作壓力的計(jì)算 14 3.3.3 油泵最大工作流量 計(jì)算 15 3.3.4 給進(jìn)油缸功率計(jì)算 15 3.3.5 油泵滿負(fù)荷工作時(shí)所需要的功率 15 3.4 動(dòng)力機(jī)功率的確定 16 第 4 章 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 4.1 主要參數(shù)的選擇 18 4.1.1 回轉(zhuǎn)器 18 II 4.1.2 絞車 18 4.1.3 變速箱 18 4.2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)初步計(jì)算 18 4.2.1 立軸的轉(zhuǎn)速 18 4.2.2 絞車的纏繩速度 20 第 5 章 變速箱的設(shè)計(jì)與計(jì)算 21 5.1 變速箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求 21 5.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 21 5.1.2 設(shè)計(jì)要求 21 5.2 齒輪副的強(qiáng)度計(jì)算與校核 22 5.2.1 變速箱內(nèi)各齒輪主要參數(shù)確定 22 5.2.2.主要齒輪副的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 22 5.3 軸的強(qiáng)度計(jì)算與校核 28 5.3.1 軸的強(qiáng)度計(jì)算 29 5.3.2 軸的強(qiáng)度驗(yàn)算校核 33 第 6 章 回轉(zhuǎn)器 35 6.1 回轉(zhuǎn)器的機(jī)構(gòu)特點(diǎn) 35 6.2 零部件的強(qiáng)度與壽命計(jì)算 35 6.2.1 弧齒錐齒輪副的參數(shù)設(shè)計(jì) 35 6.2.2 計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度 36 第 7 章 絞車 40 7.1 絞車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 40 7.2 主要參數(shù)的選擇 40 7.2.1 絞車性能參數(shù) 40 7.2.2 絞車卷筒轉(zhuǎn)速和提升速度計(jì)算 41 7.3 絞車所需功率 42 7.4 絞車齒輪副強(qiáng)度簡單校核 43 7.4.1 按接觸疲勞強(qiáng)度校核 43 7.4.2 按彎曲疲勞強(qiáng)度校核 44 第 8 章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 46 8.1 液壓卡盤的設(shè)計(jì)與計(jì)算 46 8.2 給進(jìn)油缸的設(shè)計(jì) 49 III 8.2.1 鉆桿摩擦力的計(jì)算 49 8.2.2 油缸直徑的計(jì)算 49 第 9 章 使用說明 50 9.1 概述 50 9.2 鉆機(jī)分組情況 50 9.3 結(jié)構(gòu)特征與工作原理 50 9.3.1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu) 50 9.3.2 鉆機(jī)的工作原理 52 9.4 操作程序 54 9.5 機(jī)器的保養(yǎng)與維護(hù) 55 9.6 故障原因及排除方法 57 9.7 鉆機(jī)的安全注意事項(xiàng) 58 第 10 章 經(jīng)濟(jì)可行性分析 59 10.1 市場前景分析 59 10.2 經(jīng)濟(jì)效益分析 60 結(jié)論 61 致謝 62 參考文獻(xiàn) 63 專題 64 附錄 1 73 附錄 2 82 附錄 3 93 附錄 4 94 附錄 5 95 IV 摘要 隨著我國地質(zhì)勘探、工程建設(shè)和農(nóng)田水利等事業(yè)的發(fā)展，對各種鉆探設(shè)備提出了更多的要求。鉆機(jī)作為鉆探設(shè)備的重要工具之一，在這些工程中起了舉足輕重的作用。為了適應(yīng)當(dāng)前各種勘探工作和工程建設(shè)項(xiàng)目對淺孔鉆機(jī)的要求，本設(shè)計(jì)任務(wù)在 TXU-150 型鉆機(jī)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了一些改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了鉆探深度為 200 米的液壓鉆機(jī)。設(shè)計(jì)中根據(jù)鉆機(jī)使用的環(huán)境和場合，運(yùn)用比較和參照的方法，借鑒同類型鉆機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過比較分析，重點(diǎn)對變速箱重新進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。在此基礎(chǔ)之上運(yùn)用綠色設(shè)計(jì)的理念，對不影響鉆機(jī)性能的環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化。最后，設(shè)計(jì) 出的 200 米鉆機(jī)理論上滿足鉆探深度為 200 米的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)盡量節(jié)省了制造成本和生產(chǎn)時(shí)間。 關(guān)鍵字 地質(zhì)勘探 鉆機(jī) 變速箱 V Abstract With the high development of geology explore, engineering constructions, and farmland irrigation in our country ,various drilling equipments are put forward more requests.As one of the most important tools in explore manchines,drill machine having the prominent function in these engineering constructions.For adapting to various current explore works and engineering constructions,which gives drill manchines more new requests.This design mission started on the foundation of TXU-150 drill machine,and than carried on some improvements.As a result,a new liquid pressure drill manchine which can drill holes as deep as 200 metres was designed. 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-box VI 2 3 4 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，市場對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)，市場前景更加樂觀。變速箱是鉆機(jī)中最重要的部分之一，通過對鉆機(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)了我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，意義十分重大。 5 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。概括起來說，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，對鉆機(jī)具體要求如下： 1.通過回轉(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 6 給進(jìn)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)鉆機(jī)、松緊卡盤等； 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，對識(shí)別、評價(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。 按三類分見表 1 1。 表 1 1 (m） 類別 淺孔鉆機(jī) 中深孔鉆機(jī) 深孔鉆機(jī) 10 300 10 300 300 800 300 800 800 1200 1000 2000 按四類分類見表 1 2。 表 1 2 （ m） 淺孔鉆機(jī) 次深孔鉆 機(jī) 中深孔鉆機(jī) 深空鉆機(jī) 10 150 200 400 500 800 900 以上 7 按原來地質(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)，可用漢語拼音字母中的一個(gè)字母或數(shù)字為代號(hào)。無尾部的是指首次產(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)：見表 1 1 表 1 1 鉆探深度 200m 立軸轉(zhuǎn)速 120、 240、 350、 600r/min 開孔直徑 89mm 終孔直徑 60mm 8 鉆機(jī)角度 0 360 9 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)、 TBW 150/3.0 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、井下或野外沒有電源的場地作業(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) 通過市場調(diào)研了解到，目前鉆探工程對鉆孔深度 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)。 10 2.2.2 總體設(shè)計(jì)方案的確定 經(jīng)過調(diào)研和幾次方案論證，考慮到現(xiàn)場特點(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)我國當(dāng)前生產(chǎn)技術(shù)和工藝水平，本TXU 200 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 開孔直徑 89m 終孔直徑 60mm 3.鉆孔傾斜 角度 0 360 4.立軸轉(zhuǎn)速 120、 240、 350、 600r/mm 5.立軸行程 500mm 6.最大液壓給進(jìn)壓力 4 MPa 7.卡盤最大工作壓力（彈簧常閉式液壓卡盤） 6 MPa 8.立軸內(nèi)孔直徑 52mm 9.油缸最大起拔力 28.5KN 11 10.油缸最大給進(jìn)力 20KN 11.絞車提升速度 0.26、 0.61、 0.70m/s 12.絞車轉(zhuǎn)速 33、 79、 91r/min 13.絞車提升負(fù)荷 0.70m/s 3.35KN 0.61m/s 6.00KN 0.26m/s 12KN 14.卷筒 直徑 140mm 寬度 100m 鋼絲繩直徑 8.8mm 容繩長度 32.8m 15.配備動(dòng)力 電動(dòng)機(jī) 型號(hào) YB160L 4 電壓 380/660V 功率 15KW 轉(zhuǎn)速 1460r/min 12 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0N 0 1.1 jNN （ 3 1） 式中： jN 鉆機(jī)所需功率 (KW) hyj NNN 式中 : hN 回轉(zhuǎn)鉆及破壞巖石、土層所需功率 (KW) 效率 =0.9 yN 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： hN=1 2 3N N N （ 3 2） 式中 : 1N 井底破碎巖石、土層所需功率 (KW) 1N = 343060000Am n h 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 ,其值見表 3-1 A 井底環(huán)狀面積，取鉆頭直徑 D=7.7cm,內(nèi)孔直徑 d=5.9cm 2 2 2 2( ) ( 7 . 7 5 . 9 ) 1 9 . 344DdA cm2 13 2N 鉆頭與孔底摩擦所需功率 (KW) 2 ()1944800f e nN R r （ 3 3） 式中 : 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=0.5 e 側(cè)摩擦系數(shù) e=1.1 n 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（ 3 3）中 ,所得相應(yīng)數(shù)值見 表 3 1。 3N 回轉(zhuǎn)鉆桿所需功率 (KW) 當(dāng) n 200r/min 時(shí) 1 1 2 1 . 3 33 0 . 9 2 1 0N d r L n 式中： L 孔深 (mm) ， 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時(shí)，取 L 200000mm 金剛石鉆進(jìn)時(shí)，取 L 75000mm d 鉆桿直徑 (mm) 取 d =50mm n 立軸轉(zhuǎn)速 (r/min) 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。 14 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 n 2 油缸直徑 D 55mm 活塞桿直徑 d 30mm 活塞桿有效行程 L 500mm 油缸面積 1A 23.75cm2 活塞桿面積 2A 7cm2 有效面積 12A A A 16.76cm2 3.3.2 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： mW C F 式中： W 油缸最大推力 (N) C 孔底最大壓力 (N) C 13345N mF 鉆桿與孔壁間的摩擦力 (N) mF q L f 式中： q 鉆桿單位長度重量 (N/m) q 55.46N/m L 鉆桿長度 (m) L 200m f 摩擦系數(shù) f 0.35 5 5 . 4 6 2 0 0 0 . 3 5 3 8 8 2 . 2mF N 故 1 3 3 4 5 3 8 8 2 . 2 1 7 2 2 7 . 2W N 油泵的工作壓力 P 15 1 7 2 2 7 . 2 1 0 . 2 81 6 . 7 6WP A MPa 3.3.3 油泵最大工作流量計(jì)算 油缸回程時(shí)的最大容油量 : 11 2 3 . 7 5 5 0 1 . 1 8 7V A L L 油缸送進(jìn)時(shí)的最大容油量 : 2 1 6 . 7 6 5 0 0 . 8 3 8V A L L 當(dāng)選用立軸的鉆進(jìn)速度 v =0.05m/min=0.5dm/min 時(shí) ,立軸送進(jìn)時(shí)每分鐘所需的油量為 : 2 2 0 . 1 6 7 6 0 . 5 0 . 1 6 6Q A v L/min 令活塞回程時(shí)間為 0.3min,則回程所需油量為 : 1 1 . 1 8 7 2 7 . 9 1 30 . 3Q L/min 3.3.4 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： 1 0 2 7 . 8 8 0 . 1 6 6 0 . 0 2 86 0 1 0 2 6 0 1 0 2gy PQN 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 YBC 12/80 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： 126 0 1 0 2yPQN (3 4) 式中 : P 額定壓力 (N/cm2) P =800N/cm2 Q 額定流量 (L/min) Q =12L/min 1 機(jī)械效率 1=0.9 2 容積效率 2=0.71 16 將上述參數(shù)代入式（ 3 4）中可以得到： 8 0 0 1 2 2 . 4 56 0 1 0 2 0 . 9 0 . 7 1yN K W 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 1，本機(jī)選用 15KW 電機(jī)或柴油機(jī)，基本能滿足表 3 1 中粗線以上各種工作狀態(tài)。 表 3 1 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 表 3 2 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) 120 240 350 600 N1 2000 0.21768 0.25887 0.11532 0.13195 4000 0.43537 0.51775 0.23064 0.26391 8000 0.87075 1.03550 0.46128 0.52782 10000 1.08844 1.29438 0.57660 0.65978 12000 1.30613 1.55326 0.69192 0.79173 14000 1.52382 1.81214 0.80724 0.92369 2000 0.46153 0.92307 1.34615 2.30769 4000 0.92307 1.84615 2.69230 4.61538 17 N2 8000 1.84615 3.69230 5.38461 9.23076 10000 2.30769 4.61538 6.73076 11.5384 12000 2.76923 5.53846 8.07692 13.8461 14000 3.23076 6.46153 9.42307 16.1538 N3 2.67 7.75 4.8 9.83 N 回轉(zhuǎn)器 (N1+N2+N3) 2000 3.34922 8.93195 6.26147 12.2696 4000 4.02845 10.1139 7.72295 14.7093 8000 5.38691 12.4778 10.6459 19.5885 10000 6.06613 13.6597 12.1073 22.0282 12000 6.745364 14.84172 13.56885 24.46789 14000 7.424592 16.02368 15.03033 26.90754 N 油泵 0.028 0.028 0.028 0.028 N (N 油 +N回） 2000 3.377227 8.959954 6.289475 12.29765 4000 4.056455 10.14191 7.75095 14.7373 8000 5.41491 12.50582 10.6739 19.61659 10000 6.094137 13.68777 12.13538 22.05624 12000 6.773364 14.86972 13.59685 24.49589 14000 7.452592 16.05168 15.05833 26.93554 jN=N/0.9 8.280658 11.26879 13.4838 13.6640 0N=1.1jN 9.108724 12.39567 14.8321 15.0304 18 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 4001000r/min 比較適宜。本機(jī)選用 120 600r/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 0.26 0.70m/s。 卷筒纏繩速度為三種，見表 4 1 表 4 1 絞車卷筒纏繩速度 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。 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： 檔 檔 檔 檔 立軸轉(zhuǎn)速 r/min 120 240 350 600 纏繩速度 m/s 0.26 0.61 0.70 19 3 1 0112 2 4 1 1ZZDZnn D Z Z Z 式中 :n 立軸的第一檔轉(zhuǎn)速 (r/min) n 電機(jī)轉(zhuǎn)速 (r/min) n=1460r/min 1D 主動(dòng)皮帶輪直徑 (mm) D1=160mm 2D 大皮帶輪直徑 (mm) D2=355mm Z1 Z11 傳動(dòng)鏈中各齒輪的齒數(shù) ,Z1=25,Z2=31,Z3=19,Z4=40 Z10=20,Z11=39 故 1 6 0 2 5 1 9 2 01 4 6 0 1 2 5 . 2 6 1 2 03 5 5 3 1 4 0 3 9n 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： n =5 1 0112 2 6 1 1ZZDZn D Z Z Z 式中 :Z5=28,Z6=31 故 n = 1 6 0 2 5 2 8 2 01 4 6 0 2 4 5 . 8 6 2 4 03 5 5 3 1 3 1 3 9 r/min 第三檔： n =10112 1 14ZDZnD Z Z 內(nèi) 式中 : Z4 內(nèi) =24 故 n = 1 6 0 2 5 2 014603 5 5 2 4 3 9 =351.5 350r/min 第四檔： n =7 8 1 0112 2 8 1 16Z Z ZDZnD Z Z Z Z 內(nèi) 式中 : Z7=46,Z8=21,Z6 內(nèi) =21 故 n = 1 6 0 2 5 4 7 2 1 2 01 4 6 0 6 0 9 . 1 6 0 0 / m i n3 5 5 3 1 2 1 2 1 3 1 r 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。 20 4.2.2 絞車的纏繩速度 第一檔速度 : 3 9 1 31112 2 4 1 2 1 4()60000 Z Z ZDZD n D Z Z Z Z m/s 式中 :0 1 4 0 8 . 8 1 4 8 . 8D D d mm 式中 :0D=140mm 為卷筒直徑 ,d =8.8mm 為鋼絲繩直徑。 故 1 1 4 8 . 8 1 6 0 2 5 1 8 3 3 1 8 1 8(1 4 6 0 )6 0 0 0 0 3 5 5 3 1 3 8 8 3 1 8 5 4 =0.28 /ms 同樣方法可以得到 : 2 0.68 m/s 3 0.75 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： 1U 0.26ms 2U=0.61m/s 3U=0.70m/s。 21 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)間分配情況見表 6 1。 表 5 1 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) 120 30% 3000 240 30% 3000 350 20% 2000 600 20% 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（化學(xué)工業(yè)出版社）計(jì)算的。 22 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)見表 6 2。 表 5 2 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 Z1 25 4 40 1.0 40Cr 40 50 20 Z2 31 4 30 0.76 40Cr 40 50 20 Z3 19 4 30 0 20CrMnTi 57 62 20 Z4 40 4 30 0 40Cr 40 50 20 Z5 28 4 25 0 40Cr 40 50 20 Z6 31 4 25 0 40Cr 40 50 20 Z7 47 3.5 25 -1.03 40Cr 40 50 20 Z8 21 3.5 35 0.04 40Cr 40 50 20 5.2.2.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3T 66331 3 . 9 6 89 . 5 5 1 0 9 . 5 5 1 0 2 5 1 3 6 9 . 85 3 0 . 6 7PT n Nmm 23 齒寬系數(shù) 查閱相關(guān)手冊，取d=0.4 接觸疲勞極限 查閱相關(guān)手冊， Z3、 Z4兩齒輪的接觸疲勞極限分別為：lim3H=1080MPa lim4H=970MPa 初步計(jì)算的許用接觸應(yīng)力 3Hl i m 30 . 9 0 . 9 1 0 8 0 9 7 2H MPa 4Hl i m 40 . 9 0 . 9 9 7 0H =873MPa dA值 查閱相關(guān)資料，取dA=88 初步計(jì)算小齒輪直徑3d 3 333 22( 1 ) 2 7 8 7 3 5 . 4 ( 2 . 1 1 )8 8 7 2 . 5 6 0 . 7 9 7 2 2 . 1ddHTudAu mm 取3d=73mm 初步齒寬 b 3 0 . 4 7 6 3 0 . 4dbd mm 取 b =30mm 參數(shù)選取計(jì)算 圓周速度 v 3 3 . 1 4 7 3 5 3 0 . 6 7 2 . 0 36 0 1 0 0 0 6 0 0 0 0dnv m/s 使用系數(shù)AK 查閱相關(guān)資料，取AK=1.25 動(dòng)載系數(shù)vK 查閱相關(guān)資料，取vK=1.15 齒間載荷分配系數(shù)HK 由相關(guān)資料，先求小齒輪切向力tF 24 332 2 2 5 1 3 6 9 . 8 6 6 1 4 . 9 973tTF d N 然后有 1 . 2 5 6 6 1 4 . 9 9 1 6 8 . 7 530AtKFb N/mm 100N/mm 同時(shí) 3434( ) ( )ZZzz 查閱相關(guān)資料得330.038Z ， 440.017Z 故 =19 0.038+40 0.017=1.40 從而可以得到重合度系數(shù) z 4 4 1 . 4 0 0 . 9 333Z 由此可得 2211 1 . 1 60 . 9 3HK Z 齒向載荷分布系數(shù)HK 查閱相關(guān)資料得到： 2 2 333 1 0 . 6 ( ) ( ) 1 0H bbK A B C bdd 2 2 33 0 3 01 . 1 7 0 . 1 6 1 0 . 6 ( ) ( ) 0 . 6 1 1 0 3 07 6 7 6 =1.81 載荷系數(shù) K 25 A v H HK K K K K =1.25 1.15 1.16 1.81 =3.02 載荷系數(shù)EZ 查閱相關(guān)資料，取 189.8EZ MPa1/2 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)HZ 查閱相關(guān)資料，取HZ=2.5 接觸最小安全系數(shù)limHS 查閱相關(guān)資料，取limHS=1.05 總工作時(shí)間ht 按照 要求ht=10000h 11 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) LN 查閱相關(guān)資料，估計(jì) 107 LN 109 336 0 6 0 1 5 3 0 . 6 7 1 0 0 0 0LhN n t =3.18 108 446 0 6 0 1 2 5 2 . 0 7 1 0 0 0 0LhN n t =1.51 108 12 接觸壽命系數(shù) NZ 查閱相關(guān)資料，取3 1.12NZ ， 4 1.14NZ 13 許用接觸應(yīng)力 H l i m 3 33l i m1 0 8 0 1 . 1 2 1 1 5 21 . 0 5HNH HZS MPa l i m 4 44l i m9 7 0 1 . 1 4 1 0 5 31 . 0 5HNH HZS MPa 26 校核驗(yàn)算 33 232 ( 1 )H E HK T uZ Z Zb d u =22 2 . 1 3 2 5 1 3 9 6 . 8 ( 2 . 1 1 1 )1 8 9 . 8 2 . 5 0 . 9 43 0 7 6 2 . 1 1 =1054.16MPa 44 242 ( 1 )H H HK T uZZZb d u =22 2 . 1 3 5 1 3 3 2 1 . 5 ( 2 . 1 1 1 )1 8 9 . 8 2 . 5 0 . 9 43 0 1 6 0 2 . 1 1 =715.5MPa 計(jì)算結(jié)果表明，33HH，44HH，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) Y 0 . 7 5 0 . 7 50 . 2 5 0 . 2 5 0 . 7 8 61 . 4 0Y 齒間載荷分配系數(shù)FK 查閱相關(guān)資料， 11 1 . 2 30 . 8 1FK Y 齒向載荷分布系數(shù)FK 27 查閱相關(guān)資料，要得到FK的值先要求 bh。 30( ) ( 4 . 7 6 4 . 2 6 )afbbh h h=3.32 從資料中可以查出，F(xiàn)K=1.43 載荷系數(shù) K A V F FK K K K K =1.25 1.15 1.23 1.43 =2.53 齒形系數(shù)FY 查閱相關(guān)資料，取3 2.58FY ，4 2.35FY 應(yīng)力修正系數(shù)SY 查閱相關(guān)資料，取3 1.64SY ，4 1.71SY 最小彎曲疲勞極限limF 查閱相關(guān)資料，取lim 3 550F MPa，lim 4 470F MPa 彎曲最小安全系數(shù)limFS 查閱相關(guān)資料，取lim 1.25FS 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)LN 查閱相關(guān)資料，取 83 2 .8 7 1 0LN ， 84 1 .3 6 1 0LN 彎曲壽命系數(shù)NY 查閱相關(guān)資料，取3 0.91NY ，4 0.95NY 11 尺寸系數(shù)XY 查閱相關(guān)資料，取 1.0XY 12 許用彎曲應(yīng)力 F 28 l i m 3 33l i m5 5 0 0 . 9 1 1 . 0 1 . 2 5F N XF FYYS =400.4MPa l i m 4 44l i m4 7 0 0 . 9 5 1 . 0 1 . 2 5F N XF FYYS =357.2MPa 校核驗(yàn)算 33 3 332F F SKT Y Y Yb d m 2 2 . 5 3 2 5 1 3 6 9 . 8 2 . 5 8 1 . 6 4 0 . 8 13 0 7 6 4 =298.74MPa 4443332 . 3 5 1 . 7 12 9 8 . 7 4 2 . 5 8 1 . 6 4FSFF FSYYYY =283.72MPa 計(jì)算結(jié)果表明，33FF，44FF，彎曲疲勞強(qiáng)度合適。 由于傳動(dòng)中無嚴(yán)重過載，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 軸相對尺寸直徑小，長度大，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)矩見表 5 3。 表 5 3 軸的各檔轉(zhuǎn)速及其傳遞的功率、轉(zhuǎn)矩 29 速度序號(hào) 轉(zhuǎn)速（ r/min） 傳遞功率 (KW) 傳遞轉(zhuǎn)矩 (N m) 252.07 14.55 513.4 479.3 14.55 270.0 685.4 14.55 188.80 1187.7 14.14 105.7 軸上各齒輪的分度圓直徑為： 8 73.5d mm,1 100d mm,4 160d mm,6 124d mm,8 73.5d 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 2000t TF d，齒輪徑向力 tanrtFF 檔轉(zhuǎn)速下： 3442000 2 0 0 0 5 1 3 . 4 6 4 1 7 . 5160tTF d N 44tanrtFF =6417.5 tan 20=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：6 4354.8tF N，6 1585.0rF N 檔轉(zhuǎn)速下：1 3776tF N，1 1914.8rF N 檔轉(zhuǎn)速下：8 2876.2tF N，8 969.1rF 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。 軸的長度較大，相對直徑較小，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化。軸的受力簡圖如圖 5 1。 30 圖 5 1 傳動(dòng)軸的受力簡圖 如圖 5 1，將軸受到的力簡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 142140 00 ( 2 1 0 6 2 ) 6 2 0R t RXRtXF F FMFF 代入數(shù)據(jù)計(jì)算： 1 6 2 6 4 1 7 . 5 1 4 6 2 . 8272RF N 2 4 1 6 4 1 7 . 5 1 4 6 2 . 8 4 9 5 4 . 7R t RF F F N 垂直方向受力 1 4 2140 00 ( 2 1 0 6 2 ) 1 0 0 0R t RYRrYF F FMFF 代入數(shù)據(jù)計(jì)算： 1 6 2 2 3 3 5 . 7 8 5 3 2 . 4 2272RF N 31 2 4 1 2 3 3 5 . 7 8 5 3 2 . 4 2 1 8 0 3 . 3 6R r RF F F N 3.畫軸 的彎矩圖 軸的水平受力彎矩圖和垂直受力彎矩圖分別見圖 5 2和圖 5 3。 圖 5 2 軸水平受力、彎矩圖 圖 5 3 軸垂直受力、彎矩圖 通過以上計(jì)算，軸的合成彎矩為： 2 2 2 23 0 7 1 8 8 1 1 1 8 0 8 . 2 3 2 6 9 0 2 . 9 5XYM M M Nmm 32 合成彎矩圖見圖 5 4。 圖 5 4 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0 110b MPa 同時(shí)取1 65b MPa。 應(yīng)力校正系數(shù) 10 65 0 . 5 9 1 1 0bb 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩計(jì)算如下： TT 44 6 4 1 7 . 5 1 6 0 51340022tFdT N mm 0 . 5 9 0 . 5 9 5 1 3 4 0 0 3 0 2 9 0 6TT N mm 當(dāng)量彎矩計(jì)算： 選擇在齒輪 Z4中間截面處 2 2 2 2( ) 3 2 6 9 0 2 . 9 5 3 0 2 9 0 6M M T 445665.33N mm 33 當(dāng)量彎矩圖如圖 6 5所示。 圖 5 5 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： 44 2 ( ) 1 6 0 2 ( 1 0 . 2 5 ) 4 1 5 0fad d h c m mm 軸最小軸徑計(jì)算： d = 331 4 4 5 6 6 5 . 3 3 9 0 . 5 60 . 1 0 . 1 6bM mm 故 d fd,滿足要求。 2.應(yīng)力校核 軸所受應(yīng)力計(jì)算如下： bMW 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： 34 42( ) ( )32d B z D d D dW D （ 5 1） 式中： d 花鍵內(nèi)徑 (mm) 取 42d mm； B 花鍵鍵寬 (mm) 取 8B mm D 花鍵外徑 (mm) 取 46D mm z 花鍵的個(gè)數(shù) 取 z =8 故代入（ 6 1）式后得： 423 . 1 4 4 2 8 8 ( 4 6 4 2 ) ( 4 6 4 2 ) 7 9 8 4 . 53 2 4 6W N 所以，可以計(jì)算出軸所受應(yīng)力： 4 4 5 6 6 5 . 3 3 5 5 . 8 17 9 8 4 . 5b MPa 顯然，有1bb,通過校核。 35 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。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。 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)方式來確定。對閉式傳動(dòng)可按齒面接觸強(qiáng)度估算，對開式傳動(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 131 2 213 2983(1 0 . 5 )1636eR R H pHpKTduKTu 式中： Hp 設(shè)計(jì)齒輪的許用接觸應(yīng)力 Hp HLimHS 式中：HLim 接觸疲勞應(yīng)力 ( 2N/mm ) 取HLim 1200 2N/mm 36 HS 安全系數(shù) 1 1.2 取 HS 1.1 u 傳動(dòng)比或齒數(shù)比 u=2039=0.51 1T 所受轉(zhuǎn)距 (N/mm) 由前一章計(jì)算得1 5 7 6 .2 6 N /m mT K 使用系數(shù) 取 K 1.5 故 1 3 21 . 5 5 7 6 . 2 61 6 3 6 1 1 9 . 0 6 m m12000 . 5 1 ( )1 . 1ed 取 e1d 120 mm 則有齒輪大端模數(shù) em e1d /z=120/20=6 mm 其他相關(guān)參數(shù)如表 5 1， 5 2 所示 表 6 1 名稱 小弧錐齒 Z10 大弧錐齒 Z11 分錐角 27.15 62.85 齒寬系數(shù) 0.3 0.3 終點(diǎn)模數(shù) 5.1 5.1 中點(diǎn)法向模數(shù) 4.178 4.178 齒寬中點(diǎn)螺旋角 35 35 6.2.2 計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度 Z10 與 Z11 的主要參數(shù)見表 5 2。齒面硬度 Z10 為 HRC52， Z11 為 HRC57，錐距 R 131.49mm,節(jié)錐角 10=279 35 , 11=6251 。 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 Z10 20 6 0.29 40 20CrMnTi 0.85 20 35 右 8DC 37 Z11 39 6 0.29 40 20CrMnTi 0.85 20 35 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 6 3 表 6 3 功率 KW 轉(zhuǎn)速 r/min 轉(zhuǎn)矩 n m 14.55 252 513.4 14.55 479.3 270.0 14.55 685.4 188.8 14.14 1187.7 105.7 1.校核公式 計(jì)算接觸應(yīng)力： 211A V H H m tH H E Km e HK K K K F uZ Z Z Zd b u (6 1) 許用應(yīng)力： m i nH L i mH P L V R XHZ Z Z ZS （ 6 2） 查閱相關(guān)資料 ,將校核所涉及的其它參數(shù)列于表 6 4中。 表 6 4 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) H 2.22 彈性系數(shù) EZ 189.8 2/N mm 接觸強(qiáng)度計(jì)算的重合度系數(shù) Z 0.88 接觸強(qiáng)度計(jì)算的螺旋角系數(shù) Z 0.91 接觸強(qiáng)度計(jì)算的錐齒輪系數(shù) KZ 0.85 38 使用系數(shù) AK 1.5 動(dòng)載系數(shù) VK 1.03 齒向載荷分布系數(shù) HK 1.50 齒向載荷分配系數(shù) HK 1.4 傳動(dòng)比 u 1.95 接觸強(qiáng)度計(jì)算的有效齒寬 eHb 34mm 小齒輪分度圓直徑 1md 120mm 錐齒輪中點(diǎn)端面分度圓上名義切向力 mtF 9610 N 試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限 HLim 1200 2/N mm 接觸疲勞的最小安全系數(shù) minHS 1.1 潤滑劑系數(shù) LZ 1.0 速度系數(shù) VZ 1.0， 粗糙度系數(shù) RZ 0.95 溫度系數(shù) XZ 1.0 2.校核驗(yàn)算： 將表 6 4 中的參數(shù)代入公式 6 1、 6 2 中得： 39 21 . 5 1 . 0 3 1 . 5 1 . 4 9 6 1 0 1 . 9 5 12 . 2 2 1 8 9 . 8 0 . 8 8 0 . 81 2 0 3 4 1 . 9 5H 869.3MPa 1200 1 1 0 . 9 5 11 . 1HP 1036.36MPa 顯然HHP，并且安全系數(shù) m i n1 0 3 6 . 3 6 1 . 28 6 9 . 3HPHHSS 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。 40 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.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) 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： =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)： 4 5S 在正常情況下，最大起重時(shí)的安全系數(shù)為： 47300 3 . 4 912000SSSQ 41 在急剎車時(shí)，取 Q 2.5Q ，則安全系數(shù) 1.6SS Q 3.卷筒參數(shù)確定如下： 卷筒內(nèi)徑： D 140mm 卷筒外徑： D 243mm 卷筒有效長度： L0 100mm 容繩長度： L n D 式中： n 每層鋼絲繩圈數(shù) n 11 D 每層纏繩長度之和，共 6 層， 3 . 1 4 0 . 1 4 1 1 4 . 8D D n m 4.絞車主要齒輪副的幾何參數(shù)計(jì)算 在絞車中，行星齒輪的外嚙合為重要齒輪副，只計(jì)算齒輪 Z14、 Z15的幾何參數(shù)。它們的主要參數(shù)見表 7 1。 表 7 1 齒輪 Z14、 Z15的主要幾何參數(shù) 齒輪 齒數(shù) Z 模數(shù) m 變位系數(shù) Xn 材料 硬度 HRC Z14 18 3 0.15 20CrMnTi 57 62 Z15 18 3 0.15 20CrMnTi 57 62 7.2.2 絞車卷筒轉(zhuǎn)速和提升速度計(jì)算 1.絞車共有 3 種轉(zhuǎn)速 ,各種轉(zhuǎn)速計(jì)算如下 : 第 檔 : 3 9 1 31 1 1 402 2 4 1 2 1 4 1 5Z Z ZD Z Znn D Z Z Z Z Z = 1 6 0 2 5 1 9 3 3 1 8 1 814603 5 5 3 1 4 0 8 3 1 8 5 4 42 =33.4r/min 第 檔 : n 5 9 1 31 1 1 402 2 6 1 2 1 4 1 5Z Z ZD Z Zn D Z Z Z Z Z 1 6 0 2 5 2 8 3