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摘要 針對傳統(tǒng)鉆探行業(yè)施工過程中設(shè)備搬遷困難、鉆孔效率低以及無法傾斜 鉆探等問題，研制、改進(jìn)新一代高效可傾式鉆探設(shè)備則顯得尤為必要。該礦 用鉆機(jī)改型過程中所面對的若干問題進(jìn)行了較為詳細(xì)研究，并對關(guān)鍵件加工 過程出現(xiàn)的工藝文體進(jìn)行分析和調(diào)整。 通過調(diào)研了解到，對鉆孔深度 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)：經(jīng)濟(jì)耐 用可靠、質(zhì)優(yōu)價廉；便于解體搬運(yùn)；體積小，重量輕；操作簡單，維修方便； 適用于 42、50mm 兩種鉆桿； 適用于合金鉆頭或金剛石鉆頭鉆進(jìn)；鉆進(jìn)速度快，效率高；動力為電機(jī)或柴 油機(jī)。 關(guān)鍵詞:100 米 變速箱 鉆機(jī) Abstract the equipment moves the difficulty in view of the traditional drilling profession construction process in, the drill hole efficiency lowers as well as is unable to incline questions and so on drilling, the development, improves new one generation highly effective to be possible to lean the type drilling equipment to appear especially essential. In this mineral product drilling machine modification process faces certain questions have conducted the comparatively dissect, and the craft literary style which appears to the key processing process carries on the analysis and the adjustment. Understood through the investigation and study, quite is big to the drill hole depth 100 meter about drilling machine demands, but the present 100 meters drilling machines, have the labor intensity in a big way, the compatible inferior shortcoming. In view of the fact that above reason, we decided develops 100 meters drilling machines. Decided after several plan discussions that, the drilling machine should have following characteristic: economy durable reliable, high quality at low price; is advantageous for the disintegration transporting; the volume is small, the weight is light; the operation is simple, the service is convenient; is suitable for 42, 50mm two kind of drill rods; is suitable in the alloy drill bit or the carbon bit sneaks in; sneaks in the speed to be quick, the efficiency is high; the power is the electrical machinery or the diesel engine. Kewords: drilling machines 100 meters gearbox 目 錄 摘要 ........................................................................................................................... ABSTRACT............................................................................................................... 緒論 .............................................................................................................................1 第 1 章 總體設(shè)計(jì) .....................................................................................................2 第 2 章 鉆機(jī)的主要技術(shù)特性 .................................................................................3 第 3 章 動力確定 .....................................................................................................5 3.1 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及破碎巖層,土層所需功率 .................................................................5 3.2 進(jìn)給油缸所需功率計(jì)算 .........................................................................................6 3.2.1 進(jìn)給油缸的基本參數(shù) ..................................................................................6 3.2.2 油缸工作壓力計(jì)算 .......................................................................................6 3.2.3 油泵最大工作流量計(jì)算 ..............................................................................7 3.2.4 進(jìn)給油缸功率 ................................................................................................7 3.3 動力機(jī)功率的確定 ................................................................................................7 第 4 章 機(jī)械傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) ...................................................................................10 4.1 要參數(shù)的選擇 .........................................................................................................10 4.1.1 回轉(zhuǎn)器 ...........................................................................................................10 4.1.2 升降機(jī) ...........................................................................................................10 4.1.3 變速箱 ...........................................................................................................10 4.2 機(jī)械傳動系統(tǒng) .........................................................................................................10 第 5 章 回轉(zhuǎn)器 .......................................................................................................12 5.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ..................................................................................................................12 5. 2 零部件的強(qiáng)度與壽命計(jì)算 ...................................................................................12 5.2.1 齒面按接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 .......................................................................13 5.2.2 彎曲疲勞強(qiáng)度極限應(yīng)力 ...........................................................................13 第 6 章 變速箱的設(shè)計(jì)與計(jì)算 ...............................................................................15 6.1 變速箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ................................................................................................15 6.2 零件的強(qiáng)度計(jì)算 .....................................................................................................15 6.3 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 .....................................................................................................15 6.4 軸系零部件強(qiáng)度與壽命的校核計(jì)算 ................................................................20 第 7 章 絞 車 .......................................................................................................24 7.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ................................................................................................................24 7.2 主要參數(shù)的選擇 ...................................................................................................24 7.3 絞車所需功率 .......................................................................................................25 7.4 零部件的強(qiáng)度及壽命計(jì)算 ................................................................................25 第 8 章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 ...........................................................................31 8.1 液壓卡盤的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .......................................................................................31 8.2 進(jìn)給油缸的設(shè)計(jì) .....................................................................................................33 第 9 章 鉆機(jī)的使用說明書 ...................................................................................35 總結(jié) ...........................................................................................................................50 致謝 .........................................................................................................................51 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................52 專題 軸的機(jī)械加工工藝過程 .................................................................................53 附錄 1 ........................................................................................................................59 附錄 2 ........................................................................................................................68 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)；液動沖擊 回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)；受控定向鉆探技術(shù)（含對接井施工技術(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)了煤層氣儲存監(jiān)測罐。 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)會制定的 DCDMA 標(biāo)準(zhǔn)仍然占據(jù)鉆探管材和鉆具市場的主流，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 （ISO）的 TC82（礦業(yè)技術(shù)委員會）/SC6 （金剛石鉆探設(shè)備分技術(shù)委員會） 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)動絞車外，增加了液壓卡盤減輕勞動強(qiáng)度，節(jié)約時間，提 高有效鉆進(jìn)速度。 4. 考慮到高轉(zhuǎn)速時，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)動力較大，動力由 V 型帶傳動到變速箱的傳動軸上易使傳 動軸彎曲，所以增加了卸荷裝置。 6. 采用二級回歸式變速箱，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，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。 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 89 2終孔直徑 60 3. 鉆孔傾斜角度 0360 4. 立軸轉(zhuǎn)速 110、190、340/min 5. 立軸行程 400 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 52 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 0.75m/s 3.35KN . 0.44m/s 6.00KN . 0.22m/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配備動力 1 電動機(jī) 型號 YB160M4 電壓 380/660V 功率 5.5KW 轉(zhuǎn)速 1440r/min 2 柴油機(jī) 型號 S1100 功率 5.5KW 轉(zhuǎn)速 1500r/min 16外型尺寸（Lh b） 1370 6851200mm 17重量（不含柴油機(jī)） 750Kg 第 3 章 動力機(jī)的確定 本機(jī)組的驅(qū)動裝置采用交流感應(yīng)電動機(jī)，因?yàn)檫@種動力機(jī)重量輕、結(jié)構(gòu) 簡單、使用維護(hù)方便易實(shí)現(xiàn)防爆。 為了便于搬運(yùn)和機(jī)場的布置，鉆機(jī)和水泵各用一臺電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，而回 轉(zhuǎn)器與油泵共用一臺電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動。 輸出功率為 N。 N。1.2N j 式中：N j鉆機(jī)所需功率 KW Nj（N hN y）/ 式中: N h回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)所需功率 KW 效率 =0.85 Ny油泵所需功率 KW Nh=N1+N2+N3 式中: N 1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= 3-106A4mn 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. 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=(D 2d2)/4=(7.3 25.82)/4=15.43cm2 2. N2=f en(R+r)/1944800 3-2 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=0.3 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=7.81011 Ldn1。7 (當(dāng) n200r/min 時) 3- 3-2 式中：L孔深 ， 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時，取 L150000mm 金剛石鉆進(jìn)時，取 L75000mm 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 32 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 n2 2）油缸直徑 D55mm 3）活塞桿直徑 d30mm 4）活塞桿有效行程 L400mm 5）油缸面積 A 123.76cm 2 6）活塞桿面積 A 27cm 2 7）有效面積 AA 1A 216.76cm 2 3.2.2油缸工作壓力的計(jì)算 鉆機(jī)大水平孔時，油缸的最大推力為： WCF m 式中：W油缸最大推力 C孔底最大壓力 C10000N Fm鉆桿與孔壁間的摩擦力 FmqLf 式中：q鉆桿單位長度重量 q45.6N/m L鉆桿長度 L1050m f摩擦系數(shù) f0.35 Fm45.61050 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 油缸回程時的最大容油量: V1=A1L=23.7640=950.4mL=0.9504L 油缸送進(jìn)時的最大容油量: V2=AL=16.7640=0.6704L 當(dāng)選用立軸的鉆進(jìn)速度 V=0.06m/min=0.6dm/min 時,立軸送進(jìn)時每分鐘 所需的油量為: Q=2AV=20.16760.6=0.2 令活塞回程時間為 0.3min,則回程所需油量為: Q1=0,95042/0.3=6.336 3.2.4.給進(jìn)油缸功率 Ny Ny=PQ/60102=696.60.2/60102=0.023 3.2.5.根據(jù)上面的計(jì)算, 選用 YBC10/80 型齒輪油泵(排油量 10L/min,壓力 800N/cm2 )。 油泵滿負(fù)荷時所需功率是: Ny=PQ/60102 1 2 式中:P額定壓力 P=800N/cm 2 Q額定流量 Q=10L/min 1機(jī)械效率 1=0.9 2容積效率 2=0.71 Ny=80010/601020.90.71=2.04KW 3.3 動力機(jī)功率的確定 通過上述的計(jì)算說明，立軸鉆進(jìn)時給進(jìn)所需功率很小，而且油泵滿負(fù)荷 工作時一般是立軸停止轉(zhuǎn)動狀態(tài)，液壓卡盤松開時，必須停止鉆進(jìn)。所以參 考表 32 本機(jī)選用 5.5KW 電機(jī)或柴油機(jī)，基本能滿足表 32 中粗線以上各 種工作狀態(tài)。 表 31 巖 石 名 稱 抗 壓 強(qiáng) 度 （N/cm 2 ） 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 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 N1 12000 0.4157 0.4765 0.5512 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 N2 12000 1.4693 2.5379 4.5346 N3 r/min N/cm2 1.0160 2.5728 2.2804 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 Nh 12000 2.9010 5.5879 7.3662 Ny r/min N/cm2 0.023 0.023 0.023 Nj=Nh/ 3.4129 3.6179 3.6814 N0=1.2Nj 4.0920 4.3415 4.4177 第 4 章 機(jī)械傳動系統(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，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 n90400r/min 比較適宜；采用金剛石鉆頭鉆進(jìn)時，立軸轉(zhuǎn)速取 n4001000r/min 比較適宜。本機(jī)選用 110340r/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 0.220.66m/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 41 表 41 檔 檔 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)械傳動系統(tǒng) 機(jī)械系統(tǒng)傳動路線見圖 41 傳動計(jì)算如下： 1.立軸的轉(zhuǎn)速: n =nD1/D2Z1/Z2Z3/Z4Z10/Z11 式中: n 立軸的第一檔轉(zhuǎn)速 r/min n電機(jī)轉(zhuǎn)速 n=1440r/min D1主動皮帶輪直徑 D1=125mm D2大皮帶輪直徑 D2=285mm Z1Z11 傳動鏈中各齒輪的齒數(shù),Z 1=31,Z2=54,Z3=31,Z4=54 Z10=21,Z11=39 n =1440125/28531/5431/5421/39=112.1110r/min n =nD1/D2Z1/Z2Z5/Z6Z10/Z11 式中:Z 5=42,Z6=43 n =1440125/28531/5442/4321/39=190.69190r/min n =nD1/D2Z1/Z4 內(nèi) Z10/Z11 式中: Z 4 內(nèi) =31 n =1460160/36531/3121/39=340.08340r/min 考慮到皮帶傳動、齒輪傳動、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=D(nD 1/D2Z1/Z2Z3/Z4Z9/Z12/Z13/Z14)/60000 m/s 式中:D=D 0+d=140+8.8=148.8mm 式中:D 0=140mm 為卷筒直徑,d=8.8mm 為鋼絲繩直徑。 V1=148.8(1460160/36525/3118/3833/8318/1818/54)/6000 0 =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： U10.22m/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 51 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 51。齒面硬度 Z10 為 HRC52、Z 11 為 HRC57，錐距 R77.515 m,節(jié)錐角 10=28018 22”, 11=6104128” 表 5-1 齒 號 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 8D C Z11 39 3.5 0 22 20CrMnTi 0.85 200 350 左 8D C 齒輪在各種轉(zhuǎn)速下傳遞的功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩見表 52 表 52 功率 KW 轉(zhuǎn)速 r/min 轉(zhuǎn)矩 nm 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 HZE 1.5ftmaxKAKVKH ZR 3 Ft1 N/mm2 bd1I 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動載系數(shù) KV1=KV2=1 KH 齒間載荷分布系數(shù) KH =1.2 Zx尺寸系數(shù) Zx=1.0 ZR表面狀況系數(shù) Z R=1 b有效齒寬 b=22mm d1小輪大端分圓直徑 d 1=94.5mm I幾何系數(shù) I=0.1 將以上各值代入上式,得 H=1197N/mm2 (2)接觸疲勞極限應(yīng)力 HIin= HIinZNZW/ZQ N/mm2 HIin接觸疲勞極限應(yīng)力 HIin1352 Zwgz 工作硬化系數(shù) Z w1 ZN壽命系數(shù) Z N1 ZQ溫度系數(shù) Z Q=1 HIin=135211=1352 (3)安全系數(shù): SH= HIin/ H=1352/1197=1.12SHIin=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 FF tKAKUKF YX/bmsJ 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動載系數(shù) Kv=1 KF 載荷分布系數(shù) K F 1.15 Yx尺寸系數(shù) Y x1 ms大端端面模數(shù) m s=4.5 J幾何系數(shù) J0.18 F141N/mm 2 （2） 齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力 FIim FIim YN/YQ N/mm2 YQ溫度系數(shù) Y Q1 YN壽命系數(shù) Y N1 FIim齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力 FIim206.82N/mm 2 （3） 安全系數(shù) SF FIim/ F206.82/141=1.46S Fmin=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 61 所示，它是由變速部分、分動部分及操縱部分 和殼體等組成。也是變速部分和分動部分合為一體的傳動箱。其特點(diǎn)是： 1、采用了回歸式的傳動形式，箱體呈扁平狀，有利于降低鉆機(jī)的高度， 齒輪 Z4 即是移動齒輪由是結(jié)合子，因此結(jié)構(gòu)緊湊。 2、變速、分動相結(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，每個移動齒輪 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，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，純機(jī)動時 間每班 16 小時，可連續(xù)工作 20 個月。 每個速度的工作時間分配情況如下： 第一速（110r/min） 為 40即 4000 小時； 第二速（190r/min） 為 40即 4000 小時； 第三速（340r/min） 為 20即 2000 小時； 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 （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 61 表 61 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、Z 3、Z 4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limli*FbNXsrY 式中 被校核齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力liF 實(shí)驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力，由圖 F813 查得：limb （Mpa）lim3li40Fbb 彎曲壽命系數(shù)，因兩齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：NY = *0.4*60*365=0.87* 次3410810 = *0.4*60*210=0.5* 次4 由圖 F814 知 = =13NY4 尺寸系數(shù) = =1（圖 F815）XYX 有效應(yīng)力集中系數(shù)，有圖 F816 查知 =1.03， =0.97SrY 3SrY4Sr 所以 = * * / =400*1*1/1.03=370（Mpa）lim3Fli3bNY3XSr = * * / =400*1*1/0.97=412（Mpa）li4li44r （B） 比較彎曲強(qiáng)度 圖 F86 查得齒形系數(shù) =1.94， =2.26 則有3FY4F / =370/1.94=191 / =412/2.26=182lim3FYlim4 因此齒輪 彎曲強(qiáng)度弱。4Z （C） 計(jì)算彎曲工作應(yīng)力 4F = /bm( ) （Mpa）4FtcFY 式中 計(jì)算圓周力，而 =tc tctAKU 其中 工作圓周力 =2000 / =2000*132.5/62=4273（N ）t t3Td 工作狀況系數(shù)，由表 F87 查知 =1.25 AKA 動載系數(shù)，因?yàn)?V /100=1.18*31/100=0.37，由 F84 知U3Z =1 載荷分配系數(shù)， =1/ ，當(dāng) =1.6 時， =0.7，所以KKYY =1/0.7=1.43 載荷分布系數(shù)，因 =b/ =26/62=0.45,故由表 F85 查知 d3 =1.05K 則 =4273*1*1*1.43*1.05=6417.5（N）tcF 載荷作用位置數(shù) =0.7Y Y 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）Fct4FY (d)計(jì)算齒輪的彎曲疲勞安全系數(shù) FS = / =412/195=2.11 可靠FSlim4F 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 limH = * *limHlibNZ 式中 實(shí)驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力，由 F817 查知 li = =1100（Mpa）lim3Hbli4b 壽命系數(shù)，由圖 F818 查知 =1.19， =1.22NZ 3NZ4NZ 硬化系數(shù)， 取 =1 所以 =1100*1.19*1.03=1348（Mpa）lim3H =1100*1.22*1.03=1424 （Mpa）li4 （B ）計(jì)算接觸工作應(yīng)力 = （Mpa）HEZ31*tcFubd 式中 材料系數(shù)，由 F89 查知 =189.8E EZMPa 節(jié)點(diǎn)系數(shù)， =2.27 由圖 F810HZHZ 重合度系數(shù) =0.9 由圖 F89 U齒數(shù)比 U= =54/31=1.7443/ 則 =189.8*2.27*0.9 =889（Mpa）H617.54*2 （C） 算安全系數(shù) HS = / =1384/889=1.516 安全可靠HSlim3 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 F812 知 =18* =18*45=810（Mpa ）limFsCR 最大的彎曲工作應(yīng)力為 = *1.5/ =195*1.5/1.25=234（Mpa）axF4AK 短期過載彎曲強(qiáng)度安全系數(shù) = / =810/234=3.5（安全）FSlimsaxF 短期過載接觸極限應(yīng)力，根據(jù)表 F812 知 =41，3*45=1859 （Mpa）li41.3HsCR 而最大接觸應(yīng)力為 =889* =974 （Mpa）max1.5HAK.25 短期過載接觸強(qiáng)度的安全系數(shù)為 =1.9（安全）HSlimax18974s 3、其他齒輪對的強(qiáng)度校核 按上面的方法和步驟，對變速箱中的其他齒輪對可進(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，其中軸負(fù)荷最大，而且相對尺寸直徑小、長 度長。下面僅以該軸的強(qiáng)度壽命進(jìn)行驗(yàn)算。 軸共有七種工作狀態(tài)，向回轉(zhuǎn)器傳遞四種狀態(tài)的動力，驅(qū)動絞車三種 狀態(tài)。相比而言回轉(zhuǎn)器的 130r/min 的轉(zhuǎn)速時該軸扭矩最大，受力最大。 1、軸的驅(qū)動校核 已知下列條件：材料 40Cr，調(diào)質(zhì) T220-250，各齒輪分度圓直徑為： d4108、d 684、d 8105. 該軸的四個轉(zhuǎn)速及傳遞的扭矩見表 6-2 表 6-2 轉(zhuǎn)速（ r/min） 扭矩（Nm） 備 注 檔 210 2217 檔 356 1184 III 檔 636 7928 （A） 在各種轉(zhuǎn)速下齒輪受力支反力計(jì)算結(jié)果列表 63 中 （B） 軸的疲勞強(qiáng)度校核： 從表 62 中得知，校核軸的強(qiáng)度時，應(yīng)取低轉(zhuǎn)速的受力狀態(tài)。表 63 RCY RBY Ft6 Ft4 RAY C B Ft6 FR4 A RCX RBX RAX 125 94.5 115 60.5 270 395 續(xù)表 63 檔 檔 檔 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 63 所示，現(xiàn)計(jì)算，截面的安全系數(shù)。 截面-的彎矩： 水平彎矩：M xz =Fr410010-3+RBX17010-3199Nm 垂直彎矩-：M YZ =Ft410010-3+RBY910-3542Nm 合成彎矩：M M xz 2 + MYZ 2 575Nm 截面-的彎矩： 水平彎矩：M xz R AX60510-3+19460.510-3=11Nm 垂直彎矩：M YZ R AY60.510-3=223.6Nm 合成彎矩：M M xz +MYZ =223Nm 12 量截面扭矩 T356.6Nm 下面是按當(dāng)量彎矩計(jì)算-、-兩截面的安全系數(shù)。 水平受力圖： C B F rx A 180 47 水平彎矩圖： 11 199 Fty 垂直受力圖： C B 垂直彎矩圖： 80 145 223 542 合成彎矩圖： 60 231 223 575 扭矩圖： 356 圖 63 表 64 名 稱 -截面 -截面 說 明 扭 矩 T（Nm） 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 m(Mpa) 131 76.92 w=4.9410-6 疲勞極限 -1(Mpa) 350 350 尺寸系數(shù) 0.77 0.77 表面質(zhì)量 0.85 0.85 有效應(yīng)力 集中系數(shù) K 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 71。在井下 矮巷道內(nèi)鉆孔時，絞車難以發(fā)揮作用，這時可將絞車拆除。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 型行星式傳動絞車，其特點(diǎn)是： 1、結(jié)構(gòu)簡單而緊湊，傳動裝置兼起離合作用，并有過載保護(hù)作用。 2、在一定范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速和微動升降。 3、傳動功率大，效率高。 4、傳動平穩(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) GB110274 標(biāo)準(zhǔn)，選定鋼絲繩直徑如下： 外 徑：d=8.8mm 總斷面積：A=27.88mm 2 總破斷力： S=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：Q=12000N 最小安全系數(shù)：S =45 在正常情況下，最大起重時的安全系數(shù)為： S= S/Q=47300/12000=3.49S 在急剎車時，取 Q 2.5Q，則安全系數(shù) S S/Q 1.6 3、卷筒參數(shù)確定如下： 卷筒內(nèi)徑：D140mm 卷筒外徑：D 230mm 卷筒有效長度：L 0100mm 容繩長度：LnD 式中：n鋼絲繩圈數(shù) n11 D 每層纏繩長度之和，共五層， D 5（D+d）+20d32m。 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： MT0.5(D+d)Q=0.5(0.14+0.0088)12000 =893Nm 2.絞車軸所受扭矩: M Z=MT/2=298Nm 3.絞車軸所需功率: P=M Zn1I/9550=