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摘要 隨著我國地質(zhì)勘探、工程建設和農(nóng)田水利等事業(yè)的發(fā)展，對各種鉆探設備提出了更多的要求。鉆機作為鉆探設備的重要工具之一，在這些工程中起了舉足輕重的作用。為了適應當前各種勘探工作和工程建設項目對淺孔鉆機的要求，本設計任務在 TXU-150 型鉆機的基礎之上進行了一些改進，設計出了鉆探深度為 200 米的液壓鉆機。設計中根據(jù)鉆機使用的環(huán)境和場合，運用比較和參照的方法，借鑒同類型鉆機的設計參數(shù)，通過比較分析，重點對變速箱重新進行設計計算。在此基礎之上運用綠色設計的理念，對不影響鉆機性能的環(huán)節(jié)進行了優(yōu)化。最后，設計出的 200 米鉆機理論上滿足鉆探深度為 200 米的設計要求，同時盡量節(jié)省了制造成本和生產(chǎn)時間。 關鍵字 地質(zhì)勘探 鉆機 變速箱 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 97 目錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 選題的意義 1 1.2 鉆機概述 1 1.2.1 鉆機的功用 1 1.2.2 對鉆機的要求 1 1.2.3 鉆機的組成 2 1.2.4 鉆機的分類和名稱 2 1.3 本設計主要內(nèi)容 4 第2章 鉆機的總體設計 5 2.1 本設計鉆機的應用場合 5 2.2 設計方案的確定 5 2.2.1 本設計鉆機的特點 5 2.2.2 總體設計方案的確定 6 2.3 鉆機的技術特性和要求 6 第3章 動力機的確定 8 3.1 輸出功率計算 8 3.2 回轉鉆進及破碎巖石、土層所需功率 8 3.3 給進油缸所需功率的計算 10 3.3.1 給進油缸的基本參數(shù) 10 3.3.2 油缸工作壓力的計算 10 3.3.3 油泵最大工作流量計算 11 3.3.4 給進油缸功率計算 11 3.3.5 油泵滿負荷工作時所需要的功率 11 3.4 動力機功率的確定 12 第4章 機械傳動系統(tǒng)設計 14 4.1 主要參數(shù)的選擇 14 4.1.1 回轉器 14 4.1.2 絞車 14 4.1.3 變速箱 14 4.2 機械傳動系統(tǒng)初步計算 14 4.2.1 立軸的轉速 14 4.2.2 絞車的纏繩速度 16 第5章 變速箱的設計與計算 17 5.1 變速箱的結構特點及設計要求 17 5.1.1 結構特點 17 5.1.2 設計要求 17 5.2 齒輪副的強度計算與校核 18 5.2.1 變速箱內(nèi)各齒輪主要參數(shù)確定 18 5.2.2..主要齒輪副的強度設計計算與校核 18 5.3 軸的強度計算與校核 24 5.3.1 軸的強度計算 25 5.3.2 軸的強度驗算校核 29 第6章 回轉器 31 6.1 回轉器的機構特點 31 6.2 零部件的強度與壽命計算 31 6.2.1 弧齒錐齒輪副的參數(shù)設計 31 6.2.2 計算齒面接觸疲勞強度 32 第7章 絞車 36 7.1 絞車的結構特點 36 7.2 主要參數(shù)的選擇 36 7.2.1 絞車性能參數(shù) 36 7.2.2 絞車卷筒轉速和提升速度計算 37 7.3 絞車所需功率 38 7.4 絞車齒輪副強度簡單校核 39 7.4.1 按接觸疲勞強度校核 39 7.4.2 按彎曲疲勞強度校核 40 第8章 液壓系統(tǒng)的設計與計算 42 8.1 液壓卡盤的設計與計算 42 8.2 給進油缸的設計 45 8.2.1 鉆桿摩擦力的計算 45 8.2.2 油缸直徑的計算 45 第9章 使用說明 46 9.1 概述 46 9.2 鉆機分組情況 46 9.3 結構特征與工作原理 46 9.3.1鉆機結構 46 9.3.2 鉆機的工作原理 48 9.4 操作程序 50 9.5 機器的保養(yǎng)與維護 51 9.6 故障原因及排除方法 53 9.7 鉆機的安全注意事項 54 第10章 經(jīng)濟可行性分析 55 10.1 市場前景分析 55 10.2 經(jīng)濟效益分析 56 結論 57 致謝 58 參考文獻 59 專題 60 附錄1 69 附錄2 78 附錄3 89 附錄4 90 附錄5 91 第1章 緒 論 1.1 選題的意義 本設計選擇了200米鉆機的變速箱設計，主要原因是當前我國地質(zhì)勘探、工程建設和農(nóng)田水利等事業(yè)正在逐漸完善，對各種鉆探設備尤其是鉆機提出了更多的要求?，F(xiàn)在市場上流行的鉆機中以鉆探深度為百米左右的液壓鉆機為主，這些鉆機在承擔各種生產(chǎn)建設項目中起到了至關重要的作用。但是，我們通過調(diào)查和了解發(fā)現(xiàn)，隨著生產(chǎn)建設項目的擴大，市場對上鉆探深度為幾百米的液壓鉆機的需求量正在逐步上漲，尤其是鉆探深度為200左右的鉆機，市場前景更加樂觀。變速箱是鉆機中最重要的部分之一，通過對鉆機變速箱的設計改進，就解決了鉆機設計制造中的關鍵環(huán)節(jié)。所以，選擇200米液壓鉆機變速箱的設計不僅對鉆機這個生產(chǎn)行業(yè)有著重要的經(jīng)濟意義，同時間接推動了我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，意義十分重大。 1.2 鉆機概述 1.2.1 鉆機的功用 鉆探是地質(zhì)勘探工作的重要手段之一。鉆機是實現(xiàn)該手段的主要設備。其基本功用是以機械動力帶動鉆頭向地殼鉆孔并采取巖礦心。鉆機同時還是進行石油、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備。 1.2.2 對鉆機的要求 鉆機的技術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，達到預計的質(zhì)量要求；維護保養(yǎng)簡單容易；安裝拆卸搬遷方便；利于快速鉆進；鉆進輔助時間短；鉆孔施工周期短；體力勞動強度低等。概括起來說，是鉆機要為多、快、好、省地完成鉆探生產(chǎn)任務創(chuàng)造有利條件。 根據(jù)鉆機的基本功用，對鉆機具體要求如下： 1.通過回轉鉆具等鉆進方式將動力傳給鉆頭，使鉆頭具有適合鉆進規(guī)程需要的轉速及調(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?shù)恼{(diào)整范圍，使鉆頭有效地切入或壓碎巖石； 3.能調(diào)整和控制鉆頭給進速度，保證連續(xù)鉆進； 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，以充分利用動力機的功率和縮短輔助時間； 5.能變換鉆進角度和按一定技術經(jīng)濟指標舊響應深度的直徑的鉆孔，以滿足鉆孔設計的要求和提高鉆進效率。 1.2.3 鉆機的組成 目前常用的鉆機由如下各部分組成： 1.機械傳動系統(tǒng) 將輸入的動力變速并分配到回轉、升降機構。對與液壓鉆機還要有驅(qū)動油泵，以使液壓系統(tǒng)工作的裝置。 2.液壓傳動系統(tǒng) 利用油泵輸出的壓力油驅(qū)動馬達、油缸等液動機，以使立軸回轉和控制給進機構、移動鉆機、松緊卡盤等； 3.回轉機構 回轉鉆具，以帶動鉆頭破碎孔底巖石。 4.給進機構 調(diào)整破碎巖石所需要的軸心壓力和控制給進速度。在出現(xiàn)孔內(nèi)事故時，可以進行強力拔出。 5.升降機構 用于升降鉆具（提取巖心和更換鉆頭）和進行起下套管等作業(yè)。 6.機架 支承上述各機構及系統(tǒng)，使之組裝成一個整體，成為完整的機器。 1.2.4 鉆機的分類和名稱 隨著鉆探工程在國民經(jīng)濟各部門中的廣泛應用，鉆機類別和型號也在增多。為此將鉆機實行科學分類和確定名稱，對識別、評價和選擇鉆機是很有意義的。 1.分類 ⑴按用途分類 按用途不同，可將現(xiàn)行廣泛使用的鉆機分為三大類，即地質(zhì)勘探用巖心鉆機；石油鉆探用鉆機；專用鉆機（水文水井鉆機、物探鉆機、工程鉆機等）； ⑵按鉆機標準鉆進孔深分類 根據(jù)不同孔深范圍，將各種不同鉆進孔深的鉆機分成三類或四類。 按三類分見表1—1。 表1—1 (m） 類別 淺孔鉆機 中深孔鉆機 深孔鉆機 Ⅰ Ⅱ 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 次深孔鉆機 中深孔鉆機 深空鉆機 10—150 200—400 500—800 900以上 ⑶按原來地質(zhì)總局設備管理分類 鉆機可分為六類，即淺孔鉆機、巖心鉆機、石油鉆機、水文水井鉆機、汽車鉆機和砂礦鉆機； ⑷按裝載方式分類 可以分為滑橇式、卡車式、拖車式； ⑸按破碎巖石方式分類 可分為回轉式、沖擊式和沖擊回轉式； ⑹按回轉機構型式分類 可分為立軸式、轉盤式、動力頭式； ⑺按進給機構分類 可以分為手輪（把）式、油壓式、螺旋差動式、長油缸式、油馬達—鏈輪式。 2.名稱 鉆機的名稱是按照鉆機綜合特征及主要性能，以漢字拼音字母及數(shù)字編排成的代號來表示的。通常把這種代號稱為型號，并以銘牌指示在鉆機上。 國產(chǎn)鉆機名稱一般有三部分組成： 首部為用途類別和結構特征代號，用漢語拼音中的一個字母表示。如“X”是漢字“心”的拼音首字母，表示鉆機用于巖心鉆進。“U”是漢字“油”的首字母，表示給進機構類型屬于油壓式。 中部為主要性能參數(shù)代號，用鉆機標準鉆進深度數(shù)字表示。如標準鉆進深度為200米的鉆機，中部代號為200。 尾部為變型代號，可用漢語拼音字母中的一個字母或數(shù)字為代號。無尾部的是指首次產(chǎn)品。如是第二次修改后的產(chǎn)品，尾部代號為2。 1.3 本設計主要內(nèi)容 1.設計題目：200米液壓鉆機變速箱的設計 主要技術參數(shù)：見表1—1 表1—1 鉆探深度 200m 立軸轉速 120、240、350、600r/min 開孔直徑 89mm 終孔直徑 60mm 鉆機角度 0—360o 第2章 鉆機的總體設計 2.1 本設計鉆機的應用場合 200米型鉆機主要用于鉆探深度為200米的各種角度的放水孔、地質(zhì)構造孔、滅火孔、抽放瓦斯孔及鐵路、公路、橋梁、隧道、國防建設、工業(yè)民用建設、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)田打井時效率為最高。整個機組由兩部分組成，即200米鉆機、TBW—150/3.0泥漿泵。鉆機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米鉆機配備動力為電動或柴油機，適用于井上、井下或野外沒有電源的場地作業(yè)。 2.2 設計方案的確定 2.2.1 本設計鉆機的特點 通過市場調(diào)研了解到，目前鉆探工程對鉆孔深度200米左右的鉆機需求量日趨增加，而當前的200米鉆機，存在著勞動強度大、適應性差等缺點。鑒于以上原因，我們決定改進200米鉆機。經(jīng)幾次方案討論決定，鉆機應具有以下特點： 1. 經(jīng)濟耐用可靠、質(zhì)優(yōu)價廉； 2. 便于解體搬運； 3. 體積小，重量輕； 4. 操作簡單，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； 7. 鉆進速度快，效率高； 8. 動力為電機或柴油機。 2.2.2 總體設計方案的確定 經(jīng)過調(diào)研和幾次方案論證，考慮到現(xiàn)場特點，從實用角度出發(fā)，確定方案如下： 1.考慮到井下、井上和野外作業(yè)，動力可選電機或柴油機； 2.考慮到有軟巖石、硬巖石的鉆進，除了正常的鉆進速度外，增加高速600r/min； 3.鉆機除配機動絞車外，增加了液壓卡盤減輕勞動強度，節(jié)約時間，提高有效鉆進速度； 4.考慮到高轉速時，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，選用不同的鉆進速度； 7.在滿足上述要求的同時，盡量結構簡單，操作方便，適于整體或解體搬運。盡量做到標準化, 通用化，系列化。 2.3 鉆機的技術特性和要求 考慮到鉆機的實際工作情況，根據(jù)我國當前生產(chǎn)技術和工藝水平，本TXU—200型鉆機的技術特性為： 1.鉆進深度(使用Φ42或Φ50鉆桿) 200m 2.鉆孔直徑 ⑴開孔直徑 89m ⑵終孔直徑 ≥60mm 3.鉆孔傾斜角度 0～360° 4.立軸轉速 120、240、350、600r/mm 5.立軸行程 500mm 6.最大液壓給進壓力 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 10.油缸最大給進力 20KN 11.絞車提升速度 0.26、0.61、0.70m/s 12.絞車轉速 33、79、91r/min 13.絞車提升負荷 ⑴0.70m/s 3.35KN ⑵0.61m/s 6.00KN ⑶0.26m/s 12KN 14.卷筒 ⑴直徑 140mm ⑵寬度 100m ⑶鋼絲繩直徑 8.8mm ⑷容繩長度 32.8m 15.配備動力 ⑴電動機 ①型號 YB160L－4 ②電壓 380/660V ③功率 15KW ④轉速 1460r/min 第3章 動力機的確定 3.1 輸出功率計算 根據(jù)現(xiàn)場需要，動力機的選擇偏大些，加大儲備系數(shù)，這樣可以提高鉆進效率。 輸出功率為 （3—1） 式中： —鉆機所需功率(KW) 式中: —回轉鉆及破壞巖石、土層所需功率(KW) — 效率 =0.9 —油泵所需功率(KW) 3.2 回轉鉆進及破碎巖石、土層所需功率 回轉鉆進及破碎巖石、土層所需功率計算公式如下： = （3—2） 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—立軸轉速（r/min） r/min h—鉆進速度(cm/min) 當轉速130r/min、250r/min時,h=5cm/min 當轉速350r/min、600r/min時,h=1.5cm/min δ—巖石抗壓強度,其值見表3-1 —井底環(huán)狀面積，取鉆頭直徑D=7.7cm,內(nèi)孔直徑 d=5.9cm cm2 —鉆頭與孔底摩擦所需功率(KW) （3—3） 式中: δ—孔底壓力或巖石抗壓強度； —鉆具與巖石直接的摩擦系數(shù) f=0.5 e—側摩擦系數(shù) e=1.1 —立軸轉速(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 將立軸不同轉速和不同孔底壓力代入式（3—3）中,所得相應數(shù)值見 表3—1。 —回轉鉆桿所需功率(KW) 當<200r/min時 當n>200r/min時 式中：—孔深(mm) ， 硬質(zhì)合金鉆進時，取＝200000mm 金剛石鉆進時，取＝75000mm —鉆桿直徑(mm) 取=50mm —立軸轉速(r/min) —沖洗液比重, =1.15 將上述參數(shù)及立軸不同轉速代入上式，所得值列表3—2中。 3.3 給進油缸所需功率的計算 3.3.1 給進油缸的基本參數(shù) 1. 給進油缸的基本參數(shù) ⑴給進油缸的數(shù)量 ＝2 ⑵油缸直徑 ＝55mm ⑶活塞桿直徑 ＝30mm ⑷活塞桿有效行程 ＝500mm ⑸油缸面積 ＝23.75cm2 ⑹活塞桿面積 ＝7cm2 ⑺有效面積 ＝16.76cm2 3.3.2 油缸工作壓力的計算 ⑴鉆機大水平孔時，油缸的最大推力為： 式中：—油缸最大推力(N) —孔底最大壓力(N) C＝13345N —鉆桿與孔壁間的摩擦力(N) 式中：—鉆桿單位長度重量(N/m) ＝55.46N/m —鉆桿長度(m) ＝200m —摩擦系數(shù) ＝0.35 N 故 N ⑵油泵的工作壓力 MPa 3.3.3 油泵最大工作流量計算 ⑴油缸回程時的最大容油量: L ⑵油缸送進時的最大容油量: L ⑶當選用立軸的鉆進速度=0.05m/min=0.5dm/min時,立軸送進時每分鐘所需的油量為: L/min ⑷令活塞回程時間為0.3min,則回程所需油量為: L/min 3.3.4 給進油缸功率計算 根據(jù)以上的計算，可以得到給進油缸的功率： KW 3.3.5 油泵滿負荷工作時所需要的功率 根據(jù)上面的計算,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)。油泵滿負荷時所需功率是： (3—4) 式中: —額定壓力(N/cm2) =800N/cm2 —額定流量(L/min) =12L/min —機械效率 =0.9 —容積效率 =0.71 將上述參數(shù)代入式（3—4）中可以得到： 上式油泵排量在額定轉速1460r/min時是12L,在995r/min時是8L。 3.4 動力機功率的確定 通過上述的計算說明，立軸鉆進時給進所需功率很小，而且油泵滿負荷工作時一般是立軸停止轉動狀態(tài)，液壓卡盤松開時，必須停止鉆進。所以參考表3—1，本機選用15電機或柴油機，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度 （N/cm2） 巖 石 名 稱 抗 壓 強 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 堅硬的石灰?guī)r、頁巖 12000 黃鐵況、磁鐵礦 14000 煤 2000 表3—2 電機功率選擇計算 功率N（KW） 轉速r/min 抗壓強度δ (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 N2 2000 0.46153 0.92307 1.34615 2.30769 4000 0.92307 1.84615 2.69230 4.61538 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 =N/0.9 8.280658 11.26879 13.4838 13.6640 =1.1 9.108724 12.39567 14.8321 15.0304 第4章 機械傳動系統(tǒng)設計 4.1 主要參數(shù)的選擇 4.1.1 回轉器 立軸的轉速，主要取決于地質(zhì)條件、鉆頭直徑及鉆進方式，當使用直徑為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，立軸轉速取 n＝90～400r/min比較適宜；采用金剛石鉆頭鉆進時，立軸轉速取n＝400～1000r/min比較適宜。本機選用120～600r/min，即適合合金鉆頭鉆進，由適合金剛石鉆頭鉆進。 4.1.2 絞車 為了減輕鉆機重量，不使動力機過大，絞車的纏繩速度不宜過高，基本上采用低速，本機升降機速度為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 Ⅰ檔 Ⅱ檔 Ⅲ檔 Ⅳ檔 立軸轉速 r/min 120 240 350 600 纏繩速度 m/s 0.26 0.61 0.70 — 4.1.3 變速箱 參考國內(nèi)外現(xiàn)有小型鉆機的轉速系列，本機采用了不規(guī)則排列的中間轉速系列。 立軸有四種轉速，120、240、350r/min轉速適合合金鉆頭鉆進，600r/min轉速適合金剛石鉆頭鉆進。 4.2 機械傳動系統(tǒng)初步計算 4.2.1 立軸的轉速 根據(jù)機械傳動路線，立軸的轉速計算如下： 式中:—立軸的第一檔轉速(r/min) —電機轉速(r/min) n=1460r/min —主動皮帶輪直徑(mm) D1=160mm —大皮帶輪直徑(mm) D2=355mm Z1—Z11傳動鏈中各齒輪的齒數(shù),Z1=25,Z2=31,Z3=19,Z4=40 Z10=20,Z11=39 故 r/min 第二檔、第三檔和第四檔轉速分別計算如下： 第二檔： Ⅱ= 式中:Z5=28,Z6=31 故 Ⅱ=r/min 第三檔： Ⅲ= 式中: Z4內(nèi)=24 故 Ⅲ==351.5≈350r/min 第四檔： Ⅳ= 式中: Z7=46,Z8=21,Z6內(nèi)=21 故 Ⅳ= 考慮到皮帶傳動、齒輪傳動、軸承等的效率，所以各檔轉速確定為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 變速箱的設計與計算 5.1 變速箱的結構特點及設計要求 5.1.1 結構特點 變速箱的結構有變速部分、分動部分、操縱部分和箱體組成。本設計中變速部分和分動部分合為一整體，縮小了箱體的結構尺寸。其具體特點是： 1.采用了回歸式的傳動形式，箱體呈扁平狀，有利于降低鉆機的高度，齒輪Z4即使移動齒輪又是結合子，因此結構緊湊； 2.變速、分動相結合，減少了零件的數(shù)目，有效利用變速箱內(nèi)的空間； 3.操縱機構采用了齒輪齒條撥叉機構，操縱靈活可靠，每個移動齒輪單獨控制，并有互鎖裝置，這種互鎖裝置安全可靠，結構簡單； 4.增加了卸荷裝置，減少了齒輪的受力。 5.1.2 設計要求 1.在校核零件強度時，假設電機的功率全部輸入變速箱，然后再輸入絞車和回轉器； 2.變速箱在不更換齒輪的情況下，可連續(xù)工作10000小時，純機動時間每班16小時，可連續(xù)工作20個月。 每種速度的工作時間分配情況見表6—1。 表5—1 變速箱四種速度工作時間分配情況 轉速（r/min） 占總工作時間百分率 工作時間(h) 120 30% 3000 240 30% 3000 350 20% 2000 600 20% 2000 3.本設計零件的強度和壽命計算方法和數(shù)據(jù)是按《機械設計手冊》（化學工業(yè)出版社）計算的。 5.2 齒輪副的強度計算與校核 5.2.1 變速箱內(nèi)各齒輪主要參數(shù)確定 根據(jù)立軸轉速的要求，前面已經(jīng)初步選擇各齒輪的齒數(shù)，由鉆機的實際情況，變速箱內(nèi)各齒輪的主要設計參數(shù)見表6—2。 表5—2 變速箱內(nèi)齒輪的主要設計參數(shù) 齒輪編號 齒數(shù)Z 模數(shù)m 齒寬b 變 位系數(shù)Xn 材料 硬度RC 應力角 備注 Z1 25 4 40 1.0 40Cr 40—50 20o Z2 31 4 30 0.76 40Cr 40—50 20o Z3 19 4 30 0 20CrMnTi 57—62 20o Z4 40 4 30 0 40Cr 40—50 20o Z5 28 4 25 0 40Cr 40—50 20o Z6 31 4 25 0 40Cr 40—50 20o Z7 47 3.5 25 -1.03 40Cr 40—50 20o Z8 21 3.5 35 0.04 40Cr 40—50 20o 5.2.2..主要齒輪副的強度設計計算與校核 現(xiàn)選擇變速箱中重要傳動軸Ⅲ軸上的Z3、Z4齒輪副為例進行齒輪副的強度設計計算和校核。 1.按照齒面接觸疲勞強度計算 ⑴初步計算 ①計算轉矩 N?mm ②齒寬系數(shù) 查閱相關手冊，取=0.4 ③接觸疲勞極限 查閱相關手冊，Z3、Z4兩齒輪的接觸疲勞極限分別為：=1080MPa =970MPa ④初步計算的許用接觸應力[]≈MPa []≈=873MPa ⑤值 查閱相關資料，取=88 ⑥初步計算小齒輪直徑 mm 取=73mm ⑦初步齒寬 mm 取=30mm ⑵參數(shù)選取計算 ①圓周速度 m/s ②使用系數(shù) 查閱相關資料，取=1.25 ③動載系數(shù) 查閱相關資料，取=1.15 ④齒間載荷分配系數(shù) 由相關資料，先求小齒輪切向力 N 然后有 N/mm >100N/mm 同時 查閱相關資料得， 故 =19×0.038+40×0.017=1.40 從而可以得到重合度系數(shù) 由此可得 ⑤齒向載荷分布系數(shù) 查閱相關資料得到： =1.81 ⑥載荷系數(shù) =1.25×1.15×1.16×1.81 =3.02 ⑦載荷系數(shù) 查閱相關資料，取MPa1/2 ⑧節(jié)點區(qū)域系數(shù) 查閱相關資料，取=2.5 ⑨接觸最小安全系數(shù) 查閱相關資料，取=1.05 ⑩總工作時間 按照要求=10000h 應力循環(huán)次數(shù) 查閱相關資料，估計107<≤109 =3.18×108 =1.51×108 接觸壽命系數(shù) 查閱相關資料，取， 許用接觸應力 MPa MPa ⑶校核驗算 = =1054.16MPa = =715.5MPa 計算結果表明，，，接觸疲勞強度合適。 2.按照齒根彎曲疲勞強度驗算 ⑴參數(shù)選取計算 ①重合度系數(shù) ②齒間載荷分配系數(shù) 查閱相關資料， ③齒向載荷分布系數(shù) 查閱相關資料，要得到的值先要求。 =3.32 從資料中可以查出，=1.43 ④載荷系數(shù) =1.25×1.15×1.23×1.43 =2.53 ⑤齒形系數(shù) 查閱相關資料，取， ⑥應力修正系數(shù) 查閱相關資料，取， ⑦最小彎曲疲勞極限 查閱相關資料，取MPa，MPa ⑧彎曲最小安全系數(shù) 查閱相關資料，取 ⑨應力循環(huán)次數(shù) 查閱相關資料，取， ⑩彎曲壽命系數(shù) 查閱相關資料，取， 尺寸系數(shù) 查閱相關資料，取 許用彎曲應力 =400.4MPa =357.2MPa ⑵校核驗算 =298.74MPa =283.72MPa 計算結果表明，，，彎曲疲勞強度合適。 由于傳動中無嚴重過載，故不作靜強度校核。 5.3 軸的強度計算與校核 在變速箱中共有三根軸，其中Ⅲ軸相對尺寸直徑小，長度大，所受到的力多。下面僅以該軸的強度壽命進行驗算。 Ⅲ軸共有7種工作狀態(tài)，向回轉器傳遞4種狀態(tài)的動力，驅(qū)動絞車的3種轉速。相比而言回轉器120r/min的轉速時該軸受扭矩最大，受力最大。 已知條件：材料40Cr，調(diào)質(zhì)處理。該軸的各檔轉速及其傳遞的功率、轉矩見表5—3。 表5—3 Ⅲ軸的各檔轉速及其傳遞的功率、轉矩 速度序號 轉速（r/min） 傳遞功率(KW) 傳遞轉矩(N·m) Ⅰ 252.07 14.55 513.4 Ⅱ 479.3 14.55 270.0 Ⅲ 685.4 14.55 188.80 Ⅳ 1187.7 14.14 105.7 軸上各齒輪的分度圓直徑為： mm,mm,mm,mm,mm 5.3.1 軸的強度計算 1.在各種轉速下齒輪所受力計算 齒輪圓周力，齒輪徑向力 Ⅰ檔轉速下： N =6417.5×20o=2335.78N 同樣可以計算出齒輪在其他各檔轉速下的受力： Ⅱ檔轉速下：N，N Ⅲ檔轉速下：N，N Ⅳ檔轉速下：N，N 2.計算軸受到的支承反力 由于軸的轉速處于最低時所受到的力和轉矩最大，所以以第一檔轉速時的受力情況為條件進行計算。Ⅲ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。 圖5—1 傳動軸的受力簡圖 如圖5—1，將軸受到的力簡化為水平方向和垂直方向受力，下面分別從這兩個方向分別列出方程計算支承反力。 ⑴水平方向受力 代入數(shù)據(jù)計算： N N ⑵垂直方向受力 代入數(shù)據(jù)計算： N 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 通過以上計算，軸的合成彎矩為： N·mm 合成彎矩圖見圖5—4。 圖5—4 軸受到的合成彎矩圖 4.軸的當量轉矩和當量彎矩 鉆機在運轉時不可能完全均勻，且有扭轉振動存在，故考慮到安全，常按脈動轉矩計算。 ①許用應力值 軸的材料為40Cr，查閱相關資料，取許用應力值MPa 同時取MPa。 ②應力校正系數(shù) 當量轉矩計算如下： N·mm N·mm 當量彎矩計算： 選擇在齒輪Z4中間截面處 445665.33N·mm 當量彎矩圖如圖6—5所示。 圖5—5 當量彎矩圖 5.3.2 軸的強度驗算校核 1.校核軸徑 Z4齒根圓直徑計算： mm Ⅲ軸最小軸徑計算： Ⅲ=mm 故 Ⅲ<,滿足要求。 2.應力校核 軸所受應力計算如下： 式中：W——軸的抗彎截面系數(shù) 花鍵軸的抗彎截面系數(shù)計算如下： （5—1） 式中： ——花鍵內(nèi)徑(mm) 取mm; ——花鍵鍵寬(mm) 取mm ——花鍵外徑(mm) 取mm ——花鍵的個數(shù) 取=8 故代入（6—1）式后得： N 所以，可以計算出軸所受應力： MPa 顯然，有,通過校核。 第6章 回轉器 6.1 回轉器的機構特點 回轉器的結構是由本體、立軸、立軸導管、弧齒錐齒輪等組成。立軸上端裝有常閉式液壓卡盤。其特點是： 1、回轉器尺寸小、緊湊。 2、回轉器適用于各種角度的孔的鉆進。 3、離開孔口采用開箱式，簡單可靠，減輕鉆機重量。 4、立軸行程比過去小型鉆機大，為500mm，縮短鉆進輔助時間。 6.2 零部件的強度與壽命計算 6.2.1 弧齒錐齒輪副的參數(shù)設計 錐齒輪傳動的主要尺寸可用類比法或按傳動方式來確定。對閉式傳動可按齒面接觸強度估算，對開式傳動可按結構初步確定，也可按彎曲強度估算，并用計算載荷驗算。 設計中該傳動采用垂直正交傳動方式小弧錐齒大端直徑的估算： 齒輪齒數(shù)設計為Z10=20，Z11=39 齒面硬度Z10為HRC57，Z11為HRC52 式中：—設計齒輪的許用接觸應力 ＝ 式中：—接觸疲勞應力() 取＝1200 —安全系數(shù) 1～1.2 ?。?.1 u—傳動比或齒數(shù)比 u==0.51 —所受轉距(N/mm) 由前一章計算得 K —使用系數(shù) 取K＝1.5 故 取 ＝120 mm 則有齒輪大端模數(shù) ＝/z=120/20=6 mm 其他相關參數(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 終點模數(shù) 5.1 5.1 中點法向模數(shù) 4.178 4.178 齒寬中點螺旋角 35° 35° 6.2.2 計算齒面接觸疲勞強度 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δ10=,δ11=。 表6-2 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 20 6 0.29 40 20CrMnTi 0.85 右 8DC Z11 39 6 0.29 40 20CrMnTi 0.85 左 8DC 齒輪在各種轉速下傳遞的功率、轉速及轉矩見表6－3 表6－3 功率 KW 轉速 r/min 轉矩 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 計算接觸應力： (6—1) 許用應力： （6—2） 查閱相關資料,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 參數(shù)值 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 2.22 彈性系數(shù) 189.8 接觸強度計算的重合度系數(shù) 0.88 接觸強度計算的螺旋角系數(shù) 0.91 接觸強度計算的錐齒輪系數(shù) 0.85 使用系數(shù) 1.5 動載系數(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 傳動比 1.95 接觸強度計算的有效齒寬 34mm 小齒輪分度圓直徑 120mm 錐齒輪中點端面分度圓上名義切向力 9610 N 試驗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) 1.0 2.校核驗算： 將表6—4中的參數(shù)代入公式6—1、6—2中得： ＝869.3MPa ＝1036.36MPa 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度校核滿足要求。 第7章 絞車 7.1 絞車的結構特點 本鉆機考慮到井上、井下鉆探作業(yè)，故設置了絞車，見附錄5。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。設置絞車也給機器在井下短距離搬運提供自牽的方便。 在結構上選擇常用的固定輪系的行星式傳動絞車，其特點是： 1.結構簡單而緊湊，傳動裝置兼起離合作用，并有過載保護作用； 2.傳動功率大，效率高。 3.傳動平穩(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標準，選定鋼絲繩直徑如下： 外徑：=8.8mm 總斷面積：=27.88mm2 總破斷力：=47300N 抗拉強度：=1700Mpa 繩型：繩6×37（纖維芯） 2.鋼絲繩的強度校核 絞車最大提升負荷：=12000N 最小安全系數(shù)： 在正常情況下，最大起重時的安全系數(shù)為：