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摘要 黨的十九大以來(lái)，在習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想的指引下，對(duì)我國(guó)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(duì)各種鉆探設(shè)備提出了全新的更高的要求。鉆機(jī)作為最重要的勘探設(shè)備之一，在這些工程中起了彌足輕重的作用。為了適應(yīng)未來(lái)各種勘探工作和工程建設(shè)項(xiàng)目對(duì)淺孔鉆機(jī)的全新要求，本設(shè)計(jì)任務(wù)以 TXU-150 型鉆機(jī)為基礎(chǔ)并加以改進(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)使用的情境和工況，運(yùn)用參考比較的方法，查詢同類型鉆機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，并分析比較，重點(diǎn)對(duì)變速箱進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并計(jì)算。在此基礎(chǔ)之上應(yīng)時(shí)代要求，在低碳環(huán)保思想指引下在不影響鉆機(jī)性能的前提下以對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了符合環(huán)保理念的優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，考慮到設(shè)備使用工況，在變速箱的設(shè)計(jì)中以保證正常生產(chǎn)生活之需要為前提，采用無(wú)離合器的設(shè)計(jì)，這樣一方面減小了設(shè)備的體積，減少消耗性元件使用，同時(shí)在降低生產(chǎn)成本之余對(duì)實(shí)際工程進(jìn)度不造成任何實(shí)質(zhì)影響。設(shè)計(jì)出的鉆機(jī)理論上滿足了鉆探深度為 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: 鉆探工程;地質(zhì)勘探;工程機(jī)械;機(jī)械設(shè)計(jì) II Abstract Since the Nineteenth National Congress of the Communist Party of China, under the guidance of the Xi Jinping’s socialist ideology with Chinese characteristics in the new era , we have put forward renewed higher requirements for all kinds of drilling equipment for the development of geological exploration, engineering construction and irrigation and water conservancy in China. As one of the most important exploration equipment, rigs play a very important role in these projects. In order to adapt to the new requirements of shallow drilling rigs for various future exploration and engineering construction projects, this design task is based on the TXU-150 drilling rig and improved to design a hydraulic drilling rig with a drilling depth of 200 meters. According to the use of drilling rigs. The situation and conditions, the use of reference comparison method, query the same type of drilling rig design parameters, and analysis and comparison, focusing on the redesign of the transmission and calculation based on the requirements of the times, under the guidance of low-carbon environmental ideology Under the premise of not affecting the performance of the drilling rig, the optimization design corresponding to the concept of environmental protection was carried out for each link. Finally, with the consideration of the working condition，a Non-clutch design is adapted，minimizing the size，while sequentially lower the usage of unit，simultaneously， based on a fundamentally working need with no influence to the geological exploration. The newly designed drilling rig theoretically satisfies the design requirement of drilling depth of 2 0 0 m e t e r s , w h i l e m i n i m i z i n g m a n u f a c t u r i n g c o s t s a n d p r o d u c t i o n t i m e . Keywords: Drilling Engineering; Geological Exploration; Engineering Machinery; Mechanical Design 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(jī)概述 1 1.3 本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 3 第 2 章 鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì) 4 2.1 本設(shè)計(jì)鉆機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合 4 2.2 設(shè)計(jì)方案的確定 4 2.3 鉆機(jī)的技術(shù)特性和要求 5 第 3 章 動(dòng)力機(jī)的確定 7 3.1 輸出功率計(jì)算 7 3.2 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及破碎巖石、土層所需功率 7 3.3 給進(jìn)油缸所需功率的計(jì)算 9 3.4 動(dòng)力機(jī)功率的確定 10 第 4 章 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 4.1 主要參數(shù)的選擇 13 4.2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)初步計(jì)算 13 第 5 章 變速箱的設(shè)計(jì)與計(jì)算 16 5.1 變速箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求 16 5.2 齒輪副的強(qiáng)度計(jì)算與校核 16 5.3 軸的強(qiáng)度計(jì)算與校核 22 第 6 章 絞車 28 6.1 絞車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 28 6.2 主要參數(shù)的選擇 28 6.3 絞車所需功率 30 6.4 絞車齒輪副強(qiáng)度簡(jiǎn)單校核 30 第 7 章 經(jīng)濟(jì)可行性分析 34 7.1 市場(chǎng)前景分析 34 7.2 經(jīng)濟(jì)效益分析 34 結(jié)論 36 致謝 37 參考文獻(xiàn) 38 200 米液壓鉆機(jī)變速箱設(shè)計(jì) 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)，主要原因是黨的十八大以來(lái)我國(guó)已進(jìn)入新時(shí)代，新時(shí)代地質(zhì)勘探、工程建設(shè)和農(nóng)田水利等事業(yè)正在逐漸完善，站在全新的歷史起點(diǎn)上對(duì)各種鉆探設(shè)備尤其是鉆機(jī)提出了更多的新要求，賦予了新的使命，開啟了新征程?，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，我們著眼新時(shí)代的新要求，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隨著國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的擴(kuò)大，一帶一路周邊國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)上鉆探深度為幾百米的液壓鉆機(jī)的市場(chǎng)正在逐步擴(kuò)大，尤其是鉆探深度為 200 米左右的鉆機(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)， 將解決鉆機(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)一代一路周邊國(guó)家經(jīng)濟(jì)將因此獲益，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。[1]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] 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。[2] 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。[3] 9 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。[4] 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 ⑴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）； ⑵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 鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鉆進(jìn)孔深分類 a 表（m） 類別 淺孔鉆機(jī) 中深孔鉆機(jī) 深孔鉆機(jī) Ⅰ 10—300 300—800 800—1200 Ⅱ 10—300 300—800 1000—2000 按四類分類見表 1—2 表 1—2 鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鉆進(jìn)孔深分類 b 表 （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 ⑶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)； 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(zhuǎn)式、沖擊式和沖擊回轉(zhuǎn)式； ⑹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； ⑺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。[4] 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)?！癠”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。[4] 1.3 本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 本論文擬設(shè)計(jì)： 200 米液壓鉆機(jī)變速箱的設(shè)計(jì) 其主要技術(shù)參數(shù)：詳見表 1—3 表 1—3 200 米液壓鉆機(jī)變速箱主要技術(shù)參數(shù)表 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 鉆機(jī)角度 0—360o 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 鉆探深度約 200 米的各種角度的排水孔、地質(zhì)構(gòu)造孔、滅火孔、氣體抽放孔及公路、鐵路、道橋、隧道、國(guó)防軍工、民用工業(yè)性建設(shè)、農(nóng)林鉆井及地質(zhì)勘探、工程破拆以及其它用途的各類工程鉆孔。 本機(jī)在鉆探任何角度不同硬度的巖石中的鉆孔工作有巨大應(yīng)用，而在農(nóng)業(yè)鉆井及煤層、軟硬巖石層中鉆孔效率相對(duì)更高。200 米鉆機(jī)、TBW—150/3.0 泥漿泵是本機(jī)組的兩大核心組件。泥漿或清水便可作為鉆機(jī)清洗液。故而在地面作業(yè)無(wú)需搭建鉆塔，只需可供提升一定高度的三角架使用即可。 本 200 米鉆機(jī)著眼于低碳理念配備可替換式電力驅(qū)動(dòng)，適用于井上、井下作業(yè)，無(wú)電力供應(yīng)的郊野場(chǎng)地作業(yè)則可更替為柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)。 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) 經(jīng)過(guò)對(duì)一帶一路沿線國(guó)家市場(chǎng)走訪了解到，目前相關(guān)市場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程對(duì)可以滿足 200 米左右鉆孔深度的鉆機(jī)需求量激增，而市場(chǎng)在售的 200 米鉆機(jī)，則普遍存在著 勞動(dòng)強(qiáng)度大、適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。基于上訴缺陷，以及中國(guó)制造 2025 的社會(huì)主義大國(guó)工業(yè) 的時(shí)代要求，本著中國(guó)工業(yè)人的初心，改進(jìn) 200 米鉆機(jī)的使命自然而然地落在我們身上。經(jīng)幾次多方論證決定，鉆機(jī)應(yīng)基本具有以下特點(diǎn)： 1. 經(jīng)濟(jì)環(huán)保、耐用可靠、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉； 2. 便于拆解搬運(yùn)，易于重組； 3. 體積小，重量輕； 4. 操作簡(jiǎn)單，維修方便； 5. 普適Φ42、Φ50mm 兩種鉆桿； 6. 普適合金鉆頭或金剛石鉆頭完成鉆進(jìn)作業(yè)； 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 通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研及多方論證，參考實(shí)際工況，以普遍實(shí)用為著眼點(diǎn)，確定如下設(shè)計(jì)方 案： 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)，絞車工作速度不宜過(guò)高，所以增加了互鎖裝置，安全可靠； 5. 由于本機(jī)動(dòng)力較為強(qiáng)勁，動(dòng)力由 V 型帶傳動(dòng)到變速箱的傳動(dòng)軸上易造成傳動(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，系列化以便工廠批量性大規(guī)模生產(chǎn)。 2.3 鉆機(jī)的技術(shù)特性和要求 著眼鉆機(jī)的實(shí)際工作情況，基于我國(guó)現(xiàn)今工業(yè)生產(chǎn)水平，本 TXU—200 型鉆機(jī)的技術(shù)特性為： 1. 鉆進(jìn)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 4. 立軸轉(zhuǎn)速 0～360° 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 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 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(zhǎng)度 32.8m 15. 配備動(dòng)力 ⑴電動(dòng)機(jī) ①型號(hào) YB160L－4 ②電壓 380/660V ③功率 15KW ④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 通過(guò)模擬分析現(xiàn)實(shí)工況需求，我們優(yōu)先考慮功率輸出較高，效率高，能耗較低，動(dòng)力儲(chǔ)備充足，攻進(jìn)效率的提升，有效縮短作業(yè)時(shí)間，環(huán)境友好低碳排放的動(dòng)力單元。 功率輸出為 N0 式中：  N j —鉆機(jī)所需功率(KW) N0 = 1.1N j （3—1） N = Nh + Ny j h 式中: Nh —回轉(zhuǎn)鉆及粉碎巖石、破壞土層所需功率(KW) h— 效率 h=0.9 Ny —油泵所需功率(KW) 3.2 回旋攻進(jìn)及粉碎巖石、土層所需功率 回旋攻進(jìn)及粉碎巖石、土層功率需求計(jì)算公式如下： Nh = N1 + N2 + N3  （3—2） 式中: N1 —井底攻進(jìn)巖土層功率需求(KW) N1 = · dA 3060000 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 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=7.7cm,內(nèi)孔直徑 d=5.9cm p(D2 - d 2 ) p(7.72 - 5.92 ) A = = = 19.3 cm2 4 4 N2 —鉆頭與孔底摩擦所需功率(KW) N = d′ f ′ e ′ n (R + r) 2 1944800  （3—3） 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=0.5 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。 N3 —回轉(zhuǎn)鉆桿所需功率(KW) 當(dāng) n <200r/min 時(shí) N3 = 7.8′10-11 ′ L ′ d ′ n1.7 當(dāng) n>200r/min 時(shí) N3 = 0.92 ′10-11 ′ d 2 ′ r ′ L ′ n1.33 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，所得計(jì)算值在表 3—2 中有所體現(xiàn)。 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) ⑴給進(jìn)油缸的數(shù)量 n ＝2 ⑵油缸直徑 D ＝55mm ⑶活塞桿直徑 d ＝30mm ⑷活塞桿有效行程 L ＝500mm ⑸油缸面積 ⑹活塞桿面積 ⑺有效面積 3.3.2 油缸工作壓力的計(jì)算 ⑴鉆機(jī)大水平孔時(shí)，油缸的最大推力為： W = C + Fm A1 ＝23.75cm2 A2 ＝7cm2 A = A1 - A2 ＝16.76cm2 式中： W —油缸最大推力(N) C —孔底最大壓力(N) C＝13345N Fm —鉆桿與孔壁間的摩擦力(N) Fm = q ′ L ′ f 式中： q —鉆桿單位長(zhǎng)度重量(N/m) q ＝55.46N/m L —鉆桿長(zhǎng)度(m) L ＝200m f —摩擦系數(shù) f ＝0.35 Fm = 55.46 ′ 200 ′ 0.35 = 3882.2 N 故 W = 13345 + 3882.2 = 17227.2 N ⑵油泵的工作壓力 P P = W A 3.3.3 油泵最大工作流量計(jì)算 ⑴油缸回程時(shí)的最大容油量: = 17227.2 = 10.28 MPa 16.76 V1 = A1 ′ L = 23.75′ 50 = 1.187 L ⑵油缸送進(jìn)時(shí)的最大容油量: V2 = A′ L = 16.76 ′ 50 = 0.838 L ⑶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: Q = 2 Av = 2 ′ 0.1676 ′ 0.5 = 0.166 L/min ⑷令活塞回程時(shí)間為 0.3min,則回程所需油量為: 19 Q1 3.3.4 給進(jìn)油缸功率計(jì)算 = 1.187 ′ 2 = 7.913 L/min 0.3 根據(jù)以上的計(jì)算，可以得到給進(jìn)油缸的功率： N = PQ = 1027.88′ 0.166 = 0.028 KW gy 60 ′102 60 ′102 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1 壓力 12MPa)。油泵滿負(fù)荷時(shí)所需功率是： Ny = PQ 60 ′102 ′h1 ′h2  (3—4) 式中: P —額定壓力(N/cm2) P =800N/cm2 Q —額定流量(L/min) Q =12L/min h1 —機(jī)械效率 h2 —容積效率 將上述參數(shù)代入式（3—4）中可以得到： h1 =0.9 h2 =0.71 Ny = 800 ′12 60 ′102 ′ 0.9  ′ 0.71  = 2.45KW 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 基于上述各式計(jì)算結(jié)果，立軸攻進(jìn)時(shí)給進(jìn)功率需求較小，且油泵滿負(fù)荷工作時(shí)立軸一般處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，液壓卡盤未鎖緊，鉆進(jìn)作業(yè)因此必須停止。所以參考表 3—1，本鉆機(jī)選用輸出功率為 15 KW 電機(jī)或柴油機(jī)，基本在電力供應(yīng)充足的情況下以及條件較為苛刻的工作狀況下能最大限度的滿足表 3—2 中粗線以上各種工作狀態(tài)，并盡可能的對(duì)環(huán)境 保持友好產(chǎn)生最小限度的可吸入固體排放，氮氧化物，硫化物以及碳的氧化物等溫室氣體。 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d 粘土、頁(yè)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(yè)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(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 N j =N/0.9 8.280658 11.26879 13.4838 13.6640 N0 =1.1 N j 9.108724 12.39567 14.8321 15.0304 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 地質(zhì)條件、鉆頭直徑及鉆頭作業(yè)攻進(jìn)方式等諸多因素均對(duì)于立軸工況產(chǎn)生影響，根據(jù)國(guó)內(nèi)外實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)使用直徑為 75mm 硬質(zhì)合金及鉆粒鉆頭時(shí)，選取n＝90～400r/min 的立軸轉(zhuǎn)速較為適宜；而換用金剛石鉆頭攻進(jìn)時(shí)，立軸轉(zhuǎn)速取 n＝400～ 1000r/min 比較適宜。本機(jī)選用的轉(zhuǎn)速區(qū)間保證在 120～600r/min，即適合合金鉆頭鉆進(jìn)的同時(shí)又滿足金剛石鉆頭鉆進(jìn)需要。 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 0.26～0.70m/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(zhuǎn)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(guó)內(nèi)外市面現(xiàn)存各類小型鉆機(jī)轉(zhuǎn)速系列變速箱設(shè)計(jì)思路，本機(jī)采用了不規(guī)則排列的中間轉(zhuǎn)速系列。 設(shè)計(jì)立軸采用四檔轉(zhuǎn)速區(qū)間，120、240、350r/min 三檔為適合合金鉆頭鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速， 600r/min 轉(zhuǎn)速為金剛石鉆頭鉆進(jìn)檔位。 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 分析機(jī)械傳動(dòng)部分動(dòng)力傳導(dǎo)線路，立軸的轉(zhuǎn)速計(jì)算如下： I n = n ′ D1 ′ Z1 ′ Z3 ′ Z10 D2 Z2 Z4 Z11 式中: nI —立軸的第一檔轉(zhuǎn)速(r/min) n —電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min) n=1460r/min D1 —主動(dòng)皮帶輪直徑(mm) D1=160mm D2 —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 nI = 1460 ′ 160 ′ 25 ′ 19 ′ 20 = 125.26 ? 120 r/min 355 31 40 39 第二檔、第三檔和第四檔轉(zhuǎn)速分別計(jì)算如下： Ⅱ 第二檔： n = n ′ D1 ′ Z1 ′ Z5 ′ Z10 式中:Z5=28,Z6=31 D2 Z2 Z6 Z11 故 n Ⅱ =1460 ′ 160 ′ 25 ′ 28 ′ 20 = 245.86 ? 240 r/min 355 31 31 39 第三檔： n 式中: Z4 內(nèi)=24 = n ′ D1 ′ Ⅲ D2 Z1 Z4內(nèi) ′ Z10 Z11 故 n Ⅲ =1460 ′ 160 ′ 25 ′ 20 =351.5≈350r/min 355 24 39 Ⅳ 第四檔： n = n ′ D1 ′ Z1 ′ Z7 ′ Z8 ′ Z10 式中: Z7=46,Z8=21,Z6 內(nèi)=21 D2 Z2 Z8 Z6內(nèi) Z11 故 n Ⅳ =1460 ′ 160 ′ 25 ′ 47 ′ 21 ′ 20 = 609.1 ? 600r / min 355 31 21 21 31 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: n1 = pD 60000 ′(n ′ D1 ′ Z1 ′ Z3 ′ Z9 ′ Z13 ) D2 Z2 Z4 Z12 Z14  m/s 式中: D = D0 + d = 140 + 8.8 = 148.8 mm 式中: D0 =140mm 為卷筒直徑, d =8.8mm 為鋼絲繩直徑。 故 n = p′148.8 ′(1460 ′ 160 ′ 25 ′ 18 ′ 33 ′ 18 ′ 18 ) =0.28 m / s 1 60000 355 31 38 83 18 54 同理計(jì)算，可以得到: n2 = 0.68 m/s  n3 = 0.75 m/s (計(jì)算從略) 考慮到皮帶、軸承、齒輪等的傳動(dòng)效率損失，確定絞車提升速度分別為： U1 ＝0.26ms U2 =0.61m/s U3 =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) 變速模塊、分動(dòng)模塊、操縱模塊和箱體結(jié)構(gòu)為變速箱的組成分模塊。本設(shè)計(jì)革命性地將變速部分和分動(dòng)部分二者合一，極大地減小了箱體占用空間。其具體特點(diǎn)是： 1. 采用了回歸式的傳動(dòng)形式，扁平化的箱體設(shè)計(jì)語(yǔ)言，可大大降低鉆機(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)相對(duì)更為緊湊； 2. 變速、分動(dòng)模塊相結(jié)合，減少了零件的數(shù)目，提升變速箱內(nèi)的空間利用率； 3. 操縱機(jī)構(gòu)則采用了較為傳統(tǒng)的齒輪齒條撥叉結(jié)構(gòu)，操縱靈活而又可靠，成本較低的同時(shí)方便維修，便于工人上手，實(shí)現(xiàn)逐一單獨(dú)控制各齒輪，并設(shè)有互鎖裝置，保證了工作過(guò)程的安全可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又利于后期保養(yǎng)維護(hù)，極大降低后續(xù)成本投入； 4. 增加了卸荷裝置，使齒輪的受力降低，提高齒輪使用壽命，延長(zhǎng)使用壽命周期。 5.1.2 設(shè)計(jì)要求 1. 在校核零件強(qiáng)度時(shí)，假設(shè)動(dòng)力單元輸出功率無(wú)任何耗損，全部輸入變速箱，然后同樣無(wú)損輸入絞車和回轉(zhuǎn)器； 2. 變速箱在不更換齒輪的情況下，保證 10000 小時(shí)工作時(shí)長(zhǎng)，保證在純機(jī)動(dòng)時(shí)間每 班 16 小時(shí)的工況下，可連續(xù)工作 20 個(gè)月。 每種速度的理論工作時(shí)間分配推演情況見表 5—1。 表 5—1 變速箱四種速度理論工作時(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)零件強(qiáng)度和壽命計(jì)算方法及引用數(shù)據(jù)是參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（化學(xué)工業(yè)出版社）而定的。 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，前文已初步完成對(duì)各齒輪齒數(shù)的確定，根據(jù)鉆機(jī)的實(shí)際使用工況，變速箱內(nèi)各齒輪的具體設(shè)計(jì)參數(shù)祥見表 5—2。 表 5—2 變速箱內(nèi)齒輪的主要設(shè)計(jì)參數(shù)變 位 齒數(shù) Z 模數(shù) m 齒寬 b 系數(shù) 材料 硬度 RC 應(yīng)力角 Xn 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 齒輪 備 編號(hào) 注 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Ⅲ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 ⑴初步計(jì)算 ①計(jì)算轉(zhuǎn)矩T3 3 T = 9.55′106 ′ P = 9.55′106 ′ 13.968 = 251369.8 N?mm n3 530.67 ②齒寬系數(shù) 查閱相關(guān)手冊(cè)，取jd =0.4 ③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： sH lim3 =1080MPa sH lim 4 =970MPa ④初步計(jì)算的許用接觸應(yīng)力[sH 3 ]≈ 0.9 ′sH lim3 = 0.9 ′1080 = 972 MPa 4 [sH ]≈ 0.9 ′sH lim 4 = 0.9 ′ 970 =873MPa ⑤ Ad 值 查閱相關(guān)資料，取 Ad =88 ⑥初步計(jì)算小齒輪直徑 d3 T3 (u +1) 278735.4 ′(2.1+1) d H d3 3 Ad ′ 3 j[s ]2 u = 88′ 3 0.7 ′ 9722 ′ 2.1 = 72.56 mm 取 d3 =73mm ⑦初步齒寬b ⑵參數(shù)選取計(jì)算 ①圓周速度 v b =jd ′ d3 = 0.4 ′ 76 = 30.4 mm 取b =30mm v = pd3n = 3.14 ′ 73′ 530.67 = 2.03 m/s ②使用系數(shù) KA 60 ′1000 60000 查閱相關(guān)資料，取 KA =1.25 ③動(dòng)載系數(shù) Kv 查閱相關(guān)資料，取 Kv =1.15 ④齒間載荷分配系數(shù) KHa 由相關(guān)資料，先求小齒輪切向力 Ft F = 2 ′T3 = 2 ′ 251369.8 = 6614.99 N d 3 t 73 然后有 KA Ft b = 1.25′ 6614.99 = 168.75 N/mm 30 e = ea3 >100N/mm ea4 同時(shí) a Z3 ( z ) + Z4 ( z ) 3 4 查閱相關(guān)資料得ea3 = 0.038 ， Z3 ea4 = 0.017 Z4 故 ea=19×0.038+40×0.017=1.40 從而可以得到重合度系數(shù) ze Ze = = = 0.93 由此可得 KHa = 1 1 Z = e 2 0.932 = 1.16 ⑤齒向載荷分布系數(shù) KHb 查閱相關(guān)資料得到： K = A + B[1+ b 2 b  2 + C 10-3 b 0.6( Hb d ) ]( ) 3 d3 ⑥載荷系數(shù) K  =1.81 = 1.17 + 0.16[1+ 0.6(30)2 ](30)2 + 0.61′10-3 ′ 30 76 76 K = KA Kv KHa KHb ⑦載荷系數(shù) ZE =1.25×1.15×1.16×1.81 =3.02 E 查閱相關(guān)資料，取 Z = 189.8 MPa1/2 ⑧節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ZH 查閱相關(guān)資料，取 ZH =2.5 ⑨接觸最小安全系數(shù) SH lim 查閱相關(guān)資料，取 SH lim =1.05 ⑩總工作時(shí)間th ○11 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) NL ○12 接觸壽命系數(shù) ZN 按照要求th =10000h L 查閱相關(guān)資料，估計(jì) 107< N ≤109 NL3 = 60 gn3th = 60 ′1′ 530.67 ′10000 =3.18×108 NL 4 = 60 gn4th = 60 ′1′ 252.07 ′10000 =1.51×108 查閱相關(guān)資料，取 ZN 3 = 1.12 ， ○13 許用接觸應(yīng)力[sH ] ZN 4 = 1.14 29 [sH 3 ] = sH lim3 S ZN 3 = 1080 ′1.12 = 1152 MPa 1.05 H lim [sH 4 ] = sH lim 4 S ZN 4 = 970 ′1.14 = 1053 MPa 1.05 ⑶校核驗(yàn)算  s = Z Z Z H lim H 3 E H e =189.8′ 2.5′ 0.94 =1054.16MPa s = Z Z Z H 4 H H e =189.8′ 2.5′ 0.94 ′ =715.5MPa 計(jì)算結(jié)果表明，sH 3 < [sH 3 ] ，sH 4 < [sH 4 ] ，接觸疲勞強(qiáng)度合適。 2. 按照齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 ⑴參數(shù)選取計(jì)算 ①重合度系數(shù)Ye e Y = 0.25 + 0.75 = 0.25 + 0.75 = 0.786 ea 1.40 ②齒間載荷分配系數(shù) KFa 1 Y 查閱相關(guān)資料， KFa = = e 1 0.81 = 1.23 ③齒向載荷分布系數(shù) KFb 查閱相關(guān)資料，要得到 K 的值先要求 b 。 Fb h b = b = ? 30 =3.32 h (ha + hf ) (4.76 + 4.26) 從資料中可以查出， KFb =1.43 ④載荷系數(shù) K K = KA KV KFa KFb =1.25×1.15×1.23×1.43 =2.53 ⑤齒形系數(shù)YFa 查閱相關(guān)資料，取YFa3 = 2.58 ， YFa4 = 2.35 ⑥應(yīng)力修正系數(shù)YSa 查閱相關(guān)資料，取YSa3 = 1.64 ， YSa4 = 1.71 ⑦最小彎曲疲勞極限sF lim 查閱相關(guān)資料，取sF lim3 = 550 MPa，sF lim 4 = 470 MPa ⑧彎曲最小安全系數(shù) SF lim 查閱相關(guān)資料，取 SF lim = 1.25 ⑨應(yīng)力循環(huán)次數(shù) NL L3 L 4 查閱相關(guān)資料，取 N = 2.87 ′108 ， N = 1.36 ′108 ⑩彎曲壽命系數(shù)YN 查閱相關(guān)資料，取YN 3 = 0.91， YN 4 = 0.95 ○11 尺寸系數(shù)YX ○12 許用彎曲應(yīng)力[sF ] 查閱相關(guān)資料，取YX = 1.0 [sF 3 [sF 4 ] = sF lim3 YN 3 YX SF lim ] = sF lim 4 YN 4 YX SF lim = 550 ′ 0.91′1.0 =400.4MPa 1.25 = 470 ′ 0.95′1.0 =357.2MPa 1.25 ⑵校核驗(yàn)算  F 3 s = 2KT3  Y Y Y bd3m Fa3 Sa3 e = 2 ′ 2.53′ 251369.8 ′ 2.58′1.64 ′ 0.81 30 ′ 76 ′ 4 =298.74MPa s =s YFa4YSa4 = 298.74 ′ 2.35′1.71 F 4 F 3 Y Y 2.58′1.64 Fa3 Sa3 計(jì)算結(jié)果表明， =283.72MPa sF 3 < [sF 3 ] ，sF 4 < [sF 4 ] ，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 在本變速箱設(shè)計(jì)中共有三根軸，其中Ⅲ軸相對(duì)尺寸直徑小，長(zhǎng)度大，所受到的力更大，故而對(duì)其強(qiáng)度要求更高。下面僅以該軸的強(qiáng)度壽命進(jìn)行驗(yàn)算。 Ⅲ軸共有 7 種工作狀態(tài)，4 種工況為向回轉(zhuǎn)器傳輸動(dòng)力，其余 3 種則是將動(dòng)力傳于絞車。相對(duì)而言回轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)速在 120r/min 時(shí)該軸承載最大扭矩，受力荷載最強(qiáng)。 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 Ⅲ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(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： d8 = 73.5 mm, d1 = 100 mm, d4 = 160 mm, d6 = 124 mm, d8 = 73.5 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 F = 2000T ，齒輪徑向力 F = F tanα t d r t Ⅰ檔轉(zhuǎn)速下：  F = 2000T3 = 2000 ′ 513.4 = 6417.5 N d t 4 4 160 Fr 4 = Ft 4 tana=6417.5× tan 20o=2335.78N 同樣可以計(jì)算出齒輪在其他各檔轉(zhuǎn)速下的受力： Ⅱ檔轉(zhuǎn)速下： Ft 6 = 4354.8 N， Fr 6 = 1585.0 N Ⅲ檔轉(zhuǎn)速下： Ft1 = 3776 N， Fr1 = 1914.8 N Ⅳ檔轉(zhuǎn)速下： Ft 8 = 2876.2 N， Fr 8 = 969.1N 2.計(jì)算軸受到的支承反力 因軸所受到的力和轉(zhuǎn)矩最大的工況為此軸轉(zhuǎn)速處于最低時(shí)，所以受力以第一檔轉(zhuǎn)速時(shí)的受力情況為條件進(jìn)行計(jì)算即可。Ⅲ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，彎曲變形最難以避免，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 5—1。 圖 5—1 傳動(dòng)軸的受力簡(jiǎn)圖 如圖 5—1，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。 ⑴水平方向受力 SX = 0 FR1 ''- Ft 4 + FR 2 '' = 0 SM X = 0 代入數(shù)據(jù)計(jì)算： -FR1 ''′ (210 + 62) + 62Ft 4 = 0 200 米液壓鉆機(jī)變速箱設(shè)計(jì) FR1 '' = 62 ′ 6417.5 = 1462.8 N 272 FR 2 '' = Ft 4 - FR1 '' = 6417.5 -1462.8 = 4954.7 N ⑵垂直方向受力 代入數(shù)據(jù)計(jì)算：  SY = 0 FR1 '- Ft 4 + FR 2 ' = 0 SMY = 0 -FR1 '′ (210 + 62) +100Fr 4 = 0 FR1 ' = 62 ′ 2335.78 = 532.42 N 272 3. 畫軸的彎矩圖 FR 2 ' = Fr 4 - FR1 ' = 2335.78 - 532.42 = 1803.36 N 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 200 米液壓鉆機(jī)變速箱設(shè)計(jì) 圖 5—3 軸垂直受力、彎矩圖通過(guò)以上計(jì)算，軸的合成彎矩為： M = = = 326902.95 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(dāng)量轉(zhuǎn)矩和當(dāng)量彎矩 鉆機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)完全同質(zhì)性受力可謂天方夜譚，且有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的必然存在，故以安全為考慮前提，常按脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算。 ①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[s0b ] = 110 MPa 同時(shí)取[s-1b ] = 65 MPa。 ②應(yīng)力校正系數(shù)a  a= [s-1b ] =  65 = 0.59 [s0b ] 110 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩計(jì)算如下：  T ' =aT T = Ft 4 ′ d4 = 6417.5′160 = 513400 N·mm 2 2 當(dāng)量彎矩計(jì)算： T ' = 0.59 ′T = 0.59 ′ 513400 = 302906 N·mm 選擇在齒輪 Z4 中間截面處 M = = = 445665.33N·mm 當(dāng)量彎矩圖如圖 5—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： d f 4 = d4 - 2(h * + c* )m = 160 - 2 ′(1+ 0.25) ′ 4 = 150 mm a Ⅲ軸最小軸徑計(jì)算： d Ⅲ= = = 90.56 mm 故 d Ⅲ< d f ,滿足要求。 2. 應(yīng)力校核 軸所受應(yīng)力計(jì)算如下： 200 米液壓鉆機(jī)變速箱設(shè)計(jì) s = M ' b W 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： pd 4 + Bz(D - d )(D + d )2 W ?