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畢業(yè)論文（設計）
本科畢業(yè)論文（設計）
題 目 便攜式氣動巖石鉆孔裝置設計
學 院 工程技術學院
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
年 級
學 號
姓 名
指 導 教 師
成 績
2011 年 5 月 1 日
目錄
摘要 3
Abstract. 4
0文獻綜述 5
0.1礦難救援背景 5
0.2便攜式氣動鉆孔機適用場合 6
0.3便攜式氣動鉆孔機的設計要求 6
0.3.1符合國家煤礦安全標準 6
0.3.2體積小，重量輕，便于攜帶 6
0.3.3氣壓馬達的選擇和設計 6
0.3.4 鉆孔機裝置各部分結構設計 7
0.4礦難救援工具的發(fā)展趨勢 7
1引言 8
2 礦難救援的設計思想和意義 9
2.1 便攜式氣動鉆孔機的設計思想 9
2.2目前鉆孔工具的應用 9
2.3氣動鉆孔機的設計思路 10
2.4氣動鉆孔機破碎巖石原理 11
2.5設計便攜式氣動鉆孔機的意義 11
3便攜式氣動鉆孔機的設計計算 12
3.1氣動馬達的設計與計算 12
3.2行星齒輪減速器的設計與計算 14
3.3換向閥的設計與計算 19
3.4扳手的設計與計算 21
3.5閥門彈簧的設計與計算 22
3.6軸承的選擇和校核 23
3.7各軸段的設計 25
3.8鉆孔機外壁的設計 26
4便攜式氣動鉆孔機的設計說明 26
4.1鉆孔機總體構造 26
4.2各部分原理及具體實施方式 26
4.2.1扳手的設計原理與實施方式 26
4.2.2換向閥的設計原理與實施方式 27
4.2.3氣馬達的設計原理與實施方式 28
4.2.4行星齒輪減速器的設計原理與實施方式 30
4.2.5其他結構設計原理與實施方式 30
5 結論 31
參考文獻 31
致謝 33
便攜式氣動巖石鉆孔裝置設計
摘要：我國是世界產(chǎn)煤大國，由于技術裝備等相對落后，管理制度不夠完善，煤礦本身特點等原因，導致礦難事故頻繁發(fā)生，因此礦難救援對于我國乃至人類來說都是一項十分緊急的工作，而研究先進的礦難救援工具對于解決礦難救援工作起著十分關鍵的作用，礦難發(fā)生時，由于產(chǎn)生大量易燃易爆氣體，傳統(tǒng)的礦難救援工具不能很好的防爆，容易產(chǎn)生二次災害，本課題設計的便攜式氣動鉆孔機的目的就是要改善上述情況，便攜式氣動鉆孔機可以方便快捷地對有較高防爆防燃燒等要求的煤礦巷道空間中的巖石進行鉆孔，進而用其他配套工具進行碎石，使救援工作得以順利快速進行，提高救援裝備的有效性，安全性。
關鍵詞：礦難；安全；救援工具；
The design of the pneumatic drill which is convenient to carry
Abstract：Our country is one of the countries that produce a great deal of coal,because of the behindhand technology, the misgovern，and the specialty of the coal mine itself, all lead to the accident of the coal mine frequently,so the succor of the accident of the coal mine is the most emergent task to our country even all the human beings all over the world. Study the advanced tools to the succor make a pivotal operation. When the accident of the coal mine happened,it would bring much gas that can burn and explode easily,the traditional tools for succor can not prevent the burning and the explode,and the pneumatic drill which is convenient to carry that we design in this task is to solve the problem. The pneumatic drill which is convenient to carry can dig into the stones which are in the limited conditions where is full of the flammability gas,then we can use another tool which is suited to the drill break the stone to make the succor go along successfully.Also it can improve the effective and the safety of the equipments.
Key Words：coal mine；safety；tool；
0文獻綜述
0.1礦難救援背景
近年來，隨著煤礦開采的日益深入，礦難頻繁發(fā)生，世界上每年至少有幾千人死于礦難，尤其在我國。礦難的種類一般有瓦斯爆炸、煤塵爆炸、瓦斯突出、透水事故、礦井失火、頂板塌方等。據(jù)記載，在2003年，中國生產(chǎn)了世界約35%的煤，但在煤礦事故死亡人數(shù)上卻占約80%。2010年1月5日13時40分許，湖南省湘潭縣立勝煤礦井下負240米處在生產(chǎn)過程中發(fā)生電纜起火事故。事故發(fā)生后，指揮部一開始按照礦工領取礦帽和交回礦帽的登記來確定井下被困人數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場收回的礦帽，井下還有30人被困。但查看有關的下井記錄，卻又顯示為27人被困。經(jīng)過反復對礦部記碼本的核對和對現(xiàn)場相關人員的了解核查，事故搜救部門基本確定井下被困礦工人數(shù)為28人。而對礦井的情況不清楚，礦底形勢復雜，工作面縱橫交錯，又沒有礦井地勢圖，使得救援愈發(fā)困難，最終28名被困礦工全部遇難。2009年9月8日，河南省平頂山市新華四礦發(fā)生瓦斯爆炸事故，然而，由于新華四礦基礎管理落后、井下條件較差，爆炸發(fā)生后井下嚴重冒落、局部有害氣體聚集，給搶險救援工作帶來了重重困難，最終被困的44名礦工全部遇難。2009年4月16日，河南省寶豐縣王莊煤礦發(fā)生爆炸事故，33人被困井下。礦難發(fā)生后，煤礦主和管理人員逃匿，井下地質(zhì)資料不明；個體礦井下巷道支撐全部使用木頭，造成火勢很難控制；該礦井煤層傾斜59度至69度，屬極傾斜煤層，井下發(fā)生多處冒頂，給搶險救援帶來困難，最終33名礦工全部遇難。2008年7月21日，廣西右江礦務局那讀礦發(fā)生透水事故，井下51名礦工被困失去聯(lián)絡。透水事故發(fā)生后，大量廢棄煤渣沉入巷道底部，使得巷道僅有1米余高，有些地方甚至更低矮，正常的運輸通道無法運行。并且由于4304工作面的通風系統(tǒng)還不夠完善，一次只能啟動2臺抽水泵進行排水工作，如果3臺抽水泵同時啟動，就會導致瓦斯?jié)舛瘸瑯耍o救援工作帶來了許多困難，事故最終造成34人死亡。各次礦難事故說明，解決這些問題需要各級部門的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，不斷加強礦山開采的管理力度，有效減少礦難事故的發(fā)生，一旦礦難發(fā)生，運用高效實用的救援工具便是最行之有效的救援方案。
0.2便攜式氣動鉆孔機適用場合
煤礦礦難發(fā)生以后，常見有巷道的頂部坍塌，掉落的碎石等落物將巷道堵塞，使救援工作很難進行。又由于井底存在大量易燃易爆氣體，根據(jù)我國以往礦難救援工作來看，傳統(tǒng)的救援工具不能絕對符合防爆要求，容易引發(fā)瓦斯爆炸等二次災害，因此不能在井下使用。便攜式氣動鉆孔機[2]的意義就是要改善上述情況，便攜式氣動鉆孔機可以方便快捷地對有較高防爆要求的煤礦巷道空間中的巖石進行鉆孔，鉆孔目的主要是為了清理落石障礙，使礦難救援得以繼續(xù)進行。所設計的鉆孔裝置要求防爆、便于攜帶、對常見巖石能有效鉆削應力集中孔，工作效率高、操作簡單、保養(yǎng)維修方便。本課題研究的裝置配合“便攜式手動巖石開縫裝置”可以讓救援人員徒手破碎并清理落石障礙，對提高煤礦礦難救援裝備的有效性、提高礦難救援成功率均有較重要的意義，也為進一步完善煤礦災害應急響應機制貢獻力量。
0.3便攜式氣動鉆孔機的設計要求
0.3.1符合國家煤礦安全標準
由于礦難發(fā)生后，井底存在大量的易燃易爆氣體，所以鉆孔機的動力裝置選擇氣壓馬達。氣壓馬達適用于惡劣的工作環(huán)境，在高溫，粉塵，潮濕，易燃，易爆等不利條件下都能正常工作。符合安全標準，有效的防止了由于電、火等的二次爆炸。鉆孔機裝置的整個結構所采用的材料均為防火防爆耐潮濕的材料。
0.3.2體積小，重量輕，便于攜帶
一般礦難發(fā)生后，由于碎石等堵塞巷道，致使救援空間狹小，所以小而輕便
的救援工具則滿足礦難的救援環(huán)境，所以，便攜式氣動鉆孔機在滿足可以正常鉆孔的要求下，要做到體積小，重量輕，方便攜帶。
0.3.3氣壓馬達的選擇和設計
氣壓馬達一般分為葉片式氣動馬達，活塞式氣動馬達和薄膜式氣動馬達，通過使用要求條件等選擇葉片式氣動馬達，葉片式氣壓馬達制造簡單，結構緊湊，適用于低轉矩，高轉速場合，且輸出轉速可以進行無級調(diào)速，使用于手提的氣動工具。
確定氣壓馬達后，要在各部分接口處進行密封裝置的設計，防止氣體泄露，壓力下降。
0.3.4 鉆孔機裝置各部分結構設計
其中包括扳手，馬達，主軸，減速器，換向閥等，以及鉆孔機的箱壁。
0.4礦難救援工具的發(fā)展趨勢
隨著科學技術的進步，礦難的頻發(fā)，市場競爭等多方面因素，各種安全有效的礦難救援工具定會相繼而出，且經(jīng)過不斷的改進和發(fā)展，定會更加具有實際用途，而礦難專用救援機械工具的發(fā)展離不開鉆具的發(fā)展，所以，未來的鉆孔機也定能向著便攜，智能，高效，節(jié)能等多功能方向發(fā)展，使人類的煤礦作業(yè)能夠在相對安全有保障的條件下進行，礦難救援工具的不斷完善也相對推動了煤礦開采事業(yè)的進步，是科學不斷發(fā)展不斷進步的一大標志。
1引言
我國是世界產(chǎn)煤大國，開采技術存在缺陷，安全管理制度不夠完善，機械化存在一定差距，救援不能妥善高效實行等原因，使得中國煤礦礦難死亡人數(shù)遠超過其他國家，造成極大的損失，并且我國的煤礦絕大部分已經(jīng)老化，再加上我國的安全檢測技術還存在一定的問題，這也是導致我國礦難事故頻繁發(fā)生的原因之一。與美國相比, 一個是美國的煤礦規(guī)模都比較大，很多煤礦都是露天開采，相對于井下開采而言，其安全系數(shù)肯定要大得多。第二是美國的煤礦相對都不是很深，不達到一定深度，就不會產(chǎn)生大量的瓦斯，瓦斯爆炸的幾率自然會低一些，而瓦斯爆炸是中國引起礦難的重要因素之一，因為中國煤礦一般都很深。這兩個屬于自然因素，沒辦法人為改變。目前我國用于礦難救援的工具以氣動鑿巖機械，氣動及液壓鑿巖機械，手持式氣動鉆孔機，電動鉆孔機等，目前也正在進行礦難救援機器人的研究，但是據(jù)我國近年來的礦難救援來看，救援工具仍然不能達到令人滿意的程度，救援不能達到及時性，高效性，礦難救援問題仍然棘手，許多救援工具不能滿足國家煤礦安全標準，大部分救援工具因為體積大不適宜在狹小的范圍內(nèi)操作使用。現(xiàn)代化的儀器和設備，對于救援來說起到?jīng)Q定性作用，尤其是在比較困難的情況下，是實施更有效救援的唯一“武器”，例如智利礦難救援取得成功的關鍵是?在救援中所運用到的各種新科技，大到30噸大型鉆井機、“膠囊”救生艙，小到安慰礦工心靈的投影儀和銅金屬絲抗病短襪等高技術的運用，都對救援的最終成功起到了重要作用。有美國媒體評論說，智利成功救援的公式，是75%的科學加25%的奇跡。目前我國國家安監(jiān)總局應急救援指揮中心設有技術裝備部，但其主要職責是管理，包括規(guī)劃應急救援體系，組織指導安全生產(chǎn)應急救援體系建設和培訓演練基地建設工作。指導、協(xié)調(diào)全國安全生產(chǎn)應急救援技術裝備保障工作；負責應急救援基礎研究、科技創(chuàng)新及科技成果推廣工作；研究起草相關的規(guī)章、規(guī)程和標準；承擔全國安全生產(chǎn)應急救援。
礦難救援問題越來越緊迫，國家投了大量精力進行技術改造，針對于礦難的高效救援問題，最直接的方式就是不斷完善救援工具，隨著科學技術的發(fā)展而不斷優(yōu)勝劣汰。
2 礦難救援的設計思想和意義
2.1 便攜式氣動鉆孔機的設計思想
本課題設計的便攜式氣動鉆孔機要絕對適用于礦難現(xiàn)場多粉塵，多易燃易爆氣體空間狹小等惡劣環(huán)境，要符合國家煤礦安全標準，體積小，重量輕，適合手持，在手動巖石開縫裝置之間使用，預先將堵塞巷道的大石塊打孔，然后運用巖石開縫裝置進行碎石，方便快捷，提高效率，相比于直接將石塊破碎的工具，節(jié)約能源和時間，確保救援人員與被救人員的人身安全。
2.2目前鉆孔工具的應用
目前我國已有多種類型礦用機械工具，最典型最常用的為電動鉆孔機。
電動鉆孔機是利用電做動力的鉆孔機具。是電動工具中的常規(guī)產(chǎn)品，也是需求量最大的電動工具類產(chǎn)品。每年的產(chǎn)銷數(shù)量占中中國電動工具的35%。對有色金屬、塑料等材料最大鉆孔直徑可比原規(guī)格大30～50％。電鉆工作原理是電磁旋轉式或電磁往復式小容量電動機的電機轉子做磁場切割做功運轉，通過傳動機構驅動作業(yè)裝置，帶動齒輪加大鉆頭的動力，從而使鉆頭刮削物體表面，更好的洞穿物體。電動鉆孔機廣泛適用于建筑梁、板、柱、墻等的加固，裝修、墻安裝、支架、欄桿、廣告牌、空調(diào)室外機、導軌、衛(wèi)星接收器電梯、鋼結構廠房等安裝。但是作為礦難救援工具十分危險，因為礦難發(fā)生后，礦內(nèi)大量易燃易爆氣體流出，一旦通電，就會引起火災甚至爆炸。
礦用機械[4]還包括多種鑿巖機械，如鑿巖機，鑿巖機是按沖擊破碎原理進行工作的。工作時活塞做高頻往復運動，不斷地沖擊釬尾。在沖擊力的作用下，呈尖楔狀的釬頭將巖石壓碎并鑿入一定的深度，行成一道凹痕。活塞退回后，釬子轉過一定角度，活塞向前運動，再次沖擊釬尾時，又形成一道新的凹痕。兩道凹痕之間的扇形巖塊被由釬頭上產(chǎn)生的水平分力剪碎?；钊粩嗟貨_擊釬尾，并從釬子的中心孔連續(xù)地輸入壓縮空氣或壓力水，將巖渣排出孔外，即形成一定深度的圓形鉆孔。
鑿巖機按其動力來源可分為風動鑿巖機、內(nèi)燃鑿巖機、電動鑿巖機和液壓鑿巖機等四類。但是因為各個類型的鑿巖機都受限于礦難發(fā)生后惡劣的環(huán)境（易燃易爆氣體，巷道狹窄，能源少，地理環(huán)境差等）
另外礦用機械設備還有鉆車，挖掘機，推土車等等，但是由于體積過大，運行不方便，受環(huán)境條件影響很大，不具有通用性，所以也不是參與礦難救援的最佳工具。
2.3氣動鉆孔機的設計思路
市面上有一種運用于煤礦井下隧道工程等共工作面比較狹小的空間內(nèi)使用的手持式鉆孔機。但是由于鉆孔機自重比較重，施工人員需要在另外搭建一個支撐平臺用來支撐鉆孔機工作，鉆孔時，將手持式鉆孔機架在支撐臺上，沿著鉆進的方向推進鉆孔，用來減輕施工人員的工作負擔，但是這樣的鉆孔方式在需要對鉆孔進度或角度進行調(diào)整時，還需對鉆孔機的支撐臺的位置及方向進行重新的定位，由于需要在巖石上鉆所需數(shù)量的孔，每鉆一個孔都需要進行支撐平臺的一次調(diào)整，工作十分繁瑣，大大降低了工作效率，浪費了救援時間，雖然也可以進行狹窄空間內(nèi)的救援工作，但是從救援的根本目的上看，此種鉆孔機也不是最合適的。
綜合各種礦用機械設備均不適用于礦難救援，考慮我國煤礦地帶大多環(huán)境惡劣，多集中在山區(qū)，礦難發(fā)生時坍塌的碎石堵住巷道，且大量存在易燃易爆氣體，使救援問題十分困難，若想高效的進行救援，首先要打通巷道，當有大塊的巖石堵住時，巷道狹窄不宜用機動車等大體積的工具，而人工搬運又耗時耗力，傳統(tǒng)的鑿巖機械雖然效率比較高，但若使用不當，鑿巖力過大，容易造成二次坍塌，使救援人員也陷入危險中，由此來看，解決大塊巖石破碎的問題是首要，是實施救援工作的第一步，這就需要一種安全穩(wěn)定且高效的小型機械，能夠人工近距離操作，方便隨時觀察碎石過程，一旦要出現(xiàn)危險，能夠馬上停止作業(yè)，而巖石的力學性能顯示，巖石具有可鉆性，于是有了采用鉆孔機的思路，鉆孔機在煤礦井下所用的機械工具中占有十分重要的地位，救援人員可以近距離的操作鉆孔機，方便作業(yè)，目前應用于礦下的鉆孔設備大致分為電動鉆孔機，液壓鉆孔機和氣動鉆孔機，考慮礦難發(fā)生后井下存在許多易燃易爆氣體，傳統(tǒng)的電動鉆孔機和燃油類工具因為要通電，油液易燃易爆，所以容易引發(fā)火災和爆炸，礦井發(fā)生的火災(包括危及井下的地面火災)，常招致人員傷亡，設備損失，礦井停產(chǎn)，資源破壞，甚至引起瓦斯、 煤塵或硫化礦塵爆炸。1894年俄斯特拉發(fā)-卡爾維納地區(qū)拉瑞什煤礦(位于今捷克斯洛伐克境內(nèi))因火災引起瓦斯爆炸，當場死亡235人，處理事故時又發(fā)生第二次瓦斯爆炸，礦山救護隊員大部分犧牲。礦井火災按引起的熱源不同分內(nèi)因火災和外因火災兩類。 內(nèi)因火災分煤自燃 、硫化礦石自燃兩種。 外因火災 指一切產(chǎn)生高溫或明火的器材設備，如果使用管理不當，可點燃易燃物，造成火災。在中、小型煤礦中，各種明火和爆破工作常是外因火災的起因，而氣動裝置本身可以采用安全的壓縮氣體提供動力，不會造成危險，從而本課題設計的是氣動鉆孔機。鉆孔機在煤礦機械生產(chǎn)中起著十分重要的作用，在井下生產(chǎn)時，井下軌道鉆孔技術已經(jīng)體現(xiàn)了很好的優(yōu)越性，而在礦難救援中，鉆孔機的應用也逐漸多了起來，因此針對惡劣環(huán)境中的巖石鉆孔，生產(chǎn)出功能更加完善的氣動裝置則顯得十分重要。
此課題設計的鉆孔機與廣泛使用的鉆孔機相比，特點在于它體積小，方便攜帶，適用于巖石類鉆孔，要與巖石開縫裝置配合使用。
本裝置選用的氣動裝置是可以正反轉的葉片式氣動馬達，通過控制壓縮氣體的大小來調(diào)節(jié)馬達的輸出功率和轉速，有過載保護作用，不會因為負載大而發(fā)生故障，馬達遇到負載過大的情況時會自動減低速度或者停止，接觸過載后，又可以重新恢復正常工作，不會產(chǎn)生零件損壞現(xiàn)象。另外，操縱方便，維修較容易。由于要實現(xiàn)葉片式馬達的正反轉，所以在馬達的進氣口處設置換向閥。方便改變馬達轉向，由于馬達轉速過大，所以需要設計減速裝置，本鉆孔機采用的是行星齒輪減速器，結構緊湊，減速比大，鉆頭則選用標準麻花鉆，易于拆卸和更換。
2.4氣動鉆孔機破碎巖石原理
煤礦周圍的地質(zhì)結構比較復雜，除了大量泥土外還有較多種類的巖石，但大部分是由于氣溫，大氣，水分，原巖的結構和構造等綜合因素影響作用下而風化的巖石，當巖石風化后，力學性能便明顯降低，增加了鉆削的可能性。
礦難發(fā)生后，掉落的巖石堵住巷道，便攜式氣動鉆孔機便可以應用于厚度一般的巖石鉆孔，高壓氣瓶中的高壓氣體經(jīng)減壓后足以帶動鉆孔機轉動，傳遞轉矩，從而使鉆頭進行鉆削，根據(jù)巖石的形狀體積選擇適當位置，選擇重心大概所在的位置，在過重心的任意直線上快速的鉆一排孔，鉆孔深度可以根據(jù)鉆孔機參數(shù)和巖石的厚度適當調(diào)節(jié)，鉆孔完畢后，配合使用巖石開縫裝置，由于鉆孔機所鉆的一排孔已經(jīng)造成巖石的應力集中，將巖石開縫裝置插入一排孔里進行分裂，大塊巖石便被兩邊裂開。如果需要，則可以在分裂開的巖石上繼續(xù)鉆孔，對于厚度太大的巖石，則不適用鉆孔機，因鉆孔深度有限，即使鉆孔成功，但相對于巖石厚度來說孔深太淺也不足以配合掩飾開縫裝置將巖石裂開，所以此鉆孔機適用于厚度一般的巖石。
2.5設計便攜式氣動鉆孔機的意義
在潮濕，高溫，粉塵，易燃易爆等惡劣條件下均可以安全工作，操作簡單，攜帶方便，耗資少，節(jié)省能源，可增加救援人員數(shù)量，每人攜帶一個，同時進行救援，節(jié)省了救援時間。便攜式氣動鉆孔機不僅提高了效率，并且安全系數(shù)大幅增加，不僅保證了被救人員免受二次災難的威脅，而且保證了救援人員的安全，氣動鉆孔機采用的氣動技術，有效的防火防爆，鉆孔時不會出現(xiàn)火花，對于高瓦斯的礦井來說，使用更加安全可靠，完全適用于井下作業(yè)。本課題所設計的鉆孔機體積小，重量輕，直接是手持式，鉆孔方向與角度方便人為控制，可以有效的進行巷道打通工作，方便快捷，須配合巖石開縫裝置使用，適應我國煤礦安全標準，保障了煤礦事故搶險救援的順利進行。
我國安全生產(chǎn)形勢近年來總體穩(wěn)定、趨于好轉，但不可否認的是基礎性和應用型的應急技術研究薄弱，技術標準制定起步晚，應急救援隊伍建設相對滯后，尤其是在專家隊伍建設這一領域。為此安全監(jiān)管總局于2005年建立安全生產(chǎn)應急救援專家信息庫，要求各有關單位協(xié)助組織推薦本行業(yè)、本領域的應急救援專家。該專家組由安全監(jiān)管總局應急救援指揮中心技術裝備部負責管理，為應急救援提供技術支持。?相信隨著科學技術的不斷發(fā)展和進步，會有越來越多的煤礦專用救援搶險工具出現(xiàn)，鉆具的生產(chǎn)及新產(chǎn)品的開發(fā)前景也會一片大好。
3便攜式氣動鉆孔機的設計計算
3.1氣動馬達的設計與計算
由于礦難發(fā)生后，存在大量易燃易爆氣體，粉塵等，所以需要選擇一中安全的執(zhí)行元件，又要求尺寸小，重量輕，所以選擇氣動馬達，氣動馬達[1]是氣動執(zhí)行元件，它將壓縮空氣的壓力能轉換為回轉形式或者是擺動形式的機械能，氣壓馬達按照結構形式可以分為葉片式，活塞式，齒輪式及擺動式。根據(jù)這幾種馬達性能參數(shù)以及適用范圍的比較，最后選擇葉片式氣馬達，葉片式馬達無配氣機構和曲柄連桿機構，結構簡單，尺寸小，旋轉部分能均勻運轉，因而工作比較穩(wěn)定，比起電動馬達和液壓馬達，除了具有防爆性能以外，馬達本身的軟特性使之能長期的滿負荷工作，并且溫升較低，能夠過載保護，不會損傷機器，且有較高的氣動轉矩，能帶載啟動，與電動機相比，單位功率尺寸小，缺點就是輸出功率較小，耗氣量大，容易產(chǎn)生振動。因為本課題的鉆孔機要求便攜式，所以馬達既要滿足工作要求，又要體積小，重量輕，綜合所有因素，最后選擇黃石風動機械廠的TMY1.5（1.471kw）的葉片式氣馬達。馬達參數(shù)見表1：
表1 葉片式馬達參數(shù)表
Tab.2 The blade is motor parameter table
型號
額定功率
額定轉速
額定扭矩
耗氣量
工作壓力
TMY1.5
1.47KW
4000r/min
4.64Nm
2.04/min
0.5~0.7MPa
假設我們所需鉆的巖石為硬度較軟的巖石，則通過查閱期刊文獻可得較軟巖石的鉆進速度可以達到1000mm/min[16]。由于v=1000mm/min，馬達的額定轉速為n=4000r/min ，所以f=v/n=0.25mm/r。
根據(jù)機械加工工藝手冊單行本鉆削、擴削、絞削加工得到鉆孔時轉矩的計算公式：M=Cdfk （3-1）
其中——與刀具材料有關的材料系數(shù)；
——鉆頭的直徑；
、——鉆削轉矩的計算指數(shù)；
——與加工材料有關的系數(shù)
查閱機械加工工藝手冊單行本鉆削鉆孔時轉矩的各參數(shù)為：
=0.098 ， =10mm ， =2 ， =0.8 ，=1
所以M=0.09810^20.25^0.81=3.23NM小于氣壓馬達的額定轉矩，所以合適。根據(jù)鉆頭鉆巖石所需轉矩和功率，設經(jīng)減速以后鉆頭工作時候的轉速為450r/min，切削速度為v=45020.005=47.1m/min
根據(jù)機械加工工藝手冊單行本鉆削、擴削、絞削加工得到鉆孔時功率的計算公式：
P=Mv/30d （3-2）
其中 ：M——鉆孔時所需轉矩；
V——鉆孔時的切削速度；
——鉆頭的直徑
P=Mv/30d=3.2347.1/300=0.51Kw小于氣壓馬達的額定功率，所以合適。
氣動馬達有兩個進氣口，直徑為16.76mm，壁厚為2mm。
有一個出氣孔，直徑為13.18mm。
氣動馬達上所用的螺栓為大徑是7mm的螺栓。
氣馬達結構如圖1所示
圖1 氣動馬達
Fig.1 the pneumatic moter
3.2行星齒輪減速器的設計與計算
行星齒輪減速器是由齒輪軸，與齒輪軸外嚙合的齒輪，內(nèi)壁的內(nèi)齒輪，及銷共同構成。
行星齒輪減速如圖2所示
圖2 行星齒輪減速器
Fig.2 Planetary gear reducer
因為n=4000 r/min， 減速以后工作時的轉速為450 r/min，所以減速器的減速比為i=9 。
設齒輪軸的的轉速為，設銷的轉速為，設齒輪軸的齒數(shù)為，與齒輪軸外嚙合的齒輪齒數(shù)為,內(nèi)壁的內(nèi)齒輪齒數(shù)為。則減速比為：i=(n-n)/(n-n)=-Z/Z=-(n-n)/n （3-3）
/=9
=9 Z/Z=8
根據(jù)機械設計手冊選擇[6]齒輪軸的材料為性能較好的合金鋼20Cr2Ni4,硬度為350HBS,與齒輪軸嚙合的齒輪材料為20CrMnTi，硬度為300HBS,內(nèi)壁的內(nèi)齒輪為40Cr，硬度為280HBS.齒輪精度為7級。
假設取模數(shù)m=0.8，則初算齒輪系的參數(shù)：
齒輪1的齒頂圓直徑：d=(Z+2)m=17 mm （3-4）
(Z+21)0.8=17 mm
=19
則齒輪軸1的齒數(shù)為19
內(nèi)齒輪3的齒數(shù)=152
（1）齒輪軸1的參數(shù)：
齒輪1的分度圓直徑：=0.819=15.2 mm （3-5）
齒根圓直徑：d=(Z-2h)m=（19-21.25）0.8=13.2 mm （3-6）
齒頂圓直徑：d=17 mm
（2）齒輪3的參數(shù)：
分度圓直徑：=m=1520.8=121.6 mm （3-7）
齒根高：=(h+h )m=(1+0.25) 0.8=1 mm （3-8）
齒根圓直徑：=d+2h=121.6+2=123.6 mm （3-9）
齒頂高：=m=10.8=0.8mm （3-10）
齒頂圓直徑：=d+2h=121.6-210.8=120mm （3-11）
（3）齒輪2的參數(shù)：
齒頂圓直徑：=-=123.6/2-15.2/2=54.7mm （3-12）
=(+21)0.8=54.7mm
齒數(shù)：=66
分度圓直徑：=m=0.866=52.8mm （3-13）
齒根圓直徑：=(Z-2h-2c)m=(66-21.25)0.8=50.8 mm （3-14）
齒輪寬度：b= （3-15）
其中=1,=52.8mm,b==52.8mm
圓整后取50mm
則齒輪軸1上齒輪的寬度為55mm，齒輪2的寬度為50mm
根據(jù)機械設計齒輪的強度校核計算得：
1齒輪齒面接觸疲勞強度校核
d2.32 （3-16）
（1）確定公式里內(nèi)的各計算數(shù)值
1）試選載荷系數(shù)K=1.3
2）計算小齒輪傳遞的轉矩：
T=(95.510^5)/n =(95.510^5)/4000=3.510 Nmm （3-17）
3）選取齒寬系數(shù)K=1.3
4）查得材料的彈性影響系數(shù)Z=175.64MPa
5）按齒面硬度查得小齒輪的解除疲勞強度極限=1000MPa，大齒輪的解除疲勞強度極限為=800MPa。
6）計算應力循環(huán)次數(shù)，假設工作壽命為3年，每年工作150天，每天工作5小時。則N=60njL=604000151503=5.410 （3-18）
N=5.410/3.47=1.5610 （3-19）
7)取接觸疲勞壽命系數(shù)K=1.1，K=1.14
8)計算接觸疲勞需用應力
取是小概率為1%，安全系數(shù)為S=1，則
= K/S=1.11000=1100 （3-20）
= K/S=1.14800=912 （3-21）
(2)計算
1）試算小齒輪分度圓直徑d，代入中較小的值，代入公式3-16得：
d2.32 =2.32 mm
2）計算齒輪圓周速度v
V=(dn/601000)=(3.1413.854000)/(601000)=2.92 m/s （3-22）
3）計算齒輪寬度b：b=d=113.95=13.95 mm （3-23）
4）計算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù)m=d/Z=13.95/19=0.734 mm （3-24）
齒高h=2.25 m=2.250.734=1.65 mm （3-25）
b/h=13.95/1.65=8.45 mm （3-26）
5）計算載荷系數(shù)
根據(jù)v=2.92mm/s,7級精度，查得動載系數(shù)K=1.18
由于是直齒輪，查得K=K=1;查得使用系數(shù)K=1,;用插值法查得7級精度小齒輪相對支承非對稱布置時，K=1.423,由b/h=8.45, K=1.423得K=1.35；故載荷系數(shù)K= K K K K=11.181.423=1.679 （3-27）
6)按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，得d=d=13.95=15.2mm （3-28）
7)計算模數(shù)m ：m=d/Z=15.2/19=0.8 （3-29）
2，按齒根彎曲強度設計
m （3-30）
（1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限=800MPa，大齒輪的彎曲強度疲勞極限=600MPa。
1） 取彎曲疲勞壽命系數(shù)K=0.85 K=0.88
2） 計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4
= K/S=0.85500/1.4=542.857MPa （3-31）
= K/S=0.92600/1.4=394.286MPa （3-32）
4)計算載荷系數(shù)K
K= K K K K=11.1811.35=1.593 （3-33）
5)查取齒形系數(shù)
Y=2.85 Y2.25
6）查得應力校正系數(shù)
=1.54 =1.74
7）計算大小齒輪的YY/并加以比較
YY/=2.851.54/542.857=0.008085 （3-34）
YY/=2.251.74/394.286=0.009929 （3-35）
大齒輪的數(shù)值大
（2）設計計算，代入公式3-30中得：
m
對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關，可取由彎曲強度算得的模數(shù)0.674并就近圓整為標準值m=0.8 mm，按接觸強度算得的分度圓直徑d=15.2mm,算出小齒輪齒數(shù)Z=d/m=15.2/0.8=19 Z=3.4719=66
則校核所得的齒輪齒數(shù)和模數(shù)均與初算時的數(shù)值相符，即初算的齒輪參數(shù)為合理的。
3.3換向閥的設計與計算
（1）換向閥總體結構
此換向閥有兩個出氣孔，一個進氣孔。活塞總體為圓柱體，左端為短的凹槽，有端為較長的凹槽，換向閥左端有兩個出氣孔，右端有一個進氣孔，左端凹槽與右端凹槽之間有兩個通孔，構成進氣口與出氣口的兩條通路，一條為水平的，一跳為傾斜的，進出氣孔處均有氣動用密封圈，密封圈在閥體內(nèi)的密封槽內(nèi)。換向閥的閥體長度要剛好滿足換向條件，即在兩個位置時各能夠實現(xiàn)其中一個方向上的通氣，換向閥結構如圖3所示：
圖3 換向閥閥體
Fig.3 The body of the reversing valve
（2）換向閥的鎖緊結構如圖4所示：
圖4 換向閥夾緊裝置
Fig.4 The clamping device of reversing valve
圖示方向（正視換向閥），在換向閥的一側內(nèi)壁的接觸線上向后轉（逆時針）15度角，以15度角處為刀具中心線，豎直方向挖寬為5.5mm的槽，深度為15.2mm，再在槽的底端向前（順時針）挖寬仍為5.5mm，長度為順時針轉過閥壁30度（兩刀具中心線的角度）的橫向凹槽（即以豎槽的底端面順時針挖一短橫槽），再繼續(xù)豎直向下挖寬度不變，長度為26.4mm（槽的頂端面到底端面）的豎直槽，然后繼續(xù)逆時針挖寬不變，長度為繞閥壁逆時針轉30度角，在兩個橫向的凹槽上端面的中間部位，挖一向上凹的小弧形凹槽，閥體的推桿的頭部標有位置線（與水平線呈15度角，逆時針方向），當整個閥體放入換向閥時，位置線是呈15度角的，當需要將閥體鎖緊時，將閥體順時針轉過15度，位置線水平。換向閥的左右兩側均有鎖緊結構，對稱設置，尺寸相同。
（3）換向閥出氣孔與氣馬達進氣孔連接處的結構
換向閥的出氣孔與氣動馬達進氣孔的管壁上均有外螺紋，兩管是用螺母連接的，為保證密封，在兩管道的端面和螺母上均涂有密封膠。螺母結構如圖5所示：
圖5 接口的螺母
Fig.5 the Sealing ring of Reversing valves
3.4扳手的設計與計算
根據(jù)機構的所受力矩平衡原理，按動扳手所需要力：
[（PS+N）-PS]b-Fc=0 （3-36）
其中： P——壓縮氣體的壓強；
S——閥門下端面與壓縮氣體接觸面積；
N——彈簧頂住閥門的彈力；
P——標準大氣壓；
S——閥片上端面與大氣接觸面積；
b——閥門所受合力的作用線與支點的距離；
F——按動扳手所需要的力；
c——按動扳手所需力的作用線與支點的距離
根據(jù)上述已經(jīng)計算和已知數(shù)據(jù)得：P=0.5MPa，=1.0110 MPa， b=21mm， c=90.6mm
根據(jù)鉆孔機在不工作時彈簧頂住閥片所需彈簧力，取彈簧壓縮力為N=5N，將各參數(shù)代入公式3-36得：
(5+3.140.51017.03^210-1.01103.1415.3^210)17.0310-F88.7910=0
F=74N
扳手所在把手上的槽的深度為20mm，槽寬為49.5mm，桿1的長度為108.4mm，直徑為4mm，桿2長度為111.75mm，直徑為4mm，桿1末端處穿插在桿2上部的橢圓形孔內(nèi)。扳手結構如圖6所示：
圖6 扳手
Fig.6 wrench
3.5閥門彈簧的設計與計算
由于彈簧是用來支撐閥門并用于閥門復位，所以我們需要設計的彈簧為圓柱螺旋壓縮彈簧。根據(jù)機械設計[6]彈簧的設計與計算，選擇彈簧的材料為碳素鋼簧鋼絲B級，第三類彈簧，則切變模量G取80000MPa。取彈簧的旋繞比C=8,估取彈簧絲的直接1mm，試算彈簧絲直徑。
根據(jù)機械設計圓柱螺旋 壓縮（拉伸）彈簧的設計計算中的幾何參數(shù)計算
彈簧的曲度系數(shù)為：
K=（4C-1)/(4C+1)+0.615/C=(32-1)/(32-4)=1.18 （3-37）
=5N,=(0.1~0.5)=0.2=5N （3-38）
=25N
其中：——壓縮彈簧的最小工作載荷；
——壓縮彈簧的最大工作載荷
=1800MPa，=0.5=0.51800=900MPa （3-39）
其中：——彈簧鋼絲的拉伸強度極限；
——彈簧的許用切應力
1.6=1.6=0.82mm （3-40）
則彈簧的鋼絲直徑為取標準值1mm
取彈簧最大壓縮變形量為=20mm
則彈簧的工作圈數(shù)為：n=Gd/[(8FC^3)] =(800001)/（82588）20=15.6 （3-41）
取標準值16
彈簧的中徑：D=Cd=81=8 mm標準值8mm （3-42）
彈簧的內(nèi)徑： =D-d=8-1=7mm （3-43）
彈簧的外徑： =D+d=8+1=9mm （3-44）
壓縮彈簧的長細比：b=H/D=21/4=5.25 按標準值取5.3 （3-45）
彈簧的節(jié)距： p=（0.28~0.5）D=0.581=4mm （3-46）
彈簧的自由高度： =pn+（1.5~2）d=416+20.5=65mm （3-47）
按照標準值取為65mm
軸向間距：=p-d=4-1=3mm （3-48）
彈簧的螺旋角： =arctan=arctan=9.05 （3-49）
3.6軸承的選擇和校核
（1）由于球軸承與滾子軸承相比較，有較高的極限轉速，所以在轉速較高時應選用球軸承，由于深溝球軸承可以承受徑向載荷，較高轉速時可承受軸向載荷，所以均選用深溝球軸承[14]。6013深溝球軸承如圖7所示：
圖7 6013軸承
Fig.7 The 6013 bearing
支承軸頭部位的的軸承選擇6013深溝球軸承，軸承內(nèi)圈與軸為過盈配合?；绢~定動載荷為C=57.2kN。
支撐齒輪軸的軸承結構如圖8所示：
圖8 6203軸承
Fig.8 The 6203 bearing
支撐齒輪軸部分的軸承選擇6203深溝球軸承 且內(nèi)圈為過盈配合，外圈為間隙配合?；绢~定動載荷為C=9.58kN。6013軸承如圖9所示：
（1）軸承的校核
根據(jù)機械設計軸承的設計與計算[6]得：
根據(jù)機械設計[6]轉矩計算公式得：T=（95.510^5P）/n (3-50)
馬達提供的轉矩為：T=（95.510^5P）/n = (95.510^51.47)
/4000=3.510 Nmm
齒輪的切向力：F=2T/d=23.510/15.2=460.53 N (3-51)
齒輪的徑向力：F=Ftan=460.53tan20=167.62 N (3-52)
馬達自重：G=mg=69.8=58.8 N (3-53)
總徑向載荷F=167.62+58.8=226.42 N (3-54)
根據(jù)機械加工工藝手冊單行本鉆削的軸向力計算公式：
F=Cdfk （3-55）
其中： C——刀具材料的材料系數(shù)；
d——鉆頭的直徑；
Z、Y——鉆削力的計算指數(shù)；
k——被加工材料的材料系數(shù)
根據(jù)機械設計加工工藝手冊查得：C=20，d=10 mm，Z=1,f=1.09 mm/r ,Y=0.8, k=0.8
所以軸向力F=20101.09^0.80.8=171.4N
軸承6203的基本額定靜載荷C=4.78 kN
F/ C=0.036,則e=0.25，Y=1.61
F/ F=171.4/226.42=0.76e=0.25
所以當量動載荷P=0.56 F+Y F=0.56226.42+1.61171.4=402.75 N
小于基本額定動載荷C=9.58kN，所以滿足要求。
軸頭所用的軸承基本額定動載荷更大，所以也滿足要求。
3.7各軸段的設計
各軸段（除齒輪軸外）均采用材料45鋼，齒輪軸長度為96.9mm，直徑為d=17mm，軸頭為臺階軸，長度為98.7mm，直徑分別為，d=119mm，d=65mm，d=32.8mm。馬達右端伸出軸的軸徑為17mm，長度為26.1mm。
3.8鉆孔機外壁的設計
鉆孔機筒壁分為兩部分，兩部分壁厚不同，帶有內(nèi)齒輪部分的壁厚=10mm，后半部分的壁厚為=7.1mm，兩部分通過螺紋連接?？拷鼡Q向閥左側部分的壁厚為=11.5mm，由于要對換向閥進行定位，所以壁厚加厚，軸向定位更加可靠?？拷鼡Q向閥右端的壁厚為=24.2mm，也對換向閥有定位作用。
4便攜式氣動鉆孔機的設計說明
4.1鉆孔機總體構造
本課題所涉及的鉆孔機為便攜式氣動鉆孔機，主要包括氣動馬達，行星齒輪減速器，氣動換向閥，扳手部分，在鉆孔機的內(nèi)部