裝配圖回旋沖擊鉆具軸承結(jié)構(gòu)及潤滑方式設(shè)計(1),裝配,回旋,沖擊鉆,軸承,結(jié)構(gòu),潤滑,方式,設(shè)計 回旋沖擊鉆具軸承結(jié)構(gòu)及潤滑方式設(shè)計 中文摘要與關(guān)鍵詞 摘 要：本文系統(tǒng)的闡述了回旋沖擊鉆具軸承結(jié)構(gòu)和密封潤滑方式的設(shè)計。設(shè)計內(nèi)容包括軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計、密封潤滑方式設(shè)計、軸承結(jié)構(gòu)主要零件的工藝分析、氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)的載荷設(shè)計以及成本、效益的比較計算等幾個主要部分。同時，在AutoCAD的基礎(chǔ)之上，完成了回旋沖擊鉆具軸承結(jié)構(gòu)的裝配圖和主要零件圖的繪制。通過對軸承結(jié)構(gòu)和潤滑方式的研究以及結(jié)合回旋沖擊鉆具的工作要求，設(shè)計出了主軸組合軸承結(jié)構(gòu)、環(huán)型軸承結(jié)構(gòu)、芯捻潤滑和局部密封潤滑方式，成功的解決了回旋沖擊鉆具工作中傳動摩擦大，密封潤滑難的問題，有效的保證了鉆具的工作條件，使設(shè)計后的鉆具功率損耗小，提高了鉆具的工作效率。 關(guān)鍵詞：軸承結(jié)構(gòu)；局部密封；芯捻潤滑；工作效率 Abstract Abstract: This graduation design systematically elaborated the designing of the bear structure of rotating striking drill tool and the method of sealing, which including bear structure designing, sealing lubricating method designing, the analysis of the process of main parts of the bear structure, air driving structure loading designing and the comparing calculate of the cost and profit. At the same time, based on the AutoCAD, the assembly drawing and main parts drawing of the bear structure of rotating striking drill tool were finished. Via the study of bear structure and lubricating method, connecting to the working requirement of the rotating striking drill tool, the combined bear structure of the main shaft, round bear structure and twirl-coring lubricating and located sealing lubricating were designed. And some problems such as large frication in transmission and difficulty of sealing lubricating when rotating striking drill tool was working, were resolved successfully, then the working conditions of the drill tool were guaranteed effectively, and the power using was decreased, and the efficiency was promoted. Keywords: bear structure; located sealing; twirl-coring lubricating; working efficiency 第一章 緒論 1.1 課題來源 基于高層、超高層建筑物及大型橋主塔基礎(chǔ)等承載的需要，對大直徑樁工機(jī)械要求越來越大。國內(nèi)大直徑的鉆具設(shè)備研發(fā)，少有研究采用新的運(yùn)動原理和結(jié)構(gòu)，一般只能采取加大直徑，增加配套功率和扭矩，以及選用高硬刃具材料等辦法，因而有逼向高功率配置和笨重方向發(fā)展的趨勢，不僅固有的弱點(diǎn)問題沒有解決，而且又更加大了施工設(shè)備投資，影響工程建設(shè)效益。如：湖南省道1804線周家店至常德公路改建工程，在柳葉湖大橋四根3.0米直徑樁基礎(chǔ)施工中，由于施工成本的原因，第一個枯水施工季節(jié)，沒有進(jìn)場大直徑成孔設(shè)備，施工單位采取沉井明挖法施工失敗。在第二個枯水施工季節(jié)，終于以60多萬的價格，新購置到重型沖擊鉆機(jī)設(shè)備，開始進(jìn)行返工施工。韶關(guān)產(chǎn)沖擊錘重達(dá)13噸，配套設(shè)備均是個別設(shè)計生產(chǎn)，使用直徑4.5公分鋼絲繩。由于錘重繩粗，常規(guī)的設(shè)備匹配和連接方式，在這“重型”面前顯得非常脆弱，出現(xiàn)了每兩個工作班必須更換連接，每次需三小時，每15個工作班，損壞一次導(dǎo)輪或軸，每次更換需時間1—2天的情況，另外3—1# 樁基出現(xiàn)了嚴(yán)重的孔壁失圓現(xiàn)象，明顯地影響了工程質(zhì)量、進(jìn)度和效率。針對以上樁基礎(chǔ)工程中的具體數(shù)據(jù)和施工情況來看，常規(guī)的鉆具已經(jīng)難以滿足施工要求，而且常規(guī)直徑樁基礎(chǔ)成孔施工廣泛使用沖擊鉆和回旋鉆兩種基本鉆型，排渣采用泥漿護(hù)壁正循環(huán)方法排渣，這兩種基本鉆型它們工作的一個共同特點(diǎn)就是切削刀刃與孔壁和孔底保持整體的或線或面的接觸，至使摩擦阻力大，切削相對速度低，能量分散，分布不合理，無效功耗大，效率低。根據(jù)以上兩種鉆具的缺點(diǎn)以及結(jié)合目前現(xiàn)實(shí)施工中所面臨的問題，構(gòu)想出了一種兼有沖擊鉆和回旋鉆優(yōu)勢功能的全新型結(jié)構(gòu)的“回旋沖擊鉆具”。 該回旋沖擊鉆具的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)是：在常規(guī)主動力桿（空心桿）的驅(qū)動下，回旋沖擊鉆具運(yùn)動機(jī)構(gòu)可靠地建立起了由若干小直徑鉆桿組成的鉆頭群連續(xù)穩(wěn)定的徑向復(fù)星形旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動，另用氣動力或電磁力方式對鉆桿群附加軸向可操控的沖擊動力，以滿足在相應(yīng)地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)破碎和旋削復(fù)合鉆進(jìn)的需要，此鉆具宜采取反循環(huán)氣升排渣。從理論上說即使全鉆具只安裝一根鉆桿（如10厘米直徑的刃具），鉆具運(yùn)動機(jī)構(gòu)也可驅(qū)動其完成設(shè)計3米以上足夠直徑斷面的成孔，亦即大直徑成孔未必一定要配套大扭矩鉆機(jī)。 如果單個刃具能實(shí)現(xiàn)如圖1-1所示的平面單跡線星形運(yùn)動，并同時具有徑向旋削軟散顆粒，軸向沖擊破碎整體巖石的功能。則數(shù)個小直徑的刃具也將會產(chǎn)生高效率的復(fù)合 或 圖1-1 單點(diǎn)星形運(yùn)動網(wǎng)狀跡線圖 運(yùn)動和作用，由若干連續(xù)點(diǎn)的運(yùn)動，形成連續(xù)的曲線運(yùn)動，若干曲線的運(yùn)動，使施工面呈周邊包絡(luò)線為圓形的細(xì)密網(wǎng)狀曲面，實(shí)現(xiàn)鉆具逐層從上至下的整體成孔運(yùn)動。 1.2 設(shè)計的目的及意義 “一橋飛架南北，天塹變通途”，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，一條條寬敞的公路縱橫交錯，一幢幢高樓雨后春筍般的拔地而起，一座座雄偉的橋梁飛躍大江河海，把祖國的江山打扮得如此多嬌。樁工工程作為一種基礎(chǔ)工程在祖國建設(shè)中發(fā)揮了巨大的作用，并且取得長足的發(fā)展，各項(xiàng)工程基礎(chǔ)的施工進(jìn)度往往是影響整個項(xiàng)目建設(shè)工期的關(guān)鍵，其造價也是影響項(xiàng)目投資的主要不定因素。為適應(yīng)各類建筑工程材料、設(shè)計和施工技術(shù)的發(fā)展需要，從鉆孔樁基礎(chǔ)施工成孔設(shè)備著手，綜合沖擊鉆和回旋鉆兩種基本鉆型成孔原理的優(yōu)點(diǎn)，研究開發(fā)出新型成孔鉆具，以解決樁基工程施工，要求快速高效、穩(wěn)定可靠、廣泛適用和適應(yīng)超大直徑方向發(fā)展的問題，是長期以來國內(nèi)外業(yè)內(nèi)人士不乏探索的命題。 本次設(shè)計不但上讓我們了解到樁工機(jī)械在國民經(jīng)濟(jì)中的重要作用，同時也培養(yǎng)了我們的實(shí)際動手能力，更深一步接觸一些新設(shè)計理念，這樣對我們以后的設(shè)計都有很大的幫助，以下是本次設(shè)計的目的： 1.全面復(fù)習(xí)、鞏固機(jī)械制造工藝學(xué)、機(jī)械制造裝備技術(shù)設(shè)計以及相關(guān)課程的基本知識，并運(yùn)用所學(xué)知識解決機(jī)械加工中的工藝、工藝裝備等實(shí)際設(shè)計問題，提高分析問題、解決問題的能力。使這些知識得到進(jìn)一步鞏固、加深和拓展； 2.學(xué)習(xí)和掌握機(jī)械設(shè)計的一般步驟和方法，培養(yǎng)設(shè)計能力和解決實(shí)際問題的能力，鞏固和擴(kuò)展有關(guān)機(jī)械設(shè)計方面的知識，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計思想。 3.進(jìn)行基本技能的訓(xùn)練，對計算、制圖、運(yùn)用設(shè)計資料（如手冊、圖冊、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等）以及進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算等機(jī)械設(shè)計方面的基本技能得到一次綜合訓(xùn)練，提高技能水平。 1.3 主要工作任務(wù) 回旋沖擊鉆具是利用星型運(yùn)動原理來設(shè)計一種采用多個刀具鉆削巖層的鉆具，此全新型“回旋沖擊鉆具”能夠?qū)崿F(xiàn)沖鉆與旋削功能相結(jié)合、成孔地質(zhì)適應(yīng)廣泛、排渣及時徹底、鉆進(jìn)效率高、鉆機(jī)功率配置要求寬泛靈活、成孔直徑適用跨度大等等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)為解決長期以來困擾大直徑鉆孔灌注樁成孔鉆具問題的一種全新結(jié)構(gòu)和新思路。 本設(shè)計是回旋沖擊鉆具設(shè)計中的一部分設(shè)計，及軸承結(jié)構(gòu)與潤滑方式設(shè)計。設(shè)計的主要工作任務(wù)如下： 1. 軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計 2. 密封潤滑方式設(shè)計 3. 零部件設(shè)計 4. 成本、效益比較計算 第二章 軸承結(jié)構(gòu)及密封潤滑方式設(shè)計 機(jī)器中的軸系大多采用滾動軸承作支承，這些軸系，尤其是主軸和重要的傳動軸系的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況不僅直接影響著機(jī)器的工作性能，而且影響機(jī)器的主要技術(shù)指標(biāo)。軸系中的滾動軸承類型的選擇、軸承的布置、支承結(jié)構(gòu)及密封潤滑方式的設(shè)計等對軸系受力、運(yùn)轉(zhuǎn)精度、提高軸承壽命及可靠性，保證軸系性能等都將起著重要的作用。還有就是減少兩個具有相對運(yùn)動的零件之間的摩擦。本章就針對回旋沖擊鉆具所需要的軸承結(jié)構(gòu)及潤滑方式進(jìn)行設(shè)計。 2.1 軸承結(jié)構(gòu)及密封潤滑的主要功用分析 回旋沖擊鉆具結(jié)合了沖擊鉆與回旋鉆這兩種傳統(tǒng)鉆具的成孔原理，及實(shí)現(xiàn)軸向的沖擊破巖和徑向的旋削松散，從而實(shí)現(xiàn)沖擊與回旋功能相結(jié)合，以達(dá)到高效、快速成孔的目的。這就要求其軸承結(jié)構(gòu)以及密封潤滑方式能夠滿足這一特定的復(fù)合運(yùn)動所需要的支承和保護(hù)作用。以下是該回旋沖擊鉆具中軸承結(jié)構(gòu)和密封潤滑方式的主要功用分析： 1.由于鉆具主軸（空心軸）是通過井上電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而井下鉆具外殼是通過輪轂與井壁擠緊的，也就是鉆具外殼不能旋轉(zhuǎn)，為了減少扭矩，在主軸與外殼之間設(shè)計一軸承結(jié)構(gòu)，用來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)主軸與外殼之間的支承作用。 2.由于鉆具主軸不能通過井上電機(jī)直接進(jìn)行軸向的沖擊作用，而是通過氣動驅(qū)動重錘在錘擊各根小鉆桿之后剩下的力錘到內(nèi)齒圈上，而內(nèi)齒圈是與外壁緊連的，也就是說重錘的沖擊力在完成小鉆頭破巖和抵消外壁磨檫后剩下的力通過外壁傳到了主軸上，從而使空心主軸往下作業(yè)，這就要求其軸承結(jié)構(gòu)能夠把重錘的一部分力通過外壁傳到空心主軸上。 3.內(nèi)齒圈與托盤的運(yùn)動情況不一至，內(nèi)齒圈與外壁固定，無旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而托盤做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，也就是在這兩個零件之間會有相對運(yùn)動，為了減少兩零件的摩擦和實(shí)現(xiàn)各自的運(yùn)動，在兩者之間加一軸承結(jié)構(gòu)，用來支承和減少摩擦磨損，同時也可以大大減少功率的損失，可以提高工作效率。 4.鉆桿齒輪一方面要自轉(zhuǎn)，另一方面要圍繞支承軸公轉(zhuǎn)，那么鉆桿齒輪與托盤之間也存在相對運(yùn)動，在這兩者之間設(shè)置的軸承結(jié)構(gòu)是為了減少摩擦和保護(hù)各零件，提高零件的使用壽命。 5. 潤滑、密封對整個鉆具的性能影響很大，潤滑起著減少摩擦、降低磨損、減少接觸應(yīng)力和散熱冷卻的作用，同時也有助于減振、防銹及沖洗雜質(zhì)；而密封的作用也不可以忽略，它可以防止?jié)櫥屯饴?，減少外界灰塵和其它不利物質(zhì)進(jìn)入機(jī)體內(nèi)。由于樁工機(jī)械的作業(yè)條件異常惡劣，工程鉆具所面臨的是泥漿和沙石，而這些東西恰恰是很不利于鉆具正常作業(yè)的，甚至對鉆具有毀滅性的破壞，那么密封、潤滑正是用來解決此問題的良策。 2.2 主軸軸承結(jié)構(gòu)及密封潤滑方案設(shè)計與確定 載荷的大小、方向和性質(zhì)是選擇軸承類型和進(jìn)行軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù)，而機(jī)械的工作環(huán)境和工作條件則是進(jìn)行密封潤滑方式設(shè)計的重要制約因素。由于回旋沖擊鉆具中軸承承受著較大的軸向沖擊力和較小的徑向力，那么在支承上應(yīng)采用兩個或多個線接觸的軸承。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，需要考慮到結(jié)構(gòu)的裝配問題、結(jié)構(gòu)中零件的加工難度、密封潤滑的穩(wěn)定性以及整個結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)，表2-1是為回旋沖擊鉆具軸承結(jié)構(gòu)及潤滑方式擬訂的三種方案： 表2-1 主軸軸承結(jié)構(gòu)及潤滑方式的設(shè)計方案 序號 結(jié)構(gòu)簡圖 特點(diǎn) A 此方案采用雙向推力球軸承和圓錐滾子軸承的組合結(jié)構(gòu)，其不但能夠承受較大的徑向力和雙向軸向力，還能夠承受很大的軸向沖擊載荷，潤滑方式為脂潤滑，潤滑使用方便，耗量少，密封性能一般，適用于極限轉(zhuǎn)速底的場合，但是該結(jié)構(gòu)比較笨重，主軸精密制造段過長，制造成本高，且發(fā)熱嚴(yán)重，整個結(jié)構(gòu)裝配難度大。 續(xù)表 序號 結(jié)構(gòu)簡圖 特點(diǎn) B 該方案采用三個圓錐滾子軸承的組合結(jié)構(gòu)，其能承受較大的軸向力和徑向力，也能承受軸向沖擊載荷，密封性能良好，采用油潤滑，內(nèi)磨阻小，且潤滑系統(tǒng)為循環(huán)的，潤滑油損失量少。但該結(jié)構(gòu)比較笨重，不便裝卸和維護(hù)，經(jīng)濟(jì)性能差，由于潤滑是利用離心力摔油，對主軸平穩(wěn)轉(zhuǎn)速要求很高，使得潤滑油溫度升高，且整個結(jié)構(gòu)不便于散熱。 C 此方案是四個圓錐滾子軸承的組合結(jié)構(gòu)，其能承受很大的軸向載荷和徑向載荷，還能承受沖擊載荷，密封性能好，潤滑方式采用芯捻潤滑，能夠保證供油穩(wěn)定、潤滑油清潔且油量不至過多，潤滑系統(tǒng)為循環(huán)的，潤滑油損失量少，整個結(jié)構(gòu)輕巧、緊湊，且裝卸與維護(hù)方便，制造成本低，散熱性能好，適用的主軸極限轉(zhuǎn)速范圍廣。 該回旋沖擊鉆具主軸轉(zhuǎn)速為32r/min,屬于低轉(zhuǎn)速范圍，由于方案B的離心式摔油潤滑只有在高轉(zhuǎn)速下才能正常工作，那么B方案的潤滑方式不能滿足該鉆具的要求，又由于鉆具要鉆到地下幾十米的深處作業(yè)，為了減少鉆具回到地面所耗功率和制造成本，其鉆具自身的重量不能過于笨重，C方案相對A、B方案來說，設(shè)計的是輕型結(jié)構(gòu)，這點(diǎn)優(yōu)于A、B方案。A方案采用雙向推力球軸承來承受軸向的沖擊載荷，鋼球與保持架磨損，發(fā)熱嚴(yán)重，且散熱性能差，軸承壽命降低。在安裝方面，由于A、B方案的結(jié)構(gòu)笨重，又沒有設(shè)計釣鉤等方便安裝的結(jié)構(gòu)，而C方案在肋版上設(shè)置了八個大圓孔，這就方便了加工或裝配時零件的搬運(yùn)和移動。A、B方案在加潤滑脂、潤滑油時，必須拆開后才能加進(jìn)去，而C方案可以直接通過游標(biāo)孔往油槽里加油，并且可以測量潤滑油油面高度，這樣就便于維護(hù)。A、B、C三種方案中的下端支承處都采用圓錐滾子軸承，該軸承只是起到一個平衡的作用，并沒有承受什么載荷，其都采用脂潤滑。 綜合以上各種主軸軸承結(jié)構(gòu)及潤滑方式的設(shè)計方案，再結(jié)合該回旋沖擊鉆具的具體工作環(huán)境和對軸承結(jié)構(gòu)的功用要求，通過對性能、制造、經(jīng)濟(jì)、安裝與維護(hù)等各方面的綜合比較，最后確定采用方案C。其主軸軸承結(jié)構(gòu)及潤滑方式示意圖如圖2-1所示： 1—端蓋；2、19—油圈；3、9—圓錐滾子軸承；4—芯捻；5—上軸承座（箱體）；6、12、23—毛氈密封圈；7、11—活塞式密封裝置；8、16—O形密封圈；10—彈簧；13—空心主軸； 14—下軸承座；15—墊圈；17—潤滑油；18、22—甩油環(huán)；21—軸承套；20—桿試游標(biāo) 圖2-1 主軸軸承結(jié)構(gòu)及潤滑方式示意圖 方案C中軸承型號與潤滑劑牌號的選擇：如上圖2-1，3、9為同一型號的圓錐滾子軸承，根據(jù)該處的軸徑以及配合軸承內(nèi)徑，選擇圓錐滾子軸承的代號為：32052X，其尺寸為260mm400mm87mm； 3-圓錐滾子軸承采用油潤滑，選用L-AN68潤滑油，該潤滑油主要用于低速重載的設(shè)備上。9-圓錐滾子軸承采用脂潤滑，選用ZL-3通用鋰基潤滑脂，該潤滑脂適用溫度在-20～120，主要用于機(jī)械的滾動軸承等其他摩擦部位的潤滑。 當(dāng)鉆具下井作業(yè)時，重錘錘擊各小鉆桿，使小鉆桿下到一定深度，然后再錘擊在內(nèi)齒圈上，內(nèi)齒圈把力傳給外壁，外壁與5-上軸承座（箱體）相連，從而通過1-端蓋把沖擊力傳到軸承組3上，再經(jīng)過18-摔油環(huán)傳給13-空心主軸，從而破碎空心主軸鉆頭下的一方土石。鉆具完成作業(yè)后，在回到地面的過程中，空心主軸把一部分拉力作用到軸承結(jié)構(gòu)上，用來抵消外壁與井壁的摩擦阻力，把外壁往地面上拉。17-潤滑油置于5-上軸承座（箱體）的油槽中，通過4-芯捻把油滲吸到軸承上方，且與22-甩油環(huán)貼緊，甩油環(huán)隨空心主軸做圓周轉(zhuǎn)動，通過離心力的作用，將芯捻上吸附的潤滑油甩入到3-圓錐滾子軸承上，潤滑油在重力作用下，必然往下流，從而達(dá)到潤滑的目的，當(dāng)剩余的潤滑油流到上支承處的最下面一個軸承時，便在18-甩油環(huán)的作用下，將其甩入油槽，實(shí)現(xiàn)潤滑油的循環(huán)作用。由于14-下支承座上附有氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)和重錘，為了實(shí)現(xiàn)沖擊的平衡性，在下支承處安裝一圓錐滾子軸承9。上軸承座、下軸承座以及空心主軸圍成的排渣壓力氣缸的密封潤滑設(shè)計計算，將在第3章進(jìn)行詳細(xì)闡述。 主軸軸承結(jié)構(gòu)裝配圖以及各主要零件圖見附圖ZJZC-00～06。 2.3 傳動部分軸承結(jié)構(gòu)及潤滑方式設(shè)計 2.3.1托盤與內(nèi)齒圈軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)回旋沖擊鉆具的總體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動情況，如下頁圖2-2所示，由于1-外壁與4-內(nèi)齒圈相連，而外壁又不能做回旋運(yùn)動，故4-內(nèi)齒圈與1-外壁相對為靜止，3-托盤在鉆桿的帶動下做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，所以托盤相對內(nèi)齒圈做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，為了減少3-托盤與4-內(nèi)齒圈之間的摩擦和實(shí)現(xiàn)托盤的運(yùn)動，在兩者之間加一軸承裝置2，該軸承裝置是通過4個螺栓將其擰緊在3-托盤上的，為了實(shí)現(xiàn)承載和防摩擦的需要，在托盤的周邊進(jìn)行環(huán)型布置，稱該防摩擦裝置為環(huán)型軸承結(jié)構(gòu)。 此軸承裝置的零件圖與裝配圖見附圖ZJZC-15～20。 1— 外壁；2—軸承裝置；3—托盤；4—內(nèi)齒圈 圖2-2 2.3.2太陽輪與托盤軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計 如圖2-3，由于1-太陽輪的轉(zhuǎn)速高，2-托盤是由行星輪帶動鉆桿，再由鉆桿帶動2-托盤做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，所以托盤的轉(zhuǎn)速低，那么在1-太陽輪與2-托盤之間就會產(chǎn)生相對的回旋運(yùn)動，同樣在1和2之間加3-軸承裝置，以減少摩擦和實(shí)現(xiàn)各自的運(yùn)動。3-軸承裝置也同2.3（1）中的軸承裝置一樣。 1—太陽輪；2—托盤；3—軸承裝置；4—空心主軸 圖2-3 2.3.3 孔底鉆鉆桿軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計 如下頁圖2-4所示，3-孔底鉆鉆桿在沖擊錘的錘擊作用下往下運(yùn)動，把沖擊力傳給鉆頭進(jìn)行破巖，然后在1-彈簧的彈力作用下復(fù)位，由于1-彈簧隨3-孔底鉆鉆桿作回旋運(yùn)動，而4-擋板并沒有繞3-孔底鉆鉆桿作回旋運(yùn)動，所以1-彈簧相對4-擋板有回旋運(yùn)動，為了減少彈簧與擋板之間的摩擦，故在圖示位置裝一推力球軸承，根據(jù)孔底鉆鉆桿的截面直徑，選用軸承代號為51309的推力球軸承。由于該處轉(zhuǎn)速不高，載荷也不大，選用ZL-3鋰基潤滑脂進(jìn)行潤滑。 1—彈簧；2—軸承；3—孔底鉆鉆桿；4—擋板 圖2-4 2.3.4 孔壁鉆鉆桿軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖2-5所示，3-孔底鉆鉆桿處安裝軸承的作用同2.3（3）孔底鉆鉆桿處一樣，也是為了減少1-擋板與4-彈簧之間的摩擦，根據(jù)孔壁鉆鉆桿的截面直徑，同樣選用軸承代號為51309的推力球軸承。選用ZL-3鋰基潤滑脂進(jìn)行潤滑。 1—擋板；2—軸承；3—孔壁鉆鉆桿；4—彈簧 圖2-5 2.3.5 太陽輪與擋板之間軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計 如下頁圖2-6所示，1-墊塊、3-太陽輪隨4-空心主軸做回旋運(yùn)動，6-擋板在鉆桿的作用下也做回旋運(yùn)動，但是與主軸相連的零件回旋速度大，而擋板是在行星輪的帶動下回旋，所以速度底，為了減少6-擋板與1-墊塊、3-太陽輪之間的摩擦，故設(shè)置一軸承軸承結(jié)構(gòu)，該軸承由2-軸承內(nèi)圈、5-鋼球、7-軸襯外圈組成，滾珠選用標(biāo)準(zhǔn)件，選用鋼球型號為KU.10，直徑為10mm，內(nèi)、外圈特制。同樣選用ZL-3鋰基潤滑脂進(jìn)行潤滑。 1—墊塊；2—軸承內(nèi)圈；3—太陽輪；4—空心主軸；5—鋼球；6—擋板；7—軸承外圈 圖2-6 2.3.6 孔底鉆鉆桿齒輪處軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計 如圖2-7所示，由于3-孔底鉆鉆桿齒輪繞4-孔底鉆鉆作回旋運(yùn)動，同時還要繞支撐桿作公轉(zhuǎn)，其與1-托盤之間存在相對的回旋運(yùn)動，但是孔底鉆鉆桿齒輪與托盤的重疊區(qū)域小，為了減少兩者之間的摩擦，故在3-孔底鉆鉆桿齒輪與1-托盤之間設(shè)置一軸承結(jié)構(gòu)，該軸承結(jié)構(gòu)由2-軸承外擋圈、5-軸承內(nèi)擋圈、6-滾珠和7-保持架組成，此結(jié)構(gòu)要求在孔底鉆鉆桿齒輪上開一環(huán)行槽，以便有利與滾珠的運(yùn)動，6-滾珠選用標(biāo)準(zhǔn)件，選用鋼球型號為KU.7，144，重量為1000個1.5KG，直徑為7.144mm。6-鋼球在7-保持架的護(hù)位下環(huán)型布置，所以也稱該裝置為環(huán)型軸承結(jié)構(gòu)，2-軸承外擋圈、5-軸承內(nèi)擋圈和7-保持架零件圖見附圖ZJZC-11～14。 1—托盤；2—軸承外擋圈；3—孔底鉆鉆桿齒輪；4—孔底鉆鉆桿； 5—軸承內(nèi)擋圈；6—鋼球；7—保持架 圖2-7 2.3.7孔壁鉆鉆桿齒輪處軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計 如圖2-8所示，3-孔底鉆鉆桿齒輪與7-擋板之間的摩擦也是由于兩者之間的相對運(yùn)動，相重疊的摩擦區(qū)域小，所采用的防摩擦裝置同2.3（7）中一樣，且軸承結(jié)構(gòu)和零件尺寸都一樣，那么在此就不作過多闡述了。 1—軸承外擋圈；2—滾珠；3—孔壁鉆鉆桿齒輪；4—孔壁鉆鉆桿； 5—軸承內(nèi)擋圈；6—保持架；7—托盤 圖2-8 2.3.8 鉆底處軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計 如圖2-9所示，由于1-鉆底擋板相對6-鉆壁作回轉(zhuǎn)運(yùn)動，且6-鉆壁要托住1-鉆底擋板，為了減少兩者之間的摩擦，在兩者之間加一軸承結(jié)構(gòu)，該軸承由3-軸承內(nèi)圈、5-軸承外圈和4-滾珠裝配而成，由于鉆底環(huán)境惡劣，為了減少沙石進(jìn)入軸承中，在6-鉆壁上設(shè)置一溝槽，并用2-毛氈密封圈進(jìn)行密封。該軸承中4-鋼球選用標(biāo)準(zhǔn)件，選用鋼球型號為KU.20，638，其直徑為20.638mm。 1—鉆底擋板；2—毛氈密封圈；3—軸承內(nèi)圈；4—鋼球；5—軸承外圈；6—鉆壁 圖2-9 2.3.9 潤滑方式設(shè)計 由于機(jī)構(gòu)特性的決定，同時為了簡化結(jié)構(gòu)和降低成本，建立刃具星形運(yùn)動的齒輪組等大部件，不可避免的只能在泥漿中潤滑，除開以上已經(jīng)設(shè)計過潤滑方式的軸承結(jié)構(gòu)，傳動部分其它軸承結(jié)構(gòu)和齒輪等均采用泥漿潤滑，該泥漿是利用小管道從地面配好輸送進(jìn)來的，但這就需要齒輪組采用高錳類耐磨鋼特性材料（履帶、鍔板和道岔類材料），有適應(yīng)在泥漿砂石中工作的材質(zhì)要求。以解決有關(guān)部件難以密封的滾動、滑動和齒輪摩擦的潤滑以及銹蝕問題。另外還需加設(shè)防護(hù)罩和隔離板，以防異物影響和損壞機(jī)件運(yùn)行。 2.4 軸承結(jié)構(gòu)主要零件的工藝分析 圖2-10所示零件為主軸軸承結(jié)構(gòu)的軸承套零件，該零件外圓內(nèi)套在上軸承座中，內(nèi)孔與軸承配合，主要作用是減小其同軸度的誤差和降低軸承座的加工難度。該產(chǎn)品為新研發(fā)產(chǎn)品,選用單件生產(chǎn)。待研制成功,普及后選用批量生產(chǎn)。材料為ZCuSn10P1，這 種材料耐高溫和摩擦，強(qiáng)度高。 圖2-10 軸承套零件圖 2.4.1軸承套的技術(shù)條件和工藝分析 該軸承套屬于長套筒，其主要技術(shù)要求為：Φ440h7外圓對Φ400H7內(nèi)孔的徑向圓跳動公差為0.1mm；左端面對Φ400H7內(nèi)孔軸線的垂直度公差為0.1mm。軸承套外圓為IT7級精度，采用精車可以滿足要求；內(nèi)孔精度也為IT7級，采用鏜孔可以滿足要求。內(nèi)孔的加工順序?yàn)椋喊刖M→精鏜→浮動鏜刀塊精鏜。 由于外圓對內(nèi)孔的徑向圓跳動要求在0.1mm內(nèi)，用軟卡爪裝夾無法保證。因此精車外圓時應(yīng)以內(nèi)孔為定位基準(zhǔn)，使軸承套在大錐度心軸上定位，用兩頂尖裝夾。這樣可使加工基準(zhǔn)和測量基準(zhǔn)一致，容易達(dá)到圖紙要求。 2.4.2 軸承套的加工工藝 表2－2為軸承套的加工工藝過程。 表2-2 軸承套的加工工藝過程 序號 工序名稱 工序內(nèi)容 定位與夾緊 1 鑄造、清沙 2 時效處理 3 車 1.粗車外圓φ460mm至φ450mm及M450×1.5mm螺紋（工藝用），車空刀槽3×1mm 三爪卡盤夾一端，大頭頂尖頂另一端 2.車端面及倒角 三爪卡盤夾一端，搭中心架托Ф450m處 3．調(diào)頭車端面及倒角取總長315mm 4 鏜 1．半精推鏜孔到Ф380mm 一端用M450×1.5mm螺紋固定在夾具中，另一端搭中心架 2．精推鏜孔到Ф390.85mm 3．浮動鏜刀鏜孔到尺寸，表面粗糙度值Ra為1.6μm 5 車 1．車去工藝螺紋，精車外圓Ф450mm至尺寸 軟爪夾一端，以孔定位頂另一端 6 鉆 鉆徑向油孔φ18mm φ440mm外圓及端面 7 檢查 第三章 排渣壓力氣缸密封潤滑方式設(shè)計 該回旋沖擊鉆具采取反循環(huán)氣升排渣，也就是利用空氣壓縮機(jī)將高壓氣體壓入井下空心主軸內(nèi)，通過氣升來實(shí)現(xiàn)排渣。因空心主軸作回旋運(yùn)動，為了避免通氣管不被空心主軸扭成一團(tuán)，故通氣管不能直接與空心主軸相連，所以設(shè)置如右圖3-1所示的排渣壓力氣缸，該壓力氣缸是1-上軸承座、2-下軸承座和6-空心主軸所圍成的空腔，通過1、4、7處的密封裝置來實(shí)現(xiàn)的。為了減少其它雜質(zhì)對1、4處密封裝置密封效果的影響，故在密封裝置1的上方和密封裝置4的下方分別設(shè)置一個毛氈密封，以加強(qiáng)對1、4處密封裝置的保護(hù)。1、4、7處密封裝置中的密封圈使用O形密封圈，這種密封圈的工作介質(zhì)為：液壓油、潤滑油、氣體。其能承受的最大工作壓強(qiáng)為，而該排渣 1、4、7—密封裝置；2—上軸承座；3—下 壓力氣缸內(nèi)壓強(qiáng)不到，并且這種 軸承座；5、8—毛氈密封圈；6—空心主軸 密封圈的溫度適用范圍在到 圖3-1 排渣壓力氣缸 之間，故能滿足要求。為了加強(qiáng) 1、4、7處密封裝置的密封性能，在以上三處加入潤滑油，選擇20號QB汽油機(jī)潤滑油，該潤滑油主要用于缸活塞的潤滑。本章以下內(nèi)容將分別對1、4、7處密封裝置進(jìn)行設(shè)計計算。 3.1 上軸承座處密封設(shè)計 3.1.1密封圈的選擇 已知旋轉(zhuǎn)軸軸徑=310mm,根據(jù)公式： （1.03～1.07） （3-1） 式中為旋轉(zhuǎn)軸軸徑，為O形密封圈實(shí)際內(nèi)徑。 由公式（3-1）可得： （1.03～1.07） 319.3mm 331.7mm 根據(jù)的取值范圍選擇O形密封圈公稱外徑mm，斷面直徑mm，材質(zhì)為耐油耐高溫橡膠Ⅱ-2。其標(biāo)記如下： O形密封圈：3358.6，橡膠Ⅱ-2，GB1235-76。 3.1.2溝槽尺寸設(shè)計 由于主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，根據(jù)以上選定 的O形密封圈，結(jié)合圖3-2所示結(jié)構(gòu)，可得以下溝槽尺寸：H=8.2mm,溝槽寬度=12.2，允許公差為+0.20, r=0.2 mm，R=0.5 mm. 根據(jù)公式： （3-2） 式中為O形密封圈溝槽外徑，為旋轉(zhuǎn) 軸軸徑，在1.2中已經(jīng)查出，=8.2 mm. 由公式（3-2）可得： =326.4 (mm) 3.1.3擋圈作用與選擇 圖3-2 上軸承座處溝槽 O形密封圈破壞的重要原因之一就是在工作壓力作用下被擠入間隙內(nèi)，從而使O形密封圈嚴(yán)重變形，以至受到破壞而影響密封效果。如下頁圖3-3所示： 圖3-3 密封圈被擠入間隙 那么在密封圈受氣體壓力的另一端加一擋圈，則可以阻止密封圈被擠入間隙，其結(jié)構(gòu)見下圖3-4所示： 圖3-4 擋圈的設(shè)計 根據(jù)3.1.1中選定的O形密封圈的公稱外徑D=335 mm、斷面直徑=8.6 mm，可選擋圈標(biāo)外徑mm，厚度mm，材質(zhì)為聚四氟乙烯A型。其標(biāo)記為： 擋圈A3352.5聚四氟乙烯 GB1235-76 3.2下軸承座處密封設(shè)計 3.2.1密封圈的選擇 已知旋轉(zhuǎn)軸軸徑=240 mm,根據(jù)公式（3-1）： （1.03～1.07） 式中為旋轉(zhuǎn)軸軸徑，為O形密封圈實(shí)際內(nèi)徑。 由公式（3-1）可得： （1.03～1.07） 247.2 mm 256.8 mm 根據(jù)的取值范圍選擇O形密封圈公稱外徑mm，斷面直徑mm，由于該處有摩擦，所以選擇材質(zhì)為耐油耐高溫橡膠Ⅱ-2。其標(biāo)記如下： O形密封圈：2605.7，橡膠Ⅱ-2，GB1235-76。 3.2.2溝槽尺寸設(shè)計 由于主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，根據(jù)以上選定的O 形密封圈，結(jié)合圖3-5，可得以下溝槽尺寸：H=5.4mm, 溝槽寬度=8.5，允許公差為+0.20，r=0.2mm，R=0.4mm。 根據(jù)公式（3-2）： 式中為O形密封圈溝槽外徑，為旋轉(zhuǎn) 軸軸徑，在上面已經(jīng)查出，=5.4mm. 由公式（3-2）可得： =270.8 (mm) 3.2.3擋圈的選擇 根據(jù)3.2.1中選定的O形密封圈的公稱外徑D=260mm、斷面直徑=5.4mm，選擇擋圈外徑mm，厚度mm，材質(zhì)為聚四氟乙烯 圖3-5 下軸承座處溝槽 A型。其標(biāo)記為： 擋圈A2602s 聚四氟乙烯 GB1235-76 3.3上軸承座與下軸承座連接處密封設(shè)計 3.3.1 連接處密封結(jié)構(gòu)設(shè)計 由于4-上軸承座與3-下軸承座之間不會發(fā)生相對運(yùn)動，那么在該處的密封就不需考慮摩擦的問題，屬于靜止密封，把6、7-O形密封圈緊壓入下軸承座的U形槽內(nèi)，為了更大限度的減少間隙，涂上潤滑油，然后用1-螺栓和8-螺母擰緊，中間加2-彈簧墊圈，以防止螺母松散。該種結(jié)構(gòu)不但簡單，而且密封性能穩(wěn)定可靠且能有效的對高壓氣體進(jìn)行密封，其結(jié)構(gòu)如下圖2-7所示： 1—螺栓；2—彈簧墊圈；3—下軸承座（排渣氣缸）；4—上軸承座； 5—空心主軸；6、7—O形密封圈；8—螺母； 圖3-6 連接處密封設(shè)計 3.3.2 密封圈的選擇 由于3-下軸承座（排渣氣缸）的內(nèi)壁與1-螺栓位置的限制，那么O形密封圈應(yīng)落在以5-空心主軸的中心為中心，內(nèi)、外直徑分別為410 mm、553 mm的圓環(huán)范圍內(nèi)。密封圈的選擇如下： 選擇的7-O形密封圈公稱外徑為mm，斷面直徑為mm，實(shí)際內(nèi)徑=484.3mm，又該處無摩擦，故其溫度不高，所以選擇材質(zhì)為耐油通用橡膠Ⅰ-2。其標(biāo)記如下： O形密封圈：5008.6，橡膠Ⅰ-2，GB1235-76。 選擇的6-O形密封圈公稱外徑mm，斷面直徑mm，實(shí)際內(nèi)徑=435.3mm，材質(zhì)為耐油通用橡膠Ⅰ-2。其標(biāo)記如下： O形密封圈：4508.6，橡膠Ⅰ-2，GB1235-76。 3.3.3 下軸承座（排渣氣缸）上U形槽尺寸設(shè)計 如右圖3-7所示，根據(jù)3.3（2）已經(jīng)選定的密封圈，其實(shí)際內(nèi)徑分別為484.3 mm、435.3 mm，斷面直徑為8.6 mm，由于O形密封圈具有伸縮性，設(shè)計時使稍微小于6—O形密封圈的實(shí)際公稱內(nèi)徑,取=435 mm；稍微小于7—O形密封圈的實(shí)際公稱內(nèi)徑,取=484 mm；使R大 于密封 圈斷面直徑，取R=9 mm。為減少密封圈的被壓縮 圖3-7 連接處密封設(shè)計 程度，取h=2 mm。 第四章 滾筒設(shè)計 在鉆具與井底相接觸的地方設(shè)置一滾筒組，用來支撐鉆具和減少摩擦，其滾筒布置如圖4-1所示： 圖4-1 滾筒布置圖 以下內(nèi)容是對滾筒進(jìn)行的設(shè)計計算。 4.1 芯軸的設(shè)計 4.1.1選擇軸的材料 由于該芯軸是與支架固定的，軸本身不轉(zhuǎn)動，所承受的轉(zhuǎn)矩幾乎為零，又該滾筒主要起支撐作用，那么此芯軸主要承受徑向沖擊載荷，故選材料45鋼調(diào)質(zhì)，其參數(shù)如下： 4.1.2初步確定軸的最小直徑 根據(jù)鉆具現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和零件的布置，如圖4-1所示，再結(jié)合該課題組中鉆具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計給出的尺寸限制，滾筒落在長寬高為210mm180mm180mm的矩形范圍內(nèi)?？紤]到軸承和滾筒壁的厚度，初步擬訂該芯軸的最小軸徑為=28mm。 4.1.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1）軸肩設(shè)置 因?yàn)檩S承與軸配合的地方精度要求高，為了減少軸的精加工長度，裝軸承處的軸徑應(yīng)大于最少軸徑28mm,以便設(shè)置軸肩，其值為1mm。所以軸承裝配處的軸徑為28mm+2mm=30mm。軸承的一端靠端蓋軸向固定，另一端則在軸上設(shè)置另一軸肩，軸肩的高度要通過所選軸承的裝配尺寸來確定，在下面的3）處進(jìn)行設(shè)計。 2）初步選擇軸承 雖然軸承只受徑向力作用，但是為了實(shí)現(xiàn)軸承的軸向定位，簡化結(jié)構(gòu)，故選用圓錐滾子軸承。參照工作要求并根據(jù)此處軸徑30mm，選擇軸承為： 代號30206，其尺寸為30mm62mm17.25mm 3）軸段的長度和軸徑的設(shè)置 取安裝軸承處的軸段Ⅱ--Ⅲ、ⅠV -- V的長度18mm，軸徑已知=30mm,兩軸承之間制一軸肩進(jìn)行定位，軸肩的高度根據(jù)軸承的裝配尺寸確定，取=3 mm，所以軸段=36mm。 4）軸與支架的定位 軸與支架的周向定位采用平鍵聯(lián)接。根據(jù)、選擇平鍵截面=8mm7mm,30mm，4.0mm, 3.3mm,鍵槽用鍵槽銑刀加工。 5）軸上零件的軸向定位 安裝在軸上的零件只有兩個相同型號的軸承，其在軸上對稱布置，在它們之間已有一軸肩，可以防止兩軸承向中間游動，為了不讓軸承向軸端游動，在軸的兩端分別裝一端蓋，端蓋與滾筒用螺栓擰緊，端蓋的內(nèi)圈伸進(jìn)滾筒孔抵住軸承的外圈，從而實(shí)現(xiàn)軸承在軸上軸向定位。 6）確定軸上圓角和倒角尺寸 零件倒角C和圓角半徑R的值查文獻(xiàn)[11]P357頁列表如下： 表4—1 直徑 >18～30 >30～50 >50～80 C或R 1.0 1.2 1.6 2.0 取軸端倒角為145o。其它倒圓R為1.5。 7）軸的結(jié)構(gòu)與裝配 軸的結(jié)構(gòu)與裝配如下頁圖4-2： 圖4-2 芯軸結(jié)構(gòu)與裝配 4.1.4按軸的剪切強(qiáng)度校核芯軸 由于此芯軸很短，且無轉(zhuǎn)矩，只是承受徑向載荷，同時也伴隨有徑向沖擊載荷，那么可近似按軸的剪切強(qiáng)度進(jìn)行校核，已知鉆具的自重和沖擊力總和為544KN,該力絕大部分用于沖擊鉆桿進(jìn)行破巖，一部分用于抵消外壁與井壁的摩擦力，最后剩余的力最多只有10%傳到滾筒上，而該滾筒組共3個，每個滾筒上有2對軸承，從極限考慮，假設(shè)該力只有 一個滾筒承受，那么可以求出剪切力F為27.2KN。受力情 圖4-3 況如圖4-3所示： 根據(jù)公式： （4-1） 從而可得： 前面已經(jīng)查得，所以，故該芯軸滿足剪切強(qiáng)度要求。 4.2 滾筒結(jié)構(gòu)與密封潤滑方式設(shè)計 4.1中已經(jīng)對滾筒的芯軸進(jìn)行了設(shè)計，同時也選好了軸承和鍵。根據(jù)滾筒的工作條件和功能的需要，需設(shè)置一鋼筒，并且在兩端加端蓋，采用毛氈密封圈進(jìn)行密封，密封是為了阻止沙石進(jìn)入滾筒內(nèi)，如圖4-4所示： 1— 鍵；2、6—?dú)秩τ头猓?—圓柱滾子軸承；4—芯軸；5—鋼筒；7—端蓋；8—螺栓 圖4-4 滾筒結(jié)構(gòu)圖 滾筒內(nèi)軸承采用脂潤滑，由于滾筒在有水的環(huán)境中工作，所以要用耐水的潤滑脂來實(shí)現(xiàn)軸承的潤滑，選用L-XAAMHA1鈣基潤滑脂。 滾筒的裝配圖以及零件圖見附圖ZJZC-07～10。 第五章 氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)零件的選材與載荷設(shè)計 5.1氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)零件的選材 機(jī)械都是由多種不同性能的材料加工成的零件組裝而成的，顯然，正確的選擇和合理的使用材料十分重要。下面就針對右圖5-1所示的氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)中的零件進(jìn)行材料性能要求分析，1-缸蓋、2-缸筒和5-排渣氣缸對材料有剛度、強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性要求；4-可動活塞和5-固定活塞對材料有強(qiáng)度要求；3-沖擊錘對材料有強(qiáng)度、沖擊韌度、耐摩性要求。根據(jù)以上零件對材料的使用性能要求，查文獻(xiàn)[16]表10-21和文獻(xiàn)[15] 表2 1—缸蓋；2—缸筒；3—沖擊錘；4—可動活 -3，選擇氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)零件的材料歸納如表 塞；5—排渣氣缸；6—固定活塞 5-1所示： 圖5-1 氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu) 表5-1 主軸軸承結(jié)構(gòu)及潤滑方式的設(shè)計方案 零件名稱 缸蓋 缸筒 可動活塞 排渣氣缸 固定活塞 沖擊錘 材料 HT250 HT250 45 HT250 45 20 5.2沖擊載荷的設(shè)計與主要零件的強(qiáng)度校核 5.2.1沖擊載荷的設(shè)計 鉆具在鉆進(jìn)的過程中，會遇到各種不同的地層，而不同地層的物質(zhì)構(gòu)成顯然是不一樣的，根據(jù)該回旋沖擊鉆具的設(shè)計要求：設(shè)計后該鉆具能適應(yīng)各種軟硬不同的地質(zhì)條件。也就是說能夠在比較堅固的砂質(zhì)頁巖和頁巖質(zhì)砂巖中進(jìn)行鉆進(jìn)。該地層巖石的單軸抗壓強(qiáng)度為3～50MPa。 該鉆具是由許多小鉆頭組成的鉆頭群進(jìn)行共同作業(yè)的，從總體設(shè)計中可得鉆頭群中小鉆頭的個數(shù)為15個，單個小鉆頭作用在巖石上的沖擊面積約為825，由于各個小鉆頭是在星行運(yùn)動的帶動下做回旋或公轉(zhuǎn)運(yùn)動，且并不是每個鉆頭都同時作用在巖石上，那么設(shè)一鉆頭群同時作用系數(shù)，取=0.8，而所有小鉆頭需要的破巖總力正是由氣動驅(qū)動來滿足的，所以設(shè)計該氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)所提供的總沖擊力載荷由以下公式來計算： （5-1） 式中，—總沖擊載荷，—小鉆頭作用面積，—巖石的抗壓強(qiáng)度，為了保證鉆頭能夠破碎最堅硬的巖石取=50 MPa，—小鉆頭的個數(shù)。 根據(jù)公式（5-1）設(shè)計計算該氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)總沖擊載荷如下： =15×50×825×0.8 =495KN 5.2.2氣缸筒的壁厚校核 已知，由氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計的缸工作壓力P=1.5，缸氣缸筒直徑為900mm,氣缸壁厚為25mm。那么，可知該氣缸筒為薄壁，查文獻(xiàn)[23]第511頁公式（37-1），可得公式： m （5-2） 式中——?dú)飧淄驳谋诤? m； P——?dú)飧坠ぷ鲏毫?； D——?dú)飧淄驳膬?nèi)徑 m； ——材料的許用應(yīng)力 ； = （5-3） ——材料的抗拉強(qiáng)度 ； S——安全系數(shù)，一般取6～8。 根據(jù)5.1中所選定的氣缸筒的材料， 45號鋼的抗拉強(qiáng)度=600，取安全系數(shù)S為8，利用公式（5-2）校核氣缸筒的壁厚，計算如下： ==9(mm)<25(mm) 所以滿足厚度要求。 5.2.3缸蓋固定螺釘?shù)男：? 已知，由5.2.1設(shè)計的氣缸負(fù)載為495KN，由氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計的固定螺釘個數(shù)為18個，查文獻(xiàn)[2]第125頁公式（3-33）： （5-4） 式中 —?dú)飧棕?fù)載； —螺紋擰緊系數(shù)，=1.12～1.5； —固定螺栓個數(shù)； —螺栓材料許用應(yīng)力。，為材料的屈服點(diǎn)。 根據(jù)氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計所選定的M16螺釘， 35號鋼的抗拉強(qiáng)度=530，取螺紋擰緊系數(shù)為1.2，利用公式（5-4）校核缸蓋固定螺栓，計算如下： ==14.4(mm)<16(mm) 故可以滿足要求。 第六章 成本、效益的比較計算 6.1鉆具成孔速度的估算 6.1.1排渣能力的計算 該鉆具采用氣舉反循環(huán)出渣，泥漿循環(huán)量和排渣速度的計算公式如下： (m/h) (6-1) (6-2) 式中，為考慮反流中泥漿的上升速度應(yīng)大于巖屑自重下沉速度而定的系數(shù)，>1.2，取=1.3；為重力加速度(m/s)；為擬訂鉆屑的直徑（m）；是巖屑相對密度，計算中可取=2.6；為泥漿的相對密度，計算時可取=1.1；為回流腔的截面積（m）。 該回旋沖擊鉆的鉆屑直徑=1500mm,取=1.3，重力加速度=9.8 m/s，根據(jù)公式（6-2）計算出排渣速度： =1.76×1.3 =10.24（m/s） 已知回流腔的截面積（主軸空心部分的截面積），其中=0.09m，再根據(jù)公式（6-1）可計算出泥漿循環(huán)量： =3600×10.24×3.14×0.09 =937.6(m/h) 實(shí)際施工時，泥漿儲備量可按孔深所需泥漿的1.8倍考慮。那么在排出的泥漿中，水占的比例約為45%，那么泥、沙石等固體物質(zhì)循環(huán)量為： =55%=515.68(m/h) 在沒有往地下進(jìn)行打樁之前，其地層是由沙石等固體物質(zhì)構(gòu)成，也就是說地層為一個沒有空洞的實(shí)體，其體積是由固體物質(zhì)所填充的，然后利用回旋鉆具進(jìn)行打樁作業(yè)，把沙石等固體物質(zhì)和其它地方滲過來的地下水排到地表，那么在該打樁處的地下就必然形成一個空井，該井的體積就和排出的沙石等固體物質(zhì)的總體積相等，從而可以得出計算回旋沖擊鉆具的排固體物質(zhì)的速度公式，公式如下： （6-3） 式中，為鉆具排固體物質(zhì)的速度(m/h)，為樁的體積(m)，為樁的深度m,為樁的截面積m。 根據(jù)以上公式（6-3），可得出鉆具排固體物質(zhì)的速度如下： ==292(m/h) 6.1.2估算鉆具鉆進(jìn)速度 根據(jù)總體方案設(shè)計課題和氣動驅(qū)動課題得出的鉆具作業(yè)參數(shù)，主軸旋轉(zhuǎn)速度為32轉(zhuǎn)/min,重錘沖擊頻率為45次/min,鉆桿每次鉆進(jìn)為100mm,每個鉆頭劃過的軌跡所織成的網(wǎng)格中，最大的網(wǎng)格面積小于空心主鉆頭上的排渣孔截面積，那么這樣經(jīng)過沖擊和旋削后的固體物質(zhì)就可以當(dāng)渣排出去，初步估算太陽輪每旋轉(zhuǎn)2圈就可以達(dá)到這樣的網(wǎng)格密度，也就是每分鐘修平16個100mm深的孔，結(jié)合沖擊鉆進(jìn)速度和旋削修平的速度，從而可以計算出鉆具的進(jìn)給速度(m/h)，計算如下： =32÷20.160=96(m/h) 從以上得出的鉆具排渣能力和進(jìn)給速度來分析，鉆具進(jìn)給速度小于鉆具排固體物質(zhì)的速度，也就是說鉆具每完成一次沖擊和旋削所搗碎的沙石和泥都通過排渣系統(tǒng)有效的排到了工地上，不會滯留在井底阻礙鉆具作業(yè)，改善了鉆具的作業(yè)條件，從而可得出該鉆具的成孔速度為96m/h。 6.2 成本效益的比較 打相同直徑的樁，用回旋鉆施工，每小時只能成孔約1米，例如湖南文理學(xué)院校辦工廠旁邊的一根直徑1.5米的樁，采用回旋鉆施工，一下午4小時才進(jìn)4米深，打樁速度很慢，而且排炸要靠人力用鏟把鉆頭上的泥沙弄下來，嚴(yán)重的影響了成孔速度，且回旋鉆對巖石基本是沒有鉆進(jìn)速度的，也就是回旋鉆受地理?xiàng)l件限制很嚴(yán)重，只不過制造成本低，自身重量輕。 用沖擊鉆施工，在泥沙層每小時大約只可以成孔2米，沖擊使泥沙進(jìn)入鉆筒內(nèi)，再把鉆頭提到井上靠人力把其卸下來，無形的增加了工期和降低了打樁速度，如果遇到巖石層那就更慢了，湖南省道1804線周家店至常德公路改建工程，采用重型沖擊鉆機(jī)設(shè)備，韶關(guān)產(chǎn)沖擊錘重達(dá)13噸，配套設(shè)備均是個別設(shè)計生產(chǎn)，使用直徑4.5公分鋼絲繩。由于錘重繩粗，常規(guī)的設(shè)備匹配和連接方式，在這“重型”面前顯得非常脆弱，出現(xiàn)了每兩個工作班必須更換連接，每次需三小時，每15個工作班，損壞一次導(dǎo)輪或軸，每次更換需時間1—2天的情況，另外3—1# 樁基出現(xiàn)了嚴(yán)重的孔壁失圓現(xiàn)象，明顯地影響了工程質(zhì)量、進(jìn)度和效率。沖擊鉆具自身笨重，要求配套電機(jī)功率大，制造成本高，排渣困難。 采用回旋沖擊鉆進(jìn)行施工，每小時成孔96米，且配套電機(jī)功率比以上兩種樁小得多，采用氣舉反循環(huán)排炸，派渣過程不需要額外的人工卸渣，也不需要把鉆頭提到工地地面上來，有效的提高了鉆具的工作效率，整個鉆具沒有沖擊鉆重，運(yùn)輸和安裝方便，只不過該鉆具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本相應(yīng)高點(diǎn)，但對地理?xiàng)l件適應(yīng)較前兩種更廣泛，具有更大的市場。 總 結(jié) 本次設(shè)計的目的是為了系統(tǒng)地把大學(xué)中所學(xué)的專業(yè)知識連貫起來應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中，以解決生產(chǎn)實(shí)際問題，鍛煉我們分析問題和解決問題的能力。 本次設(shè)計圓滿完成了回旋沖擊鉆具軸承結(jié)構(gòu)及潤滑方式的設(shè)計。其主要內(nèi)容包括軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計、密封潤滑方式的設(shè)計、主要零件部件的設(shè)計、氣動驅(qū)動載荷的設(shè)計和成本效益的比較計算。但由于時間倉促和設(shè)計水平有限，許多地方做的還不夠完善，沒有將設(shè)計工作做的更細(xì)。設(shè)計中主要做了以下工作： 首先是軸承結(jié)構(gòu)及密封潤滑方式設(shè)計，軸承結(jié)構(gòu)及密封潤滑方式對軸系受力、運(yùn)轉(zhuǎn)精度、提高軸承壽命及可靠性，保證軸系性能等都將起著重要的作用。在該部分中，針對回旋沖擊鉆具的具體工作要求進(jìn)行了軸承結(jié)構(gòu)和密封潤滑的主要功用分析，然后根據(jù)功用要求設(shè)計了三種方案進(jìn)行比較選擇。接下來對傳動部分軸承結(jié)構(gòu)及潤滑方式進(jìn)行了設(shè)計，采用過量排渣和泥漿灌注法實(shí)現(xiàn)了氣封和潤滑，有效的減少了傳動部分的摩擦，提高了傳動效率。最后繪制了軸承結(jié)構(gòu)的裝配圖和主要零件圖。 其次是排渣壓力氣缸密封潤滑方式設(shè)計，該氣缸是用于實(shí)現(xiàn)排渣而設(shè)計的，其直接影響鉆具的排渣效率，根據(jù)該氣缸壓力的要求進(jìn)行了上軸承座處密封設(shè)計、下軸承座處密封設(shè)計、上軸承座與下軸承座連接處密封設(shè)計，并且根據(jù)密封圈的規(guī)格設(shè)計計算出了溝槽的尺寸。滿足了鉆具的排渣壓力要求，提高了工作效率，降低了鉆孔成本。 再次是氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)零件的選材、載荷設(shè)計計算和校核，根據(jù)設(shè)計的氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)各零件對材料的使用性能要求進(jìn)行了合理的選材。根據(jù)破巖所需沖擊載荷，對氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)進(jìn)行了載荷的設(shè)計計算和零件的校核。 最后是成本、效益的比較計算，在比較之前進(jìn)行了鉆具成孔速度的計算，然后與同類其他產(chǎn)品進(jìn)行比較，突出了本設(shè)計產(chǎn)品的優(yōu)越性和市場競爭力。不足之處是許多細(xì)節(jié)方面的成本沒有計算出來。 本次設(shè)計讓我對理論與實(shí)踐的關(guān)系有了更深刻的認(rèn)識：只有將正確的將理論應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，才能真正發(fā)揮理論的價值，才能更深刻地了解和掌握理論的真正內(nèi)涵；要做到理論與實(shí)踐相結(jié)合必須要有一定的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在這方面，我很欠缺，還有待于在日后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和工作中來彌補(bǔ)和提高，此外，設(shè)計工作是一項(xiàng)邏輯性很強(qiáng)的工作，必須具有嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng)和頑強(qiáng)的決心和毅力，做到謙虛謹(jǐn)慎。 參考文獻(xiàn) [1]趙志修﹒機(jī)械制造工藝學(xué)[M]﹒北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000 [2]章宏甲，黃誼，王積偉著﹒液壓與氣壓傳動[M]﹒北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.5 [3]李洪﹒機(jī)械加工工藝手冊[M]﹒北京：北京出版社，1994 [4]東北重型機(jī)械學(xué)院等﹒機(jī)床夾具設(shè)計手冊﹒第二版[M]﹒上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1998 [5]艾新，肖詩綱﹒切削用量手冊[M]﹒機(jī)械工業(yè)出版社，1985 [6]王伯惠，上官興著﹒中國鉆孔灌注樁新發(fā)展[M]﹒北京：人民交通出版社，1999 [7]劉古岷，王渝，胡國慶等編著﹒樁工機(jī)械[M]﹒北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.4 [8]Rong Yiming, Li Jie,et al.Fixturing Surface Accessibility Analysis for Automated Fixture Aesign[J].Journal Harbin Uvin.&Tesh.,2000.5(4):1-14. [9]《GROUND ENGINEERING》2006 [10]成大仙﹒機(jī)械設(shè)計手冊﹒第四版[M]﹒北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002 [11]濮良貴，紀(jì)名剛 . 機(jī)械設(shè)計﹒第七版[M]﹒北京：高等教育出版社，2001 [12]劉鴻文﹒材料力學(xué)[M]﹒北京：高等教育出版社，2004.1 [13]梁慧超﹒45鋼熱處理工藝和化學(xué)成分與性能的關(guān)系﹒機(jī)械工程師，2005.6 [14]韓文，孔達(dá)等﹒滾子加工工藝分析及改進(jìn)﹒軸承，2006.1 [15]吳宗澤，羅圣國主編﹒機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊[M]﹒北京：高等教育出版社，1999.3 [16]徐自立，周述積﹒工程材料[M]﹒武漢：華中科技大學(xué)出版社，2003.2 [17]張崇才，王龍等﹒時效工藝對新型鋁基滑動軸