100米钻机变速箱设计(含全套图纸)

100米钻机变速箱设计(含全套图纸) 100米钻机变速箱设计(含全套图纸) 全套CAD图纸或资料,联系 695132052 绪论 国内外的科技现状国内:“六五”?“九五”期间,我国地质调查工作中探矿工艺与设备获得长足发展,在引进、消化、吸收的基础上,研究开发了一大批新技术、新装备,如:以绳索取心为主体的金刚石钻探技术;液动冲击回转钻探技术;受控定向钻探技术(含对接井施工技术);多工艺空气钻探技术(中心反循环连续取样及空气潜孔锤钻探技术);水力反循环连续取心钻探技术;人造金刚石超硬复合材料及其钻头;低固相泥浆等钻井液应用及护壁堵漏技术;XY系列、CD系列、全液压等新型岩心钻机及配套装备;水文水井钻探设备;短浅坑道机械化作业线等等。在这一领域,我省煤田地质局在煤田地质钻探方面,成功地采用了受控定向钻探技术,并完善了SMQ-1型取芯器,发展成3SMQ-2型取芯器;此外,还研制改进了煤层气储存监测罐。地矿、煤田系统多工艺空气钻探技术的采用更加完善和成熟。 国外:传统的地质勘查工程技术与装备已十分成熟。立轴式液压钻机仍然是主要机型,全液压动力头钻机获得广泛应用,美国金刚石岩心钻机制造商协会制定的DCDMA仍然占据钻探管材和钻具市场的主流,国际标准化组织(ISO)的TC82(矿业技术委员会)/SC6(金刚石钻探设备分技术委员会)也制定了一些标准,可能成为今后的发展方向。 通过调研了解到,对钻孔深度100米左右的钻机需求量比较大,而目前的 100米钻机,存在着劳动强度大、适应性差等缺点。鉴于以上原因,我们决定开发100米钻机。经几次方案讨论决定,钻机应具有以下特点: 经济耐用可靠、质优价廉; 便于解体搬运; 体积小,重量轻; 操作简单,维修方便; 适用于Φ42、Φ50mm两种钻杆; 适用于合金钻头或金刚石钻头钻进; 钻进速度快,效率高; 动力为电机或柴油机。 第1章 总体设计 经过调研和几次方案论证,考虑到现场特点,从实用角度出发,确定方案如下: 考虑到井下、井上和野外作业,动力可选电机或柴油机。 考虑到有软岩石、硬岩石的钻进,除了正常的钻进速度外,增加高速340r/min。 钻机除配机动绞车外,增加了液压卡盘减轻劳动强度,节约时间,提高有效钻进速度。 4. 考虑到高转速时,绞车速度不能太快,所以增加了互锁装置,安全可靠。 5. 由于本机动力较大,动力由V型带传动到变速箱的传动轴上易使传动轴弯曲,所以增加了卸荷装置。 6. 采用二级回归式变速箱,减少变速箱体积,根据不同的地质条件,选用不同的钻进速度。 设置压带轮,皮带调整安全可靠。 在满足上述要求的同时,尽量结构简单,操作方便,适于整体或解体搬运。尽量做到标准化, 通用化,系列化。 第2章 钻机技术特性 1. 钻进深度 100m 钻孔直径 1〕开孔直径 89m 2〕终孔直径 60mm 3. 钻孔倾斜角度 0~360? 4. 立轴转速110、190、340r/min 5. 立轴行程 400mm 6.最大液压给进压力4MPa 7.卡盘最大工作压力(弹簧常闭式液压卡盘) 6MPa 8.立轴内孔直径 52mm 9.油缸最大起拔力28.5KN 10.油缸最大给进力 20KN 11. 绞车提升速度 0.25、0.57、0.65m/s 12. 绞车转速28、50、78r/min 13.绞车提升负荷 ?.0.75m/s3.35KN ?. 0.44m/s6.00KN ?. 0.22m/s 12KN 14. 卷筒 ? 直径 140mm ? 宽度 100m ? 钢丝绳直径 8.8mm ? 容绳长度 32.8m 15.配备动力电动机 ? 型号 YB160M-4 ? 电压380/660V ? 功率 5.5KW ? 转速 1440r/min 柴油机 ? 型号S1100 ? 功率 5.5KW ? 转速 1500r/min 16.外型尺寸(L×h×b) 1370×685×1200mm 17.重量(不含柴油机)750Kg第3章 动力机的确定 本机组的驱动装置采用交流感应电动机,因为这种动力机重量轻、结构简单、使用维护方便易实现防爆。 为了便于搬运和机场的布置,钻机和水泵各用一台电机单独驱动,而回转器与油泵共用一台电机联合驱动。 输出功率为N。 N。=1.2Nj 式中:Nj?钻机所需功率 KW Nj=(Nh+Ny)/, 式中: Nh?回转钻进所需功率 KW ,?效率 ,0.85 Ny?油泵所需功率 KWNhN1+N2+N3 式中: N1?井底破碎岩石、土层所需功率 KW N2?钻头与孔底摩擦所需功率 KW N3?回转钻杆所需功率 KW 3.1 回转钻进及破碎岩石、土层所需功率 KW NhN1+N2+N3 1. N1 3-1 式中: m?钻头切削刃数 取m6 n?立轴转速 r/min h?钻进速度 h1.5cm/min δ?岩石抗压强度,其值见表3-1 井底环状面积,取钻头直径D7.3cm,内孔直径 d5.8cm, AπD2?d2/4π7.32?5.82/415.43cm22N2δ×f×e×nR+r/1944800 3-2 式中: δ?孔底压力或岩石抗压强度 f?钻具与岩石直接的摩擦系数 f0.3 e?侧摩擦系数 e1.1 n?立轴转速 R?钻头外圆半径 R3.65cmr?钻头内孔半径 r2.91cm将立轴不同转速和不同空底压力代入式3-2中,所得相应数值见表3-2。3. N37.8×10-11×L×d×n1。7 当n200r/min时 3-3-1 N30.92×10-11×d2×r×L×n1。33 当n200r/min时 3-3-2 式中:L?孔深 , 硬质合金钻进时,取L=150000mm金刚石钻进时,取L=75000mmd?钻杆直径 ,取d42mm计算n?立轴转速, r?冲洗液比重。 r1.15 将上述参数及立轴不同转速代入上式,所得值列表3-2中。 3.2 给进油缸所需功率的计算 3.2.1. 给进油缸的基本参数 1)给进油缸的数量n=2 2)油缸直径D=55mm 3)活塞杆直径 d=30mm 4)活塞杆有效行程L=400mm 5)油缸面积A1=23.76cm2 6)活塞杆面积 A2=7cm2 7)有效面积A=A1-A2=16.76cm2 3.2.2.油缸工作压力的计算 钻机大水平孔时,油缸的最大推力为: W=C+Fm 式中:W?油缸最大推力 C?孔底最大压力 C=10000N Fm?钻杆与孔壁间的摩擦力 Fm=q×L×f 式中:q?钻杆单位长度重量q=45.6N/m L?钻杆长度 L=1050m f?摩擦系数 f=0.35 Fm=45.6×1050×0.351675.8N W10000+1675.811675.8N 油泵的工作压力P PW/A11675.8/16.76696.6N/cm2 3.2.3.油泵最大工作流量计算 油缸回程时的最大容油量: V1A1×L23.76×40950.4mL0.9504L 油缸送进时的最大容油量: V2A×L16.76×400.6704L 当选用立轴的钻进速度V0.06m/min0.6dm/min时,立轴送进时每分钟所 需的油量为: Q2AV2×0.1676×0.60.2 令活塞回程时间为0.3min,则回程所需油量为: Q10,9504×2/0.36.336 3.2.4.给进油缸功率Ny NyPQ/60×102696.6×0.2/60×1020.023 3.2.5.根据上面的计算, 选用YBC?10/80型齿轮油泵排油量10L/min,压力800N/cm2 。油泵满负荷时所需功率是: NyPQ/60×102×,1×,2 式中:P?额定压力 P800N/cm2Q?额定流量 Q10L/min,1?机械效率 ,10.9,2?容积效率 ,20.71 Ny800×10/60×102×0.9×0.712.04KW 3.3动力机功率的确定通过上述的计算说明,立轴钻进时给进所需功率很小,而且油泵满负荷工作时一般是立轴停止转动状态,液压卡盘松开时,必须停止钻进。所以参考表3?2本机选用5.5KW电机或柴油机,基本能满足表3?2中粗线以上各种工作状态。 表3?1 岩 石 名 称 抗 压 强 度 δ(N/cm2 ) 粘土、页岩、片状砂岩 4000 石灰岩、砂岩 8000 大理石、石灰岩 10000 坚硬的石灰岩、页岩 12000 黄铁况、磁铁矿 14000 煤 2000 N kwr/min N/cm2 110 190 340 N1 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 12000 0.4157 0.4765 0.5512 N2 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 12000 1.46932.5379 4.5346 N3r/min N/cm2 1.0160 2.5728 2.2804 Nh 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 12000 2.9010 5.5879 7.3662 Nyr/min N/cm2 0.023 0.023 0.023 NjNh/,3.4129 3.6179 3.6814 N01.2Nj4.0920 4.3415 4.4177 第4章 机械传动系统设计4.1 主要参数的选择4.1.1 回转器 立轴的转速,主要取决于地质条件、钻头直径及钻进方式,当使用直径为75mm钻头时,采用硬质合金和钻粒,根据国内外的经验,立轴转速取n=90~400r/min比较适宜;采用金刚石钻头钻进时,立轴转速取n=400~1000r/min 比较适宜。本机选用110~340r/min,即适合合金钻头钻进,由适合金刚石钻头钻进。 4.1.2 升降机 为了减轻钻机重量,不使动力机过大,绞车的缠绳速度不宜过高,基本上采用低速,本机升降机速度为0.22~0.66m/s。 4.1.3 变速箱 参考国内外现有小型钻机的转速系列,本机采用了不规则排列的中间转速系列。 立轴有三种转速,110、190、340r/min转速适合合金钻 头钻进。 卷筒缠绳速度为三种,见表4?1 表4-1 ?档 ?档 ?档 立轴转速r/min 110 190 340 缠绳速度m/s 0.22 0.37 0.66 4.2 机械传动系统 机械系统传动路线见图4-1 传动计算如下: 1.立轴的转速: n?n×D1/D2×Z1/Z2×Z3/Z4×Z10/Z11 式中: n??立轴的第一档转速 r/minn?电机转速 n1440r/minD1?主动皮带轮直径 D1125mmD2?大皮带轮直径 D2285mmZ1?Z11传动链中各齿轮的齿数,Z131,Z254,Z331,Z454 Z1021,Z1139n?1440×125/285×31/54×31/54×21/39112.1?110r/minn?n×D1/D2×Z1/Z2×Z5/Z6×Z10/Z11 式中:Z542,Z643 n?1440×125/285×31/54×42/43×21/39190.69?190r/min n?n×D1/D2×Z1/Z4内×Z10/ Z11 式中: Z4内31 n?1460×160/365×31/31×21/39340.08?340r/min 考虑到皮带传动、齿轮传动、轴承等的效率,所以各档转速确定为110、190、340r/min。 2. 绞车的缠绳速度 V1πDn×D1/D2×Z1/Z2×Z3/Z4×Z9/Z12/Z13/Z14/60000 m/s 式中:DD0+d140+8.8148.8mm 式中:D0140mm为卷筒直径,d8.8mm为钢丝绳直径。 V1π×148.81460×160/365×25/31×18/38×33/83×18/18×18/54/600000.22m/sV20.44m/s V30.75m/s 计算从略 考虑到皮带、轴承、齿轮等的效率,确定绞车提升速度分别为: U1=0.22m/s U20.44m/s U30.75m/s。 第5章 回转器 5.1 结构特点 回转器的结构如图5-1所示,是由本体、立轴、 立轴导管、弧齿锥齿轮等组成。立轴上端装有常闭式液压卡盘。其特点是: 1、回转器尺寸小、紧凑。 2、回转器适用于各种角度的孔的钻进。 3、离开孔口采用开箱式,简单可靠,减轻钻机重量。 4、立轴行程比过去小型钻机大,为500mm,缩短钻进辅助时间。 5.2 零部件的强度与寿命计算 弧齿锥齿轮副的强度校核: Z10与Z11的主要参数见表5-1。齿面硬度Z10为HRC52、Z11为HRC57, 锥距R=77.515m,节锥角δ1028018’ 22”,δ1161041’28” 表5-1 齿 号 齿 数 模数 变位 系数 齿宽 材料 齿顶系数 压力角 螺旋角 旋向 精度 Z10 21 3.5 0 22 20CrMnTi 0.85 200 350 右 8DC Z11 39 3.5 0 22 20CrMnTi 0.85 200 350 左 8DC 齿轮在各种转速下传递的功率、转速及转矩见表5-2 表5-2 功率 KW 转速 r/min 转矩 n?m 5.17 632 80 5.07 208 233 5.07 354 137 5.2.1 齿面按接触疲劳强度计算 (1)接触应力бH=Z?E? 1.5ftKAKVKHβZR? 3 Ft1 N/mm2 b?d1?I Ft ZE?弹性系数ZE=189.8 N/mm2 Ft1Ft?小轮运转中最小切向力 Ft2758N KA?使用系数KA1.25 Kv?动载系数 KV1KV21 KHβ?齿间载荷分布系数 KHβ1.2 Zx?尺寸系数 Zx1.0 ZR?表面状况系数ZR1 b?有效齿宽 b22mm d1?小轮大端分圆直径d194.5mm I?几何系数 I0.1 将以上各值代入上式,得бH1197N/mm2 2接触疲劳极限应力 б’HIinбHIin?ZN?ZW/ZQ N/mm2 бHIin?接触疲劳极限应力 бHIin=1352 Zw?gz工作硬化系数 Zw=1 ZN?寿命系数 ZN=1 ZQ?温度系数ZQ1 б’HIin1352×1×11352 3安全系数: SHб’HIin/бH1352/11971.12SHIin1 所以安全。 5.2.2 弯曲疲劳强度极限应力 计算齿根弯曲应力 бF=Ft?KA?KU?KFβ?YX/b?ms?JN/mm2Ft?作用于大端分度圆上的切向力Ft2758NKA?使用系数 KA 1.25Kv?动载系数Kv1KFβ?载荷分布系数 KFβ=1.15Yx?尺寸系数 Yx=1ms?大端端面模数ms4.5J?几何系数 J=0.18 бF=141N/mm2 齿根弯曲疲劳极限应力 б’FIim=бFIim? YN/YQ N/mm2 YQ?温度系数YQ=1 YN?寿命系数YN=1 бFIim?齿根弯曲疲劳极限应力 б’FIim=206.82N/mm2 安全系数 SF=б’FIim/бF=206.82/1411.46SFmin1 所以安全。 第6章 变速箱的设计与计算 6.1 变速箱的结构特点 变速箱的结构如图6-1所示,它是由变速部分、分动部分及操纵部分和壳体等组成。也是变速部分和分动部分合为一体的传动箱。其特点是: 1、采用了回归式的传动形式,箱体呈扁平状,有利于降低钻机的高度,齿轮Z4即是移动齿轮由是结合子,因此结构紧凑。 2、变速、分动相结合,减少了零件数目,有效利用变速箱内的空间。 3、操纵结构采用了齿轮齿条拨叉机构,操纵灵活可靠,每个移动齿轮单独控制,并有互锁装置,这种互锁装置安全可靠,结构简单。 4、增加了卸荷装置,减少了轴齿轮的受力状况。 6.2 零件的强度计算 1、在校核零件的强度时,假设电机的功率全部输入变速箱,然后再输入绞车和回转器。 2、变速箱在不更换齿轮的情况下,可连续工作10000小时,纯机动时间每班16小时,可连续工作20个月。 每个速度的工作时间分配情况如下: 第一速(110r/min)为40%即4000小时; 第二速(190r/min)为40%即4000小时; 第三速(340r/min)为20%即2000小时; 3、本机零部件的强度和寿命 计算方法和数据是按《机械设计手册》(冶金工业出版社)计算的。 6.3齿轮强度计算 1、变速箱内各齿轮主要参数及材料见表6-1 表6-1 齿数 模数 齿宽 变位系数Xn 材料 硬度RC 应力角 备注 Z1 31 2 35 1.0 40Cr 40-45 200 Z2 54 2 22 0.1 40Cr 40-45 200 Z3 31 2 26 1.040Cr 40-45 200 Z4 54 226 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 3 260 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 200Z14 18 3 20 0.1 20CrMnTi 57-62 200Z15 54 3 28 0.35 40Cr200 2、Z3、Z4齿轮副的强度校核 齿根弯曲疲劳强度验算 计算齿轮的弯曲疲劳极限应力 式中??被校核齿轮的弯曲疲劳极限应力 ??实验齿轮的弯曲疲劳极限应力,由图F8??13查得: (Mpa) ??弯曲寿命系数,因两齿轮的应力循环次数为: *0.4*60*3650.87*次 *0.4*60*2100.5*次 由图F8??14知1 ??尺寸系数1(图F8??15) ??有效应力集中系数,有图F8??16查知1.03,0.97 所以 **/400*1*1/1.03370(Mpa) **/400*1*1/0.97412(Mpa) 比较弯曲强度 图F8??6查得齿形系数1.94,2.26 则有 /370/1.94191/412/2.26182 因此齿轮弯曲强度弱。 计算弯曲工作应力 /bm(Mpa) 式中??计算圆周力,而 其中??工作圆周力2000/2000*132.5/624273(N) ??工作状况系数,由表F8??7查知1.25 ??动载系数,因为 V/1001.18*31/1000.37,由F8??4知1 ??载荷分配系数,1/,当1.6时,0.7,所以1/0.71.43 ??载荷分布系数,因b/26/620.45,故由表F8??5查知1.05 则 4273*1*1*1.43*1.056417.5(N) ??载荷作用位置数 0.7 ??螺旋角系数 1 b ??齿宽 b26毫米 m??模数 m2毫米 /bm6417.5/26*22.26*0.7*1195(Mpa)d 计算齿轮的弯曲疲劳安全系数 /412/1952.11可靠 2)齿面接触疲劳强度验算 (A)计算齿轮的接触疲劳极限应力 ** 式中 ??实验齿轮的接触疲劳极限应力,由F8??17查知 1100(Mpa) ??寿命系数,由图F8??18查知1.19, 1.22 ??硬化系数, 取1 所以1100*1.19*1.031348(Mpa) 1100*1.22*1.031424 (Mpa) (B)计算接触工作应力 (Mpa) 式中 ??材料系数,由F8??9查知189.8 ??节点系数,2.27 由图F8??10 ??重合度系数 0.9由图F8??9 U??齿数比U54/311.74 则 189.8*2.27*0.9889(Mpa) 算安全系数 /1384/8891.516 安全可靠 3)短期过载强度校验计算 取最大短期尖峰载荷是额定工作载荷的1.5倍 短期过载弯曲极限应力,根据表F8??12知 18*18*45810(Mpa) 最大的弯曲工作应力为 *1.5/195*1.5/1.25234(Mpa) 短期过载弯曲强度安全系数 /810/2343.5(安全) 短期过载接触极限应力,根据表F8??12知 41,3*451859 (Mpa) 而最大接触应力为 889*974(Mpa) 短期过载接触强度的安全系数为 1.9(安全) 3、其他齿轮对的强度校核 按上面的方法和步骤,对变速箱中的其他齿轮对可进行类似的计算,略。 6.4 轴系零件与部件的强度与寿命的校核计算 在变速箱中共有三根轴,其中?轴负荷最大,而且相对尺寸直径小、长度 长。下面仅以该轴的强度寿命进行验算。 ?轴共有七种工作状态,向回转器传递四种状态的动力,驱动绞车三种状 态。相比而言回转器的130r/min的转速时该轴扭矩最大,受力最大。 1、?轴的驱动校核 已知下列条件:材料40Cr,调质T=220-250,各齿轮分度圆直径 为:d4=108、d6=84、d8=105. 该轴的四个转速及传递的扭矩见表6-2 表6-2 转速(r/min) 扭矩(N?m) 备注 ?档 210 221.7 ?档 356 118.4 III档 636 79.28 在各种转速下齿轮受力支反力计算结果列表6-3中 轴的疲劳强度校核: 从表6-2中得知,校核轴的强度时,应取低转速的受力状态。表6-3RCY RBY Ft6 Ft4 RAY CBFt6 FR4 A RCX RBX RAX 125 94.5 115 60.5 270395续表 6-3 ?档 ?档 ?档 ?档 Ft4 5362 Fr4 1952 Ft6 4 2594 Fr6944 Ft1 3113 2450 Fr1 1133 892 Ft82450 Fr8292 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 轴的扭矩图如图6-3所示,现计算?-?,?-?截面的安全系数。 截面?-?的弯矩: 水平弯矩:Mxz?Fr4×100×10-3+RBX×170×10-3=199N?m 垂直弯矩?-?:MYZ?Ft4×100×10-3+RBY×9×10-3=542N?m 合成弯矩:M?= Mxz?2 + MYZ?2 =575N?m 截面?-?的弯矩: 水平弯矩:Mxz?=RAX×605×10-3+194×60.5× 10-311N?m 垂直弯矩:MYZ?=RAY×60.5×10-3223.6N?m 合成弯矩:M?= Mxz? +MYZ? 223N?m 12 量截面扭矩T=356.6N?m 下面是按当量弯矩计算?-?、?-?两截面的安全系数。 水平受力图: CB ??Frx A180 47 ? ? 水平弯矩图:11 199 Fty 垂直受力图: C B? ? 垂直弯矩图: 80 145 223542 合成弯矩图: 60 231 223575 扭矩图:356图6-3 表6-4 名 称?-?截面 ?-?截面 说 明 扭 矩 T(N?m) 356 356 弯 矩 M(N?m) 575 223 当量力矩 Ml 652 380 轴 经 d(mm) 36、42 36、42 工作应力 бmMpa 131 76.92 w4.94×10-6 疲劳极限 б-1Mpa 350 350 尺寸系数 ε 0.77 0.77 表面质量 β 0.85 0.85 有效应力 集中系数 Kβ 1.57 1.57 安全系数 S 2.29 3.91 许用安全系数2.29 2.29 安 全 通过上述验算?轴通过,其它轴系从略。 第7章 绞车 7.1 结构特点 本钻机考虑到井上、井下钻探作业,故设置了绞 车,如图7-1。在井下矮巷道内钻孔时,绞车难以发挥作用,这时可将绞车拆除。 设置绞车也给机器在井下短距离搬运提供自牵的方便。 在结构上选择常用的固定轮系的NGW型行星式传动绞车,其特点是: 1、结构简单而紧凑,传动装置兼起离合作用,并有过载保护作用。 2、在一定范围内,可实现无级调速和微动升降。 3、传动功率大,效率高。 4、传动平稳,操纵灵活。 7.2 主要参数的选择1、确定钢丝绳直径d 根据GB1102-74标准,选定钢丝绳直径如下: 外 径:d8.8mm 总断面积:A27.88mm2 总破断力:?S47300N 抗拉强度:б1700Mpa 绳 型:绳6×37(纤维芯) 2、钢丝绳的强度校核 绞车最大提升负荷:Q12000N 最小安全系数:[S]4~5 在正常情况下,最大起重时的安全系数为: S?S/Q47300/120003.49?[S] 在急刹车时,取Q?=2.5Q,则安全系数S?=?S/Q?=1.6 3、卷筒参数确定如下: 卷筒内径:D=140mm 卷筒外径:D?=230mm 卷筒有效长度:L0=100mm 容绳长度:L=n?D? 式中:n?钢丝绳圈数n=11 D??每层缠绳长度之和,共五层, D?=π [5(D+d)+20d]=32m。4、绞车参数 提升速度 卷筒转速 提升力 V10.22m/s n128r/min 12000N V20.44m/s n250r/min 6000N V30.75m/s n378r/min 3350N 7.3 绞车所需功率 卷筒所受扭矩: MT=0.5D+dQ0.50.14+0.008812000 893N?m 2.绞车轴所受扭矩: MZMT/2298N?m 3.绞车轴所需功率: PMZ?n1?I/95502.6KW 7.4 零部件的强度及寿命计算 (一)齿轮强度校核 对NGW型行星齿轮传动,只校核外啮合。即Z13与Z14。 Z13=18、 m=3、 X130.15、 材料为20CrMnTi、 HRC57~62 Z14=18、 m=3、 X140.15、 材料为20CrMnTi、 HRC57~62 бHIim1500N/mm2 бFIim450 N/mm2 传递扭矩:Mz=298N?m 转 速:nzn1?i=84r/min 按接触强度校核: 分度圆圆周力 Ft1000MZ/CS?R15518.5N 工况系数 KA1.25 动载系数 KV1 齿间载荷分配系数 KHα1.05 齿向载荷分配系数 KHβ1 节点区域系数ZH2.35 弹性系数ZE189.8 N/mm2 重合度系数 Zε0.97 螺旋角系数 Zβ1 计算接触应力бH= Ft?i+1?KA?KV?KHβ?KHα ?ZH?ZE?Zε?Zβ dbi 11. 寿命系数 ZN11.02ZN21.11 12.最小安全系数SHmin1 SFmin=1.4 13.润滑剂系数 ZL1 14.速度系数 ZV0.9 15.粗糙度系数ZR0.9 16.齿面工作硬化系数 ZW1 17.尺寸系数 ZX1 18.许用接触应力 бHP1=?ZL1?ZV1?ZR1?ZW1?ZX1 =1239N/mm2 бHP21308.7N/mm2 19.接触强度判断 因为 бH=978N/mm2бHP1=1239N/mm2,所以接触强度校核通过。 按弯曲疲劳强度校核 齿向载荷分布系数 KFβ1 应力修正系数 YSα11.62YSα21.58 重合度系数 Yε0.9 螺旋角系数 Yβ1 计算齿根应力бF бF1= ?KA?KV?KFβ?KFα?YFα1?YSα1?Yε?Yβ =263.5N/mm2 бF2423 N/mm2 寿命系数 YNT1 相对齿根圆角敏感系数 YδreIT1 相对齿根表面状况系数 YRreIT1.04 尺寸系数 YX1 许用齿根应力 бFP1бFP2 = ?YδreIT1?YRreIT1?YX1 =668.6N/mm2 因为 бF1 263.5N/mm2бFP1=668.6N/mm2; бF2423 N/mm2бFP2=668.6N/mm2。 所以弯曲强度校核通过。 (二)绞车轴强度校核 绞车轴材料为20CrMnTi,бb=1080N/mm2,δS=835N/mm2, δ-1=480N/mm2,HRC57~62,输入功率P=2.6KW,小传动齿轮 扭矩 T19550P/n19550×2.6/211118N?m, 传动齿轮分度圆圆周力 Ft2000T1/d12000×118/4×331788N, 径向力 Frtgα?Ft651N。1. 支反力 单位 N 作用点 水 平 面 垂 直 面 合 成 A RAX322Ft/350 1645 RAY125Q-332Fr/350 3668 RA4020 B RBX=28Ft/350 =143 RBY225Q-28Fr/350 7662 RB7664 2. 弯矩单位 N?m 作用点 水平面 垂直面 合成 C Mcx=28RAX/1000=46 MCY28RAY/1000 =103 Mc =113 D MDX=125RBX/100018 MDY=125RBY/1000=958 MD= =958 3. 危险截面的确定选取?、?截面来考虑,因为该两截面所受载荷较大,且 一个有键槽,一个有应力较集中的地方。 4. 校核危险截面安全系数 计算内容及公式 计算值或数据 截面? 截面? 扭矩T,N?m 298 298 弯矩M, N?m M?11×MD/17660 M?81MD/176441 截面模数Z, cm2 5.36 8.95 截面模数Zp,cm2 11.6 17.9 ζ-1N/mm2 480 480 ψη, 0. 15 0.15 圆角处应力集中系数 Kζ,Kη, 圆角Kζ3.1,槽处Kζ2.26 圆角Kη1.81,槽处Kη2.22 圆角Kη1.8 圆角Kζ3.1 表面粗糙度系数KR 1 1.2 绝对尺寸影响系数εη,εζ εη0.81,εζ0.77 εη0.78 εζ0.73 λζKζ+KR-1/εζ 圆角λζ4, 槽处λζ3 配合处λζ3.45 圆角λζ4.52 配合λζ2.5 ληKη+KR-1/εη 圆角λη2.23, 槽处λη2.74 配合处λη2.48 圆角λη2.3 配合处λη2安全系数ζ-1 S (λζM/Z)2+0.75[λη+ψηT/ZP]2S?6 S?2.1取许用安全系数 [S]1.8,表中计算S均大于[S],故轴的疲劳强度足够。? ? 轴结构草图? ? RAY RAY 受力简图Fr DB A C RAXFt QRBX2860 125 130 350Ft 水平力RAX RBX 水平弯矩图 18N m46N m17 RAY Fr RBY 垂直力Q958N m 垂直弯矩图103N m958N m 441N m 60N m 合成弯矩图113N m 扭矩图298N m第8章 液压系统的设计与计算 钻机液压系统的作用: 1、 实现液压卡盘的松卡钻杆动作。 2、实现钻机钻进时给进的动作。 3、实现强力 起拔动作。 8.1液压卡盘的设计与计算 卡盘的结构如图8-1所示,其工作原理是夹紧钻杆依靠喋型弹簧安装时的预紧力,使移动套上移,移动套内孔为圆锥形,迫使主轴槽内的三块卡块同时向中心移动,完成卡紧动作。 当松开卡盘时,是靠加入卡盘油缸中的压力油克服碟型弹簧的弹力,并压缩碟型弹簧,迫使活塞及移动套下移,由于移动套离开了卡瓦,主轴的两个涨环将卡瓦弹回到圆锥面外径的位置,完成松开钻杆的动作。 卡盘夹紧力的大小,取决于碟型弹簧的轴向推力,轴向推力越大,夹紧力就越大。 1、卡瓦对钻杆的夹紧力N。 卡瓦对钻杆的夹紧力N必须满足下式: N?f?Q 式中Q?最大起拔力Q=28500(N) f?卡瓦与钻杆的摩擦系数f0.5。 所以N?Q/f28500/0.557000N 2、碟型弹簧的轴向推力 如图8-2所示 Q 图8-2 由图8-2可知,弹簧对卡瓦的轴向推力F0为 F0=K?N?tgα+ρ 式中: N?卡瓦与钻杆间的法向推力 α?卡瓦的斜角 α=80 ρ?当量摩擦角 ρ=8030? K?储备系数 K=1.6 所以 F01.6×57000tg80+8030?27000N3、卡盘松开时所需油压的计算 碟型弹簧的特性曲线如图8-3所示,松开卡盘时所需油压力为:P=p/s 式中:p?碟型弹簧的最大理论弹力p=40890N s?环状油缸面积s=πD2-d2/4D?油缸直径D=17cmd?活塞杆直径d14cmsπ172-142/473cm2 P40890/7356MPa 4.碟型弹簧总变形量的计算 L=б?n=(4.5~3.375)×940.5~30.375(mm)10.5+0.65 3.375 图8-34.6式中:?L?碟型弹簧总变形量 mm б?一片弹簧的变形量mm n?弹簧片数n=9 九片弹簧预压变形最低为30.375mm,最大为40.5mm,移动套轴向移动范围只能在?L40.5~30.375mm10.12mm 5、卡瓦径向伸缩量计算 d=2?Ltgα=2×10.12×tg802.84 式中:?d?卡瓦径向伸缩量 α?卡瓦的斜角α80 6、刚体强度的计算 油缸壁厚为:t=PP×D/2×ζp 式中:PP?试验压力,PP=Pn×150% 当Pn16MPa时,PP=Pn×125% Pn?工作压力(Pa) D?油缸内径 D=0.17m ζp?缸体材料许用拉压力 ζpζb/S 其中ζb为材料抗拉强度 S?安全系数 S3.5~5 取S4 Pn600×104Pa PP600×104×150%900×104 ζpζb/S60×106/3.517×106Pa t900×104×0.17/2×17×1060.0045m取t8mm,所以强度足够。 8.2 给进油缸的设计 给进油缸的结构如图8-4所示,为双作用单活塞杆往复运动油缸,所起的作用是: 1〕、完成钻孔过程中的给进运动; 2〕、当卡钻及处理事故时,配合绞车起拔在钻杆。 1、TXU-150型钻机,打水平孔时,需克服150m钻杆的自重和孔壁的摩擦力,其力为: F摩=q?L?f=69.6×150×0.353660N 式中:q?钻杆单位长度重量q69.6N/m; L?钻杆长度 L150m; f?摩擦系数f0.33 在低速钻进时,当井底压力C10000N时,则活塞杆所产生的推力必须大于F摩+C,即3660+1000013660N,活塞杆有效面积16.76cm2油泵工作压力为: P13660/16.76×2407.5?400N/cm2 2、油缸直径的计算 根据所需油缸最大作用力以及液压系统的最大工作压力可求得油缸直径。 D= 4P2/2πP 4×28500/2×3.14×6005.49cm2?5.5cm2 式中:D?油缸计算直径D=5.5cm P?油压系统的调整压力, P600N/cm2; P2?油缸最大起拔力,P228500N。 第9章 钻机的使用说明 一、概述 100型液压钻机主要用于矿井内部,供钻探深度为100米的各种角度的放水孔、地质构造孔、灭火孔、抽放瓦斯孔及其它用途的各种工程孔,也可以在地 面钻探深度为100米的地质勘探孔及其它用途的各种浅孔。 100型钻机可在各种不同硬度的岩层中钻探任意角度的孔,尤其在煤层、软岩石及硬岩石中钻孔效率为最高。整个机组由100型钻机和TBW-75/2.0泥浆泵,两部分组成。在矿井内部钻探时不需要井架。钻孔冲洗液为泥浆、清水或煤水。在地面钻探时需要有有一定高度的三角架可供提升使用。 钻机具有以下特点: 钻机的转数范围宽,有两组供六个转速,高转数需换一对高速齿轮(根据用户需要配备高速齿轮),可使用硬质合金钻头,适合各种地质情况,以提高钻进效率。 钻机装有摩擦离合器,可避免主轴变速时频繁起、停电动机,具有超载保护作用。 本机在较大范围内采用了液压技术,装有液压卡盘、液压夹持器、液压送进机构,能强力起拔钻杆。操作安全可靠,大大地降低了劳动强度。 立轴让开孔口的方式采用开箱式,结构简单,操作方便。 型号说明:T?勘探机械;X?岩心钻机;U?油压;150?钻进深度150米。 二、技 术 特 性 1.最大钻进深度(使用Φ50mm钻杆或Φ42mm钻杆) 100m 2.钻孔直径 1).开孔孔径 89mm 2).终孔直径不小于50mm 3.钻孔倾斜角度 0?360? 4.立轴转数 110、119、340 r/min 5. 立轴扭矩 640、358、232、136N?m 6.立轴行程 400mm 7.液压送进最大液压给进压力 4MPa 8.卡盘形式 常闭式液压卡盘 液压卡盘最大工作压力 6MPa 9.立轴内孔直径 52mm 10.油缸最大起拔力28.5 KN 11.绞车转速0.217、0.368、0.656m/s 12.绞车提升速度 0.22、0.44、0.75m/s 13.绞车提升负荷1200 、600、335Kg 14.卷筒 1直径110mm 2钢丝绳直径8.8mm 3容绳长度 20m 15.电动机 1型号 YB132S?4 2功率5.5kw 3转速 1440r/min 16.钻机外形尺寸L×b×h 1230×600×11160mm 17.钻机总重量 550kg 三、钻机分组情况 100型钻机共分六组,各组布局及外观如图1所示。 1.回转器:是钻机立轴产生回转及往复运动部分。 2.变速箱:是钻机立轴、绞车产生各种不同转数的传动与变速部分。 3.离合器:是动力的传递部分,用以接通或切断动力,实现不停电动机变更立轴或绞车的转数。钻进负荷超载时可保护钻机。 4.绞车:是升降钻具的部分。 5.抱闸:是控制绞车的机构,用来提升与停止钻具在任何位置的部分。 6.机架:是连接机器各组的机体,并将机器稳定地固定在钻场基台木上。 7.操纵仪:是控制钻机液压系统的总枢钮。 四、结构特征与工作原理 钻机型式为:机械传动、液压给进、弹簧夹紧、立轴式钻机。 1、钻机结构如下: 1.1回转器,如图2 回转器部分主要由液压卡盘、立轴、本体、立轴导管、大弧齿锥齿轮、两根油缸和两根导向杆组成。 1)、液压卡盘如图2所示,主要由下列构件组成:碟形弹簧和位于其上的带外环、内锥的移动套;位于外环上的活塞;插入碟形弹簧和移动套内孔中的主轴;主轴中的三片卡瓦外锥与移动套内锥相配合,卡瓦置于主轴上部的三个等分的槽中。下部由两轴承支持。卡盘的外壳,即缸体和压头座,由螺栓联接在一起。卡盘的主要动作是高压油从上部进入缸体推动活塞下移压移动套,移动套压碟形弹簧,由于移动套下移,三片卡瓦在主轴槽内呈自由状态,被主轴内的涨环14外推,松 开钻杆。当释放油压时,在碟形弹簧的弹力推动下,移动套上移,迫使卡瓦向中心移动,在压缩涨环的同时夹紧了钻杆。组装时碟形弹簧的预紧力为32KN。更换卡瓦时,先将上端螺钉取出,再取下压盖,防尘盖,垫及卡环,然后取出涨环,卡瓦,即更换新的卡瓦和涨环。 2)、给进油缸主要有活塞杆、油缸上盖、下盖,用锁紧钢丝连接在一起。在更换弧齿锥齿轮时,为保证成对弧齿锥齿轮锥顶重合,需加垫调整间隙保证啮合。每次安装液压卡盘时立轴螺纹端部不许接触卡盘螺纹内端面,卡盘与立轴用圆螺母防止松动。 1.2、变速箱,如图3 变速箱主要由四对直齿园柱齿轮及两根平行的花键轴构成。动力由电动机首先传到装在变速箱体的带有卸荷装置的大皮带轮上,然后经过不同的传动链,将动力传给小园弧锥齿轮Z10。 主动齿轮为轴齿轮,通过滚动轴承架于箱体内,轴齿轮端面加工有不通孔,内装滚动轴承与滚动轴承构成支点,支撑花键轴。花键轴是通过滚动轴承架于变速箱体内。花键轴上装有齿轮。在花键轴上安装的齿轮为移动齿轮,变速箱所产生的不同转速,就是改变移动齿轮的位置来实现的。 安装在花键轴上的齿轮也是移动齿轮,该齿轮将三种不同速度传给绞 车。变