振動回轉巖芯鉆機動力頭設計—畢業(yè)設計論文

1、摘 要動力頭是振動回轉巖芯鉆機的核心部件，其性能的好壞直接決定了整機性能的好壞，而國內外關于該動力頭的設計理論和方法卻很少見，因此對振動回轉巖芯鉆機動力頭的設計理論和方法進行研究迫在眉睫。本文首先介紹了振動回轉巖芯鉆機動力頭的工作原理，技術特點和發(fā)展狀況及前景。然后確定振動回轉巖芯鉆機動力頭的總體參數，在分析了振動回轉巖芯鉆機工況的基礎上，應用土力學和流體力學建立了各工況下鉆進阻力矩的完整數學模型，為振動回轉巖芯鉆機動力頭的設計提供了理論依據。然后對振動回轉巖芯鉆機動力頭關鍵部件的設計過程及校核進行了詳細的說明。此動力頭具有體積小，搬遷靈活，結構簡單，安全性好，工作性能高，成本低，頻率和振幅的

2、可調性高，激振力足夠大，平穩(wěn)性高的特點。此動力頭的設計對巖土鉆掘工程技術的進步具有重要的意義。關鍵詞：動力頭；振動回轉；巖芯鉆機；液壓馬達 abstract power head is the core component of vibration of rotary core drill, its performance is good or bad directly determine the overall performance is good or bad, and the design theory and method about the power head at home a

3、nd abroad are very rare, so the vibration of rotating core drill head design theory and method of research is imminent.this article first introduces the vibration rotary core drill head, the working principle, technical characteristics and development status and prospects and then determine the over

4、all parameters of vibration rotary core drilling power head, on the basis of analyzing the working condition of vibration of rotary core drill, the application of soil mechanics and fluid mechanics is established the complete mathematical model of drilling resistance moment, under the condition of v

5、ibration of rotary core drill head design provides a theoretical basis and key components of vibration turning core drilling power head design process and check the detailed description of the power head has a small volume, move flexible, simple structure, good safety, high performance, low cost, hi

6、gh frequency and amplitude of the adjustable, vibration force is large enough, the smoothness of high characteristic.the head of design for rock and soil drilling and digging engineering technology progress has the important significance.key words: power head; rotary vibration; core drill; hydraulic

7、 motor目 錄第一章 緒論11.1 研究振動回轉巖芯鉆機動力頭的意義11.2 振動回轉巖芯鉆機動力頭的工作原理及特點11.2.1 動力頭的工作原理簡述11.2.2 動力頭的結構特點11.3 振動回轉巖芯鉆機的現狀與展望21.3.1 振動回轉巖芯鉆機的現狀21.3.2 振動回轉巖芯鉆機的展望3第二章 振動回轉巖芯鉆機動力頭總體參數的確定42.1 振動回轉巖芯鉆機動力頭傳動方案的選擇42.1.1 回轉部分傳動方案42.1.2 振動部分傳動方案52.2 振動回轉巖芯鉆機動力頭回轉參數的確定52.2.1 回轉扭矩的確定52.2.2 回轉速度的確定92.3 振動回轉巖芯鉆機動力頭振動參數確定102.

8、3.1 振動頻率的確定102.3.2 激振力的確定122.4 振動回轉巖芯鉆機動力頭液壓系統(tǒng)參數的確定132.4.1 回轉驅動馬達參數的確定132.4.2 振動驅動馬達參數的確定15第三章 振動回轉巖芯鉆機動力頭關鍵部件設計與校核173.1 箱體的設計173.1.1 箱體材料的選定173.1.2 箱體的結構設計183.2 軸的設計203.2.1 振動軸的設計213.2.2 中間軸的設計233.2.3 振動軸的設計及強度校核243.2.4 回轉主軸的設計253.3 齒輪的設計283.3.1 驅動齒輪的設計283.3.2 過渡齒輪的設計313.4 同步帶輪的設計353.5 同步帶的設計373.6

9、軸承的設計423.6.1 軸承類型的選擇423.6.2 軸承固定形式的選擇433.6.3 軸承型號的選擇463.7 回轉支承的設計473.8 偏心軸的設計51第四章 經濟性分析52第五章 設計總結56參考文獻57致 謝58第一章 緒論1.1 研究振動回轉巖芯鉆機動力頭的意義 目前國內對振動回轉巖芯鉆機的研究越來越重視，但技術不是很成熟，與國外相比仍然有一定的差距。國家政策倡導節(jié)約型社會，環(huán)境友好型社會，很多的企業(yè)正在爭先恐后的貫徹實施這一政策，紛紛加大對產品結構轉型，以及機器創(chuàng)新等方面的投入。目前國內的振動回轉巖芯鉆機存在很多的不足，主要體現在體積龐大，笨重，結構復雜，所以導致搬遷困難，浪費材

10、料，成本高，適應環(huán)境的能力差，在施工處對環(huán)境的破壞性大。其次是振幅、頻率的可調性低，激振力不夠大，平穩(wěn)性低。而動力頭是振動回轉巖芯鉆機的核心部件，它的好壞直接影響到整臺機器的好壞。所以，對研究出一臺體積小，結構簡單，振幅、頻率可調，激振力足夠大，平穩(wěn)性高的振動回轉巖芯鉆機動力頭迫在眉睫。1.2 振動回轉巖芯鉆機動力頭的工作原理及特點1.2.1 動力頭的工作原理簡述 回轉馬達通過一對傳動比很小的齒輪對回轉主軸實行驅動，實現主軸的低速回轉，此轉速不需要很大，因為如果太大，鉆頭跟巖土層的摩擦產生的熱量會很大，這樣會加大鉆頭的磨損。振動用偏心軸的回轉實現，偏心軸振動的頻率就是動力頭振動的頻率，偏心軸采

11、用兩根，把它們平放在主軸的兩側，它們的回轉方向相反，之間通過一對傳動比為1的齒輪和同步帶連接，振動液壓馬達直接驅動其中的一根軸，這樣兩根軸在水平方向的振動力抵消，從而實現鉆機的平穩(wěn)。而在豎直方向的振動力疊加，振動力增加一倍，從而能得到很大的激振力。1.2.2 動力頭的結構特點 箱體采用鋼板焊接而成，大大縮短了制造周期，強度也大為提高。采用液壓馬達驅動，運動平穩(wěn)，噪聲低，能實現無極調速。液壓馬達的軸直接與振動軸連接，這樣省去了傳動中間部件，大大簡化了動力頭的結構，維修方便，也減小了箱體的體積，從而克服了動力頭笨重的缺點。主軸需要承受的扭矩比較大，采用空心結構，力學性能大大提高。1.3 振動回轉巖

12、芯鉆機的現狀與展望1.3.1 振動回轉巖芯鉆機的現狀(1) 國外狀況 國外用于地質調查的全振動巖芯鉆機的發(fā)展是伴隨鉆探技術在地質調查工作中應用領域的拓展和鉆探方法工藝的進步而發(fā)展的。振動回轉巖芯鉆機是為實現各種鉆探方法工藝服務的。另外，其發(fā)展還受鉆探作業(yè)環(huán)境(如地理位置、交通運輸、氣候、地質條件與供水等)的影響和制約。國外地質礦產勘查用振動回轉巖芯鉆機，除保留有一部分經改進的傳統(tǒng)立軸式鉆機外，已大量采用頂驅式(動力頭鉆機)。其特點是回次進尺長，自動化、機械化程度高。具有代表性的有：阿特拉斯的csl0、csl4、cs300l、cs4002，寶長年公司的lf70、lf90、lfl40、lf230等

13、地表取心鉆機，均具有長行程給進、無塔升降鉆具、無級調速、機械化程度高、配套器具齊全、生產效率高等優(yōu)點。經改進的新型立軸式巖芯鉆機有：俄羅斯的ckb一4、ck6-5型鉆機，采用雙卡盤實現不停鉆倒桿；采用直流電機實現無級調速；鉆深從25-3000m已形成完整系列。日本的tdp一100、p100等型鉆機采用上、下液壓卡盤結構，實現了鉆進過程中的不停車倒桿，自動連續(xù)給進，并通過改進結構提高了鉆機的工作可靠性。日本nlc公司的nl一55、l一44、l一38、l一24系列型號立軸式鉆機，主要特點是加大了立軸通孔直徑，達到148mm；與鉆塔設計融為一體，質量大，自動化程度較高。(2)國內狀況1949年以前國

14、內振動回轉巖芯鉆機幾乎全部是由國外引進，20世紀50年代初期大量從蘇聯引進當時并不先進的手把式鉆機，50年代中期，國內開始仿制，60年代開始自行設計鉆機，如xy、yl、mk、tk等系列。70年代開始全面推廣金剛石鉆進技術，促進了我國地質巖芯鉆機的研制與制造業(yè)的發(fā)展，80年代就基本滿足國內地質礦產調查的需要，并有部分向外出口。我國從20世紀60年代就開始研制液壓傳動鉆機，但由于當時國產液壓元件質量不過關等原因而未能形成生產力。改革開放以來，從美、德等國引進了多種名牌液壓元件生產線，使國產液壓元件的品種增多，質量有了大幅度提高，我國已具備了研究傳動鉆機的良好物質基礎和技術準備。進入21世紀，國內的

15、有關研究機構與鉆探機械廠先后研發(fā)出了的地表巖芯鉆機以滿足市場的需求，主要產品有：2005年中國地質科學院勘探技術研究所與北京天和眾邦勘探技術有限公司聯合研發(fā)成功的ydx一3型巖芯鉆機、2005年底山東省地質探礦機械廠研發(fā)的xd一5型、2006年底連云港黃機械廠有限公司研制的hydx一5型等。國內研制成功的這幾款巖芯鉆機特點均順應國際鉆探設備的發(fā)展趨勢，屬于同一檔次，鉆探能力相差不多，具有化、給進行程長、無級調速、機械化程度高等優(yōu)點。但與國外巖芯鉆機相比，還未形成系列化，可靠性不夠高，無相應的國家標準等。1.3.2 振動回轉巖芯鉆機的展望 隨著技術的不斷進步,巖心鉆探設備的發(fā)展伴隨著引進技術的消

16、化吸收、基礎工業(yè)元器件水平的提高、鉆探工藝發(fā)展對設備的要求而不斷發(fā)展提高。為此，振動回轉巖芯鉆機的發(fā)展方向主要有三個：第一，小型化發(fā)展。因為勘探主要是在一些比較偏遠的山區(qū)，經濟落后，交通不便，而鉆機本來就比較笨重，搬遷困難。而且，在山區(qū)地勢陡峭，灌、木喬密布，為了保護環(huán)境又不能砍伐，安放鉆機的空間有限。所以，對于小型巖芯鉆機的需求十分迫切。第二，巨型化發(fā)展。在一些經濟發(fā)達，交通便利的平原地區(qū)，有些時候需鉆進深度非常高，或者工作的時間非常長，為了提高鉆進效率，這就需要大功率的大型鉆機。第三，智能化發(fā)展。隨著計算機技術的飛躍發(fā)展，計算機技術參透到社會的各個領域，當然，勘探領域也不例外，用計算機控制

17、鉆機，不僅能減輕施工人員的勞動強度，而且能提高工作效率，動作更加靈活、準確，甚至在不久的將來有可能發(fā)展機器人鉆機。第二章 振動回轉巖芯鉆機動力頭總體參數的確定2.1 振動回轉巖芯鉆機動力頭傳動方案的選擇2.1.1 回轉部分傳動方案從回轉驅動液壓馬達直接出來的速度是比較大的，而主軸需要的速度是比較小的，要得到較小的速度，就必須經過減速，能減速的結構很多，比如減速器，皮帶傳動，齒輪傳動等。此動力頭要求傳動的效率高，結構緊湊，體積小，重量輕。下面是兩種比較成熟的方案供選擇，如2-1圖所示。方案一方案二圖2-1 回轉部分傳動方案方案一：馬達驅動齒輪裝在液壓馬達軸上，驅動齒輪直接帶動回轉支承外圈。這樣結

18、構緊湊，簡單，體積小，占用的空間小，節(jié)約材料，成本低，重量輕，比起用減速器，起碼能減輕50%的重量。因為只有一級齒輪傳動，所以傳動的效率非常高，能達到99%以上。方案二：采用減速器進行減速，減速器連接在液壓馬達與回轉支承之間，與方案一相比，結構復雜的多，里面有兩級齒輪，傳動比可能比方案一更小，即能獲得更好的減速效果。但是，液壓馬達本身就能控制很大的轉速范圍，所以根本就沒必要是用減速器。而且，體積大，占用的空間大，成本高，重量也笨重；傳動的齒輪級數越多，傳動的效率越低。比較上述兩種方案，根據動力頭的結構特點，選擇方案一。2.1.2 振動部分傳動方案 激振力來自偏心軸的回轉，激振力的大小和頻率完全

19、由偏心軸的轉速決定，顯然，巖心鉆機在鉆進的過程中，需要足夠大的激振力和頻率。所以不需要減速，液壓馬達直接與偏心軸連接，為了讓振動平穩(wěn)，激振力只在豎直方向上，采用兩根偏心軸，它們的轉速大小相等，方向相反。它們對稱分布于回轉主軸兩側，所以它們的間距是比較大的。它們之間的傳動現有兩種方案可供選擇：方案一方案二圖2-2 振動部分傳動方案 方案一：為了實現兩根偏心軸轉速大小，方向相反，中間采用一對傳動比為1的齒輪傳動，接著用同步帶傳動，兩帶輪的大小相等。它們之間也就是兩級傳動，比起方案二，它傳動的效率要高些，齒輪傳動實現轉動的方向相反，同步帶實現遠距離傳動。同步帶比齒輪便宜些，成本低；更換方便，維修方便

20、。方案二：此方案采用兩對齒輪傳動，每個齒輪是相同的，即傳動比都為1，同樣能實現兩根偏心軸轉速大小相等，方向相反。但是，兩根偏心軸的跨距比較大，齒輪不易實現遠距離傳動，如果要實現遠距離傳動，則需加大齒輪的半徑，而齒輪半徑加大，就意味著容納齒輪的箱體的體積也要變大，這顯然與我們需設計的動力頭相悖，而且制造齒輪的成本比制造同步帶的成本高；更換，維修也不方便；傳動的級數比方案一多，所以傳動的效率也比方案一低。根據兩種方案的比較，選擇方案一。2.2 振動回轉巖芯鉆機動力頭回轉參數的確定2.2.1 回轉扭矩的確定 回轉扭矩確定之后，才能進行主軸的設計和校核，以及回轉馬達的選擇。鉆桿受到的阻力主要有兩個，一

21、個是鉆頭與底部巖土的切削摩擦產生的扭矩、光桿部分受到水泥漿的粘滯阻力矩。 (1)鉆頭與底部巖土的切削摩擦產生的扭矩鉆頭受到的阻力有兩種：一種是鉆頭刀刃的切削阻力，一種是鉆頭與巖土層的摩擦阻力。刀刃單位長度阻力可按式(2.1)計算： (2.1)式中，-刀刃單位長度的阻力； -刀刃單位長度的切削阻力；-鉆頭與巖石的滑動摩擦系數，取0.5；-鉆具在刀刃單位長度上產生的壓力。 (2.2)-鉆進速度；-鉆桿轉速；-切削比阻力，取400kpa。其選取方法如表21、表22，取土壤等級為級。表21 土壤等級分類 土壤等級 (kpa)5080100150200260400 表22 土壤等級特點砂，輕軟質土，輕和

22、中等溫度的松散質土，種植土粘質土，中細沙礫，輕濕或松散軟粘土密實粘土質，中等粘土，重濕度或松散粘土，軟泥炭含碎石或卵石的粘土質，重的或很重的濕粘土，有少量雜質的石礫堆積物代入數據有： (2.3) -能使鉆刃壓入孔底土層的最小軸向壓力，由土層的抗壓強度、鉆刃的磨損程度等因素決定。其值可近似地用下式求出： =(3050)r(kn)(其中r=47mm為鉆頭半徑)，其孔徑小時取小值，孔徑大時取大值，此處計算應取大值, 取500.047kn2.35kn。因此，可得： 所以：； (2.4) (2)光桿部分受到水泥漿的粘滯阻力矩 設內圓半徑r1，外圓半徑r2，內圓旋轉角速度為，外圓固定，則兩圓筒之間的水泥漿

23、以同心圓筒層形式旋轉，如圖2-3。圖 2-3 用w表示半徑為r的中間任一液層的角速度，顯然此液層的角速度梯度為相應的線速度梯度為設圓筒高度為h，則可求側面積：s=2rh (2.5)所以有： (2.6)變量分離： (2.7)根據鉆桿的情況，有：時時兩邊分別積分，有： (2.8) 有： (2.9) 所以： (2.10)式中：鉆桿轉速= 62.8rad/s；鉆桿長度=10m鉆桿半徑=44.5mm；孔半徑=47mm取水泥漿黏度=18 ，如表2-3所示。表2-3 水泥漿的基本性能水灰比粘度(10-3pa.s)密度g/cm3凝膠時間結石率%抗壓強度(mpa)初凝終凝3d7d14d28d0.5:11391.

24、867h41min12h36min994.146.4615.3022.000.75:1331.6210h47min20h33min972.432.605.5411.271:1181.4914h56min24h27min852.002.402.428.901.5:1171.3716h52min34h47min672.042.331.782.222:1161.3017h7min48h15min561.662.562.102.80 所以得： 最終得到的鉆桿阻力矩之和為：2.2.2 回轉速度的確定 鉆頭的回轉速度是動力頭的一個重要參數，它的選取關系到鉆進的效率，鉆頭的壽命和取到巖芯的完整程度，過快或者

25、過慢對它們都不利。選擇鉆頭轉速的主要依據是巖石的性質和破巖的時間效應影響，實踐表明，在軟巖層中鉆進時提高轉速的效果最明顯；在中等硬度、研磨性較小的巖層中鉆進時，由于破巖的時間效應影響顯著，所以鉆進的速度并不隨轉速的增大而增大。也就是說對于較軟的、研磨性較小的巖石，可以用增大轉速的辦法來提高轉速；而在硬的、研磨性較強的巖石中，轉速過高不僅不能提高鉆進的效率，而且對鉆進過程有害。表2-4 硬質合金切削具的線速度推薦值巖 石 性 質 線速度取值范圍(ms)軟的、弱研磨性巖石1.21.6中硬的、具有研磨性的巖石0.91.2中硬-硬的研磨性巖石0.60.8裂隙性巖石0.30.6表2-5 表鑲和孕鑲金剛石

26、鉆頭適用的轉速 (單位：r/min)鉆頭直徑 (mm) 364656(59)6675(76)91 表鑲鉆頭65013005001000400800350650300550250500 孕鑲鉆頭10002000750150060012005001000400850350700資料來源：巖土鉆掘工程學綜合上述考慮，選取金剛石表鑲鉆頭，鉆頭的回轉速度為2.3 振動回轉巖芯鉆機動力頭振動參數確定2.3.1 振動頻率的確定 目前關于振動的理論很多，我們采用其中的一種來對動力頭的振動頻率進行分析，我們將鉆具當做是一個均勻的剛體，把土層看做是一個彈性支撐體，鉆具和巖土層組成一個具有單自由度的振動體系。當動力

27、頭上的振動器的強迫振動頻率接近該振動體系的自振頻率，該振動體系會產生最大的縱向振動振幅，也就是我們所熟悉的共振，其模型簡化成如圖2-4所示。此振動系統(tǒng)的微分方程為： (2.11) 式中： x-振動時產生的垂直位移；m-鉆具的總重量；-土層的阻尼系數；-土層的彈性系數；-振動器的激振力；-振動器的激振頻率；-時間。圖2-4 共振理論模型圖 振動系統(tǒng)的固有頻率為： (2.12) 根據天然地基土的抗壓剛度計算方法得到土層的彈性系數： (2.13)式中：-鉆柱端部的當量抗壓剛度系數()；-鉆柱截面積，即鉆桿的最大直徑的截面積()。以下為橫波波速經驗公式： (2.14) 式中：-土層的彈性模量；- 土層

28、的泊松比，砂土可取0.20.25，粘性土可取0.250.42，淤質粘土可取0.5。一些典型土層的密度及彈性模量如表2-6所示。表2-6 典型土層密度及彈性模量表土層類別密度()彈性模量()素填土1.854粉質粘土28.7粉砂220.8強風化泥巖2.1170強風化粉砂巖2.16200中風化砂巖2.181000 表2-6中，土的密度的平均值為，上表是根據一般天然巖土層從上到下的分布順序排列的，從上到下依次為素填土、粉質粘土、粉砂、強風化泥巖、強風化粉砂巖、中風化砂巖，假設每個巖土層的厚度為5m，則鉆進過程中共振頻率隨深度變化經計算統(tǒng)計如表2-4所示。表2-7 典型土層分布下共振頻率隨深度變化表地層

29、編號地層名稱鉆進深度(m)共振頻率(hz)1素填土51822hz2粉質粘土102025hz3粉砂152530hz4強風化泥巖206065hz5強風化粉砂巖256575hz6中風化砂巖30125140hz 選取鉆桿的長度為10m，外徑為89mm，內徑為69mm，材料為鋁合金，質量為28kg。則鉆桿的橫截面積為： (2.15) 考慮到鉆桿的長度為10m，取芯的深度有可能到達粉砂層，強風化泥巖，所以取彈性模量系統(tǒng)的固有頻率為：振動頭的頻率等于振動馬達的轉速，液壓馬達的實際工作中轉速不宜過高，否則會嚴重縮短馬達的壽命，常用的低速大扭矩馬達轉速一般不超過2500r/min，高速馬達一般正常工作轉速適宜在

30、大約4000r/min左右。綜合上述考慮，取振動頭的振動頻率為：2.3.2 激振力的確定 動力頭的激振力也是巖芯鉆機動力頭的一個重要的參數，為巖芯鉆機的鉆進提供了動力，激振力的最大值應和鉆桿完全鉆進時的鉆具和鉆具上土的重量之和相當，因此假設鉆桿的螺旋葉片上土的分布均勻。則激振力可由下式獲得： (2.16) 式中：-土層密度，這里取平均密度；r2-鉆桿外徑；r1-桿芯直徑； -鉆桿長度；-巖土在螺旋葉片上的填充系數，這里取0.7；-為鉆桿自重；-為回轉振動動力頭重量。表2-8 計算激振力時所需參數參數r2r1值0.0445m0.0345m10m0.728kg237.4kg將表格2-8的參數代入得

31、： =2609.58n 上述是需要的最小激振力，及2609.58n，所以取=3000n。2.4 振動回轉巖芯鉆機動力頭液壓系統(tǒng)參數的確定2.4.1 回轉驅動馬達參數的確定 前面在2.2節(jié)已經確定了鉆頭的回轉速度為500rmin，然后確定馬達驅動齒輪與回轉支承的傳動比，傳動比是(確定過程將在3.7節(jié)詳細說明)，則回轉驅動馬達的轉速。表2-9列出了馬達的種類以及它們的結構特點和適用范圍。表2-9 液壓馬達的種類及主要特點齒輪馬達葉片馬達軸向柱塞馬達球塞式馬達內曲線馬達結構簡單，制造容易，但輸出的轉矩和轉速脈動性較大，但當轉速高于1000rmin時，其轉矩脈動受到抑制，因此，齒輪馬達適用于高轉速，低

32、扭矩情況。結構緊湊，外形尺寸小，運動平穩(wěn)，噪聲小，負載轉矩小。結構緊湊，徑向尺寸小，轉動慣量小，轉速高，易于變量，能用多種方式自動調節(jié)流量，適用范圍廣。負載轉矩大，徑向尺寸大，使用與速度中等工況。負載轉矩大，轉速低，平穩(wěn)性好。資料來源：液壓傳動動力頭的尺寸要求盡量要小，所以選擇徑向尺寸小的液壓馬達，轉速為2825rmin，是屬于高速范圍，而且還要求可調性高，所以我們選擇軸向柱塞馬達作為我們的回轉驅動馬達。采用型號gy-a2f45r2p1斜軸式軸向柱塞定量馬達，貴州力源液壓股份有限公司，它的特點是具有固定的排量，在開式或閉式系統(tǒng)中作靜壓傳動，輸出轉數和排量成正比。輸出扭矩隨高壓側與低壓側之壓差的

33、增大而增大。缸體與配油盤采用球面配油，在旋轉中能自動對中，圓周速度較小，效率高；驅動軸能承受徑向負荷；噪音低。它的結構剖視圖如圖2-5所示。 圖2-4 回轉驅動馬達的法蘭和后蓋1-油封2-前蓋3-主軸 4-卡盤 5-柱塞組件6-彈簧 7-中心桿 8-轉子 9-分油盤圖2-5 回轉驅動馬達結構剖視圖 回轉馬達的連接法蘭和后蓋如圖2-4所示。 表2-10為回轉驅動馬達的參數。表2-10 回轉驅動馬達的參數項目規(guī)格排量vg(ml)最高轉速(rmin)最大功率pmax(kw)重量(kg)扭矩m(nm)值4544.345007123702.4.2 振動驅動馬達參數的確定 前面已經確定了振動頭的振動頻率為

34、，因為振動驅動馬達的軸直接與偏心軸相連，所以振動驅動馬達的旋轉速度就等于振動頻率，得振動驅動馬達轉速為，同樣屬于高速范圍，選取依據跟選取回轉驅動馬達類似，所以同樣選取軸向柱塞馬達。圖2-6是選取的振動馬達的外形尺寸參數a)外形尺寸b)法蘭尺寸圖2-6 振動驅動馬達外形參數 圖2-6振動驅動馬達是f11-5(cetop型式)，為派克漢尼汾液壓系統(tǒng)(上海)有限公司生產。特點是結構緊湊，噪聲低，工作效率高，輸出的扭矩大。表2-11為馬達性能參數。表2-11 振動驅動馬達性能參數項目名稱排量 ()工作壓力(bar)工作轉速(rpm)重量(kg)值4.942050120005 圖2-7是振動驅動馬達的剖

35、視圖。 1-轉子殼 2-配油盤 3-缸體4-帶o型的導向隔套5-齒輪6-軸7-軸承殼體 8-油封 9-輸出軸 10-活塞圖2-7 振動驅動馬達剖視圖第三章 振動回轉巖芯鉆機動力頭關鍵部件設計與校核3.1 箱體的設計箱體是振動回轉動力頭的一個最重要的部件之一，它的主要作用是：(1)箱體支承并且包容各種傳動和工作零件，例如齒輪、振動軸、偏心軸、主軸、軸承、同步帶輪，同步帶，回轉支承等，并對它們起到固定和定位的作用，使它們能夠保持正常的運動關系和運動精度。另外，箱體還可以儲存潤滑油，實現各種運動零件的潤滑；還可以防止灰塵，外物的進入對運動和傳動的干擾。 (2)箱體可以起到安全保護的作用，保護機器操作

36、者的人生安全，并有一定的隔振、隔熱和隔音作用。 (3)箱體使機器各部分分別由獨立的箱體組成，各成單元，便于加工、裝配、調整和修理。 (4)改善機器造型，協(xié)調機器各部分比例，使整機造型美觀。3.1.1 箱體材料的選定 可以制作箱體的材料很多，有木質的材料，塑料，鋁合金，普通碳鋼，合金鋼和鑄鐵等等。箱體的分類有很多種，這里我們按制作的方法分類，可以分為以下幾種： (1)鑄造箱體，常用的材料是鑄鐵，有時也用鑄鋼、鑄鋁合金和鑄銅等。鑄鐵箱體的特點是結構形狀可以較復雜，有較好的吸振性和機加工性能，常用于成批生產的中小型箱體。 (2)焊接箱體，由鋼板、型鋼或鑄鋼件焊接而成，結構要求較簡單，生產周期較短。焊

37、接箱體適用于單件小批量生產，尤其是大件箱體，采用焊接件可大大降低成本。 (3)其它箱體，如沖壓和注塑箱體，適用于大批量生產的小型、輕載和結構形狀簡單的箱體。 顯然，木質材料和塑料首先可以排除，因為他們的強度耐熱程度不夠，如果使用會造成箱體破裂，造成經濟損失，甚至威脅到人生安全。鋁合金的材質太輕，吸振性不強，而且焊接性能不夠好，所以，我們也排除。然后我們再在后面的普通碳鋼，合金鋼，鑄鐵三種當中做精選，我們又從制作的方法來考慮，首先第三種不是我們考慮的范圍，應排除，而鑄造的吸振性雖然最好，但是制作周期太長，工藝復雜，經濟性差，所以我們也不考慮。最后我們選擇的制作方法是焊接。這樣我們又把鑄鐵排除，再

38、考慮到普通碳鋼的強度和抗疲勞強度都沒有合金鋼強，所以我們采用合金鋼。在合金鋼里面，我們選擇應用比較廣泛，成本比較適中的低合金鋼q345b，b表示質量等級，常溫( 20)下做韌性試驗。q345又可以分f、b、z三種，分別表示沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)定鋼。a級和b級鋼各有f、b和z三種脫氧方法，c級鋼只有鎮(zhèn)靜鋼，d級鋼只有特殊鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，塑性和韌性較差。用這種材料制成的焊接結構，受動力載荷作用時接頭容易出現裂縫。不宜在低溫下工作，有時會產生硬化現象。相比之下，鎮(zhèn)定鋼質優(yōu)而勻，塑性和韌性都好。表3-1為q345b的一些常用參數。表3-1 q345b的性能參數參數彈性模量 (egpa)

39、泊松比() 抗拉強度()密度(kg)值2002100.250.333755007.93.1.2 箱體的結構設計 動力頭箱體的形狀和尺寸主要由箱體內部零件及內部零件間的相互關系來決定，箱體的結構設計主要注意以下幾個問題：(1)滿足強度和剛度要求。振動頭箱體要承受強大的激振力，所以滿足強度是一個重要的問題。(2)因為箱體的剛度不僅影響傳動零件的正常工作，而且還影響部件的工作精度，所以要滿足一定的剛度。 (3)散熱性能和熱變形問題。箱體內零件摩擦發(fā)熱使?jié)櫥驼扯茸兓?，影響其潤滑性能；溫度升高使箱體產生熱變形，尤其是溫度不均勻分布的熱變形和熱應力，對箱體的精度和強度有很大的影響。 (4)結構設計合理。

40、如支點的安排、筋的布置、開孔位置和連接結構的設計等均要有利于提高箱體的強度和剛度。 (5)工藝性要好。包括毛坯制造、機械加工、造型好、質量小、裝配調整、安裝固定、吊裝運輸、維護修理等各方面的工藝性。根據上面的幾個問題，用solidwords三維軟件初步設計動力頭箱體的大體結構如圖3-1所示。下一步就進入零件的安放設計。 如圖3-2所示，三塊立板有三對孔，從右到左依次為裝振動軸孔，裝中間軸孔，裝振動軸孔。兩個立孔從前到后依次為裝回轉驅動馬達孔，裝回轉主軸孔。 俯視 上視圖3-1 箱體大體結構圖 圖3-2 考慮安放零件后箱體大體結構圖1-前側板 2-后側板 3-右側板 4-后立板 5-前立板 6-

41、中間橫板 7-前側板圖3-3 最后設計箱體成型圖 最后設計成如圖3-3所示箱體圖，用7塊板焊接而成。表3-2為各板的厚度。 表3-2 箱體各板厚度鋼板名稱1234567厚度值(mm)202020161620203.2 軸的設計軸的設計應滿足如下準則： (1)根據軸的工作條件、生產批量和經濟性原則，選取適合的材料、毛坯形式及熱處理的方法。 (2)根據軸的受力情況，軸上零件的安裝位置，配合尺寸及定位方式，軸的加工方法等具體的要求，確定軸的合理結構形狀及尺寸，即進行軸的結構設計。 (3)軸的強度計算或校核。3.2.1 振動軸的設計 (1) 振動軸的設計 振動軸的作用是傳遞振動驅動馬達傳遞過來的運動和

42、扭矩，支承振動軸，即承受彎矩。根據工作條件，選振動軸的材料為45cr，調制處理。初步設計成的振動軸如圖3-4所示。圖3-4 振動軸ab段用來連接振動液壓馬達，采用矩形花鍵連接，主要是為了裝配方便，提高連接強度；bc段和de段為軸頸，用來安裝軸承固定在箱體上，cd段用來安裝偏心軸，ef段用來安裝過度齒輪；最右側的螺紋孔用來使過度齒輪軸向定位。根據設計好了的箱體，各段軸的長度和直徑確定如表3-3所示。表3-3 振動軸的長度及其尺寸各段名稱長度值(mm)23301403424直徑(mm)3435403532(2) 振動軸的強度校核 1) 振動軸受到的力主要是扭矩和彎矩，根據工作條件，扭矩的值應該不是

43、很大的因為它只需轉動，負荷只是偏心軸的轉動，但是啟動瞬間的扭矩很大，前面液壓馬達的型號已選。為了保證工作安全，必須用振動液壓馬達的最大扭矩來校核振動軸。液壓馬達的扭矩按下面的公式計算： (3.1)式中：-排量()；-壓差(bar)； -機械效率。前面選擇液壓振動驅動馬達時已知，為4.9；因為出口壓力很小，一般都小于10bar，所以我們假設壓差就為工作壓力為420，機械效率取0.85，則扭矩為： 下面用振動軸的最小直徑32mm來進行強度校核。軸的最小直徑的確定是按下面的的公式進行的： (3.2)式中：-許用扭轉切應力(mpa)； p-功率(kw)；-轉速()。查機械設計第八版表15-3，得40c

44、r得范圍是11297；的范圍是3555mpa。對于功率，仍然按液振動壓馬達的最大功率來算，式(3.3)為振動液壓馬達功率的計算公式。 (3.3)式中：-總效率(，為容積效率，取0.8，則=0.80.85=0.68)；q-流量()。 得：。 取100，則，所以軸在承受扭矩方面是安全的。 2) 振動軸的彎矩主要是來自偏心軸的離心力，偏心軸幾乎套在了整個軸上，在工作過程中軸的彎曲程度是非常微小的，在受力分析的過程中，為了方便，我們忽略軸的彎曲，這樣軸的受力模型簡化圖3-5所示。圖3-5中，為離心力，有，。已知偏心軸的偏心距為，質量為(在3.8偏心軸的設計中將進行詳細的說明)。 (3.4) (3.5)

45、 得： 圖3-5 軸的受力簡化模型 和就相當于作用在軸上的剪切力，得作用在bc段和de段的切應力為：1.15mpa遠小于，所以校核通過。3.2.2 中間軸的設計 (1)中間軸主要是傳遞運動，支承過度齒輪和同步帶輪，同樣選擇40cr作為中間軸的材料，調制處理，根據已設計好的箱體的結構，設計的中間軸如圖3-6所示。ab段和de段為軸頸，用來裝配滾動軸承，裝配在箱體上，bc段用來裝配過度齒輪，cd段用來裝配同步帶輪。各段的長度和直徑如表3-4所示。 表3-4 中間軸各段得長度及其直徑各段名稱長度值(mm)26242420直徑(mm)30323230圖3-6 中間軸 (2)同樣用振動驅動馬達的最大扭矩

46、來校核中間軸的扭矩強度，這里最小的直徑是30mm，遠大于14mm，所以在扭矩方面是安全的。因為中間軸的任務就是傳遞運動，幾乎沒承受什么彎矩，也就是說在彎矩方面也是安全的，沒必要校核。3.2.3 振動軸的設計及強度校核振動軸的轉速大小和振動軸的轉速大小相等，而且必須相等，方向相反，它們對稱分布于主軸兩側。所以振動軸的結構和振動軸的結構類似，只不過它是傳遞運動的終結者，它不再傳遞運動給任何部件，而振動軸既要接受來自振動驅動馬達的運動，還要傳遞運動給中間軸。比起振動軸，它不再需要右端的矩形內花鍵部分和裝過度齒輪部分。還是選擇40cr作為振動軸的材料，調制處理。兩端安裝軸承部分的直徑及安裝偏心軸的直徑

47、及長度和振動軸相等。振動軸所承受的扭矩應該比振動軸所承受的扭矩要小，而所承受的彎矩應該和振動軸幾乎一樣大，因為兩個偏心軸的質量和偏心距一樣大，所以沒必要再進行強度校核。振動軸的形狀如圖3-7所示。圖3-7 振動軸 各段的長度和直徑大小如表3-5所示。表3-5 振動軸的各段長度及其尺寸各段名稱長度值(mm)191406119直徑(mm)354035323.2.4 回轉主軸的設計(1) 回轉主軸的設計回轉主軸是動力頭最重要的部件之一。作為動力頭的執(zhí)行件，它的功能是支承并帶動鉆柱實現回轉鉆進，用回轉驅動馬達通過回轉支承進行驅動，下端與鉆柱連接，上端通過法蘭孔徑向固定在箱體上蓋板上。下面是回轉主軸設計

48、的幾點要求：1) 旋轉精度?；剞D主軸的旋轉精度指的是在裝配以后，在零載荷、低速轉動的條件之下，在連接鉆柱的主軸部位的徑向和端面圓跳動。旋轉精度主要取決于主軸，回轉支承，箱體孔等的制造，裝配和調整精度。例如回轉支承的圓度，回轉支承的滾道及滾子的圓度，主軸以及隨其回轉零件的動平衡等因素，均可造成徑向圓跳動?；剞D支承的支承端面、主軸軸肩以及相關的零件端面對主軸回轉中心線垂直度誤差，推力軸承滾道以及滾動體誤差等會造成回轉主軸的端面圓跳動。旋轉精度誤差會縮短主軸及回轉支承的壽命，所以旋轉精度是回轉主軸設計的一項重要指標，在設計過程中，應引起足夠的重視。2) 抗振性。主軸部件的抗振性指的是抵抗受迫振動和自

49、激振動的能力。在工作過程中，主軸部件不僅受到靜態(tài)力作用，同時還受沖擊力和振動力的干擾，使主軸產生振動?；剞D主軸的抗振性不高，同樣會縮短主軸和回轉支承的使用壽命。在設計回轉主軸的過程中，同樣不能忽略。3) 溫升和熱變形?；剞D主軸在工作過程中，由于回轉支承的摩擦生熱，使主軸的溫度升高。溫度升高后會使?jié)櫥偷恼扯冉档?，對回轉主軸的工作性能產生一定的影響。4) 精度保持性。回轉主軸的精度保持性指的是長期保持其原始制造精度的能力?；剞D主軸喪失其原始制造精度的主要原因是磨損，主要是回轉支承的磨損。磨損的速度與摩擦的種類有關，還與結構特點、材料的熱處理方式、表面粗糙度、潤滑、防護以及使用條件等許多因素有關。

50、所以要想長期保持主軸部件的精度，就必須提高回轉主軸的耐磨性。對耐磨性影響較大的因素主要有回轉主軸的材料、軸承的類型、軸承的材料及潤滑防護方式等?；剞D主軸的傳動方式主要有帶傳動、齒輪傳動、液壓馬達直接驅動等。對于主軸傳動方式的選擇，主要取決于主軸的轉速、對運動平穩(wěn)性的要求、所傳遞的轉矩、以及結構緊湊、裝卸維修方便等要求。這里要求動力頭的設計要求結構簡單、緊湊，而且主軸承受的扭矩較大，要求能承受較大的振動力，回轉的速度比較高。由于齒輪傳動的特點是結構簡單、緊湊，能傳遞較大的轉矩，能適應變轉速、變載荷工作，應用最廣。所以，回轉主軸的傳動方式應采用齒輪傳動。如圖3-8所示。圖3-8 回轉主軸傳動方式 為了提高回轉主軸的剛性和抗振性，采用三個支承，即上、中、下三個，中間回轉支承，上蓋板支承，下蓋板支承，其中中