200米液壓鉆機(jī)變速箱的設(shè)計(jì)

摘要

隨著我國地質(zhì)勘探、工程建設(shè)和農(nóng)田水利等事業(yè)的發(fā)展，對各種鉆探設(shè)

備提出了更多的要求。鉆機(jī)作為鉆探設(shè)備的重要工具之一，在這些工程中起

了舉足輕重的作用。為了適應(yīng)當(dāng)前各種勘探工作和工程建設(shè)項(xiàng)目對淺孔鉆機(jī)

的要求，本設(shè)計(jì)任務(wù)在TXU-150型鉆機(jī)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了一些改進(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)使用的環(huán)境和場合，運(yùn)

用比較和參照的方法，借鑒同類型鉆機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過比較分析，重點(diǎn)對

變速箱重新進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。在此基礎(chǔ)之上運(yùn)用綠色設(shè)計(jì)的理念，對不影響鉆

機(jī)性能的環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化。最后，設(shè)計(jì)出的200米鉆機(jī)理論上滿足鉆探深度

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)鍵字地質(zhì)勘探鉆機(jī)變速箱

Abstract

Withthehighdevelopmentofgeologyexplore,engineeringconstructions,

andfarmlandirrigationinourcountry,variousdrillingequipmentsareput

forwardmorerequests.Asoneofthemostimportanttoolsinexplore

manchines,drillmachinehavingtheprominentfunctionintheseengineering

constructions.Foradaptingtovariouscurrentexploreworksandengineering

constructions,whichgivesdrillmanchinesmorenewrequests.Thisdesignmission

startedonthefoundationofTXU-150drillmachine,andthancarriedonsome

improvements.Asaresult,anewliquidpressuredrillmanchinewhichcandrill

holesasdeepas200metreswasdesigned.Accordingtothedrillenvironmentand

situationsofthemachineusage,thisdesignmissionusedofthecomparison

method,takeddesignparameterfromthesamekindtypedrillmachines.Passed

moreanalytical,!redesignedthegear-boxofthe200-metredrillmachineasmy

keywork.Atthisfoundationonmakeuseoftheprincipleofgreendesign,tonot

affectedthefunctionofthemachine,itcarryonoptimaldesign.Attheendofthe

work,thedesignedmachinesatisfytodrillholesofdepthas200metersin

theorety.Atthesametime,itsavethemanufacturingcostsandproducingtimeas

couldaspossible.

Keywordsgeologyexploredrillmachinegear-box

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)，主要原因是當(dāng)前我國地質(zhì)勘探、

工程建設(shè)和農(nóng)田水利等事業(yè)正在逐漸完善，對各種鉆探設(shè)備尤其是鉆機(jī)提出

了更多的要求?，F(xiàn)在市場上流行的鉆機(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，

我們通過調(diào)查和了解發(fā)現(xiàn)，隨著生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的擴(kuò)大，市場對上鉆探深度為

幾百米的液壓鉆機(jī)的需求量正在逐步上漲，尤其是鉆探深度為200左右的鉆

機(jī)，市場前景更加樂觀。變速箱是鉆機(jī)中最重要的部分之一，通過對鉆機(jī)變

速箱的設(shè)計(jì)改進(jìn)，就解決了鉆機(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)

間接推動(dòng)了我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，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。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。

1.2.2對鉆機(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。概括起來說，

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。

根據(jù)鉆機(jī)的基本功用，對鉆機(jī)具體要求如下：

1.通過回轉(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。

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。

1.2.4鉆機(jī)的分類和名稱

隨著鉆探工程在國民經(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，對識(shí)別、評價(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—lo

表1—1(m)

類別淺孔鉆機(jī)中深孔鉆機(jī)深孔鉆機(jī)

[10—300300—800800—1200

1110—300300—8001000—2000

按四類分類見表1-2o

表1—2(D1)

淺孔鉆機(jī)次深孔鉆機(jī)中深孔鉆機(jī)深空鉆機(jī)

10—150200—400500—800900以上

⑶按原來地質(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、長油缸式、油馬達(dá)一鏈

輪式。

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)，可用漢語拼音字母中的一個(gè)字母或數(shù)字為代號(hào)。無尾

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。

1.3本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

1.設(shè)計(jì)題目：200米液壓鉆機(jī)變速箱的設(shè)計(jì)

主要技術(shù)參數(shù)：見表1—1

表1—1

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—360"

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)用場合

200米型鉆機(jī)主要用于鉆探深度為200米的各種角度的放水孔、地質(zhì)構(gòu)

造孔、滅火孔、抽放瓦斯孔及鐵路、公路、橋梁、隧道、國防建設(shè)、工業(yè)民

用建設(shè)、農(nóng)田打井及地質(zhì)勘探、工程爆破以及其它用途的各種工程孔。

該機(jī)可用于不同硬度的巖石中鉆探任何角度的鉆孔，而在煤層、軟巖層、

硬巖層中鉆孔和農(nóng)田打井時(shí)效率為最高。整個(gè)機(jī)組由兩部分組成，即200米

鉆機(jī)、TBW—150/3.0泥漿泵。鉆機(jī)沖洗液為泥漿或清水。在地面鉆探不需要

使用鉆塔，只要有一定高度的三角架可供提升使用就可以。

本200米鉆機(jī)配備動(dòng)力為電動(dòng)或柴油機(jī)，適用于井上、井下或野外沒有電

源的場地作業(yè)。

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)

通過市場調(diào)研了解到，目前鉆探工程對鉆孔深度200米左右的鉆機(jī)需求

量日趨增加，而當(dāng)前的200米鉆機(jī)，存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。

鑒于以上原因，我們決定改進(jìn)200米鉆機(jī)。經(jīng)幾次方案討論決定，鉆機(jī)應(yīng)具

有以下特點(diǎn)：

1.經(jīng)濟(jì)耐用可靠、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉；

2.便于解體搬運(yùn)；

3.體積小，重量輕；

4.操作簡單，維修方便；

5,適用于①42、中50mm兩種鉆桿；

6.適用于合金鉆頭或金剛石鉆頭鉆進(jìn)；

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

經(jīng)過調(diào)研和幾次方案論證，考慮到現(xiàn)場特點(diǎn)，從實(shí)用角度出發(fā)，確定方

案如下：

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)，絞車速度不能太快，所以增加了互鎖裝置，安全可

-fcfcs*

罪；

5.由于本機(jī)動(dòng)力較大，動(dòng)力由V型帶傳動(dòng)到變速箱的傳動(dòng)軸上易使傳動(dòng)

軸彎曲，所以增加了卸荷裝置；

6.采用二級回歸式變速箱，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。

2.3鉆機(jī)的技術(shù)特性和要求

考慮到鉆機(jī)的實(shí)際工作情況，根據(jù)我國當(dāng)前生產(chǎn)技術(shù)和工藝水平，本

TXU—200型鉆機(jī)的技術(shù)特性為：

1.鉆進(jìn)深度（使用①42或中50鉆桿）200m

2.鉆孔直徑

⑴開孔直徑89m

⑵終孔直徑260mm

3.鉆孔傾斜角度0~360°

4.立軸轉(zhuǎn)速120、240、350、600r/mm

5.立軸行程500mm

6.最大液壓給進(jìn)壓力4MPa

7.卡盤最大工作壓力（彈簧常閉式液壓卡盤）6MPa

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

(DO.70m/s3.35KN

⑵0.61m/s6.00KN

⑶0.26m/s12KN

14.卷筒

⑴直徑140mm

⑵寬度100m

⑶鋼絲繩直徑8.8mm

⑷容繩長度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

根據(jù)現(xiàn)場需要，動(dòng)力機(jī)的選擇偏大些，加大儲(chǔ)備系數(shù)，這樣可以提高鉆

進(jìn)效率。

輸出功率為M

N()=l.lNj(3—1)

式中：/一鉆機(jī)所需功率(KW)

7

式中：M一回轉(zhuǎn)鉆及破壞巖石、土層所需功率(KW)

7一效率〃=0.9

Ny—油泵所需功率(KW)

3.2回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及破碎巖石、土層所需功率

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及破碎巖石、土層所需功率計(jì)算公式如下:

N廣N+M+M（3—2）

式中：乂一井底破碎巖石、土層所需功率(KW)

5A

3060000

式中：m一鉆頭切削刃數(shù)取m=6

n—立軸轉(zhuǎn)速(r/min)r/min

h一鉆進(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=l.5cm/min

8—巖石抗壓強(qiáng)度,其值見表3-1

A一井底環(huán)狀面積，取鉆頭直徑D=7.7cm,內(nèi)孔直徑d=5.9cm

A/Q"）」（萬-5.92）;以3面

44

M一鉆頭與孔底摩擦所需功率(KW)

N二bxfxexn

2~1944800

式中：3一孔底壓力或巖石抗壓強(qiáng)度；

/一鉆具與巖石直接的摩擦系數(shù)f=0.5

e一側(cè)摩擦系數(shù)e=l.1

n一立軸轉(zhuǎn)速(r/min)

R一鉆頭外圓半徑(cm)R=3.85cm

r一鉆頭內(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3-1o

以一回轉(zhuǎn)鉆桿所需功率(KW)

當(dāng)n<200r/min時(shí)

=7.8x10-"xLxJx/i17

當(dāng)n>200r/min時(shí)

2L33

Af3=O.92xlO-"xJxrxLx/2

式中：L一孔深(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一鉆桿直徑(mm)取d=50mm

n一立軸轉(zhuǎn)速(r/min)

r一沖洗液比重，r=l.15

將上述參數(shù)及立軸不同轉(zhuǎn)速代入上式，所得值列表3—2中。

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。=55mm

⑶活塞桿直徑d=30mm

⑷活塞桿有效行程500mm

⑸油缸面積A=23.75cm2

⑹活塞桿面積A=7cm2

⑺有效面積A=A1-A=16.76cm2

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+Fin

式中：W一油缸最大推力(N)

。一孔底最大壓力(N)C=13345N

匕一鉆桿與孔壁間的摩擦力(N)

Fm=qxLxf

式中：q—鉆桿單位長度重量(N/m)q=55.46N/m

L一鉆桿長度(m)￡=200m

/一摩擦系數(shù)f=0.35

Fm=55.46x200x0.35=3882.2N

故W=13345+3882.2=17227.2N

⑵油泵的工作壓力P

17227.2

=10.28MPa

16.76

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：

匕=AxL=23.75x50=1.187L

⑵油缸送進(jìn)時(shí)的最大容油量：

%=AXL=16.76X50=0.838L

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：

C=2Av=2x0.1676x0.5=0.166L/min

⑷令活塞回程時(shí)間為0.3min,則回程所需油量為：

1.187x2

2,=7.913L/min

0.3

3.3.4給進(jìn)油缸功率計(jì)算

根據(jù)以上的計(jì)算，可以得到給進(jìn)油缸的功率:

PQ1027.88x0.166

=0.028KW

60x10260x102

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,最大壓力12MPa)o油泵滿負(fù)荷時(shí)所需功率是：

(3-4)

式中：尸一額定壓力(N/ciM)P=800N/cm2

。一額定流量(L/min)Q=12L/min

7i—機(jī)械效率7=0.9

%—容積效率%=0.71

將上述參數(shù)代入式(3—4)中可以得到:

800x12

N、,=2.45KW

60x102x0.9x0.71

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

通過上述的計(jì)算說明，立軸鉆進(jìn)時(shí)給進(jìn)所需功率很小，而且油泵滿負(fù)荷

工作時(shí)一般是立軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，液壓卡盤松開時(shí)，必須停止鉆進(jìn)。所以參

考表3—1,本機(jī)選用15KW電機(jī)或柴油機(jī)，基本能滿足表3—1中粗線以上

各種工作狀態(tài)。

表3—1各種類型巖層的抗壓強(qiáng)度(N/cn?)

巖石名稱抗壓強(qiáng)度b

粘土、頁巖、片狀砂巖4000

石灰?guī)r、砂巖8000

大理石、石灰?guī)r10000

堅(jiān)硬的石灰?guī)r、頁巖12000

黃鐵況、磁鐵礦14000

煤2000

表3-2電機(jī)功率選擇計(jì)算

^速r/min

功率N(KW)抗壓贏7^120240350600

(N/cm2)

20000.217680.258870.115320.13195

40000.435370.517750.230640.26391

N180000.870751.035500.461280.52782

100001.088441.294380.576600.65978

120001.306131.553260.691920.79173

140001.523821.812140.807240.92369

20000.461530.923071.346152.30769

40000.923071.846152.692304.61538

N280001.846153.692305.384619.23076

100002.307694.615386.7307611.5384

120002.769235.538468.0769213.8461

140003.230766.461539.4230716.1538

N32.677.754.89.83

20003.349228.931956.2614712.2696

40004.0284510.11397.7229514.7093

80005.3869112.477810.645919.5885

N回轉(zhuǎn)器

100006.0661313.659712.107322.0282

(N1+N2+N3)

120006.74536414.8417213.5688524.46789

140007.42459216.0236815.0303326.90754

N油泵0.0280.0280.0280.028

20003.3772278.9599546.28947512.29765

40004.05645510.141917.7509514.7373

N80005.4149112.5058210.673919.61659

（N油+N回）100006.09413713.6877712.1353822.05624

120006.77336414.8697213.5968524.49589

140007.45259216.0516815.0583326.93554

%=N/0.98.28065811.2687913.483813.6640

N?=l.IN.9.10872412.3956714.832115.0304

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

立軸的轉(zhuǎn)速，主要取決于地質(zhì)條件、鉆頭直徑及鉆進(jìn)方式，當(dāng)使用直徑

為75mm鉆頭時(shí)，采用硬質(zhì)合金和鉆粒，根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，立軸轉(zhuǎn)速取

n=90~400r/min比較適宜；采用金剛石鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，立軸轉(zhuǎn)速取n=400?

1000r/min比較適宜。本機(jī)選用120?600r/min,即適合合金鉆頭鉆進(jìn)，由適

合金剛石鉆頭鉆進(jìn)。

4.1.2絞車

為了減輕鉆機(jī)重量，不使動(dòng)力機(jī)過大，絞車的纏繩速度不宜過高，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4一1

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/min120240350600

纏繩速度m/s0.260.610.70—

4.1.3變速箱

參考國內(nèi)外現(xiàn)有小型鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速系列，本機(jī)采用了不規(guī)則排列的中間轉(zhuǎn)

速系列。

立軸有四種轉(zhuǎn)速，120、240、350r/min轉(zhuǎn)速適合合金鉆頭鉆進(jìn)，600r/min

轉(zhuǎn)速適合金剛石鉆頭鉆進(jìn)。

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

根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)路線，立軸的轉(zhuǎn)速計(jì)算如下:

n,="x-^1-x—x—x

。2Z[Z4Z]]

式中:4—立軸的第一檔轉(zhuǎn)速(r/min)

n—電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)n=1460r/min

。一主動(dòng)皮帶輪直徑(mm)Di=160mm

D-,一大皮帶輪直徑(mm)D2=355mm

Zi—Zn傳動(dòng)鏈中各齒輪的齒數(shù),Zi=25,Z2=31,Z3=19,Z4=40

Zio=2O,Zn=39

i“八160251920?

故rt=l460x-----x—x——x—=125.26?120r/zmin

1355314039

第二檔、第三檔和第四檔轉(zhuǎn)速分別計(jì)算如下：

第二檔:〃產(chǎn)〃x3x4x馬x冬

4Z[Z6Z]]

式中:Z5=28,Z6=31

故nii1460X—X—X—X—=245.86?240r/min

355313139

第三檔:nm=nx—xZ-x4^

D?Z4內(nèi)Zu

式中：Z4內(nèi)=24

故n=1460x—x—x—=351.5^350r/min

m3552439

〃產(chǎn)〃馬馬玩

第四檔:x2x&xxx

2z?Z&Zg內(nèi)Z][

式中：Z7=46,Z8=21,Z6內(nèi)=21

16025472120…….

故niv=1460x-----x—x—x—x—=609.1?600r/min

35531212131

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/mino

4.2.2絞車的纏繩速度

第一檔速度：

_￡2_x（nx^LxAZlAx^ll）

匕xxm/s

60000D2Z,Z4Z12Z14

式中：0=2+1=140+8.8=148.8mm

式中：￡>o=14Omm為卷筒直徑,d=8.8mm為鋼絲繩直徑0

7rxi48.8

故v.二-x-（-1-4-6--0xWx竺lx當(dāng)%竺）=0.28M

1600003553138831854

同樣方法可以得到：

v2=0.68m/sv3=0.75m/s（計(jì)算從略）

考慮到皮帶、軸承、齒輪等的效率，確定絞車提升速度分別為:

4=0.26msC/2=0.61m/st/3=0.70m/So

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)

變速箱的結(jié)構(gòu)有變速部分、分動(dòng)部分、操縱部分和箱體組成。本設(shè)計(jì)中

變速部分和分動(dòng)部分合為一整體，縮小了箱體的結(jié)構(gòu)尺寸。其具體特點(diǎn)是：

1.采用了回歸式的傳動(dòng)形式，箱體呈扁平狀，有利于降低鉆機(jī)的高度，

齒輪方即使移動(dòng)齒輪又是結(jié)合子，因此結(jié)構(gòu)緊湊；

2.變速、分動(dòng)相結(jié)合，減少了零件的數(shù)目，有效利用變速箱內(nèi)的空間；

3.操縱機(jī)構(gòu)采用了齒輪齒條撥叉機(jī)構(gòu)，操縱靈活可靠，每個(gè)移動(dòng)齒輪單

獨(dú)控制，并有互鎖裝置，這種互鎖裝置安全可靠，結(jié)構(gòu)簡單；

4.增加了卸荷裝置，減少了齒輪的受力。

5.1.2設(shè)計(jì)要求

1.在校核零件強(qiáng)度時(shí)，假設(shè)電機(jī)的功率全部輸入變速箱，然后再輸入絞

車和回轉(zhuǎn)器；

2.變速箱在不更換齒輪的情況下，可連續(xù)工作10000小時(shí)，純機(jī)動(dòng)時(shí)間

每班16小時(shí)，可連續(xù)工作20個(gè)月。

每種速度的工作時(shí)間分配情況見表6-1o

表5-1變速箱四種速度工作時(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)

12030%3000

24030%3000

35020%2000

60020%2000

3.本設(shè)計(jì)零件的強(qiáng)度和壽命計(jì)算方法和數(shù)據(jù)是按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》(化學(xué)

工業(yè)出版社)計(jì)算的。

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，前面已經(jīng)初步選擇各齒輪的齒數(shù)，由鉆機(jī)的實(shí)際

情況，變速箱內(nèi)各齒輪的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表6—2。

表5-2變速箱內(nèi)齒輪的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

變位

齒輪備

齒數(shù)z模數(shù)m齒寬b系數(shù)材料硬度RC應(yīng)力角

編號(hào)注

X.,

z,254401.040Cr40--5020°

z2314300.7640Cr-10--5020°

z319430020CrMnTi57-6220°

z440430040Cr40--5020°

z528425040Cr40--5020°

z631425040Cr40--5020°

z7473.525-1.0340Cr40--5020°

z8213.5350.0440Cr40--5020°

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、Z.,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T,

p14q6g

7；=9.55X106X—=9.55X106X—251369.8N?mm

%530.67

②齒寬系數(shù)查閱相關(guān)手冊，取為=04

③接觸疲勞極限查閱相關(guān)手冊，Z：,、Z”兩齒輪的接觸疲勞極限分別

為：%m3=l080MPao-wlim4=970MPa

④初步計(jì)算的許用接觸應(yīng)力［。?。萜?.9X/.3=09x1080=972MPa

[]仁0.9X(T=0.9x970=873MPa

-7711014

⑤4值查閱相關(guān)資料，取A”=88

⑥初步計(jì)算小齒輪直徑4

=72.56mm

取4=73mm

⑦初步齒寬bh=(pdxd3=0.4x76=30.4mm取b=30mm

⑵參數(shù)選取計(jì)算

①圓周速度V

7cd,n3.14x73x530.67

v=-----:---=2.03m/s

60x100060000

②使用系數(shù)K,查閱相關(guān)資料，取七=1.25

③動(dòng)載系數(shù)《查閱相關(guān)資料，取K、=1.15

④齒間載荷分配系數(shù)K.

由相關(guān)資料，先求小齒輪切向力耳

?2x7；2x251369.8.

F,=-----1=---------------=6614.9Q9QNT

473

K.-F,1.25x6614.99,

然后有41=-----------------=168.75N/mm

b30

>100N/mm

同時(shí)￡“=4(空)+2式也)

'Z3Z4

查閱相關(guān)資料得^攵生=0.017

A

故4=19*0.038+40X0.017=1.40

從而可以得到重合度系數(shù)與

14—1.40

=0.93

由此可得=1.16

KH=—2=—2

HaZ￡0.93

⑤齒向載荷分布系數(shù)K”

查閱相關(guān)資料得到：

bb

=A+即+0.6-](丁)2+C?10-3。

痣4

3()30

=1.17+0.16[1+0.6(—)2](—)2+0.61x10-330

7676x

=1.81

⑥載荷系數(shù)K

KMK/KJKH/KH。

=1.25X1.15X1.16X1.81

=3.02

⑦載荷系數(shù)ZE查閱相關(guān)資料，取ZE=189.8MPa"?

⑧節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)Z”查閱相關(guān)資料,取Z，=2.5

⑨接觸最小安全系數(shù)品所查閱相關(guān)資料，取S“.=L05

⑩總工作時(shí)間4按照要求乙=10000h

(Q)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)時(shí)查閱相關(guān)資料，估計(jì)

NL3-60?7%人=60x1x530.67x10000

=3.18X108

TV、=60?7〃/=60x1x252.07x10000

=1.51X10'

?接觸壽命系數(shù)Z,、,

查閱相關(guān)資料，取ZN3=112,ZN4=1.14

?許用接觸應(yīng)力

[crW3l=b"Hm3Zv3=1080XL12=h52MPa

S.1-05

04]=b""m4'Z,v4=970XL14=]053MPa

lim1.05

⑶校核驗(yàn)算

2K7；("+1)

0rH3=ZEZ.Z,

bd；u

2x2.13x251396.8x(2.11+1)

=189.8x2.5x0.94.

30X762X2.11

=1054.16MPa

77l2KT4(u+l)

=189.8x2.5x0.94x、國」3x513321.5x(2.11+1)

V30X1602X2.U

=715.5MPa

計(jì)算結(jié)果表明，<TW3<[crw3]?crH4<[cH4],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)工

=0.25+—075=0.25+X075=0.786

1.40

②齒間載荷分配系數(shù)

查閱相關(guān)資料，KFA=』=總=1.23

匕Q81

③齒向載荷分布系數(shù)K

查閱相關(guān)資料，要得到K./的值先要求2。

h

-=---=--------=3.32

h(ha+hf)(4.76+4.26)

從資料中可以查出,右,=1.43

④載荷系數(shù)K

K=KA?KV?KHK..0

=1.25X1.15X1.23X1.43

=2.53

⑤齒形系數(shù)4查閱相關(guān)資料，取匕*=2.58,%4=2.35

⑥應(yīng)力修正系數(shù)h查閱相關(guān)資料，取%3=L64,%4=171

⑦最小彎曲疲勞極限O.

查閱相關(guān)資料，取b~m3=55OMPa,o“m4=470MPa

⑧彎曲最小安全系數(shù)Sf.查閱相關(guān)資料，取S—=1.25

⑨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)根

查閱相關(guān)資料，取“3=2.87x108,%4=136x108

⑩彎曲壽命系數(shù)%查閱相關(guān)資料，取乙3=691,匕4=0.95

0尺寸系數(shù)匕查閱相關(guān)資料，?。?L。

。許用彎曲應(yīng)力

550x0.91x1.0

夕I—川1-_。1加-3.%3.匕=400.4MPa

?Flim1.25

，1im4470x0.95x1.0

[bg]==357.2MPa

Sflimk25

⑵校核驗(yàn)算

也.

。3h3s

bd3m

2x2.53x251369.8

=-------------------------x2.5c8ox1.64x0A.8O11

30x76x4

=298.74MPa

2.35x1.71

。＞4298.74x

2.58x1.64

=283.72MPa

計(jì)算結(jié)果表明，*<[*],彎曲疲勞強(qiáng)度合適。

由于傳動(dòng)中無嚴(yán)重過載，故不作靜強(qiáng)度校核。

5.3軸的強(qiáng)度計(jì)算與校核

在變速箱中共有三根軸，其中III軸相對尺寸直徑小，長度大，所受到的

力多。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)，向回轉(zhuǎn)器傳遞4種狀態(tài)的動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)絞車的3

種轉(zhuǎn)速。相比而言回轉(zhuǎn)器120r/min的轉(zhuǎn)速時(shí)該軸受扭矩最大，受力最大。

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—3o

表5—3III軸的各檔轉(zhuǎn)速及其傳遞的功率、轉(zhuǎn)矩

速度序號(hào)