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第一章 緒 論
1.1 選題意義
目前越來(lái)越多的大規(guī)模交通、鐵道、電力、地鐵、水利等建設(shè)活動(dòng)過(guò)程中都需要水平定向鉆探技術(shù)，即非開挖施工技術(shù)。該技術(shù)與開挖施工技術(shù)相比，具有不影響交通、不破壞環(huán)境、施工周期短、社會(huì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)?？蓮V泛應(yīng)用于穿越公路、鐵道、建筑物、河流，以及在鬧市區(qū)、古跡保護(hù)區(qū)、農(nóng)作物和植被保護(hù)區(qū)等條件下進(jìn)行的供水、煤氣、電力、電訊、石油、天然氣等管線的鋪設(shè)，更新和修復(fù)。
1.2 國(guó)內(nèi)外概況
1900年美國(guó)人采用頂管法成功地實(shí)現(xiàn)了非開挖鋪設(shè)管線的技術(shù)突破。非開挖技術(shù)經(jīng)歷60年的發(fā)展，先后只發(fā)明了螺旋鉆進(jìn)法和沖擊矛法技術(shù)。1970年美國(guó)加洲人率先使用“水平導(dǎo)向鉆進(jìn)法”穿過(guò)河流鋪設(shè)第一條采用此技術(shù)的管道，成為創(chuàng)立“水平導(dǎo)向鉆進(jìn)法”的第一人。由于他經(jīng)常到全美各地推廣此技術(shù)。因此，“水平導(dǎo)向鉆進(jìn)法”成為非開挖施工所普遍采用的施工工藝。隨著非開挖技術(shù)的不斷成熟，人們又針對(duì)不同的管網(wǎng)情況，1980年發(fā)明了“脹管法”（爆管法），此技術(shù)逐步推行開來(lái)，特別是自來(lái)水行業(yè)運(yùn)用較多。
國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀：非開挖鋪設(shè)更換管道技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)越性，已被人們逐步接受，特別是在大中城市，商業(yè)繁華地區(qū)普遍采用此項(xiàng)技術(shù)，我國(guó)香港特別行政區(qū)已運(yùn)用很久。但內(nèi)地還處在起步階段
1.3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)
所謂定向鉆探，就是在鉆探和鉆井施工中，利用土層造斜規(guī)律，采用人工造斜手段，或者兩種同時(shí)并用，使井孔按照設(shè)計(jì)的軌跡鉆達(dá)預(yù)定目標(biāo)的鉆進(jìn)方法。在鉆探施工中，根據(jù)地質(zhì)條件，合理采用定向鉆進(jìn)方法，不但能夠提高工程量，節(jié)約施工費(fèi)用，而且能夠縮短施工時(shí)間，獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。
而對(duì)鉆孔深度300米左右的水平定向鉆機(jī)需求量比較大，以往的300米水平定向鉆機(jī)，存在著機(jī)械式、笨重、使用不方便等缺點(diǎn)。鑒于以上原因，此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我的導(dǎo)師陳少云老師讓我對(duì)300米水平定向鉆機(jī)（FDP-15D）進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)調(diào)研，我覺得水平定向鉆機(jī)是一種小型液壓鉆機(jī)，應(yīng)有以下特點(diǎn)：
1. 經(jīng)濟(jì)耐用可靠、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉；
2. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制造；
3. 操作簡(jiǎn)單，維修方便；
4. 適用于、兩種鉆桿；
5. 鉆進(jìn)速度快，效率高；
6. 施工周期短、綜合施工成本低、社會(huì)效益顯著。
7. 隨著水平定向鉆探技術(shù)的發(fā)展，這種鉆機(jī)應(yīng)具有良好的發(fā)展空間。
第2章 FDP-15D鉆機(jī)總體方案的確定
2.1 具體方案的確定
經(jīng)過(guò)陳老師的細(xì)心指導(dǎo)和長(zhǎng)時(shí)間的搜集和查閱資料，我對(duì)鉆機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理都有所了解。鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)與其所采用的鉆進(jìn)工藝相關(guān)聯(lián)。目前國(guó)內(nèi)外都正在研制和應(yīng)用全液壓鉆機(jī)。全液壓鉆機(jī)同傳統(tǒng)鉆機(jī)一樣，都是用來(lái)完成鉆進(jìn)和升降鉆具等基本工序，以實(shí)現(xiàn)采取巖心，達(dá)到探礦的目的。從結(jié)構(gòu)上看，全液壓鉆機(jī)可以分為立軸式全液壓鉆機(jī)和動(dòng)力頭式全液壓鉆機(jī)。二者相比較，動(dòng)力頭式全液壓鉆機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、操作簡(jiǎn)便、可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、加壓給進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，工作效率大大改善。并且動(dòng)力頭式全液壓鉆機(jī)也是鉆機(jī)的發(fā)展方向之一。綜合各方因素，我選擇設(shè)計(jì)水平定向動(dòng)力頭式全液壓鉆機(jī)。
具體方案如下：
1. 考慮到此鉆機(jī)常用于戶外作業(yè)，動(dòng)力可選柴油機(jī)。
2. 鉆機(jī)應(yīng)用螺紋連接鉆頭精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，節(jié)約時(shí)間，提高有效鉆進(jìn)速度。
3. 動(dòng)力頭采用單極齒輪減速器，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。
4. 在滿足上述要求的同時(shí)，盡量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。
2.2 技術(shù)特性
1. 最大鉆進(jìn)深度
2. 導(dǎo)向孔直徑
3. 鉆桿直徑
4. 動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速
第3章 FDP-15D鉆機(jī)結(jié)構(gòu)方案的確定
一臺(tái)全液壓鉆機(jī)主要包括主機(jī)、動(dòng)力設(shè)備和操縱臺(tái)三個(gè)部分。
3.1 主機(jī)部分
水平定向全液壓鉆機(jī)的主機(jī)包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、給進(jìn)機(jī)構(gòu)等基本部件。
3.1.1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，就是移動(dòng)式回轉(zhuǎn)器，亦稱為動(dòng)力頭。動(dòng)力頭是鉆機(jī)的重要組成部分，主要由回轉(zhuǎn)馬達(dá)、減速器、水接頭組成。它的功能有二：一是傳遞扭矩，以帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)或擰卸鉆桿；二是動(dòng)力頭由給進(jìn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，以傳遞向上或向下的軸向力及其運(yùn)動(dòng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)加減壓給進(jìn)。
本全液壓鉆機(jī)通常采用導(dǎo)向鉆桿，其鉆進(jìn)工藝對(duì)動(dòng)力頭的基本要求有下列幾點(diǎn)：
1) 動(dòng)力頭的鉆數(shù)和扭矩應(yīng)是可調(diào)的，最好的方案是無(wú)級(jí)調(diào)速，以適應(yīng)鉆進(jìn)工藝的需要。
2) 轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)節(jié)范圍應(yīng)滿足鉆進(jìn)工藝的需要。
3) 具有正反轉(zhuǎn)的能力。
4) 回轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動(dòng)少和噪音不大等。
動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，取決于地質(zhì)條件、鉆頭直徑以及鉆進(jìn)方式。由于是全液壓鉆機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，馬達(dá)的調(diào)速范圍在8~300r/min之間完全滿足鉆機(jī)的要求。采用導(dǎo)向鉆桿鉆進(jìn)時(shí)，要求高轉(zhuǎn)速。國(guó)外的最高轉(zhuǎn)速以達(dá)2000～3000r/min；國(guó)內(nèi)大致在1000～1500r/min，而從處理事故和擰緊鉆桿的要求，則需要低速檔，一般為200～300r/min。本設(shè)計(jì)動(dòng)力頭的轉(zhuǎn)速范圍為1－60、 1－120r/min。
本設(shè)計(jì)的動(dòng)力頭主要特點(diǎn)如下：
1. 油馬達(dá)上裝有安全閥，可自動(dòng)進(jìn)行過(guò)載安全保護(hù)。
2. 無(wú)液壓卡盤，采用螺紋連接結(jié)構(gòu)，使整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化。
3. 結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省原材料。
4. 殼體由鑄鐵制成，故有良好的工藝性。
動(dòng)力頭按照回轉(zhuǎn)油馬達(dá)的安裝位置不同，可分為裝有油馬達(dá)的動(dòng)力頭（A型）和不裝油馬達(dá)的動(dòng)力頭（B型）兩類。A型動(dòng)力頭與B型動(dòng)力頭相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、工作可靠、重量輕和搬運(yùn)方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)的大多數(shù)均采用A型動(dòng)力頭。本設(shè)計(jì)也采用A型動(dòng)力頭。
A型動(dòng)力頭的工作原理（圖1-1）：油馬達(dá)2經(jīng)齒輪傳動(dòng)箱帶動(dòng)輸出軸回轉(zhuǎn)，從而使鉆具回轉(zhuǎn)。
圖 1-1 鉆機(jī)動(dòng)力頭原理示意圖
1-底座 2-馬達(dá) 3-聯(lián)軸器 4-減速器 5-法蘭盤 6-鉆頭
3.1.2 給進(jìn)機(jī)構(gòu)
給進(jìn)機(jī)構(gòu)是鉆機(jī)的工作機(jī)構(gòu)之一，它對(duì)鉆機(jī)的技術(shù)性能、工作效率以及其應(yīng)用范圍有著極大的影響。全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)給進(jìn)機(jī)構(gòu)的功用有二：一是用來(lái)保證鉆頭具有所需壓力，一是實(shí)現(xiàn)進(jìn)給；二是用來(lái)“倒桿”。
一個(gè)完善的給進(jìn)機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足下列要求：
1) 能調(diào)節(jié)鉆頭壓力，淺孔時(shí)加壓、深孔時(shí)減壓，故要求給進(jìn)機(jī)構(gòu)具有加壓和減壓等機(jī)能，壓力調(diào)定后就應(yīng)保持恒定不便。
2) 給進(jìn)速度是可以調(diào)節(jié)的，并應(yīng)能無(wú)級(jí)調(diào)速，使鉆頭給進(jìn)速度能與機(jī)械鉆速相適應(yīng)。
3) 給進(jìn)行程應(yīng)盡可能的長(zhǎng)。
4) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、操作靈活安全。并應(yīng)配備有儀表來(lái)觀測(cè)鉆頭壓力、進(jìn)尺和鉆速等。
目前，全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)的給進(jìn)機(jī)構(gòu)有油缸液壓給進(jìn)機(jī)構(gòu)和油馬達(dá)—鏈條給進(jìn)機(jī)構(gòu)兩種。大多數(shù)鉆機(jī)采用油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)。
油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)又分為一般油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)和油缸—鏈條倍速給進(jìn)機(jī)構(gòu)兩種。一般油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)是油缸的液壓力或運(yùn)動(dòng)直接作用于動(dòng)力頭和鉆具；油缸的行程和動(dòng)力頭的給進(jìn)行程相等，故又稱為非倍數(shù)油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)。油缸—鏈條倍速給進(jìn)機(jī)構(gòu)是動(dòng)力頭的給進(jìn)行程等于活塞行程的兩倍。本設(shè)計(jì)選用單油缸—鏈條給進(jìn)機(jī)構(gòu)。
單油缸—鏈條給進(jìn)機(jī)構(gòu)工作原理（圖1-2）：給進(jìn)油缸缸體固定在機(jī)架上，活塞桿的前端與帶有鏈輪的連接軸相連接。拖板向后移動(dòng)。每根鏈條的一端都是繞過(guò)鏈輪之后固定在給進(jìn)機(jī)架上，而另一端繞過(guò)鏈輪之后分別與拖板相連接，組成為一個(gè)封閉的倍增傳動(dòng)鏈，拖板行程比活塞行程增大一倍。
圖1-2 給進(jìn)機(jī)構(gòu)示意圖
1-動(dòng)力頭 2-液壓油缸 3-鏈條
3.2 動(dòng)力設(shè)備部分
全液壓鉆機(jī)的動(dòng)力設(shè)備，包括動(dòng)力機(jī)、油泵、油箱、過(guò)濾器、冷卻器等。
3.2.1 動(dòng)力機(jī)
驅(qū)動(dòng)油泵的動(dòng)力機(jī)，一般采用電動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)。在坑道鉆探中，也有采用風(fēng)馬達(dá)的。動(dòng)力機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，一般為1460~1800轉(zhuǎn)/分，國(guó)外鉆機(jī)有增高動(dòng)力機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的趨勢(shì)，高達(dá)2400~3600轉(zhuǎn)/分。這樣可以大大提高油泵排油量，或縮小油泵尺寸和重量，使動(dòng)力機(jī)和油泵小型化。
動(dòng)力機(jī)的功率是設(shè)計(jì)鉆機(jī)的依據(jù)。鉆機(jī)的功用主要是用來(lái)完成鉆進(jìn)工序?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)所需的功率包括破碎孔底巖石和回轉(zhuǎn)鉆具等所需功率，前者基本上不受孔深的影響；后者當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)不高時(shí)隨孔深的變化也不大，當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)較高時(shí)隨孔深增加而增大。
本設(shè)計(jì)采用柴油機(jī)作為動(dòng)力機(jī)。
3.2.2 油泵
油泵是將動(dòng)力機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能的一種裝置，它是液壓傳動(dòng)中的動(dòng)力源。目前，每臺(tái)全液壓鉆機(jī)的油泵站通常有兩個(gè)油泵，一個(gè)為主油泵，它向回轉(zhuǎn)馬達(dá)供油；另一個(gè)為輔助油泵，它向給進(jìn)機(jī)構(gòu)供油。但有的鉆機(jī)（如泰美克250型鉆機(jī)）只有一個(gè)油泵，它向油馬達(dá)及各油缸供油。
油泵類型的選擇應(yīng)能滿足鉆機(jī)工作的特點(diǎn)和要求。由于鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)速度有高有低，一般主油泵選用變量油泵，并且都用軸向柱塞式變量油泵，它能使液動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)容積調(diào)速；輔助油泵多用齒輪油泵，也有選用軸向柱塞式變量油泵的。這時(shí)因?yàn)檩S向柱塞式變量油泵具有 體積小、重量輕、調(diào)速方便、轉(zhuǎn)速高、壓力大等特點(diǎn)，它較適用于鉆機(jī)的工作需要。但定量油泵價(jià)格比較便宜。
本設(shè)計(jì)采用雙油泵，主油泵采用變量泵，輔助油泵采用定量油泵。
3.2.3 油箱
油箱是用來(lái)儲(chǔ)油、散熱、分離油中雜質(zhì)和空氣的裝置。它的形狀和尺寸要根據(jù)鉆機(jī)的總體布置及散熱的需要來(lái)決定。按一般機(jī)械要求，油箱的有效容積為油泵的每分鐘流量的三倍以上。但是，考慮野外工作條件的需要，鉆機(jī)的油箱容積不能太大。而且多數(shù)鉆機(jī)在油箱里裝有冷卻器，因此油液的發(fā)熱大為改善。本鉆機(jī)也采用這種結(jié)構(gòu)。
3.3 操縱臺(tái)部分
“集中手柄操縱”——這是全液壓鉆機(jī)的特點(diǎn)之一。鉆機(jī)的所有控制閥、各種儀表等都集中裝在操縱臺(tái)的控制面板上。從油泵輸出的壓力油經(jīng)高壓橡膠管到各控制閥，操縱控制閥手把的各種不同位置，使壓力油經(jīng)閥板下的軟管分配給各個(gè)液動(dòng)機(jī)，根據(jù)鉆探工藝的需要來(lái)驅(qū)動(dòng)油馬達(dá)、給進(jìn)油缸等，從而完成鉆探各工序的動(dòng)作。因此，操作臺(tái)是鉆機(jī)的操縱驅(qū)紐。
本鉆機(jī)也采用“集中手柄操縱”。
第4章 動(dòng)力機(jī)的確定
4.1 電動(dòng)機(jī)功率的確定
本鉆機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置采用柴油機(jī)，因?yàn)殂@機(jī)多在野外作業(yè)，柴油機(jī)無(wú)需外接能源。本設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的支路組成，油泵——馬達(dá)回路系統(tǒng)和油泵——油缸給進(jìn)系統(tǒng)，且兩油泵共用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，因此鉆機(jī)的電動(dòng)機(jī)的總功率為：
其中：——鉆機(jī)的電動(dòng)機(jī)總功率
——回轉(zhuǎn)鉆桿及破碎巖石所需功率
——給進(jìn)油缸所需功率
4.1.1 油泵—馬達(dá)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
1．基本參數(shù)的確定：
①機(jī)械效率
②液壓傳動(dòng)效率
③鉆頭外徑
④鉆頭內(nèi)徑
其中：——孔底破碎巖石所需的功率
——鉆頭與孔底摩擦所消耗功率
——回轉(zhuǎn)鉆桿所需的功率
——機(jī)械效率 取
——液壓馬達(dá)效率 取
井底破碎巖石所需功率
其中：—?jiǎng)恿︻^轉(zhuǎn)速 r/min
—鉆頭切削刃數(shù) 取
—鉆進(jìn)速度
—巖石抗壓強(qiáng)度 見表4－1
表4－1 巖石抗壓強(qiáng)度
巖 石 名 稱
抗壓強(qiáng)度（N/cm2）
硬 土
1800
其中： － 井底環(huán)狀切削面積
—鉆頭外徑 取
—鉆頭內(nèi)徑 取
將動(dòng)力頭各種轉(zhuǎn)數(shù)以及巖石的不同抗壓強(qiáng)度分別代入上式中所得的相應(yīng)值見表4－2中。
鉆頭與孔底摩擦所需功率
其中：——巖石抗壓強(qiáng)度
——鉆具和巖石間摩擦系數(shù) 取
——側(cè)摩擦系數(shù) 取
——?jiǎng)恿︻^轉(zhuǎn)速
——鉆頭外半徑
——鉆頭內(nèi)半徑
將動(dòng)力頭的不同轉(zhuǎn)數(shù)和不同孔底壓力代入上式中，的相應(yīng)值見
表4－2。
回轉(zhuǎn)鉆桿所需功率
其中：——孔深 取
——鉆桿直徑
——?jiǎng)恿︻^轉(zhuǎn)速
——沖洗液的比重 取
將上述各參數(shù)及動(dòng)力頭的不同轉(zhuǎn)速代入上式中所得值列
表4－2中。
表4－2 功率計(jì)算表
功率
（N/cm2）
30（回托）
60（回托）
120（鉆進(jìn)）
1800
0.22
0.26
0.037
1800
0.71
1.43
0.278
1800
3.15
7.92
19.95
1800
4.08
9.61
20.265
1800
5.1
12.0
25.33
2．馬達(dá)的選擇
馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的確定
其中：— 馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩
— 馬達(dá)的輸出功率，根據(jù)表4－2取得
— 馬達(dá)輸出軸的平均角速度
式中： —馬達(dá)轉(zhuǎn)速
—?jiǎng)恿︻^轉(zhuǎn)速
按120轉(zhuǎn)最大功率計(jì)算，將所求的值列于表4－3。
表4－3 馬達(dá)轉(zhuǎn)矩
120
360
25.13
507.36
25.25
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，用兩個(gè)馬達(dá)分擔(dān)功率，需選用低速大扭矩馬達(dá)。其主要根據(jù)轉(zhuǎn)矩來(lái)選擇。輔助因素包括排量、額定壓力、轉(zhuǎn)速范圍等最終確定。可選用型擺線馬達(dá)，其技術(shù)參數(shù)如下表4－4。
表4－4 馬達(dá)技術(shù)參數(shù)
排量
最高轉(zhuǎn)速
最大輸出轉(zhuǎn)矩
最高工作壓力
重量
3．液壓泵的選擇
液壓泵的選擇主要根據(jù)供油壓力和最大供油量?jī)蓚€(gè)因素決定。
其中：— 馬達(dá)的進(jìn)油壓力
— 馬達(dá)的輸入功率
—馬達(dá)的實(shí)際輸入流量
其中： —馬達(dá)排量
—馬達(dá)的轉(zhuǎn)速
—容積效率
將所求的值列于表4－5。
表4－5 馬達(dá)及泵的流量
120
240
52
104
57.7
115.5
即
其中： — 考慮系統(tǒng)泄露修正系數(shù)，一般。這里取
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)。這里取。
將所求的數(shù)值分別列于表4－6。
表4-6 馬達(dá)的進(jìn)油壓力及排量
壓力
（N/cm2）
120
240
1800
5.52
16.5
由表中的數(shù)值，查《液壓元件手冊(cè)》可選：柱塞泵CCY14-1B,其技術(shù)參數(shù)如下表4－7。
表4－7 柱塞泵的技術(shù)參數(shù)
理論排量
最高壓力
額定轉(zhuǎn)速
驅(qū)動(dòng)功率
容積效率
重量
4.1.2 油泵—油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)
1.給進(jìn)油缸的基本參數(shù)
油缸數(shù)量 1個(gè)
油缸直徑
活塞桿直徑
活塞有效行程
油缸面積
活塞桿面積
有效面積
2.油泵工作壓力的計(jì)算
鉆機(jī)打水平孔時(shí)，油缸最大推力為：
式中：W—油缸最大推力按設(shè)計(jì)要求 ＝150KN
因此，油泵的工作壓力P為：
3. 油泵最大工作流量計(jì)算
油缸回程時(shí)的最大容積油量：
油缸送進(jìn)時(shí)的最大容積油量：
當(dāng)選用動(dòng)力頭的速度時(shí)，動(dòng)力頭送進(jìn)時(shí)每分鐘所需油量為：
令活塞回程時(shí)間為0.3min，則回程所需油量為：
4. 給進(jìn)油缸所需的功率
5．根據(jù)上面的計(jì)算，查《液壓元件手冊(cè)》選用MCY14-1B型柱塞泵，其技術(shù)參數(shù)如下表4—8。
表4－8 型柱塞泵的技術(shù)參數(shù)
排油量
額定壓力
額定轉(zhuǎn)速
驅(qū)動(dòng)功率
容積效率
重量
0.8
6.4kg
4.1.3 泥漿泵
考慮鉆進(jìn)潤(rùn)滑的需要,引進(jìn)HBW150/40型泥漿泵，功率7.5KW。
4.2 柴油機(jī)的選擇
柴油機(jī)的功率
由此，可查的此設(shè)計(jì)選用R6105G36型柴油機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如下表4－9。
表4－9 電機(jī)技術(shù)參數(shù)
額定功率
滿載轉(zhuǎn)速
效率
0.822
第5章 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1 變速箱的設(shè)計(jì)
5.1.1 強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)
1) 在校核零件的強(qiáng)度時(shí)，假設(shè)兩液壓馬達(dá)全部功率輸入動(dòng)力頭，然后再輸入動(dòng)力。
2) 動(dòng)力頭在連續(xù)工作情況下，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。
5.1.2 齒輪強(qiáng)度的計(jì)算
選定齒輪的類型、精度等級(jí)、材料及齒輪。本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案選用直齒圓柱齒輪。考動(dòng)力頭的工作環(huán)境較為惡劣，為增大齒輪使用壽命大小齒輪都選用硬齒面。根據(jù)表5—2選得大小齒輪的材料都為40Cr，并且需要調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48~55HRC。精度等級(jí)選為7級(jí)。齒寬系數(shù)根據(jù)表5—3中的單級(jí)齒輪傳動(dòng)，兩支承相對(duì)齒輪為對(duì)稱布置，且兩齒輪均為硬齒面。選擇齒寬系數(shù)為0.6。因?yàn)槭茌d比較平穩(wěn)、齒輪為硬齒面、支承為對(duì)稱分布，故取。齒數(shù)選擇時(shí)為了避免根切，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，開式齒輪傳動(dòng)中為保證齒根彎曲強(qiáng)度，常取，閉式齒輪傳動(dòng)中常取，本設(shè)計(jì)取。
變速箱內(nèi)各齒輪主要參數(shù)及材料見表5－4。
表5-2齒輪常用材料及其力學(xué)性能
材料
熱處理方法
齒面硬度
許用接觸應(yīng)力
許用彎曲應(yīng)
40Cr
調(diào)質(zhì)后淬火
48~55HRC
1395~1426
483~518
表5-3齒寬系數(shù)
齒輪相對(duì)于軸承的位置
齒面寬度
軟齒面
硬齒面
對(duì)稱布置
0.8~1.4
0.4~0.9
非對(duì)稱布置
0.6~1.2
0.3~0.6
懸臂布置
0.3~0.4
0.2~0.25
表5－4
齒號(hào)
齒數(shù)
模數(shù)
齒寬
材料
硬度
齒型角
螺旋角
精度
Z1
19
2.5
80
40Cr
48~55HRC
200
00
7DC
Z2
38
2.5
75
40Cr
48~55HRC
200
00
7DC
1．確定許用接觸疲勞應(yīng)力
其中： — 失效概率為1％時(shí)試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限力
單位：。由表5—2 查得
— 解除疲勞強(qiáng)度的最小安全系數(shù)，，（失效概率為1％）。
2．確定許用彎曲疲勞應(yīng)力
其中：— 齒輪彎曲疲勞極限。由表5—2 查得
— 齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)。機(jī)械齒輪失效率1％時(shí)
— 彎曲疲勞壽命系數(shù)。由于m =5.5，查表得。
大小齒輪的齒面硬度相同，
3．小齒輪轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
4．按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
mm
其中： — 小齒輪的分度圓直徑。
— 載荷系數(shù)，取。
— 齒數(shù)比。
— 齒寬系數(shù)，取得。
— 許用接觸應(yīng)力。
代入數(shù)值得：
齒輪模數(shù)為：
5．按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算
其中： —— 齒型系數(shù)，查表得，。
6．接觸疲勞強(qiáng)度校核
1) 分度園上的圓周力Ft
2) 使用系數(shù)
3) 動(dòng)載系數(shù)
4) 齒向載荷分布系數(shù)
5) 齒間載荷分布系數(shù)
6) 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
7) 彈性系數(shù)
8) 重合度系數(shù)
9) 接觸應(yīng)力
10) 壽命系數(shù)
11) 安全系數(shù) ，
12) 潤(rùn)滑劑系數(shù)
13) 速度系數(shù)
14) 粗糙度系數(shù)
15) 硬化系數(shù)
16) 尺寸系數(shù)
17) 許用接觸應(yīng)力
18) 接觸強(qiáng)度判斷
因?yàn)?，所以校核通過(guò)。
7．彎曲疲勞強(qiáng)度校核
1) 齒向載荷分布系數(shù)
2) 應(yīng)力修正系數(shù)
3) 重合度系數(shù)
4) 齒根應(yīng)力
5) 壽命系數(shù)
6) 相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)
7) 相對(duì)齒根表面狀態(tài)系數(shù)
8) 尺寸系數(shù)
9) 許用齒根應(yīng)力
10) 彎曲強(qiáng)度
因?yàn)?,所以彎曲強(qiáng)度校核通過(guò)。
8．具體參數(shù)的確定
由上述計(jì)算可見，本設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)接觸疲勞強(qiáng)度較弱，故應(yīng)以為佳。
查標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)取得模數(shù) 。
齒輪主要幾何尺寸：
分度圓直徑
齒頂高直徑
中心矩
齒寬 ，故取， 取。由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需要，改b1＝80mm，b2＝75mm
5.1.3 軸的設(shè)計(jì)
1. 輸出軸上功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的初步確定
已知下列條件：材料40Cr，調(diào)質(zhì)處理，各齒輪分度圓直徑為：，
將計(jì)算結(jié)果輸入表5—5。
表5—5 輸出軸上功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩
（r/min）
30
60
120
6
12
25．5
1910
1910
2029.3
2. 求作用在齒輪上的力
因?yàn)槭侵饼X圓柱齒輪傳動(dòng)
圓周力
徑向力
其中： — 小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，。
— 大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，。
—大齒輪的節(jié)圓直徑，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪即分度圓直徑，。
— 嚙合角，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪為20°。
圓整后， 。方向如圖5—1所示。
3. 初步估計(jì)軸的最小直徑，選取連軸器。
初估軸徑：安裝聯(lián)軸器處軸的直徑dⅠ-Ⅱ（圖5—1a）為周的最小直徑。
dⅠ-Ⅱ =
其中：查得A = 90～107
為滿足設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需求取dⅠ-Ⅱ 。
選取聯(lián)軸器：由于承受軸向力過(guò)大，所以采用單獨(dú)設(shè)計(jì)的非標(biāo)聯(lián)軸器。
4．軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1）擬訂軸上零件的裝配方案
軸上的大部分零件包括：大圓柱齒輪、檔油環(huán)、左端軸承和軸承端蓋以及聯(lián)軸器依次由左端裝配，僅右端軸承和軸承端蓋由右端裝配。
2）根據(jù)軸向定位及固定要求，確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度，見表5—6。
3）軸上零件的周向固定
齒輪采用平鍵定位，滾動(dòng)軸承與軸則采用過(guò)渡配合。
4）定出軸肩處的圓角半徑r的值
見圖6—1a，軸端倒角取2×45°。
表5—6 軸的各段直徑和長(zhǎng)度
軸段位置
軸段直徑和長(zhǎng)度
說(shuō)明
Ⅰ—Ⅱ
dⅠ-Ⅱ = 70\80
聯(lián)軸器需要
LⅠ-Ⅱ =62.52
聯(lián)軸器需要
Ⅱ—Ⅲ
dⅡ-Ⅲ =120
根據(jù)滾動(dòng)軸承32215，查手冊(cè)
取dⅡ-Ⅲ = 120
LⅡ-Ⅲ =81.5
初選圓錐滾子軸承30224
d×D×T = 120×215×43.5上
Ⅲ—Ⅳ
dⅢ-Ⅳ= 140
為滿足用軸承受大的軸向力設(shè)計(jì)
LⅥ-Ⅶ = 20
按齒輪寬度加軸套設(shè)計(jì)
Ⅳ—Ⅴ
dⅣ—Ⅴ=75
初選圓錐滾子軸承322寸
d×D×T = 75×130×33.25
LⅣ—Ⅴ=116.5
按照軸承和軸套的寬度確定
Ⅴ—Ⅵ
dⅤ—Ⅵ =70
結(jié)構(gòu)考慮
LⅤ—Ⅵ =109.5
結(jié)構(gòu)考慮
5） 確定軸的需用應(yīng)力
已知軸的材料，該軸無(wú)特殊要求，選用材料35SiMn，調(diào)質(zhì)處理。由于軸的尺寸較大，性能數(shù)據(jù)按毛坯直徑的選用，查手冊(cè)得, , , 。
需用應(yīng)力，查手冊(cè)得
, ,
6） 畫軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖，計(jì)算支反力
由軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（5—1），可確定出軸承支撐點(diǎn)跨距，，懸臂。由此可畫出軸的受力簡(jiǎn)圖，如圖6—1b所示。
水平面支反力如圖6—1c所示
垂直面支反力如圖6—1e所示
畫軸的彎矩圖和扭矩圖
①水平面彎矩圖（圖5—1d）
截面B處
②垂直面彎矩圖（圖5—1f）
截面B左邊
截面B右邊
③合成彎矩圖（圖5—1g）
截面B左邊
截面C右邊
④扭矩圖（圖6—1h）
扭矩
圖5—1 軸的設(shè)計(jì)圖
8）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
從圖5—1g可見截面C處彎矩最大，應(yīng)校核該截面的強(qiáng)度。
截面C的當(dāng)量彎矩
其中：
校核強(qiáng)度
其中：W — 軸的抗彎截面系數(shù)，對(duì)直徑為d的空心軸
校核結(jié)果：，截面C的強(qiáng)度足夠。
5.2.4 滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算
軸承的額定壽命與所受載和的大小有關(guān)，工作載荷越大，引起的接觸應(yīng)力也越大，軸承的額定壽命也就越小。
其中： — 基本額定壽命，單位：。
— 指數(shù)。求軸承，滾子軸承。
在較高溫度下工作的軸承，應(yīng)該采用經(jīng)過(guò)較高溫度回火處理的高溫軸承。由于在軸承樣本中列出的基本額定動(dòng)載荷值是對(duì)一般軸承而言的， 因此，如果要將該數(shù)值用于高溫軸承，需乘以溫度系數(shù)ft （見表6—7），即
其中： — 高溫軸承的修正額定動(dòng)載荷
— 軸承樣本所列的同一型號(hào)軸承的基本額定動(dòng)載荷
表5—7 溫度系數(shù)
軸承工作溫度/°C
125
150
175
200
225
250
300
溫度系數(shù)
0.95
0.90
0.85
0.80
0.75
0.70
0.60
所以軸承的壽命計(jì)算公式為：
對(duì)于同時(shí)承受徑向載荷R和軸向載荷A的軸承類型，壽命計(jì)算公式中的這個(gè)載荷P就是一個(gè)與實(shí)際作用的復(fù)合外載荷有同樣效果的當(dāng)量載荷。它的計(jì)算公式為：
其中： — 徑向載荷系數(shù)。其值見表6—8。
— 軸向載荷系數(shù)。其值見表6—8。
表5—8 徑向載荷系數(shù)X和軸向載荷系數(shù)Y
軸承類型
相對(duì)軸向載荷
A/C0
A / R≤e
A / R≥e
e
名稱
代號(hào)
X
Y
X
Y
圓錐滾子軸承
30000
—
1
0
0.4
（Y）
e
注：① C0是軸承基本額定靜載荷
② 表中括號(hào)內(nèi)的系數(shù)Y和e的值應(yīng)查軸承手冊(cè)，對(duì)不同型號(hào)的軸承有不同的值。
但是，此公式只是一個(gè)理論值，實(shí)際上，軸承上的載荷由于機(jī)械的慣性、零件的不精確性及其他因素的影響，所以應(yīng)對(duì)于當(dāng)量動(dòng)載荷乘上一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的載荷系數(shù)，其值見表6—9。故實(shí)際計(jì)算時(shí)，軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷P應(yīng)為：
表5—9 載荷系數(shù)
載荷性質(zhì)
舉例
無(wú)沖擊或輕微沖擊
1.0～1.2
電機(jī)、汽輪機(jī)、通風(fēng)機(jī)、水泵等
中等沖擊或中等微沖擊
1.2～1.8
車輛、動(dòng)力機(jī)械、起重機(jī)、造紙機(jī)、冶金機(jī)械、選礦機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)床等
強(qiáng)大沖擊
1.8～3.0
破碎機(jī)、軋鋼機(jī)、鉆探機(jī)、震動(dòng)篩等
查手冊(cè)得，，。
因?yàn)? ，所以當(dāng)量動(dòng)載荷
所以軸承的最小壽命為4418小時(shí)。
5.3 鏈條選擇
本鉆機(jī)的進(jìn)給動(dòng)作主要靠鏈條來(lái)傳動(dòng)，查機(jī)械手冊(cè)得下表：
ISO鏈號(hào)
板數(shù)組合
抗拉強(qiáng)度 KN
LH1222
2×2
48.9
LH1223
2×3
48.9
LH1234
3×4
75.6
LH1244
4×4
97.9
LH1246
4×6
97.9
LH1266
6×6
146.8
LH1288
8×8
195.7
由于鉆機(jī)回托時(shí)鏈條受力是15KN，采用兩根鏈條共同受力，古選LH1246鏈條。
第6章 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
利用密閉容器內(nèi)的液體的壓力來(lái)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換、傳遞和分配的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)與其它傳動(dòng)方式相比具有許多優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn)：① 同等體積下，液壓裝置能比電氣裝置產(chǎn)生出更多的動(dòng)力。
② 同等功率下，液壓裝置的體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊。
③ 液壓裝置工作比較平穩(wěn)。由于質(zhì)量小、慣性小、反應(yīng)快，液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和頻繁的換向。
④ 液壓裝置能在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，還可在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行調(diào)速。
⑤ 液壓傳動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
⑥ 液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。
⑦ 液壓元件的布置具有較大的機(jī)動(dòng)性。
⑧ 液壓傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)比用機(jī)械傳動(dòng)簡(jiǎn)單。
缺點(diǎn)：① 液壓傳動(dòng)不能保證嚴(yán)格的傳動(dòng)比。
② 液壓傳動(dòng)在工作過(guò)程中常有較多的能量損失。
③ 液壓傳動(dòng)對(duì)油溫變化比較敏感，它的工作穩(wěn)定性易受到溫度的影響，因此不宜在很高或很低的溫度下工作。
④ 液壓元件在制造精度上的要求較高，造價(jià)較貴。
⑤ 液壓傳動(dòng)要求有單獨(dú)的能源。
⑥ 液壓傳動(dòng)出現(xiàn)故障時(shí)不宜找出原因。
但總的來(lái)說(shuō)，液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是突出的，它的一些缺點(diǎn)有的現(xiàn)已大為改善；有的將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)一步得到克服。液壓傳動(dòng)的發(fā)展前景廣大。
任何液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，除了應(yīng)符合其主機(jī)在動(dòng)作循環(huán)和靜、動(dòng)態(tài)性等方面所提出的要求外，還必須滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、工作安全可靠、效率高、壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性好等條件。
6.1 液壓系統(tǒng)的確定
6.1.1 形式的選擇
按照液體流動(dòng)的循環(huán)方式不同，液壓系統(tǒng)可以分為開式循環(huán)系統(tǒng)和閉式循環(huán)系統(tǒng)兩種。
閉式循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，油路封閉，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，散熱條件差，為補(bǔ)償油液泄露和進(jìn)行油液更新及冷卻必須設(shè)置完整的補(bǔ)油系統(tǒng)，油液過(guò)濾精度要求也較高。
開式循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又也可以很好的在油缸中進(jìn)行冷卻和沉淀雜質(zhì)，散熱條件好。適用于多個(gè)液動(dòng)機(jī)進(jìn)行并聯(lián)的情況；也適用于定量油泵、節(jié)流調(diào)速的液壓系統(tǒng)。
所以，大多數(shù)全液壓系統(tǒng)都采用開式循環(huán)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)也采用開式循環(huán)系統(tǒng)。
6.1.2 調(diào)速方案的選擇
鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)速度、給進(jìn)都有快有慢，必須根據(jù)鉆進(jìn)工藝的要求進(jìn)行調(diào)整。液動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法主要有節(jié)流調(diào)速和容積調(diào)速。
節(jié)流調(diào)速是利用節(jié)流元件來(lái)控制通過(guò)流量以實(shí)現(xiàn)液動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)的一種方法，它用于定量泵與定量液動(dòng)機(jī)所組成的系統(tǒng)。根據(jù)節(jié)流元件在系統(tǒng)中的安裝位置不同，可分為進(jìn)油節(jié)流、回油路節(jié)流和旁路節(jié)流調(diào)速三種。從調(diào)速范圍、低速穩(wěn)定性及承受的載荷能力等方面來(lái)看，回油路調(diào)速性能最好，旁路調(diào)速最差。在鉆機(jī)的給進(jìn)液壓系統(tǒng)中，主要是選用回油路節(jié)流調(diào)速方案。
容積調(diào)速是利用改變油泵或油馬達(dá)的每轉(zhuǎn)排量來(lái)實(shí)現(xiàn)液動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)的一種方法。它沒有流量和壓力的損耗、效率高、發(fā)熱小，適用于大功率系統(tǒng)；但是變量油泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格貴。在全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)中多用容積調(diào)速系統(tǒng)。
本設(shè)計(jì)綜合各方面的因素，采用回油路節(jié)流調(diào)速。
6.1.3 換向回路的選擇
根據(jù)鉆進(jìn)工藝的要求，回轉(zhuǎn)器應(yīng)具有正反轉(zhuǎn)能力，給進(jìn)機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因此，液動(dòng)機(jī)必須換向。液動(dòng)機(jī)的啟停和換向，一般采用換向閥，也有采用雙向變量油泵的。當(dāng)液壓系統(tǒng)為單油泵—單液動(dòng)機(jī)的閉式系統(tǒng)時(shí)，一般采用雙向變量油泵來(lái)實(shí)現(xiàn)液動(dòng)機(jī)的換向。如果液動(dòng)機(jī)單獨(dú)控制時(shí)，通常采用一個(gè)換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)液動(dòng)機(jī)的換向。本設(shè)計(jì)選用換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)液動(dòng)機(jī)的換向。
6.1.4 壓力控制回路的選擇
在全液壓鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)中，常采用的壓力控制回路有：調(diào)壓和限壓回路、減壓回路、背壓平衡回路、順序動(dòng)作回路、緩沖制動(dòng)回路、減壓給進(jìn)回路等。
調(diào)壓—限壓回路為鉆機(jī)常用的一種回路，可調(diào)溢流閥安裝在油泵的出口處，以調(diào)節(jié)和限制系統(tǒng)的壓力。單向閥是用來(lái)防止事故停車時(shí)壓力油產(chǎn)生反向沖擊的。
減壓回路用在多個(gè)液動(dòng)機(jī)的復(fù)雜系統(tǒng)中，由于液動(dòng)機(jī)的負(fù)載大小和工作要求不同，因此它們要求的工作壓力有時(shí)差別較大，為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，對(duì)某些個(gè)別的支路將進(jìn)行減壓。
背壓平衡回路是利用背壓閥使油缸活塞具有一定的背壓，從而使給進(jìn)速度平穩(wěn)，并可避免液壓沖擊。
本設(shè)計(jì)采用調(diào)壓—限壓回路和背壓平衡回路。
6.1.5 液壓系統(tǒng)圖的方案確定
由圖6—1所示，兩方案最大的不同即：方案一有兩臺(tái)油泵，方案二有一臺(tái)油泵。目前，全液壓鉆機(jī)的油泵站通常有兩臺(tái)油泵，一個(gè)為主油泵，它向回轉(zhuǎn)馬達(dá)供油。另一個(gè)為輔助油泵，它向給進(jìn)機(jī)構(gòu)供油。故本設(shè)計(jì)選用方案一。通過(guò)液壓系統(tǒng)試驗(yàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，由一臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)泵，液壓系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的回路組成，互不干擾使得液壓回路簡(jiǎn)單化。馬達(dá)與減速器相連避免了馬達(dá)效率低的問題。
調(diào)壓溢流閥是調(diào)節(jié)和限制系統(tǒng)的壓力起調(diào)節(jié)和安全保護(hù)的作用。
油泵—馬達(dá)回路中的電磁換向閥有三個(gè)位置，用來(lái)實(shí)現(xiàn)油馬達(dá)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)。
油泵—油缸回路中的電磁換向閥也有三個(gè)位置，可使油缸上腔或下腔進(jìn)壓力油或不進(jìn)油，完成給進(jìn)鉆具的各種工作。
單向背壓閥的作用是防止油缸推力過(guò)大，影響油馬達(dá)的工作，使油缸獲得適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定壓力。
另外，由于鉆進(jìn)過(guò)程中，油馬達(dá)的外負(fù)載是變化的，這就要求油馬達(dá)的輸出扭矩隨外負(fù)載的增減而變化，以滿足鉆進(jìn)工藝的要求。為此，油馬達(dá)設(shè)有壓力補(bǔ)償裝置，它能起到自動(dòng)調(diào)節(jié)油馬達(dá)轉(zhuǎn)速的作用。
圖6—1 液壓原理圖
6.2 液壓元件的選擇
6.2.1 油泵的選擇
在第四章中有介紹。
6.2.2 馬達(dá)的選擇
1．額定壓力的選擇
鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的額定壓力應(yīng)根據(jù)鉆機(jī)的使用情況和外負(fù)載特性來(lái)決定。一般馬達(dá)的外負(fù)載較大時(shí)，額定壓力選高一些，反之應(yīng)選低一些；而鉆機(jī)持續(xù)工作時(shí)間越長(zhǎng)，外負(fù)載沖擊越大，則額定壓力應(yīng)改選的越低。目前，全液壓鉆機(jī)主要系統(tǒng)的額定工作壓力為如果額定工作壓力選的高些，則液動(dòng)機(jī)及各種閥的尺寸可以選的小些，結(jié)構(gòu)較為緊湊，動(dòng)作部件的慣性力小，易于滿足大功率的要求。但是，工作壓力選得太高，對(duì)液壓系統(tǒng)的密封性要求很高，制造困難，液壓裝置的壽命低。若工作壓力選得過(guò)低，其結(jié)果恰恰相反。
2．油馬達(dá)合理轉(zhuǎn)速范圍的選用
每種類型的馬達(dá)都有其高效的使用轉(zhuǎn)速范圍，在該轉(zhuǎn)速范圍外，便會(huì)出現(xiàn)傳動(dòng)效率下降的現(xiàn)象；因此，油馬達(dá)的選型主要是使油馬達(dá)高效的轉(zhuǎn)速范圍與鉆機(jī)的常用轉(zhuǎn)速范圍相適應(yīng)。目前，用金剛石鉆頭在基巖鉆進(jìn)中，一般高速用1400～1600 r/min，我國(guó)現(xiàn)用800～1000 r/min左右。僅在地表鉆進(jìn)時(shí)使用300r/min左右。因此，全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)都選用高速小扭矩的油馬達(dá)，這樣，齒輪傳動(dòng)箱的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，一般只用一對(duì)齒輪傳動(dòng)。由于非開挖導(dǎo)向鉆機(jī)的鉆頭和回托的特殊需要，馬達(dá)合理的轉(zhuǎn)速范圍是60～120r/min。
具體型號(hào)的選擇見第四章。
6.2.3 液壓缸的選擇
見第四章。
6.2.4 閥類元件的選擇
液壓閥是用來(lái)控制液壓系統(tǒng)中油量的流動(dòng)方向或調(diào)節(jié)其壓力和流量的。一個(gè)形狀相同的閥，可因?yàn)樽饔脵C(jī)制不同，而具有不同的功能。
油泵—馬達(dá)回路中油泵的額定流量
油泵—油缸回路中油泵的額定流量
兩回路泵的額定流量相差不大，為了制造簡(jiǎn)單兩回路中的閥元件可以選得一樣。
查手冊(cè)，可以得到本設(shè)計(jì)中所用的各種閥的具體型號(hào)。
表6—1 調(diào)壓溢流閥
型號(hào)
通徑
額定流量
壓力
重量
表6—2 液控單向閥
型號(hào)
通徑
最大流量
最大工作壓力
重量
表6—3 電磁換向閥
型號(hào)
通徑
最大流量
最大工作壓力
重量
表6—4 單向背壓閥
型號(hào)
通徑
最大流量
最大工作壓力
重量
6.2.5 輔助液壓裝置的選擇
1．濾油器的選擇
濾油器的功用在于過(guò)濾混在液壓油液中的雜質(zhì)，使進(jìn)到系統(tǒng)中取得油液的污染度降低，保證系統(tǒng)正常地工作。
濾油器按其濾芯材料的過(guò)濾機(jī)制來(lái)分，有表面型濾油器、深度型濾油器和吸附型濾油器三種。
表面型濾油器的整個(gè)過(guò)濾作用是有一個(gè)幾何面來(lái)實(shí)現(xiàn)的。濾下的污染雜質(zhì)被截流在濾芯元件靠油液上游的一面。在這里，濾芯材料具有均勻的標(biāo)定小孔，可以濾除比小孔尺寸大的雜質(zhì)。
深度型濾油器的濾芯材料為多孔可透性材料，內(nèi)部具有曲折迂回的通道。大于表面孔徑的雜質(zhì)直接被截流在外表面，較小的污染雜質(zhì)進(jìn)入濾材內(nèi)部，撞到通道壁上，由吸附作用而得到濾除。
吸附型濾油器的濾芯材料把油液中的有關(guān)雜質(zhì)吸附在其表面。
本設(shè)計(jì)中采用表面型濾油器。
2． 油箱的選擇
油箱的功用主要是存儲(chǔ)油液，此外還起著散發(fā)油液中熱量（在周圍環(huán)境溫度較低的情況下則是保持油液中熱量），釋放出混在油液中的氣體，沉淀油液中污物等作用。
液壓系統(tǒng)中的油箱有整體式和分離式兩種。整體式油箱利用主機(jī)的內(nèi)腔作為油箱，這種油箱結(jié)構(gòu)緊湊，各處漏油易于收回，但增加了設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜性，維修不便，散熱條件不好，且會(huì)使主機(jī)產(chǎn)生熱變形。分離式油箱單獨(dú)設(shè)置，與主機(jī)分開，減少了油箱發(fā)熱和液壓源振動(dòng)對(duì)主機(jī)工作精度的影響，因此得到了普遍的采用。
油箱的容積應(yīng)滿足設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于重力作用又能返回油箱；操作時(shí)，油面保持適當(dāng)高度；可以散發(fā)操作時(shí)產(chǎn)生的熱量；分離出油中的空氣和雜物。油箱的有效容積（油面高度為油箱高度80％時(shí)的容積）應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)發(fā)、散熱平衡的原則來(lái)計(jì)算，一般估算式為：
其中： — 油箱的有效容積。單位：
— 與系統(tǒng)壓力有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)字：低壓系統(tǒng)，中壓系統(tǒng)，高壓系統(tǒng)。
— 液壓泵的額定流量。
3． 油管的選擇
液壓系統(tǒng)中使用的油管種類很多，有鋼管、尼龍管、塑料管、橡膠管等，需要按照安裝位置、工作環(huán)境和工作壓力來(lái)正確選用。
油管的規(guī)格尺寸大多由它所接的液壓元件接口處尺寸決定，只有對(duì)一些重要管道才驗(yàn)算其內(nèi)徑和璧厚。油管的管徑不宜選得過(guò)大，以免使液壓裝置的結(jié)構(gòu)龐大；但也不能選得過(guò)小，以免使管內(nèi)液體流速加大，系統(tǒng)壓力損失增加或產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，影響正常工作。
油管內(nèi)徑：
其中： — 油管內(nèi)徑
— 油管流量
— 管中油液的流速，吸油管道取，高壓管道取，（壓力高的取大值，低的取小值），回油管道取，短管及局部收縮處取。
在強(qiáng)度保證的情況下，管壁可盡量選得薄些。薄壁易于彎曲，規(guī)格較多，裝接教易，采用它可減少管接頭數(shù)目，有助于解決系統(tǒng)泄露問題。
該系統(tǒng)只有吸油管路為鋼管，所以僅驗(yàn)算吸油管路壁厚。
油管壁厚：
其中：— 油管壁厚
— 油內(nèi)工作壓力。已知為10Mpa.
— 管道材料的抗拉強(qiáng)度.查表得
油泵—馬達(dá)回路
帶入公式中，求得數(shù)值見表6—5
表6—5 油泵—馬達(dá)回路各種管道參數(shù)
吸油管道
高壓管道
回油管道
短管及局部收縮處
管中油液的流速
1.4
4
1.9
6
油管內(nèi)徑
38.08
22.53
22.53
12.0
取油管內(nèi)徑
該系統(tǒng)只有吸油管路為鋼管，所以僅驗(yàn)算吸油管路壁厚。
則油管壁厚
查手冊(cè)選得標(biāo)準(zhǔn)管件，見表6—6。
表6—6 油泵—馬達(dá)回路吸油管標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)
公稱直徑
鋼管外徑
管接頭連接螺紋
管子壁厚
40
50
M48×2
3.5
油泵—油缸回路
帶入公式中，求得數(shù)值見表6—7。
表6—7 油泵—油缸回路各種管道參數(shù)
吸油管道
高壓管道
回油管道
短管及局部收縮處
管中油液的流速
1
3
1.8
6
油管內(nèi)徑
13.6
7.8
10.13
12.9
取油管內(nèi)徑
則油管壁厚
查手冊(cè)選得標(biāo)準(zhǔn)管件，見表6—8。
表6—8 油泵—油缸回路吸油管標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)
公稱直徑
鋼管外徑
管接頭連接螺紋
管子壁厚
15
22
1.6
④管接頭的選擇
管接頭是油管與油管，油管與液壓元件之間的可拆連接件，它必須具有裝拆方便，連接牢固，密封可靠，外形尺寸小，通流能力大，壓將小，工藝性好等各項(xiàng)條件。
管接頭的種類很多，其規(guī)格可查閱有關(guān)手冊(cè)。
⑤密封裝置的選擇
密封裝置的作用是防止液體泄露或污染物從外部侵入液壓系統(tǒng)。在液壓傳動(dòng)中，密封裝置雖然屬于輔件，但幾乎所有液壓元件都不能缺少它。
密封裝置應(yīng)當(dāng)滿足以下基本要求：
ⅰ 在工作壓力下具有良好的密封性能，并隨著壓力的增加能自動(dòng)提高密封性能。
ⅱ 密封裝置對(duì)運(yùn)動(dòng)零件的摩擦阻力要小，摩擦系數(shù)要穩(wěn)定，以免出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)零件卡住或運(yùn)動(dòng)不均勻等現(xiàn)象。
ⅲ 耐磨性好，工作壽命長(zhǎng)。
ⅳ 制造簡(jiǎn)單，便于安裝和維修。
根據(jù)密封部分的運(yùn)動(dòng)狀況，密封裝置有靜密封和動(dòng)密封之分，動(dòng)密封又有往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封和旋轉(zhuǎn)密封兩種。根據(jù)實(shí)際需要具體選擇。
第7章 FDP-15D鉆機(jī)的使用與維護(hù)
1．操作注意事項(xiàng)
所有鉆探人員都應(yīng)注意下列事項(xiàng)，避免因操作不當(dāng)造成機(jī)器或人身事故。
① 在搬運(yùn)過(guò)程中應(yīng)避免碰撞，在分組搬運(yùn)過(guò)程中應(yīng)將油管固定后方能進(jìn)行。
② 拖車動(dòng)力站為短距離轉(zhuǎn)場(chǎng)用，限速30公里/小時(shí)，長(zhǎng)距離運(yùn)輸需放在機(jī)動(dòng)車上。
③ 開始鉆進(jìn)作業(yè)前，確認(rèn)設(shè)備接地良好。
④ 開動(dòng)后首先應(yīng)驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)方向是否正確。
⑤ 檢查油路系統(tǒng)各接頭是否擰緊，油箱油位是否正確。
⑥ 在正式工作前應(yīng)使機(jī)器空轉(zhuǎn)10分鐘，此時(shí)油路系統(tǒng)應(yīng)調(diào)整到零壓。
⑦ 在鉆進(jìn)前應(yīng)把鉆機(jī)提到指定轉(zhuǎn)速。
2． 機(jī)器的保養(yǎng)與維護(hù)
正確的使用和保養(yǎng)是順利完成鉆孔任務(wù)的保障，每個(gè)操作者都應(yīng)予以高度重視，對(duì)FDP-15D鉆機(jī)應(yīng)按如下規(guī)定進(jìn)行保養(yǎng)與維護(hù)。
① 應(yīng)在每班開始工作前，對(duì)機(jī)器各轉(zhuǎn)動(dòng)部分予以檢查。看運(yùn)轉(zhuǎn)是否靈活可靠。
② 對(duì)外露的轉(zhuǎn)動(dòng)及滑動(dòng)表面，應(yīng)在每班開車前擦試干凈，并于表面上涂一層20號(hào)機(jī)械油。
③ 潤(rùn)滑及液壓油等應(yīng)按其進(jìn)行更換。
④ 油泵用油（油箱內(nèi)的油）需要保證清潔無(wú)雜質(zhì)，應(yīng)使用50℃時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度為17-23的油質(zhì)，如20號(hào)機(jī)械油或14號(hào)高速柴油機(jī)油液。
⑤ 當(dāng)油箱內(nèi)的油溫超過(guò)70℃時(shí)應(yīng)適當(dāng)?shù)耐＼嚴(yán)鋮s，待油溫下降后再繼續(xù)工作。
。
第8章 FDP-15D鉆機(jī)的經(jīng)濟(jì)分析
跨入新世紀(jì)，企業(yè)究竟會(huì)面對(duì)一個(gè)怎樣的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，經(jīng)濟(jì)全球化徹底改變企業(yè)的活動(dòng)范圍。隨著我國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的確立和逐步完善，特別是黨的“十五”大以后，我國(guó)各行各業(yè)的改革工作都在縱深發(fā)展，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。
如何在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的環(huán)境中提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力已經(jīng)成為機(jī)械行業(yè)所面臨的重大課題。產(chǎn)品的成本則是關(guān)系產(chǎn)品在市場(chǎng)上是否有競(jìng)爭(zhēng)能力的重要因素，它直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益?？梢哉f(shuō)，降低成本是一個(gè)永恒的經(jīng)濟(jì)主題。
本鉆機(jī)采用先進(jìn)技術(shù)，盡量降低成本。每臺(tái)可售價(jià)320000元，每臺(tái)可獲利稅20000元，如果企業(yè)每年生產(chǎn)50臺(tái)，新增產(chǎn)值1600萬(wàn)元，創(chuàng)利稅320萬(wàn)元。由于該鉆機(jī)的售價(jià)相對(duì)較低，一般用戶都可承擔(dān)得起。
縱觀國(guó)內(nèi)外的鉆機(jī)市場(chǎng)，液壓鉆機(jī)是發(fā)展的大趨勢(shì)。該鉆機(jī)高效低耗、安全、舒適，適應(yīng)各種惡劣工作條件，可以滿足水電施工的特殊要求。本鉆機(jī)就是全液壓鉆機(jī)。利用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)和成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)國(guó)情和鉆機(jī)的具體使用要求。力求簡(jiǎn)單和適用，盡可能的利用最少的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)所具備的各種動(dòng)作。降低故障發(fā)生概率，提高能量利用率和鉆機(jī)的可靠性，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。為適應(yīng)坑道鉆探工作，本鉆機(jī)可采用分馬達(dá)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；原動(dòng)機(jī)、油泵和油箱集裝在一起，形成一個(gè)活動(dòng)的液壓泵站，便于移動(dòng)；小操作臺(tái)可按需要固定在鉆機(jī)的不同位置，以適應(yīng)在坑道內(nèi)鉆孔的需要，同時(shí)也便于觀察鉆機(jī)的工作情況。這樣，能夠降低故障發(fā)生率，提高能量利用率和鉆機(jī)的可靠性，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。但也有不足之處，由于采用液壓系統(tǒng)要求技術(shù)水平相對(duì)高些。
隨著我國(guó)公路建設(shè)的高速發(fā)展，公路通車?yán)锍痰目焖僭黾?，道路機(jī)械化養(yǎng)護(hù)已越來(lái)越受到重視。但目前，這方面的成型產(chǎn)品仍是空白，進(jìn)口產(chǎn)品的價(jià)格昂貴，維護(hù)不便。水平定向鉆機(jī)的研制成功恰好填充了這項(xiàng)空白，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
第 9章 結(jié) 論
時(shí)間如水，畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成代表四年的大學(xué)生活即將結(jié)束。也是對(duì)我四年學(xué)業(yè)的綜合檢驗(yàn)。本次設(shè)計(jì)我設(shè)計(jì)的是300米水平定向全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)FDP-15D。
FDP-15D水平定向鉆機(jī)是一種小型液壓鉆機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造加工且操作簡(jiǎn)便。與目前的同類鉆機(jī)相比，該鉆機(jī)具有施工周期短、綜合施工成本低、社會(huì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)。隨著水平定向鉆探技術(shù)的發(fā)展，該鉆機(jī)具有良好的發(fā)展前景。
本鉆機(jī)的給進(jìn)機(jī)構(gòu)是油缸—鏈條給進(jìn)機(jī)構(gòu)，主要突出優(yōu)點(diǎn)在于給進(jìn)速度和給進(jìn)行程上都增加了一倍，是一般鉆機(jī)所不具有的，同時(shí)結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，加工也較比方便，制造成本相應(yīng)降低。另外，為適應(yīng)道路鉆探作業(yè)，該鉆機(jī)采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)；原動(dòng)機(jī)、油泵、油箱集裝在一起，形成一個(gè)活動(dòng)的液壓泵站，便于移動(dòng)；鉆機(jī)配備進(jìn)口價(jià)值10萬(wàn)元的鉆頭探測(cè)設(shè)備，可以完美控制鉆進(jìn)軌跡。
在近三個(gè)月的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我了解了一些鉆機(jī)的內(nèi)容以及其它有關(guān)的內(nèi)容的知識(shí)。為了使自己能夠完成任務(wù)，我嚴(yán)格要求自己，使自己的設(shè)計(jì)按照國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制圖,并且從中學(xué)到很多的知識(shí)。整個(gè)設(shè)計(jì)是在邊繪制邊計(jì)算的過(guò)程中完成的。我也發(fā)現(xiàn)僅僅書本上的知識(shí)在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能設(shè)計(jì)出滿意的產(chǎn)品。
致謝
四年的大學(xué)生活即將結(jié)束，在這四年里我學(xué)會(huì)了不少的東西，無(wú)論在學(xué)習(xí)上、生活中、思想上都有很大的轉(zhuǎn)變，從一開始帶著父母的殷切希望，懷著充實(shí)自我，掌握一技之長(zhǎng)，為以后找工作，實(shí)現(xiàn)自己的人生價(jià)值的目標(biāo)作努力，到最后找工作進(jìn)一步接觸社會(huì)，學(xué)到一些從理論上學(xué)不到東西，增加了許多經(jīng)驗(yàn)，這一切的成果都離不開眾多可敬師長(zhǎng)諄諄教導(dǎo)、不厭其煩的耐心講解傳授，以及許多同學(xué)、朋友的坦誠(chéng)相見]砥勵(lì)共勉；加上自己對(duì)本專業(yè)有一定的興趣，特別是在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，大家更是同心努力希望自己把設(shè)計(jì)搞好，因?yàn)檫@是四年大學(xué)生活最后的收尾工作，它是我們平時(shí)對(duì)我們所學(xué)的課程理解，接受能力，熟知程度，以及記憶能力的一個(gè)體現(xiàn)，在這四年中，從基礎(chǔ)課到專業(yè)課四五十門