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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)當前各種勘探工作和工程建設(shè)項目對淺孔鉆機的要求，本設(shè)計任務(wù)在 TXU-150 型鉆機的基礎(chǔ)之上進行了一些改進，設(shè)計出了鉆探深度為 200 米的液壓鉆機。設(shè)計中根據(jù)鉆機使用的環(huán)境和場合，運用比較和參照的方法，借鑒同類型鉆機的設(shè)計參數(shù)，通過比較分析，重點對變速箱重新進行設(shè)計計算。在此基礎(chǔ)之上運用綠色設(shè)計的理念，對不影響鉆機性能的環(huán)節(jié)進行了優(yōu)化。最后，設(shè)計出的 200 米鉆機理論上滿足鉆探深度為 200 米的設(shè)計要求，同時盡量節(jié)省了制造成本和生產(chǎn)時間。
關(guān)鍵字 地質(zhì)勘探 鉆機 變速箱
Abstract
With the high development of geology explore, engineering constructions, and farmland irrigation in our country ,various drilling equipments are put forward more requests.As one of the most important tools in explore manchines,drill machine having the prominent function in these engineering constructions.For adapting to various current explore works and engineering constructions,which gives drill manchines more new requests.This design mission started on the foundation of TXU-150 drill machine,and than carried on some improvements.As a result,a new liquid pressure drill manchine which can drill holes as deep as 200 metres was designed. According to the drill environment and situations of the machine usage,this design mission used of the comparison method, taked design parameter from the same kind type drill machines.Passed more analytical,I redesigned the gear-box of the 200-metre drill machine as my key work. At this foundation on make use of the principle of green design, to not affected the function of the machine,it carry on optimal design.At the end of the work,the designed machine satisfy to drill holes of depth as 200 meters in theorety.At the same time, it save the manufacturing costs and producing time as could as possible.
Key words geology explore drill machine gear-box
97
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 選題的意義 1
1.2 鉆機概述 1
1.2.1 鉆機的功用 1
1.2.2 對鉆機的要求 1
1.2.3 鉆機的組成 2
1.2.4 鉆機的分類和名稱 2
1.3 本設(shè)計主要內(nèi)容 4
第2章 鉆機的總體設(shè)計 5
2.1 本設(shè)計鉆機的應(yīng)用場合 5
2.2 設(shè)計方案的確定 5
2.2.1 本設(shè)計鉆機的特點 5
2.2.2 總體設(shè)計方案的確定 6
2.3 鉆機的技術(shù)特性和要求 6
第3章 動力機的確定 8
3.1 輸出功率計算 8
3.2 回轉(zhuǎn)鉆進及破碎巖石、土層所需功率 8
3.3 給進油缸所需功率的計算 10
3.3.1 給進油缸的基本參數(shù) 10
3.3.2 油缸工作壓力的計算 10
3.3.3 油泵最大工作流量計算 11
3.3.4 給進油缸功率計算 11
3.3.5 油泵滿負荷工作時所需要的功率 11
3.4 動力機功率的確定 12
第4章 機械傳動系統(tǒng)設(shè)計 14
4.1 主要參數(shù)的選擇 14
4.1.1 回轉(zhuǎn)器 14
4.1.2 絞車 14
4.1.3 變速箱 14
4.2 機械傳動系統(tǒng)初步計算 14
4.2.1 立軸的轉(zhuǎn)速 14
4.2.2 絞車的纏繩速度 16
第5章 變速箱的設(shè)計與計算 17
5.1 變速箱的結(jié)構(gòu)特點及設(shè)計要求 17
5.1.1 結(jié)構(gòu)特點 17
5.1.2 設(shè)計要求 17
5.2 齒輪副的強度計算與校核 18
5.2.1 變速箱內(nèi)各齒輪主要參數(shù)確定 18
5.2.2..主要齒輪副的強度設(shè)計計算與校核 18
5.3 軸的強度計算與校核 24
5.3.1 軸的強度計算 25
5.3.2 軸的強度驗算校核 29
第6章 回轉(zhuǎn)器 31
6.1 回轉(zhuǎn)器的機構(gòu)特點 31
6.2 零部件的強度與壽命計算 31
6.2.1 弧齒錐齒輪副的參數(shù)設(shè)計 31
6.2.2 計算齒面接觸疲勞強度 32
第7章 絞車 36
7.1 絞車的結(jié)構(gòu)特點 36
7.2 主要參數(shù)的選擇 36
7.2.1 絞車性能參數(shù) 36
7.2.2 絞車卷筒轉(zhuǎn)速和提升速度計算 37
7.3 絞車所需功率 38
7.4 絞車齒輪副強度簡單校核 39
7.4.1 按接觸疲勞強度校核 39
7.4.2 按彎曲疲勞強度校核 40
第8章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計與計算 42
8.1 液壓卡盤的設(shè)計與計算 42
8.2 給進油缸的設(shè)計 45
8.2.1 鉆桿摩擦力的計算 45
8.2.2 油缸直徑的計算 45
第9章 使用說明 46
9.1 概述 46
9.2 鉆機分組情況 46
9.3 結(jié)構(gòu)特征與工作原理 46
9.3.1鉆機結(jié)構(gòu) 46
9.3.2 鉆機的工作原理 48
9.4 操作程序 50
9.5 機器的保養(yǎng)與維護 51
9.6 故障原因及排除方法 53
9.7 鉆機的安全注意事項 54
第10章 經(jīng)濟可行性分析 55
10.1 市場前景分析 55
10.2 經(jīng)濟效益分析 56
結(jié)論 57
致謝 58
參考文獻 59
專題 60
附錄1 69
附錄2 78
附錄3 89
附錄4 90
附錄5 91
第1章 緒 論
1.1 選題的意義
本設(shè)計選擇了200米鉆機的變速箱設(shè)計，主要原因是當前我國地質(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)備尤其是鉆機提出了更多的要求?，F(xiàn)在市場上流行的鉆機中以鉆探深度為百米左右的液壓鉆機為主，這些鉆機在承擔各種生產(chǎn)建設(shè)項目中起到了至關(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)項目的擴大，市場對上鉆探深度為幾百米的液壓鉆機的需求量正在逐步上漲，尤其是鉆探深度為200左右的鉆機，市場前景更加樂觀。變速箱是鉆機中最重要的部分之一，通過對鉆機變速箱的設(shè)計改進，就解決了鉆機設(shè)計制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所以，選擇200米液壓鉆機變速箱的設(shè)計不僅對鉆機這個生產(chǎn)行業(yè)有著重要的經(jīng)濟意義，同時間接推動了我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，意義十分重大。
1.2 鉆機概述
1.2.1 鉆機的功用
鉆探是地質(zhì)勘探工作的重要手段之一。鉆機是實現(xiàn)該手段的主要設(shè)備。其基本功用是以機械動力帶動鉆頭向地殼鉆孔并采取巖礦心。鉆機同時還是進行石油、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 對鉆機的要求
鉆機的技術(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，達到預(yù)計的質(zhì)量要求；維護保養(yǎng)簡單容易；安裝拆卸搬遷方便；利于快速鉆進；鉆進輔助時間短；鉆孔施工周期短；體力勞動強度低等。概括起來說，是鉆機要為多、快、好、省地完成鉆探生產(chǎn)任務(wù)創(chuàng)造有利條件。
根據(jù)鉆機的基本功用，對鉆機具體要求如下：
1.通過回轉(zhuǎn)鉆具等鉆進方式將動力傳給鉆頭，使鉆頭具有適合鉆進規(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?shù)恼{(diào)整范圍，使鉆頭有效地切入或壓碎巖石；
3.能調(diào)整和控制鉆頭給進速度，保證連續(xù)鉆進；
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，以充分利用動力機的功率和縮短輔助時間；
5.能變換鉆進角度和按一定技術(shù)經(jīng)濟指標舊響應(yīng)深度的直徑的鉆孔，以滿足鉆孔設(shè)計的要求和提高鉆進效率。
1.2.3 鉆機的組成
目前常用的鉆機由如下各部分組成：
1.機械傳動系統(tǒng)
將輸入的動力變速并分配到回轉(zhuǎn)、升降機構(gòu)。對與液壓鉆機還要有驅(qū)動油泵，以使液壓系統(tǒng)工作的裝置。
2.液壓傳動系統(tǒng)
利用油泵輸出的壓力油驅(qū)動馬達、油缸等液動機，以使立軸回轉(zhuǎn)和控制給進機構(gòu)、移動鉆機、松緊卡盤等；
3.回轉(zhuǎn)機構(gòu)
回轉(zhuǎn)鉆具，以帶動鉆頭破碎孔底巖石。
4.給進機構(gòu)
調(diào)整破碎巖石所需要的軸心壓力和控制給進速度。在出現(xiàn)孔內(nèi)事故時，可以進行強力拔出。
5.升降機構(gòu)
用于升降鉆具（提取巖心和更換鉆頭）和進行起下套管等作業(yè)。
6.機架
支承上述各機構(gòu)及系統(tǒng)，使之組裝成一個整體，成為完整的機器。
1.2.4 鉆機的分類和名稱
隨著鉆探工程在國民經(jīng)濟各部門中的廣泛應(yīng)用，鉆機類別和型號也在增多。為此將鉆機實行科學(xué)分類和確定名稱，對識別、評價和選擇鉆機是很有意義的。
1.分類
⑴按用途分類
按用途不同，可將現(xiàn)行廣泛使用的鉆機分為三大類，即地質(zhì)勘探用巖心鉆機；石油鉆探用鉆機；專用鉆機（水文水井鉆機、物探鉆機、工程鉆機等）；
⑵按鉆機標準鉆進孔深分類
根據(jù)不同孔深范圍，將各種不同鉆進孔深的鉆機分成三類或四類。
按三類分見表1—1。
表1—1 (m）
類別
淺孔鉆機
中深孔鉆機
深孔鉆機
Ⅰ
Ⅱ
10—300
10—300
300—800
300—800
800—1200
1000—2000
按四類分類見表1—2。
表1—2 （m）
淺孔鉆機
次深孔鉆機
中深孔鉆機
深空鉆機
10—150
200—400
500—800
900以上
⑶按原來地質(zhì)總局設(shè)備管理分類
鉆機可分為六類，即淺孔鉆機、巖心鉆機、石油鉆機、水文水井鉆機、汽車鉆機和砂礦鉆機；
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)機構(gòu)型式分類
可分為立軸式、轉(zhuǎn)盤式、動力頭式；
⑺按進給機構(gòu)分類
可以分為手輪（把）式、油壓式、螺旋差動式、長油缸式、油馬達—鏈輪式。
2.名稱
鉆機的名稱是按照鉆機綜合特征及主要性能，以漢字拼音字母及數(shù)字編排成的代號來表示的。通常把這種代號稱為型號，并以銘牌指示在鉆機上。
國產(chǎn)鉆機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，用漢語拼音中的一個字母表示。如“X”是漢字“心”的拼音首字母，表示鉆機用于巖心鉆進?！癠”是漢字“油”的首字母，表示給進機構(gòu)類型屬于油壓式。
中部為主要性能參數(shù)代號，用鉆機標準鉆進深度數(shù)字表示。如標準鉆進深度為200米的鉆機，中部代號為200。
尾部為變型代號，可用漢語拼音字母中的一個字母或數(shù)字為代號。無尾部的是指首次產(chǎn)品。如是第二次修改后的產(chǎn)品，尾部代號為2。
1.3 本設(shè)計主要內(nèi)容
1.設(shè)計題目：200米液壓鉆機變速箱的設(shè)計
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
鉆機角度
0—360o
第2章 鉆機的總體設(shè)計
2.1 本設(shè)計鉆機的應(yīng)用場合
200米型鉆機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)田打井時效率為最高。整個機組由兩部分組成，即200米鉆機、TBW—150/3.0泥漿泵。鉆機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米鉆機配備動力為電動或柴油機，適用于井上、井下或野外沒有電源的場地作業(yè)。
2.2 設(shè)計方案的確定
2.2.1 本設(shè)計鉆機的特點
通過市場調(diào)研了解到，目前鉆探工程對鉆孔深度200米左右的鉆機需求量日趨增加，而當前的200米鉆機，存在著勞動強度大、適應(yīng)性差等缺點。鑒于以上原因，我們決定改進200米鉆機。經(jīng)幾次方案討論決定，鉆機應(yīng)具有以下特點：
1. 經(jīng)濟耐用可靠、質(zhì)優(yōu)價廉；
2. 便于解體搬運；
3. 體積小，重量輕；
4. 操作簡單，維修方便；
5. 適用于Φ42、Φ50mm兩種鉆桿；
6. 適用于合金鉆頭或金剛石鉆頭鉆進；
7. 鉆進速度快，效率高；
8. 動力為電機或柴油機。
2.2.2 總體設(shè)計方案的確定
經(jīng)過調(diào)研和幾次方案論證，考慮到現(xiàn)場特點，從實用角度出發(fā)，確定方案如下：
1.考慮到井下、井上和野外作業(yè)，動力可選電機或柴油機；
2.考慮到有軟巖石、硬巖石的鉆進，除了正常的鉆進速度外，增加高速600r/min；
3.鉆機除配機動絞車外，增加了液壓卡盤減輕勞動強度，節(jié)約時間，提高有效鉆進速度；
4.考慮到高轉(zhuǎn)速時，絞車速度不能太快，所以增加了互鎖裝置，安全可靠；
5.由于本機動力較大，動力由V型帶傳動到變速箱的傳動軸上易使傳動軸彎曲，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，選用不同的鉆進速度；
7.在滿足上述要求的同時，盡量結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，適于整體或解體搬運。盡量做到標準化, 通用化，系列化。
2.3 鉆機的技術(shù)特性和要求
考慮到鉆機的實際工作情況，根據(jù)我國當前生產(chǎn)技術(shù)和工藝水平，本TXU—200型鉆機的技術(shù)特性為：
1.鉆進深度(使用Φ42或Φ50鉆桿) 200m
2.鉆孔直徑
⑴開孔直徑 89m
⑵終孔直徑 ≥60mm
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.最大液壓給進壓力 4 MPa
7.卡盤最大工作壓力（彈簧常閉式液壓卡盤） 6 MPa
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.絞車提升負荷
⑴0.70m/s 3.35KN
⑵0.61m/s 6.00KN
⑶0.26m/s 12KN
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.配備動力
⑴電動機
①型號 YB160L－4
②電壓 380/660V
③功率 15KW
④轉(zhuǎn)速 1460r/min
第3章 動力機的確定
3.1 輸出功率計算
根據(jù)現(xiàn)場需要，動力機的選擇偏大些，加大儲備系數(shù)，這樣可以提高鉆進效率。
輸出功率為
（3—1）
式中： —鉆機所需功率(KW)
式中: —回轉(zhuǎn)鉆及破壞巖石、土層所需功率(KW)
— 效率 =0.9
—油泵所需功率(KW)
3.2 回轉(zhuǎn)鉆進及破碎巖石、土層所需功率
回轉(zhuǎn)鉆進及破碎巖石、土層所需功率計算公式如下：
= （3—2）
式中: —井底破碎巖石、土層所需功率(KW)
=
式中: m—鉆頭切削刃數(shù) 取m=6
n—立軸轉(zhuǎn)速（r/min） r/min
h—鉆進速度(cm/min)
當轉(zhuǎn)速130r/min、250r/min時,h=5cm/min
當轉(zhuǎn)速350r/min、600r/min時,h=1.5cm/min
δ—巖石抗壓強度,其值見表3-1
—井底環(huán)狀面積，取鉆頭直徑D=7.7cm,內(nèi)孔直徑 d=5.9cm
cm2
—鉆頭與孔底摩擦所需功率(KW)
（3—3）
式中: δ—孔底壓力或巖石抗壓強度；
—鉆具與巖石直接的摩擦系數(shù) f=0.5
e—側(cè)摩擦系數(shù) e=1.1
—立軸轉(zhuǎn)速(r/min)
R—鉆頭外圓半徑(cm) R=3.85cm
r—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—1。
—回轉(zhuǎn)鉆桿所需功率(KW)
當<200r/min時
當n>200r/min時
式中：—孔深(mm) ， 硬質(zhì)合金鉆進時，?。?00000mm
金剛石鉆進時，?。?5000mm
—鉆桿直徑(mm) 取=50mm
—立軸轉(zhuǎn)速(r/min)
—沖洗液比重, =1.15
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 給進油缸所需功率的計算
3.3.1 給進油缸的基本參數(shù)
1. 給進油缸的基本參數(shù)
⑴給進油缸的數(shù)量 ＝2
⑵油缸直徑 ＝55mm
⑶活塞桿直徑 ＝30mm
⑷活塞桿有效行程 ＝500mm
⑸油缸面積 ＝23.75cm2
⑹活塞桿面積 ＝7cm2
⑺有效面積 ＝16.76cm2
3.3.2 油缸工作壓力的計算
⑴鉆機大水平孔時，油缸的最大推力為：
式中：—油缸最大推力(N)
—孔底最大壓力(N) C＝13345N
—鉆桿與孔壁間的摩擦力(N)
式中：—鉆桿單位長度重量(N/m) ＝55.46N/m
—鉆桿長度(m) ＝200m
—摩擦系數(shù) ＝0.35
N
故 N
⑵油泵的工作壓力
MPa
3.3.3 油泵最大工作流量計算
⑴油缸回程時的最大容油量:
L
⑵油缸送進時的最大容油量:
L
⑶當選用立軸的鉆進速度=0.05m/min=0.5dm/min時,立軸送進時每分鐘所需的油量為:
L/min
⑷令活塞回程時間為0.3min,則回程所需油量為:
L/min
3.3.4 給進油缸功率計算
根據(jù)以上的計算，可以得到給進油缸的功率：
KW
3.3.5 油泵滿負荷工作時所需要的功率
根據(jù)上面的計算,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)。油泵滿負荷時所需功率是：
(3—4)
式中: —額定壓力(N/cm2) =800N/cm2
—額定流量(L/min) =12L/min
—機械效率 =0.9
—容積效率 =0.71
將上述參數(shù)代入式（3—4）中可以得到：
上式油泵排量在額定轉(zhuǎn)速1460r/min時是12L,在995r/min時是8L。
3.4 動力機功率的確定
通過上述的計算說明，立軸鉆進時給進所需功率很小，而且油泵滿負荷工作時一般是立軸停止轉(zhuǎn)動狀態(tài)，液壓卡盤松開時，必須停止鉆進。所以參考表3—1，本機選用15電機或柴油機，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度 （N/cm2）
巖 石 名 稱
抗 壓 強 度
粘土、頁巖、片狀砂巖
4000
石灰?guī)r、砂巖
8000
大理石、石灰?guī)r
10000
堅硬的石灰?guī)r、頁巖
12000
黃鐵況、磁鐵礦
14000
煤
2000
表3—2 電機功率選擇計算
功率N（KW）
轉(zhuǎn)速r/min
抗壓強度δ
(N/cm2)
120
240
350
600
N1
2000
0.21768
0.25887
0.11532
0.13195
4000
0.43537
0.51775
0.23064
0.26391
8000
0.87075
1.03550
0.46128
0.52782
10000
1.08844
1.29438
0.57660
0.65978
12000
1.30613
1.55326
0.69192
0.79173
14000
1.52382
1.81214
0.80724
0.92369
N2
2000
0.46153
0.92307
1.34615
2.30769
4000
0.92307
1.84615
2.69230
4.61538
8000
1.84615
3.69230
5.38461
9.23076
10000
2.30769
4.61538
6.73076
11.5384
12000
2.76923
5.53846
8.07692
13.8461
14000
3.23076
6.46153
9.42307
16.1538
N3
2.67
7.75
4.8
9.83
N回轉(zhuǎn)器
(N1+N2+N3)
2000
3.34922
8.93195
6.26147
12.2696
4000
4.02845
10.1139
7.72295
14.7093
8000
5.38691
12.4778
10.6459
19.5885
10000
6.06613
13.6597
12.1073
22.0282
12000
6.745364
14.84172
13.56885
24.46789
14000
7.424592
16.02368
15.03033
26.90754
N油泵
0.028
0.028
0.028
0.028
N
(N油+N回）
2000
3.377227
8.959954
6.289475
12.29765
4000
4.056455
10.14191
7.75095
14.7373
8000
5.41491
12.50582
10.6739
19.61659
10000
6.094137
13.68777
12.13538
22.05624
12000
6.773364
14.86972
13.59685
24.49589
14000
7.452592
16.05168
15.05833
26.93554
=N/0.9
8.280658
11.26879
13.4838
13.6640
=1.1
9.108724
12.39567
14.8321
15.0304
第4章 機械傳動系統(tǒng)設(shè)計
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、鉆頭直徑及鉆進方式，當使用直徑為75mm鉆頭時，采用硬質(zhì)合金和鉆粒，根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗，立軸轉(zhuǎn)速取
n＝90～400r/min比較適宜；采用金剛石鉆頭鉆進時，立軸轉(zhuǎn)速取n＝400～1000r/min比較適宜。本機選用120～600r/min，即適合合金鉆頭鉆進，由適合金剛石鉆頭鉆進。
4.1.2 絞車
為了減輕鉆機重量，不使動力機過大，絞車的纏繩速度不宜過高，基本上采用低速，本機升降機速度為0.26～0.70m/s。
卷筒纏繩速度為三種，見表4—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/min
120
240
350
600
纏繩速度 m/s
0.26
0.61
0.70
—
4.1.3 變速箱
參考國內(nèi)外現(xiàn)有小型鉆機的轉(zhuǎn)速系列，本機采用了不規(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，600r/min轉(zhuǎn)速適合金剛石鉆頭鉆進。
4.2 機械傳動系統(tǒng)初步計算
4.2.1 立軸的轉(zhuǎn)速
根據(jù)機械傳動路線，立軸的轉(zhuǎn)速計算如下：
式中:—立軸的第一檔轉(zhuǎn)速(r/min)
—電機轉(zhuǎn)速(r/min) n=1460r/min
—主動皮帶輪直徑(mm) D1=160mm
—大皮帶輪直徑(mm) D2=355mm
Z1—Z11傳動鏈中各齒輪的齒數(shù),Z1=25,Z2=31,Z3=19,Z4=40
Z10=20,Z11=39
故 r/min
第二檔、第三檔和第四檔轉(zhuǎn)速分別計算如下：
第二檔： Ⅱ=
式中:Z5=28,Z6=31
故 Ⅱ=r/min
第三檔： Ⅲ=
式中: Z4內(nèi)=24
故 Ⅲ==351.5≈350r/min
第四檔： Ⅳ=
式中: Z7=46,Z8=21,Z6內(nèi)=21
故 Ⅳ=
考慮到皮帶傳動、齒輪傳動、軸承等的效率，所以各檔轉(zhuǎn)速確定為120、240、350、600r/min。
4.2.2 絞車的纏繩速度
第一檔速度:
m/s
式中:mm
式中:=140mm為卷筒直徑,=8.8mm為鋼絲繩直徑。
故 =0.28
同樣方法可以得到:
m/s m/s (計算從略)
考慮到皮帶、軸承、齒輪等的效率，確定絞車提升速度分別為：
＝0.26ms =0.61m/s =0.70m/s。
第5章 變速箱的設(shè)計與計算
5.1 變速箱的結(jié)構(gòu)特點及設(shè)計要求
5.1.1 結(jié)構(gòu)特點
變速箱的結(jié)構(gòu)有變速部分、分動部分、操縱部分和箱體組成。本設(shè)計中變速部分和分動部分合為一整體，縮小了箱體的結(jié)構(gòu)尺寸。其具體特點是：
1.采用了回歸式的傳動形式，箱體呈扁平狀，有利于降低鉆機的高度，齒輪Z4即使移動齒輪又是結(jié)合子，因此結(jié)構(gòu)緊湊；
2.變速、分動相結(jié)合，減少了零件的數(shù)目，有效利用變速箱內(nèi)的空間；
3.操縱機構(gòu)采用了齒輪齒條撥叉機構(gòu)，操縱靈活可靠，每個移動齒輪單獨控制，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)計要求
1.在校核零件強度時，假設(shè)電機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，純機動時間每班16小時，可連續(xù)工作20個月。
每種速度的工作時間分配情況見表6—1。
表5—1 變速箱四種速度工作時間分配情況
轉(zhuǎn)速（r/min）
占總工作時間百分率
工作時間(h)
120
30%
3000
240
30%
3000
350
20%
2000
600
20%
2000
3.本設(shè)計零件的強度和壽命計算方法和數(shù)據(jù)是按《機械設(shè)計手冊》（化學(xué)工業(yè)出版社）計算的。
5.2 齒輪副的強度計算與校核
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)，由鉆機的實際情況，變速箱內(nèi)各齒輪的主要設(shè)計參數(shù)見表6—2。
表5—2 變速箱內(nèi)齒輪的主要設(shè)計參數(shù)
齒輪編號
齒數(shù)Z
模數(shù)m
齒寬b
變 位系數(shù)Xn
材料
硬度RC
應(yīng)力角
備注
Z1
25
4
40
1.0
40Cr
40—50
20o
Z2
31
4
30
0.76
40Cr
40—50
20o
Z3
19
4
30
0
20CrMnTi
57—62
20o
Z4
40
4
30
0
40Cr
40—50
20o
Z5
28
4
25
0
40Cr
40—50
20o
Z6
31
4
25
0
40Cr
40—50
20o
Z7
47
3.5
25
-1.03
40Cr
40—50
20o
Z8
21
3.5
35
0.04
40Cr
40—50
20o
5.2.2..主要齒輪副的強度設(shè)計計算與校核
現(xiàn)選擇變速箱中重要傳動軸Ⅲ軸上的Z3、Z4齒輪副為例進行齒輪副的強度設(shè)計計算和校核。
1.按照齒面接觸疲勞強度計算
⑴初步計算
①計算轉(zhuǎn)矩
N?mm
②齒寬系數(shù) 查閱相關(guān)手冊，取=0.4
③接觸疲勞極限 查閱相關(guān)手冊，Z3、Z4兩齒輪的接觸疲勞極限分別為：=1080MPa =970MPa
④初步計算的許用接觸應(yīng)力[]≈MPa
[]≈=873MPa
⑤值 查閱相關(guān)資料，取=88
⑥初步計算小齒輪直徑
mm
取=73mm
⑦初步齒寬 mm 取=30mm
⑵參數(shù)選取計算
①圓周速度
m/s
②使用系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取=1.25
③動載系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取=1.15
④齒間載荷分配系數(shù)
由相關(guān)資料，先求小齒輪切向力
N
然后有 N/mm
>100N/mm
同時
查閱相關(guān)資料得，
故 =19×0.038+40×0.017=1.40
從而可以得到重合度系數(shù)
由此可得
⑤齒向載荷分布系數(shù)
查閱相關(guān)資料得到：
=1.81
⑥載荷系數(shù)
=1.25×1.15×1.16×1.81
=3.02
⑦載荷系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取MPa1/2
⑧節(jié)點區(qū)域系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取=2.5
⑨接觸最小安全系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取=1.05
⑩總工作時間 按照要求=10000h
應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 查閱相關(guān)資料，估計107<≤109
=3.18×108
=1.51×108
接觸壽命系數(shù)
查閱相關(guān)資料，取，
許用接觸應(yīng)力
MPa
MPa
⑶校核驗算
=
=1054.16MPa
=
=715.5MPa
計算結(jié)果表明，，，接觸疲勞強度合適。
2.按照齒根彎曲疲勞強度驗算
⑴參數(shù)選取計算
①重合度系數(shù)
②齒間載荷分配系數(shù)
查閱相關(guān)資料，
③齒向載荷分布系數(shù)
查閱相關(guān)資料，要得到的值先要求。
=3.32
從資料中可以查出，=1.43
④載荷系數(shù)
=1.25×1.15×1.23×1.43
=2.53
⑤齒形系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取，
⑥應(yīng)力修正系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取，
⑦最小彎曲疲勞極限
查閱相關(guān)資料，取MPa，MPa
⑧彎曲最小安全系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取
⑨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
查閱相關(guān)資料，取，
⑩彎曲壽命系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取，
尺寸系數(shù) 查閱相關(guān)資料，取
許用彎曲應(yīng)力
=400.4MPa
=357.2MPa
⑵校核驗算
=298.74MPa
=283.72MPa
計算結(jié)果表明，，，彎曲疲勞強度合適。
由于傳動中無嚴重過載，故不作靜強度校核。
5.3 軸的強度計算與校核
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。下面僅以該軸的強度壽命進行驗算。
Ⅲ軸共有7種工作狀態(tài)，向回轉(zhuǎn)器傳遞4種狀態(tài)的動力，驅(qū)動絞車的3種轉(zhuǎn)速。相比而言回轉(zhuǎn)器120r/min的轉(zhuǎn)速時該軸受扭矩最大，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—3。
表5—3 Ⅲ軸的各檔轉(zhuǎn)速及其傳遞的功率、轉(zhuǎn)矩
速度序號
轉(zhuǎn)速（r/min）
傳遞功率(KW)
傳遞轉(zhuǎn)矩(N·m)
Ⅰ
252.07
14.55
513.4
Ⅱ
479.3
14.55
270.0
Ⅲ
685.4
14.55
188.80
Ⅳ
1187.7
14.14
105.7
軸上各齒輪的分度圓直徑為：
mm,mm,mm,mm,mm
5.3.1 軸的強度計算
1.在各種轉(zhuǎn)速下齒輪所受力計算
齒輪圓周力，齒輪徑向力
Ⅰ檔轉(zhuǎn)速下：
N
=6417.5×20o=2335.78N
同樣可以計算出齒輪在其他各檔轉(zhuǎn)速下的受力：
Ⅱ檔轉(zhuǎn)速下：N，N
Ⅲ檔轉(zhuǎn)速下：N，N
Ⅳ檔轉(zhuǎn)速下：N，N
2.計算軸受到的支承反力
由于軸的轉(zhuǎn)速處于最低時所受到的力和轉(zhuǎn)矩最大，所以以第一檔轉(zhuǎn)速時的受力情況為條件進行計算。Ⅲ軸的長度較大，相對直徑較小，尤其是Z4與Z3嚙合處的花鍵軸，支承跨度大，容易產(chǎn)生彎曲變形，因此本次校核只在該花鍵軸上取截面，從而軸的受力可以簡化。軸的受力簡圖如圖5—1。
圖5—1 傳動軸的受力簡圖
如圖5—1，將軸受到的力簡化為水平方向和垂直方向受力，下面分別從這兩個方向分別列出方程計算支承反力。
⑴水平方向受力
代入數(shù)據(jù)計算：
N
N
⑵垂直方向受力
代入數(shù)據(jù)計算：
N
N
3.畫軸的彎矩圖
軸的水平受力彎矩圖和垂直受力彎矩圖分別見圖5—2和圖5—3。
圖5—2 軸水平受力、彎矩圖
圖5—3 軸垂直受力、彎矩圖
通過以上計算，軸的合成彎矩為：
N·mm
合成彎矩圖見圖5—4。
圖5—4 軸受到的合成彎矩圖
4.軸的當量轉(zhuǎn)矩和當量彎矩
鉆機在運轉(zhuǎn)時不可能完全均勻，且有扭轉(zhuǎn)振動存在，故考慮到安全，常按脈動轉(zhuǎn)矩計算。
①許用應(yīng)力值
軸的材料為40Cr，查閱相關(guān)資料，取許用應(yīng)力值MPa
同時取MPa。
②應(yīng)力校正系數(shù)
當量轉(zhuǎn)矩計算如下：
N·mm
N·mm
當量彎矩計算：
選擇在齒輪Z4中間截面處
445665.33N·mm
當量彎矩圖如圖6—5所示。
圖5—5 當量彎矩圖
5.3.2 軸的強度驗算校核
1.校核軸徑
Z4齒根圓直徑計算：
mm
Ⅲ軸最小軸徑計算：
Ⅲ=mm
故 Ⅲ<,滿足要求。
2.應(yīng)力校核
軸所受應(yīng)力計算如下：
式中：W——軸的抗彎截面系數(shù)
花鍵軸的抗彎截面系數(shù)計算如下：
（5—1）
式中： ——花鍵內(nèi)徑(mm) 取mm;
——花鍵鍵寬(mm) 取mm
——花鍵外徑(mm) 取mm
——花鍵的個數(shù) 取=8
故代入（6—1）式后得：
N
所以，可以計算出軸所受應(yīng)力：
MPa
顯然，有,通過校核。
第6章 回轉(zhuǎn)器
6.1 回轉(zhuǎn)器的機構(gòu)特點
回轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)是由本體、立軸、立軸導(dǎo)管、弧齒錐齒輪等組成。立軸上端裝有常閉式液壓卡盤。其特點是：
1、回轉(zhuǎn)器尺寸小、緊湊。
2、回轉(zhuǎn)器適用于各種角度的孔的鉆進。
3、離開孔口采用開箱式，簡單可靠，減輕鉆機重量。
4、立軸行程比過去小型鉆機大，為500mm，縮短鉆進輔助時間。
6.2 零部件的強度與壽命計算
6.2.1 弧齒錐齒輪副的參數(shù)設(shè)計
錐齒輪傳動的主要尺寸可用類比法或按傳動方式來確定。對閉式傳動可按齒面接觸強度估算，對開式傳動可按結(jié)構(gòu)初步確定，也可按彎曲強度估算，并用計算載荷驗算。
設(shè)計中該傳動采用垂直正交傳動方式小弧錐齒大端直徑的估算：
齒輪齒數(shù)設(shè)計為Z10=20，Z11=39 齒面硬度Z10為HRC57，Z11為HRC52
式中：—設(shè)計齒輪的許用接觸應(yīng)力
＝
式中：—接觸疲勞應(yīng)力() ?。?200
—安全系數(shù) 1～1.2 ?。?.1
u—傳動比或齒數(shù)比 u==0.51
—所受轉(zhuǎn)距(N/mm) 由前一章計算得
K —使用系數(shù) 取K＝1.5
故
取 ＝120 mm
則有齒輪大端模數(shù) ＝/z=120/20=6 mm
其他相關(guān)參數(shù)如表5－1，5－2所示
表6－1
名稱
小弧錐齒Z10
大弧錐齒Z11
分錐角
27.15°
62.85°
齒寬系數(shù)
0.3
0.3
終點模數(shù)
5.1
5.1
中點法向模數(shù)
4.178
4.178
齒寬中點螺旋角
35°
35°
6.2.2 計算齒面接觸疲勞強度
Z10與Z11的主要參數(shù)見表5－2。齒面硬度Z10為HRC52，Z11為HRC57，錐距R＝131.49mm,節(jié)錐角δ10=,δ11=。
表6-2
齒 號
齒 數(shù)
模數(shù)
變位
系數(shù)
齒寬
材料
齒頂系數(shù)
壓力角
螺旋角
旋向
精度
Z10
20
6
0.29
40
20CrMnTi
0.85
右
8DC
Z11
39
6
0.29
40
20CrMnTi
0.85
左
8DC
齒輪在各種轉(zhuǎn)速下傳遞的功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩見表6－3
表6－3
功率 KW
轉(zhuǎn)速 r/min
轉(zhuǎn)矩 n·m
14.55
252
513.4
14.55
479.3
270.0
14.55
685.4
188.8
14.14
1187.7
105.7
1.校核公式
計算接觸應(yīng)力：
(6—1)
許用應(yīng)力：
（6—2）
查閱相關(guān)資料,將校核所涉及的其它參數(shù)列于表6—4中。
表6—4
參數(shù)名稱
參數(shù)符號
參數(shù)值
節(jié)點區(qū)域系數(shù)
2.22
彈性系數(shù)
189.8
接觸強度計算的重合度系數(shù)
0.88
接觸強度計算的螺旋角系數(shù)
0.91
接觸強度計算的錐齒輪系數(shù)
0.85
使用系數(shù)
1.5
動載系數(shù)
1.03
齒向載荷分布系數(shù)
1.50
齒向載荷分配系數(shù)
1.4
傳動比
1.95
接觸強度計算的有效齒寬
34mm
小齒輪分度圓直徑
120mm
錐齒輪中點端面分度圓上名義切向力
9610 N
試驗齒輪的接觸疲勞極限
1200
接觸疲勞的最小安全系數(shù)
1.1
潤滑劑系數(shù)
1.0
速度系數(shù)
1.0，
粗糙度系數(shù)
0.95
溫度系數(shù)
1.0
2.校核驗算：
將表6—4中的參數(shù)代入公式6—1、6—2中得：
＝869.3MPa
＝1036.36MPa
顯然<，并且安全系數(shù)
所以滿足安全要求。即齒輪按接觸疲勞強度校核滿足要求。
第7章 絞車
7.1 絞車的結(jié)構(gòu)特點
本鉆機考慮到井上、井下鉆探作業(yè)，故設(shè)置了絞車，見附錄5。在井下矮巷道內(nèi)鉆孔時，絞車難以發(fā)揮作用，這時可將絞車拆除。設(shè)置絞車也給機器在井下短距離搬運提供自牽的方便。
在結(jié)構(gòu)上選擇常用的固定輪系的行星式傳動絞車，其特點是：
1.結(jié)構(gòu)簡單而緊湊，傳動裝置兼起離合作用，并有過載保護作用；
2.傳動功率大，效率高。
3.傳動平穩(wěn)，操縱靈活。
7.2 主要參數(shù)的選擇
7.2.1 絞車性能參數(shù)
1.確定鋼絲繩直徑d
根據(jù)GB1102－74標準，選定鋼絲繩直徑如下：
外徑：=8.8mm
總斷面積：=27.88mm2
總破斷力：=47300N
抗拉強度：=1700Mpa
繩型：繩6×37（纖維芯）
2.鋼絲繩的強度校核
絞車最大提升負荷：=12000N
最小安全系數(shù)：
在正常情況下，最大起重時的安全系數(shù)為：