岩土工程机械设计.ppt

中国地质大学机电工程教研室,岩土工程机械设计 刘 银,绪 论,总体设计,摩擦离合器,传动系统,变速箱,回转器,给进机构,升降机,冲击机构,液压系统,一 岩土工程机械的组成及功用,从事各类岩土工程所需的专业性机械称之为岩土工程机械。主要有下列机械组成：,1.钻孔机械 钻孔机械又称为钻机，是品种繁多、应用面广泛的岩土工程机械。主要用于石油与天然气的普查与勘探；金属与非金属的普查与勘探；地下水资源的普查、勘探与开采；各类建筑工程基础的勘探与施工等。,巷道掘进机,2.钻凿与掘进机械 凿岩机械主要用于矿山开采、巷道掘进、隧道开挖时所需的小直径爆破孔的钻凿等。全断面掘进机械用于隧道、涵洞、巷道的直接开挖。,3.开槽机械 开槽机械是20世纪70年代以后发展起来的新型岩土机械。主要用于地下连续墙工程、堤坝基础地层防渗漏处理工程等。,泥浆泵,混凝土泵用于输送浇筑混凝土桩和连续墙所需的混凝土。,混凝土泵,岩土工程施工用泵主要由泥浆泵、沙石泵、混凝土泵等。泥浆泵用于输送钻孔或开槽所需的冲洗液。,砂石泵 用于反循环钻进中抽吸钻井液及岩心、岩屑,4.泵类机械,钻机的分类1、按用途分类,（1）岩心钻机,（2）工程钻机,（4）水文水井钻机,（3）石油钻机,（5）特种钻机,2、按钻进方法分类,（1）冲击式钻机,（4）复合式钻机,（2）回转式钻机,（3）振动式钻机,3、按结构特征分类 回转式钻机按照回转器的类型划分为：（1）立轴式钻机（2）转盘式钻机（3）移动回转式钻机（动力头式）,三 钻机的标准化1、钻机标准化简介2、钻机的标准系列(1)原地矿部钻机标准系列：立轴式钻机标准系列：XY(1-6)水文水井钻机标准系列：SP-工程勘察钻机标准系列：G(1-3)(2)其他部门立轴式钻机系列 煤炭部立轴式钻机系列：TK(碳坑)-(1-4)孔深在：100m2000m 冶金部立轴式钻机系列：YL(冶立)-(1-6)有色系统立轴式钻机标准系列：CS(穿山)-(1-6)(3)原苏联岩心钻机系列：(1-8)孔深在12.52000m,例 SPC300 全称：钻进深度为300m的车装转盘式水井钻机,钻进深度300m,车装式,转盘式,水井,3、钻机型号的编制原则-,主参数或系列序号,第二结构特征,第一结构特征,类别标志,四 钻机的特点与设计要求1、钻机的特点（1）钻进方法及钻进工艺的多样性；（2）使用条件的复杂性；（3）类型与结构的多样性；（4）生产的小批量性。,2、钻机的设计要求完成一个钻孔的经济技术指标可以用下列四钟钻速来衡量:,影响钻孔四种钻速的因素有:钻进工艺与钻进方法的水平、管理水平、操作者的技术水平和机械设备水平。以下仅从机械设备这一因素分析要提高以上四种钻速，钻机应满足那些要求。,（1）性能及工作参数要有较宽的适应性；（2）能传递足够的动力；（3）具有较强的处理事故的能力和完成特种工作的能力；（4）运转平稳，钻进时导向性好；（5）机械化及自动化程度高；（6）具有较大的给进行程，或连续倒杆机构；（7）升降机操作灵敏，运动平稳；（8）具有良好的保养、维修性能；（9）设置必要的过载保护装置及重复机构；（10）配备必要的监测与指示仪表；（11）具有良好的拆装、运移性能；（12）除以上要求外，还应满足机械设备的一般要求。,收集资料听取意见,多方案对比分析,符合标准应用新工艺新方法,新成果新技术应用,五 钻机设计的一般步骤与方法 1、钻机设计的一般步骤 制定设计任务书 草 图 设 计 方 案 筛 选 技 术 设 计 设 计 评 审 工作 图设计 对审装配图 样 机 试 制 组 织 评 审 鉴 定 投 产,否,否,2、钻探机械的设计方法（1）经验设计 根据生产实践积累的经验与数据，类比同类产品，并进行简单设计计算的早期设计方法。（2）常规设计（传统设计方法）以技术分析和科学实验为基础，并进行必要可靠的设计计算的设计方法。（3）现代设计方法 可靠性设计 优化设计 计算机辅助设计（CAD)虚拟设计,岩土工程机械是多种类型的机械,不同类型的岩土工程机械的发展情况不同。钻机是具有代表性的岩土工程机械。下面以钻机为例介绍其发展概况。,六 钻机的发展概况与发展趋势(一)钻机发展的一般概况,岩土工程机械最早起源于我国,但现代岩土工程机械发展于欧美。解放前,我国没有自己制造的岩土工程机械。解放以后才逐步建起自己的岩土工程机械制造业。其发展大概可分为三个结段:,第一阶段,从1950-1959年,为创业阶段。该阶段主要是创建自己的钻探设备生产工厂，组建自己的设计队伍，引进和仿制钻探机械与工具。第二阶段，从1960-1965年，由仿制到自行研制阶段。该阶段已初步形成自己的设计队伍，研制出自己设计的一批钻探设备及工具。,(二)我国钻探设备的发展概况,第三阶段，从1976-1986年，为快速发展阶段。该阶段，我国自行研制生产出多种类型的大数量的钻机，尤其是转盘式钻机，可以说是遍地开花。在我国的地制造矿事业中发挥了巨大第作用。,第四阶段，从1986年至今，为稳定发展阶段。随着地质探矿任务的减少，各种基础工程市场大量增加，为适应市场经济的要求，有关系统相应调整和规划了钻机的品种和生产数量，而且在产品质量上有较大提高。岩心钻机减少，工程钻机的数量大大增加。部分钻机已开始向国外销售。,多头潜孔钻机,反循环动力头式工程钻机,1、随着钻机用途的扩展及施工方法与工艺的增加，多功能钻机将较快发展；2、全液压钻机是今后钻机的一个发展趋势：3、电驱动钻机将会越来越多；4、钻机会朝着自动化及半自动化方向发展；5、钻机向着组合式积木结构方向发展；6、车装，尤其是履带车装式工程钻机将有所发展；7、特种钻机会不断增多和拓宽。,（三）钻机的发展趋势,第一章 总 体 设 计,1-1 总体设计的要求、任务与依据一 总体设计的要求（1）钻机的性能参数要有较宽的适应范围，要满足钻进工艺与钻进方法的要求；（2）整机要有足够的强度、刚度、稳定性；（3）结构紧凑、传动链短、传动副少；（4）便于安装和拆卸；（5）要有合理的装载形式；（6）整机布局合理、造型美观；（7）满足使用要求的前提下，节省材料、减轻重量。,二 总体设计的任务（1）选择钻机的类型；（2）确定钻机的参数；（3）选择传动方式及驱动方式；（4）进行总体布局；（5）估算重量、总体尺寸及制造成本；（6）核查钻机的稳定性。三 总体设计的依据（1）依据地层条件；（2）依据采用的钻进方法及钻进工艺；（3）依据使用条件与要求；（4）依据制造条件；（5）考虑同类型钻机的结构。,1-2 机型与传动形式的选择一 机型的选择（一）岩心钻机的特点与机型 岩心钻机具有下述主要特点：（1）采用回转钻进；（2）转速高、调速范围大；（3）具有良好的导向性能和合理的变角范围；（4）体积小、重量轻。,(二)水文水井钻机的特点与机型 水文水井钻机的主要特点如下：（1）钻机的类型多；（2）钻进方法与钻进工艺的多样化；（3）钻机的转速较低，扭矩较大；（4）多采用车装或拖车装。,回转式,（三）工程钻机的特点与机型 工程钻机的主要特点是：,（1）机型多样化；（2）钻进方法及钻进工艺多；（3）运移性好；（4）对环境污染少。,二 钻机传动方式的选择,1、纯机械传动2、机械-液压传动（半液压传动）3、全液压传动4、机械-气压传动,1-3 钻机的基本组成及各部分的作用,钻机的用途和采用的钻进方法及钻进工艺不同,其组成不同。以回转式钻机为例介绍。一台回转式钻机有下列部分组成：一.回转机构 带动钻具回转,传递钻头破岩所需的转矩。二.给进机构 向钻头施加轴向压力，使钻头有效吃入岩石。另外,多数给进机构还可以实现悬挂、提动钻具，甚至完成升降钻具的工作。三.升降机构 升降钻具、起下套管。四.拧卸机构 拧卸钻杆。五.传动系统 传输各工作机构所需的运动和动力。六.底盘或机架 安装钻机的各个部件，承受钻机工作时产生的各种载荷。,一 钻机的驱动方式与动力输入方式1.钻机的驱动方案 单独驱动和联合驱动2.动力的输入方式 直线输入和平行输入,1-4 钻机的总体布局,二 主要部件的布置形式 1、按各部件在空间的摆放位置分为：平面布局和空间布局2、按各部件主要传动轴的布置方式分为：纵向布置、横向布置及交叉布置,三、回转器的变角方式和让开孔口的方式1、变角方式 侧倾式和前后倾斜式2、让开孔口的方式 开合式和后移式四 操纵机构的布置1、近台操纵（1）按主要操纵机构的布置位置分为：后置式、前置式和侧置式（2）按操纵机构的集中程度分为：集中布置与分散布置2、操作台集中操纵,五 整机组装型式 散装式 机架组装式 拖车装式 自行式(车装式),1-5 钻机的参数,一 钻机的主要参数 1.能力参数 孔深、孔径、钻杆直径、钻孔倾角。2.工作参数 回转器的工作参数：回转器的转速(最高转速、最低转速、中间速度）速度档数、调速范围、回转器的通孔直径、回 转器让开孔口的范围。给进机构的工作参数：最大上顶力、最大给进力、给进速度、给进行 程、倒杆速度。升降机的工作参数：最大起重量、缠绳速度（最高缠绳速度、最低缠绳 速度、中间缠绳速度、速度档数、调速范围）。3.整机参数：钻机的质量、钻机的总体尺寸。4.动力机参数：动力机的类型、动力机的功率、动力机的转速。,1-6 钻机的功率配备,一 钻进时所需的功率 钻进时所需的功率可用下列公式计算：,-钻头破碎岩石所需的功率，-回转钻杆所需的功率，钻机传动所需的功率，,1.钻头破岩所需功率 硬质合金与刮刀钻进时,金刚石钻进时破岩所消耗的功率,2.空转钻杆所需的功率,空转钻杆功率的影响因素很多。如钻杆的规格、材质、连接方式、钻杆的转速、钻孔的直径、钻孔的深度、钻孔的弯曲率、冲洗液的类型等，很难用一个公式进行准确计算，一般多采用计算加实测方法确定。下面表中列出几种空转钻杆功率的计算公式，供设计时参考。,表中,顶角弯曲率,KW,3.钻机传动所需功率,式中A、B系数见下表,二 提升钻具时所需的功率,三 钻机配备的动力机功率,1。单独驱动,2。联合驱动,第二章 机械传动系统,2-1 机械传动系统的功用与要求一.机械传动系统的功用 1、传递与切断动力；2、改变工作机构的转速与转矩；3、合理的分配动力；改变工作机构的运动形式及运动速度；4、实现柔性传动及过载保护；5、完成其他用途的传动。,二.对机械传动系统的要求 1、传动系统的参数要满足钻机工作机构对转速、转矩、调速范围等方面的要求；2、传动效率高；3、工作安全可靠，操作方便省力；4、拆装、维修方便，拆后再装易保证精度，5、结构简单、容易加工、成本低。,2-2 动力机及钻机工作机构的特性分析一.动力机的特性1.三相交流感应电动的工作特性 在一定的电源电压及转子电阻的情况下，三相交流电动机输出的转矩,与转差率间的关系可用下式表示：,电动机的特性是:(1)调速范围很小，具有典型的硬特性;(2)有较强的短时超载能力;,(3)启动时电流很大，因此不希望频繁启动;(4)运转时噪声较小。,2.柴油机的工作特性 柴油机的工作特性是由其速度特性曲线来反映的。速度特性曲线是在供油量一定的情况下，柴油机的功率、转矩、耗油率等主要指标随转速变化的曲线。图1为柴油机自身的速度特性曲线。图2是实际使用的装有全程调速器的实际速度特性曲线。,图1,图2,柴油机的特性如下：(1)由柴油机的速度特性曲线可以看出柴油机具有典型的“软”特性；(2)只有一个方向的转动；(3)超载能力很小；(4)工作时噪声较大。,二.钻机工作机构的工作特性1.回转器的工作特性（1）具有变化较大的脉动载荷，在某些特除情况下会出现载荷的突变；（2）需要较宽的调速范围；（3）根据钻进工艺的需要，回转器应具有“硬”特性；（4）工作中经常出现超载现象。,2.升降机的工作特性 升降机具有下列特性：（1）根据升降机的工作情况分析，升降机应具有“软”特性；（2）需要较宽的调速范围；（3）有超载现象。,2-3 机械传动系统的形式分析一.立轴式钻机的机械传动系统形式,二.转盘式钻机的机械传动系统形式,三.移动回转器式钻机的机械传动系统形式,一.传动系统的确定步骤(1)确定传动系统方式和选择动力机;(2)确定传动系统的参数;(3)确定传动轴的数目，齿轮的数目；确定各轴、齿轮的位置；确定总传动比，并把总传比分配到各传动副上；确定每个齿轮的齿数；(4)绘制机械传动系统图和转速图。,2-4 传动系统的确定,二.机械传动系统的确定原则1.根据钻机的工作特点，应考虑动力机的互换性，而且,动力机的转速尽可能接近钻机工作机构的转速。2.总传动比的分配原则是“传动比前小后大”，“传动副前多后少”。,一般,3.从输入到输出的传动，尽可能避免转速升高后又降低，降低后再升高，而后又降低的传动方案。最好是依次降速传动。4.尽可能采用公用齿轮;5.在满足传动要求的前提下，尽可能缩短传动链;,6.如果 一对传动副是升速传动，其传动比应1/2；如果是降速传动，则传动比应4。7.尽可能采用跨轮机构。8.如果钻机传动系统设置有油泵传动链，则油泵传动链应放在钻机离合器的前面。三.传动系统图的绘制,四.转速图的绘制1.转速图的绘制步骤(1)根据传动系统图、输入和输出转速，计算各轴转速;(2)以等距离垂线代表传动轴,按照传动关系画出各轴代表线，并标出轴的序号;(3)在各轴代表线上以对数座标取值，标出各轴的转速点，并标出转速值;(4)将有传动关系的各转速点用线条相连。用不同的线条代表不同的传动链;(5)在转速图的下面以列表方式,列出有关参数。2.转速图的作用 转速图是确定机械传动系统简便，且明了的方法。它反映了传动系统的基本组成及结构；表明了传动系统的运动参数，即各传动轴的转速档数、转速值、传动比、调速范围等；表明了各档转速的传递路线。,第三章 摩 擦 离 合 器,3-1 摩擦离合器的功用与要求 一 摩擦离合器的功用(1)传递与切断动力；(2)微动操作；(3)实现柔性传动；(4)过载保护。(5)保证动力机空载启动。二 对摩擦离合器的要求(1)能传递足够的动力；(2)结合平稳，分离彻底；(3)易损件的寿命较长；磨损后容易更换和调整；(4)尽量减小从动件的转动惯量，以减少结合时的时间和冲击。(5)具有良好的散热性能。,3-2 摩擦离合器的类型、结构与工作原理,一 摩擦离合器的类型 1、按照片数分类 单片式 特点：结构简单、散热好、间隙容易保证，但结合时的平稳定性较差、传递大功率的单片式摩擦离合器的径向尺寸大。多片式 特点：结合平稳、片的尺寸相同时，能传递较大的功率，但结构较复杂、分离时片间间隙不易保持均匀、散热较差。,2、按工作条件分类 干式 特点：摩擦系数大、许用比压小、摩擦片的寿命短、结合平稳性差、调正间隙次数多，片数少、结构较简单,采用风冷，暴露在空气中。湿式 特点：片数多、摩擦系数小、许用比压大、使用寿命长、结合平稳、无需经常调整间隙、维修不太方便。3、按工作原理分类 常压式 特点：结合时靠弹簧压紧、常态为压紧状态、压紧弹簧有自动补偿作用，无须经常调整间隙、传递功率大小能较准确的设计、分离时需要较大的操纵力、适合联合驱动的钻机。非常压式 特点：结合时靠杠杆压紧、常态为分离状态、操纵较省力、传递功率大小不易控制、需要经常调整间隙、结合时平稳定性较好、适用于单独驱动的钻机。,二 摩擦离合器的结构与工作原理,1、摩擦离合器的组成 摩擦离合器有主动摩擦片、被动摩擦片、压紧机构、分离机构、间隙调整机构、操纵机构、壳体等组成。2、典型摩擦离合器的结构（1）XY-4钻机摩擦离合器 XY-4钻机摩擦离合器为干式、单片、杠杆压紧型,(2)XY-5钻机摩擦离合器,3、摩擦离合器的工作原理（1）非常压型摩擦离合器的工作原理,2、常压型摩擦离合器的工作原理,三、摩擦离合器工作过程分析,1、结合过程 结合过程是指离合器主、被动片开始接触到二者同步转动这一过程。可分为三个阶段：t1 阶段：1，2=0，Mm由0增加到MZ。主、被片间的转速差最大。其滑磨功也大。t2 阶段：1，2，Mm 继续增大到Mm。虽然主、被片间的转速差减小，但摩擦转矩增大，其滑磨功仍然很大。t3 阶段：1，2，Mm保持不变。主、被片间仍然有转速差，离合器还产滑磨功。,由上述分析可知:在结合过程中,主、被动摩擦片间均存在相对运动，易引起摩擦片较大的磨损与温升。为保证工作机平稳启动和防止离合器过度的磨损及产生过高的温度，结合过程要保证有一定的结合时间，但结合时间不能过长。一般控制在2-8秒之内。2、正常工作过程 当主、被片的转速达到一致，且逐步恢复到动力机的额定转速，离合器进入正常工作过程。只要Mz Mm离合器均能正常工作。这时可把离合器看成刚性传动件。当Mz Mm时，主、被片间产生打滑，离合器的温度会急剧升高。出现此种情况应立即停车。3、分离过程 1=e 2迅速下降到0。一般要求离合器分离过程时间越短越好。,3-3摩擦离合器主要参数的确定,一 摩擦离合器传递的最大转矩 二 摩擦离合器产生的摩擦转矩 设微小圆环面积上的正压力为dN,则 在dN作用下产生的摩擦力dp dp 产生的摩擦转矩:,一对摩擦副产生的摩擦转矩为:,离合器产生的总摩擦转矩为：,将上式中的R和r换成D与d后成为：,假定摩擦片上的比压处处相等，则,摩擦片的等效平均摩擦半径为：,故摩擦离合器产生的摩擦转矩又可表达为：,三 摩擦片的有效内径和外径 根据Mm=Mmax，可推导出摩擦片的有效外径为：,式中,五 摩擦副的数目,摩擦离合器的摩擦副数可用下式计算：六 摩擦离合器的转矩储备系数,一般 值在1.52.5。,四 f 与 q 的确定 摩擦系数 f 和许用比压 q的取值见右边表。,3-4 摩擦离合器的滑磨功与发热验算,t,NA,结合过程的特性曲线,一 滑磨功的计算结合过程中的总滑磨功用下式计算:,式中：离合器的摩擦力矩储备系数；I1主动部分的惯性矩；e-主动件的转动角速度；,二 离合器的发热和耐磨性校验,1.离合器的发热验算对于干式摩擦离合器，用下式计算:,式中：C吸热零件材料的比热；对钢和铁可取：C=48.15J/N0Ca吸热系数;干式单片离合器的压紧盘a=0.5,双片式的中间片a=0.5,压紧盘a=0.25。对于湿式摩擦离合器，因主、被动片都是钢或烧结金属制造，故主被动片同时吸热。因此应用下式计算：,无论何种摩擦离合器结合时的温升不希望大于3C0,2、耐磨性校验 离合器片的耐磨性不仅与总滑磨功有关，而且与摩擦片的工作总面积及材料的性质有关。设计时一般可用限制离合器单位摩擦面上所具有的滑摩功来保证其耐磨性。即,式中Z离合器的摩擦副数；F一个摩擦副的有效摩擦面积；Ad许用单位摩擦面的滑磨功。以铜丝模造石棉为摩擦材料的干式摩擦离合器，通常Ad=5105J/m2。,3-5离合器主要零件的设计,一 带衬摩擦盘1.摩擦衬面（1）对摩擦衬面的性能要求（2）衬面材料（3）衬面与基盘的安装2.基底钢盘材料为中碳钢，厚度1.52.5，为防止受热翘曲，加工有径向切槽。二 支撑盘三 压紧盘四 离合器罩,3-6 压紧机构的设计,一 弹簧压紧机构的设计 弹簧压紧机构有三种:(1)周沿弹簧式；(2)中心弹簧式；(3)弹簧,杠杆组合式。钻机中主要采用第一种形式。下面的设计是以第一种为例。,0,压紧时每个弹簧需产生的压紧力为：,离合器分离时，弹簧产生的最大张力：,根据经验：,代入前式得：,是离合器分离时,每对摩擦副间应有的间隙量。,在最大作用力下，弹簧产生的剪应力用下式计算：,K弹簧的绕曲系数，可用下式计算或从图中选取。,4 6 8 10 12 14 16 18,1.401.351.301.251.201.151.101.051.00,K,如果式中的 用弹簧材料的许用剪应力代替，可用于确定弹簧的结构尺寸。,弹簧的压缩量与作用力之间的关系为：,Gm弹簧材料的弹性模量；,由上式可以导出弹簧的刚度系数：,若K 已确定，可用上式计算弹簧的圈数。然后进一步求出弹簧的自由长度。,弹簧在最大压缩量下，相邻工作圈之间应有的最小间隙量，通常：,二 杠杆压紧机构的设计1.分离滑套行程的计算 杠杆压紧机构按增力机构不同分为：斜面杠杆式和连杆杠杆式；按压盘施力机构不同分为：刚性式、带弹性元件和装有补偿弹簧式三种。由图中可以看出，压紧盘在结合过程中的最大位移为：,A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4,Ai,A3,Di,D3,ei,fi,B3,Bi,Si,x,y,a,b,根据图中所设参数,可推导出在滑套的工作行程内滑套与压紧盘位移的关系:,因滑套的空行程较大，采用上式计算误差较大，一般采用作图法确定。闭合行程根据经验确定，sb=24mm。确定出Sh、Sg、Sb后，滑套的总行程可用下式计算：,2.分离滑套的最大推力计算 杠杆达到滑套的最高点时，机构产生最大的推力：,结合终了时的压紧力由下式确定：,有上式可以得出滑套的工作行程:,产生最大压紧力时，机构的有关参数如图。根据图中给出的参数可求出滑套的最大推力。,第四章 变速箱与分动箱,5-1变速箱与分动箱的功用与要求 一 变速箱的功用及对变速箱的要求 变速箱是钻机的核心传动部件，一般认为变速箱的寿命就是钻机的寿命。变速箱的主要功用是改变升降机，回转器等工作机构的转速及转矩；合理地向各工作机构分配动力；为回转器提供反档；可为其它部件的安装提供支撑。为保证钻机的优良性能，变速箱必需满足下列要求：1.变速箱输出的转速及扭矩必需满足各工作机构的载荷和运动的要求；2.合理地分配动力；3.能提供反档。,5-2 变速箱的组成和结构形式 变速箱一般由四部分组成：基本变速部分、分动部分、操纵部分和箱体。一 基本变速部分 变速箱内实现正转速度变换的机构称之为基本变速部分。目前主要有两大类：两轴一传机构和三轴二传机构。1.两轴一传结构 两轴一传机构是基本变速部分只有输入和输出两根轴。传递任一档速度只经过一对齿轮传动。两轴一传机构的变速箱具有结构简单、轴的支撑和受力条件好等优点。但存在调速范围小、速度档数少等不足。适用于大口径钻机及浅孔钻机。,三轴二传,2.三轴二传结构 三轴二传机构根据三根轴的布置型式,又分为空间三轴式与平面三轴式。在钻机中多采用平面三轴式机构。平面三轴式机构又称为跨轮机构。其三根轴布置在一个平面内,且输入轴和输出轴在一条直线上。在传递某一档速度时不经过中间轴,直接由输入轴传递到输出轴,故称为跨轮机构(参看下面动画演示)。三轴二传跨轮机构的优点是:调速范围大，结构紧凑,如果与两轴一传机构安排相同的挡数时，可减小变速箱的尺寸和重量。当把直接档安排为最长用的档时,可提高变速箱的寿命。而三轴二传机构的不足是输入，输出轴的支撑条件比两轴一传式差。,平面三轴式按照输入和输出轴的支撑位置不同又分为第一类跨轮机构与第二类跨轮机构。二者结构上的差别是第一类机构的输入轴的一端是支撑在输出轴齿轮的中心孔内，而第二类机构是输出轴的一端支撑在输入轴的小齿轮的中心孔内。二者性能上的差别有:（1）第一类机构中间轴的转速是不变的,第二类机构的中间轴的转速是随着档数不同而变化的;（2）在速度档数相同的条件下,第二类机构的高转速齿轮较多;（3）第二类机构轴的支撑条件相对较好。,二 分动部分 1.分动部分的结构形式（1）按照变速机构与分动机构安装关系分为：独立式与共箱式；（2）按照分动齿轮设置的位置分为：靠近变速箱输出轴式和远离变速箱输出轴式；（3）按分动齿轮的结构形式分为:外齿分动与内齿分动。,三 操纵机构1.操纵机构的功用2.操纵机构的类型 有多手把操纵机构和单手把操纵机构。3.操纵机构的组成 操纵机构主要有拨叉、拨叉轴、操纵手把和定位装置等组成。但在有两个滑动齿轮以上的变速机构中,为了防止同时挂两个档的误操作,必须设有互锁机构。,4.互锁机构 互锁机构的类型主要由互锁盘式、凸轮式、互锁销球式、摆动杠杆式和转动钳口式。,5.定位装置 互定位装置有弹簧钢球式和弹簧销式。,图为典型的单手把操纵机构,有操纵手把、限位板、三个拨叉、三根拨叉轴、支撑壳体、互锁机构和定位装置等组成。三个拨叉分别固定安装在三根拨叉轴上,三个拨叉的半圆形叉口分别插在三个滑动齿轮的拨槽内。拨叉的移动可使滑动齿轮变位,实现换档。拨叉的移动是由操纵手把操纵的。当三个滑动齿轮都处于空档位时,三个拨叉头部的拨槽对应在一条直线上,此时操纵手把的尾部,可插在任一拨叉的拨槽内,拨动任一拨叉。三根拨叉轴两端支撑在支撑壳体的纵撑上,在一端纵撑上钻有长度方向的圆孔,并在每两根拨叉轴之间的圆孔内,放有两个互锁钢球。中间拨叉轴对应空档位的部位钻有径向孔,并放有互锁销。而其它两根轴的相应位置,加工有互锁球窝。,当操纵手把拨动任一拨叉移动时,其拨叉轴随着一起移动,随之该拨叉轴的圆柱面迫使相应的互锁钢球挤入其它两根拨叉轴的互锁球窝内,把两根轴限制在空档位,防止误操作。为了避免自动跑档,在对应档位的轴上加工有定位球窝,并设有弹簧,定位钢球。当拨叉轴移止相应的工作位时,在弹簧张力的作用下,定位钢球挤入定位球窝内,以防止拨叉轴自动移位而跑档。为防止操纵手把动作过位,支撑壳体内装有“于”字形的限位板。机构的换挡过程,参看下面的动画演示。,（一）四速的换档过程及传动路线,5-3 典型钻机的变速箱与分动箱一 变速箱,下图所示的为XY-4型钻机的变速箱，它是典型的平面三轴跨轮机构变速箱，结构式为：13+1=4。输出4个正转，1个反转。采用单手柄操纵机构，并设有三轴互锁机构及定位装置。,（二）三档的换档过程和传递路线,（三）反档的换档过程与传递路线,二 分动箱,5-4 变速箱的结构设计要点,一 主要传动轴在变速箱中的布置（1）要便于轴端其它结构的布置及安装；（2）要有利于降低变速箱的重心；（3）有利于各齿轮的润滑；（4）有利于拨叉接近滑动齿轮；（5）高速齿轮不被浸泡在油液中。二 各传动齿轮在轴上的布置（1）重量大、受力大的齿轮要布置在靠近轴的支撑部位；（2）滑动齿轮的布置要有利顺序换档，换档时的位移量小；（3）尽量利用轴向尺寸；（4）防止齿轮与齿轮，齿轮与轴之间的干涉；（5）采用斜齿轮传动，要注意斜齿轮的螺旋方向，使它们产生的轴向力相互抵消，以减小轴承上的轴向载荷。,三 反档的设置方案1.反档齿轮设置位置 a 设置在基本变速机构之后；,b 设置在基本变速机构输入轴与输出轴之间。,2.圆柱齿轮反档方案 a 惰轮方案 b 固定双联齿轮方案 c 滑动双联齿轮方案3.圆锥齿轮反档方案,四 轴的支撑方式及轴承的选择与定位 1.无特别结构限制，传动轴应采用简支式支撑；2.无轴向力和轴向力很小时，一般采用向心球轴承支承，并用一个轴承对轴进行轴向定位；3.轴向力大的轴，通常选用圆锥滚子轴承或向心推力轴承；4.轴承的安装结构要考虑拆装方便。五 变速箱零件的润滑与密封 1.零件的润滑 a.强制性润滑 b.飞溅式润滑 2.变速箱的密封六 变速箱的箱体设计原则 1.同轴线，而不同直径的各孔的布置；2.孔和内突台的数目与内突台端面的加工。,5-4 变速箱主要参数的确定一 传动轴的中心距 初定中心距，可用经验公式:,上面确定中心距的公式仅供草拟方案和选配齿轮用。当齿数确定后，应用下面的公式计算中心距。,直齿轮,斜齿轮,二 齿轮模数 利用下面的公式初定模数：,对于斜齿轮，上面公式算出的模数是法面模数。算出的模数应按国家颁布的标准模数修正后确定。三 斜齿轮的螺旋角 为了提高齿轮的强度和减小噪音，有些变速箱采用斜齿轮传动。而斜齿轮螺旋角的大小影响齿轮的弯曲强度和接触强度。齿螺旋角用下式确定：,一般斜齿轮,双斜齿轮和人字斜齿轮,四 齿轮的宽度齿的宽度一般根据模数来确定：对于直齿：b=(4.47)m;对于斜齿：b=(78.6)m。五 选配齿数(一)确定一档齿轮的齿数,多数变速箱一速均为降速传动，因此，Z1和Z8为小齿轮。一般是跟据预先确定好的 值，初选Z1或Z8，然后根据上面的公式算出其他齿轮的齿数，并将齿数修正为整数。,z1,z3,z5,z7,z2,z4,z6,z8,z9 z10,（二）对中心距进行修正根据算出的齿数按下面的公式对中心距进行修正。对于直齿对于斜齿,当一档速度各传动齿轮的齿数、中心距及其他各档速度的传动比确定后，便可求出其他各档速度齿轮的齿数。例如，二档速度各齿轮的齿数可用联立的下列二式计算。算出的齿数要圆整为整数。如果中心距有误差，可采用变位齿轮调整到已确定的中心距。,（三）反档齿轮齿数 当其它齿轮齿数确定后，反档齿轮齿数根据反档传动比进行试配选择。确定出反档齿轮齿数后，可用下面公式计算出反档轴与中间轴的中心距。,为使倒档齿轮的啮合和移动不产生干涉，齿轮8和9的齿顶圆间隙应不小于0.5mm。齿轮9的齿顶圆直径用下式确定：,反档轴与中间轴、输出轴是采用品字形布置，反档轴与中间的中心距确定后，再确定反档轴与输出轴的中心距。,第五章 回转器与卡盘,5-1 回转器的功用、要求及类型一 回转器的功用 回转器是钻机的重要工作机构,主要功用如下:1.带动钻具回转,提供钻头破岩所需的转矩和转速;2.导正钻具方向;3.实现变角,以适应钻进不同倾角的钻孔;4.处理孔内事故.二 对回转器的要求1.回转器的转矩及转速要有较宽的调节范围;2.具有良好的导向性;3.具有一定的变角范围,可钻进设计范围内的不同倾角的钻孔;4.应保证主动钻杆既可转动,又不防碍在给进机构的带动下作轴向运动;5.最好具有1-2个反档,以满足特种工作的需要;6.运转平稳，振动和噪音小。,三 回转器的类型和特点1.立轴式回转器(1)给进机构组装在回转器的箱体上，和回转器构成同一个拆装部件、保证了卡盘与回转器的同心度;(2)有一根长的立轴，导向性好;(3)变角范围大，可钻任意倾角的钻孔;(4)采用悬臂式安装，增加了钻机的重心高度;(5)立轴的通孔较小，提下钻具时，回转器需要让离孔口;(6)不能用于拧卸钻杆，需要另配拧管机。,2.转盘式回转器(1)多数转盘是安装在钻机的底座上，使钻机的重心低;(2)多数转盘都兼做拧管机，减少了设备的数量;(3)多数转盘通孔较大，可通过设计的最大粗径钻具。提下钻具时，无需让开孔口;(4)因转盘的主轴较短，且通孔大，故对钻具的导向性差;(5)转盘与给进机构为两个独立的部件，二者没有直接的联系;(6)由于结构的限制，转盘的变角范围较小。,3.移动式回转器（动力头）（1）可在给进机构的拖动下沿导向架轴向移动，实现长行程给进；（2）配有刚度大的导向架，对钻具的导向性好；（3）与孔口夹持器配合，可用于拧卸钻杆，与给进机构配合，可用于升降钻具；（4）采用机械传动时，需要一根长的传动轴；（5）钻不同倾角的钻孔时，不靠回转器变角，而是靠导向架的前后倾斜调整回转器的倾角；（6）易于实现自动控制。,5-2 立轴回转器的结构分析与设计,一 立轴式回转器的结构分析1.动力输入轴(半轴)一般多采用悬臂式安装。为保证轴的支撑刚度,多应用以下三种加大支撑刚度的方法:(1)选择合适的轴承类型和安装方式;(2)选择合适的轴用材料、结构型式。在结构许可的条件下。适当加大轴径;(3)轴的支撑段长度大于或等于悬出段的长度的2倍，即。,2.锥齿轮副（1）锥齿轮的类型 小锥齿轮装在动力输入轴的悬臂端。大的锥齿轮装在立轴导管上。常用的有两种类型:直齿锥齿轮 特点是易制造、成本低、转动时产生的轴向力始终背离锥顶、尺寸相同，承载能力较小、对安装误差的敏感性大、适用于低速传动，v5m/s.弧齿锥齿轮 特点是齿啮合重叠系数大、承载能力大、工作平稳、噪声小、适用于高转速，v5m/s。但工作时产生的轴向力大，且轴向力的方向随转向的变化而改变、加工困难、成本高、对安装精度要求高。,（2）被动锥齿轮的安装形式 被动锥齿轮的安装分上置式和下置式。被动锥齿轮的安装形式取决于传动系统的传动方案。下置式安装的润滑条件优于上置式。,（3）锥齿轮的选配 锥齿轮按照齿的旋向分为左旋锥齿轮和右旋锥齿轮。弧齿锥齿轮副的两个齿轮的齿旋向不同。为了使锥齿轮副工作时产生的轴向力背离锥顶，则被动齿轮上置式安装时，主动齿轮应选用右旋，被动齿轮用左旋。如果被动齿轮采用下置式安装，则主动齿轮为左旋，被动齿轮应为右旋。（4）锥齿轮副啮合间隙的调节 利用立轴导管上、下两端的垫片来调整，调整时上、下垫片的总数不变，只是调整上、下垫片的数目。3.立轴导管 立轴导管的作用是安装被动伞齿轮、传递扭矩，带动立轴转动，又能使立轴在导管内孔中上下移动。导管是采用滚动轴承支撑在回转器的箱体上。其支撑方式主要有三种：向心止推轴承、圆锥滚子轴承及向心球轴承和推力轴承组合式。,4.立轴,5.箱体的安装与变角方式（1）半圆压板式（2）T型槽-螺栓式（3）T型槽-开合式,二 立轴式回转器的设计计算(一)立轴式回转器设计应注意的问题1.与给进机构联系在一起考虑;2.结构上尽可能减小回转器的振动;3.保证孔口的作业空间，尽可能降低重心;4.保证密封和润滑。(二)锥齿轮副的设计1.从动锥齿轮分度圆直径的确定,从动锥齿轮计算转矩,直径系数取值为：钻机 汽车 拖拉机,2.端面模数的选择模数由,选用的模数是否合适，用下式校验:,钻机:汽车:,3.齿数选择 主被动齿轮的齿数应没有公约数。小齿轮的齿数尽量选择奇数。4.名义螺旋角的选择 一般选用,5.弧齿锥齿轮的受力分析,(三)立轴与导管的设计计算1.立轴的强度校核(1)立轴危险截面产生的最大正应力,(2)立轴产生的最大剪应力,(3)立轴产生的合成应力,另外根据书中表5-10中的公式可校核不同形状立轴的接触应力。,2.导管的强度校核 导管产生的合成弯矩：,合成弯矩下产生的应力：,式中,5-3 转盘的结构分析与设计一 转盘的结构型式转盘主要有下列几种型式:1.按转速高低划分为高速转盘和低速转盘。2.按转盘的定位方式分为心管定位和壳体定位。,3.按照转盘的传动级数分为一级传动和二级传动。4.按照转盘动力输入方式分为侧面输入和中间输入。,5.按照驱动钻杆的方式分为补心式和回转梁式。,二 转盘典型结构分析1.SPJ-300转盘,2.SPC-600R转盘,三 转盘的设计要点(一)转盘的参数1.转盘的通孔 小转盘通孔直径一般为150-160mm，大转盘通孔直径范围在400-670mm之间.2.转盘的转速 随转盘的类型不同，转速的差别较大。大直径转盘最高转速在20-30r/min，而小直径转盘的最高转速在800-1000r/min左右。设计时根据钻头直径的最佳线速度确定。3.转矩 当动力机的功率确定后，转盘的转矩和转速有关。转速低，转矩大；转速高，转矩小。一般工程勘察钻机转盘转矩在，水井钻机转盘转矩在：，大口径工程钻机转盘转矩在30-20KN.m。,（二）转盘主轴承的设计计算,1.转盘轴承类型 转盘工作时，转盘轴承承受有轴向载荷和径向载荷。转盘轴承多选用推力向心球轴承或推力向心球面磙子轴承。2.主轴承载荷与寿命计算 主轴承的当量动载荷可用最大当量载荷，考虑寿命系数来计算。,对于推力向心球轴承，径向系数x=1.2,对于有补心的转盘，主动钻杆在补心孔内下滑时，对主轴承产生的最大轴向载荷为：,P1是补心对主动钻杆的推力。,轴承的实际动载荷为：,ISO推荐的计算轴承额定动载荷公式列于书中表5-11中。计算出额定动载荷后，可用下面的公式计算轴承的寿命：,（三）转盘的密封（四）转盘的安装,5-4 移动式回转器的结构分析与设计一 移动式回转器的结构分析 移动式回转器按照传动方式分为机械传动式和液压传动式（俗称动力头）。1.液压传动式移动回转器,单马达无变速式,2.机械传动式移动回转器,二 移动式回转器的设计 1.让开孔口的方式 开合式及后移式 2.动力头的防冲击机构 利用移动式回转器实现冲击-回转或振动-回转钻进时，回转器的主轴和传动齿轮之间是采用可轴向串动的连接方式。如花键或圆柱销连接。另外增加防冲击装置，多采用缓冲油缸及缓冲弹簧。,3.导向装置 导向装置的形式有圆柱形导杆式、滚轮滑板式及矩形导轨式等。4.主轴配油套间隙密封设计 泰美克250钻机配油套间隙是0.0250.04。钻石300钻机配油套间隙为0.060.08。,5-5 回转器的参数选择一 回转器的转速1.回转器的最高转速 依据钻头适应的最高线速度；钻进工艺的发展趋势；钻头的直径、钻机、钻杆、钻头的质量来确定。钻头的线速度与钻头的转速关系为：,目前不同切削具的钻头适应的最高线速度分别为：孕镶金刚石钻头：v=3.5 m/s表镶金刚石钻头：v=2.5 m/s硬质