75米钻机的总体设计（机械CAD图纸） .doc

摘 要目前我国地质勘探工作中广泛采用的有各种类型的油压给进钻机、钢绳给进钻机和部分经过改革的手把（轮）式给进钻机。为了适应浅部勘探，还专门设计制造了钻进深度为10至100米的钻机。其中，立轴式钻机就是其中的一种。他主要用于钻进孔深75米左右的煤田地质勘探和其他金属矿床、非金属矿床和浅层油气勘探。钻机和泥浆泵用一个动力带动，设备安装稳固紧凑，可拆性好。钻进给进用液压操作。必要时亦可用主动钻杆给进。钻机手把集中，操纵板上有指重表、转数表及水泵压力表，便于及时掌握运转和孔内情况。本次设计的立轴式钻机是在原有钻机的基础上进行了部分改进，他节省了工作时间，并且提高了工作效率。本设计主要是针对钻机的总体设计而进行的分析，对钻机的变速箱，回转器进行研究，以达到节省工作时间，并且提高工作效率的目的。关键字 钻机 变速箱 回转器 Abstract The our country geology explores the work in various type of have of extensive adoption currently of hydraulic-pneumatic give into drill the machine, the steel rope to give into drill machine and part through reform of hand( round) type to enter to drill the machine. For adapting to explore, still exclusively designed to make to drill into the depth 10-100 meters drill the machine.Among them, sign the stalk type to drill a kind that machine is among them.He mainly useds for drilling into the deep 75 meters the or so coal field geology of bore to explore to explore with other metals mineral beds, nonmetal mineral beds and the shallow layer oil spirit.Drill the machine and the mud pumps to arouse with a motive, the equipments installs the firmness tightly packed, can dismantle sex good. Drill in to give into press with the liquid the operation.Use may also to drill the pole actively when it's necessary to enter.Drill the machine hand chases the concentration, manipulating the plank to up point the heavy form and turn the few form and waters pump manometer, easy to control the operation and the bore inside story conditions in time.This time design of sign the stalk type to drill machine is at drill the machine originally possessed of foundation went forward to go the part improvement, he saved the work time, and raised the work efficiency.This design is mainly analysis that aims at the total design of drill the machine but carry on, turning round the machine to carry on the research towards drilling the machine to become soon box, to attain economical work time, and raise the purpose of the work efficiency.Key word Drill the machine Become soon box Turn round the machine目 录摘要Abstract第1章 绪论11.1 前言11.2 岩心钻机概述11.2.1 岩心钻探的一般概念11.2.2 岩心钻探的方法1第2章 总体设计3第3章 钻机的主要技术特性43.1 钻机的基本技术特性4第4章 动力机的确定54.1 回转钻进及破碎岩石、土层所需功率54.1.1 N1公式及其计算54.1.2 N2公式及其计算54.1.3 N3公式及其计算64.2 给进油缸所需功率的计算64.2.1 给进油缸的基本参数64.2.2 油缸工作压力的计算64.2.3 油泵最大工作流量计算74.2.4 给进油缸功率Ny74.3 动力机功率的确定7第5章 机械传动系统设计105.1 主要参数的选择105.1.1 回转器105.1.2 变速箱105.1.3 带轮设计105.2 机械传动系统115.2.1 立轴的转速115.2.2 立轴的给进运动125.2.3 立轴的快速移动12第6章 回转器136.1 结构特点136.2 零部件的基本技术特征136.2.1 成对锥齿轮基本参数136.2.2 齿轮在各种转速下传递的功率、转速及转矩146.3 零部件的强度与寿命计算146.3.1 齿面按接触疲劳强度计算接触应力146.3.2 计算疲劳强度极限应力156.3.3 齿根弯曲疲劳极限应力16第7章 变速箱的设计与计算177.1 变速箱的结构特点177.2 零件的强度计算177.3 齿轮的强度计算187.3.1 变速箱内各齿轮主要参数及材料187.3.2 Z3、Z4齿轮副的强度校核187.3.3 其它齿轮副的强度校核227.4 轴系零件与部件的强度与寿命的校核计算237.4.1 圆周力的计算237.4.2 计算支撑反力247.4.3 计算轴的弯距257.4.4 许用应力26第8章 液压系统的设计与计算278.1 给进油缸的设计27第9章 钻机的使用说明289.1 钻机的分组情况289.2 钻机的附属结构289.2.1 机架 28 9.2.2 操纵仪28 9.2.3 油泵299.3 操作程序299.4 机器的保养与维护31第10章 经济效益分析3310.1 岩心钻机的市场3310.1.1 国内工程建设投资继续加大3310.1.2 今后国内市场对岩心钻机设备的需求 3410.2 岩心钻机的市场需求量分析3510.2.1 设备价格昂贵3510.2.2 运行成本较高3610.2.3 受工程量的制约36结论38致谢39参考文献40专题部分41附录147附录261第1章 绪论1.1 前言通过调研了解到，对钻孔深度75米左右的钻机需求量比较大，而目前的75米钻机，存在着劳动强度大、适应性差等缺点。鉴于以上原因，我们决定开发75米钻机。经几次方案讨论决定，钻机应具有以下特点：经济耐用可靠、质优价廉；便于解体搬运；体积小，重量轻；操作简单，维修方便；适用于合金钻头或金刚石钻头钻进；钻进速度快，效率高；本设计不对绞车一部分竟进行单独设计，故在以后的设计和画图当中都不包括绞车一部分。1.2 岩心钻机概述1.2.1 岩心钻探的一般概念 岩心钻探是由动力机（内燃机或电动机），带动钻机回转，由钻杆、岩心管和钻头组成钻柱，并由钻机供给一定的轴向压力和扭矩，从而使钻头产生可取岩石的作用，是钻孔不断往深部钻进. 钻进时刻取下来的岩粉，由泥浆泵通过胶管、钻柱送进孔底的循环液，经钻柱和孔壁的环状间隙冲到地表，流入冲洗液池沉淀。 在钻进过程中，岩心进入岩心管。通过提升钻具或其他取心方法（如反循环水力取心或绳索式取心器等），将岩心卡断，从孔底提至地表，同时将以磨损的钻头进行更换。从每次下钻到提出岩心，算一个过，叫做一个回次。根据孔深和岩层软硬复杂程度的不同，回次进尺长度和速度也不一样。升降钻具是通过钻塔和钻机的卷扬机进行的。新兴的全液压钻机和特别浅的取样钻机，也可以用简单的钻架实现无塔升降。1.2.2 岩心钻探的方法最早的钻探方法是冲击钻，借钻头的冲击作用将岩石捣碎并用捞砂筒将岩屑从孔底捞出孔口，因此不可能采取完整的岩样。岩心钻进目前主要采取回转钻进。呈圆环状，底部装有能够刻取岩心的硬质合金或金刚石，以及其他超硬材料。此外，也可以向孔底投入钻粒作岩磨材料，在圆筒状钻头唇面的碾压作用下，不断刻取岩石。近年来，根据动载破碎岩石的原理，已经出现了冲击回转岩心钻进。其原理是，在硬质合金回转钻进的同时，采用水利或风动冲击器对钻头加以冲击载荷。这样就大大扩大了硬质合金的钻进范围，并可大幅度提高钻进效率。根据上述钻进方法的不同，目前可将岩心钻探方法分为如下：除按钻进方法分类的不同外，根据冲洗循环介质和循环方式、取心方法、钻孔角度等的不同，还可分为清水钻进、泥浆钻进、空气循环钻进以及特种乳化液、混合液钻进；正循环和反循环钻进；提钻取心和不提钻取心钻进；直孔钻进、斜孔钻进、水平钻进、定向钻进和多孔底钻进，等等。第2章 总体设计 经过调研了解到，对钻孔深度75米左右的钻机需求量比较大，考虑到县岔国内的特点，从实用角度出发，确定如下方案：1. 考虑到是用于井下，井上和野外作业，故动力可选电动机或柴油机。2. 采用二级回归式变速箱，减少变速箱体积，根据不同的地质条件，选 用不同的钻进速度。3. 考虑到有软岩石、硬岩石的钻进，除了正常的钻进速度外，增加高速340r/min。4. 由于本机动力较大，动力由V型带传动到变速箱的传动轴上易使传 动轴弯曲，所以增加了卸荷装置。5. 设置压带轮，皮带调整安全可靠。6. 在满足上述要求的同时，尽量结构简单，操作方便，适于整体或解体 搬运。尽量做到标准化, 通用化，系列化。第3章 钻机的主要技术特性3.1 钻机的基本技术特性1.钻进深度(使用42或50钻杆) 75m 2.钻孔直径 1开孔直径 892终孔直径 603. 钻孔倾斜角度 0360°4. 立轴转速 120，250，340/min5. 立轴行程 5006立轴内孔直径 447立轴最大压力 8KN8油缸最大给进力 20KN9电动机 1）型号 YB112M4 2）电压 380/660V 3）功率 4KW 4）转速 1440r/min 5）重量 58kg10外型尺寸（L×h×b） 1230×600×1250mm11重量（不含电动机） 500Kg 第4章 动力机的确定根据现场需要，动力机的选择偏大些，加大储备系数，这样可以提高钻进效率。 输出功率为N。N01.2Nj式中：Nj钻机所需功率 KWNj(NhNy)/式中: Nh回转钻进所需功率 KW 效率 =0.8 Ny油泵所需功率 KWNh=N1+N2+N3式中: N1井底破碎岩石、土层所需功率 KW N2钻头与孔底摩擦所需功率 KW N3回转钻杆所需功率 KW4.1 回转钻进及破碎岩石、土层所需功率总公式为： Nh=N1+N2+N34.1.1 井底破碎岩石，土层所需功率N1N1= 3-1式中: m钻头切削刃数 取m=6 n立轴转速 h钻进速度 依据数据选取h=2cm/min 岩石抗压强度,其值随岩石种类不同而不同，其值见表3-1A井底环状面积，取钻头直径D=7.7cm,内孔直径 d=5.9cm,A=(D2d2)/4=(7.5262)/4=15.89cm24.1.2 钻头孔底摩擦所需功率N2N2=*f*e*n(R+r)/1944800 3-2式中: 孔底压力或岩石抗压强度. f钻具与岩石直接的摩擦系数 f=0.3 e侧摩擦系数 e=1.0 n立轴转速 R钻头外圆半径 R=3.6cm r钻头内孔半径 r=2.8cm由于该设计是75米钻机，由于钻进距离小，故无须用金刚石钻头钻机。 将立轴不同转速和不同空底压力代入式3-2中,所得相应数值 4.1.3 回转钻杆所需功率N3N3=7.8*1011*L*d*n1。7 (当n<200r/min时) N3=0.92*1011*d2*r*L*n1。33 (当n>200r/min时) 式中：L孔深 ， 硬质合金钻进时，取L75000mm d钻杆直径 取d=36mm n立轴转速 r冲洗液比重。 r=1.15将上述参数及立轴不同转速代入上式，所得值列表32中。4.2 给进油缸所需功率的计算4.2.1 给进油缸的基本参数 1）给进油缸的数量 n2 2）油缸直径 D50mm 3）活塞杆直径 d22mm 4）活塞杆有效行程 L500mm 5）油缸面积 A122cm2 6）活塞杆面积 A27cm2 7）有效面积 AA1A215cm24.2.2 油缸工作压力的计算 钻机大水平孔时，油缸的最大推力为：WCFm式中：W油缸最大推力 C孔底最大压力 C10000N Fm钻杆与孔壁间的摩擦力Fmq*L*f式中：q钻杆单位长度重量 q45.6N/m L钻杆长度 L75m F摩擦系数 f0.35 Fm45.6*750*0.35=1197N W=10000+1197=11197N 油泵的工作压力PP=W/A=11197/15=746.4N/cm2 4.2.3 油泵最大工作流量计算 油缸回程时的最大容油量: V1=A1*L=22*40=880mL=0.88L 油缸送进时的最大容油量: V2=A*L=15*40=600mL=0.6L当选用立轴的钻进速度V=0.05m/min=0.5dm/min时,立轴送进时每分钟所需的油量为: Q=2AV=2*0.15*0.5=0.15 令活塞回程时间为0.3min,则回程所需油量为: Q1=0.88*2/0.3=5.34.2.4 给进油缸功率Ny Ny=PQ/60*102=746.4*0.15/60*102=0.018 根据上面的计算,选用YBC12/60型齿轮油泵(排油量12L/min,压力800N/cm2 )。油泵满负荷时所需功率是:Ny=PQ/60*102*1*2式中:P额定压力 P=800N/cm2 Q额定流量 Q=12L/min 1机械效率 1=0.9 2容积效率 2=0.71 Ny=800*8/60*102*0.9*0.71=1.64KW 上式油泵排量在额定转速1440r/min时是12L,在995r/min时是8L。4.3 动力机功率的确定 通过上述的计算说明，立轴钻进时给进所需功率很小，而且油泵满负荷工作时一般是立轴停止转动状态，液压卡盘松开时，必须停止钻进。所以参考表41本机选用11KW电机或柴油机，基本能满足表42中粗线以上各种工作状态。表41 岩 石 名 称 抗 压 强 度 （N/cm2 ）粘土、页岩、片状砂岩4000石灰岩、砂岩8000大理石、石灰岩10000坚硬的石灰岩、页岩12000黄铁况、磁铁矿14000煤2000 表42N (kw) r/minN/cm2120250340N120000.090.110.1240000.180.220.2480000.360.430.47100000.450.540.58120000.540.650.70140000.630.760.81N220000.230.490.6740000.460.981.3480000.921.962.68100001.182.463.35120001.422.954.02140001.653.444.69N3 r/minN/cm20.721.802.39Nh20001.041.403.1840001.363.003.9780002.004.195.54100002.354.806.32120002.685.407.11140003.006.007.89Ny r/minN/cm20.020.020.02Nh20001.061.423.240001.383.023.9980002.024.215.56100002.374.826.34120002.705.427.13140003.026.027.91Nj=Nh/3.773.774N0=1.2Nj4.524.524.8 第五章 机械传动系统设计5.1 主要参数的选择5.1.1 回转器立轴的转速，主要取决于地质条件、钻头直径及钻进方式，当使用直径为75mm钻头时，采用硬质合金和钻粒，根据国内外的经验，立轴转速取n90400r/min比较适宜；采用金刚石钻头钻进时，立轴转速取n4001000r/min比较适宜。本机选用130600r/min，即适合合金钻头钻进，由适合金刚石钻头钻进。5.1.2 变速箱参考国内外现有小型钻机的转速系列，本机采用了规则排列的中间转速系列。立轴有三种转速，120、250、340r/min转速它们都适合合金钻头钻进。5.1.3 带轮设计 传动比 1.25 带型 A型 小带轮基准直径 112 毫米 大带轮基准直径 260 毫米 带长 710 毫米 轴间距 186 毫米 小带抡包角 169.75 度 V带的根数 5根 单根V带的预紧力 133.44 牛顿 作用在轴上的力 1159.58 牛顿 带轮轮缘参数带轮结构形式 实心轮槽型 A型基准宽度 11.0 毫米 基准线上槽深 2.8 毫米5.2 机械传动系统机械系统传动路线见图5.2.1 立轴的转速:n=n*D1/D2*Z1/Z2*Z3/Z4*Z7/Z8式中: n立轴的第一档转速 r/min N电机转速 n=1440r/min D1主动皮带轮直径 D1=112mm D2大皮带轮直径 D2=260mm Z1Z11传动链中各齿轮的齿数,Z1=25,Z2=31,Z3=19,Z4大=37Z7=20,Z8=40 n=1440*112/260*25/31*19/37*20/40=128.44120r/minn=n*D1/D2*Z1/Z2*Z5/Z4*Z7/Z8式中:Z5=28,Z4小=28 n=1440*112/260 *25/31*28/28*20/340=250.12250r/minn=n*D1/D2*Z1/Z4内*Z7/Z8式中: Z4内=25 n=1440*112/260*25/25*20/40=347.62340r/min 考虑到皮带传动、齿轮传动、轴承等的效率，所以各档转速确定为120、250、340r/min。5.2.2 立轴的给进运动D3D4经低压油管将油箱中的机油吸入油管，使其产生需要的压力，再经过高压油管，调压阀，操纵阀，高压油管进入油缸中的活塞上部，推动活塞产生直线运动，活塞下部具有一定的压力的20号机油经高压油管，进入调速阀，调整调速阀的回油量大小即可控制给进速度的快慢。然后流经高压油管及操纵阀，低压油管回到油箱。5.2.3 立轴的快速移动 D3D4经油泵、高压油管、调压阀、操纵阀、高压油管、调速阀、高压油管，进入活塞的下部，推动活塞产生直线运动，活塞上部的机油经过高压油管，操纵阀经低压油管回到油箱，当调速阀的流量调整为最大时，立轴得到快速移动。第六章 回转器6.1 结构特点 回转器的结构是由本体、立轴、立轴导管、弧齿锥齿轮等组成。立轴上端装有机械卡盘。其特点是：1、回转器尺寸小、紧凑。2、回转器适用于各种角度的孔的钻进。3、简单可靠，减轻钻机重量，离开孔口采用的是开箱式，4、立轴行程为500mm，比过去同型号钻机大，这样可以缩短钻进辅助时间。6.2 零部件的基本技术特征6.2.1 成对锥齿轮基本参数小锥齿大锥齿齿数比Z8/Z7 =2齿数2040大端模数2.5分锥角26.5663.44齿宽3030齿宽系数0.3平均分度圆直径42.576.5中锥距85平均模数2.125切向变位系数0.040.04径向变位系数0.340.34齿顶高3.351.65齿根高2.153.85顶隙0.6齿顶角0.550.60齿根角0.650.75齿顶圆直径5691.486.2.2 齿轮在各种转速下传递的功率、转速及转矩见表 功率 KW转速 r/min转矩 n·m240141.750068680506.3 零部件的强度与寿命计算6.3.1 齿面按接触疲劳强度计算接触应力其中：ZE 材料系数 取ZE =89.8 dm 分度圆直径 取dm = 60 ZH 节点系数 取ZH =2.14 b 齿宽 取 b=20mm u 齿数比 取 u=2 齿宽系数 取 =0.258 Ftmc 计算圆周力 其中： 使用系数 取=1.25 动载系数 取=1 所以：=1180.8*1.25*1.0*1.2=1771.2于是可得：计算安全系数 符合安全要求6.3.2 计算疲劳强度极限应力 其中： 作用在大端分度圆上的切应力 =2000T/n=2000*141.7/240=1180.8 使用系数 =1.25 动载系数 =1.0 载荷分布系数 =1.15 尺寸系数 =1.0 大端端面模数 =3.0 几何系数 =0.18 所以：=1180.8*1.25*1.0*1.15*1.0/20*3*0.18=157.12 6.3.3 齿根弯曲疲劳极限应力其中：寿命系数 =1.0 温度系数 =1.0 齿根弯曲疲劳极限应力 =162.5计算安全系数=162.5/157.12=1.03 故符合安全要求第七章 变速箱的设计与计算7.1 变速箱的结构特点变速箱的结构如图所示,它是由变速部分、分动部分及操纵部分和壳体等组成。也是变速部分和分动部分合为一体的传动箱。其特点是：1、操纵结构采用了齿轮齿条拨叉机构，操纵灵活可靠，每个移动齿轮单独控制，并有互锁装置。2、增加了卸荷装置，减少了轴齿轮的受力状况。3、变速、分动相组合，减少了零件数目，有效的利用变速箱内的空间。7.2 零件的强度计算 1、在校核零件的强度时，假设电机的功率全部输入变速箱，然后再输入回转器。2、变速箱在不更换齿轮的情况下，可连续工作10000小时，纯机动时间每班16小时，可连续工作20个月。每个速度的工作时间分配情况如下：第一速（120r/min） 为30即3000小时；第二速（250r/min） 为30即3000小时；第三速（340r/min） 为40即4000小时； 3、本机零部件的强度和寿命计算方法和数据是按机械设计手册计算的。7.3 齿轮强度计算 7.3.1变速箱内各齿轮主要参数及材料齿数模数齿宽材料硬度RC应力角备注Z12522240Cr40-4520°Z23121840Cr40-4520°Z31921540Cr40-4520°Z4大3721640Cr40-5020°Z4小2821840Cr40-4520°Z4内2521040Cr40-4520°Z52821640Cr40-4520°Z72032040Cr45-5020°Z84032240Cr45-5020°7.3.2 Z3、Z4齿轮副的强度校核(1) 主要参数 中心距56mm 小齿轮传递扭矩T19550P/n1=9559×4×0.96/500.2573.3N·m式中: n1为Z3齿轮的转速,n1=1440×112/260×25/31=500.25r/min m=2 Z3=19 d=38 b=15 x3=0.19 Z4=38 x4=0.1 (2) 材料选择Z3为40Cr Z4为40Cr 其中： 被校核齿轮的弯曲疲劳极限应力 =400Mpa 实验齿轮的弯曲疲劳极限应力 =400Mpa 弯曲寿命系数 次 次 由表查得：=1.0 =1.0 尺寸系数 查表得：=1.0 有效应力集中系数 查表得：= 1.54 =1.66 所以：=400*1.0*1.0/1.54=260Mpa=400*1.0*1.0/1.66=241Mpa（3） 校核弯曲强度 YFn3=2.85 YFn4=2.45 FIim3/YFn3=260/2.85=91.23N/mm2FIim4/YFn4=241/2.55=98.37N/mm2、 于是可知：FIim3小于FIim4 因此，齿轮3的弯曲强度差，在校核的时候，按齿轮3的强度计算。 计算弯曲工作应力：式中：计算圆周力，其中：工作圆周力工作状况系数 ， 取=1.25动载系数， 取=1.0 载荷分配系数， =1.33载荷分布系数， 查表取=1.0故:=1981*1.25*1.0*1.33*1.0=3294.4载荷作用位置数， 取=0.65螺旋角系数， 取=1.0齿宽模数所以可得： 计算齿轮的弯曲疲劳安全系数齿面接触疲劳强度校核1） 计算齿轮的接触疲劳极限应力式中：实验齿轮的接触疲劳极限应力 经查表可知=1000Mpa 寿命系数 经查表可知1.20，1.21 硬化系数 取=1.0所以：=1000*1.2*1.0=1200 Mpa =1000*1.21*1.0=1210 Mpa 2） 计算接触工作应力其中：材料系数 取=176.1 节点系数 取=2.5 重合度系数 取=0.9 齿数比 =1.95因此：3） 计算安全系数 >1 故安全可靠4） 短期过载强度校核计算取最大短期尖峰载荷是额定工作载荷的1.5倍短期过载弯曲极限应力，根据公式和查表可知：最大的弯曲工作应力为：短期过载弯曲强度安全系数为： >1故安全可靠短期过载接触极限应力，根据公式和查表可知：而最大接触应力为：短期过载接触强度的安全系数为： >1故安全可靠7.3.3 其它齿轮副的强度校核由于其他的齿轮强度都比该齿轮的强度高，且Z3、Z4 的一切强度都满足要求，故其他齿轮的强度校核从略，并且