巖心鉆機(jī)升降機(jī)的設(shè)計含21張CAD圖

巖心鉆機(jī)升降機(jī)的設(shè)計含21張CAD圖,巖心,鉆機(jī),升降機(jī),設(shè)計,21,cad 摘 要 當(dāng)前，巖心鉆機(jī)升降機(jī)主要使用定軸式行星輪系升降機(jī)，本文就是在已有 的定軸式行星輪系升降機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計要求的四檔提升速度 的升降機(jī)。在設(shè)計過程沒有改變原有的升降機(jī)零部件的位置關(guān)系，但由于，傳 動比以及傳動速度的不同，所以，通過受力分析計算，加大了行星齒輪、中心 齒輪、內(nèi)齒圈的厚度；同時也加大了抱閘抱緊時的抱緊半徑。利用先進(jìn)的現(xiàn)代 軟件分析，就能發(fā)現(xiàn)，通過計算分析所獲得的結(jié)論是正確，也就是說，本文所 設(shè)計的升降機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的提升速度。 Abstract At present, rock driller elevator mostly betakes fix-shaft planet-wheel system elevator. This article tends to design a new system with 4-level elevating speed which could realize the design demands on the basis of existing fix-shaft planet-wheel system elevator. In this article , instead of changing the ubiety among the parts of the original elevator , the author keeps on using the original structure. However, because of the differences of the transmission ratio and speed, the author enlarges the planet gear, solar gear , thickness of the inner circle ring as well as the enclasping radius of the enclasping brake through the mechanical design and calculation .By the advanced modern soft-ware analyse ,we can see that the conclusions acquired by the analyse are correct , i.e. this article succeeds to satisfy the demanding elevating speeds. I 目 錄 引 言 .1 第一章 概述 .3 1.1 XY4 巖芯鉆機(jī)的發(fā)展歷史 .3 1.2 XY4 巖芯鉆機(jī)的發(fā)展的主要決定因素 .4 1.3 鉆探設(shè)備發(fā)展的趨勢 .4 1.4 鉆機(jī)分類 .6 第 2 章 設(shè)計總論 .7 2.1 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)的功用、設(shè)計要求及設(shè)計條件 .7 2.1.1 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)的功用 .7 2.1.2 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)的設(shè)計要求 .7 2.1.3 XY4 巖芯鉆升降機(jī)的設(shè)計條件 .7 2.2 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)類型的確定 .8 2.3 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)的設(shè)計方案的確定 .9 2.4 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)的組成分析 .9 2.5 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖與工作原理分析 .13 2.5.1 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 .13 2.5.2 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)的工作原理分析 .14 第 3 章 分析計算 .16 3.1 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)齒輪的分析計算 .16 3.1.1 齒輪總傳動比的確定 .16 3.1.2 選擇齒輪材料和熱處理，精度等級，齒輪齒數(shù) .16 3.1.3 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計 .16 3.2 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)軸的分析計算 .21 3.2.1 升降機(jī)軸的設(shè)計 .21 3.2.2 行星輪軸的設(shè)計 .29 3.3 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)軸承的分析計算 .30 II 3.4 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)卷筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 .33 第四章 升降機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩特性分析 .37 4.1 升降機(jī)的轉(zhuǎn)速特性分析 .37 4.1.1 升降機(jī)提升速度的分析 .37 4.1.2 升降機(jī)下降速度的分析 .39 4.2 升降機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性分析 .41 4.2.1 升降機(jī)提升轉(zhuǎn)矩特性的分析 .41 4.2.2 升降機(jī)下降轉(zhuǎn)矩特性的分析 .42 4.3 升降機(jī)的主要特性參數(shù)計算 .42 4.3.1 升降機(jī)的最大提重量 .42 4.3.2 升降機(jī)的提升速度 .44 4.3.3 升降機(jī)的抱閘的受力計算 .46 第 5 章 工程圖的繪制 .49 5.1 總裝配圖的繪制 .49 5.2 部件圖的繪制 .49 5.3 零件圖的繪制 .49 第 6 章 升降機(jī)的使用與維護(hù) .50 6.1 升降機(jī)的日常維護(hù)保養(yǎng) .50 6.2 升降機(jī)的使用要求 .52 第 7 章 對升降機(jī)進(jìn)行有限元分析 .53 7.1 運(yùn)用 CATIA 進(jìn)行升降機(jī)的建模 .53 7.2 運(yùn)用 CATIA 中的 GENERATIVE STRUCTURAL ANALYSIS 分析 .53 第 8 章 結(jié)論 .63 致 謝 .64 參考文獻(xiàn) .65 1 引 言 升降機(jī)是鉆機(jī)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一。在鉆孔的全過程中，其主要作用是升 降鉆具，另外，還有升降套管，一定條件利用升降系統(tǒng)懸掛鉆具、進(jìn)行快速掃 孔、采用主動鉆桿控制減壓鉆進(jìn)、利用升降機(jī)強(qiáng)力起拔處理孔內(nèi)事故等作用。 升降機(jī)升降工序所占時間比例甚大，并且隨孔深而增加，一般約占工作時 間的 1/31/2。升降機(jī)的完善程度，必然明顯的影響鉆探的效率、鉆探質(zhì)量、 生產(chǎn)的安全。因此，對鉆機(jī)的升降機(jī)進(jìn)行設(shè)計和性能分析是非常必要的。 直至 目前，工程人員所設(shè)計的升降機(jī)按傳動方式可分為：脹閘傳動式、錐摩擦傳動 式、片式摩擦力合器傳動式、液壓傳動式、行星輪傳動式 5 類。而這 5 類升降 機(jī)各自有各自的特點： 錐摩擦傳動式升降機(jī)結(jié)鉤比較簡單，易損件少、結(jié)實耐用、但傳動效率小， 兩摩擦錐面易進(jìn)入泥漿、油污等，工作可靠性較差。只有少數(shù)竊孔及次深孔鉆 機(jī)使用。 片式摩擦力合器傳動式升降機(jī)傳動較錐摩擦式平穩(wěn)，傳動同樣功率時結(jié) 構(gòu)尺寸較錐摩擦式小，但結(jié)構(gòu)較錐摩擦式復(fù)雜，更換離合器片不太方便。 液壓傳動式升降機(jī)可以實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)升降機(jī)的速度和遠(yuǎn)距離自動控制，而 且升降機(jī)結(jié)構(gòu)大大簡化。不足之處是液壓馬達(dá)要求加工、裝配精度高、不便野 外修配。行星輪傳動式升降機(jī)與摩擦傳動式相比，在尺寸相同時，能傳遞較大 功率以及獲得較大的傳動比；傳動效率大；結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)，操作靈活。 從這 5 中升降機(jī)的使用和研究情況來看，前 3 中升降機(jī)已經(jīng)被淘汰，最后 一種為目前應(yīng)用最為廣泛的升降機(jī)，但從長遠(yuǎn)的角度看，能實現(xiàn)無級調(diào)速和遠(yuǎn) 程控制的液壓傳動式升降機(jī)將是將來的主要發(fā)展方向。本文將在已知參數(shù)的基 礎(chǔ)上，通過對升降機(jī)轉(zhuǎn)距特性及轉(zhuǎn)速特性和升降機(jī)特性參數(shù)的計算，從而設(shè)計 升降機(jī)模型。并應(yīng)用分析軟件對其進(jìn)行仿真、驗證。 這樣，就可以清楚升降機(jī)的轉(zhuǎn)距特性及轉(zhuǎn)速特性，并且獲得升降機(jī)的特性 參數(shù)。則工作人員就不可能在已知升降機(jī)特性的前提下，出現(xiàn)超載工作的現(xiàn)象， 就可以減小事故的發(fā)生，保障了人生安全和財產(chǎn)安全。另外，利用這種設(shè)計方 法，將升降機(jī)在各種工況下的特性進(jìn)行綜合，改進(jìn)現(xiàn)有的升降機(jī)。 2 第 1 章 概述 1.1 XY4 巖芯鉆機(jī)的發(fā)展歷史 鉆機(jī)是向地下鉆孔的機(jī)器，是完成鉆進(jìn)施工的主機(jī)，它帶動鉆具和鉆頭向 地層深處鉆進(jìn)，并通過升降機(jī)完成起下鉆具和套管，提取巖心，更換鉆頭等輔 助工作。泵的作用是向孔內(nèi)輸送沖洗液以沖洗孔底，冷卻鉆頭和潤滑鉆具。它 廣泛應(yīng)用于國明經(jīng)濟(jì)的許多部門，它是從事各種鉆探施工必不可少的主體設(shè)備。 鉆機(jī)的發(fā)展有手把式鉆機(jī)、機(jī)械傳動、液壓給進(jìn)的鉆機(jī)和全液壓鉆機(jī)之間 的三個發(fā)展階段。 第一階段是以手把式鉆機(jī)為代表的，1862 年，瑞士設(shè)計制造了世界上最 早的手動操作立軸鉆機(jī)，起鉆頭是金剛石鉆頭；1899 年出現(xiàn)了鋼粒鉆進(jìn)，代替 了金剛石鉆進(jìn)；1916 年硬質(zhì)合金也用于鉆探，產(chǎn)生了合金鉆進(jìn)。隨著這兩種鉆 進(jìn)方法的采用，相應(yīng)地出現(xiàn)了蔭芽狀態(tài)的立軸式回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆機(jī)，這種鉆機(jī)后來 發(fā)展成性能比較完善的手把給進(jìn)式鉆機(jī)。剛開始的鉆機(jī)動力由人力驅(qū)動，只能 為低速，升降機(jī)為摩擦式的，這種鉆機(jī)在發(fā)展到四、五十年代，這種鉆機(jī)的結(jié) 構(gòu)與性能比較完善；我國解放初期，為解決地質(zhì)勘探工作急需引進(jìn)部份這類 鉆機(jī)，隨后又大量仿制，其代表型號為 XB300、 XE5DD 及 XBI 000A 型 等。 第二階段是以機(jī)械傳動、液壓給進(jìn)的鉆機(jī)為代表的，四十年代中期，隨 著科技的發(fā)展鉆機(jī)也高速發(fā)展，出現(xiàn)了新的金剛石鉆頭，另外，液壓技術(shù)也廣 泛的發(fā)展與應(yīng)用。在這種條 件下，產(chǎn)生了機(jī)械傳動、液壓給進(jìn)的鉆機(jī)，50 年代以后，適合于金剛石鉆進(jìn)的 機(jī)械傳動、液壓給進(jìn)的鉆機(jī)有了進(jìn)一步發(fā)展。我國解放初期，進(jìn)口手把鉆機(jī)的 同時，也進(jìn)口了機(jī)械傳動、液壓給進(jìn)的鉆機(jī)，1958 一 1962 年完成了從仿制到 自制的過渡階段，從 1962 年以后，就開始了系統(tǒng)的設(shè)計與制造工作。 第二階段是全液壓鉆機(jī)為代表的，六十年代以后，金剛石鉆進(jìn)工藝又有 新的發(fā)展，同時液壓技術(shù)本身又有了發(fā)展，這些因素，構(gòu)成了全液壓鉆機(jī)產(chǎn)生 的條件。因此，在大約在六十華代末至七十年代初期，這種與傳統(tǒng)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)完 3 全不同的鉆機(jī)產(chǎn)生。我國六十年代初已開始研制全液壓傳動式鉆機(jī)，七十年代， 我國全面地開展了研制工作。 1.2 XY4 巖芯鉆機(jī)的發(fā)展的主要決定因素 第一個因素是：它隨著鉆探方法和鉆探工藝的發(fā)展而變化的。 和其他技術(shù)發(fā)展史一樣，鉆探技術(shù)最初的發(fā)展是人與自然斗爭的結(jié)果。我 國是世界上最早使用鉆探技術(shù)來開采地下巖鹽的，早在秦代(公元前 221207 年間)就用鉆井方法開采井鹽。這一項技術(shù)發(fā)明目前仍為世界上所公認(rèn)。但是最 早采用的是繩索取心方法，其鉆進(jìn)過程不是連續(xù)的，即不能采取連續(xù)的巖心， 只能打垂直的孔，因此不能滿足地質(zhì)勘探的要求。在十九世紀(jì)中后期出現(xiàn)了能 連續(xù)取心的迥轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，這種鉆機(jī)鉆進(jìn)效率和地質(zhì)效果遠(yuǎn)比原始繩索取心鉆進(jìn) 優(yōu)越，因而，很快地在地質(zhì)巖心勘探工作中迥轉(zhuǎn)鉆進(jìn)占了主導(dǎo)地位。隨著鉆進(jìn) 工藝的發(fā)展，巖心鉆機(jī)便必須進(jìn)行一系列的演變。如果將目的較為新式的液壓 動力頭式鉆機(jī)和五十年代的手把式鉆機(jī)相比較則無論在外觀上，結(jié)構(gòu)上、技術(shù) 參數(shù)上迥然不同。 第二因素是隨著冶金工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、電子工業(yè)的發(fā)展，鉆探設(shè)備也相應(yīng)地 起著變化。 鉆探設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計要求，除了自身地質(zhì)工作要求的特點外，還必 然地要大量采用機(jī)械工業(yè)上通用的傳動副、標(biāo)準(zhǔn)件，如各種傳動機(jī)構(gòu)、各種液 壓元件等。冶金工業(yè)的發(fā)展提供了輕質(zhì)高強(qiáng)度的原材料，使設(shè)備更趨于結(jié)構(gòu)緊 奏體積縮少；電子工業(yè)的發(fā)展，使鉆探設(shè)備的測試手段儀表化、自控化。 目前在國外鉆探設(shè)備產(chǎn)品的更新?lián)Q代十分迅速，其主要原因是零部件絕大 多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)件一部新鉆機(jī)的設(shè)計，只要根據(jù)設(shè)計要求，提出方案完成技術(shù)設(shè) 計階段后，工作草圖設(shè)計量并不大，可以大量選用其它公司出品的性能完善的 標(biāo)準(zhǔn)件，進(jìn)行組裝，因此新機(jī)型的試制周期很短。而由于大量采用專業(yè)化生產(chǎn) 的標(biāo)準(zhǔn)件，組裝后的整機(jī)質(zhì)量得以保證，互換性、通用性也良好。 1.3 鉆探設(shè)備發(fā)展的趨勢 美國機(jī)械傳動液壓給進(jìn)立抽式鉆機(jī)約占 98，全液壓動力頭鉆機(jī)僅占 2?？梢?，現(xiàn)階段機(jī)械傳動液壓給進(jìn)鉆機(jī)在大量的使用而全液壓動力頭鉆機(jī)處 于發(fā)展階段。國外立軌式鉆機(jī)，為了縮熾升降和輔助正序，采用自動倒桿，加 4 長立軸行程等措施。由于繩索取心鉆進(jìn)廣泛地發(fā)展，在鉆機(jī)上增加了繩索絞傘 裝置。升降機(jī)在結(jié)構(gòu)原理方面變化較小，仍以圓柱齒輪式結(jié)構(gòu)(個別為圓錐齒輪)， 個別鉆機(jī)的卷筒帶有摩擦離合器，比較現(xiàn)代化的鉆機(jī)升降手把采用液壓控制， 并以手動把作為備用；在中深孔及深孔鉆機(jī)采用水剎車以及加速提升和下降的 提引裝置。在傳動及變速系統(tǒng)方面，變速箱速度有增加的趨勢，有的鉆機(jī)作了 改進(jìn)，即在變速箱輸入端，增設(shè)傳動減速箱，引入兩個系列的速度，以便更能 適應(yīng)各種鉆進(jìn)方法；也有的采用快速更換傳動鏈輪副、更換傳動齒輪或更換大 批量齒輪以擴(kuò)大變速箱的速度范圍。為了增加設(shè)備的機(jī)動性，減少安裝遷移的 時間，裝設(shè)在輕、重汽車和拖拉機(jī)上的自行式鉆機(jī)目前使用的很廣泛。車裁式 的鉆機(jī)其類型往往就是地表固定式標(biāo)準(zhǔn)鉆機(jī)，動力采目汽車和拖拉饑的發(fā)動機(jī)， 也可以采用獨自的動力機(jī)。桅桿可用液壓缸豎起，采用一前二后的三個液壓千 斤頂穩(wěn)定鉆機(jī)，這種鉆機(jī)有的深度達(dá) 1000 多米。值得注意的是，國外坑道內(nèi)巖 心鉆機(jī)的種類較多。例如壓氣傳動式、螺旋給進(jìn)式和液壓動力頭式的鉆機(jī)應(yīng)用 于坑道內(nèi)鉆探?？拥楞@的發(fā)展它可節(jié)省大量鉆探進(jìn)尺而取得預(yù)期的地質(zhì)上和經(jīng) 濟(jì)上的效果。目前，我國對這方面的工作還重視不夠、急待發(fā)展。近年來“一 機(jī)多用也是發(fā)展趨勢之一。如英園設(shè)計的鉆機(jī)是液壓驅(qū)動動力頭式車裁自行式 設(shè)備，可用于巖心鉆進(jìn)，能采用空氣、泥漿洗井；亦可采用潛孔錘鉆進(jìn)。由于 是車載式能局速行駛，也適合山區(qū)、丘陵幣值路不平的地方行駛。鉆探設(shè)備發(fā) 展另一趨勢是操作自動化、機(jī)械化程度提高。由于電子技術(shù)在鉆探工作中的日 益廣泛應(yīng)用，可以用各種電子儀表控制，以進(jìn)一步使鉆進(jìn)工作程序化來自動調(diào) 節(jié)與控制最優(yōu)參數(shù)鉆進(jìn)。目前已達(dá)到將各種操作手把集中進(jìn)行液壓操作使之聯(lián) 動化、程序化。升降工序機(jī)械化已作為鉆機(jī)部件的一部分。利用傳感裝置將并 底壓力、泵量泵壓、轉(zhuǎn)數(shù)扭矩、瞬時進(jìn)尺速度、過載警報等信息集中在操作臺 上自動顯示、自動記錄，由電子計算機(jī)處理數(shù)據(jù)，變成指令自動控制與調(diào)整鉆 進(jìn)參數(shù)，這在石油鉆探設(shè)備上巳投入正式使用，在巖心鉆探上也有某些儀表與 程序初步可以來用。 1.4 鉆機(jī)分類 按用途分類：巖心鉆機(jī)機(jī)組、水文水經(jīng)鉆探機(jī)機(jī)組、工程地質(zhì)鉆機(jī)機(jī)組、 工程鉆探機(jī)組、取樣鉆機(jī)機(jī)組、地?zé)徙@探機(jī)機(jī)組、探鉆機(jī)機(jī)組、坑道鉆機(jī)機(jī)組、 5 石油鉆機(jī)機(jī)組、砂礦鉆機(jī)機(jī)組，等等。 6 第 2 章 設(shè)計總論 2.1 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)的功用、設(shè)計要求及設(shè)計條件 2.1.1 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)的功用 鉆機(jī)的升降機(jī)有主升降機(jī)和副升降機(jī)之分：主升降機(jī)用于升降鉆具和套管； 副升降機(jī)可用于起吊其它管材或重物，打撈繩索取心鉆具內(nèi)管，升降撈砂簡、 取土器等。 2.1.2 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)的設(shè)計要求 由于鉆機(jī)的升降機(jī)在在鉆探的過程中，工作時間長，其性能的好壞，直接 關(guān)系到鉆進(jìn)的效率鉆孔的質(zhì)量和生產(chǎn)的安全，因此升降機(jī)要滿足以下要求： 在滿足升降機(jī)工藝要求的前提下，應(yīng)能最大限度地降低升降工序的機(jī) 動時間和充分提高功率利用系數(shù)。 要求升降機(jī)的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度具有一定的超載能力。 操作方便、動作靈敏、平穩(wěn)、勞動強(qiáng)度小、工作安全可靠，現(xiàn)代鉆機(jī) 應(yīng)考慮操作遠(yuǎn)離鉆機(jī)本體，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離手柄或按扭操作。 結(jié)構(gòu)簡單。 2.1.3 XY4 巖芯鉆升降機(jī)的設(shè)計條件 輸入軸轉(zhuǎn)速（r/min）：約 450、約 310、約 217、約 117； 卷筒轉(zhuǎn)速（r/min）：約 160、約 110、約 78、約 42； 最大提升能力：29.4KN； 卷筒直徑：285mm； 鋼繩直徑：16mm； 卷筒容繩量：52mm； 提升速度：0.82、1.51、2.16、3.13。 7 2.2 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)類型的確定 目前存在的升降機(jī)有 5 種，分別是脹閘傳動式、錐摩擦傳動式、片式摩擦 力合器傳動式、液壓傳動式、行星輪傳動式；而它們的特點是： 表 2-1 不同升降機(jī)的特點比較 類型 特點 采用鉆機(jī)型 號 脹閘傳動 式 次種升降機(jī)簡化了機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，采用液壓控制， 易實現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作以及自動化；而且工作平穩(wěn)；卷 筒制圈散熱條件好。但只適用于有液壓系統(tǒng)的鉆機(jī)。 SPC-300 型 錐摩擦傳 動式 此類升降機(jī)結(jié)鉤比較簡單，易損件少、結(jié)實耐用、 但傳動效率小，兩摩擦錐面易進(jìn)入泥漿、油污等， 工作可靠性較差。只有少數(shù)竊孔及次深孔鉆機(jī)使用 XB-500 型 片式摩擦 力合器傳 動式 傳動較錐摩擦式平穩(wěn)，傳動同樣功率時結(jié)構(gòu)尺寸 較錐摩擦式小，但結(jié)構(gòu)較錐摩擦式復(fù)雜，更換離合 器片不太方便。 用于鉆 機(jī)輔助 升降機(jī) 液壓傳動 式 可以實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)升降機(jī)的速度和遠(yuǎn)距離自動控制， 而且升降機(jī)結(jié)構(gòu)大大簡化。不足之處是液壓馬達(dá)要 求加工、裝配精度高、不便野外修配。 行星輪傳 動式 與摩擦傳動式相比，在尺寸相同時，能傳遞較大功 率以及獲得較大的傳動比；傳動效率大；結(jié)構(gòu)緊湊， 傳動平穩(wěn)，操作靈活。 用于機(jī)械傳 動式鉆機(jī) 因此，通過上述分析，我們選擇行星輪式升降機(jī)作為 XY-4 巖心鉆機(jī)的升 降機(jī)。但是，行星輪式升降機(jī)又分為兩種：一種是行星輪軸支撐在提升在制圈 上，內(nèi)齒圈與卷筒裝在一起；另外一種是行星輪軸裝在卷筒上，而內(nèi)齒圈和提 升制圈連在一起。我們暫時選擇第一種。 2.3 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)的設(shè)計方案的確定 本次設(shè)計是在原有的 XY-4 巖心鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，利用所給的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行計 算，分別進(jìn)行： 8 工作參數(shù)的選擇： 升降機(jī)的最大起重量 Pq； 提升速度分為：最高纏繩速度 Vmax、最低纏繩速度 Vmin； 調(diào)速范圍 R； 速度檔數(shù)及中間速度。 抱閘的受力分析： 下降制動力矩； 提升制動力矩； 手柄上的作用力； 抱閘的發(fā)熱驗算： 抱閘在制動過程中，將鉆具和提升系統(tǒng)的動能全部轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能 會使抱閘和制圈的溫度升高。這樣會使摩擦系數(shù)降低，制動力矩減小，而且會 使熱應(yīng)力增加，加劇摩擦材料的磨損，因此要對其進(jìn)行發(fā)熱驗算，看是否能夠 男組要求。通過上述計算就可以知道升降機(jī)的最大起重量、提升速度、制動力 矩等等，我們就利用這些參數(shù)來選擇升降機(jī)的主軸、行星輪系齒輪、支架、中 心齒輪、行星輪軸等所有的零件型號和尺寸，進(jìn)而繪制出總裝配圖。在經(jīng)過一 些軟件來分析升降機(jī)的性能。 2.4 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)的組成分析 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)主要由卷筒、行星傳動機(jī)構(gòu)、水冷裝置及抱閘等組 成。這些部件有著不同的外形特征和不同的作用，下面就其分別進(jìn)行分析： 卷筒 卷筒是升降機(jī)的主要組成部分，它是提供提升動力與控制提升、下降速度 的裝置。它的形狀如圖 4-1 所示： 9 圖 2-1 XY4 巖芯鉆機(jī) 升降機(jī)卷筒 卷筒用兩盤球軸承支承在升降機(jī)的中部。左邊有水套循環(huán)，它與水套軸構(gòu) 成水循環(huán)系統(tǒng)；右邊部分與內(nèi)齒圈采用熱壓法裝在一起，卷筒纏繞鋼絲繩所需 要的動力就從這里輸入。 行星輪系 升降機(jī)設(shè)置行星輪系的目的在于解決上升與下降時升降機(jī)軸要向不同的方 向旋轉(zhuǎn)的問題。采用此裝置的另一個原因是由于它可以有精確的傳動比、傳動 效率高、傳動平穩(wěn)、可以傳動較大的力矩。在選擇行星輪系的個數(shù)時，為了使 系統(tǒng)不產(chǎn)生偏心現(xiàn)象，故行星輪系的個數(shù)為 3 個。它們分別用兩盤球軸承活動 裝在三根行星輪軸上。三根行星輪軸互為 120 度夾角，均勻裝在兩行星輪支架 之間。兩個支架分別用球軸承裝在中心齒輪兩邊的軸承徑上。行星輪系的外行 如圖 1-2 所示： 10 圖 2-2 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)行星輪系 1.內(nèi)齒圈 2.單列向心球軸承 3.行星輪軸 4.支架左部分 5.螺栓 6.彈性墊片 7.支架右部分 水冷裝置 由于升降機(jī)在下降過程中是以自身的重量為動力的，因此在下降一段時間 后就會有較大的速度，為了減速，抱閘與制圈由于摩擦就會產(chǎn)生大量的熱，這 些熱量如果不及時排除就會對升降機(jī)造成影響。所以，在卷筒和水套軸之間裝 水循環(huán)系統(tǒng)。另外，水冷裝置還有一個作為水剎車的用途。 升降機(jī)軸 升降機(jī)軸是整個升降機(jī)運(yùn)行主要動力傳遞的元件。它上面裝有卷筒、水套 軸等零件，另外，還有中心齒輪。中心齒輪與升降機(jī)軸用花鍵聯(lián)接。選用花鍵 聯(lián)接是由于中心齒輪要傳遞較大的轉(zhuǎn)矩。升降機(jī)軸的左部分空套裝于水套軸的 中心孔內(nèi)，右部分用花鍵插入分動箱軸齒輪的花鍵孔內(nèi)，動力由齒輪從分動箱 11 傳到升降機(jī)軸。升降機(jī)軸的形狀如圖 1-3 所示： 圖 2-3 升降機(jī)軸 抱閘 升降機(jī)有兩個抱閘，一付是制動抱閘，另一付是提升抱閘。其作用是通過 抱緊制圈產(chǎn)生摩擦力矩，從而制動或控制卷筒與提升制圈，并靠自身結(jié)構(gòu)中產(chǎn) 生的彈力松開抱閘，使抱閘與制圈間出現(xiàn)間隙。 a：抱閘的原理圖如圖 1-4 所示： 圖 2-4 抱閘結(jié)構(gòu)圖 1.手把 2.棘輪 3.銅套 4.銅墊 5.墊 6.閘塊 7.彈簧 8.螺母 9.鎖母 10.連桿 11.頂桿螺栓 12.閘帶 13.支架 14.沉頭鉚釘 15.銷軸 16.止動銷 17.銷 軸 18.手把托墊 19.棘爪 20.銷軸 12 b：抱閘的工作原理： 制動時，將手把下壓，凸輪偏心厚面壓向銅墊 5，迫使兩制塊靠近，抱緊 制閘。 松開時，將手把上抬，凸輪偏心薄面壓向銅墊 5，凸輪壓力消除，在彈簧 張力的作用下，使兩制塊放松制圈，并保持間隙。 在下降制動抱閘凸輪上有棘齒，棘輪上裝有棘爪 19。利用棘齒和棘爪可以 使抱閘長時間處于制動狀態(tài)，能使孔內(nèi)鉆具長時間處于孔內(nèi)某一位置上。 為保證抱閘工作可靠，抱閘處于放松狀態(tài)時，應(yīng)和制圈保持適當(dāng)而均勻的間隙， 如果間隙過大，制動時動作遲緩，而且產(chǎn)生的制動力矩小，甚至使抱閘失靈； 間隙過小，可能會造成分離不徹底。 2.5 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖與工作原理分析 2.5.1 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 通過對升降機(jī)的組成的分析以及對原有升降機(jī)的參考，我們就能確定升降 機(jī)的零部件的裝配情況和大致的結(jié)構(gòu)示意圖，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖 1-5 所示。 13 圖 2-5 升降機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 1.升降機(jī)軸 2.中心齒輪 3.行星輪軸 4.行星齒輪 5.內(nèi)齒圈 6.提升抱閘 7.卷筒 8.制動抱閘 2.5.2 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)的工作原理分析 升降機(jī)在工作時有四種工作情況，分別是：提升鉆具、制動鉆具、下降鉆 具、微控制。 提升鉆具 升降機(jī)在提升鉆具時，提升抱閘 6 抱緊，同時將下降抱閘 8 松開，則由于 提升抱閘的抱緊作用，使得提升制圈和行星輪系支架的右部分通過鍵聯(lián)接成的 整體靜止，這樣行星輪系此時為定軸輪系。動力從分動箱傳入到升降機(jī)軸 1， 升降機(jī)軸帶動中心齒輪轉(zhuǎn)動 2，同時中心齒輪與行星齒輪 4 嚙合；行星齒輪又 與內(nèi)齒圈 5 嚙合，從而帶動卷筒 7 繞升降機(jī)軸轉(zhuǎn)動繞繩，達(dá)到提升鉆具的目的。 制動鉆具 將提升抱閘 6 松開，下降抱閘 8 抱緊，則此時卷筒 7 靜止不動，行星齒輪 4 自 轉(zhuǎn)，同時帶動行星輪軸 3 與提升制圈公轉(zhuǎn)，升降機(jī)軸空轉(zhuǎn)。 下降鉆具 同時將提升抱閘 6 和下降抱閘 8 松開，鉆具在自重的作用下，卷筒反轉(zhuǎn)松 繩鉆具下降。控制下降抱閘的松開程度就可以控制鉆具的下降速度，另外，還 有微動操作，就是利用下降和提升抱閘聯(lián)合動作，在短時間內(nèi)實現(xiàn)提升、制動、 下降的連續(xù)動作。 14 第 3 章 分析計算 3.1 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)齒輪的分析計算 3.1.1 齒輪總傳動比的確定 因為輸入軸的最高轉(zhuǎn)速 n1=450 r/min 和卷筒的最高轉(zhuǎn)速 n2=160 r/min； 又因為在升降機(jī)提升鉆具時，行星輪系為定軸輪系，則可以根據(jù)公式： ，知： （3- 123,iz總 31122456zin總 1） 式中： 升降機(jī)總傳動比；i總 第一級傳動比；1 第二級傳動比；2i 中心齒輪齒數(shù)；1z 行星齒輪齒數(shù)；2 內(nèi)齒圈齒數(shù)。3z 3.1.2 選擇齒輪材料和熱處理，精度等級，齒輪齒數(shù) 考慮到傳動功率大，要求結(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命長，由譚慶昌編著機(jī)械設(shè) 計表6-2選得：三個齒輪材料用40MnB，表面淬火，齒面硬度4855HRC，齒輪 精度為8級，閉式軟齒面齒輪；選中心齒輪的齒數(shù) ，選 ，1=30z1.2i ，則 ， 。2.34i2136zi84z 3.1.3 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計 先設(shè)計中心齒輪和行星齒輪 15 閉式硬齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于彎曲強(qiáng)度，故先按彎曲強(qiáng)度設(shè) 計，驗算接觸強(qiáng)度。 由式 （3-132FsSadkTYmz 2） 因載荷有較重沖擊，由表查得 ，故初選載荷系數(shù) ，5.1K2tK66 5119.029.50.41043PT Nmn 由式 （3-12.8()cosz 3）計算端面重合度 ；.31.690 由式 ， （3-0.75.2.Y 4） 查表得： .d 1263FaY1.59saY . 26 由式 （3-910450830.10hNnjL 5） 8126.i 8300183024.610hNnjL 查表得： 1.89Y2.9NY 由表選 ，min25FS 由圖按齒面硬度均值51HRC，在ML線上查得： 16 ，min1li2450FMPa 則 li1n.89 320.4NFYPaS lim22n45.17.61.6310.3FaSY2.9.27aSF 取 設(shè)計齒輪模數(shù)：10.31aSY 將確定后的各項數(shù)值代入設(shè)計公式，求得： 511332 22.410.713() .5tFaStdKTmz 修正 ：t （3-1.4504.1/6061tnv ms 6） 查表得： 1.5,.0,.2,vKK （3-15.0612.9Av 7） （3-332.9.4tkm 8） 查表，選取第一系列標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) 。.5m 所以齒輪的主要幾何尺寸為： 105,dz216dzm 17 12()3maz10.753.dbm 取 275B15Bm 較核齒面接觸疲勞強(qiáng)度： （3-12HEHkTuZbZ 9） 查得， 189.,.5,0.8EHMPa 按不允許出現(xiàn)點蝕，查得： 12961NNZ 按齒面硬度均值51HRC在MQ和ML線中間查出 ，取 PaH02lim1li1limHS （3-li1n7.6NZS 10） lim22n13.HNMPa 將確定出的各項數(shù)值代入接觸強(qiáng)度較核公式，得： （3- 512.9410.9189.50.873H H 11） 接觸強(qiáng)度滿足。 設(shè)計內(nèi)齒圈 內(nèi)齒圈的輸出功率24.11kw，轉(zhuǎn)速160r/min。 閉式硬齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于彎曲強(qiáng)度，故先按彎曲強(qiáng)度設(shè) 計，驗算接觸強(qiáng)度。 由式 132FsSadkTYmz 18 因載荷有較重沖擊，由表查得 ，故初選載荷系數(shù) ，5.1K2tK66 5319024.9.5010PT Nmn 由前面的設(shè)計可知，齒輪的模數(shù)m=3.5，因此內(nèi)齒圈的模數(shù)也是3.5。 所以齒輪的主要幾何尺寸為： ； 3294dmz ；10.753.bm 取 。 375B 校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度： 123HEHkTuZbZ 查得， 189.,.5,0.8EHMPa 按不允許出現(xiàn)點蝕，查得： 316N 按齒面硬度均值51HRC在MQ和ML線中間查出 ，取 lim3106HPalim3HSli3n12.6NZa 將確定出的各項數(shù)值代入接觸強(qiáng)度較核公式，得： 532.9410.9189.50.878H H 接觸強(qiáng)度滿足。 表 2 齒輪的主要參數(shù) 齒輪 z m d(mm) (mm) da df 中心齒輪 30 3.5 105 75 112 96.25 行星齒輪 36 3.5 126 75 133 117.25 內(nèi)齒圈 84 3.5 294 75 301 285.25 19 3.2 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)軸的分析計算 3.2.1 升降機(jī)軸的設(shè)計 根據(jù)機(jī)械傳動方案的整體布局，擬訂軸上零件的裝配方案。選擇圖 3-1 所示的方案。 圖 3-1 升降機(jī)軸零件的分布 選擇軸的材料 軸的材料選擇 40Cr，調(diào)質(zhì)處理。其力學(xué)性能由表查得， 。根據(jù)表查得，11735,40,35,20bsMPaaMPaa 。01C 求輸入軸的功率 、轉(zhuǎn)速 和轉(zhuǎn)矩 1n1T 通過查表可知齒輪的傳動效率為 0.97，則輸入功率是： ； （3-224.5.6097gFVPKW 12） ；15/minr 。419.05.0PTNm 初步估算軸的最小軸徑 由公式 可以得到升降機(jī)軸的最小軸徑13min0dC （3-133in025.6740.Pm 20 13） 又因為此軸與齒輪是用鍵聯(lián)接的，所以升降機(jī)軸的最小軸徑應(yīng)為： （3-minin3%41.8ddm 14） 升降機(jī)軸的最小部分是在與分動箱齒輪聯(lián)接的地方，它的選擇應(yīng)該根據(jù)分 動箱齒輪的孔徑確定，而軸最大的部分在支撐卷筒處兩單列向心軸承的中間位 置。其余的軸徑則要根據(jù)與之相聯(lián)的軸承、密封圈選擇。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 為使 B 點的密封圈的定位，因而加一個軸肩，并考慮到密封圈的內(nèi)徑，故 選軸肩的直徑是 55mm。在 BC 段是放置單列向心軸承的，根據(jù)軸承的內(nèi)徑軸 的直徑為 60mm，長度是軸承的寬度 22mm。CD 段是升降機(jī)軸最大的部分，由 于此段軸的左右兩邊要使軸承定位，因此選軸的直徑是 66mm，長度要于卷筒 的寬度匹配 194mm。DE 段的的直徑與 BC 段相等，長度是兩個軸承的寬度加 中心齒輪的寬度，另外，考慮到要將齒輪固定，兩軸承之間要有墊片，因此它 的長度是 120mm。EF 段的直徑與軸承的內(nèi)徑相同，為 50mm，長度是兩軸承的 寬度與行星輪系支架的寬度和為 120mm。FG 段由與之相聯(lián)的分動箱的齒輪的 寬度決定，在這里選擇 80mm。 確定軸上圓角和倒角尺寸 圓角是 R1.5，倒角是 245。 按彎扭合成強(qiáng)度計算 由所確定的結(jié)構(gòu)圖（圖 3-1）可確定出升降機(jī)軸的支承距離為 80mm，據(jù) 此求出齒輪寬度中點所在的截面的 、 、 和 的值。HMvca a：畫出軸的計算簡圖（圖 3-2） 為計算方便，將軸上的作用力分解到水平面和垂直面內(nèi)進(jìn)行計算。取集中 力作用與軸上零件的中點。對于支反力的位置隨軸承類型和分布方式的不同而 異。 b：計算軸上外力 齒輪的圓周力 21 （3- 4125.018tTFNd 15） 齒輪的徑向力 （3-1082395.78rtngtg 16） 徑向力與原周力的合力 （3-10857.69cos2tnnFN 17） c: 計算軸的彎矩并畫彎矩圖 22 圖 3-2 升降機(jī)軸的受力計算 水平面彎矩 （3-127.6HMFLNm 18） 垂直面彎矩 （3-9.2vr 23 19） 水平面和垂直面的彎矩圖如圖 2-2c 和 2-2e 所示。 合成彎矩（如圖 2-2f） （3-231.5HvMNm 20） d: 畫轉(zhuǎn)矩圖（圖 2-2g） e：計算當(dāng)量彎矩圖 轉(zhuǎn)矩按脈動循環(huán)變化計算，取 =0.6 得： （3-5510.6413.260TNm 21） 1.eM 進(jìn)行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩的截面的強(qiáng)度。由公式 （3-1 132.50.7606ca MPaPaW 22） 所以軸的強(qiáng)度足夠。 按疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)進(jìn)行校核計算 a：危險截面的判斷 危險截面的位置應(yīng)是彎矩和轉(zhuǎn)矩以及截面面積較小且應(yīng)力集中較嚴(yán)重處。 當(dāng)在同一截面處有幾個應(yīng)力集中源時，取各源所引起的最大值。根據(jù)軸的結(jié)構(gòu) 尺寸及彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖，截面齒輪中點處的彎矩最大且齒輪配合和花鍵軸引起 的應(yīng)力集中。以下以齒輪中點的截面進(jìn)行分析 。 b: 齒輪中心截面處進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)校核 抗彎截面系數(shù) （3-3330.1.6021Wdm 23） 抗扭截面系數(shù) （3-333.2.4T 24） 合成彎矩 （3-1.5M 24 25） 轉(zhuǎn)矩 52119.0.40PTNmn 彎矩應(yīng)力幅（按對稱循環(huán)變應(yīng)力計算） （3-132.1.706aMaW 26） 彎曲平均應(yīng)力 mPa 扭轉(zhuǎn)平均切應(yīng)力幅 （3- 54012.623aTMPaW 27） 扭轉(zhuǎn)平均切應(yīng)力 12.6amPa 由設(shè)計圖可知 ,K 由 640,6bMPad 按（譚慶昌編著機(jī)械設(shè)計 ）的附圖 5 查得尺寸系數(shù) .75,. 由精車加工得： 640bMPa 按（譚慶昌編著機(jī)械設(shè)計 ）的附圖 8 查得表面質(zhì)量系數(shù) 25 0.93 按公式 （3- kkK和 28） 可計算得： 1.43.2K， 由于花鍵引起的有效應(yīng)力集中系數(shù)是 .5.6和 故得綜合影響系數(shù)是 （3- 1.52.0793.46.0kK 29） 由于齒輪輪轂與軸的過盈配合 H7/r6 產(chǎn)生的有效應(yīng)力集中系數(shù)和尺寸系數(shù) 之比由（譚慶昌編著機(jī)械設(shè)計 ）的附圖 6b、7b 查得 （3-3.52. k， 33） 因此可得綜合影響系數(shù)是 26 3.5.8209.74kK 取上面的綜合影響系數(shù)較大的數(shù)值，故 3.82.74K， 軸的材料是 40Cr，查（譚慶昌編著機(jī)械設(shè)計 ）的表 8-1 取彎曲影響系數(shù) 和扭轉(zhuǎn)影響系數(shù)是 0.2.1， 只考慮彎矩作用的安全系數(shù)，由公式 （3- 1amSK 34） 得： 12753.8.0amSK=6 只考慮轉(zhuǎn)矩作用的安全系數(shù)，由公式 （3- 1amS 35） 得： 153.784amSK= 由公式 27 （3-2ca S 36） 得安全系數(shù)是 22 3.064.5.caS= 取標(biāo)準(zhǔn)的安全系數(shù)是 1.5，則 22 3.064.51.caS 所以截面安全。 3.2.2 行星輪軸的設(shè)計 根據(jù)機(jī)械傳動方案的整體布局，擬訂軸上零件的裝配方案。選擇圖 3-1 所示的方案。 1.行星齒輪 2.單列向心軸承 3.行星軸支架 圖 3-3 行星軸零件的分布 選擇軸的材料 軸的材料選擇 40Cr，調(diào)質(zhì)處理。其力學(xué)性能由表查得， 28 。根據(jù)表查得，11735,40,35,20bsMPaaMPaa 。01C 求輸入軸的功率 、轉(zhuǎn)速 和轉(zhuǎn)矩22n2T 通過查表可知齒輪的傳動效率為 0.97，則輸入功率是： ；24.1.86097gFVPKW ；35/minnr 。422.16.310PTNm 初步估算軸的最小軸徑 由公式 可以得到行星輪軸的最小軸徑23min0dC 。233in04.861720.5Pm 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 為使單列向心軸承的定位，因而加一個軸肩，并考慮到單列向心軸承的內(nèi) 徑，故選軸肩的直徑是 48mm。在直徑時 40mm 段是放置單列向心軸承的，根 據(jù)軸承的內(nèi)徑軸的直徑為 40mm，長度是軸承的寬度 16mm。直徑時 36 mm 段 是行星輪系支架支撐行星輪系的連接處，長度要于行星輪系支架的寬度匹配 32mm。對整個行星輪軸來說其實關(guān)于軸肩對稱的。因此，確定一邊的尺寸就可 以了。 確定軸上圓角和倒角尺寸 圓角是 R1.5，倒角是 245。 3.3 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)軸承的分析計算 軸承型號的選擇 根據(jù)鉆探工程手冊，選擇軸承型號是 100360；軸承型號是 100355。 計算軸承承受的徑向載荷 和1rF2 29 將軸系部件受到的空間力分解為水平面（圖 3-4b）和垂直面（圖 3-4c）兩 個平面力系，由力分析可知： 水平支反力 108542tHFN （3-t 37） 垂直支反力 1395.781.92rvFN （3-.rv 38） 合成支反力（圖 3-4d） 222115497.85.rHvFN （3-2 1 39） 30 圖 3-4 軸承受力示意圖 計算軸承的軸向載荷 和1aF2 由圖 4-3d 可知， 等于 。查設(shè)計手冊（GB/T 292-94） ，100000 型軸rr 承的 Cr=35.2KN，Cor=24.5KN，對于 10000 型軸承，按（譚慶昌編著機(jī)械設(shè) 計 ）的表 9-9，軸承的內(nèi)部軸向力 ，并知 。0.56sr0.56e 則 110.56324.7srFN （3-2 40） 由于軸承在軸向方向只有 和 ，因此，1s2F （3-134.7asFN 31 41） 234.17asFN 計算軸承的當(dāng)量動載荷 和P2 由于 1.0.5678ar e （3-234.arF 42） 按（譚慶昌編著機(jī)械設(shè)計 ）的表 9-7，可查得徑向載荷系數(shù)和軸向動載 荷系數(shù)： 軸承 1,0XY 軸承 2 軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中有中等沖擊載荷，按（譚慶昌編著機(jī)械設(shè)計 ）的表 9-8， 取 則：pf=1.2 8,1.5pf 11.578.6.32raPXFY （3-222pf 43） 計算軸承壽命 因為 ，該軸承的壽命是： 12P （3- 36019048rhCLhn 44） 壽命滿足。 3.4 XY4 巖芯鉆機(jī)升降機(jī)卷筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 鋼繩直徑和卷筒直徑 影響卷筒直徑的因素有：卷筒質(zhì)量、卷筒扭矩和鋼繩的壽命。這三個因素 32 中，前兩個與第三個存在矛盾。實踐證明，卷筒直徑與鋼繩直徑比例恰當(dāng)，就 可適當(dāng)兼顧三個因素。因此，確定卷筒的直徑之前，應(yīng)先選擇鋼繩的直徑。 在本設(shè)計中鋼繩的直徑已經(jīng)已經(jīng)確定是 16mm。由于卷筒的直徑愈大，鋼絲繩 纏繞時所受彎曲交變應(yīng)力就小，鋼絲繩工作時不致很快疲勞損壞，因此延長了 鋼絲繩壽命；但是，卷筒尺寸、重量和扭矩也隨之增加。反之，卷筒尺寸，重 量和扭矩減小，但鋼絲繩工作條件差，壽命短。對于巖心鉆機(jī)，卷筒直徑的合 理比值是 （3-12.57.3zDd: 45） 式中 卷筒直徑，mm；z 鋼絲繩直徑， mm。d 在本設(shè)計中選擇的卷筒直徑是 285mm。 卷筒的容繩量與卷筒的長度 由設(shè)計要求可知卷筒的容繩量是 52m。 a：纏繞層數(shù) n 淺孔立根短，工作鋼絲繩不長，纏繞一層為最好?？咨盍⒏L，工作鋼絲 繩多，必然要纏繞多層。但是為了減少鋼絲繩受擠壓與摩擦而造成的損耗，纏 繞層數(shù)一般最多只取 24 層。在設(shè)計中去 n=3 層。 b：每層圈數(shù) Z 根據(jù)公式 （3-2zLnDd 46） 式中 每層圈數(shù)；Z n鋼絲繩在卷筒上纏繞的層數(shù)； 卷筒直徑；z 鋼絲繩直徑；d 容繩量。 L 33 可以計算得 圈25016.57389zLZnDd 在計算鋼絲繩容量時，應(yīng)該考慮到提升器下降到最低位置時，卷筒上還有 57 圈儲備量。 c：卷筒的長度 B 由上面的計算可以知道，卷筒的纏繞層數(shù)是多層，因此可以用下面的公式 計算卷筒的長度。 （3-12Zd: 47） 但是，在一般情況下，選擇卷筒的長度是用下面的公式的： （3-1.7zDB: 48） 則卷筒的長度是 2851901.7zm: 卷筒的壁厚 卷筒的壁厚難以準(zhǔn)確的計算，一般用經(jīng)驗公式確定： 鑄造卷筒 （3-min0.2,zD 49） 焊接卷筒 （3-,d 50） 公式中 不同材料鑄造時的最小壁厚，mm。見表 3。min 表 3 卷筒材料容許鑄造壁厚 材料 尺寸 鑄造容許最小壁厚 （mm）min ZG35 小型鑄件 中型鑄件 大型鑄件 6 1012 1520 34 QT45 小型鑄件 中型鑄件 34 6810 HT1533 大型鑄件 1520 本設(shè)計中材料選用 QT45，中型鑄件，則 ；min 因此卷筒的壁厚是 in0.20.28561.7zDm 選擇卷筒壁厚為 12mm。 卷筒的邊緣直徑 b 卷筒的邊緣直徑 取決與卷筒直徑與纏繞歸納鋼絲繩的層數(shù)和鋼絲繩的直 徑。同時，結(jié)構(gòu)上受行星輪系與制圈直徑約束。卷筒的邊緣直徑應(yīng)比其上外層 鋼絲繩高出 23 個鋼絲繩直徑。 即 （3-14628516341bzDdm: 51） 所以卷筒的邊緣直徑是 413mm。 35 第四章 升降機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩特性分析 4.1 升降機(jī)的轉(zhuǎn)速特性分析 4.1.1 升降機(jī)提升速度的分析 升降機(jī)提升鉆具的線速度是根據(jù)額定動力、鉆具質(zhì)量、卷筒直徑和轉(zhuǎn)速等 確定的。在動力能力的容許下盡量提高提升速度，但又得考慮過快在生產(chǎn)中影 響手動操作的安全可靠性；提升速度過慢，又直接影響著鉆進(jìn)過程中純鉆進(jìn)時 間。升降機(jī)提升鉆具時卷筒，行星齒輪，中心齒輪的相互運(yùn)動關(guān)系如圖 4-1 所 示。本鉆機(jī)的提升速度計算是： （4-/60DdVnms 1） 式中 升降機(jī)的提升速度，m/s； 升降機(jī)的提升速度，m/s；n 升降機(jī)的提升速度，D=28.5cm；D 升降機(jī)的提升速度， d=1.6cm。d 圖 4-1 升降機(jī)提升鉆具示意圖 36 圖中 中心齒輪的角速度（r/min） ；a 卷筒角速度（r/min） ；b 行星齒輪自轉(zhuǎn)的角速度（r/min） ；g 行星輪軸公轉(zhuǎn)的角速度（ r/min） 。H a：卷筒轉(zhuǎn)速 n 的計算 當(dāng)升降機(jī)在提升鉆具時，升降機(jī)的傳動是定軸傳動，因此計算時按照定軸 輪系的傳動計算方法便可。 第一速： （4-1136742/min5Znr 2） 第二速： 1238/i4rZ 第三速： 133601/min5n 第四速： 143/i4rZ b：升降機(jī)的提升速度 根據(jù)公式 /60DdVnms 可計算得升降機(jī)的提升速度是： 第一速： （4-1 30.142.82/6ms 3） 第二速： 2 .783.151/600DdVn s 第三速： 3 .426/m 37 第四速： 4 30.116.4/0DdVnms 4.1.2 升降機(jī)下降速度的分析 升降機(jī)下降鉆具時卷筒，行星齒輪，中心齒輪的相互運(yùn)動關(guān)系如圖 4-2 所 示。此時，由于行星輪系的存在，因此，必須將行星輪系轉(zhuǎn)化為普通輪系，即 在行星輪系各轉(zhuǎn)動件上加一個與行星輪系軸公轉(zhuǎn)角速度 大小相等方向相反H 的角速度- 。在轉(zhuǎn)化后的輪系中，中心齒輪與行星齒輪傳動比為：H 圖 4-2 升降機(jī)下降鉆具示意圖 圖中 中心齒輪的角速度（r/min） ；a 卷筒角速度（r/min） ；b 行星齒輪自轉(zhuǎn)的角速度（r/min） ；g 行星輪軸公轉(zhuǎn)的角速度（ r/min） 。H （4-gagaZi 3） 中心齒輪與內(nèi)齒圈的傳動比為： 38 （4-HabbaZi 4） 由（4-1 ）式得： （4-agHZ 5） 由（4-2 ）式得： （4-abHZ 6） 因此 agabZZ 所以 （4-bagbabgag ZZ 7） 當(dāng) 時， ，即行星30846203abgbang 齒輪不自轉(zhuǎn)，而只有公轉(zhuǎn)，如圖：4-3a 所示。 當(dāng) 時， ，即行星30846203abgba Zng 齒輪與中心齒輪轉(zhuǎn)向相同，如圖：4-3b 所示。 當(dāng) 時， ，即行星30846203abgba Zng 齒輪與中心齒輪的轉(zhuǎn)向相反，如圖：4-3c 所示。 39 從以上的分析可以看出，下降時行星輪系的轉(zhuǎn)向不僅與中心齒輪和內(nèi)齒圈 的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而且與各傳動齒輪的齒數(shù)有關(guān)。 圖 4-3 升降機(jī)下降鉆具時輪系運(yùn)動示意圖 圖中 中心齒輪的角速度（r/min） ；a 卷筒角速度（r/min） ；b 行星齒輪自轉(zhuǎn)的角速度（r/min） ；g 行星輪軸公轉(zhuǎn)的角速度（ r/min） 。H 4.2 升降機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性分析 4.2.1 升降機(jī)提升 轉(zhuǎn)矩特性的分析 動力從升降機(jī)軸輸入，直接傳動到中心齒輪，與中心齒輪嚙合的三個行星 齒輪相繼轉(zhuǎn)動。而升降機(jī)的旋向為順時針方向，帶動中心齒輪，游星齒輪被傳 動為逆時針方向旋轉(zhuǎn)，因為圓柱齒輪傳動內(nèi)齒圈的運(yùn)動方向不變的原理。因此， 被行星齒輪傳動的內(nèi)齒圈亦為逆時針旋轉(zhuǎn)，故卷筒亦同方向旋轉(zhuǎn)，即卷筒提升 鉆具的旋轉(zhuǎn)方向。 由設(shè)計條件可知：最大提升力為：29.4KN； 最快提升速度：3.13m/s； 40 （4-33maxax29.410.92.0PFVKW 8） 因此，要以 3.13m/s 的速度在不超過 29.4KN 的提升力的前提下，必須要有 92.02KW 的輸入功率。在齒輪嚙合的過程中，一定有功率的傳動損失，齒輪傳 動的損失率為： 0.97g 可得升降機(jī)上輸入的功率是： 312.8gPKW 因此，卷筒的功率 ，轉(zhuǎn)矩 與升降機(jī)軸的功率 ，轉(zhuǎn)矩 分別是：33T1P1T ；1297.8g ；33maxax.410.92.0PFVKW ；55119.028TNmn 。5533.490 4.2.2 升降機(jī)下降轉(zhuǎn)矩特性的分析 由于升降機(jī)下降時，是靠自身的重力作用下完成的，因此，在升降機(jī)下降 鉆具時的轉(zhuǎn)矩與下降的高度，下降時的速度有關(guān)，它是一個變值。 4.3 升降機(jī)的主要特性參數(shù)計算 4.3.1 升降機(jī)的最大提重量 升降機(jī)的最大提重量 指的是用單繩一速提升時，升降機(jī)的最大提升負(fù)荷，qP 它取決于大鉤載荷以及滑車系統(tǒng)得結(jié)構(gòu)。而大鉤載荷又依據(jù)額定孔深下的最大 鉆具重量確定。 大鉤載荷可用下式計算： 41 （4-01ndgQkqL 9） 式中 大鉤載荷；dg 卡塞系數(shù)。它又反映了升降機(jī)的超載能力，又可稱為超載系k 數(shù)。一般 154。淺孔及大口徑鉆機(jī)取值較小，中深孔k 及小口徑鉆機(jī)取值較，深孔鉆機(jī)取值大； 額定孔深時的鉆具總重；0Q 鉆桿重量修正系數(shù)。接頭連接 1.05，接箍連接 1.1； 每米鉆桿重量；q 額定孔深的鉆具總長；L 沖洗液比重；n 鉆桿材料比重。 在實際應(yīng)用中一般采用簡化公式計算 （4-dgQkqL 10） XY-4 巖心鉆機(jī)的最大鉆進(jìn)深度是 1000m，孔徑是 53mm， =4.5m/kg。q 324.5109dgkqKg 因此，大鉤載荷是 。39Qg 升降機(jī)的最大起重量可由公式 確定，在設(shè)計中升降機(jī)的滑qklPm 輪系統(tǒng)按有死繩滑輪系統(tǒng)設(shè)計，則有效鋼絲繩數(shù) m=4 根，在取 =0.90。從而 可得升降機(jī)的最大起重量是： 。 3910254.qgQklPKgm 42 4.3.2 升降機(jī)的提升速度 提升速度指的是卷簡的纏繩速度。它包括最高纏繩速度 、最低纏繩maxV 速度 、調(diào)速范圍 R、速度檔數(shù) m 及中間速度 。minVn 速度檔數(shù) m 由前面的設(shè)計可知，次升降機(jī)有四個速度，因此，它的速度檔數(shù) m=4。 最高纏繩速度 ax 最高纏繩速度 是根據(jù)提引器的最高上升速度確定的。mV （4-ax0ax 11） 式中 提引器的最高上升速度，它受立根長度和操作安全的限制。0max 不同立根長度，所容許提引器的最高上升速度如表 4-1。 表 4-1 立根長度（m） 6 912 15 以上 提引器的最高上升速度 （m/s） 1 1.5 2.0 在本設(shè)計中選用的立根長度是 6m，則 的大小是：0maxV max0ax41/Vs XY-4 巖心鉆機(jī)的提升速度只有四檔，則實際的最高速度是 =3.13m/s。max 最低纏繩速度 in 最低纏繩速度 是根據(jù)動力機(jī)的額定功率及大鉤裁荷確定。可用下式計miV 算； （4-in102edgNQ 12） 式中 動力機(jī)額定功率，kW；e 43 動力機(jī)至卷簡的總傳動效率，一般取 0.800.85； 大鉤裁荷， Kg。dgQ 則計算得最低纏繩速度為： min1021024.85.69/edgNVms XY-4 巖心鉆機(jī)的提升速度只有四檔，則實際的最低速度是 =0.82m/s。inV 調(diào)速范圍 R 當(dāng) 及 確定之后，調(diào)速范圍己成定值。maxVin （4-axin3.8 13） 中間速度 nV 中間速度 是通過下面的公式來確定的， （4-1km 14） 式中 第 n 個中間速度，m/s；nV 第一速速度，m/s；1 升降機(jī)的速度檔數(shù)；m 所求速度的序號。k 所以 ；121 40.8219/VVmsmk 44 ；231 40.82164/3mVVmsk 。341.3./4s 4.3.3 升降機(jī)的抱閘的受力計算 下降制動力矩 ZDM 制動正在下降過程中的鉆具，卷筒上除承受鉆具自身的重力產(chǎn)生的靜力矩 外，還必須承受鉆具與升降機(jī)系統(tǒng)的慣性力產(chǎn)生的附加力矩 。因此，制j dM 動鉆具所需的制動力矩 等于以上兩中力矩之和，即x （4-+ZDjd 15） 在實際計算中，一般采用下面的經(jīng)驗公式： （4-ZDjM 16） 而 （4-2dgsjQm 17） 式中 動載荷系數(shù)， =1.21.4，懸掛鉆具時，可以看成制動安全系 數(shù)； 下降鉆具時，最大大鉤載荷；dgQ 有效鋼絲繩數(shù)；m 滑輪系統(tǒng)效率； 卷筒的計算直徑，按卷筒上只有一層鋼絲繩計算，sD ；sd 45 卷筒直徑； D 鋼絲繩直徑。d 則可以計算得下降制動力矩的數(shù)值，如下： 3 5910.2.853.4104dgsZDQMNmm 提升制動力矩 ZD 提升鉆具時，所需上午制動力矩取決與提升負(fù)荷的大小和升降機(jī)的結(jié)構(gòu)類 型。而 XY-4 巖心鉆機(jī)的升降機(jī)是一個定軸輪系的提升裝置，因此，提升制動 力矩 應(yīng)為：ZD （4-2ZDbabMPr 18） 而 （4-qsbr 19） 所以 （4-2qsZDbPMr 20） 式中 升降機(jī)的最大起重量；bP 卷筒計算半徑，纏繞三層鋼絲繩， ；sr 152sDrd 式中 卷筒的計算直徑；sD 卷筒直徑； 鋼絲繩直徑。d 如果換成齒數(shù)，并考慮行星輪系的傳動效率得： （4-12abZDbsZMPr 46 21） 式中 中心齒輪齒數(shù)；aZ 內(nèi)齒圈齒數(shù)；b 行星輪系傳動效率。 計算可以得到提升鉆具時的制動力矩 ：sM 51308412251. .70.5abZDqsZMPr Nm 制圈半徑 和制帶寬度 的關(guān)系RB 由公式 可得制圈半徑 和制帶寬度 的關(guān)系。通過這一02ZDfqRB 個公式，如果設(shè)定一個值就能確定另一個的大小。 47 第 5 章 工程圖的繪制 5.1 總裝配圖的繪制 總裝配圖見工程圖 1。 5.2 部件