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畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
題 目 便攜式氣動(dòng)巖石鉆孔裝置設(shè)計(jì)
學(xué) 院 工程技術(shù)學(xué)院
專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
年 級(jí)
學(xué) 號(hào)
姓 名
指 導(dǎo) 教 師
成 績(jī)
2011 年 5 月 1 日
目錄
摘要 3
Abstract. 4
0文獻(xiàn)綜述 5
0.1礦難救援背景 5
0.2便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)適用場(chǎng)合 6
0.3便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)的設(shè)計(jì)要求 6
0.3.1符合國(guó)家煤礦安全標(biāo)準(zhǔn) 6
0.3.2體積小，重量輕，便于攜帶 6
0.3.3氣壓馬達(dá)的選擇和設(shè)計(jì) 6
0.3.4 鉆孔機(jī)裝置各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
0.4礦難救援工具的發(fā)展趨勢(shì) 7
1引言 8
2 礦難救援的設(shè)計(jì)思想和意義 9
2.1 便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)的設(shè)計(jì)思想 9
2.2目前鉆孔工具的應(yīng)用 9
2.3氣動(dòng)鉆孔機(jī)的設(shè)計(jì)思路 10
2.4氣動(dòng)鉆孔機(jī)破碎巖石原理 11
2.5設(shè)計(jì)便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)的意義 11
3便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 12
3.1氣動(dòng)馬達(dá)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 12
3.2行星齒輪減速器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 14
3.3換向閥的設(shè)計(jì)與計(jì)算 19
3.4扳手的設(shè)計(jì)與計(jì)算 21
3.5閥門(mén)彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算 22
3.6軸承的選擇和校核 23
3.7各軸段的設(shè)計(jì) 25
3.8鉆孔機(jī)外壁的設(shè)計(jì) 26
4便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)的設(shè)計(jì)說(shuō)明 26
4.1鉆孔機(jī)總體構(gòu)造 26
4.2各部分原理及具體實(shí)施方式 26
4.2.1扳手的設(shè)計(jì)原理與實(shí)施方式 26
4.2.2換向閥的設(shè)計(jì)原理與實(shí)施方式 27
4.2.3氣馬達(dá)的設(shè)計(jì)原理與實(shí)施方式 28
4.2.4行星齒輪減速器的設(shè)計(jì)原理與實(shí)施方式 30
4.2.5其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與實(shí)施方式 30
5 結(jié)論 31
參考文獻(xiàn) 31
致謝 33
便攜式氣動(dòng)巖石鉆孔裝置設(shè)計(jì)
摘要：我國(guó)是世界產(chǎn)煤大國(guó)，由于技術(shù)裝備等相對(duì)落后，管理制度不夠完善，煤礦本身特點(diǎn)等原因，導(dǎo)致礦難事故頻繁發(fā)生，因此礦難救援對(duì)于我國(guó)乃至人類(lèi)來(lái)說(shuō)都是一項(xiàng)十分緊急的工作，而研究先進(jìn)的礦難救援工具對(duì)于解決礦難救援工作起著十分關(guān)鍵的作用，礦難發(fā)生時(shí)，由于產(chǎn)生大量易燃易爆氣體，傳統(tǒng)的礦難救援工具不能很好的防爆，容易產(chǎn)生二次災(zāi)害，本課題設(shè)計(jì)的便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)的目的就是要改善上述情況，便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)可以方便快捷地對(duì)有較高防爆防燃燒等要求的煤礦巷道空間中的巖石進(jìn)行鉆孔，進(jìn)而用其他配套工具進(jìn)行碎石，使救援工作得以順利快速進(jìn)行，提高救援裝備的有效性，安全性。
關(guān)鍵詞：礦難；安全；救援工具；
The design of the pneumatic drill which is convenient to carry
Abstract：Our country is one of the countries that produce a great deal of coal,because of the behindhand technology, the misgovern，and the specialty of the coal mine itself, all lead to the accident of the coal mine frequently,so the succor of the accident of the coal mine is the most emergent task to our country even all the human beings all over the world. Study the advanced tools to the succor make a pivotal operation. When the accident of the coal mine happened,it would bring much gas that can burn and explode easily,the traditional tools for succor can not prevent the burning and the explode,and the pneumatic drill which is convenient to carry that we design in this task is to solve the problem. The pneumatic drill which is convenient to carry can dig into the stones which are in the limited conditions where is full of the flammability gas,then we can use another tool which is suited to the drill break the stone to make the succor go along successfully.Also it can improve the effective and the safety of the equipments.
Key Words：coal mine；safety；tool；
0文獻(xiàn)綜述
0.1礦難救援背景
近年來(lái)，隨著煤礦開(kāi)采的日益深入，礦難頻繁發(fā)生，世界上每年至少有幾千人死于礦難，尤其在我國(guó)。礦難的種類(lèi)一般有瓦斯爆炸、煤塵爆炸、瓦斯突出、透水事故、礦井失火、頂板塌方等。據(jù)記載，在2003年，中國(guó)生產(chǎn)了世界約35%的煤，但在煤礦事故死亡人數(shù)上卻占約80%。2010年1月5日13時(shí)40分許，湖南省湘潭縣立勝煤礦井下負(fù)240米處在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生電纜起火事故。事故發(fā)生后，指揮部一開(kāi)始按照礦工領(lǐng)取礦帽和交回礦帽的登記來(lái)確定井下被困人數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收回的礦帽，井下還有30人被困。但查看有關(guān)的下井記錄，卻又顯示為27人被困。經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)礦部記碼本的核對(duì)和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)人員的了解核查，事故搜救部門(mén)基本確定井下被困礦工人數(shù)為28人。而對(duì)礦井的情況不清楚，礦底形勢(shì)復(fù)雜，工作面縱橫交錯(cuò)，又沒(méi)有礦井地勢(shì)圖，使得救援愈發(fā)困難，最終28名被困礦工全部遇難。2009年9月8日，河南省平頂山市新華四礦發(fā)生瓦斯爆炸事故，然而，由于新華四礦基礎(chǔ)管理落后、井下條件較差，爆炸發(fā)生后井下嚴(yán)重冒落、局部有害氣體聚集，給搶險(xiǎn)救援工作帶來(lái)了重重困難，最終被困的44名礦工全部遇難。2009年4月16日，河南省寶豐縣王莊煤礦發(fā)生爆炸事故，33人被困井下。礦難發(fā)生后，煤礦主和管理人員逃匿，井下地質(zhì)資料不明；個(gè)體礦井下巷道支撐全部使用木頭，造成火勢(shì)很難控制；該礦井煤層傾斜59度至69度，屬極傾斜煤層，井下發(fā)生多處冒頂，給搶險(xiǎn)救援帶來(lái)困難，最終33名礦工全部遇難。2008年7月21日，廣西右江礦務(wù)局那讀礦發(fā)生透水事故，井下51名礦工被困失去聯(lián)絡(luò)。透水事故發(fā)生后，大量廢棄煤渣沉入巷道底部，使得巷道僅有1米余高，有些地方甚至更低矮，正常的運(yùn)輸通道無(wú)法運(yùn)行。并且由于4304工作面的通風(fēng)系統(tǒng)還不夠完善，一次只能啟動(dòng)2臺(tái)抽水泵進(jìn)行排水工作，如果3臺(tái)抽水泵同時(shí)啟動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，給救援工作帶來(lái)了許多困難，事故最終造成34人死亡。各次礦難事故說(shuō)明，解決這些問(wèn)題需要各級(jí)部門(mén)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，不斷加強(qiáng)礦山開(kāi)采的管理力度，有效減少礦難事故的發(fā)生，一旦礦難發(fā)生，運(yùn)用高效實(shí)用的救援工具便是最行之有效的救援方案。
0.2便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)適用場(chǎng)合
煤礦礦難發(fā)生以后，常見(jiàn)有巷道的頂部坍塌，掉落的碎石等落物將巷道堵塞，使救援工作很難進(jìn)行。又由于井底存在大量易燃易爆氣體，根據(jù)我國(guó)以往礦難救援工作來(lái)看，傳統(tǒng)的救援工具不能絕對(duì)符合防爆要求，容易引發(fā)瓦斯爆炸等二次災(zāi)害，因此不能在井下使用。便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)[2]的意義就是要改善上述情況，便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)可以方便快捷地對(duì)有較高防爆要求的煤礦巷道空間中的巖石進(jìn)行鉆孔，鉆孔目的主要是為了清理落石障礙，使礦難救援得以繼續(xù)進(jìn)行。所設(shè)計(jì)的鉆孔裝置要求防爆、便于攜帶、對(duì)常見(jiàn)巖石能有效鉆削應(yīng)力集中孔，工作效率高、操作簡(jiǎn)單、保養(yǎng)維修方便。本課題研究的裝置配合“便攜式手動(dòng)巖石開(kāi)縫裝置”可以讓救援人員徒手破碎并清理落石障礙，對(duì)提高煤礦礦難救援裝備的有效性、提高礦難救援成功率均有較重要的意義，也為進(jìn)一步完善煤礦災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制貢獻(xiàn)力量。
0.3便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)的設(shè)計(jì)要求
0.3.1符合國(guó)家煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)
由于礦難發(fā)生后，井底存在大量的易燃易爆氣體，所以鉆孔機(jī)的動(dòng)力裝置選擇氣壓馬達(dá)。氣壓馬達(dá)適用于惡劣的工作環(huán)境，在高溫，粉塵，潮濕，易燃，易爆等不利條件下都能正常工作。符合安全標(biāo)準(zhǔn)，有效的防止了由于電、火等的二次爆炸。鉆孔機(jī)裝置的整個(gè)結(jié)構(gòu)所采用的材料均為防火防爆耐潮濕的材料。
0.3.2體積小，重量輕，便于攜帶
一般礦難發(fā)生后，由于碎石等堵塞巷道，致使救援空間狹小，所以小而輕便
的救援工具則滿(mǎn)足礦難的救援環(huán)境，所以，便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)在滿(mǎn)足可以正常鉆孔的要求下，要做到體積小，重量輕，方便攜帶。
0.3.3氣壓馬達(dá)的選擇和設(shè)計(jì)
氣壓馬達(dá)一般分為葉片式氣動(dòng)馬達(dá)，活塞式氣動(dòng)馬達(dá)和薄膜式氣動(dòng)馬達(dá)，通過(guò)使用要求條件等選擇葉片式氣動(dòng)馬達(dá)，葉片式氣壓馬達(dá)制造簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于低轉(zhuǎn)矩，高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合，且輸出轉(zhuǎn)速可以進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，使用于手提的氣動(dòng)工具。
確定氣壓馬達(dá)后，要在各部分接口處進(jìn)行密封裝置的設(shè)計(jì)，防止氣體泄露，壓力下降。
0.3.4 鉆孔機(jī)裝置各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
其中包括扳手，馬達(dá)，主軸，減速器，換向閥等，以及鉆孔機(jī)的箱壁。
0.4礦難救援工具的發(fā)展趨勢(shì)
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，礦難的頻發(fā)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)等多方面因素，各種安全有效的礦難救援工具定會(huì)相繼而出，且經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)和發(fā)展，定會(huì)更加具有實(shí)際用途，而礦難專(zhuān)用救援機(jī)械工具的發(fā)展離不開(kāi)鉆具的發(fā)展，所以，未來(lái)的鉆孔機(jī)也定能向著便攜，智能，高效，節(jié)能等多功能方向發(fā)展，使人類(lèi)的煤礦作業(yè)能夠在相對(duì)安全有保障的條件下進(jìn)行，礦難救援工具的不斷完善也相對(duì)推動(dòng)了煤礦開(kāi)采事業(yè)的進(jìn)步，是科學(xué)不斷發(fā)展不斷進(jìn)步的一大標(biāo)志。
1引言
我國(guó)是世界產(chǎn)煤大國(guó)，開(kāi)采技術(shù)存在缺陷，安全管理制度不夠完善，機(jī)械化存在一定差距，救援不能妥善高效實(shí)行等原因，使得中國(guó)煤礦礦難死亡人數(shù)遠(yuǎn)超過(guò)其他國(guó)家，造成極大的損失，并且我國(guó)的煤礦絕大部分已經(jīng)老化，再加上我國(guó)的安全檢測(cè)技術(shù)還存在一定的問(wèn)題，這也是導(dǎo)致我國(guó)礦難事故頻繁發(fā)生的原因之一。與美國(guó)相比, 一個(gè)是美國(guó)的煤礦規(guī)模都比較大，很多煤礦都是露天開(kāi)采，相對(duì)于井下開(kāi)采而言，其安全系數(shù)肯定要大得多。第二是美國(guó)的煤礦相對(duì)都不是很深，不達(dá)到一定深度，就不會(huì)產(chǎn)生大量的瓦斯，瓦斯爆炸的幾率自然會(huì)低一些，而瓦斯爆炸是中國(guó)引起礦難的重要因素之一，因?yàn)橹袊?guó)煤礦一般都很深。這兩個(gè)屬于自然因素，沒(méi)辦法人為改變。目前我國(guó)用于礦難救援的工具以氣動(dòng)鑿巖機(jī)械，氣動(dòng)及液壓鑿巖機(jī)械，手持式氣動(dòng)鉆孔機(jī)，電動(dòng)鉆孔機(jī)等，目前也正在進(jìn)行礦難救援機(jī)器人的研究，但是據(jù)我國(guó)近年來(lái)的礦難救援來(lái)看，救援工具仍然不能達(dá)到令人滿(mǎn)意的程度，救援不能達(dá)到及時(shí)性，高效性，礦難救援問(wèn)題仍然棘手，許多救援工具不能滿(mǎn)足國(guó)家煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)，大部分救援工具因?yàn)轶w積大不適宜在狹小的范圍內(nèi)操作使用。現(xiàn)代化的儀器和設(shè)備，對(duì)于救援來(lái)說(shuō)起到?jīng)Q定性作用，尤其是在比較困難的情況下，是實(shí)施更有效救援的唯一“武器”，例如智利礦難救援取得成功的關(guān)鍵是?在救援中所運(yùn)用到的各種新科技，大到30噸大型鉆井機(jī)、“膠囊”救生艙，小到安慰礦工心靈的投影儀和銅金屬絲抗病短襪等高技術(shù)的運(yùn)用，都對(duì)救援的最終成功起到了重要作用。有美國(guó)媒體評(píng)論說(shuō)，智利成功救援的公式，是75%的科學(xué)加25%的奇跡。目前我國(guó)國(guó)家安監(jiān)總局應(yīng)急救援指揮中心設(shè)有技術(shù)裝備部，但其主要職責(zé)是管理，包括規(guī)劃應(yīng)急救援體系，組織指導(dǎo)安全生產(chǎn)應(yīng)急救援體系建設(shè)和培訓(xùn)演練基地建設(shè)工作。指導(dǎo)、協(xié)調(diào)全國(guó)安全生產(chǎn)應(yīng)急救援技術(shù)裝備保障工作；負(fù)責(zé)應(yīng)急救援基礎(chǔ)研究、科技創(chuàng)新及科技成果推廣工作；研究起草相關(guān)的規(guī)章、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)；承擔(dān)全國(guó)安全生產(chǎn)應(yīng)急救援。
礦難救援問(wèn)題越來(lái)越緊迫，國(guó)家投了大量精力進(jìn)行技術(shù)改造，針對(duì)于礦難的高效救援問(wèn)題，最直接的方式就是不斷完善救援工具，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷優(yōu)勝劣汰。
2 礦難救援的設(shè)計(jì)思想和意義
2.1 便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)的設(shè)計(jì)思想
本課題設(shè)計(jì)的便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)要絕對(duì)適用于礦難現(xiàn)場(chǎng)多粉塵，多易燃易爆氣體空間狹小等惡劣環(huán)境，要符合國(guó)家煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)，體積小，重量輕，適合手持，在手動(dòng)巖石開(kāi)縫裝置之間使用，預(yù)先將堵塞巷道的大石塊打孔，然后運(yùn)用巖石開(kāi)縫裝置進(jìn)行碎石，方便快捷，提高效率，相比于直接將石塊破碎的工具，節(jié)約能源和時(shí)間，確保救援人員與被救人員的人身安全。
2.2目前鉆孔工具的應(yīng)用
目前我國(guó)已有多種類(lèi)型礦用機(jī)械工具，最典型最常用的為電動(dòng)鉆孔機(jī)。
電動(dòng)鉆孔機(jī)是利用電做動(dòng)力的鉆孔機(jī)具。是電動(dòng)工具中的常規(guī)產(chǎn)品，也是需求量最大的電動(dòng)工具類(lèi)產(chǎn)品。每年的產(chǎn)銷(xiāo)數(shù)量占中中國(guó)電動(dòng)工具的35%。對(duì)有色金屬、塑料等材料最大鉆孔直徑可比原規(guī)格大30～50％。電鉆工作原理是電磁旋轉(zhuǎn)式或電磁往復(fù)式小容量電動(dòng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)子做磁場(chǎng)切割做功運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)作業(yè)裝置，帶動(dòng)齒輪加大鉆頭的動(dòng)力，從而使鉆頭刮削物體表面，更好的洞穿物體。電動(dòng)鉆孔機(jī)廣泛適用于建筑梁、板、柱、墻等的加固，裝修、墻安裝、支架、欄桿、廣告牌、空調(diào)室外機(jī)、導(dǎo)軌、衛(wèi)星接收器電梯、鋼結(jié)構(gòu)廠(chǎng)房等安裝。但是作為礦難救援工具十分危險(xiǎn)，因?yàn)榈V難發(fā)生后，礦內(nèi)大量易燃易爆氣體流出，一旦通電，就會(huì)引起火災(zāi)甚至爆炸。
礦用機(jī)械[4]還包括多種鑿巖機(jī)械，如鑿巖機(jī)，鑿巖機(jī)是按沖擊破碎原理進(jìn)行工作的。工作時(shí)活塞做高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不斷地沖擊釬尾。在沖擊力的作用下，呈尖楔狀的釬頭將巖石壓碎并鑿入一定的深度，行成一道凹痕?；钊嘶睾?，釬子轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，活塞向前運(yùn)動(dòng)，再次沖擊釬尾時(shí)，又形成一道新的凹痕。兩道凹痕之間的扇形巖塊被由釬頭上產(chǎn)生的水平分力剪碎?；钊粩嗟貨_擊釬尾，并從釬子的中心孔連續(xù)地輸入壓縮空氣或壓力水，將巖渣排出孔外，即形成一定深度的圓形鉆孔。
鑿巖機(jī)按其動(dòng)力來(lái)源可分為風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)、內(nèi)燃鑿巖機(jī)、電動(dòng)鑿巖機(jī)和液壓鑿巖機(jī)等四類(lèi)。但是因?yàn)楦鱾€(gè)類(lèi)型的鑿巖機(jī)都受限于礦難發(fā)生后惡劣的環(huán)境（易燃易爆氣體，巷道狹窄，能源少，地理環(huán)境差等）
另外礦用機(jī)械設(shè)備還有鉆車(chē)，挖掘機(jī)，推土車(chē)等等，但是由于體積過(guò)大，運(yùn)行不方便，受環(huán)境條件影響很大，不具有通用性，所以也不是參與礦難救援的最佳工具。
2.3氣動(dòng)鉆孔機(jī)的設(shè)計(jì)思路
市面上有一種運(yùn)用于煤礦井下隧道工程等共工作面比較狹小的空間內(nèi)使用的手持式鉆孔機(jī)。但是由于鉆孔機(jī)自重比較重，施工人員需要在另外搭建一個(gè)支撐平臺(tái)用來(lái)支撐鉆孔機(jī)工作，鉆孔時(shí)，將手持式鉆孔機(jī)架在支撐臺(tái)上，沿著鉆進(jìn)的方向推進(jìn)鉆孔，用來(lái)減輕施工人員的工作負(fù)擔(dān)，但是這樣的鉆孔方式在需要對(duì)鉆孔進(jìn)度或角度進(jìn)行調(diào)整時(shí)，還需對(duì)鉆孔機(jī)的支撐臺(tái)的位置及方向進(jìn)行重新的定位，由于需要在巖石上鉆所需數(shù)量的孔，每鉆一個(gè)孔都需要進(jìn)行支撐平臺(tái)的一次調(diào)整，工作十分繁瑣，大大降低了工作效率，浪費(fèi)了救援時(shí)間，雖然也可以進(jìn)行狹窄空間內(nèi)的救援工作，但是從救援的根本目的上看，此種鉆孔機(jī)也不是最合適的。
綜合各種礦用機(jī)械設(shè)備均不適用于礦難救援，考慮我國(guó)煤礦地帶大多環(huán)境惡劣，多集中在山區(qū)，礦難發(fā)生時(shí)坍塌的碎石堵住巷道，且大量存在易燃易爆氣體，使救援問(wèn)題十分困難，若想高效的進(jìn)行救援，首先要打通巷道，當(dāng)有大塊的巖石堵住時(shí)，巷道狹窄不宜用機(jī)動(dòng)車(chē)等大體積的工具，而人工搬運(yùn)又耗時(shí)耗力，傳統(tǒng)的鑿巖機(jī)械雖然效率比較高，但若使用不當(dāng)，鑿巖力過(guò)大，容易造成二次坍塌，使救援人員也陷入危險(xiǎn)中，由此來(lái)看，解決大塊巖石破碎的問(wèn)題是首要，是實(shí)施救援工作的第一步，這就需要一種安全穩(wěn)定且高效的小型機(jī)械，能夠人工近距離操作，方便隨時(shí)觀察碎石過(guò)程，一旦要出現(xiàn)危險(xiǎn)，能夠馬上停止作業(yè)，而巖石的力學(xué)性能顯示，巖石具有可鉆性，于是有了采用鉆孔機(jī)的思路，鉆孔機(jī)在煤礦井下所用的機(jī)械工具中占有十分重要的地位，救援人員可以近距離的操作鉆孔機(jī)，方便作業(yè)，目前應(yīng)用于礦下的鉆孔設(shè)備大致分為電動(dòng)鉆孔機(jī)，液壓鉆孔機(jī)和氣動(dòng)鉆孔機(jī)，考慮礦難發(fā)生后井下存在許多易燃易爆氣體，傳統(tǒng)的電動(dòng)鉆孔機(jī)和燃油類(lèi)工具因?yàn)橐?，油液易燃易爆，所以容易引發(fā)火災(zāi)和爆炸，礦井發(fā)生的火災(zāi)(包括危及井下的地面火災(zāi))，常招致人員傷亡，設(shè)備損失，礦井停產(chǎn)，資源破壞，甚至引起瓦斯、 煤塵或硫化礦塵爆炸。1894年俄斯特拉發(fā)-卡爾維納地區(qū)拉瑞什煤礦(位于今捷克斯洛伐克境內(nèi))因火災(zāi)引起瓦斯爆炸，當(dāng)場(chǎng)死亡235人，處理事故時(shí)又發(fā)生第二次瓦斯爆炸，礦山救護(hù)隊(duì)員大部分犧牲。礦井火災(zāi)按引起的熱源不同分內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)兩類(lèi)。 內(nèi)因火災(zāi)分煤自燃 、硫化礦石自燃兩種。 外因火災(zāi) 指一切產(chǎn)生高溫或明火的器材設(shè)備，如果使用管理不當(dāng)，可點(diǎn)燃易燃物，造成火災(zāi)。在中、小型煤礦中，各種明火和爆破工作常是外因火災(zāi)的起因，而氣動(dòng)裝置本身可以采用安全的壓縮氣體提供動(dòng)力，不會(huì)造成危險(xiǎn)，從而本課題設(shè)計(jì)的是氣動(dòng)鉆孔機(jī)。鉆孔機(jī)在煤礦機(jī)械生產(chǎn)中起著十分重要的作用，在井下生產(chǎn)時(shí)，井下軌道鉆孔技術(shù)已經(jīng)體現(xiàn)了很好的優(yōu)越性，而在礦難救援中，鉆孔機(jī)的應(yīng)用也逐漸多了起來(lái)，因此針對(duì)惡劣環(huán)境中的巖石鉆孔，生產(chǎn)出功能更加完善的氣動(dòng)裝置則顯得十分重要。
此課題設(shè)計(jì)的鉆孔機(jī)與廣泛使用的鉆孔機(jī)相比，特點(diǎn)在于它體積小，方便攜帶，適用于巖石類(lèi)鉆孔，要與巖石開(kāi)縫裝置配合使用。
本裝置選用的氣動(dòng)裝置是可以正反轉(zhuǎn)的葉片式氣動(dòng)馬達(dá)，通過(guò)控制壓縮氣體的大小來(lái)調(diào)節(jié)馬達(dá)的輸出功率和轉(zhuǎn)速，有過(guò)載保護(hù)作用，不會(huì)因?yàn)樨?fù)載大而發(fā)生故障，馬達(dá)遇到負(fù)載過(guò)大的情況時(shí)會(huì)自動(dòng)減低速度或者停止，接觸過(guò)載后，又可以重新恢復(fù)正常工作，不會(huì)產(chǎn)生零件損壞現(xiàn)象。另外，操縱方便，維修較容易。由于要實(shí)現(xiàn)葉片式馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)，所以在馬達(dá)的進(jìn)氣口處設(shè)置換向閥。方便改變馬達(dá)轉(zhuǎn)向，由于馬達(dá)轉(zhuǎn)速過(guò)大，所以需要設(shè)計(jì)減速裝置，本鉆孔機(jī)采用的是行星齒輪減速器，結(jié)構(gòu)緊湊，減速比大，鉆頭則選用標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆，易于拆卸和更換。
2.4氣動(dòng)鉆孔機(jī)破碎巖石原理
煤礦周?chē)牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，除了大量泥土外還有較多種類(lèi)的巖石，但大部分是由于氣溫，大氣，水分，原巖的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等綜合因素影響作用下而風(fēng)化的巖石，當(dāng)巖石風(fēng)化后，力學(xué)性能便明顯降低，增加了鉆削的可能性。
礦難發(fā)生后，掉落的巖石堵住巷道，便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)便可以應(yīng)用于厚度一般的巖石鉆孔，高壓氣瓶中的高壓氣體經(jīng)減壓后足以帶動(dòng)鉆孔機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞轉(zhuǎn)矩，從而使鉆頭進(jìn)行鉆削，根據(jù)巖石的形狀體積選擇適當(dāng)位置，選擇重心大概所在的位置，在過(guò)重心的任意直線(xiàn)上快速的鉆一排孔，鉆孔深度可以根據(jù)鉆孔機(jī)參數(shù)和巖石的厚度適當(dāng)調(diào)節(jié)，鉆孔完畢后，配合使用巖石開(kāi)縫裝置，由于鉆孔機(jī)所鉆的一排孔已經(jīng)造成巖石的應(yīng)力集中，將巖石開(kāi)縫裝置插入一排孔里進(jìn)行分裂，大塊巖石便被兩邊裂開(kāi)。如果需要，則可以在分裂開(kāi)的巖石上繼續(xù)鉆孔，對(duì)于厚度太大的巖石，則不適用鉆孔機(jī)，因鉆孔深度有限，即使鉆孔成功，但相對(duì)于巖石厚度來(lái)說(shuō)孔深太淺也不足以配合掩飾開(kāi)縫裝置將巖石裂開(kāi)，所以此鉆孔機(jī)適用于厚度一般的巖石。
2.5設(shè)計(jì)便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)的意義
在潮濕，高溫，粉塵，易燃易爆等惡劣條件下均可以安全工作，操作簡(jiǎn)單，攜帶方便，耗資少，節(jié)省能源，可增加救援人員數(shù)量，每人攜帶一個(gè)，同時(shí)進(jìn)行救援，節(jié)省了救援時(shí)間。便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)不僅提高了效率，并且安全系數(shù)大幅增加，不僅保證了被救人員免受二次災(zāi)難的威脅，而且保證了救援人員的安全，氣動(dòng)鉆孔機(jī)采用的氣動(dòng)技術(shù)，有效的防火防爆，鉆孔時(shí)不會(huì)出現(xiàn)火花，對(duì)于高瓦斯的礦井來(lái)說(shuō)，使用更加安全可靠，完全適用于井下作業(yè)。本課題所設(shè)計(jì)的鉆孔機(jī)體積小，重量輕，直接是手持式，鉆孔方向與角度方便人為控制，可以有效的進(jìn)行巷道打通工作，方便快捷，須配合巖石開(kāi)縫裝置使用，適應(yīng)我國(guó)煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)，保障了煤礦事故搶險(xiǎn)救援的順利進(jìn)行。
我國(guó)安全生產(chǎn)形勢(shì)近年來(lái)總體穩(wěn)定、趨于好轉(zhuǎn)，但不可否認(rèn)的是基礎(chǔ)性和應(yīng)用型的應(yīng)急技術(shù)研究薄弱，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定起步晚，應(yīng)急救援隊(duì)伍建設(shè)相對(duì)滯后，尤其是在專(zhuān)家隊(duì)伍建設(shè)這一領(lǐng)域。為此安全監(jiān)管總局于2005年建立安全生產(chǎn)應(yīng)急救援專(zhuān)家信息庫(kù)，要求各有關(guān)單位協(xié)助組織推薦本行業(yè)、本領(lǐng)域的應(yīng)急救援專(zhuān)家。該專(zhuān)家組由安全監(jiān)管總局應(yīng)急救援指揮中心技術(shù)裝備部負(fù)責(zé)管理，為應(yīng)急救援提供技術(shù)支持。?相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，會(huì)有越來(lái)越多的煤礦專(zhuān)用救援搶險(xiǎn)工具出現(xiàn)，鉆具的生產(chǎn)及新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)前景也會(huì)一片大好。
3便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1氣動(dòng)馬達(dá)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
由于礦難發(fā)生后，存在大量易燃易爆氣體，粉塵等，所以需要選擇一中安全的執(zhí)行元件，又要求尺寸小，重量輕，所以選擇氣動(dòng)馬達(dá)，氣動(dòng)馬達(dá)[1]是氣動(dòng)執(zhí)行元件，它將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為回轉(zhuǎn)形式或者是擺動(dòng)形式的機(jī)械能，氣壓馬達(dá)按照結(jié)構(gòu)形式可以分為葉片式，活塞式，齒輪式及擺動(dòng)式。根據(jù)這幾種馬達(dá)性能參數(shù)以及適用范圍的比較，最后選擇葉片式氣馬達(dá)，葉片式馬達(dá)無(wú)配氣機(jī)構(gòu)和曲柄連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，旋轉(zhuǎn)部分能均勻運(yùn)轉(zhuǎn)，因而工作比較穩(wěn)定，比起電動(dòng)馬達(dá)和液壓馬達(dá)，除了具有防爆性能以外，馬達(dá)本身的軟特性使之能長(zhǎng)期的滿(mǎn)負(fù)荷工作，并且溫升較低，能夠過(guò)載保護(hù)，不會(huì)損傷機(jī)器，且有較高的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，能帶載啟動(dòng)，與電動(dòng)機(jī)相比，單位功率尺寸小，缺點(diǎn)就是輸出功率較小，耗氣量大，容易產(chǎn)生振動(dòng)。因?yàn)楸菊n題的鉆孔機(jī)要求便攜式，所以馬達(dá)既要滿(mǎn)足工作要求，又要體積小，重量輕，綜合所有因素，最后選擇黃石風(fēng)動(dòng)機(jī)械廠(chǎng)的TMY1.5（1.471kw）的葉片式氣馬達(dá)。馬達(dá)參數(shù)見(jiàn)表1：
表1 葉片式馬達(dá)參數(shù)表
Tab.2 The blade is motor parameter table
型號(hào)
額定功率
額定轉(zhuǎn)速
額定扭矩
耗氣量
工作壓力
TMY1.5
1.47KW
4000r/min
4.64Nm
2.04/min
0.5~0.7MPa
假設(shè)我們所需鉆的巖石為硬度較軟的巖石，則通過(guò)查閱期刊文獻(xiàn)可得較軟巖石的鉆進(jìn)速度可以達(dá)到1000mm/min[16]。由于v=1000mm/min，馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速為n=4000r/min ，所以f=v/n=0.25mm/r。
根據(jù)機(jī)械加工工藝手冊(cè)單行本鉆削、擴(kuò)削、絞削加工得到鉆孔時(shí)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式：M=Cdfk （3-1）
其中——與刀具材料有關(guān)的材料系數(shù)；
——鉆頭的直徑；
、——鉆削轉(zhuǎn)矩的計(jì)算指數(shù)；
——與加工材料有關(guān)的系數(shù)
查閱機(jī)械加工工藝手冊(cè)單行本鉆削鉆孔時(shí)轉(zhuǎn)矩的各參數(shù)為：
=0.098 ， =10mm ， =2 ， =0.8 ，=1
所以M=0.09810^20.25^0.81=3.23NM小于氣壓馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)矩，所以合適。根據(jù)鉆頭鉆巖石所需轉(zhuǎn)矩和功率，設(shè)經(jīng)減速以后鉆頭工作時(shí)候的轉(zhuǎn)速為450r/min，切削速度為v=45020.005=47.1m/min
根據(jù)機(jī)械加工工藝手冊(cè)單行本鉆削、擴(kuò)削、絞削加工得到鉆孔時(shí)功率的計(jì)算公式：
P=Mv/30d （3-2）
其中 ：M——鉆孔時(shí)所需轉(zhuǎn)矩；
V——鉆孔時(shí)的切削速度；
——鉆頭的直徑
P=Mv/30d=3.2347.1/300=0.51Kw小于氣壓馬達(dá)的額定功率，所以合適。
氣動(dòng)馬達(dá)有兩個(gè)進(jìn)氣口，直徑為16.76mm，壁厚為2mm。
有一個(gè)出氣孔，直徑為13.18mm。
氣動(dòng)馬達(dá)上所用的螺栓為大徑是7mm的螺栓。
氣馬達(dá)結(jié)構(gòu)如圖1所示
圖1 氣動(dòng)馬達(dá)
Fig.1 the pneumatic moter
3.2行星齒輪減速器的設(shè)計(jì)與計(jì)算
行星齒輪減速器是由齒輪軸，與齒輪軸外嚙合的齒輪，內(nèi)壁的內(nèi)齒輪，及銷(xiāo)共同構(gòu)成。
行星齒輪減速如圖2所示
圖2 行星齒輪減速器
Fig.2 Planetary gear reducer
因?yàn)閚=4000 r/min， 減速以后工作時(shí)的轉(zhuǎn)速為450 r/min，所以減速器的減速比為i=9 。
設(shè)齒輪軸的的轉(zhuǎn)速為，設(shè)銷(xiāo)的轉(zhuǎn)速為，設(shè)齒輪軸的齒數(shù)為，與齒輪軸外嚙合的齒輪齒數(shù)為,內(nèi)壁的內(nèi)齒輪齒數(shù)為。則減速比為：i=(n-n)/(n-n)=-Z/Z=-(n-n)/n （3-3）
/=9
=9 Z/Z=8
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇[6]齒輪軸的材料為性能較好的合金鋼20Cr2Ni4,硬度為350HBS,與齒輪軸嚙合的齒輪材料為20CrMnTi，硬度為300HBS,內(nèi)壁的內(nèi)齒輪為40Cr，硬度為280HBS.齒輪精度為7級(jí)。
假設(shè)取模數(shù)m=0.8，則初算齒輪系的參數(shù)：
齒輪1的齒頂圓直徑：d=(Z+2)m=17 mm （3-4）
(Z+21)0.8=17 mm
=19
則齒輪軸1的齒數(shù)為19
內(nèi)齒輪3的齒數(shù)=152
（1）齒輪軸1的參數(shù)：
齒輪1的分度圓直徑：=0.819=15.2 mm （3-5）
齒根圓直徑：d=(Z-2h)m=（19-21.25）0.8=13.2 mm （3-6）
齒頂圓直徑：d=17 mm
（2）齒輪3的參數(shù)：
分度圓直徑：=m=1520.8=121.6 mm （3-7）
齒根高：=(h+h )m=(1+0.25) 0.8=1 mm （3-8）
齒根圓直徑：=d+2h=121.6+2=123.6 mm （3-9）
齒頂高：=m=10.8=0.8mm （3-10）
齒頂圓直徑：=d+2h=121.6-210.8=120mm （3-11）
（3）齒輪2的參數(shù)：
齒頂圓直徑：=-=123.6/2-15.2/2=54.7mm （3-12）
=(+21)0.8=54.7mm
齒數(shù)：=66
分度圓直徑：=m=0.866=52.8mm （3-13）
齒根圓直徑：=(Z-2h-2c)m=(66-21.25)0.8=50.8 mm （3-14）
齒輪寬度：b= （3-15）
其中=1,=52.8mm,b==52.8mm
圓整后取50mm
則齒輪軸1上齒輪的寬度為55mm，齒輪2的寬度為50mm
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)齒輪的強(qiáng)度校核計(jì)算得：
1齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
d2.32 （3-16）
（1）確定公式里內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
1）試選載荷系數(shù)K=1.3
2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩：
T=(95.510^5)/n =(95.510^5)/4000=3.510 Nmm （3-17）
3）選取齒寬系數(shù)K=1.3
4）查得材料的彈性影響系數(shù)Z=175.64MPa
5）按齒面硬度查得小齒輪的解除疲勞強(qiáng)度極限=1000MPa，大齒輪的解除疲勞強(qiáng)度極限為=800MPa。
6）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，假設(shè)工作壽命為3年，每年工作150天，每天工作5小時(shí)。則N=60njL=604000151503=5.410 （3-18）
N=5.410/3.47=1.5610 （3-19）
7)取接觸疲勞壽命系數(shù)K=1.1，K=1.14
8)計(jì)算接觸疲勞需用應(yīng)力
取是小概率為1%，安全系數(shù)為S=1，則
= K/S=1.11000=1100 （3-20）
= K/S=1.14800=912 （3-21）
(2)計(jì)算
1）試算小齒輪分度圓直徑d，代入中較小的值，代入公式3-16得：
d2.32 =2.32 mm
2）計(jì)算齒輪圓周速度v
V=(dn/601000)=(3.1413.854000)/(601000)=2.92 m/s （3-22）
3）計(jì)算齒輪寬度b：b=d=113.95=13.95 mm （3-23）
4）計(jì)算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù)m=d/Z=13.95/19=0.734 mm （3-24）
齒高h(yuǎn)=2.25 m=2.250.734=1.65 mm （3-25）
b/h=13.95/1.65=8.45 mm （3-26）
5）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)v=2.92mm/s,7級(jí)精度，查得動(dòng)載系數(shù)K=1.18
由于是直齒輪，查得K=K=1;查得使用系數(shù)K=1,;用插值法查得7級(jí)精度小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)，K=1.423,由b/h=8.45, K=1.423得K=1.35；故載荷系數(shù)K= K K K K=11.181.423=1.679 （3-27）
6)按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，得d=d=13.95=15.2mm （3-28）
7)計(jì)算模數(shù)m ：m=d/Z=15.2/19=0.8 （3-29）
2，按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
m （3-30）
（1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=800MPa，大齒輪的彎曲強(qiáng)度疲勞極限=600MPa。
1） 取彎曲疲勞壽命系數(shù)K=0.85 K=0.88
2） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4
= K/S=0.85500/1.4=542.857MPa （3-31）
= K/S=0.92600/1.4=394.286MPa （3-32）
4)計(jì)算載荷系數(shù)K
K= K K K K=11.1811.35=1.593 （3-33）
5)查取齒形系數(shù)
Y=2.85 Y2.25
6）查得應(yīng)力校正系數(shù)
=1.54 =1.74
7）計(jì)算大小齒輪的YY/并加以比較
YY/=2.851.54/542.857=0.008085 （3-34）
YY/=2.251.74/394.286=0.009929 （3-35）
大齒輪的數(shù)值大
（2）設(shè)計(jì)計(jì)算，代入公式3-30中得：
m
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)0.674并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=0.8 mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d=15.2mm,算出小齒輪齒數(shù)Z=d/m=15.2/0.8=19 Z=3.4719=66
則校核所得的齒輪齒數(shù)和模數(shù)均與初算時(shí)的數(shù)值相符，即初算的齒輪參數(shù)為合理的。
3.3換向閥的設(shè)計(jì)與計(jì)算
（1）換向閥總體結(jié)構(gòu)
此換向閥有兩個(gè)出氣孔，一個(gè)進(jìn)氣孔。活塞總體為圓柱體，左端為短的凹槽，有端為較長(zhǎng)的凹槽，換向閥左端有兩個(gè)出氣孔，右端有一個(gè)進(jìn)氣孔，左端凹槽與右端凹槽之間有兩個(gè)通孔，構(gòu)成進(jìn)氣口與出氣口的兩條通路，一條為水平的，一跳為傾斜的，進(jìn)出氣孔處均有氣動(dòng)用密封圈，密封圈在閥體內(nèi)的密封槽內(nèi)。換向閥的閥體長(zhǎng)度要?jiǎng)偤脻M(mǎn)足換向條件，即在兩個(gè)位置時(shí)各能夠?qū)崿F(xiàn)其中一個(gè)方向上的通氣，換向閥結(jié)構(gòu)如圖3所示：
圖3 換向閥閥體
Fig.3 The body of the reversing valve
（2）換向閥的鎖緊結(jié)構(gòu)如圖4所示：
圖4 換向閥夾緊裝置
Fig.4 The clamping device of reversing valve
圖示方向（正視換向閥），在換向閥的一側(cè)內(nèi)壁的接觸線(xiàn)上向后轉(zhuǎn)（逆時(shí)針）15度角，以15度角處為刀具中心線(xiàn)，豎直方向挖寬為5.5mm的槽，深度為15.2mm，再在槽的底端向前（順時(shí)針）挖寬仍為5.5mm，長(zhǎng)度為順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)閥壁30度（兩刀具中心線(xiàn)的角度）的橫向凹槽（即以豎槽的底端面順時(shí)針挖一短橫槽），再繼續(xù)豎直向下挖寬度不變，長(zhǎng)度為26.4mm（槽的頂端面到底端面）的豎直槽，然后繼續(xù)逆時(shí)針挖寬不變，長(zhǎng)度為繞閥壁逆時(shí)針轉(zhuǎn)30度角，在兩個(gè)橫向的凹槽上端面的中間部位，挖一向上凹的小弧形凹槽，閥體的推桿的頭部標(biāo)有位置線(xiàn)（與水平線(xiàn)呈15度角，逆時(shí)針?lè)较颍?，?dāng)整個(gè)閥體放入換向閥時(shí)，位置線(xiàn)是呈15度角的，當(dāng)需要將閥體鎖緊時(shí)，將閥體順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)15度，位置線(xiàn)水平。換向閥的左右兩側(cè)均有鎖緊結(jié)構(gòu)，對(duì)稱(chēng)設(shè)置，尺寸相同。
（3）換向閥出氣孔與氣馬達(dá)進(jìn)氣孔連接處的結(jié)構(gòu)
換向閥的出氣孔與氣動(dòng)馬達(dá)進(jìn)氣孔的管壁上均有外螺紋，兩管是用螺母連接的，為保證密封，在兩管道的端面和螺母上均涂有密封膠。螺母結(jié)構(gòu)如圖5所示：
圖5 接口的螺母
Fig.5 the Sealing ring of Reversing valves
3.4扳手的設(shè)計(jì)與計(jì)算
根據(jù)機(jī)構(gòu)的所受力矩平衡原理，按動(dòng)扳手所需要力：
[（PS+N）-PS]b-Fc=0 （3-36）
其中： P——壓縮氣體的壓強(qiáng)；
S——閥門(mén)下端面與壓縮氣體接觸面積；
N——彈簧頂住閥門(mén)的彈力；
P——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；
S——閥片上端面與大氣接觸面積；
b——閥門(mén)所受合力的作用線(xiàn)與支點(diǎn)的距離；
F——按動(dòng)扳手所需要的力；
c——按動(dòng)扳手所需力的作用線(xiàn)與支點(diǎn)的距離
根據(jù)上述已經(jīng)計(jì)算和已知數(shù)據(jù)得：P=0.5MPa，=1.0110 MPa， b=21mm， c=90.6mm
根據(jù)鉆孔機(jī)在不工作時(shí)彈簧頂住閥片所需彈簧力，取彈簧壓縮力為N=5N，將各參數(shù)代入公式3-36得：
(5+3.140.51017.03^210-1.01103.1415.3^210)17.0310-F88.7910=0
F=74N
扳手所在把手上的槽的深度為20mm，槽寬為49.5mm，桿1的長(zhǎng)度為108.4mm，直徑為4mm，桿2長(zhǎng)度為111.75mm，直徑為4mm，桿1末端處穿插在桿2上部的橢圓形孔內(nèi)。扳手結(jié)構(gòu)如圖6所示：
圖6 扳手
Fig.6 wrench
3.5閥門(mén)彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算
由于彈簧是用來(lái)支撐閥門(mén)并用于閥門(mén)復(fù)位，所以我們需要設(shè)計(jì)的彈簧為圓柱螺旋壓縮彈簧。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)[6]彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算，選擇彈簧的材料為碳素鋼簧鋼絲B級(jí)，第三類(lèi)彈簧，則切變模量G取80000MPa。取彈簧的旋繞比C=8,估取彈簧絲的直接1mm，試算彈簧絲直徑。
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圓柱螺旋 壓縮（拉伸）彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算中的幾何參數(shù)計(jì)算
彈簧的曲度系數(shù)為：
K=（4C-1)/(4C+1)+0.615/C=(32-1)/(32-4)=1.18 （3-37）
=5N,=(0.1~0.5)=0.2=5N （3-38）
=25N
其中：——壓縮彈簧的最小工作載荷；
——壓縮彈簧的最大工作載荷
=1800MPa，=0.5=0.51800=900MPa （3-39）
其中：——彈簧鋼絲的拉伸強(qiáng)度極限；
——彈簧的許用切應(yīng)力
1.6=1.6=0.82mm （3-40）
則彈簧的鋼絲直徑為取標(biāo)準(zhǔn)值1mm
取彈簧最大壓縮變形量為=20mm
則彈簧的工作圈數(shù)為：n=Gd/[(8FC^3)] =(800001)/（82588）20=15.6 （3-41）
取標(biāo)準(zhǔn)值16
彈簧的中徑：D=Cd=81=8 mm標(biāo)準(zhǔn)值8mm （3-42）
彈簧的內(nèi)徑： =D-d=8-1=7mm （3-43）
彈簧的外徑： =D+d=8+1=9mm （3-44）
壓縮彈簧的長(zhǎng)細(xì)比：b=H/D=21/4=5.25 按標(biāo)準(zhǔn)值取5.3 （3-45）
彈簧的節(jié)距： p=（0.28~0.5）D=0.581=4mm （3-46）
彈簧的自由高度： =pn+（1.5~2）d=416+20.5=65mm （3-47）
按照標(biāo)準(zhǔn)值取為65mm
軸向間距：=p-d=4-1=3mm （3-48）
彈簧的螺旋角： =arctan=arctan=9.05 （3-49）
3.6軸承的選擇和校核
（1）由于球軸承與滾子軸承相比較，有較高的極限轉(zhuǎn)速，所以在轉(zhuǎn)速較高時(shí)應(yīng)選用球軸承，由于深溝球軸承可以承受徑向載荷，較高轉(zhuǎn)速時(shí)可承受軸向載荷，所以均選用深溝球軸承[14]。6013深溝球軸承如圖7所示：
圖7 6013軸承
Fig.7 The 6013 bearing
支承軸頭部位的的軸承選擇6013深溝球軸承，軸承內(nèi)圈與軸為過(guò)盈配合?；绢~定動(dòng)載荷為C=57.2kN。
支撐齒輪軸的軸承結(jié)構(gòu)如圖8所示：
圖8 6203軸承
Fig.8 The 6203 bearing
支撐齒輪軸部分的軸承選擇6203深溝球軸承 且內(nèi)圈為過(guò)盈配合，外圈為間隙配合?；绢~定動(dòng)載荷為C=9.58kN。6013軸承如圖9所示：
（1）軸承的校核
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)軸承的設(shè)計(jì)與計(jì)算[6]得：
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)[6]轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式得：T=（95.510^5P）/n (3-50)
馬達(dá)提供的轉(zhuǎn)矩為：T=（95.510^5P）/n = (95.510^51.47)
/4000=3.510 Nmm
齒輪的切向力：F=2T/d=23.510/15.2=460.53 N (3-51)
齒輪的徑向力：F=Ftan=460.53tan20=167.62 N (3-52)
馬達(dá)自重：G=mg=69.8=58.8 N (3-53)
總徑向載荷F=167.62+58.8=226.42 N (3-54)
根據(jù)機(jī)械加工工藝手冊(cè)單行本鉆削的軸向力計(jì)算公式：
F=Cdfk （3-55）
其中： C——刀具材料的材料系數(shù)；
d——鉆頭的直徑；
Z、Y——鉆削力的計(jì)算指數(shù)；
k——被加工材料的材料系數(shù)
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)加工工藝手冊(cè)查得：C=20，d=10 mm，Z=1,f=1.09 mm/r ,Y=0.8, k=0.8
所以軸向力F=20101.09^0.80.8=171.4N
軸承6203的基本額定靜載荷C=4.78 kN
F/ C=0.036,則e=0.25，Y=1.61
F/ F=171.4/226.42=0.76e=0.25
所以當(dāng)量動(dòng)載荷P=0.56 F+Y F=0.56226.42+1.61171.4=402.75 N
小于基本額定動(dòng)載荷C=9.58kN，所以滿(mǎn)足要求。
軸頭所用的軸承基本額定動(dòng)載荷更大，所以也滿(mǎn)足要求。
3.7各軸段的設(shè)計(jì)
各軸段（除齒輪軸外）均采用材料45鋼，齒輪軸長(zhǎng)度為96.9mm，直徑為d=17mm，軸頭為臺(tái)階軸，長(zhǎng)度為98.7mm，直徑分別為，d=119mm，d=65mm，d=32.8mm。馬達(dá)右端伸出軸的軸徑為17mm，長(zhǎng)度為26.1mm。
3.8鉆孔機(jī)外壁的設(shè)計(jì)
鉆孔機(jī)筒壁分為兩部分，兩部分壁厚不同，帶有內(nèi)齒輪部分的壁厚=10mm，后半部分的壁厚為=7.1mm，兩部分通過(guò)螺紋連接?？拷鼡Q向閥左側(cè)部分的壁厚為=11.5mm，由于要對(duì)換向閥進(jìn)行定位，所以壁厚加厚，軸向定位更加可靠?？拷鼡Q向閥右端的壁厚為=24.2mm，也對(duì)換向閥有定位作用。
4便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)的設(shè)計(jì)說(shuō)明
4.1鉆孔機(jī)總體構(gòu)造
本課題所涉及的鉆孔機(jī)為便攜式氣動(dòng)鉆孔機(jī)，主要包括氣動(dòng)馬達(dá)，行星齒輪減速器，氣動(dòng)換向閥，扳手部分，在鉆孔機(jī)的內(nèi)部