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黑龍江科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
姓名：
任務(wù)下達(dá)日期： 年 月 日
設(shè)計(jì)（論文）開始日期： 年 月 日
設(shè)計(jì)（論文）完成日期： 年 月 日
一、設(shè)計(jì)（論文）題目： 200米鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器設(shè)計(jì)
二、專題題目： 齒輪的工藝規(guī)程
三、設(shè)計(jì)的目的和意義： 地質(zhì)勘探是利用鉆探設(shè)備來探明地下地質(zhì)構(gòu)造、尋找地下油氣礦藏的一種有效的地球物理勘探方法。為有效進(jìn)行探采，改進(jìn)原有不足，對新型200米鉆機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的成功將有效改觀現(xiàn)有的鉆探設(shè)備，提高效率和改進(jìn)鉆探工藝。
四、設(shè)計(jì)（論文）主要內(nèi)容： （1）200米液壓鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)包括個技術(shù)指標(biāo)的確定；(2)回轉(zhuǎn)器的詳細(xì)設(shè)計(jì)包括個零件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度較核；(3)進(jìn)給油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算；（4）液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
五、設(shè)計(jì)目標(biāo)： 利用所學(xué)專業(yè)知識，熟悉掌握鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理，創(chuàng)新、改進(jìn)傳統(tǒng)已有的鉆機(jī)，使其結(jié)構(gòu)組成達(dá)到最優(yōu)化、操作更加便捷、應(yīng)用更加廣泛。得到預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有強(qiáng)大的市場力。
六、進(jìn)度計(jì)劃：
（1） 1-3 周 畢業(yè)實(shí)習(xí)初步了解設(shè)計(jì)題目，上網(wǎng)、看書查找資料，收索相關(guān)資料，記錄要注意的細(xì)節(jié)。
（2） 4-6 周 鉆機(jī)整體傳統(tǒng)系統(tǒng)的計(jì)算；各軸的輸出輸入的設(shè)計(jì)計(jì)算；回轉(zhuǎn)器傳動計(jì)算；各齒輪立軸的設(shè)計(jì)較核計(jì)算。
（3）7-12 周 圖的繪制包括液壓卡盤總裝配圖；回轉(zhuǎn)器總裝圖；本體零件圖；鉆機(jī)總裝圖等。
（4）13-14周 軸的工藝編制；外文資料的翻譯。
（5）15周 CAD圖輸出、準(zhǔn)備答辯
七、參考文獻(xiàn)資料：
1．甘永寧主編 幾何量公差與測量 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 2001
2．李喜橋主編 加工工藝學(xué) 北京：北京航空航天出版社2003
3．孫德音主編 機(jī)械加工工藝基礎(chǔ) 北京：機(jī)械工藝出版社 2001
4．孫明主編 機(jī)械工程基礎(chǔ)（上中下） 黑龍江：黑龍江人民出版社 2000
5．濮良貴 紀(jì)名剛主編 機(jī)械設(shè)計(jì) 北京：高等教育出版社 2001
6．夏延棟主編 液壓傳動的密封與密封裝置 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 1982
7．徐博滋 陳鐵鳴 韓永春編 帶傳動 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 1980
8．洛陽軸承研究所編 滾動軸承產(chǎn)品樣本 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2000
9．地質(zhì)局《巖心鉆探知識》編寫組 巖心鉆探知識 北京：地質(zhì)出版社 1973
10．齒輪國家標(biāo)準(zhǔn)匯編 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社 1992
11．仙波正莊著 齒輪強(qiáng)度計(jì)算 姜永等譯 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 1985
12．吳宗澤主編 機(jī)械零件習(xí)題集 北京：高等教育出版社 1987
13．陳隆德主編 互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ) 大連理工大學(xué)出版社 1988
14．龔桂義編 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書（2版）北京：高等教育出版社1990
15．李繼慶主編 機(jī)械設(shè)計(jì) 北京：高等教育出版社 1989
16．邱宣懷主編 機(jī)械設(shè)計(jì) 北京：高等教育出版社 1988
指 導(dǎo) 教 師：
院（系）主管領(lǐng)導(dǎo)：
年 月 日
目錄
摘 要 1
Abstract 2
第1章 緒 論 3
1.1 選題的意義 3
1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 3
1.3 設(shè)計(jì)方法 4
1.4 預(yù)期目標(biāo) 4
第2章 鉆機(jī)概述 5
2.1 鉆機(jī)的功用 5
2.2 對鉆機(jī)的要求 5
2.3 鉆機(jī)的組成 5
2.4 鉆機(jī)的分類和名稱 6
2.4.1分類 6
2.4.2名稱 7
第3章 鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì) 8
3.1 本設(shè)計(jì)鉆機(jī)的應(yīng)用場合 8
3.2設(shè)計(jì)方案的確定 8
3.2.1 本設(shè)計(jì)鉆機(jī)的特點(diǎn) 8
3.2.2 總體設(shè)計(jì)方案的確定 8
3.3 鉆機(jī)的技術(shù)特性和要求 9
第4章 動力機(jī)的確定 11
4.1 輸出功率計(jì)算 11
4.2 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及破碎巖石、土層所需功率 11
4.3 給進(jìn)油缸所需功率的計(jì)算 13
4.3.1 給進(jìn)油缸的基本參數(shù) 13
4.3.2 油缸工作壓力的計(jì)算 13
4.3.3 油泵最大工作流量計(jì)算 14
4.3.4 給進(jìn)油缸功率計(jì)算 14
4.4 動力機(jī)功率的確定 14
第5章 機(jī)械傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15
5.1 主要參數(shù)的選擇 17
5.1.1 變速箱 17
5.1.2 絞車 17
5.1.3 回轉(zhuǎn)器 17
5.2 機(jī)械傳動系統(tǒng)初步計(jì)算 17
5.2.1 變速箱各檔傳動 18
5.2.2 絞車的纏繩速度 18
5.2.3 立軸的轉(zhuǎn)速 19
第6章 變速箱的設(shè)計(jì)與計(jì)算 21
6.1 變速箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求 21
6.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 21
6.1.2 設(shè)計(jì)要求 21
6.2 齒輪副的強(qiáng)度計(jì)算與校核 22
6.2.1 變速箱內(nèi)各齒輪主要參數(shù)確定 22
6.2.2 主要齒輪副的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 22
6.3 軸的強(qiáng)度計(jì)算與校核 28
6.3.1 軸的強(qiáng)度計(jì)算 29
6.3.2 軸的強(qiáng)度驗(yàn)算校核 32
第7章 絞車 34
7.1 絞車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 34
7.2 主要參數(shù)的選擇 34
7.2.1 絞車性能參數(shù) 34
7.2.2 絞車卷筒轉(zhuǎn)速和提升速度計(jì)算 36
7.3 絞車所需功率 37
7.4 絞車齒輪副強(qiáng)度簡單校核 38
第8章 回轉(zhuǎn)器的設(shè)計(jì) 39
8.1 回轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 41
8.2 回轉(zhuǎn)器的弧齒錐齒輪副設(shè)計(jì) 41
8.2.1 弧齒錐齒輪參數(shù)設(shè)計(jì) 41
8.2.2 零部件的強(qiáng)度與壽命計(jì)算 41
8.3 軸徑的估算 42
8.3.1齒輪受力分析 47
第9章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 39
9.1 液壓卡盤的設(shè)計(jì)與計(jì)算 41
9.1.1 卡瓦對鉆桿的夾緊力 41
9.1.2 蝶型彈簧的軸向推力 41
9.1.3 蝶型彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 41
9.1.4 蝶型彈簧的變形量計(jì)算 41
9.1.5 所需油壓的計(jì)算 41
9.1.6 卡瓦徑向伸縮量計(jì)算 41
9.1.7 缸體的強(qiáng)度計(jì)算 41
9.2 給進(jìn)油缸的設(shè)計(jì) 42
9.3 夾持器 42
第10章 可行性及經(jīng)濟(jì)成本分析 47
10.1 可行性分析 52
10.1.1 設(shè)計(jì)可行性分析 53
10.1.2 市場可行性分析 53
10.2 經(jīng)濟(jì)性分析 53
第11章 使用說明 47
11.1 概述 52
11.2 鉆機(jī)分組情況 52
11.3 工作原理 52
11.3.1 鉆機(jī)的工作原理 53
11.3.2 立軸的給進(jìn)運(yùn)動 53
11.3.3 立軸的快速移動 53
11.4 操作程序 52
11.5 機(jī)器的保養(yǎng)與維護(hù) 52
11.6 故障原因及排除方法 52
11.7 鉆機(jī)的安全注意事項(xiàng) 52
結(jié)論 55
致謝 56
參考文獻(xiàn) 57
專題 58
附錄1 70
附錄2 77
附錄3 86
附錄4 94
摘 要
200米液壓鉆機(jī)主要用于鉆探各種深度為200米左右的各種角度的各類用途的孔，可在不同硬度的巖石中鉆孔，而在煤層、軟巖石中鉆孔以及在農(nóng)田打井時效率最高。鉆機(jī)組成主要分為回轉(zhuǎn)器、絞車、變速箱、機(jī)架、操作儀。在本次的設(shè)計(jì)中主要對回轉(zhuǎn)器部分進(jìn)行了分析創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過了結(jié)構(gòu)合理性分析及各強(qiáng)度的較核驗(yàn)算。對鉆機(jī)整體進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過最后設(shè)計(jì)結(jié)果，滿足了初定的設(shè)計(jì)要求。該項(xiàng)目的成功設(shè)計(jì)，有效滿足了由于150米鉆機(jī)不能完成的鉆探探測任務(wù)，為新型的探測作出了有力準(zhǔn)備，填補(bǔ)了目前的空白。在設(shè)計(jì)中加入和優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和綠色設(shè)計(jì)理論，使得操作者減輕了勞動強(qiáng)度，考慮了油的各種泄露問題，對環(huán)境減輕了甚至免去了污染，符合新型設(shè)計(jì)理論。
關(guān)鍵字 地質(zhì)勘探 鉆機(jī) 回轉(zhuǎn)器
Abstract
200 meters liquid presses drill machine is mainly used to drill to explore various depth as 200 meters any kind of angle of bore . It can drill a hole in the rock of different degrees of hardness. Drilling a hole in the coal seam, soft rock and in the farmland beat the well time and limited efficacy rate . the Drillling machine constitutes is divided in to turn round a machine, winch and become soon a box, machine and operates an instrument. Main carried on an analytical innovation design towards turning round the machine part in the design ,by the structure rationality an analytical and each strength to check to calculate more. Carried on a design towards drilling machine wholly, pass an end the design result, satisfy a beginning settle of design request. The successful design of that item, satisfied effectively to drill machine and can't complete because of 150 meters of drill and explore mission, in order to probe in to make emollient preparation newly, fill up current blank. Join in the design with excellent turn design the theories and green to design theories, make the operation ease labor strength, considering oil of various reveal a problem and ease to the environment to even avoid a pollution, match new design theories.
Key words
The geology probes into, drill machine, turn round a machine
第1章 緒 論
1.1 選題的意義
題目的選擇，是通過畢業(yè)實(shí)習(xí)上的調(diào)查了解，以及目前能源行業(yè)的火暴形式，大家都知道社會的發(fā)展離不了能源的供應(yīng)，針對在課前的調(diào)查中了解到目前在能源開采的緊張，需要一些專門化的設(shè)備，來解決實(shí)際問題。選擇200米液壓鉆機(jī)的設(shè)計(jì)，主要是考慮到目前的75米，100米，150米以及當(dāng)前的200米鉆機(jī)存在著各種問題，他們不能滿足現(xiàn)在實(shí)際要求，對新型200米鉆機(jī)的設(shè)計(jì)能解決目前存在的問題，對他的成功設(shè)計(jì)，將有效改進(jìn)目前的鉆探工藝，取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。
1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容
1. 200米液壓鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器的設(shè)計(jì)
2．主要技術(shù)參數(shù)：
（1）.鉆進(jìn)深度(使用Φ42或Φ50鉆桿) 200m
（2）.鉆孔直徑
①開孔直徑 89m
②終孔直徑 ≥60mm
（3）. 立軸行程 500mm
（4）．最大液壓給進(jìn)壓力 4 MPa
（5）．卡盤最大工作壓力（彈簧常閉式液壓卡盤） 6 MPa
（6）．立軸內(nèi)孔直徑 52mm
（7）．油缸最大起拔力 32.5KN
（8）．油缸最大給進(jìn)力 20KN
1.3 設(shè)計(jì)方法
確定了設(shè)計(jì)題目，就得需要相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，有了明確的設(shè)計(jì)方法理念才能完成預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。有針對性的設(shè)計(jì)才能取得良好的效果，根據(jù)自己的調(diào)研情況，我設(shè)計(jì)采用的方法是改進(jìn)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)，主要理論知識來源于鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，鉆機(jī)的鉆進(jìn)工藝，及巖心巖石的理論研究知識。
1.4 預(yù)期目標(biāo)
每一項(xiàng)設(shè)計(jì)都有一個預(yù)期計(jì)劃目的，本次設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)為，設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的鉆機(jī)應(yīng)較前期鉆機(jī)有突出的設(shè)計(jì)優(yōu)勢。設(shè)計(jì)最終應(yīng)滿足鉆進(jìn)200米的各項(xiàng)功能要求，對環(huán)境無污染或少污染，得到綠色設(shè)計(jì)要求，能有效減輕勞動者的勞動強(qiáng)度，及提高操作者的安全保證，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。并且能夠取得較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
第2章 鉆機(jī)概述
2.1 鉆機(jī)的功用
鉆探是地質(zhì)勘探工作的重要手段之一。鉆機(jī)是實(shí)現(xiàn)該手段的主要設(shè)備。其基本功用是以機(jī)械動力帶動鉆頭向地殼鉆孔并采取巖礦心。鉆機(jī)同時還是進(jìn)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。
2.2 對鉆機(jī)的要求
鉆機(jī)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(dá)到預(yù)計(jì)的質(zhì)量要求；維護(hù)保養(yǎng)簡單容易；安裝拆卸搬遷方便；利于快速鉆進(jìn)；鉆進(jìn)輔助時間短；鉆孔施工周期短；體力勞動強(qiáng)度低等。概括起來說，是鉆機(jī)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(jī)的基本功用，對鉆機(jī)具體要求如下：
1.通過回轉(zhuǎn)鉆具等鉆進(jìn)方式將動力傳給鉆頭，使鉆頭具有適合鉆進(jìn)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(dāng)?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(jìn)速度，保證連續(xù)鉆進(jìn)；
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(jī)的功率和縮短輔助時間；
5.能變換鉆進(jìn)角度和按一定技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)舊響應(yīng)深度的直徑的鉆孔，以滿足鉆孔設(shè)計(jì)的要求和提高鉆進(jìn)效率。
2.3 鉆機(jī)的組成
目前常用的鉆機(jī)由如下各部分組成：
1.機(jī)械傳動系統(tǒng)
將輸入的動力變速并分配到回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)。對于液壓鉆機(jī)還要有驅(qū)動油泵，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(dá)、油缸等液動機(jī)，以使立軸回轉(zhuǎn)和控制給進(jìn)機(jī)構(gòu)、移動鉆機(jī)、松緊卡盤、夾持器等；
3.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
回轉(zhuǎn)鉆具，以帶動鉆頭破碎孔底巖石。
4.給進(jìn)機(jī)構(gòu)
調(diào)整破碎巖石所需要的軸心壓力和控制給進(jìn)速度。在出現(xiàn)孔內(nèi)事故時，可以進(jìn)行強(qiáng)力起撥。
5.升降機(jī)構(gòu)
用于升降鉆具（提取巖心和更換鉆頭）和進(jìn)行起下套管等作業(yè)。
6.機(jī)架
支承上述各機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)，使之組裝成一個整體，成為完整的機(jī)器。
2.4 鉆機(jī)的分類和名稱
隨著鉆探工程在國民經(jīng)濟(jì)各部門中的廣泛應(yīng)用，鉆機(jī)類別和型號也在增多。為此將鉆機(jī)實(shí)行科學(xué)分類和確定名稱，對識別、評價和選擇鉆機(jī)是很有意義的。
2.4.1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(jī)分為三大類，即地質(zhì)勘探用巖心鉆機(jī)；石油鉆探用鉆機(jī)；專用鉆機(jī)（水文水井鉆機(jī)、物探鉆機(jī)、工程鉆機(jī)等）；
⑵按鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鉆進(jìn)孔深分類
根據(jù)不同孔深范圍，將各種不同鉆進(jìn)孔深的鉆機(jī)分成三類或四類。
按三類分見表2—1。
表2—1 (m）
類別
淺孔鉆機(jī)
中深孔鉆機(jī)
深孔鉆機(jī)
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(jī)
次深孔鉆機(jī)
中深孔鉆機(jī)
深空鉆機(jī)
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(jī)可分為六類，即淺孔鉆機(jī)、巖心鉆機(jī)、石油鉆機(jī)、水文水井鉆機(jī)、汽車鉆機(jī)和砂礦鉆機(jī)；
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(jī)構(gòu)型式分類
可分為立軸式、轉(zhuǎn)盤式、動力頭式；
⑺按進(jìn)給機(jī)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(dá)—鏈輪式。
2.4.2名稱
鉆機(jī)的名稱是按照鉆機(jī)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(jī)上。
國產(chǎn)鉆機(jī)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(jī)用于巖心鉆進(jìn)?！癠”是漢字“油”的首字母，表示給進(jìn)機(jī)構(gòu)類型屬于油壓式。
中部為主要性能參數(shù)代號，用鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鉆進(jìn)深度數(shù)字表示。如標(biāo)準(zhǔn)鉆進(jìn)深度為200米的鉆機(jī)，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。
第3章 鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)
3.1 本設(shè)計(jì)鉆機(jī)的應(yīng)用場合
200米型液壓鉆機(jī)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(jī)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(jī)組由兩部分組成，即200米型鉆機(jī)、150/3.0泥漿泵。鉆機(jī)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。
200米型液壓鉆機(jī)配備動力為電動或柴油機(jī)，適用于井上、井下或野外沒有電源的場地作業(yè)。
3.2 設(shè)計(jì)方案的確定
3.2.1 本設(shè)計(jì)鉆機(jī)的特點(diǎn)
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(jī)需求量日趨增加，而當(dāng)前的200米鉆機(jī)，存在著勞動強(qiáng)度大、適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。鑒于以上原因，我們決定改進(jìn)200米鉆機(jī)。經(jīng)幾次方案討論決定，鉆機(jī)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：
1. 經(jīng)濟(jì)耐用可靠、質(zhì)優(yōu)價廉；
2. 便于解體搬運(yùn)；
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(jìn)；
7. 鉆進(jìn)速度快，效率高；
8. 動力為電機(jī)或柴油機(jī)。
3.2.2 總體設(shè)計(jì)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(diǎn)，從實(shí)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(jī)或柴油機(jī)；
2. 考慮到有軟巖石、硬巖石的鉆進(jìn)，除了正常的鉆進(jìn)速度外，增加高速600r/min；
3. 鉆機(jī)除配機(jī)動絞車外，增加了液壓卡盤減輕勞動強(qiáng)度，節(jié)約時間，提高有效鉆進(jìn)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(jī)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(jìn)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(yùn)。盡量做到標(biāo)準(zhǔn)化, 通用化，系列化。
3.3 鉆機(jī)的技術(shù)特性和要求
考慮到鉆機(jī)的實(shí)際工作情況，根據(jù)我國當(dāng)前生產(chǎn)技術(shù)和工藝水平，本200型鉆機(jī)的技術(shù)特性為：
1.鉆進(jìn)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(jìn)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 32.5KN
10．油缸最大給進(jìn)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(fù)荷
⑴．0.70m/s 3.35KN
⑵. 0.61m/s 6.00KN
⑶. 0.26m/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(jī)
① 型號 YB160L－4
② 電壓 380/660V
③ 功率 15KW
④ 轉(zhuǎn)速 1460r/min
⑵柴油機(jī)
① 型號 S1500
② 功率 15KW
③ 轉(zhuǎn)速 2200r/min
16.外型尺寸（L×h×b） 1370×685×1200mm
17．重量（不含柴油機(jī)） 750Kg
第4章 動力機(jī)的確定
4.1 輸出功率計(jì)算
根據(jù)現(xiàn)場需要，動力機(jī)的選擇偏大些，加大儲備系數(shù)，這樣可以提高鉆進(jìn)效率。
輸出功率為
（4—1）
式中： —鉆機(jī)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)
4.2 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及破碎巖石、土層所需功率
回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及破碎巖石、土層所需功率計(jì)算公式如下：
= （4—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
h—鉆進(jìn)速度
當(dāng)轉(zhuǎn)速130r/min、250r/min時,h=5cm/min
當(dāng)轉(zhuǎn)速350r/min、600r/min時,h=1.5cm/min
δ—巖石抗壓強(qiáng)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)
（4—3）
式中： δ—孔底壓力或巖石抗壓強(qiáng)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—鉆頭外圓半徑 R=3.85cm
r—鉆頭內(nèi)孔半徑 r=2.95cm
將立軸不同轉(zhuǎn)速和不同孔底壓力代入式（4—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(dāng)<200r/min時
當(dāng)n>200r/min時
式中：—孔深 ， 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時，?。?00000mm
金剛石鉆進(jìn)時，?。?5000mm
—鉆桿直徑 取=50mm
—立軸轉(zhuǎn)速;
—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4—2中。
4.3 給進(jìn)油缸所需功率的計(jì)算
4.3.1 給進(jìn)油缸的基本參數(shù)
1. 給進(jìn)油缸的基本參數(shù)
⑴給進(jìn)油缸的數(shù)量 ＝2
⑵油缸直徑 ＝60mm
⑶活塞桿直徑 ＝30mm
⑷活塞桿有效行程 ＝500mm
⑸油缸面積 ＝2826mm2
⑹活塞桿面積 ＝706.5mm2
⑺有效面積 ＝2119.5mm2
4.3.2 油缸工作壓力的計(jì)算
⑴鉆機(jī)鉆打水平孔時，油缸的最大推力為：
式中：—油缸最大推力
—孔底最大壓力 C＝13345N
—鉆桿與孔壁間的摩擦力
式中：—鉆桿單位長度重量 ＝55.46N/m
—鉆桿長度 ＝200m
—摩擦系數(shù) ＝0.35
N
故 N
⑵油泵的工作壓力
4.3.3 油泵最大工作流量計(jì)算
⑴油缸回程時的最大容油量:
L
⑵油缸送進(jìn)時的最大容油量:
L
⑶當(dāng)選用立軸的鉆進(jìn)速度=0.05m/min=0.5dm/min時,立軸送進(jìn)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
4.3.4 給進(jìn)油缸功率計(jì)算
根據(jù)以上的計(jì)算，可以得到給進(jìn)油缸的功率：
KW
4.3.5 油泵滿負(fù)荷工作時所需要的功率
根據(jù)上面的計(jì)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(fù)荷時所需功率是：
(4—4)
式中：—額定壓力 =800N/cm2
—額定流量 =12L/min
—機(jī)械效率 =0.9
—容積效率 =0.71
將上述參數(shù)代入式（4—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。
4.4 動力機(jī)功率的確定
通過上述的計(jì)算說明，立軸鉆進(jìn)時給進(jìn)所需功率很小，而且油泵滿負(fù)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(jìn)。所以參考表3—1，本機(jī)選用15電機(jī)或柴油機(jī)，基本能滿足表3—1中粗線以上各種工作狀態(tài)。
表4—1 各種類型巖層的抗壓強(qiáng)度 （N/cm2）
巖 石 名 稱
抗 壓 強(qiáng) 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(jiān)硬的石灰?guī)r、頁巖
12000
黃鐵況、磁鐵礦
14000
煤
2000
表4—2 電機(jī)功率選擇計(jì)算
功率N（KW）
轉(zhuǎn)速r/min
抗壓強(qiáng)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5章 機(jī)械傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1 主要參數(shù)的選擇
5.1.1 變速箱
參考國內(nèi)外現(xiàn)有小型鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速系列，本機(jī)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(jìn)，600r/min轉(zhuǎn)速適合金剛石鉆頭鉆進(jìn)。
5.1.2 絞車
為了減輕鉆機(jī)重量，不使動力機(jī)過大，絞車的纏繩速度不宜過高，基本上采用低速，本機(jī)升降機(jī)速度為0.26～0.70m/s。
卷筒纏繩速度為三種，見表5—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
—
5.1.3 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(jìn)方式，當(dāng)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(yàn)，立軸轉(zhuǎn)速取
n＝90～400r/min比較適宜；采用金剛石鉆頭鉆進(jìn)時，立軸轉(zhuǎn)速取n＝400～1000r/min比較適宜。本機(jī)選用120～600r/min，即適合合金鉆頭鉆進(jìn)，由適合金剛石鉆頭鉆進(jìn)。
5.2 機(jī)械傳動系統(tǒng)初步計(jì)算
5.2.1 變速箱各檔傳動
根據(jù)設(shè)計(jì)方案可知變速箱的幾種傳動如下所示：
1， 立軸的Ⅰ速回轉(zhuǎn)運(yùn)動125r/min
D1→D2→Z1→Z2→Z3→Z4→Z10→Z11
2， 立軸的Ⅱ速回轉(zhuǎn)運(yùn)動210r/min
D1→D2→Z1→Z2→Z5→Z6→Z10→Z11
3， 立軸的Ⅲ速回轉(zhuǎn)運(yùn)動340r/min
D1→D2→Z1→Z4（內(nèi)齒）→Z10→Z11
4， 立軸的Ⅳ速回轉(zhuǎn)運(yùn)動580r/min
D1→D2→Z1→Z2→Z7→Z8→Z6（內(nèi)齒）→Z10→Z11
5， 絞車的低速回轉(zhuǎn)運(yùn)動
D1→D2→Z1→Z2→Z3→Z4→Z9→Z12→Z13→Z14→Z15
6， 絞車的中速回轉(zhuǎn)運(yùn)動
D1→D2→Z1→Z2→Z5→Z6→Z9→Z12→Z13→Z14→Z15
7， 絞車的高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動
D1→D2→Z1→Z4（內(nèi)齒）→Z9→Z12→Z13→Z141→Z15
5.2.2 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(jì)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。
5.2.3 立軸的轉(zhuǎn)速
根據(jù)機(jī)械傳動路線，立軸的轉(zhuǎn)速計(jì)算如下：
式中： —立軸的第一檔轉(zhuǎn)速 r/min
—電機(jī)轉(zhuǎn)速 n=1460r/min
—主動皮帶輪直徑 D1=160mm
—大皮帶輪直徑 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
同理可求出第二檔、第三檔和第四檔轉(zhuǎn)速分別表示如下：
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。
第6章 變速箱的設(shè)計(jì)與計(jì)算
6.1 變速箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求
6.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
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(jì)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(diǎn)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(jī)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(jī)構(gòu)采用了齒輪齒條撥叉機(jī)構(gòu)，操縱靈活可靠，每個移動齒輪單獨(dú)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。
6.1.2 設(shè)計(jì)要求
1.在校核零件強(qiáng)度時，假設(shè)電機(jī)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(jī)動時間每班16小時，可連續(xù)工作20個月。
3.本設(shè)計(jì)零件的強(qiáng)度和壽命計(jì)算方法和數(shù)據(jù)是按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》（化學(xué)工業(yè)出版社）計(jì)算的。
6.2 齒輪副的強(qiáng)度計(jì)算與校核
6.2.1 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(jī)的實(shí)際情況，變速箱內(nèi)各齒輪的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表6—2。
表6—2 變速箱內(nèi)齒輪的主要設(shè)計(jì)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
6.2.2 主要齒輪副的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)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(jìn)行齒輪副的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算和校核。
1.按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
參數(shù)名稱
符號
值
計(jì)算轉(zhuǎn)矩
T
251370 N
齒寬系數(shù)
0.4
接觸疲勞極限
1080 MPa
970MPa
設(shè)計(jì)許用應(yīng)力
[][]
972MPa
873MPa
88
初定小齒輪直徑
73mm
初定齒寬
b
30
圓周速度
v
2.03m/s
使用系數(shù)
1.25
動載系數(shù)
1.15
齒間載荷分配系數(shù)
1.16
齒向載荷分布系數(shù)
1.81
載荷系數(shù)
K
3.02
彈性模量
MPa1/2
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
2．5
接觸最小安全系數(shù)
1．05
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
3.18×108
接觸壽命系數(shù)
1．12
許用接觸應(yīng)力
1152MPa
1053MPa
校核驗(yàn)算
=
=1054.16
=
=715.5
計(jì)算結(jié)果表明，，，接觸疲勞強(qiáng)度合適。
6.3 軸的強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度壽命進(jìn)行驗(yàn)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6—3。
表6—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
6.3.1 軸的強(qiáng)度計(jì)算
1. 在各種轉(zhuǎn)速下齒輪所受力計(jì)算
齒輪圓周力，齒輪徑向力
由分析可知在Ⅰ檔轉(zhuǎn)速下所受力為最大：
N
=6417.5×20o=2335.78N
2. 計(jì)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(jìn)行計(jì)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6—1。
圖6—1 傳動軸的受力簡圖
如圖6—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(jì)算支承反力。
⑴水平方向受力
N
N
⑵垂直方向受力
N
N
（3）當(dāng)量轉(zhuǎn)矩計(jì)算如下
6.3.2 軸徑的校核
1.校核軸徑
Z4齒根圓直徑計(jì)算：
mm
Ⅲ軸最小軸徑計(jì)算：
Ⅲ=mm
故 Ⅲ<,滿足要求。
第7章 絞車
7.1 絞車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
本鉆機(jī)考慮到井上、井下鉆探作業(yè)，故設(shè)置了絞車，絞車結(jié)構(gòu)如附錄圖3所示。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(diǎn)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)，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(qiáng)度：=1700Mpa
繩型：繩6×37（纖維芯）
2.卷筒參數(shù)確定如下
卷筒內(nèi)徑：＝140mm
卷筒外徑：＝243mm
卷筒有效長度：L0＝100mm
容繩長度：
式中：——每層鋼絲繩圈數(shù) ＝11
——每層纏繩長度之和，共6層，
m
3.絞車主要齒輪副的幾何參數(shù)計(jì)算
在絞車中，行星齒輪的外嚙合為重要齒輪副，只計(jì)算齒輪Z14、Z15的幾何參數(shù)。它們的主要參數(shù)見表7—1。
表7—1 齒輪Z14、Z15的主要幾何參數(shù)
齒輪
齒數(shù)Z
模數(shù)m
變位系數(shù)Xn
材料
硬度HRC
Z14
18
3
0.15
20CrMnTi
5762
Z15
18
3
0.15
20CrMnTi
5762
7.2.2 絞車卷筒轉(zhuǎn)速和提升速度計(jì)算
1.絞車共有3種轉(zhuǎn)速,各種轉(zhuǎn)速計(jì)算如下
第Ⅰ檔:
=
=33.4r/min
第Ⅱ檔:
Ⅱ
=78.77/r/min
第Ⅲ檔:
Ⅲ
=90.84r/min
2.三種轉(zhuǎn)速下的繞繩速度
在4.4.2中已經(jīng)對絞車的繞繩速度，即提升速度進(jìn)行了計(jì)算，現(xiàn)加上提升力總結(jié)于表7—1中。
表7—1
提升速度
卷筒轉(zhuǎn)速
提升力
Ⅰ=0.26m/s
Ⅰ=28r/min
12000N
Ⅱ=0.61m/s
Ⅱ=50r/min
6000N
Ⅲ=0.70m/s
Ⅲ=78r/min
3350N
7.3 絞車所需功率
1.卷筒所受扭矩：
2.絞車軸所受扭矩:
3.絞車軸所需功率:
7.4 絞車齒輪副強(qiáng)度簡單校核
7.4.1 按接觸疲勞強(qiáng)度校核
1.圓周力計(jì)算
2.其他參數(shù)計(jì)算
查閱相關(guān)資料,將校核所涉及的其它參數(shù)列于表7—2中。
表7—2
序號
參數(shù)名稱
參數(shù)符號
參數(shù)值
1
工況系數(shù)
KA
1.25
2
動