振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、湖 南 科 技 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)( 論 文 )題目振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭設(shè)計(jì)作者 學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)號(hào)0903010203指導(dǎo)教師 二一三 年 五 月 二十六 日摘 要?jiǎng)恿︻^是振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)的核心部件，其性能的好壞直接決定了整機(jī)性能的好壞，而國(guó)內(nèi)外關(guān)于該動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)理論和方法卻很少見(jiàn)，因此對(duì)振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行研究迫在眉睫。本文首先介紹了振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭的工作原理，技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展?fàn)顩r及前景。然后確定振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭的總體參數(shù)，在分析了振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)工況的基礎(chǔ)上，應(yīng)用土力學(xué)和流體力學(xué)建立了各工況下鉆進(jìn)阻力矩的完整數(shù)學(xué)模型，為振動(dòng)

2、回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。然后對(duì)振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)過(guò)程及校核進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。此動(dòng)力頭具有體積小，搬遷靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性好，工作性能高，成本低，頻率和振幅的可調(diào)性高，激振力足夠大，平穩(wěn)性高的特點(diǎn)。此動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)對(duì)巖土鉆掘工程技術(shù)的進(jìn)步具有重要的意義。關(guān)鍵詞：動(dòng)力頭；振動(dòng)回轉(zhuǎn)；巖芯鉆機(jī)；液壓馬達(dá) ABSTRACT Power head is the core component of vibration of rotary core drill, its performance is good or bad directly determine the ove

3、rall performance is good or bad, and the design theory and method about the power head at home and abroad are very rare, so the vibration of rotating core drill head design theory and method of research is imminent.This article first introduces the vibration rotary core drill head, the working princ

4、iple, technical characteristics and development status and prospects and then determine the overall parameters of vibration rotary core drilling power head, on the basis of analyzing the working condition of vibration of rotary core drill, the application of soil mechanics and fluid mechanics is est

5、ablished the complete mathematical model of drilling resistance moment, under the condition of vibration of rotary core drill head design provides a theoretical basis and key components of vibration turning core drilling power head design process and check the detailed description of the power head

6、has a small volume, move flexible, simple structure, good safety, high performance, low cost, high frequency and amplitude of the adjustable, vibration force is large enough, the smoothness of high characteristic.The head of design for rock and soil drilling and digging engineering technology progre

7、ss has the important significance.Key words: power head; Rotary vibration; Core drill; Hydraulic motor湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目 錄第一章 緒論11.1 研究振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭的意義11.2 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭的工作原理及特點(diǎn)11.2.1 動(dòng)力頭的工作原理簡(jiǎn)述11.2.2 動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)11.3 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)的現(xiàn)狀與展望21.3.1 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)的現(xiàn)狀21.3.2 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)的展望3第二章 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭總體參數(shù)的確定42.1 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭傳

8、動(dòng)方案的選擇42.1.1 回轉(zhuǎn)部分傳動(dòng)方案42.1.2 振動(dòng)部分傳動(dòng)方案52.2 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)參數(shù)的確定52.2.1 回轉(zhuǎn)扭矩的確定52.2.2 回轉(zhuǎn)速度的確定92.3 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭振動(dòng)參數(shù)確定102.3.1 振動(dòng)頻率的確定102.3.2 激振力的確定122.4 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)參數(shù)的確定132.4.1 回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)參數(shù)的確定132.4.2 振動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)參數(shù)的確定15第三章 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與校核173.1 箱體的設(shè)計(jì)173.1.1 箱體材料的選定173.1.2 箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)183.2 軸的設(shè)計(jì)203.2.1 振動(dòng)軸的設(shè)計(jì)213.2.2

9、 中間軸的設(shè)計(jì)233.2.3 振動(dòng)軸的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核243.2.4 回轉(zhuǎn)主軸的設(shè)計(jì)253.3 齒輪的設(shè)計(jì)283.3.1 驅(qū)動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)283.3.2 過(guò)渡齒輪的設(shè)計(jì)313.4 同步帶輪的設(shè)計(jì)353.5 同步帶的設(shè)計(jì)373.6 軸承的設(shè)計(jì)423.6.1 軸承類(lèi)型的選擇423.6.2 軸承固定形式的選擇433.6.3 軸承型號(hào)的選擇463.7 回轉(zhuǎn)支承的設(shè)計(jì)473.8 偏心軸的設(shè)計(jì)51第四章 經(jīng)濟(jì)性分析52第五章 設(shè)計(jì)總結(jié)56參考文獻(xiàn)57致 謝58ii第一章 緒論1.1 研究振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭的意義 目前國(guó)內(nèi)對(duì)振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)的研究越來(lái)越重視，但技術(shù)不是很成熟，與國(guó)外相比仍然有一定的差距。國(guó)家

10、政策倡導(dǎo)節(jié)約型社會(huì)，環(huán)境友好型社會(huì)，很多的企業(yè)正在爭(zhēng)先恐后的貫徹實(shí)施這一政策，紛紛加大對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，以及機(jī)器創(chuàng)新等方面的投入。目前國(guó)內(nèi)的振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)存在很多的不足，主要體現(xiàn)在體積龐大，笨重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以導(dǎo)致搬遷困難，浪費(fèi)材料，成本高，適應(yīng)環(huán)境的能力差，在施工處對(duì)環(huán)境的破壞性大。其次是振幅、頻率的可調(diào)性低，激振力不夠大，平穩(wěn)性低。而動(dòng)力頭是振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)的核心部件，它的好壞直接影響到整臺(tái)機(jī)器的好壞。所以，對(duì)研究出一臺(tái)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，振幅、頻率可調(diào)，激振力足夠大，平穩(wěn)性高的振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭迫在眉睫。1.2 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭的工作原理及特點(diǎn)1.2.1 動(dòng)力頭的工作原理簡(jiǎn)述 回

11、轉(zhuǎn)馬達(dá)通過(guò)一對(duì)傳動(dòng)比很小的齒輪對(duì)回轉(zhuǎn)主軸實(shí)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主軸的低速回轉(zhuǎn)，此轉(zhuǎn)速不需要很大，因?yàn)槿绻螅@頭跟巖土層的摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)很大，這樣會(huì)加大鉆頭的磨損。振動(dòng)用偏心軸的回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，偏心軸振動(dòng)的頻率就是動(dòng)力頭振動(dòng)的頻率，偏心軸采用兩根，把它們平放在主軸的兩側(cè)，它們的回轉(zhuǎn)方向相反，之間通過(guò)一對(duì)傳動(dòng)比為1的齒輪和同步帶連接，振動(dòng)液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)其中的一根軸，這樣兩根軸在水平方向的振動(dòng)力抵消，從而實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的平穩(wěn)。而在豎直方向的振動(dòng)力疊加，振動(dòng)力增加一倍，從而能得到很大的激振力。1.2.2 動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 箱體采用鋼板焊接而成，大大縮短了制造周期，強(qiáng)度也大為提高。采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低

12、，能實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速。液壓馬達(dá)的軸直接與振動(dòng)軸連接，這樣省去了傳動(dòng)中間部件，大大簡(jiǎn)化了動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)，維修方便，也減小了箱體的體積，從而克服了動(dòng)力頭笨重的缺點(diǎn)。主軸需要承受的扭矩比較大，采用空心結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能大大提高。1.3 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)的現(xiàn)狀與展望1.3.1 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)的現(xiàn)狀(1) 國(guó)外狀況 國(guó)外用于地質(zhì)調(diào)查的全振動(dòng)巖芯鉆機(jī)的發(fā)展是伴隨鉆探技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查工作中應(yīng)用領(lǐng)域的拓展和鉆探方法工藝的進(jìn)步而發(fā)展的。振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)是為實(shí)現(xiàn)各種鉆探方法工藝服務(wù)的。另外，其發(fā)展還受鉆探作業(yè)環(huán)境(如地理位置、交通運(yùn)輸、氣候、地質(zhì)條件與供水等)的影響和制約。國(guó)外地質(zhì)礦產(chǎn)勘查用振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)，除保留有一部分

13、經(jīng)改進(jìn)的傳統(tǒng)立軸式鉆機(jī)外，已大量采用頂驅(qū)式(動(dòng)力頭鉆機(jī))。其特點(diǎn)是回次進(jìn)尺長(zhǎng)，自動(dòng)化、機(jī)械化程度高。具有代表性的有：阿特拉斯的CSl0、CSl4、CS300l、CS4002，寶長(zhǎng)年公司的LF70、LF90、LFl40、LF230等地表取心鉆機(jī)，均具有長(zhǎng)行程給進(jìn)、無(wú)塔升降鉆具、無(wú)級(jí)調(diào)速、機(jī)械化程度高、配套器具齊全、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)改進(jìn)的新型立軸式巖芯鉆機(jī)有：俄羅斯的cKB一4、cK6-5型鉆機(jī)，采用雙卡盤(pán)實(shí)現(xiàn)不停鉆倒桿；采用直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；鉆深從25-3000m已形成完整系列。日本的TDP一100、P100等型鉆機(jī)采用上、下液壓卡盤(pán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了鉆進(jìn)過(guò)程中的不停車(chē)倒桿，自動(dòng)連續(xù)給進(jìn)，并通

14、過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)提高了鉆機(jī)的工作可靠性。日本NLC公司的NL一55、L一44、L一38、L一24系列型號(hào)立軸式鉆機(jī)，主要特點(diǎn)是加大了立軸通孔直徑，達(dá)到148mm；與鉆塔設(shè)計(jì)融為一體，質(zhì)量大，自動(dòng)化程度較高。(2)國(guó)內(nèi)狀況1949年以前國(guó)內(nèi)振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)幾乎全部是由國(guó)外引進(jìn)，20世紀(jì)50年代初期大量從蘇聯(lián)引進(jìn)當(dāng)時(shí)并不先進(jìn)的手把式鉆機(jī)，50年代中期，國(guó)內(nèi)開(kāi)始仿制，60年代開(kāi)始自行設(shè)計(jì)鉆機(jī)，如XY、YL、MK、TK等系列。70年代開(kāi)始全面推廣金剛石鉆進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)了我國(guó)地質(zhì)巖芯鉆機(jī)的研制與制造業(yè)的發(fā)展，80年代就基本滿足國(guó)內(nèi)地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查的需要，并有部分向外出口。我國(guó)從20世紀(jì)60年代就開(kāi)始研制液壓傳動(dòng)鉆機(jī)

15、，但由于當(dāng)時(shí)國(guó)產(chǎn)液壓元件質(zhì)量不過(guò)關(guān)等原因而未能形成生產(chǎn)力。改革開(kāi)放以來(lái)，從美、德等國(guó)引進(jìn)了多種名牌液壓元件生產(chǎn)線，使國(guó)產(chǎn)液壓元件的品種增多，質(zhì)量有了大幅度提高，我國(guó)已具備了研究傳動(dòng)鉆機(jī)的良好物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)準(zhǔn)備。進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)內(nèi)的有關(guān)研究機(jī)構(gòu)與鉆探機(jī)械廠先后研發(fā)出了的地表巖芯鉆機(jī)以滿足市場(chǎng)的需求，主要產(chǎn)品有：2005年中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所與北京天和眾邦勘探技術(shù)有限公司聯(lián)合研發(fā)成功的YDX一3型巖芯鉆機(jī)、2005年底山東省地質(zhì)探礦機(jī)械廠研發(fā)的XD一5型、2006年底連云港黃機(jī)械廠有限公司研制的HYDX一5型等。國(guó)內(nèi)研制成功的這幾款巖芯鉆機(jī)特點(diǎn)均順應(yīng)國(guó)際鉆探設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，屬于同一檔次，鉆

16、探能力相差不多，具有化、給進(jìn)行程長(zhǎng)、無(wú)級(jí)調(diào)速、機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)。但與國(guó)外巖芯鉆機(jī)相比，還未形成系列化，可靠性不夠高，無(wú)相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等。1.3.2 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)的展望 隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,巖心鉆探設(shè)備的發(fā)展伴隨著引進(jìn)技術(shù)的消化吸收、基礎(chǔ)工業(yè)元器件水平的提高、鉆探工藝發(fā)展對(duì)設(shè)備的要求而不斷發(fā)展提高。為此，振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)的發(fā)展方向主要有三個(gè)：第一，小型化發(fā)展。因?yàn)榭碧街饕窃谝恍┍容^偏遠(yuǎn)的山區(qū)，經(jīng)濟(jì)落后，交通不便，而鉆機(jī)本來(lái)就比較笨重，搬遷困難。而且，在山區(qū)地勢(shì)陡峭，灌、木喬密布，為了保護(hù)環(huán)境又不能砍伐，安放鉆機(jī)的空間有限。所以，對(duì)于小型巖芯鉆機(jī)的需求十分迫切。第二，巨型化發(fā)展。在一些經(jīng)濟(jì)

17、發(fā)達(dá)，交通便利的平原地區(qū)，有些時(shí)候需鉆進(jìn)深度非常高，或者工作的時(shí)間非常長(zhǎng)，為了提高鉆進(jìn)效率，這就需要大功率的大型鉆機(jī)。第三，智能化發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)參透到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，當(dāng)然，勘探領(lǐng)域也不例外，用計(jì)算機(jī)控制鉆機(jī)，不僅能減輕施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能提高工作效率，動(dòng)作更加靈活、準(zhǔn)確，甚至在不久的將來(lái)有可能發(fā)展機(jī)器人鉆機(jī)。第二章 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭總體參數(shù)的確定2.1 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭傳動(dòng)方案的選擇2.1.1 回轉(zhuǎn)部分傳動(dòng)方案從回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)直接出來(lái)的速度是比較大的，而主軸需要的速度是比較小的，要得到較小的速度，就必須經(jīng)過(guò)減速，能減速的結(jié)構(gòu)很多，比如減速器，皮帶

18、傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)等。此動(dòng)力頭要求傳動(dòng)的效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕。下面是兩種比較成熟的方案供選擇，如2-1圖所示。方案一方案二圖2-1 回轉(zhuǎn)部分傳動(dòng)方案方案一：馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪裝在液壓馬達(dá)軸上，驅(qū)動(dòng)齒輪直接帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承外圈。這樣結(jié)構(gòu)緊湊，簡(jiǎn)單，體積小，占用的空間小，節(jié)約材料，成本低，重量輕，比起用減速器，起碼能減輕50%的重量。因?yàn)橹挥幸患?jí)齒輪傳動(dòng)，所以傳動(dòng)的效率非常高，能達(dá)到99%以上。方案二：采用減速器進(jìn)行減速，減速器連接在液壓馬達(dá)與回轉(zhuǎn)支承之間，與方案一相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多，里面有兩級(jí)齒輪，傳動(dòng)比可能比方案一更小，即能獲得更好的減速效果。但是，液壓馬達(dá)本身就能控制很大的轉(zhuǎn)速范圍，所以根本就

19、沒(méi)必要是用減速器。而且，體積大，占用的空間大，成本高，重量也笨重；傳動(dòng)的齒輪級(jí)數(shù)越多，傳動(dòng)的效率越低。比較上述兩種方案，根據(jù)動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇方案一。2.1.2 振動(dòng)部分傳動(dòng)方案 激振力來(lái)自偏心軸的回轉(zhuǎn)，激振力的大小和頻率完全由偏心軸的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，顯然，巖心鉆機(jī)在鉆進(jìn)的過(guò)程中，需要足夠大的激振力和頻率。所以不需要減速，液壓馬達(dá)直接與偏心軸連接，為了讓振動(dòng)平穩(wěn)，激振力只在豎直方向上，采用兩根偏心軸，它們的轉(zhuǎn)速大小相等，方向相反。它們對(duì)稱(chēng)分布于回轉(zhuǎn)主軸兩側(cè)，所以它們的間距是比較大的。它們之間的傳動(dòng)現(xiàn)有兩種方案可供選擇：方案一方案二圖2-2 振動(dòng)部分傳動(dòng)方案 方案一：為了實(shí)現(xiàn)兩根偏心軸轉(zhuǎn)速大小，方

20、向相反，中間采用一對(duì)傳動(dòng)比為1的齒輪傳動(dòng)，接著用同步帶傳動(dòng)，兩帶輪的大小相等。它們之間也就是兩級(jí)傳動(dòng)，比起方案二，它傳動(dòng)的效率要高些，齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相反，同步帶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。同步帶比齒輪便宜些，成本低；更換方便，維修方便。方案二：此方案采用兩對(duì)齒輪傳動(dòng)，每個(gè)齒輪是相同的，即傳動(dòng)比都為1，同樣能實(shí)現(xiàn)兩根偏心軸轉(zhuǎn)速大小相等，方向相反。但是，兩根偏心軸的跨距比較大，齒輪不易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，如果要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，則需加大齒輪的半徑，而齒輪半徑加大，就意味著容納齒輪的箱體的體積也要變大，這顯然與我們需設(shè)計(jì)的動(dòng)力頭相悖，而且制造齒輪的成本比制造同步帶的成本高；更換，維修也不方便；傳動(dòng)的級(jí)數(shù)比方案

21、一多，所以傳動(dòng)的效率也比方案一低。根據(jù)兩種方案的比較，選擇方案一。2.2 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)參數(shù)的確定2.2.1 回轉(zhuǎn)扭矩的確定 回轉(zhuǎn)扭矩確定之后，才能進(jìn)行主軸的設(shè)計(jì)和校核，以及回轉(zhuǎn)馬達(dá)的選擇。鉆桿受到的阻力主要有兩個(gè)，一個(gè)是鉆頭與底部巖土的切削摩擦產(chǎn)生的扭矩、光桿部分受到水泥漿的粘滯阻力矩。 (1)鉆頭與底部巖土的切削摩擦產(chǎn)生的扭矩鉆頭受到的阻力有兩種：一種是鉆頭刀刃的切削阻力，一種是鉆頭與巖土層的摩擦阻力。刀刃單位長(zhǎng)度阻力可按式(2.1)計(jì)算： (2.1)式中，-刀刃單位長(zhǎng)度的阻力； -刀刃單位長(zhǎng)度的切削阻力；-鉆頭與巖石的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.5；-鉆具在刀刃單位長(zhǎng)度上產(chǎn)生的壓力。

22、 (2.2)-鉆進(jìn)速度；-鉆桿轉(zhuǎn)速；-切削比阻力，取400KPa。其選取方法如表21、表22，取土壤等級(jí)為級(jí)。表21 土壤等級(jí)分類(lèi) 土壤等級(jí) (kPa)5080100150200260400 表22 土壤等級(jí)特點(diǎn)砂，輕軟質(zhì)土，輕和中等溫度的松散質(zhì)土，種植土粘質(zhì)土，中細(xì)沙礫，輕濕或松散軟粘土密實(shí)粘土質(zhì)，中等粘土，重濕度或松散粘土，軟泥炭含碎石或卵石的粘土質(zhì)，重的或很重的濕粘土，有少量雜質(zhì)的石礫堆積物代入數(shù)據(jù)有： (2.3) -能使鉆刃壓入孔底土層的最小軸向壓力，由土層的抗壓強(qiáng)度、鉆刃的磨損程度等因素決定。其值可近似地用下式求出： =(3050)R(kN)(其中R=47mm為鉆頭半徑)，其孔徑小時(shí)

23、取小值，孔徑大時(shí)取大值，此處計(jì)算應(yīng)取大值, 取500.047kN2.35kN。因此，可得： 所以：； (2.4) (2)光桿部分受到水泥漿的粘滯阻力矩 設(shè)內(nèi)圓半徑R1，外圓半徑R2，內(nèi)圓旋轉(zhuǎn)角速度為，外圓固定，則兩圓筒之間的水泥漿以同心圓筒層形式旋轉(zhuǎn)，如圖2-3。圖 2-3 用w表示半徑為r的中間任一液層的角速度，顯然此液層的角速度梯度為相應(yīng)的線速度梯度為設(shè)圓筒高度為h，則可求側(cè)面積：S=2rh (2.5)所以有： (2.6)變量分離： (2.7)根據(jù)鉆桿的情況，有：時(shí)時(shí)兩邊分別積分，有： (2.8) 有： (2.9) 所以： (2.10)式中：鉆桿轉(zhuǎn)速= 62.8rad/s；鉆桿長(zhǎng)度=10m

24、鉆桿半徑=44.5mm；孔半徑=47mm取水泥漿黏度=18 ，如表2-3所示。表2-3 水泥漿的基本性能水灰比粘度(10-3Pa.s)密度g/cm3凝膠時(shí)間結(jié)石率%抗壓強(qiáng)度(Mpa)初凝終凝3d7d14d28d0.5:11391.867h41min12h36min994.146.4615.3022.000.75:1331.6210h47min20h33min972.432.605.5411.271:1181.4914h56min24h27min852.002.402.428.901.5:1171.3716h52min34h47min672.042.331.782.222:1161.3017h7

25、min48h15min561.662.562.102.80 所以得： 最終得到的鉆桿阻力矩之和為：2.2.2 回轉(zhuǎn)速度的確定 鉆頭的回轉(zhuǎn)速度是動(dòng)力頭的一個(gè)重要參數(shù)，它的選取關(guān)系到鉆進(jìn)的效率，鉆頭的壽命和取到巖芯的完整程度，過(guò)快或者過(guò)慢對(duì)它們都不利。選擇鉆頭轉(zhuǎn)速的主要依據(jù)是巖石的性質(zhì)和破巖的時(shí)間效應(yīng)影響，實(shí)踐表明，在軟巖層中鉆進(jìn)時(shí)提高轉(zhuǎn)速的效果最明顯；在中等硬度、研磨性較小的巖層中鉆進(jìn)時(shí)，由于破巖的時(shí)間效應(yīng)影響顯著，所以鉆進(jìn)的速度并不隨轉(zhuǎn)速的增大而增大。也就是說(shuō)對(duì)于較軟的、研磨性較小的巖石，可以用增大轉(zhuǎn)速的辦法來(lái)提高轉(zhuǎn)速；而在硬的、研磨性較強(qiáng)的巖石中，轉(zhuǎn)速過(guò)高不僅不能提高鉆進(jìn)的效率，而且對(duì)鉆進(jìn)過(guò)

26、程有害。表2-4 硬質(zhì)合金切削具的線速度推薦值巖 石 性 質(zhì) 線速度取值范圍(ms)軟的、弱研磨性巖石1.21.6中硬的、具有研磨性的巖石0.91.2中硬-硬的研磨性巖石0.60.8裂隙性巖石0.30.6表2-5 表鑲和孕鑲金剛石鉆頭適用的轉(zhuǎn)速 (單位：r/min)鉆頭直徑 (mm) 364656(59)6675(76)91 表鑲鉆頭65013005001000400800350650300550250500 孕鑲鉆頭10002000750150060012005001000400850350700資料來(lái)源：巖土鉆掘工程學(xué)綜合上述考慮，選取金剛石表鑲鉆頭，鉆頭的回轉(zhuǎn)速度為2.3 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆

27、機(jī)動(dòng)力頭振動(dòng)參數(shù)確定2.3.1 振動(dòng)頻率的確定 目前關(guān)于振動(dòng)的理論很多，我們采用其中的一種來(lái)對(duì)動(dòng)力頭的振動(dòng)頻率進(jìn)行分析，我們將鉆具當(dāng)做是一個(gè)均勻的剛體，把土層看做是一個(gè)彈性支撐體，鉆具和巖土層組成一個(gè)具有單自由度的振動(dòng)體系。當(dāng)動(dòng)力頭上的振動(dòng)器的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率接近該振動(dòng)體系的自振頻率，該振動(dòng)體系會(huì)產(chǎn)生最大的縱向振動(dòng)振幅，也就是我們所熟悉的共振，其模型簡(jiǎn)化成如圖2-4所示。此振動(dòng)系統(tǒng)的微分方程為： (2.11) 式中： x-振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的垂直位移；M-鉆具的總重量；-土層的阻尼系數(shù)；-土層的彈性系數(shù)；-振動(dòng)器的激振力；-振動(dòng)器的激振頻率；-時(shí)間。圖2-4 共振理論模型圖 振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率為： (2.

28、12) 根據(jù)天然地基土的抗壓剛度計(jì)算方法得到土層的彈性系數(shù)： (2.13)式中：-鉆柱端部的當(dāng)量抗壓剛度系數(shù)()；-鉆柱截面積，即鉆桿的最大直徑的截面積()。以下為橫波波速經(jīng)驗(yàn)公式： (2.14) 式中：-土層的彈性模量；- 土層的泊松比，砂土可取0.20.25，粘性土可取0.250.42，淤質(zhì)粘土可取0.5。一些典型土層的密度及彈性模量如表2-6所示。表2-6 典型土層密度及彈性模量表土層類(lèi)別密度()彈性模量()素填土1.854粉質(zhì)粘土28.7粉砂220.8強(qiáng)風(fēng)化泥巖2.1170強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖2.16200中風(fēng)化砂巖2.181000 表2-6中，土的密度的平均值為，上表是根據(jù)一般天然巖土層從上

29、到下的分布順序排列的，從上到下依次為素填土、粉質(zhì)粘土、粉砂、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化砂巖，假設(shè)每個(gè)巖土層的厚度為5m，則鉆進(jìn)過(guò)程中共振頻率隨深度變化經(jīng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)如表2-4所示。表2-7 典型土層分布下共振頻率隨深度變化表地層編號(hào)地層名稱(chēng)鉆進(jìn)深度(m)共振頻率(Hz)1素填土51822Hz2粉質(zhì)粘土102025Hz3粉砂152530Hz4強(qiáng)風(fēng)化泥巖206065Hz5強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖256575Hz6中風(fēng)化砂巖30125140Hz 選取鉆桿的長(zhǎng)度為10m，外徑為89mm，內(nèi)徑為69mm，材料為鋁合金，質(zhì)量為28Kg。則鉆桿的橫截面積為： (2.15) 考慮到鉆桿的長(zhǎng)度為10m，取芯的深度有可能到

30、達(dá)粉砂層，強(qiáng)風(fēng)化泥巖，所以取彈性模量系統(tǒng)的固有頻率為：振動(dòng)頭的頻率等于振動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，液壓馬達(dá)的實(shí)際工作中轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高，否則會(huì)嚴(yán)重縮短馬達(dá)的壽命，常用的低速大扭矩馬達(dá)轉(zhuǎn)速一般不超過(guò)2500r/min，高速馬達(dá)一般正常工作轉(zhuǎn)速適宜在大約4000r/min左右。綜合上述考慮，取振動(dòng)頭的振動(dòng)頻率為：2.3.2 激振力的確定 動(dòng)力頭的激振力也是巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭的一個(gè)重要的參數(shù)，為巖芯鉆機(jī)的鉆進(jìn)提供了動(dòng)力，激振力的最大值應(yīng)和鉆桿完全鉆進(jìn)時(shí)的鉆具和鉆具上土的重量之和相當(dāng)，因此假設(shè)鉆桿的螺旋葉片上土的分布均勻。則激振力可由下式獲得： (2.16) 式中：-土層密度，這里取平均密度；R2-鉆桿外徑；R1-桿芯直

31、徑； -鉆桿長(zhǎng)度；-巖土在螺旋葉片上的填充系數(shù)，這里取0.7；-為鉆桿自重；-為回轉(zhuǎn)振動(dòng)動(dòng)力頭重量。表2-8 計(jì)算激振力時(shí)所需參數(shù)參數(shù)R2R1值0.0445m0.0345m10m0.728Kg237.4Kg將表格2-8的參數(shù)代入得： =2609.58N 上述是需要的最小激振力，及2609.58N，所以取=3000N。2.4 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)參數(shù)的確定2.4.1 回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)參數(shù)的確定 前面在2.2節(jié)已經(jīng)確定了鉆頭的回轉(zhuǎn)速度為500rmin，然后確定馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪與回轉(zhuǎn)支承的傳動(dòng)比，傳動(dòng)比是(確定過(guò)程將在3.7節(jié)詳細(xì)說(shuō)明)，則回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。表2-9列出了馬達(dá)的種類(lèi)以及它們的結(jié)構(gòu)

32、特點(diǎn)和適用范圍。表2-9 液壓馬達(dá)的種類(lèi)及主要特點(diǎn)齒輪馬達(dá)葉片馬達(dá)軸向柱塞馬達(dá)球塞式馬達(dá)內(nèi)曲線馬達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，但輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)性較大，但當(dāng)轉(zhuǎn)速高于1000rmin時(shí)，其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)受到抑制，因此，齒輪馬達(dá)適用于高轉(zhuǎn)速，低扭矩情況。結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩小。結(jié)構(gòu)緊湊，徑向尺寸小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，轉(zhuǎn)速高，易于變量，能用多種方式自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，適用范圍廣。負(fù)載轉(zhuǎn)矩大，徑向尺寸大，使用與速度中等工況。負(fù)載轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速低，平穩(wěn)性好。資料來(lái)源：液壓傳動(dòng)動(dòng)力頭的尺寸要求盡量要小，所以選擇徑向尺寸小的液壓馬達(dá)，轉(zhuǎn)速為2825rmin，是屬于高速范圍，而且還要求可調(diào)性高，所以我們選

33、擇軸向柱塞馬達(dá)作為我們的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。采用型號(hào)GY-A2F45R2P1斜軸式軸向柱塞定量馬達(dá)，貴州力源液壓股份有限公司，它的特點(diǎn)是具有固定的排量，在開(kāi)式或閉式系統(tǒng)中作靜壓傳動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)數(shù)和排量成正比。輸出扭矩隨高壓側(cè)與低壓側(cè)之壓差的增大而增大。缸體與配油盤(pán)采用球面配油，在旋轉(zhuǎn)中能自動(dòng)對(duì)中，圓周速度較小，效率高；驅(qū)動(dòng)軸能承受徑向負(fù)荷；噪音低。它的結(jié)構(gòu)剖視圖如圖2-5所示。 圖2-4 回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的法蘭和后蓋1-油封2-前蓋3-主軸 4-卡盤(pán) 5-柱塞組件6-彈簧 7-中心桿 8-轉(zhuǎn)子 9-分油盤(pán)圖2-5 回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)結(jié)構(gòu)剖視圖 回轉(zhuǎn)馬達(dá)的連接法蘭和后蓋如圖2-4所示。 表2-10為回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的參

34、數(shù)。表2-10 回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的參數(shù)項(xiàng)目規(guī)格排量Vg(mL)最高轉(zhuǎn)速(rmin)最大功率Pmax(kw)重量(kg)扭矩M(Nm)值4544.345007123702.4.2 振動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)參數(shù)的確定 前面已經(jīng)確定了振動(dòng)頭的振動(dòng)頻率為，因?yàn)檎駝?dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的軸直接與偏心軸相連，所以振動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度就等于振動(dòng)頻率，得振動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速為，同樣屬于高速范圍，選取依據(jù)跟選取回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)類(lèi)似，所以同樣選取軸向柱塞馬達(dá)。圖2-6是選取的振動(dòng)馬達(dá)的外形尺寸參數(shù)a)外形尺寸b)法蘭尺寸圖2-6 振動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)外形參數(shù) 圖2-6振動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)是F11-5(CETOP型式)，為派克漢尼汾液壓系統(tǒng)(上海)有限公司生產(chǎn)。特

35、點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，噪聲低，工作效率高，輸出的扭矩大。表2-11為馬達(dá)性能參數(shù)。表2-11 振動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)性能參數(shù)項(xiàng)目名稱(chēng)排量 ()工作壓力(bar)工作轉(zhuǎn)速(rpm)重量(kg)值4.942050120005 圖2-7是振動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的剖視圖。 1-轉(zhuǎn)子殼 2-配油盤(pán) 3-缸體4-帶O型的導(dǎo)向隔套5-齒輪6-軸7-軸承殼體 8-油封 9-輸出軸 10-活塞圖2-7 振動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)剖視圖第三章 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與校核3.1 箱體的設(shè)計(jì)箱體是振動(dòng)回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭的一個(gè)最重要的部件之一，它的主要作用是：(1)箱體支承并且包容各種傳動(dòng)和工作零件，例如齒輪、振動(dòng)軸、偏心軸、主軸、軸承、同步帶輪，同步帶

36、，回轉(zhuǎn)支承等，并對(duì)它們起到固定和定位的作用，使它們能夠保持正常的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和運(yùn)動(dòng)精度。另外，箱體還可以儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)零件的潤(rùn)滑；還可以防止灰塵，外物的進(jìn)入對(duì)運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)的干擾。 (2)箱體可以起到安全保護(hù)的作用，保護(hù)機(jī)器操作者的人生安全，并有一定的隔振、隔熱和隔音作用。 (3)箱體使機(jī)器各部分分別由獨(dú)立的箱體組成，各成單元，便于加工、裝配、調(diào)整和修理。 (4)改善機(jī)器造型，協(xié)調(diào)機(jī)器各部分比例，使整機(jī)造型美觀。3.1.1 箱體材料的選定 可以制作箱體的材料很多，有木質(zhì)的材料，塑料，鋁合金，普通碳鋼，合金鋼和鑄鐵等等。箱體的分類(lèi)有很多種，這里我們按制作的方法分類(lèi)，可以分為以下幾種： (1)鑄

37、造箱體，常用的材料是鑄鐵，有時(shí)也用鑄鋼、鑄鋁合金和鑄銅等。鑄鐵箱體的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)形狀可以較復(fù)雜，有較好的吸振性和機(jī)加工性能，常用于成批生產(chǎn)的中小型箱體。 (2)焊接箱體，由鋼板、型鋼或鑄鋼件焊接而成，結(jié)構(gòu)要求較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期較短。焊接箱體適用于單件小批量生產(chǎn)，尤其是大件箱體，采用焊接件可大大降低成本。 (3)其它箱體，如沖壓和注塑箱體，適用于大批量生產(chǎn)的小型、輕載和結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單的箱體。 顯然，木質(zhì)材料和塑料首先可以排除，因?yàn)樗麄兊膹?qiáng)度耐熱程度不夠，如果使用會(huì)造成箱體破裂，造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至威脅到人生安全。鋁合金的材質(zhì)太輕，吸振性不強(qiáng)，而且焊接性能不夠好，所以，我們也排除。然后我們?cè)僭诤竺娴钠胀ㄌ?/p>

38、鋼，合金鋼，鑄鐵三種當(dāng)中做精選，我們又從制作的方法來(lái)考慮，首先第三種不是我們考慮的范圍，應(yīng)排除，而鑄造的吸振性雖然最好，但是制作周期太長(zhǎng)，工藝復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性差，所以我們也不考慮。最后我們選擇的制作方法是焊接。這樣我們又把鑄鐵排除，再考慮到普通碳鋼的強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度都沒(méi)有合金鋼強(qiáng)，所以我們采用合金鋼。在合金鋼里面，我們選擇應(yīng)用比較廣泛，成本比較適中的低合金鋼Q345B，B表示質(zhì)量等級(jí)，常溫( 20)下做韌性試驗(yàn)。Q345又可以分F、b、z三種，分別表示沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)定鋼。A級(jí)和B級(jí)鋼各有F、b和Z三種脫氧方法，C級(jí)鋼只有鎮(zhèn)靜鋼，D級(jí)鋼只有特殊鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，塑性和韌性較差。用

39、這種材料制成的焊接結(jié)構(gòu)，受動(dòng)力載荷作用時(shí)接頭容易出現(xiàn)裂縫。不宜在低溫下工作，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生硬化現(xiàn)象。相比之下，鎮(zhèn)定鋼質(zhì)優(yōu)而勻，塑性和韌性都好。表3-1為Q345B的一些常用參數(shù)。表3-1 Q345B的性能參數(shù)參數(shù)彈性模量 (EGpa)泊松比() 抗拉強(qiáng)度()密度(kg)值2002100.250.333755007.93.1.2 箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 動(dòng)力頭箱體的形狀和尺寸主要由箱體內(nèi)部零件及內(nèi)部零件間的相互關(guān)系來(lái)決定，箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)滿足強(qiáng)度和剛度要求。振動(dòng)頭箱體要承受強(qiáng)大的激振力，所以滿足強(qiáng)度是一個(gè)重要的問(wèn)題。(2)因?yàn)橄潴w的剛度不僅影響傳動(dòng)零件的正常工作，而且還影響部件的工

40、作精度，所以要滿足一定的剛度。 (3)散熱性能和熱變形問(wèn)題。箱體內(nèi)零件摩擦發(fā)熱使?jié)櫥驼扯茸兓?，影響其?rùn)滑性能；溫度升高使箱體產(chǎn)生熱變形，尤其是溫度不均勻分布的熱變形和熱應(yīng)力，對(duì)箱體的精度和強(qiáng)度有很大的影響。 (4)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。如支點(diǎn)的安排、筋的布置、開(kāi)孔位置和連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等均要有利于提高箱體的強(qiáng)度和剛度。 (5)工藝性要好。包括毛坯制造、機(jī)械加工、造型好、質(zhì)量小、裝配調(diào)整、安裝固定、吊裝運(yùn)輸、維護(hù)修理等各方面的工藝性。根據(jù)上面的幾個(gè)問(wèn)題，用Solidwords三維軟件初步設(shè)計(jì)動(dòng)力頭箱體的大體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。下一步就進(jìn)入零件的安放設(shè)計(jì)。 如圖3-2所示，三塊立板有三對(duì)孔，從右到左依次為

41、裝振動(dòng)軸孔，裝中間軸孔，裝振動(dòng)軸孔。兩個(gè)立孔從前到后依次為裝回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)孔，裝回轉(zhuǎn)主軸孔。 俯視 上視圖3-1 箱體大體結(jié)構(gòu)圖 圖3-2 考慮安放零件后箱體大體結(jié)構(gòu)圖1-前側(cè)板 2-后側(cè)板 3-右側(cè)板 4-后立板 5-前立板 6-中間橫板 7-前側(cè)板圖3-3 最后設(shè)計(jì)箱體成型圖 最后設(shè)計(jì)成如圖3-3所示箱體圖，用7塊板焊接而成。表3-2為各板的厚度。 表3-2 箱體各板厚度鋼板名稱(chēng)1234567厚度值(mm)202020161620203.2 軸的設(shè)計(jì)軸的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下準(zhǔn)則： (1)根據(jù)軸的工作條件、生產(chǎn)批量和經(jīng)濟(jì)性原則，選取適合的材料、毛坯形式及熱處理的方法。 (2)根據(jù)軸的受力情況，軸上零

42、件的安裝位置，配合尺寸及定位方式，軸的加工方法等具體的要求，確定軸的合理結(jié)構(gòu)形狀及尺寸，即進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 (3)軸的強(qiáng)度計(jì)算或校核。3.2.1 振動(dòng)軸的設(shè)計(jì) (1) 振動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 振動(dòng)軸的作用是傳遞振動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)傳遞過(guò)來(lái)的運(yùn)動(dòng)和扭矩，支承振動(dòng)軸，即承受彎矩。根據(jù)工作條件，選振動(dòng)軸的材料為45Cr，調(diào)制處理。初步設(shè)計(jì)成的振動(dòng)軸如圖3-4所示。圖3-4 振動(dòng)軸AB段用來(lái)連接振動(dòng)液壓馬達(dá)，采用矩形花鍵連接，主要是為了裝配方便，提高連接強(qiáng)度；BC段和DE段為軸頸，用來(lái)安裝軸承固定在箱體上，CD段用來(lái)安裝偏心軸，EF段用來(lái)安裝過(guò)度齒輪；最右側(cè)的螺紋孔用來(lái)使過(guò)度齒輪軸向定位。根據(jù)設(shè)計(jì)好了的箱體，各段軸的

43、長(zhǎng)度和直徑確定如表3-3所示。表3-3 振動(dòng)軸的長(zhǎng)度及其尺寸各段名稱(chēng)長(zhǎng)度值(mm)23301403424直徑(mm)3435403532(2) 振動(dòng)軸的強(qiáng)度校核 1) 振動(dòng)軸受到的力主要是扭矩和彎矩，根據(jù)工作條件，扭矩的值應(yīng)該不是很大的因?yàn)樗恍柁D(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)荷只是偏心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，但是啟動(dòng)瞬間的扭矩很大，前面液壓馬達(dá)的型號(hào)已選。為了保證工作安全，必須用振動(dòng)液壓馬達(dá)的最大扭矩來(lái)校核振動(dòng)軸。液壓馬達(dá)的扭矩按下面的公式計(jì)算： (3.1)式中：-排量()；-壓差(bar)； -機(jī)械效率。前面選擇液壓振動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)時(shí)已知，為4.9；因?yàn)槌隹趬毫苄?，一般都小?0bar，所以我們假設(shè)壓差就為工作壓力為420，機(jī)械

44、效率取0.85，則扭矩為： 下面用振動(dòng)軸的最小直徑32mm來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度校核。軸的最小直徑的確定是按下面的的公式進(jìn)行的： (3.2)式中：-許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力(MPa)； P-功率(kW)；-轉(zhuǎn)速()。查機(jī)械設(shè)計(jì)第八版表15-3，得40Cr得范圍是11297；的范圍是3555MPa。對(duì)于功率，仍然按液振動(dòng)壓馬達(dá)的最大功率來(lái)算，式(3.3)為振動(dòng)液壓馬達(dá)功率的計(jì)算公式。 (3.3)式中：-總效率(，為容積效率，取0.8，則=0.80.85=0.68)；q-流量()。 得：。 取100，則，所以軸在承受扭矩方面是安全的。 2) 振動(dòng)軸的彎矩主要是來(lái)自偏心軸的離心力，偏心軸幾乎套在了整個(gè)軸上，在工作過(guò)程中軸

45、的彎曲程度是非常微小的，在受力分析的過(guò)程中，為了方便，我們忽略軸的彎曲，這樣軸的受力模型簡(jiǎn)化圖3-5所示。圖3-5中，為離心力，有，。已知偏心軸的偏心距為，質(zhì)量為(在3.8偏心軸的設(shè)計(jì)中將進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明)。 (3.4) (3.5) 得： 圖3-5 軸的受力簡(jiǎn)化模型 和就相當(dāng)于作用在軸上的剪切力，得作用在BC段和DE段的切應(yīng)力為：1.15MPa遠(yuǎn)小于，所以校核通過(guò)。3.2.2 中間軸的設(shè)計(jì) (1)中間軸主要是傳遞運(yùn)動(dòng)，支承過(guò)度齒輪和同步帶輪，同樣選擇40Cr作為中間軸的材料，調(diào)制處理，根據(jù)已設(shè)計(jì)好的箱體的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的中間軸如圖3-6所示。AB段和DE段為軸頸，用來(lái)裝配滾動(dòng)軸承，裝配在箱體上，BC

46、段用來(lái)裝配過(guò)度齒輪，CD段用來(lái)裝配同步帶輪。各段的長(zhǎng)度和直徑如表3-4所示。 表3-4 中間軸各段得長(zhǎng)度及其直徑各段名稱(chēng)長(zhǎng)度值(mm)26242420直徑(mm)30323230圖3-6 中間軸 (2)同樣用振動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的最大扭矩來(lái)校核中間軸的扭矩強(qiáng)度，這里最小的直徑是30mm，遠(yuǎn)大于14mm，所以在扭矩方面是安全的。因?yàn)橹虚g軸的任務(wù)就是傳遞運(yùn)動(dòng)，幾乎沒(méi)承受什么彎矩，也就是說(shuō)在彎矩方面也是安全的，沒(méi)必要校核。3.2.3 振動(dòng)軸的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核振動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速大小和振動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速大小相等，而且必須相等，方向相反，它們對(duì)稱(chēng)分布于主軸兩側(cè)。所以振動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，只不過(guò)它是傳遞運(yùn)動(dòng)的終結(jié)者，它

47、不再傳遞運(yùn)動(dòng)給任何部件，而振動(dòng)軸既要接受來(lái)自振動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)，還要傳遞運(yùn)動(dòng)給中間軸。比起振動(dòng)軸，它不再需要右端的矩形內(nèi)花鍵部分和裝過(guò)度齒輪部分。還是選擇40Cr作為振動(dòng)軸的材料，調(diào)制處理。兩端安裝軸承部分的直徑及安裝偏心軸的直徑及長(zhǎng)度和振動(dòng)軸相等。振動(dòng)軸所承受的扭矩應(yīng)該比振動(dòng)軸所承受的扭矩要小，而所承受的彎矩應(yīng)該和振動(dòng)軸幾乎一樣大，因?yàn)閮蓚€(gè)偏心軸的質(zhì)量和偏心距一樣大，所以沒(méi)必要再進(jìn)行強(qiáng)度校核。振動(dòng)軸的形狀如圖3-7所示。圖3-7 振動(dòng)軸 各段的長(zhǎng)度和直徑大小如表3-5所示。表3-5 振動(dòng)軸的各段長(zhǎng)度及其尺寸各段名稱(chēng)長(zhǎng)度值(mm)191406119直徑(mm)354035323.2.4 回轉(zhuǎn)主

48、軸的設(shè)計(jì)(1) 回轉(zhuǎn)主軸的設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)主軸是動(dòng)力頭最重要的部件之一。作為動(dòng)力頭的執(zhí)行件，它的功能是支承并帶動(dòng)鉆柱實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，用回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)通過(guò)回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，下端與鉆柱連接，上端通過(guò)法蘭孔徑向固定在箱體上蓋板上。下面是回轉(zhuǎn)主軸設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)要求：1) 旋轉(zhuǎn)精度?；剞D(zhuǎn)主軸的旋轉(zhuǎn)精度指的是在裝配以后，在零載荷、低速轉(zhuǎn)動(dòng)的條件之下，在連接鉆柱的主軸部位的徑向和端面圓跳動(dòng)。旋轉(zhuǎn)精度主要取決于主軸，回轉(zhuǎn)支承，箱體孔等的制造，裝配和調(diào)整精度。例如回轉(zhuǎn)支承的圓度，回轉(zhuǎn)支承的滾道及滾子的圓度，主軸以及隨其回轉(zhuǎn)零件的動(dòng)平衡等因素，均可造成徑向圓跳動(dòng)?；剞D(zhuǎn)支承的支承端面、主軸軸肩以及相關(guān)的零件端面對(duì)主軸回轉(zhuǎn)中心線垂直

49、度誤差，推力軸承滾道以及滾動(dòng)體誤差等會(huì)造成回轉(zhuǎn)主軸的端面圓跳動(dòng)。旋轉(zhuǎn)精度誤差會(huì)縮短主軸及回轉(zhuǎn)支承的壽命，所以旋轉(zhuǎn)精度是回轉(zhuǎn)主軸設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)引起足夠的重視。2) 抗振性。主軸部件的抗振性指的是抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力。在工作過(guò)程中，主軸部件不僅受到靜態(tài)力作用，同時(shí)還受沖擊力和振動(dòng)力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)?；剞D(zhuǎn)主軸的抗振性不高，同樣會(huì)縮短主軸和回轉(zhuǎn)支承的使用壽命。在設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)主軸的過(guò)程中，同樣不能忽略。3) 溫升和熱變形?；剞D(zhuǎn)主軸在工作過(guò)程中，由于回轉(zhuǎn)支承的摩擦生熱，使主軸的溫度升高。溫度升高后會(huì)使?jié)櫥偷恼扯冉档?，?duì)回轉(zhuǎn)主軸的工作性能產(chǎn)生一定的影響。4) 精度保持性?；?/p>

50、轉(zhuǎn)主軸的精度保持性指的是長(zhǎng)期保持其原始制造精度的能力?；剞D(zhuǎn)主軸喪失其原始制造精度的主要原因是磨損，主要是回轉(zhuǎn)支承的磨損。磨損的速度與摩擦的種類(lèi)有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料的熱處理方式、表面粗糙度、潤(rùn)滑、防護(hù)以及使用條件等許多因素有關(guān)。所以要想長(zhǎng)期保持主軸部件的精度，就必須提高回轉(zhuǎn)主軸的耐磨性。對(duì)耐磨性影響較大的因素主要有回轉(zhuǎn)主軸的材料、軸承的類(lèi)型、軸承的材料及潤(rùn)滑防護(hù)方式等?；剞D(zhuǎn)主軸的傳動(dòng)方式主要有帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)等。對(duì)于主軸傳動(dòng)方式的選擇，主要取決于主軸的轉(zhuǎn)速、對(duì)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的要求、所傳遞的轉(zhuǎn)矩、以及結(jié)構(gòu)緊湊、裝卸維修方便等要求。這里要求動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，而且主軸承受的扭矩較大，要求能承受較大的振動(dòng)力，回轉(zhuǎn)的速度比較高。由于齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，能適應(yīng)變轉(zhuǎn)速、變載荷工作，應(yīng)用最廣。所以，回轉(zhuǎn)主軸的傳動(dòng)方式應(yīng)采用齒輪傳動(dòng)。如圖3-8