懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

.3畢業(yè)設(shè)計背景鉆機(jī)井下作業(yè)是一項投資巨大的風(fēng)險性工程，鉆機(jī)裝備的優(yōu)劣直接影響著鉆進(jìn)速度、操作人員的安全和經(jīng)濟(jì)效益。我國在煤礦礦用旋噴鉆機(jī)的設(shè)計、制造方面已具備一定的實力，無論機(jī)型品種到系列化程度都基本滿足了國內(nèi)的需求，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn)。立軸式礦用旋噴鉆機(jī)在基本性能、技術(shù)水平上與國外基本接近，由于其維修方便，造價低，目前仍然是國內(nèi)煤礦或地質(zhì)鉆探的主力設(shè)備。而在歐美市場的主流機(jī)型——全液壓動力頭式煤礦安全鉆機(jī)，在國內(nèi)的開發(fā)應(yīng)用也具有一定的實力。目前機(jī)械立軸鉆機(jī)機(jī)能滿足各種鉆進(jìn)工藝方法的要求，并且能方便地對鉆速進(jìn)行調(diào)節(jié)。相比之下，全液壓動力頭式鉆機(jī)是一種能較好滿足以上要求的鉆機(jī)，能更方便地施工不同傾角的鉆孔；能更加容易地實現(xiàn)鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測和控制。機(jī)械立軸式鉆機(jī)處理事故能力對比同樣深度能力的動力頭鉆機(jī)的起拔力比立軸式鉆機(jī)的小，因此動力頭鉆機(jī)處理孔內(nèi)事故的能力比立軸式鉆機(jī)弱。隨著鉆孔深度加大以及隨著巖石可鉆性變差，動力頭鉆機(jī)相對于立軸式鉆機(jī)的優(yōu)勢在逐漸變小。針對礦井下空間小、探測難，鉆孔效率低等問題展開研究。礦用旋噴鉆機(jī)可對各種不同硬度的巖層進(jìn)行鉆孔，而以在煤層，軟巖石及中硬巖石鉆孔時效率最高。在礦井內(nèi)部鉆探時不需要井架。鉆孔沖洗液為泥漿，清水或煤水。在地面鉆探是也不需使用鉆塔，只要有一定高度的三角架等可供提升使用就可以[1]。1.4綜述1.4.1國外研究現(xiàn)狀迄今為止，全球生產(chǎn)井下鉆機(jī)的企業(yè)大多數(shù)被瑞典和美國占有，井下鉆機(jī)質(zhì)量小、占地面積小、鉆機(jī)配備功率低，尤其是采用模塊化設(shè)計后，其搬遷和安裝也非常簡便。近年來，瑞典、美國、英國、意大利、德國和加拿大等國的制造商專門設(shè)計了小井眼鉆機(jī)并逐步形成系列[2]。意大利馬塞倫蒂公司生產(chǎn)的機(jī)械式MR-2型反循環(huán)鉆機(jī)是一種拖車裝鉆機(jī)。采用卷揚(yáng)沖擊方式，沖擊鉆進(jìn)時由兩臺同步卷揚(yáng)機(jī)提落鉆頭來完成。為確保兩臺卷揚(yáng)機(jī)同步，配有補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，采用泵吸反循環(huán)方式[3]。日本神戶制鋼生產(chǎn)的KPC-1200型沖擊反循環(huán)鉆機(jī)采用液壓驅(qū)動方式，由液壓馬達(dá)通過傳動裝置分別帶動提排渣管的卷筒卷揚(yáng)機(jī)和沖擊鉆進(jìn)用的雙筒同步卷揚(yáng)機(jī)，用離合器的離合進(jìn)行沖擊，通過自動控制裝置可自動調(diào)節(jié)沖擊行程和次數(shù)。排渣方式以回轉(zhuǎn)反循環(huán)為主，沖擊鉆進(jìn)時用套管跟進(jìn)護(hù)壁。1.4.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀：目前國內(nèi)生產(chǎn)鉆機(jī)廠商主要有上海探礦機(jī)械廠、山東探礦機(jī)械廠、黃海機(jī)械廠。上海探礦機(jī)械廠GPS系列產(chǎn)品以機(jī)械傳動、重錘加壓、砂石泵反循環(huán)排渣為主要特點占據(jù)半壁江山，曾研發(fā)沖擊與回轉(zhuǎn)一體化鉆機(jī)未果。國產(chǎn)鉆機(jī)存在的主要問題如下：1.現(xiàn)有鉆機(jī)成孔直徑小，一般都在1米以下。由于礦井井下要求的樁孔直徑大都在1米以上，這極大的限制了鉆機(jī)的使用范圍?，F(xiàn)有回轉(zhuǎn)式反循環(huán)鉆機(jī)多采用重錘加壓，只適用于較軟的土層，無法適用于巖層較復(fù)雜的地形。2.國產(chǎn)配套件的質(zhì)量應(yīng)進(jìn)一步提高，如鉆桿、鉆具。遇到堅硬地層施工困難，容易發(fā)生斷桿現(xiàn)象[4]。3.鉆機(jī)結(jié)構(gòu)較大，礦井下使用不便，使工作效率大大降低。1.4.3調(diào)研企業(yè)概況雞西同達(dá)鉆探機(jī)械廠辦公室地址位于東北最大煤城、黑龍江省“四大煤城”之首雞西，黑龍江省雞西市雞冠區(qū)南星街49號，于2000-04-18在雞西工商局注冊成立，在工廠發(fā)展壯大的17年里，該廠為客戶提供最好的產(chǎn)品、健全的售后服務(wù)，該工廠主要經(jīng)營人員培訓(xùn)，供應(yīng)配件并保證質(zhì)量，該工廠是雞西庫存圖書公司行業(yè)內(nèi)知名企業(yè)，他們奉行“誠信求實、致力服務(wù)、唯求滿意”的企業(yè)宗旨，全力跟隨客戶需求，不斷進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新和服務(wù)改進(jìn)。工廠與多家雞西庫存圖書公司零售商和代理商建立了長期穩(wěn)定的合作關(guān)系。1.4.4礦用旋噴鉆機(jī)的技術(shù)特點礦用坑道鉆機(jī)與傳統(tǒng)的坑探法相比具有許多優(yōu)點：1.施工速度快，可節(jié)省時間。2.耗資少。3.改善了現(xiàn)場勞動條件，減輕了環(huán)境因素對人體造成的傷害。4.便于控制復(fù)雜形態(tài)的礦體。1.4.5我國礦用旋噴鉆機(jī)目前存在的問題1.產(chǎn)品質(zhì)量需要提高。2.現(xiàn)在大多數(shù)鉆機(jī)都是采用無級變速方式，缺少轉(zhuǎn)速表。3.鉆頭的制造質(zhì)量還不夠穩(wěn)定。4.國外的一些先進(jìn)的技術(shù)不能與我們的產(chǎn)品更好的結(jié)合。1.4.6礦用旋噴鉆機(jī)的發(fā)展趨勢1.提高產(chǎn)品的質(zhì)量與穩(wěn)定性。2.鉆機(jī)盡量采用各種有效的電力驅(qū)動和電子調(diào)控。3.鉆機(jī)盡量采用拼裝式設(shè)計，便于更新設(shè)計派生品。4.針對于極深的礦井，制造開發(fā)先進(jìn)的快速鉆掘設(shè)備和工藝。1.5結(jié)論針對國內(nèi)外現(xiàn)狀的研究對比，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)對井下鉆機(jī)的研究尚處于起步階段，跟發(fā)達(dá)國家有很大的差距。就此，本文介紹了一種能夠在礦井下完成鉆孔而設(shè)計的礦用旋噴鉆機(jī)。分析了該類產(chǎn)品的國內(nèi)外現(xiàn)狀，討論了產(chǎn)品市場的開發(fā)背景，對鉆機(jī)的基本原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及各個子系統(tǒng)，如傳動系統(tǒng)、鉆桿升降系統(tǒng)的主要功能都作了詳細(xì)介紹，對礦用旋噴鉆機(jī)的設(shè)計將會大有用處。第二部分可行性論證報告2.1設(shè)計目的礦用旋噴鉆機(jī)又稱礦用旋噴鉆具，是一種用來輸送漿液，壓縮空氣和清水的介質(zhì)，在高壓的工作條件下，能夠保證持續(xù)的動密性與靜密性。本次課題的研究就是設(shè)計一種新型的礦用旋噴鉆機(jī)，增加工作效率，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。2.2傳動方案的確定方案一：帶傳動式變速箱設(shè)計如圖2-1：圖2-1帶傳動式變速設(shè)計方案一的工作原理：主要是帶輪傳動，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過皮帶傳動，帶動Ⅰ軸轉(zhuǎn)動，此時，Ⅰ軸上的齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪與齒輪產(chǎn)生嚙合，并將動力傳遞到Ⅱ軸，Ⅱ軸上的齒輪和齒輪同時轉(zhuǎn)動，用撥叉控制雙齒輪，檔撥叉向左移動時，齒輪與齒輪嚙合，將轉(zhuǎn)速傳遞到Ⅲ軸，Ⅲ軸上的齒輪與齒輪嚙合，鉆機(jī)開始工作；當(dāng)Ⅲ軸上的齒輪與齒輪嚙合時，帶動絞車工作。該方案優(yōu)點：帶輪傳動時，摩擦?。蝗秉c：鉆機(jī)長時間使用，容易發(fā)生帶輪失效。方案二：齒輪傳動式變速箱設(shè)計如圖2-2:圖2-2齒輪傳動式變速設(shè)計方案二的工作原理：主要是齒輪傳動，將電機(jī)和Ⅰ軸通過聯(lián)軸器鏈接，當(dāng)點擊轉(zhuǎn)動時，帶動Ⅰ軸轉(zhuǎn)動，此時，Ⅰ軸上的齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪與齒輪產(chǎn)生嚙合，并將動力傳遞到Ⅱ軸，Ⅱ軸上的齒輪和齒輪同時轉(zhuǎn)動，用撥叉控制雙齒輪，當(dāng)撥叉向左移動時，齒輪與齒輪嚙合，將轉(zhuǎn)速傳遞到Ⅲ軸，Ⅲ軸上的齒輪與齒輪嚙合，鉆機(jī)開始工作；當(dāng)Ⅲ軸上的齒輪與齒輪嚙合時，帶動絞車工作。該方案優(yōu)點：避免長時間使用中失效問題；缺點：鉆機(jī)啟動時噪音較大。2.3最終設(shè)計方案綜上所述，考慮工作效率等問題，確定為第二套方案。目前，在我國直接為煤炭生產(chǎn)服務(wù)的鉆機(jī)，百分之八十以上的機(jī)臺在井下從事作業(yè)，完成抽放瓦斯、防火或滅火、探水、煤層注水、地質(zhì)與工程等鉆孔任務(wù)。根據(jù)工作條件的特殊性，要求礦用旋噴鉆機(jī)應(yīng)具備以下特點：1.外廓尺寸小，重量輕，易于解體，便于運(yùn)輸和井下搬運(yùn)；2.支固拆固迅速而可靠，具有一定的能力，而且效率較高；3.堅固耐用，機(jī)組集中，維修方便。2.4總體設(shè)計確定鉆機(jī)的設(shè)計方向是：1.機(jī)器的動力傳遞采用機(jī)械和液壓傳動相結(jié)合，即半液壓式鉆機(jī)；2.以液壓卡緊為主，必要時也可以更換手動卡盤，不使鉆機(jī)停車?yán)^續(xù)鉆進(jìn)；3.為了使鉆機(jī)既適應(yīng)高巷道（或巷上）又適應(yīng)矮巷道內(nèi)作業(yè)，應(yīng)具備絞車提升裝置；4.機(jī)器應(yīng)具有反轉(zhuǎn)，以便上卸鉆桿和處理事故；5.在滿足上述各項要求的同時，應(yīng)使結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，盡可能實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。2.5結(jié)論將三個方案對比得出，方案一使用帶傳送進(jìn)行變速，該方案不適合大功率長時間的工作，方案二齒輪傳動式變速設(shè)計，這個設(shè)計方案相對穩(wěn)定性高，傳動比分配準(zhǔn)確，安全性能好，適合大扭矩傳動。經(jīng)過綜合考慮，方案二的傳動方式可以滿足要求，故選擇方案二。第三部分設(shè)計計算3.1鉆進(jìn)電機(jī)的選擇本機(jī)組的驅(qū)動裝置采用三相交流異步電動機(jī)，該電機(jī)的重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，使用維護(hù)方便。為了便于搬運(yùn)和機(jī)構(gòu)的布置，鉆機(jī)和油泵各用一臺電機(jī)單獨驅(qū)動，而回轉(zhuǎn)器與絞車共用一臺電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動，因此電機(jī)總功率為：式中：—鉆機(jī)的電機(jī)功率，；—鉆機(jī)鉆進(jìn)時鉆桿所需的功率，；設(shè)計公式為：（3-1）式中：—孔底破碎巖石所用的功率，；—鉆頭與孔底巖石摩擦消耗的功率，；—回轉(zhuǎn)鉆桿所用的功率，；—機(jī)械效率，0。85。1.孔底破碎巖石所需功率（3-2）式中：—立軸轉(zhuǎn)速，;—鉆頭切削刃數(shù)，m=6;—鉆進(jìn)速度，;—巖石抗壓強(qiáng)度，取2000、4000、8000、12000詳見表3-1;—井底環(huán)狀切削面積，取鉆頭直徑，內(nèi)孔直徑表3-1不同土層的抗壓強(qiáng)度巖石名稱抗壓強(qiáng)度δ（N/cm2）粘土、頁巖、片狀砂巖4000石灰?guī)r、砂巖8000大理石、石灰?guī)r10000堅硬的石灰?guī)r、頁巖12000黃鐵況、磁鐵礦14000煤20002.鉆頭和孔底摩擦所消耗的功率（3-3）式中：—孔底壓力，取2000N、4000N、8000N、10000N、12000N;—鉆具與巖石間的摩擦系數(shù)，?。弧獋?cè)摩擦系數(shù)，取;—立軸轉(zhuǎn)速，取;—鉆頭的外半徑，；—鉆頭的內(nèi)半徑，；3.回轉(zhuǎn)鉆桿所需要的功率（3-4）當(dāng)＞200時（3-5）式中：—硬質(zhì)合金鉆進(jìn)取，；—鉆桿直徑，；—立軸轉(zhuǎn)速，同前所述；—沖洗液比重，。將以上參數(shù)及立軸的不同轉(zhuǎn)速分別帶入式3-2、3-3、3-4、3-5和3-1中，所得的數(shù)據(jù)列入表3—2中。表3-2鉆機(jī)各部分功率n20038020000。38050。446740000。76090。893980001。52191。7879100001。90242。2335120002。28282。680220000。52270。993240001。04551。986580002。09103。9730100002。61384。9660120003。13655。95953。41296。484520005。07789。322840006。140411。017580008。265614。4064100009。328416。09881200010。390817。7932通過以上計算可知，回轉(zhuǎn)器滿足最大鉆速運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的功率：故在選擇電機(jī)時只要滿足這個功率即可達(dá)到要求，故在文獻(xiàn)［5］中選擇Y180M-4型三相異步電動機(jī)其主要參數(shù)見表3-3。表3-3電動機(jī)的參數(shù)功率滿載轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速14701500上述電動機(jī)即可滿足需求。3.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算3.2.1機(jī)械傳動系統(tǒng)機(jī)械傳動系統(tǒng)路線圖如圖3-1所示：圖3-1機(jī)械傳動系統(tǒng)簡圖回轉(zhuǎn)其轉(zhuǎn)速變化范圍，取決于地質(zhì)條件、鉆頭直徑以及轉(zhuǎn)進(jìn)方法，該鉆機(jī)采用硬質(zhì)合金鉆進(jìn)，由原始數(shù)據(jù)可知，立軸轉(zhuǎn)速范圍在，所以本鉆機(jī)采用高低兩檔變速，通過撥叉直接撥動滑移齒輪進(jìn)行調(diào)速，一檔速度為，此時鉆機(jī)處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)，適合煤的開采和巖石鉆孔；二檔速度為，此時鉆機(jī)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，適合沙石地的鉆孔。3.2.2變速箱的結(jié)構(gòu)特點變速箱分變速部分、分動部分以及操作部分、殼體組成，也是變速與分動部分合為一體的傳動變速箱。其主要特點是：1.采用回歸式的傳動形式，箱體為扁平狀，有利于降低鉆機(jī)的高度。變速、分動相結(jié)合，減少零件數(shù)目，有效利用變速箱內(nèi)部空間，節(jié)省材料；2.操縱機(jī)構(gòu)采用了齒輪齒條撥叉機(jī)構(gòu)，操縱省力，工作可靠，每個滑動齒輪單獨控制，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。3.殼體是由鑄鐵制成，故有良好的工藝性。3.2.3傳動比的分配該鉆機(jī)的總傳動比為：當(dāng)變速箱處于低速擋位時，；根據(jù)傳動比分配原則，，該鉆機(jī)變速箱為兩級傳動，所以：，則，當(dāng)變速箱處于高速擋位時，根據(jù)傳動比分配原則，，該鉆機(jī)變速箱為兩級傳動，所以：，則，3.2.4齒輪強(qiáng)度的計算1.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計（1）由設(shè)計計算公式進(jìn)行試運(yùn)算：（3-6）用公式（3-6）來估算計算分度圓直徑，式中：—小齒輪分度圓直徑；—齒寬系數(shù)，查文獻(xiàn)［16］得，=1；—材料的彈性影響系數(shù)，查文獻(xiàn)［16］得，=189。8MPa—小齒輪傳動轉(zhuǎn)矩，式中：—輸入功率，查文獻(xiàn)［16］得，=18。5；—小齒輪轉(zhuǎn)速，查文獻(xiàn)［16］得，=1470。求得：=—小齒輪齒數(shù)，選小齒輪齒數(shù)為，則大齒輪齒數(shù)；—載荷系數(shù)，試選；—接觸疲勞許用應(yīng)力，式中：—解除疲勞壽命系數(shù)，查文獻(xiàn)［16］得，、；—接觸疲勞強(qiáng)度極限，查文獻(xiàn)［16］得，、；—安全系數(shù)，查文獻(xiàn)［16］得，=1。求得：；。求得：（2）計算圓周速度：（3）計算齒寬：（4）計算齒寬與齒寬之比：式中：—齒輪模數(shù)，（5）按實際載荷系數(shù)校正所得分度圓直徑：=式中：—載荷系數(shù)，=，查文獻(xiàn)［16］可知使用系數(shù)=1.25，動載系數(shù)=1.3，齒輪為直齒輪，故：==1，小齒輪為相對支承非對稱布置，故：=1.492。求得:=1.25（6）計算模數(shù):2.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計設(shè)計公式為：（3-7）用公式（3-7）來估算齒輪模數(shù)，（1）查文獻(xiàn)［16］可知，大小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限，，；（2）查文獻(xiàn)［16］可知彎曲疲勞壽命系數(shù)，；取彎曲疲勞安全系數(shù)，由以上數(shù)據(jù)可得：（3）計算載荷系數(shù)，；計算得：；（4）查文獻(xiàn)［16］可知齒形系數(shù)；（5）查文獻(xiàn)［16］可知應(yīng)力校正系數(shù)；（6）計算大小齒輪的并加以比較：；；可見大齒輪數(shù)值較大。將以上數(shù)據(jù)帶入（4-2）得：，就近取4對比計算結(jié)果，由齒面接觸強(qiáng)度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)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)度計算所得的模數(shù)3.9，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值mm。3.幾何尺寸計算（1）齒數(shù)的計算由，算出小齒輪齒數(shù)：。式中：—齒數(shù)比，=（2）分度圓直徑的計算（3）中心距的計算（4）齒寬的計算，取，以上計算表明，彎曲強(qiáng)度滿足要求，齒輪尺寸無需調(diào)整。由以上校核過程可知，該齒輪對滿足強(qiáng)度要求，同時在該變速箱中，此齒輪對為最危險齒輪。故不對其它齒輪進(jìn)行校核，也可以達(dá)到強(qiáng)度要求。通過以上步驟的計算可得其他齒輪數(shù)據(jù)，可見表3-4。表3-4齒輪的詳細(xì)參數(shù)齒輪齒數(shù)模數(shù)齒寬變位系數(shù)材料硬度齒頂系數(shù)壓力角17460040Cr26012034450045Cr28012050225040Cr260120180230045Cr28012058330040Cr260120115320045Cr280120542。518040Cr2601201352。525045Cr2801203.3傳動軸直徑的確定3.3.1軸的功率的確定確定各傳動件的效率，安全起見，各功率均取較小值，見表3-5：表3-5各軸的功率項目軸聯(lián)軸器軸承齒輪總功率I0.980.990.960.90288II0.990.960.9504III0.990.960.9504各軸的實際功率為：各軸的轉(zhuǎn)速:3.3.2軸的設(shè)計及聯(lián)軸器的選取初選軸的材料為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，由文獻(xiàn)[18]表26。3-2取，則：2.初步選定聯(lián)軸器和計算轉(zhuǎn)矩聯(lián)軸器是機(jī)械傳動中常用的部件。它用來把兩軸聯(lián)接在一起，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時兩軸不能分離；只有在機(jī)器停車并將聯(lián)接拆開后，兩軸才能分離。凸緣聯(lián)軸器是把兩個帶有凸緣的半聯(lián)軸器聯(lián)成一體，以傳遞運(yùn)動和轉(zhuǎn)矩。凸緣聯(lián)軸器的材料可用灰鑄鐵或碳鋼，重載時或圓周速度大于時應(yīng)用鑄鋼或碳鋼。由于凸緣聯(lián)軸器屬于剛性聯(lián)軸器，對所聯(lián)兩軸的相對位移缺乏補(bǔ)償能力，故對兩軸對中性的要求很高。當(dāng)兩軸有相對位移存在時，就會在機(jī)件內(nèi)引起附加載荷，使工作情況惡化，這是它的主要缺點。但由于構(gòu)造簡單、成本低、可傳遞較大轉(zhuǎn)矩，故當(dāng)轉(zhuǎn)速低、無沖擊、軸的剛性大、對中性較好時亦常采用。由文獻(xiàn)[19]表14-1，取查文獻(xiàn)[19]附表F-4，選取型號為GYS5的凸緣聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩，軸孔直徑，聯(lián)軸器長度，聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度，如圖3-2所示。圖3-2凸緣型聯(lián)軸器3.鍵的選擇與校核聯(lián)軸器外鍵的選取由文獻(xiàn)[19]表6-1，，??；。根據(jù)鍵的剪切強(qiáng)度公式（3-8）式中：—傳遞轉(zhuǎn)矩，有；—鍵與輪轂的接觸高度，；—許用壓強(qiáng)，查文獻(xiàn)［19］取。將上述數(shù)據(jù)帶入公式（3-8）得故鍵滿足需求。3.4各軸支承方式的選用I軸上有卸荷齒輪，I軸上的軸承只承擔(dān)徑向力，故采用深溝球軸承，I軸重左端軸承采用6307支撐。II軸經(jīng)受力分析可知，只受徑向力，故采用深溝球軸承，II軸左端軸承采用6007，右軸承采用6207。III軸采用三支承結(jié)構(gòu)，前支承用圓錐滾子軸承且為主要支承，中、后支承采用球軸承為輔助支承。3.5主要零件的驗算在變速箱中共有三根軸，其中Ⅲ軸負(fù)荷最大，而且相對尺寸直徑小、長度長。下面僅以該軸的強(qiáng)度壽命進(jìn)行驗算。Ⅲ軸共有兩種工作狀態(tài)，向回轉(zhuǎn)器傳遞兩種狀態(tài)的動力，相比而言回轉(zhuǎn)器的200r/min的轉(zhuǎn)速時該軸扭矩最大，受力最大。Ⅲ軸的驅(qū)動校核：已知下列條件：材料40Cr，調(diào)質(zhì)，該軸的兩個轉(zhuǎn)速及傳遞的扭矩見表3-6：表3-6軸的轉(zhuǎn)速扭矩轉(zhuǎn)速（r/min）扭矩（N·m）備注Ⅰ檔220221．7Ⅱ檔380118．41.在各種轉(zhuǎn)速下齒輪受力的計算結(jié)果列表3-6中。2.軸的疲勞強(qiáng)度校核：從圖3-3中得知，校核軸的強(qiáng)度時，應(yīng)取低轉(zhuǎn)速的受力狀態(tài)。圖3-3軸的受力分析表3-7軸的各點的支撐力Ⅰ檔Ⅱ檔Ft45362Fr41952Ft642594Fr6944RAX194-174RBX-8831092RCX-60375RAY3680724RBY7201502RCY4921027軸的扭矩圖如圖3-3所示，現(xiàn)計算Ⅰ－Ⅰ，Ⅱ－Ⅱ截面的安全系數(shù)。截面Ⅰ-Ⅰ的彎矩：水平彎矩：=+=199垂直彎矩Ⅰ-Ⅰ：=+=542合成彎矩：截面Ⅱ-Ⅱ的彎矩：水平彎矩：垂直彎矩：合成彎矩：量截面扭矩下面是按當(dāng)量彎矩計算Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ兩截面的安全系數(shù):水平受力圖如圖3-4所示。圖3-4水平受力圖水平彎矩圖如圖3-5所示。圖3-5水平彎矩圖垂直受力圖如圖3-6所示。圖3-6垂直受力圖垂直彎矩圖如圖3-7所示。圖3-7垂直彎矩圖合成彎矩圖如圖3-8所示。圖3-8合成彎矩圖表3-8軸的危險截面校核名稱Ⅰ-Ⅰ截面Ⅱ-Ⅱ截面說明扭矩（）356356彎矩（）575223當(dāng)量力矩652380工作應(yīng)力13176。92疲勞極限350350尺寸系數(shù)0。770。77表面質(zhì)量0。850。85有效應(yīng)力集中系數(shù)1。571。57安全系數(shù)2。293。91許用安全系數(shù)2。292。29安全通過上述驗算Ⅲ軸通過校核，其它軸系從略。3.6回轉(zhuǎn)器的計算3.6.1回轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)特點本回轉(zhuǎn)器本體、立軸、立軸導(dǎo)管、直齒錐齒輪對等組成。立軸的上端裝有常閉式液壓卡盤，下端裝有液壓夾持器，其特點為：1.回轉(zhuǎn)器和給進(jìn)機(jī)構(gòu)連接緊湊；2.立軸開孔方式是采用開軸式，操作簡單，減輕機(jī)組重量；3.本體和連接盤的連接是靠圓錐面定位。磨損后可行補(bǔ)償，或調(diào)整螺栓進(jìn)行調(diào)整。3.6.2零部件的設(shè)計計算與強(qiáng)度校核1.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計由設(shè)計計算公式進(jìn)行試運(yùn)算：式中：—小齒輪分度圓直徑；—齒寬系數(shù)，查文獻(xiàn)［18］得，；—材料的彈性影響系數(shù)，查文獻(xiàn)［18］得，；—齒輪傳動轉(zhuǎn)矩，；式中：—輸入功率，根據(jù)之前計算的結(jié)果，；—齒輪轉(zhuǎn)速，根據(jù)之前計算的結(jié)果，。求得：=—小齒輪齒數(shù)，選小齒輪齒數(shù)為，則大齒輪齒數(shù)；—載荷系數(shù)，試選；—接觸疲勞許用應(yīng)力，式中：—解除疲勞壽命系數(shù)，查文獻(xiàn)［18］得，；—接觸疲勞強(qiáng)度極限，查文獻(xiàn)［18］得，；—安全系數(shù)，查文獻(xiàn)［18］得，=1。求得：。求得：mm計算圓周速度：（1）計算齒寬b及模數(shù)：mm（2）計算縱向重合度：（3）按實際載荷系數(shù)校正所得分度圓直徑：=式中：—載荷系數(shù)，=，查文獻(xiàn)［18］可知使用系數(shù)=1。25，動載系數(shù)=1。3，齒輪為直齒輪，故：==1，小齒輪為相對支承非對稱布置，故：=1。492。求得:=1。25（4）模數(shù)的計算:2.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計設(shè)計公式為：（3-9）用公式（3-9）來估算齒輪模數(shù)，（1）計算當(dāng)量齒輪（2）查文獻(xiàn)［18］可知，大小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限，，；（3）查文獻(xiàn)［18］可知彎曲疲勞壽命系數(shù)；取彎曲疲勞安全系數(shù)，由以上數(shù)據(jù)可得：（4）計算載荷系數(shù)，；計算得：；（5）查文獻(xiàn)［18］可知齒形系數(shù)；（6）查文獻(xiàn)［18］可知應(yīng)力校正系數(shù)；（7）計算大小齒輪的并加以比較：可見大齒輪數(shù)值較大。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，確定齒輪模數(shù)：，就近取2mm由，算出小齒輪齒數(shù)，3.幾何參數(shù)的計算（1）分度圓直徑的計算（2）中心距的計算（3）齒寬的計算，取，（4）按圓整后的中心距修正螺旋角對比計算結(jié)果，由齒面接觸強(qiáng)度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)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)度計算所得的模數(shù)1。02，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，以上計算表明，彎曲強(qiáng)度滿足要求，齒輪尺寸無需調(diào)整。3.7絞車的設(shè)計與計算3.7.1結(jié)構(gòu)特點本鉆機(jī)應(yīng)用于勘探地質(zhì)孔。且深度較大，在提升鉆桿中工作難度大，故應(yīng)設(shè)置絞車，方便提吊鉆桿，換鉆頭等工序。在結(jié)構(gòu)上選擇了常用的固定輪系傳動型的游星式齒輪傳動絞車，其特點是：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)功能；1.在一定范圍內(nèi)可實現(xiàn)無級調(diào)速和微動升降；2.傳動功率大，效率較高；3.傳動平穩(wěn)，且操作靈活。3.7.2主要配件參數(shù)的選擇1.確定鋼絲繩直徑d根據(jù)文獻(xiàn)[19]在GB1102-74，選定鋼絲繩6(37)，鋼絲繩參數(shù)如表3-9下：表3-9鋼絲繩的基本數(shù)據(jù)外徑：d=8。7mm總斷面面積：A=227。88總破斷拉力：抗拉強(qiáng)度：2.鋼絲繩的強(qiáng)度校核絞車最大提升負(fù)荷取，最小安全系數(shù)，在正常情況下最大起重時的安全系數(shù):在急剎車情況下，假設(shè)鋼絲繩所受最大拉力是正常負(fù)荷的2。5倍時，則安全系數(shù)為：通過以上計算可知，該鋼絲繩可以滿足工作過程的需要，故可以使用該型號的鋼絲繩。3.卷筒參數(shù)的確定由于在提吊過程中主要是對鉆桿，因此卷筒所能纏繞的鋼絲繩的長度應(yīng)充分大于單根鉆桿的長度，使其能滿足工作需要。因此確定卷筒參數(shù)如下：表3-10卷筒的基本參數(shù)卷筒內(nèi)經(jīng)卷筒外徑卷筒有效長度3.7.3絞車所需的功率計算絞車的驅(qū)動功率可由下式計算得：式中：—鋼絲繩工作過程中所受的拉力，；—絞車的纏繩速度，；當(dāng)時，時，；當(dāng)時，時，。為了減輕鉆機(jī)的整體重量，對絞車所受的功率加以限制，通過抱閘將功率控制在15～15。5以內(nèi)。絞車中行星機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算及其強(qiáng)度校核該絞車中齒輪對的主要參數(shù)見表3-11。表3-11齒輪詳細(xì)參數(shù)齒輪齒數(shù)模數(shù)齒寬變位參數(shù)材料硬度齒頂系數(shù)壓力角36340040Cr26012036325040Cr280120108325040Cr260120齒輪11、12的強(qiáng)度校核1.齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算初步計算轉(zhuǎn)矩=接觸疲勞極限，查文獻(xiàn)［19］可知，初步計算的許用接觸應(yīng)力為值:查文獻(xiàn)［19］表12。16可知，。初步計算小齒輪直徑取初步齒寬，取2.校核計算圓周速度，估計其值，精度等級，查文獻(xiàn)［19］可知，選齒輪精度8級齒數(shù)和模數(shù)，取，則使用系數(shù)，查文獻(xiàn)［19］可知，動載系數(shù)，查文獻(xiàn)［19］可知，齒間載荷分配系數(shù)，查文獻(xiàn)［19］表12。10，求由文獻(xiàn)［19］表12。10可知，則：cos=齒向載荷分布系數(shù)，由文獻(xiàn)［19］表12。11可知：載荷系數(shù)，=查文獻(xiàn)［19］可知:彈性系數(shù)，節(jié)點區(qū)域系數(shù)，接觸最小安全系數(shù)，總工作時間，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：由，接觸壽命系數(shù)，查文獻(xiàn)［19］可知，，；許用接觸應(yīng)力[]，由于，驗算計算結(jié)果表明，接觸疲勞強(qiáng)度較為合適，齒輪尺寸無需調(diào)整。3.確定傳動主要尺寸實際分度圓直徑，，，中心距，，4.齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗算重合度系數(shù)：齒間載荷分配系數(shù)，查文獻(xiàn)［19］可知，齒向載荷分配系數(shù)，載荷系數(shù)，齒形系數(shù)，查文獻(xiàn)［19］可知，，；應(yīng)力修正系數(shù)，查文獻(xiàn)［19］可知，，；彎曲疲勞強(qiáng)度極限，查文獻(xiàn)［19］可知，；彎曲最小安全系數(shù)，查文獻(xiàn)［19］可知，；應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，，（由上計算可得）；彎曲壽命系數(shù)，查文獻(xiàn)［19］可知，，；尺寸系數(shù)，查文獻(xiàn)［19］可知，。許用彎曲應(yīng)力：，，驗算：，以上計算過程表明，彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求，齒輪尺寸無需調(diào)整。通過比較可知當(dāng)該對齒輪滿足強(qiáng)度要求時，則其它齒輪一定滿足要求，故不對其它齒輪進(jìn)行校核。同時可知在絞車中的其它零件也可以滿足強(qiáng)度要求。3.8液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算3.8.1進(jìn)給油缸的設(shè)計給進(jìn)油缸的結(jié)構(gòu)為雙作用單活塞桿往復(fù)運(yùn)動油缸，所起的作用是：完成鉆孔過程中的給進(jìn)運(yùn)動；當(dāng)卡鉆及處理事故時，配合絞車起拔在鉆桿。1.工作壓力計算鉆機(jī)工作角度：與水平成油缸最大推力：式中：—油缸最大推力，；—孔底最大推力，=12000；—鉆桿與孔壁的摩擦力，；式中:—鉆桿單位長度重量，；—鉆桿長度，；—摩擦系數(shù)，=0。35則:油泵的工作壓力為：2.油缸直徑的計算根據(jù)所需油缸最大作用力以及液壓系統(tǒng)的最大工作壓力可求得油缸直徑。(3-10)式中：—油缸計算直徑；—油壓系統(tǒng)的調(diào)整壓力，取；—油缸最大起拔力，取。將上述數(shù)據(jù)帶入公式（3-10）得：3.8.2液壓卡盤的設(shè)計鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的作用：實現(xiàn)液壓卡盤的松卡鉆桿動作；實現(xiàn)鉆機(jī)鉆進(jìn)時給進(jìn)的動作；實現(xiàn)強(qiáng)力起拔動作。動力頭是座箱式鉆機(jī)的核心部件，而液壓卡盤又是動力頭的關(guān)鍵部分，它能否把六方軸的扭矩和油缸的推力傳遞給鉆桿，是鉆機(jī)打孔的關(guān)鍵；因此，液壓卡盤的設(shè)計好壞直接關(guān)系到整臺鉆機(jī)的性能和質(zhì)量。該碟形彈簧式液壓卡盤為常閉式結(jié)構(gòu)，由碟簧產(chǎn)生的推力，通過楔面?zhèn)髁C(jī)構(gòu)，最后傳遞給卡瓦夾緊鉆桿。1.液壓卡盤的設(shè)計要求液壓卡盤既要向鉆桿傳遞扭矩和回轉(zhuǎn)運(yùn)動，又要向鉆桿傳遞軸向運(yùn)動和給進(jìn)力。為了使鉆機(jī)的工作可靠，設(shè)計液壓卡盤時首先應(yīng)保證卡瓦對鉆桿具有足夠的夾緊力，且夾緊后有自鎖能力，使卡瓦央緊主動鉆桿后不出現(xiàn)軸向或周向的相對滑動；其次，夾緊面積要大，夾緊力分布要均勻。不致?lián)p傷主動鉆桿表面；第三，應(yīng)考慮各零部件相互拆裝時的難易程度、易損件和卡瓦更換時的方便程度；第四，使用鉆桿的直徑規(guī)格不能太多，否則隨卡瓦徑向移動尺寸的增大，液壓卡盤的外形尺寸也相應(yīng)增加，如果采取更換卡瓦來滿足不同直徑的鉆桿，液壓卡盤就要經(jīng)常拆裝，將影響鉆機(jī)的使用性能。因此，液壓卡盤的設(shè)計既要保證夾緊可靠和拆裝方便，又要盡量縮小其外形尺寸。2.液壓卡盤的工作原理其工作原理是夾緊鉆桿依靠喋型彈簧安裝時的預(yù)緊力，使移動套上移，移動套內(nèi)孔為圓錐形，迫使主軸槽內(nèi)的三塊卡塊同時向中心移動，完成卡緊動作。當(dāng)松開卡盤時，是靠加入卡盤油缸中的壓力油克服碟型彈簧的彈力，并壓縮碟型彈簧，迫使活塞及移動套下移，由于移動套離開了卡瓦，主軸的兩個漲環(huán)將卡瓦彈回到圓錐面外徑的位置，完成松開鉆桿的動作。高壓油從上部進(jìn)入推動活塞移動，活塞帶動推力軸承和卡套下行，卡套壓緊蝶形彈簧，由于卡套與卡瓦為斜面配合，因此卡套下行驅(qū)動卡瓦在卡套的‘T’型槽內(nèi)向外移動，松開鉆桿。需要夾緊時，操作液壓系統(tǒng)的卡盤控制閥，卸掉油壓，在蝶形彈簧的彈力作用下，卡套上移，驅(qū)動卡瓦作徑向收縮，卡緊鉆桿。3.液壓卡盤的設(shè)計計算卡盤夾緊力的大小，取決于碟型彈簧的軸向推力，軸向推力越大，夾緊力就越大。(1)卡瓦對鉆桿的夾緊力N?？ㄍ邔︺@桿的夾緊力N必須滿足下式：式中：—最大起拔力，—卡瓦與鉆桿的摩擦系數(shù)，f=0。5。所以:N≥==120kN(2)碟型彈簧的軸向推力彈簧對卡瓦的軸向推力為：（3-11）式中：—卡瓦與鉆桿間的法向推力；—卡瓦的斜角，；—當(dāng)量摩擦角，；—儲備系數(shù)，。將上述數(shù)據(jù)帶入公式（3-11）得：(3)卡盤松開時所需油壓的計算根據(jù)碟型彈簧的特性，松開卡盤時所需油壓力為：(3-12)式中：—碟型彈簧的最大理論彈力，—環(huán)狀油缸面積(3-13)式中：—油缸直徑，—活塞桿直徑，將上述數(shù)據(jù)及計算結(jié)果帶入公式(8-3)、(8-2)得：(4)碟型彈簧總變形量的計算式中：—碟型彈簧總變形量，；—一片彈簧的變形量，；—彈簧片數(shù)，取n＝9。九片彈簧預(yù)壓變形最低為38。7，最大為98。01，移動套軸向移動范圍只能在△L=98。01-38。7=59。31。(5)卡瓦徑向伸縮量計算式中：—卡瓦徑向伸縮量；—卡瓦的斜角，??；(6)剛體強(qiáng)度的計算油缸壁厚為：(3-14)式中：—試驗壓力，；當(dāng)時，＝；；—工作壓力，；D—油缸內(nèi)徑，D＝0。32m；—缸體材料許用拉壓力，（其中為材料抗拉強(qiáng)度），S—安全系數(shù)，S=3。5～5，取S=4。將上述數(shù)據(jù)帶入公式（3-14）得：取t=8mm，所以強(qiáng)度足夠。3.8.3進(jìn)給油缸所需要的功率油缸的基本參數(shù)見表3-12。表3-12油缸的基本參數(shù)油缸數(shù)量2個油缸直徑活塞桿直徑活塞桿有效行程油缸面積活塞桿面積有效面積1.工作壓力計算鉆機(jī)工作角度：與水平成油缸最大推力：式中：—油缸最大推力；—孔底最大推力，=12000；—鉆桿與孔壁的摩擦力，；式中:—鉆桿單位長度重量，=60。5;—鉆桿長度，=75—摩擦系數(shù)，=0。35則:油泵的工作壓力為：2.油泵最大工作流量的計算油缸回程時的最大容量：油缸送進(jìn)時的最大容油量：當(dāng)選用鉆進(jìn)速度時，立軸每分鐘消耗油量為：令活塞回程時間為，則回程油量為：3.進(jìn)給油缸所需功率4.根據(jù)以上計算，查［5］選用CB—C型齒輪泵，其主要參數(shù)為:排量：額定壓力：額定轉(zhuǎn)速：油泵滿載負(fù)荷時所需要的功率：式中：—額定壓力，—額定流量，—機(jī)械效率，—容積效率，則：通過以上計算可知，油泵滿負(fù)荷時所需的最大功率為， 故在選擇時，只需要滿足油泵的負(fù)載功率和油的額定轉(zhuǎn)速即可達(dá)到要求，故在文獻(xiàn)［5］中選擇YB100L2-4型三相異步電動機(jī)，主要參數(shù)見表3-13。表3-13電機(jī)的主要參數(shù)功率轉(zhuǎn)速3上述電動機(jī)即可滿足需求。結(jié)論本文設(shè)計的礦用旋噴鉆機(jī)具有一定的通用性，它可用于煤礦井下打瓦斯抽放孔、煤層注（探）水孔、通風(fēng)孔、滅火注漿孔、電纜孔等工程鉆孔，也可用于鉆探地質(zhì)勘探孔