毕业设计（论文）-200米液压钻机变速箱的设计（含全套CAD图纸）

I 摘要 随着我国地质勘探、工程建设和农田水利等事业的发展，对各种钻探设备 提出了更多的要求。钻机作为钻探设备的重要工具之一，在这些工程中起了举 足轻重的作用。为了适应当前各种勘探工作和工程建设项目对浅孔钻机的要求， 本设计任务在 TXU-150 型钻机的基础之上进行了一些改进，设计出了钻探深 度为 200 米的液压钻机。设计中根据钻机使用的环境和场合，运用比较和参 照的方法，借鉴同类型钻机的设计参数，通过比较分析，重点对变速箱重新进 行设计计算。在此基础之上运用绿色设计的理念，对不影响钻机性能的环节进 行了优化。最后，设计出的 200 米钻机理论上满足钻探深度为 200 米的设计 要求，同时尽量节省了制造成本和生产时间。 关键字关键字 地质勘探 钻机 变速箱 全套全套 CAD 图纸，联系图纸，联系 153893706 II Abstract With the high development of geology explore, engineering constructions, and farmland irrigation in our country ,various drilling equipments are put forward more requests.As one of the most important tools in explore manchines,drill machine having the prominent function in these engineering constructions.For adapting to various current explore works and engineering constructions,which gives drill manchines more new requests.This design mission started on the foundation of TXU-150 drill machine,and than carried on some improvements.As a result,a new liquid pressure drill manchine which can drill holes as deep as 200 metres was designed. According to the drill environment and situations of the machine usage,this design mission used of the comparison method, taked design parameter from the same kind type drill machines.Passed more analytical,I redesigned the gear- box of the 200-metre drill machine as my key work. At this foundation on make use of the principle of green design, to not affected the function of the machine,it carry on optimal design.At the end of the work,the designed machine satisfy to drill holes of depth as 200 meters in theorety.At the same time, it save the manufacturing costs and producing time as could as possible. Key words geology explore drill machine gear-box III 第 1 章 绪 论 1.1 选题的意义 本设计选择了 200 米钻机的变速箱设计，主要原因是当前我国地质勘探、 工程建设和农田水利等事业正在逐渐完善，对各种钻探设备尤其是钻机提出了 更多的要求。现在市场上流行的钻机中以钻探深度为百米左右的液压钻机为主， 这些钻机在承担各种生产建设项目中起到了至关重要的作用。但是，我们通过 调查和了解发现，随着生产建设项目的扩大，市场对上钻探深度为几百米的液 压钻机的需求量正在逐步上涨，尤其是钻探深度为 200 左右的钻机，市场前景 更加乐观。变速箱是钻机中最重要的部分之一，通过对钻机变速箱的设计改进， 就解决了钻机设计制造中的关键环节。所以，选择 200 米液压钻机变速箱的设 计不仅对钻机这个生产行业有着重要的经济意义，同时间接推动了我国国民经 济的发展，意义十分重大。 1.2 钻机概述 1.2.1 钻机的功用 钻探是地质勘探工作的重要手段之一。钻机是实现该手段的主要设备。其 基本功用是以机械动力带动钻头向地壳钻孔并采取岩矿心。钻机同时还是进行 石油、天然气勘探及开采、水文水井钻探、工程地质钻探等工程的重要设备。 1.2.2 对钻机的要求 2 钻机的技术性能要保证在施工中能满足合理的工艺要求，以最优规程，达 到预计的质量要求；维护保养简单容易；安装拆卸搬迁方便；利于快速钻进； 钻进辅助时间短；钻孔施工周期短；体力劳动强度低等。概括起来说，是钻机 要为多、快、好、省地完成钻探生产任务创造有利条件。 根据钻机的基本功用，对钻机具体要求如下： 1.通过回转钻具等钻进方式将动力传给钻头，使钻头具有适合钻进规程需 要的转速及调节范围，以便有效地破碎岩石； 2.能通过钻具向钻头传递足够的轴心压力，并有相当的调整范围，使钻头 有效地切入或压碎岩石； 3.能调整和控制钻头给进速度，保证连续钻进； 4.能完成升降钻具的工作，并能随着钻具重量的变化而改变提升速度，以 充分利用动力机的功率和缩短辅助时间； 5.能变换钻进角度和按一定技术经济指标旧响应深度的直径的钻孔，以满 足钻孔设计的要求和提高钻进效率。 1.2.3 钻机的组成 目前常用的钻机由如下各部分组成： 1.机械传动系统 将输入的动力变速并分配到回转、升降机构。对与液压钻机还要有驱动油 泵，以使液压系统工作的装置。 2.液压传动系统 利用油泵输出的压力油驱动马达、油缸等液动机，以使立轴回转和控制给 进机构、移动钻机、松紧卡盘等； 3.回转机构 回转钻具，以带动钻头破碎孔底岩石。 4.给进机构 调整破碎岩石所需要的轴心压力和控制给进速度。在出现孔内事故时，可 以进行强力拔出。 5.升降机构 用于升降钻具（提取岩心和更换钻头）和进行起下套管等作业。 6.机架 支承上述各机构及系统，使之组装成一个整体，成为完整的机器。 3 1.2.4 钻机的分类和名称 随着钻探工程在国民经济各部门中的广泛应用，钻机类别和型号也在增多。 为此将钻机实行科学分类和确定名称，对识别、评价和选择钻机是很有意义的。 1.分类 按用途分类 按用途不同，可将现行广泛使用的钻机分为三大类，即地质勘探用岩心钻 机；石油钻探用钻机；专用钻机（水文水井钻机、物探钻机、工程钻机等） ； 按钻机标准钻进孔深分类 根据不同孔深范围，将各种不同钻进孔深的钻机分成三类或四类。 按三类分见表 11。 表 11 (m） 类别浅孔钻机中深孔钻机深孔钻机 10300 10300 300800 300800 8001200 10002000 按四类分类见表 12。 表 12 （m） 浅孔钻机次深孔钻机中深孔钻机深空钻机 10150200400500800 900 以上 按原来地质总局设备管理分类 钻机可分为六类，即浅孔钻机、岩心钻机、石油钻机、水文水井钻机、 汽车钻机和砂矿钻机； 按装载方式分类 可以分为滑橇式、卡车式、拖车式； 按破碎岩石方式分类 可分为回转式、冲击式和冲击回转式； 按回转机构型式分类 可分为立轴式、转盘式、动力头式； 按进给机构分类 4 可以分为手轮（把）式、油压式、螺旋差动式、长油缸式、油马达链 轮式。 2.名称 钻机的名称是按照钻机综合特征及主要性能，以汉字拼音字母及数字编 排成的代号来表示的。通常把这种代号称为型号，并以铭牌指示在钻机上。 国产钻机名称一般有三部分组成： 首部为用途类别和结构特征代号，用汉语拼音中的一个字母表示。如 “X”是汉字“心”的拼音首字母，表示钻机用于岩心钻进。 “U”是汉字“油” 的首字母，表示给进机构类型属于油压式。 中部为主要性能参数代号，用钻机标准钻进深度数字表示。如标准钻进 深度为 200 米的钻机，中部代号为 200。 尾部为变型代号，可用汉语拼音字母中的一个字母或数字为代号。无尾 部的是指首次产品。如是第二次修改后的产品，尾部代号为 2。 1.3 本设计主要内容 1.设计题目：200 米液压钻机变速箱的设计 主要技术参数：见表 11 表 11 钻探深度 200m 立轴转速120、240、350、600r/min 开孔直径 89mm 终孔直径 60mm 钻机角度 0360 5 6 第 2 章 钻机的总体设计 2.1 本设计钻机的应用场合 200 米型钻机主要用于钻探深度为 200 米的各种角度的放水孔、地质构造 孔、灭火孔、抽放瓦斯孔及铁路、公路、桥梁、隧道、国防建设、工业民用建 设、农田打井及地质勘探、工程爆破以及其它用途的各种工程孔。 该机可用于不同硬度的岩石中钻探任何角度的钻孔，而在煤层、软岩层、 硬岩层中钻孔和农田打井时效率为最高。整个机组由两部分组成，即 200 米钻 机、TBW150/3.0 泥浆泵。钻机冲洗液为泥浆或清水。在地面钻探不需要使 用钻塔，只要有一定高度的三角架可供提升使用就可以。 本 200 米钻机配备动力为电动或柴油机，适用于井上、井下或野外没有电 源的场地作业。 2.2 设计方案的确定 2.2.1 本设计钻机的特点 通过市场调研了解到，目前钻探工程对钻孔深度 200 米左右的钻机需求 量日趋增加，而当前的 200 米钻机，存在着劳动强度大、适应性差等缺点。鉴 于以上原因，我们决定改进 200 米钻机。经几次方案讨论决定，钻机应具有以 下特点： 1. 经济耐用可靠、质优价廉； 2. 便于解体搬运； 3. 体积小，重量轻； 4. 操作简单，维修方便； 5. 适用于 42、50mm 两种钻杆； 6. 适用于合金钻头或金刚石钻头钻进； 7. 钻进速度快，效率高； 8. 动力为电机或柴油机。 7 2.2.2 总体设计方案的确定 经过调研和几次方案论证，考虑到现场特点，从实用角度出发，确定方 案如下： 1.考虑到井下、井上和野外作业，动力可选电机或柴油机； 2.考虑到有软岩石、硬岩石的钻进，除了正常的钻进速度外，增加高速 600r/min； 3.钻机除配机动绞车外，增加了液压卡盘减轻劳动强度，节约时间，提高 有效钻进速度； 4.考虑到高转速时，绞车速度不能太快，所以增加了互锁装置，安全可靠； 5.由于本机动力较大，动力由 V 型带传动到变速箱的传动轴上易使传动轴 弯曲，所以增加了卸荷装置； 6.采用二级回归式变速箱，减少变速箱体积，根据不同的地质条件，选用 不同的钻进速度； 7.在满足上述要求的同时，尽量结构简单，操作方便，适于整体或解体搬运。 尽量做到标准化, 通用化，系列化。 2.3 钻机的技术特性和要求 考虑到钻机的实际工作情况，根据我国当前生产技术和工艺水平，本 TXU200 型钻机的技术特性为： 1.钻进深度(使用 42 或 50 钻杆) 200m 2.钻孔直径 开孔直径 89m 终孔直径 60mm 3.钻孔倾斜角度 0360 4.立轴转速 120、240、350、600r/mm 5.立轴行程 500mm 6.最大液压给进压力 4 MPa 7.卡盘最大工作压力（弹簧常闭式液压卡盘） 6 MPa 8.立轴内孔直径 52mm 9.油缸最大起拔力 28.5KN 8 10.油缸最大给进力 20KN 11.绞车提升速度 0.26、0.61、0.70m/s 12.绞车转速 33、79、91r/min 13.绞车提升负荷 0.70m/s 3.35KN 0.61m/s 6.00KN 0.26m/s 12KN 14.卷筒 直径 140mm 宽度 100m 钢丝绳直径 8.8mm 容绳长度 32.8m 15.配备动力 电动机 型号 YB160L4 电压 380/660V 功率 15KW 转速 1460r/min 9 第 3 章 动力机的确定 3.1 输出功率计算 根据现场需要，动力机的选择偏大些，加大储备系数，这样可以提高钻进 效率。 输出功率为 0 N （31） 0 1.1 j NN 式中： 钻机所需功率(KW) j N hy j NN N 式中: 回转钻及破坏岩石、土层所需功率(KW) h N 效率 =0.9 油泵所需功率(KW) y N 3.2 回转钻进及破碎岩石、土层所需功率 回转钻进及破碎岩石、土层所需功率计算公式如下： = （32） h N 123 NNN 式中: 井底破碎岩石、土层所需功率(KW) 1 N = 1 N 34 3060000 A mnh 式中: m钻头切削刃数 取 m=6 n立轴转速（r/min） r/min h钻进速度(cm/min) 当转速 130r/min、250r/min 时,h=5cm/min 当转速 350r/min、600r/min 时,h=1.5cm/min 岩石抗压强度,其值见表 3-1 井底环状面积，取钻头直径 D=7.7cm,内孔直径 d=5.9cmA cm2 2222 ()(7.75.9 ) 19.3 44 Dd A 10 钻头与孔底摩擦所需功率(KW) 2 N （33） 2 () 1944800 fe n NRr 式中: 孔底压力或岩石抗压强度； 钻具与岩石直接的摩擦系数 f=0.5f e侧摩擦系数 e=1.1 立轴转速(r/min)n R钻头外圆半径(cm) R=3.85cm r钻头内孔半径(cm) r=2.95cm 将立轴不同转速和不同孔底压力代入式（33）中,所得相应数值见 表 31。 回转钻杆所需功率(KW) 3 N 当200r/min 时 1121.33 3 0.92 10NdrLn 式中：孔深(mm) ， 硬质合金钻进时，取200000mmLL 金刚石钻进时，取75000mmL 钻杆直径(mm) 取=50mmdd 立轴转速(r/min)n 冲洗液比重, =1.15rr 将上述参数及立轴不同转速代入上式，所得值列表 32 中。 11 12 3.3 给进油缸所需功率的计算 3.3.1 给进油缸的基本参数 1. 给进油缸的基本参数 给进油缸的数量 2n 油缸直径 55mmD 活塞杆直径 30mmd 活塞杆有效行程 500mmL 油缸面积 23.75cm2 1 A 活塞杆面积 7cm2 2 A 有效面积 16.76cm2 12 AAA 3.3.2 油缸工作压力的计算 钻机大水平孔时，油缸的最大推力为： m WCF 式中：油缸最大推力(N)W 孔底最大压力(N) C13345NC 钻杆与孔壁间的摩擦力(N) m F m FqLf 式中：钻杆单位长度重量(N/m) 55.46N/mqq 钻杆长度(m) 200mLL 摩擦系数 0.35ff N55.46 200 0.353882.2 m F 故 N133453882.217227.2W 油泵的工作压力P 13 MPa 17227.2 10.28 16.76 W P A 3.3.3 油泵最大工作流量计算 油缸回程时的最大容油量: L 11 23.75 501.187VAL 油缸送进时的最大容油量: L 2 16.76 500.838VA L 当选用立轴的钻进速度 =0.05m/min=0.5dm/min 时,立轴送进时每分钟v 所需的油量为: L/min22 0.1676 0.50.166QAv 令活塞回程时间为 0.3min,则回程所需油量为: L/min 1 1.187 2 7.913 0.3 Q 3.3.4 给进油缸功率计算 根据以上的计算，可以得到给进油缸的功率： KW 1027.88 0.166 0.028 60 10260 102 gy PQ N 3.3.5 油泵满负荷工作时所需要的功率 根据上面的计算,选用 YBC12/80 型齿轮油泵(排油量 12L/min,额定压力 8MPa,最大压力 12MPa)。油泵满负荷时所需功率是： (34) 12 60 102 y PQ N 式中: 额定压力(N/cm2) =800N/cm2PP 额定流量(L/min) =12L/minQQ 机械效率 =0.9 1 1 容积效率 =0.71 2 2 14 将上述参数代入式（34）中可以得到： 800 12 2.45 60 102 0.90.71 y NKW 上式油泵排量在额定转速 1460r/min 时是 12L,在 995r/min 时是 8L。 3.4 动力机功率的确定 通过上述的计算说明，立轴钻进时给进所需功率很小，而且油泵满负荷工 作时一般是立轴停止转动状态，液压卡盘松开时，必须停止钻进。所以参考表 31，本机选用 15电机或柴油机，基本能满足表 31 中粗线以上各种工KW 作状态。 表 31 各种类型岩层的抗压强度 （N/cm2） 岩 石 名 称抗 压 强 度 粘土、页岩、片状砂岩4000 石灰岩、砂岩8000 大理石、石灰岩10000 坚硬的石灰岩、页岩12000 黄铁况、磁铁矿14000 煤2000 表 32 电机功率选择计算 功率 N（KW） 转速 r/min 抗压强度 (N/cm2) 120240350600 20000.217680.258870.115320.13195 40000.435370.517750.230640.26391 80000.870751.035500.461280.52782 100001.088441.294380.576600.65978 120001.306131.553260.691920.79173 N1 140001.523821.812140.807240.92369 20000.461530.923071.346152.30769 15 40000.923071.846152.692304.61538 80001.846153.692305.384619.23076 100002.307694.615386.7307611.5384 120002.769235.538468.0769213.8461 N2 140003.230766.461539.4230716.1538 N32.677.754.89.83 20003.349228.931956.2614712.2696 40004.0284510.11397.7229514.7093 80005.3869112.477810.645919.5885 100006.0661313.659712.107322.0282 120006.74536414.8417213.5688524.46789 N 回转器 (N1+N2+N3) 140007.42459216.0236815.0303326.90754 N 油泵 0.0280.0280.0280.028 20003.3772278.9599546.28947512.29765 40004.05645510.141917.7509514.7373 80005.4149112.5058210.673919.61659 100006.09413713.6877712.1353822.05624 120006.77336414.8697213.5968524.49589 N (N 油+N 回） 140007.45259216.0516815.0583326.93554 =N/0.9 j N 8.28065811.2687913.483813.6640 =1.1 0 N j N 9.10872412.3956714.832115.0304 16 第 4 章 机械传动系统设计 4.1 主要参数的选择 4.1.1 回转器 立轴的转速，主要取决于地质条件、钻头直径及钻进方式，当使用直径为 75mm 钻头时，采用硬质合金和钻粒，根据国内外的经验，立轴转速取 n90400r/min 比较适宜；采用金刚石钻头钻进时，立轴转速取 n4001000r/min 比较适宜。本机选用 120600r/min，即适合合金钻头钻进， 由适合金刚石钻头钻进。 4.1.2 绞车 为了减轻钻机重量，不使动力机过大，绞车的缠绳速度不宜过高，基本 上采用低速，本机升降机速度为 0.260.70m/s。 卷筒缠绳速度为三种，见表 41 表 41 绞车卷筒缠绳速度 4.1.3 变速箱 参考国内外现有小型钻机的转速系列，本机采用了不规则排列的中间转速 系列。 立轴有四种转速，120、240、350r/min 转速适合合金钻头钻进，600r/min 转速适合金刚石钻头钻进。 4.2 机械传动系统初步计算 4.2.1 立轴的转速 根据机械传动路线，立轴的转速计算如下： 31011 22411 ZZDZ nn DZZZ 档档档档 立轴转速 r/min120240350600 缠绳速度 m/s0.260.610.70 17 式中:立轴的第一档转速(r/min) n 电机转速(r/min) n=1460r/minn 主动皮带轮直径(mm) D1=160mm 1 D 大皮带轮直径(mm) D2=355mm 2 D Z1Z11传动链中各齿轮的齿数,Z1=25,Z2=31,Z3=19,Z4=40 Z10=20,Z11=39 故 r/min 160251920 1460125.26120 355314039 n 第二档、第三档和第四档转速分别计算如下： 第二档： = n 51011 22611 ZZDZ n DZZZ 式中:Z5=28,Z6=31 故 = r/minn 160252820 1460245.86240 355313139 第三档： = n 1011 2114 ZDZ n DZZ 内 式中: Z4 内=24 故 = =351.5350r/minn 1602520 1460 3552439 第四档： = n 781011 228116 ZZZDZ n DZZZZ 内 式中: Z7=46,Z8=21,Z6 内=21 故 = n 16025472120 1460609.1600 /min 35531212131 r 考虑到皮带传动、齿轮传动、轴承等的效率，所以各档转速确定为 120、240、350、600r/min。 4.2.2 绞车的缠绳速度 第一档速度: 18 m/s 391311 1 2241214 () 60000 ZZZDZD n DZZZZ 式中:mm 0 1408.8148.8DDd 式中:=140mm 为卷筒直径,=8.8mm 为钢丝绳直径。 0 Dd 故 =0.28 1 148.8160251833 1818 (1460) 600003553138831854 /m s 同样方法可以得到: m/s m/s (计算从略) 2 0.68 3 0.75 考虑到皮带、轴承、齿轮等的效率，确定绞车提升速度分别为： 0.26ms =0.61m/s =0.70m/s。 1 U 2 U 3 U 19 第 5 章 变速箱的设计与计算 5.1 变速箱的结构特点及设计要求 5.1.1 结构特点 变速箱的结构有变速部分、分动部分、操纵部分和箱体组成。本设计中变 速部分和分动部分合为一整体，缩小了箱体的结构尺寸。其具体特点是： 1.采用了回归式的传动形式，箱体呈扁平状，有利于降低钻机的高度，齿 轮 Z4即使移动齿轮又是结合子，因此结构紧凑； 2.变速、分动相结合，减少了零件的数目，有效利用变速箱内的空间； 3.操纵机构采用了齿轮齿条拨叉机构，操纵灵活可靠，每个移动齿轮单独 控制，并有互锁装置，这种互锁装置安全可靠，结构简单； 4.增加了卸荷装置，减少了齿轮的受力。 5.1.2 设计要求 1.在校核零件强度时，假设电机的功率全部输入变速箱，然后再输入绞车 和回转器； 2.变速箱在不更换齿轮的情况下，可连续工作 10000 小时，纯机动时间每 班 16 小时，可连续工作 20 个月。 每种速度的工作时间分配情况见表 61。 表 51 变速箱四种速度工作时间分配情况 转速（r/min）占总工作时间百分率工作时间(h) 12030%3000 24030%3000 35020%2000 60020%2000 3.本设计零件的强度和寿命计算方法和数据是按机械设计手册 （化学 工业出版社）计算的。 20 5.2 齿轮副的强度计算与校核 5.2.1 变速箱内各齿轮主要参数确定 根据立轴转速的要求，前面已经初步选择各齿轮的齿数，由钻机的实际情 况，变速箱内各齿轮的主要设计参数见表 62。 表 52 变速箱内齿轮的主要设计参数 齿轮 编号 齿数 Z模数 m齿宽 b 变 位 系数 Xn 材料硬度 RC应力角 备 注 Z1254401.040Cr405020 Z2314300.7640Cr405020 Z319430020CrMnTi576220 Z440430040Cr405020 Z528425040Cr405020 Z631425040Cr405020 Z7473.525-1.0340Cr405020 Z8213.5350.0440Cr405020 5.2.2主要齿轮副的强度设计计算与校核 现选择变速箱中重要传动轴轴上的 Z3、Z4齿轮副为例进行齿轮副的强 度设计计算和校核。 1.按照齿面接触疲劳强度计算 初步计算 计算转矩 3 T Nmm 66 3 3 13.968 9.55 109.55 10251369.8 530.67 P T n 21 齿宽系数 查阅相关手册，取=0.4 d 接触疲劳极限 查阅相关手册，Z3、Z4两齿轮的接触疲劳极限分别 为：=1080MPa =970MPa lim3H lim4H 初步计算的许用接触应力MPa 3H lim3 0.90.9 1080972 H =873MPa 4 H lim4 0.90.9 970 H 值 查阅相关资料，取=88 d A d A 初步计算小齿轮直径 3 d mm 3 3 3 3 22 (1)278735.4 (2.1 1) 8872.56 0.7 9722.1 d dH T u dA u 取=73mm 3 d 初步齿宽 mm 取=30mmb 3 0.4 7630.4 d bdb 参数选取计算 圆周速度v m/s 3 3.14 73 530.67 2.03 60 100060000 d n v 使用系数 查阅相关资料，取=1.25 A K A K 动载系数 查阅相关资料，取=1.15 v K v K 齿间载荷分配系数 H K 由相关资料，先求小齿轮切向力 t F 22 N 3 3 22 251369.8 6614.99 73 t T F d 然后有 N/mm 1.25 6614.99 168.75 30 At KF b : 100N/mm 同时 34 34 34 ()()ZZ zz 查阅相关资料得， 3 3 0.038 Z 4 4 0.017 Z 故 =190.038+400.017=1.40 从而可以得到重合度系数z 44 1.40 0.93 33 Z 由此可得 22 11 1.16 0.93 H K Z 齿向载荷分布系数 H K 查阅相关资料得到： 223 33 1 0.6() ()10 H bb KABCb dd : 223 3030 1.170.161 0.6() ()0.61 1030 7676 =1.81 载荷系数K 23 AvHH KKK KK : =1.251.151.161.81 =3.02 载荷系数 查阅相关资料，取MPa1/2 E Z189.8 E Z 节点区域系数 查阅相关资料，取=2.5 H Z H Z 接触最小安全系数 查阅相关资料，取=1.05 limH S limH S 总工作时间 按照要求=10000h h t h t 应力循环次数 查阅相关资料，估计 10716MPa 时 PPPn125% Pn工作压力（Pa） D油缸内径(m) D0.17(m) 缸体材料许用拉压力 p b P S 47 式中：为材料抗拉强度 p S安全系数 S=3.55，取 S=4 故 Pn=600104(Pa) PP=600104150%=900104（Pa） 6 6 60 10 17 10 Pa 3.5 b p S 46 0.17 900 1017 100.0045m 2 t 取 t=8mm,所以强度足够。 8.2 给进油缸的设计 给进油缸为双作用单活塞杆往复运动油缸，所起的作用是： 1.完成钻孔过程中的给进运动； 2.当卡钻及处理事故时，配合绞车起拔在钻杆。 8.2.1 钻杆摩擦力的计算 TXU200 型钻机，打水平孔时，需克服 200m 钻杆的自重和孔壁的摩擦 力，其力为： 69.6 200 0.354872Fq L fN 摩 式中：q长度重量(N m); q=69.6N/m L钻杆长度(m) L=200m; 摩擦系数 =0.33ff 在低速钻进时,当井底压力 C=10000N 时,则活塞杆所产生的推力必须大于 +C,即 4872+10000=14872N,活塞杆有效面积 16.76cm2油泵工作压力为： F摩 2 14872 446.07445N/cm 16.67 2 P 8.2.2 油缸直径的计算 48 根据所需油缸最大作用力以及液压系统的最大工作压力可求得油缸直径。 2 44 32500 5.8cm 22 3.14 600 P D P 式中：D油缸计算直径(cm) D5.8cm P油压系统的调整压力(N/cm2) P=600N/cm2； P2油缸最大起拔力(N) P2=32500N。 第 9 章 使用说明 9.1 概述 本 200 米钻机主要用于矿井内部，供钻探深度为 200 米的各种角度的放水 孔、地质构造孔、灭火孔、抽放瓦斯孔及其他用途的各种工程孔，也可以在地 面钻探深度为 200 米的地质勘探孔及其他用途的各种浅孔。 本钻机可在各种不同硬度的岩层中钻探任意角度的孔，尤其在煤层、软岩 石及中硬岩石中钻孔效率为最高。整个机组由 200 米钻机及泥浆泵两部分组成。 在矿井内部钻探时不需要井架。钻孔冲洗液为泥浆、清水或煤水。在地面钻探 时也不需要使用钻塔,只要有一定高度的三角架可供提升使用就可以。 9.2 钻机分组情况 本 200 米钻机共分六组，整机外观总装图附录 3。 1回转器（JW01）：是钻机立轴产生回转及往复运动部分。 2变速箱（JW02）：是钻机立轴、绞车产生各种不同转数的传动与变 速部分。 3绞车（JW03）：是升降钻具的部分。 4抱闸（JW04）：是用来提升与停止钻具在任何位置的部分。 5机架（JW05）：是连接机器各组的机体，并将机器稳定地固定在钻 49 场基台木上。 6操纵仪（JW06）：是控制钻机液压系统的总枢钮。 9.3 结构特征与工作原理 本钻机型式为：机械传动、液压给进、弹簧夹紧、立轴式钻机。 9.3.1 钻机结构 1.回转器（JW0105） 回转器部分主要由液压卡盘、立轴、本体、立轴导管、大弧齿锥齿轮、两 根油缸和两根导向杆组成。 （1）液压卡盘主要由下列构件组成：五片碟形弹簧和位于其上的带外环、 内锥的移动套；位于外环上的活塞；插入碟形弹簧和移动套内孔中的主轴；主 轴中的三片卡瓦外锥与移动套内锥相配合，卡瓦置于主轴上部的三个等分的槽 中。下部由两轴承支持。卡盘的外壳，即缸体和压头座，由螺栓联接在一起。 卡盘的主要动作是高压油从上部进入缸体推动活塞下移压移动套，移动套压碟 形弹簧，由于移动套下移，三片卡瓦在主轴槽内呈自由状态，被主轴内的涨环 外推，松开钻杆。当释放油压时，在碟形弹簧的弹力推动下，移动套上移，迫 使卡瓦向中心移动，在压缩涨环的同时夹紧了钻杆。组装时碟形弹簧的预紧力 为 32KN。更换卡瓦时，先将上端螺钉取出，再取下压盖，防尘盖,垫及卡环， 然后取出涨环，卡瓦，即更换新的卡瓦和涨环。 （2）给进油缸主要有活塞杆、油缸上盖、下盖，用锁紧钢丝连接在一起。 在更换弧齿锥齿轮时，为保证成对弧齿锥齿轮锥顶重合，需加垫调整间隙保证 啮合。 每次安装液压卡盘时立轴螺纹端部不许接触卡盘螺纹内端面，卡盘与立轴用圆 螺母防止松动。 2.变速箱（JW0109）如附录 4。 变速箱主要由四对直齿园柱齿轮及两根平行的花键轴构成。动力由电动机 首先传到装在变速箱体的带有卸荷装置的大皮带轮上，然后经过不同的传动链， 将动力传给小园弧锥齿轮 Z10。 50 主动齿轮 52 为轴齿轮，通过滚动轴承架于箱体内，轴齿轮 44 端面加工有 不通孔，内装一对滚动轴承 51 构成支点，支撑花键轴 50。花键轴 50 是通过 滚动轴承 12 架于变速箱体内。花键轴 50 上装有齿轮 6、49、46。在花键轴 50 上安装的齿轮 49 为移动齿轮，变速箱所产生的不同转速，就是改变移动齿轮 49 的位置来实现的。 安装在花键轴 50 上的齿轮 6 也是移动齿轮，该齿轮将三种不同速度传给 绞车。 变速箱前部的 T 型槽是与回转器部分的连接盘连用的，连接盘上的 T 型 螺钉可在 T 型槽内固定于任何位置，钻机给进角度的调整就是用 T 型槽来实 现的。 3绞车(JW0107)见附录 5 绞车为行星齿轮机构，绞车轴 19 固定在轴承座 21 及变速箱体的滚动轴承 上，绞车轴的左端用键与传动齿轮 8 相连接。绞车轴中部带有齿轮。当变速箱 中的齿轮 6（附录 4）将动力传给齿轮 8 时，绞车轴 19 就会同传动齿轮 8 一同 旋转。当提升时，应将用闸带刹住，使固定在闸筒 12 上的两个行星齿轮 16 只 能在行星齿轮轴 30 上自转而无公转。因而带动内齿圈 15 使卷筒 17 产生转动。 当钻具提升到一定高度，需要使卷筒停止转动时，应很快的松开刹住闸筒 12 的抱闸，同时又很快的用另一抱闸将卷筒右侧的制动部分抱紧，使卷筒 17 与 内齿圈 15 停止转动，这时由绞车轴 19 传来的动力，传给行星齿轮 16 后，行 星齿轮除了自身的转动外又通过行星齿轮轴 30 带动闸筒 12 一起转动。下降钻 具时左右闸带全松开，卷筒因钻具自重下落而回转。依此循环往返便可完成钻 具的升降工作。 为了牢固的将钢丝绳固定在绞车上，在卷筒右侧开有小孔将绳头穿过孔后， 通过绳卡将钢丝绳固定。 在更换拆装内齿圈 15 时应先将内齿圈 15 与卷筒相固定用的螺钉取下，然 后，在卷筒容绳侧用螺钉将内齿圈顶出。 1.4制动闸(JW0114) 钻机所选用的制动闸，左右是一致的，整个闸带与闸筒（或卷筒）之间的 间隙是用调整连杆下部螺钉来实现的。 1.5机架（JW0101）见附录 3 51 机架 1 是连接钻机各组的总框架，电机也装在机架上，皮带松紧是通过调 整压带轮来实现的。 1.6操纵仪（JW0115）见附录 3 操纵仪 28 由油路控制阀 27 和压力表 23、手轮 24（调速）和手轮 26（调 压）等组成。其功能主要是控制液压卡盘和进给油缸的。压力控制阀 26 是调 整油路压力，改变立轴压力的控制机构；手轮 25 是控制进给速度的；控制阀 27 控制油缸上升与下降；另一控制阀控制液压卡盘松卡钻杆。 9.3.2 钻机的工作原理 钻机的传动系统如图 2 所示，电机动力通过以下各传动链传到固定在立轴 上的大弧齿锥齿轮上，从而使立轴带动钻具一起产生旋转运动；齿轮油泵输送 出一定的压力，一方面用于打开液压卡盘，另一方面通过油路控制阀使给进油 缸产生往复运动，给进油缸带动钻具往复运动。至此，钻具即可旋转，又可给 进，从而完成钻进任务。钻屑的排泄是通过与钻机配套的泥浆泵来完成。各传 动链如下： 1.立轴的速回转运动 120r/min D1D2Z1Z2Z3Z4Z10Z11 2.立轴的速回转运动 240r/min D1D2Z1Z2Z5Z6Z10Z11 3.立轴的速回转运动 350r/min D1D2Z1Z4（内齿）Z10Z11 4.立轴的速回转运动 600r/min D1D2Z1Z2Z7Z8Z6（内齿）Z10Z11 5.绞车的低速回转运动 D1D2Z1Z2Z3Z4Z9Z12Z13Z14Z15 6.绞车的中速回转运动 D1D2Z1Z2Z5Z6Z9Z12Z13Z14Z15 7.绞车的高速回转运动 D1D2Z1Z4（内齿）Z9Z12Z13Z141Z15 8.立轴的给进运动 52 D3D4经低压油管将油箱中的 20 号机油吸入油泵，使其产生需用的压力， 再经高压油管、调压阀、高压油管进入油缸中的活塞上部，推动活塞产生直线 运动，活塞下部具有一定的压力的 20 号机油经高压油管，进入调速阀，调整 调速阀的回油量大小即可控制给进速度的快慢。 （当需要减压钻进时，也按此 操作控制活塞的下部压力）然后流经油管及操纵阀、低压油管回到油箱。 9.立轴的快速移动 D3D4经油泵、高压油管、调压阀、操纵阀、高压油管、调速阀、高压 油管，进入活塞的下部，推动活塞产生直线运动，活塞上部的机油经过高压油 管、操纵阀及低压油管回到油箱，当调速阀的流量调整为最大时，立轴得到快 速移动。完成一个 500mm 进尺后，将卡盘控制阀打开，经油管松开液压卡盘， 将操纵阀手柄位置板到上升位置，操纵调速阀将立轴快速上升，然后板动卡盘 控制阀手柄，卡瓦自动卡紧钻杆。 9.4 操作程序 所有钻探人员都应按下列操作程序进行操作，避免因操作不当而造成机器 或人身事故。 1.钻机在搬运过程中应避免碰撞，在分组搬运过程中，应将油管固定后方 能进行。 2.在工作场地安装时，应使用地脚螺栓将钻机固定于基台木上。无论钻任 何角度的孔都应在基台木的上面打支柱。 3.电源接通前首先仔细检查钻机各部分安装是否正确。并应用手搬动外部 可转动部分看是否灵活。 4.电源接通后首先应验证立轴转动方向是否正确。 5.需要变速或接通绞车时，必须关闭电机。 6.在正式工作前应使机器空转 10 分钟，此时油路系统应调整到零压。 7.各操作手把的操作及配合使用程序如下： （1）开车前首先将手把放在 0（断开）位置，手轮向左旋至 0 位，手把 4 置于位置 3，手轮 5 向右旋死。 （2）上述各手把全部按规定位置准确无误后即可开动电机，转动 23 分 钟后将电机关闭，这时即可将手把 2 调到低速 I 的位置，再进行开车并空转 53 10 分钟。 （3）空运转完毕后，关闭电机，将手把 2 调到需要的转数后再开动电机。 （4）上述各传动操作完毕后就可以调整液压部分，液压部分的调整是在 机器运转过程中进行的，同时装入钻杆。所以手把位置调的正确与否对机器的 安全使用非常重要。 （5）手轮 5 向右旋死（拧不动为止） ，手把 4 搬到第 4 个位置，手把 7 搬 到卡紧位置后再松开使其自然回到中间位置，然后慢慢的向右拧动手轮 3，当 压力表中的指针逐渐上升到 0510Mpa 时停止拧动手轮 3 而将手轮 5 向 左慢慢拧动，当立轴开始移动应继续拧动手轮 5 使钻具下至井底，最后将节流 阀调到最慢位置，并根据井下岩石的软硬程度向右调整手轮 3 使立轴压力达到 需要的数值。 （6）当立轴的一个行程走完后将手把 4 搬到位置 3 上并关闭电机，然后 将手把 2 搬到空档。再启动电机，将手把 7 搬到松开位置，同时抬起快速增压 手把 9，待卡盘松开后，再将手把 7 扳到中间位置后才可松开快速增压手把 9，并将手轮 5 调到最大的速度，这时将手把 4 搬到位置 2 使立轴快速上升 （或后退） ，上升到终点后，将手把 7 搬到卡紧位置，操作者这时要把手轮 5 向右旋死，当电动机开动后再调手把 5 得到需要的给进速度，在立轴上升（或 后退时）都应关闭电机后，手把 2 放到空档位置后进行。 （7）当一个班工作完毕后将手把 1 置于断开位置，手把 2 置于空转位置， 手把 3 向左扭到零位，手把 4 上下搬动几次使表针回到零位后将其置于位置 3，手轮 5 向右拧到全关闭位置。 （8）在每次提升使用绞车时应首先关闭电机，将手把 1 置于连接位置， 手把 2 置于需要的位置上，手把 3、4 及 5 完全按第（7）条规定调到零位。 （9）使用绞车时手把 10 与 11 绝对禁止同时制动。提升时应使手把 10 抱 紧闸筒，手把 11 松开，当需要停止提升时非常迅速的先松开手把 10，然后迅 速的用手把 11 刹住卷筒。再提升时应先将手把 11 松开，然后使手把 10 抱紧 闸筒进行提升。 8每次打开回转器后，在需要重新合上进行工作时，都应检查回转器内 是否掉进污物或其它碎屑（如岩石、铁屑等） ，防止损坏齿轮。回转器合上后 54 一定要把合箱螺母锁紧不许松动，在给进过程中也应经常检查。 9钻进角度的调整是用转动回转器来完成的，在未转动以前应先松开四 个螺母后，扳动回转器使 T 型螺栓 2 在变速箱体前部的 T 形槽内移动，给进 角度按需要调整好以后，要重新将螺母锁紧。 9.5 机器的保养与维护 正确的使用和保养机器是顺利完成钻孔任务的保障，每个操作者都应予以 高度重视，本 200 米钻机应按如下规定进行保养与维护。 1.应在每班开始工作前，对机器各转动部分予以检查。看各运动部件是否 灵活可靠。 2.对外露的转动及滑动表面，应在每班开车前擦拭干净，并于其表面涂上 一层 20 号机械油。 3.每一个操作过程中都应校核各部操作手把的位置的相互配合是否正确， 不正确时应立即纠正。 4.润滑及液压用油等应按表 91 规定按期进行更换。 除表 91 规定外，其它转动或滑动部分应根据使用情况予以润滑。 5.在每次拆装卡盘时，都应在装配前将螺纹部分擦拭干净并涂一层机械油 或黄干油。 6.油泵用油（油箱内的油）需要保证清洁无杂质，应使用 50时运动粘 度为 1723 的油质，如 20 号机械油或 10 号高速柴油等。 7.当油箱内的油温超过 70时应适当停车冷却，待油温下降后再继续工 作。 8.有关油泵的使用与保养应按 YBC12/80 型齿轮泵说明书规定进行。 9.当立轴下降与上升时油缸内的活塞不应进入死点，应在进入死点前 510mm 处停车。 表 91 需润滑或者 更换机油部分 需润滑或更换 机油的时间 用油种类方 法 立轴每小班 1 次20 号机械油油壶 园弧伞齿轮每周 1 次黄干油抹入 55 导向杆每小班 1 小20 号机械油抹入 变速箱内 的润滑 连续运转 500 小时 更换 1 次 20 号机械油更换 绞车油咀每班使用前一次20 号机械油油枪或油壶 油箱 连续运转 500 小时 更换 1 次 20 号机械油更换 所有滚动轴承每三个月更换一次黄干油抹入 卡盘每周 1 次20 号机械油抹入 9.6 故障原因及排除方法 故障 现象 故障原因排除方法 突然 停车 1、齿轮打齿 2、钻进压力过大 更换齿轮 减小钻进压力 变速箱 发热 1、润滑不良 2、润滑油不符合要求 3、过载时间长 定期换油 按规定更换机油 禁止长时间超负荷运转 回 转 器 本体发 热 1、园弧锥齿轮啮合不好 2、齿轮及各轴承润 滑不良 3、本体与连接盘的联接 螺钉松动。 调整轴承衬套与本体之间垫片厚度。 定期更换润滑油 拧紧螺钉 回转及 变速有 异常音 1、齿轮打齿 2、箱体内有异物 3、轴承损坏 更换齿轮 清洗箱体更换润滑油 更换轴承 卡盘卡 不紧钻 杆 1、三个卡瓦严重摩损 3、蝶形弹簧损坏 更换卡瓦 更换碟形弹簧 液压盘 卡紧杆 后松开 1、涨环损坏 2、液压系统压力不足 更换涨环 顺时针方向旋动调压阀手轮，使压力 表读数至所需压力，或使用快速增压 56 压头座 及 卡盘油 缸 发 热