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全套全套 CAD 图纸，联系图纸，联系 153893706 绪论 国内外的科技现状国内：“六五”“九五”期间，我国地质调查工作中探 矿工艺与设备获得长足发展，在引进、消化、吸收的基础上，研究开发了一 大批新技术、新装备，如：以绳索取心为主体的金刚石钻探技术；液动冲击 回转钻探技术；受控定向钻探技术（含对接井施工技术） ；多工艺空气钻探技 术（中心反循环连续取样及空气潜孔锤钻探技术） ；水力反循环连续取心钻探 技术；人造金刚石超硬复合材料及其钻头；低固相泥浆等钻井液应用及护壁 堵漏技术；XY 系列、CD 系列、全液压等新型岩心钻机及配套装备；水文水 井钻探设备；短浅坑道机械化作业线等等。在这一领域，我省煤田地质局在 煤田地质钻探方面，成功地采用了受控定向钻探技术，并完善了 SMQ-1 型取 芯器，发展成 3SMQ-2 型取芯器；此外，还研制改进了煤层气储存监测罐。 地矿、煤田系统多工艺空气钻探技术的采用更加完善和成熟。 国外：传统的 地质勘查工程技术与装备已十分成熟。立轴式液压钻机仍然是主要机型，全 液压动力头钻机获得广泛应用，美国金刚石岩心钻机制造商协会制定的 DCDMA 标准仍然占据钻探管材和钻具市场的主流，国际标准化组织 （ISO）的 TC82（矿业技术委员会）/SC6（金刚石钻探设备分技术委员会） 也制定了一些标准，可能成为今后的发展方向。 通过调研了解到，对钻孔深度 100 米左右的钻机需求量比较大，而目前 的 100 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 决定开发 100 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。 第 1 章 总体设计 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 340r/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. 设置压带轮，皮带调整安全可靠。 8. 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。 第 2 章 钻机技术特性 1. 钻进深度 100m 2. 钻孔直径 1开孔直径 89 2终孔直径 60 3. 钻孔倾斜角度 0360 4. 立轴转速 110、190、340/min 5. 立轴行程 400 6最大液压给进压力 4MPa 7卡盘最大工作压力（弹簧常闭式液压卡盘） 6MPa 8立轴内孔直径 52 9油缸最大起拔力 28.5KN 10油缸最大给进力 20KN 11. 绞车提升速度 0.25、0.57、0.65m/s 12. 绞车转速 28、50、78r/min 13绞车提升负荷 0.75m/s 3.35KN . 0.44m/s 6.00KN . 0.22m/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 1电动机 型号 YB160M4 电压 380/660V 功率 5.5KW 转速 1440r/min 2柴油机 型号 S1100 功率 5.5KW 转速 1500r/min 16外型尺寸（Lhb） 13706851200mm 17重量（不含柴油机） 750Kg 第 3 章 动力机的确定 本机组的驱动装置采用交流感应电动机，因为这种动力机重量轻、结构 简单、使用维护方便易实现防爆。 为了便于搬运和机场的布置，钻机和水泵各用一台电机单独驱动，而回 转器与油泵共用一台电机联合驱动。 输出功率为 N。 N。1.2Nj 式中：Nj钻机所需功率 KW Nj（NhNy）/ 式中: Nh回转钻进所需功率 KW 效率 =0.85 Ny油泵所需功率 KW Nh=N1+N2+N3 式中: N1井底破碎岩石、土层所需功率 KW N2钻头与孔底摩擦所需功率 KW N3回转钻杆所需功率 KW 3.1 回转钻进及破碎岩石、土层所需功率 KW Nh=N1+N2+N3 1. N1= 3-1 3060000 A 43 mnh 式中: m钻头切削刃数 取 m=6 n立轴转速 r/min h钻进速度 h=1.5cm/min. 岩石抗压强度,其值见表 3-1 A 井底环状面积，取钻头直径 D=7.3cm,内孔直径 d=5.8cm, A=(D2d2)/4=(7.325.82)/4=15.43cm2 2. N2=fen(R+r)/1944800 3-2 式中: 孔底压力或岩石抗压强度. f钻具与岩石直接的摩擦系数 f=0.3 e侧摩擦系数 e=1.1 n立轴转速 R钻头外圆半径 R=3.65cm r钻头内孔半径 r=2.91cm 将立轴不同转速和不同空底压力代入式 3-2 中,所得相应数值见表 3- 2。 3. N3=7.81011Ldn1。7 (当 n200r/min 时) 3- 3-2 式中：L孔深 ， 硬质合金钻进时，取 L150000mm 金刚石钻进时，取 L75000mm d钻杆直径 ，取 d=42mm 计算 n立轴转速， r冲洗液比重。 r=1.15 将上述参数及立轴不同转速代入上式，所得值列表 32 中。 3.2 给进油缸所需功率的计算 3.2.1. 给进油缸的基本参数 1）给进油缸的数量 n2 2）油缸直径 D55mm 3）活塞杆直径 d30mm 4）活塞杆有效行程 L400mm 5）油缸面积 A123.76cm2 6）活塞杆面积 A27cm2 7）有效面积 AA1A216.76cm2 3.2.2油缸工作压力的计算 钻机大水平孔时，油缸的最大推力为： WCFm 式中：W油缸最大推力 C孔底最大压力 C10000N Fm钻杆与孔壁间的摩擦力 FmqLf 式中：q钻杆单位长度重量 q45.6N/m L钻杆长度 L1050m f摩擦系数 f0.35 Fm45.610500.35=1675.8N W=10000+1675.8=11675.8N 油泵的工作压力 P P=W/A=11675.8/16.76=696.6N/cm2 3.2.3.油泵最大工作流量计算 油缸回程时的最大容油量: V1=A1L=23.7640=950.4mL=0.9504L 油缸送进时的最大容油量: V2=AL=16.7640=0.6704L 当选用立轴的钻进速度 V=0.06m/min=0.6dm/min 时,立轴送进时每分钟 所需的油量为: Q=2AV=20.16760.6=0.2 令活塞回程时间为 0.3min,则回程所需油量为: Q1=0,95042/0.3=6.336 3.2.4.给进油缸功率 Ny Ny=PQ/60102=696.60.2/60102=0.023 3.2.5.根据上面的计算, 选用 YBC10/80 型齿轮油泵(排油量 10L/min,压力 800N/cm2 )。 油泵满负荷时所需功率是: Ny=PQ/6010212 式中:P额定压力 P=800N/cm2 Q额定流量 Q=10L/min 1机械效率 1=0.9 2容积效率 2=0.71 Ny=80010/601020.90.71=2.04KW 3.3 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 32 本机选用 5.5KW 电机或柴油机，基本能满足表 32 中粗线以上各 种工作状态。 表 31 岩 石 名 称 抗 压 强 度 （N/cm2 ） 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 N (kw) r/min N/cm2 110 190340 20000.06930.07940.0918 40000.13860.15890.1837 80000.27710.31770.3675 100000.34640.39710.4593 N1 120000.4157 0.4765 0.5512 20000.24430.42300.7569 40000.48980.84601.5138 80000.97951.69193.0277 100001.22442.114937846 N2 12000 1.4693 2.5379 4.5346 N3 r/min N/cm2 1.01602.57282.2804 20001.32963.07523.1292 40001.64443.57693.9779 80002.27264.58245.6756 100002.58685.08486.5243 Nh 120002.90105.58797.3662 Ny r/min N/cm2 0.0230.0230.023 Nj=Nh/ 3.41293.61793.6814 N0=1.2Nj4.09204.34154.4177 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 110340r/min，即适合合金钻头钻 进，由适合金刚石钻头钻进。 4.1.2 升降机 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 0.220.66m/s。 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。 （1） 立轴有三种转速，110、190、340r/min 转速适合合金钻 头钻进。 （2） 卷筒缠绳速度为三种，见表 41 表 41 档档档 立轴转速 r/min110190340 缠绳速度 m/s0.220.370.66 4.2 机械传动系统 机械系统传动路线见图 41 传动计算如下： 1.立轴的转速: n=nD1/D2Z1/Z2Z3/Z4Z10/Z11 式中: n立轴的第一档转速 r/min n电机转速 n=1440r/min D1主动皮带轮直径 D1=125mm D2大皮带轮直径 D2=285mm Z1Z11传动链中各齿轮的齿数,Z1=31,Z2=54,Z3=31,Z4=54 Z10=21,Z11=39 n=1440125/28531/5431/5421/39=112.1110r/min n=nD1/D2Z1/Z2Z5/Z6Z10/Z11 式中:Z5=42,Z6=43 n=1440125/28531/5442/4321/39=190.69190r/min n=nD1/D2Z1/Z4 内Z10/Z11 式中: Z4 内=31 n=1460160/36531/3121/39=340.08340r/min 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 110、190、340r/min。 2. 绞车的缠绳速度 V1=D(nD1/D2Z1/Z2Z3/Z4Z9/Z12/Z13/Z14)/60000 m/s 式中:D=D0+d=140+8.8=148.8mm 式中:D0=140mm 为卷筒直径,d=8.8mm 为钢丝绳直径。 V1=148.8(1460160/36525/3118/3833/8318/1818/54)/6000 0 =0.22m/s V2=0.44m/s V3=0.75m/s (计算从略) 考虑到皮带、轴承、齿轮等的效率，确定绞车提升速度分别为： U10.22m/s U2=0.44m/s U3=0.75m/s。 第 5 章 回转器 5.1 结构特点 回转器的结构如图 51 所示，是由本体、立轴、立轴导管、弧齿锥齿轮 等组成。立轴上端装有常闭式液压卡盘。其特点是： 1、回转器尺寸小、紧凑。 2、回转器适用于各种角度的孔的钻进。 3、离开孔口采用开箱式，简单可靠，减轻钻机重量。 4、立轴行程比过去小型钻机大，为 500mm，缩短钻进辅助时间。 5.2 零部件的强度与寿命计算 弧齿锥齿轮副的强度校核: Z10与 Z11的主要参数见表 51。齿面硬度 Z10为 HRC52、Z11为 HRC57，锥距 R77.515m,节锥角 10=28018 22”,11=6104128” 表 5-1 齿 号 齿 数 模 数 变 位 系 数 齿宽材料 齿顶 系数 压力 角 螺旋 角 旋 向 精 度 Z10213.502220CrMnTi0.85200350右8D C Z11393.502220CrMnTi0.85200350左8D C 齿轮在各种转速下传递的功率、转速及转矩见表 52 表 52 功率 KW转速 r/min转矩 nm 5.1763280 5.07208233 5.07354137 5.2.1 齿面按接触疲劳强度计算 （1）接触应力 HZE 1.5ftmaxKAKVKHZR 3 Ft1 N/mm2 bd1I Ftmax ZE弹性系数 ZE189.8 N/mm2 Ft1=Ftmax小轮运转中最小切向力 Ftmax=2758N KA使用系数 KA=1.25 Kv动载系数 KV1=KV2=1 KH齿间载荷分布系数 KH=1.2 Zx尺寸系数 Zx=1.0 ZR表面状况系数 ZR=1 b有效齿宽 b=22mm d1小轮大端分圆直径 d1=94.5mm I几何系数 I=0.1 将以上各值代入上式,得 H=1197N/mm2 (2)接触疲劳极限应力 HIin=HIinZNZW/ZQ N/mm2 HIin接触疲劳极限应力 HIin1352 Zwgz 工作硬化系数 Zw1 ZN寿命系数 ZN1 ZQ温度系数 ZQ=1 HIin=135211=1352 (3)安全系数: SH=HIin/H=1352/1197=1.12SHIin=1 所以安全。 5.2.2 弯曲疲劳强度极限应力 （1） 计算齿根弯曲应力 FFtKAKUKFYX/bmsJ N/mm2 Ft作用于大端分度圆上的切向力 Ft=2758N KA使用系数 KA =1.25 Kv动载系数 Kv=1 KF载荷分布系数 KF1.15 Yx尺寸系数 Yx1 ms大端端面模数 ms=4.5 J几何系数 J0.18 F141N/mm2 （2） 齿根弯曲疲劳极限应力 FIimFIim YN/YQ N/mm2 YQ温度系数 YQ1 YN寿命系数 YN1 FIim齿根弯曲疲劳极限应力 FIim206.82N/mm2 （3） 安全系数 SFFIim/F206.82/141=1.46SFmin=1 所以安全。 第 6 章 变速箱的设计与计算 6.1 变速箱的结构特点 变速箱的结构如图 61 所示，它是由变速部分、分动部分及操纵部分 和壳体等组成。也是变速部分和分动部分合为一体的传动箱。其特点是： 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即是移动齿轮由是结合子，因此结构紧凑。 2、变速、分动相结合，减少了零件数目，有效利用变速箱内的空间。 3、操纵结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，减少了轴齿轮的受力状况。 6.2 零件的强度计算 1、在校核零件的强度时，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。 每个速度的工作时间分配情况如下： 第一速（110r/min） 为 40即 4000 小时； 第二速（190r/min） 为 40即 4000 小时； 第三速（340r/min） 为 20即 2000 小时； 3、本机零部件的强度和寿命计算方法和数据是按机械设计手册 （冶 金工业出版社）计算的。 6.3 齿轮强度计算 1、变速箱内各齿轮主要参数及材料见表 61 表 61 齿数模数齿宽 变位系 数 Xn 材料硬度 RC应力角备注 Z1312351.040Cr40-45200 Z2542220.140Cr40-45200 Z3312261.0 40Cr 40-45200 Z4542 260.140Cr40-50200 Z5422240.140Cr40-45200 Z6432241.040Cr40-45200 Z735325040Cr40-45200 Z826326 040Cr45-50200 Z933422040Cr45-50200 Z121732604540-45200 Z13183350.1520CrMnTi57-62200 Z14183200.120CrMnTi57-62200 Z15543280.3540Cr200 2、Z3、Z4齿轮副的强度校核 1) 齿根弯曲疲劳强度验算 （A） 计算齿轮的弯曲疲劳极限应力 limlim * FFbNXsr YYY 式中被校核齿轮的弯曲疲劳极限应力 limF 实验齿轮的弯曲疲劳极限应力，由图 F813 查得： limFb （Mpa） lim 3lim 4 400 FbFb 弯曲寿命系数，因两齿轮的应力循环次数为： N Y =*0.4*60*365=0.87*次 3 N 4 10 8 10 =*0.4*60*210=0.5*次 4 N 4 10 8 10 由图 F814 知=1 3N Y 4N Y 尺寸系数=1（图 F815） X Y 3X Y 4X Y 有效应力集中系数，有图 F816 查知=1.03，=0.97 Sr Y 3Sr Y 4Sr Y 所以 =*/=400*1*1/1.03=370（Mpa） lim3F lim 3Fb 3N Y 3X Y 3Sr Y =*/=400*1*1/0.97=412（Mpa） lim4F lim 4Fb 4N Y 4X Y 4Sr Y （B） 比较弯曲强度 图 F86 查得齿形系数=1.94，=2.26 则有 3F Y 4F Y /=370/1.94=191/=412/2.26=182 lim3F 3F Y lim4F 4F Y 因此齿轮弯曲强度弱。 4 Z （C） 计算弯曲工作应力 4F =/bm() （Mpa） 4F tc F F Y YY 式中 计算圆周力，而= tc F tc F t F A K U KKK 其中 工作圆周力=2000/=2000*132.5/62=4273（N） t F t F 3 T 3 d 工作状况系数，由表 F87 查知=1.25 A K A K 动载系数，因为 V/100=1.18*31/100=0.37，由 F84 知 U K 3 Z =1 U K 载荷分配系数，=1/，当=1.6 时，=0.7，所以KKY Y =1/0.7=1.43K 载荷分布系数，因=b/=26/62=0.45,故由表 F85 查知K d 3 d =1.05K 则 =4273*1*1*1.43*1.05=6417.5（N） tc F 载荷作用位置数 =0.7YY 螺旋角系数 =1YY b 齿宽 b=26 (毫米) m模数 m=2 (毫米) =/bm()=6417.5/26*2(2.26*0.7*1=195（Mpa） Fc tc F 4F YYY (d)计算齿轮的弯曲疲劳安全系数 F S =/=412/195=2.11 可靠 F S lim4F 4F 2）齿面接触疲劳强度验算 （A）计算齿轮的接触疲劳极限应力 limH =* limH limHb N ZZ 式中 实验齿轮的接触疲劳极限应力，由 F817 查知 limHb =1100（Mpa） lim 3Hb lim 4Hb 寿命系数，由图 F818 查知=1.19， =1.22 N Z 3N Z 4N Z 硬化系数， 取=1ZZ 所以 =1100*1.19*1.03=1348（Mpa） lim3H =1100*1.22*1.03=1424 （Mpa） lim4H （B）计算接触工作应力 =（Mpa） H E Z H ZZ 3 1 * tc Fu bdu 式中 材料系数，由 F89 查知=189.8 E Z E ZMPa 节点系数，=2.27 由图 F810 H Z H Z 重合度系数 =0.9 由图 F89ZZ U齿数比 U=54/31=1.74 43 /ZZ 则 =189.8*2.27*0.9=889（Mpa） H 6417.51.74 1 * 26*621.74 （C） 算安全系数 H S =/=1384/889=1.516 安全可靠 H S lim3H H 3）短期过载强度校验计算 取最大短期尖峰载荷是额定工作载荷的 1.5 倍 短期过载弯曲极限应力，根据表 F812 知 =18*=18*45=810（Mpa） limFs C HR 最大的弯曲工作应力为 =*1.5/=195*1.5/1.25=234（Mpa） maxF 4F A K 短期过载弯曲强度安全系数 =/=810/234=3.5（安全） FS S limFs maxF 短期过载接触极限应力，根据表 F812 知 =41，3*45=1859 （Mpa） lim 41.3 HsC HR 而最大接触应力为 =889*=974 （Mpa） max 1.5 HH A K 1.5 1.25 短期过载接触强度的安全系数为 =1.9（安全） HS S lim max 1859 974 Hs H 3、其他齿轮对的强度校核 按上面的方法和步骤，对变速箱中的其他齿轮对可进行类似的计算， 略。 6.4 轴系零件与部件的强度与寿命的校核计算 在变速箱中共有三根轴，其中轴负荷最大，而且相对尺寸直径小、长 度长。下面仅以该轴的强度寿命进行验算。 轴共有七种工作状态，向回转器传递四种状态的动力，驱动绞车三种 状态。相比而言回转器的 130r/min 的转速时该轴扭矩最大，受力最大。 1、轴的驱动校核 已知下列条件：材料 40Cr，调质 T220-250，各齿轮分度圆直径为： d4108、d684、d8105. 该轴的四个转速及传递的扭矩见表 6-2 表 6-2 转速（r/min）扭矩（Nm）备 注 档2102217 档3561184 III 档 636 7928 （A） 在各种转速下齿轮受力支反力计算结果列表 63 中 （B） 轴的疲劳强度校核： 从表 62 中得知，校核轴的强度时，应取低转速的受力状态。表 63 RCY RBY Ft6 Ft4 RAY C B Ft6 FR4 A RCX RBX RAX 125 94.5 115 60.5 270 395 续表 63 档档档档 Ft45362 Fr41952 Ft642594 Fr6944 Ft131132450 Fr11133892 Ft82450 Fr8292 RAX194174 RBX8831092 RCX60375 RAY3680724 RBY7201502 RCY4921027 RR3684745 RB11391506 RC7781030 轴的扭矩图如图 63 所示，现计算，截面的安全系数。 截面-的弯矩： 水平弯矩：Mxz=Fr410010-3+RBX17010-3199Nm 垂直弯矩-：MYZ=Ft410010-3+RBY910-3542Nm 合成弯矩：M Mxz2 + MYZ2 575Nm 截面-的弯矩： 水平弯矩：MxzRAX60510-3+19460.510-3=11Nm 垂直弯矩：MYZRAY60.510-3=223.6Nm 合成弯矩：M Mxz +MYZ =223Nm 12 量截面扭矩 T356.6Nm 下面是按当量弯矩计算-、-两截面的安全系数。 水平受力图： C B Frx A 180 47 水平弯矩图： 11 199 Fty 垂直受力图： C B 垂直弯矩图： 80 145 223 542 合成弯矩图： 60 231 223 575 扭矩图： 356 图 63 表 64 名 称-截面-截面 说 明 扭 矩T（Nm）356356 弯 矩M（Nm ） 575223 当量力矩Ml652380 轴 经d（mm）36、4236、42 工作应力 m(Mpa) 13176.92w=4.9410-6 疲劳极限 -1(Mpa) 350350 尺寸系数 0.770.77 表面质量 0.850.85 有效应力 集中系数 K 1.571.57 安全系数S2.293.91 许用安全系数 2.292.29 安 全 通过上述验算轴通过,其它轴系从略。 第 7 章 绞车 7.1 结构特点 本钻机考虑到井上、井下钻探作业，故设置了绞车，如图 71。在井下 矮巷道内钻孔时，绞车难以发挥作用，这时可将绞车拆除。设置绞车也给机 器在井下短距离搬运提供自牵的方便。 在结构上选择常用的固定轮系的 NGW 型行星式传动绞车，其特点是： 1、结构简单而紧凑，传动装置兼起离合作用，并有过载保护作用。 2、在一定范围内，可实现无级调速和微动升降。 3、传动功率大，效率高。 4、传动平稳，操纵灵活。 7.2 主要参数的选择 1、确定钢丝绳直径 d 根据 GB110274 标准，选定钢丝绳直径如下： 外 径：d=8.8mm 总断面积：A=27.88mm2 总破断力：S=47300N 抗拉强度：=1700Mpa 绳 型：绳 637（纤维芯） 2、钢丝绳的强度校核 绞车最大提升负荷：Q=12000N 最小安全系数：S=45 在正常情况下，最大起重时的安全系数为： S=S/Q=47300/12000=3.49S 在急刹车时，取 Q2.5Q，则安全系数 SS/Q1.6 3、卷筒参数确定如下： 卷筒内径：D140mm 卷筒外径：D230mm 卷筒有效长度：L0100mm 容绳长度：LnD 式中：n钢丝绳圈数 n11 D每层缠绳长度之和，共五层， D5（D+d）+20d32m。 4、绞车参数 提升速度 卷筒转速 提升力 V1=0.22m/s n1=28r/min 12000N V2=0.44m/s n2=50r/min 6000N V3=0.75m/s n3=78r/min 3350N 7.3 绞车所需功率 1. 卷筒所受扭矩： MT0.5(D+d)Q=0.5(0.14+0.0088)12000 =893Nm 2.绞车轴所受扭矩: MZ=MT/2=298Nm 3.绞车轴所需功率: P=MZn1I/9550=2.6KW 7.4 零部件的强度及寿命计算 （一）齿轮强度校核 对 NGW 型行星齿轮传动，只校核外啮合。即 Z13与 Z14。 Z1318、 m3、 X13=0.15、 材料为 20CrMnTi、 HRC=5762 Z1418、 m3、 X14=0.15、 材料为 20CrMnTi、 HRC=5762 HIim=1500N/mm2 FIim=450 N/mm2 传递扭矩：Mz298Nm 转 速：nz=n1i84r/min 按接触强度校核： 1. 分度圆圆周力 Ft=1000MZ/CSR1=5518.5N 2. 工况系数 KA=1.25 3. 动载系数 KV=1 4. 齿间载荷分配系数 KH=1.05 5. 齿向载荷分配系数 KH=1 6. 节点区域系数 ZH=2.35 7. 弹性系数 ZE=189.8 N/mm2 8. 重合度系数 Z=0.97 9. 螺旋角系数 Z=1 10.计算接触应力 H Fti+1KAKVKHKH ZHZEZZ db i 11.寿命系数 ZN1=1.02 ZN2=1.11 12.最小安全系数 SHmin=1 SFmin1.4 13.润滑剂系数 ZL=1 14.速度系数 ZV=0.9 15.粗糙度系数 ZR=0.9 16.齿面工作硬化系数 ZW=1 17.尺寸系数 ZX=1 18.许用接触应力 HP1ZL1ZV1ZR1ZW1ZX1 min 1lim H NH S Z 1239N/mm2 HP2=1308.7N/mm2 19.接触强度判断 因为 H978N/mm216MPa 时，PPPn125 Pn工作压力（Pa） D油缸内径 D0.17(m) p缸体材料许用拉压力 p=b/S 其中 b为材料抗拉强度 S安全系数 S=3.55 取 S=4 Pn=600104(Pa) PP=600104150%=900104 p=b/S=60106/3.5=17106Pa t=9001040.17/217106=0.0045(m) 取 t=8mm,所以强度足够。 8.2 给进油缸的设计 给进油缸的结构如图 84 所示，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。 1、TXU150 型钻机，打水平孔时，需克服 150m 钻杆的自重和孔壁的摩 擦力，其力为： F摩qLf69.61500.35=3660N 式中:q钻杆单位长度重量 q=69.6N/m; L钻杆长度 L=150m; f摩擦系数 f=0.33 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 F摩+C,即 3660+10000=13660N,活塞杆有效面积 16.76cm2油泵工作压力为: P=13660/16.762=407.5400N/cm2 2、油缸直径的计算 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。 D 4P2/2P= 428500/23.14600=5.49cm25.5cm2 式中：D油缸计算直径 D5.5cm P油压系统的调整压力, P=600N/cm2； P2油缸最大起拔力,P2=28500N。 第 9 章 钻机的使用说明 一、概一、概 述述 100 型液压钻机主要用于矿井内部，供钻探深度为 100 米的各种角度的 放水孔、地质构造孔、灭火孔、抽放瓦斯孔及其它用途的各种工程孔，也可 以在地面钻探深度为 100 米的地质勘探孔及其它用途的各种浅孔。 100 型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、 软岩石及硬岩石中钻孔效率为最高。整个机组由 100 型钻机和 TBW-75/2.0 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。在地面钻探时需要有有一定高度的三角架可供提升使用。 钻机具有以下特点： 1、钻机的转数范围宽，有两组供六个转速，高转数需换一对高速齿 轮（根据用户需要配备高速齿轮） ，可使用硬质合金钻头，适合各 种地质情况，以提高钻进效率。 2、钻机装有摩擦离合器，可避免主轴变速时频繁起、停电动机，具 有超载保护作用。 3、本机在较大范围内采用了液压技术，装有液压卡盘、液压夹持器、 液压送进机构，能强力起拔钻杆。操作安全可靠，大大地降低了 劳动强度。 4、立轴让开孔口的方式采用开箱式，结构简单，操作方便。 型号说明：T勘探机械；X岩心钻机；U油压；150钻进深度 150 米。 二、技二、技 术术 特特 性性 1最大钻进深度（使用 50mm 钻杆或 42mm 钻杆） 100m 2钻孔直径 1）开孔孔径 89mm 2）终孔直径 不小于 50mm 3钻孔倾斜角度 0 360 4立轴转数 110、119、340 r/min 5. 立轴扭矩 640、358、232、136Nm 6立轴行程 400mm 7液压送进最大液压给进压力 4MPa 8卡盘形式 常闭式液压卡盘 液压卡盘最大工作压力 6MPa 9立轴内孔直径 52mm 10油缸最大起拔力 28.5 KN 11绞车转速 0.217、0.368、0.656m/s 12绞车提升速度 0.22、0.44、0.75m/s 13绞车提升负荷 1200 、600、335Kg 14卷筒 1)直径 110mm 2)钢丝绳直径 8.8mm 3)容绳长度 20m 15电动机 1)型号 YB132S4 2)功率 5.5kw 3)转速 1440r/min 16钻机外形尺寸(Lbh) 123060011160mm 17钻机总重量 550kg 三、钻机分组情况三、钻机分组情况 100 型钻机共分六组，各组布局及外观如图 1 所示。 1回转器：是钻机立轴产生回转及往复运动部分。 2变速箱：是钻机立轴、绞车产生各种不同转数的传动与变速部分。 3离合器：是动力的传递部分，用以接通或切断动力，实现不停电动机 变更立轴或绞车的转数。钻进负荷超载时可保护钻机。 4绞车：是升降钻具的部分。 5抱闸：是控制绞车的机构，用来提升与停止钻具在任何位置的部分。 6机架：是连接机器各组的机体，并将机器稳定地固定在钻场基台木上。 7操纵仪：是控制钻机液压系统的总枢钮。 四、结构特征与工作原理四、结构特征与工作原理 钻机型式为：机械传动、液压给进、弹簧夹紧、立轴式钻机。 1、钻机结构如下： 1.1 回转器,如图 2 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）、液压卡盘如图 2 所示，主要由下列构件组成：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 14 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。 1.2、变速箱，如图 3 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。 主动齿轮为轴齿轮，通过滚动轴承架于箱体内，轴齿轮端面加工有不通 孔，内装滚动轴承与滚动轴承构成支点，支撑花键轴。花键轴是通过滚动轴 承架于变速箱体内。花键轴上装有齿轮。在花键轴上安装的齿轮为移动齿轮， 变速箱所产生的不同转速，就是改变移动齿轮的位置来实现的。 安装在花键轴上的齿轮也是移动齿轮，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。 1.3绞车，如图 4 绞车为行星齿轮机构，绞车轴固定在轴承座及变速箱体的滚动轴承上， 绞车轴的左端用键与传动齿轮相连接。绞车轴中部带有齿轮。当变速箱中的 齿轮（图 3）将动力传给齿轮时，绞车轴就会同传动齿轮一同旋转。当提升 时，应将用闸带刹住；使固定在闸筒上的两个游星齿轮只能在游星齿轮轴上 自转而无公转。因而带动内齿圈使卷筒产生转动。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，使卷筒与内齿圈停止转动，这时由绞车 轴传来的动力，传给游星齿轮后，游星齿轮除了自身的转动外又通过游星齿 轮轴带动闸筒一起转动。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。在更换拆装内齿圈时应先将内齿圈与卷筒相固 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： 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。10、11 分别为左右闸把。 1.5机架，如图 1 机架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，如图 5 操纵仪由油路控制阀和压力表、手轮（调压）和手轮（调速）等组成。 其功能主要是控制液压卡盘和进给油缸的。压力控制阀是调整油路压力，改 变立轴压力的控制机构；手轮是控制进给速度的；控制阀控制油缸上升与下 降；控制阀控制液压卡盘松卡钻杆。液压卡盘的压力为 6Mpa，给进油缸压力 为 4Mpa。 2、钻机的工作原理 钻机的传动系统，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： 立轴的三个回转运动： 2.1、立轴的速回转运动 125r/min D1D2Z1Z2Z3Z4Z7Z16Z10Z11 2.2立轴的速回转运动 210r/min D1D2Z1Z2Z5Z6Z7Z16Z10Z11 2.3立轴的速回转运动 340r/min D1D2Z1Z4（内齿）Z7Z16Z10Z11 绞车的三个回转运动： 2.4绞车的低速回转运动 D1D2Z1Z2Z3Z4Z7Z8Z9Z13Z14Z15 2.5绞车的中速回转运动 D1D2Z1Z2Z5Z6Z7Z8Z9Z13Z14Z15 2.6绞车的高速回转运动 D1D2Z1Z4（内齿）Z7Z8Z9Z13Z14Z15 2.7立轴的给进运动 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、高压油管及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 号机油经高压油管及，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）然后流经高压油管及操纵阀、低压 油管回到油箱。 2.9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 油管和、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 400mm 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。 五、操作程序五、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零活。 4、电源接通后首先应验证立轴转动方向是否正确。 5、将离合器手把放在断开位置，并将边速手把 3 放在 1 速位置，旋转立 轴，检查各立轴旋转部位的转动是否灵活，有无阻力过大现象或异音，如有 应设法消除。 6、检查油路系统各接头是否拧紧，快速接头是否扦入 U 型卡圈，油箱油 位是否在指定位置上。 7、开动电机检查离合器的可靠性。 8、绝对禁止在运行中变速，若搬动变速手柄，必须先切断离合器，待离 合器停止转动后再进行挂档，以免齿轮打坏，并注意把手柄定位销置于定位 孔内，以免齿轮掉档。 9、需要变速或接通绞车时，必须关闭电机。 10、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。 11、在开动回转器立轴转动前，必须先将钻具提离孔底，待运转正常后 再进行钻进。 12、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 1、2 放在 0（断开）位置，手轮 3 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 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旋转，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
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