机械设计说明书—岩心钻机升降机的设计

本科生毕业设计（论文）说明书 摘 要 当前，岩心钻机升降机主要使用定轴式行星轮系升降机，本文就是在已有的定轴式行星轮系升降机的基础上，设计出能够实现设计要求的四档提升速度的升降机。在设计过程没有改变原有的升降机零部件的位置关系，但由于，传动比以及传动速度的不同，所以，通过受力分析计算，加大了行星齿轮、中心齿轮、内齿圈的厚度；同时也加大了抱闸抱紧时的抱紧半径。利用先进的现代软件分析，就能发现，通过计算分析所获得的结论是正确，也就是说，本文所设计的升降机能够实现所要求的提升速度。AbstractAt present, rock driller elevator mostly betakes fix-shaft planet-wheel system elevator. This article tends to design a new system with 4-level elevating speed which could realize the design demands on the basis of existing fix-shaft planet-wheel system elevator. In this article , instead of changing the ubiety among the parts of the original elevator , the author keeps on using the original structure. However, because of the differences of the transmission ratio and speed, the author enlarges the planet gear, solar gear , thickness of the inner circle ring as well as the enclasping radius of the enclasping brake through the mechanical design and calculation .By the advanced modern soft-ware analyse ,we can see that the conclusions acquired by the analyse are correct , i.e. this article succeeds to satisfy the demanding elevating speeds.目 录引 言1第一章 概述31.1 XY4岩芯钻机的发展历史31.2 XY4岩芯钻机的发展的主要决定因素41.3 钻探设备发展的趋势41.4 钻机分类6第2章 设计总论72.1 XY4岩芯钻机升降机的功用、设计要求及设计条件72.1.1 XY4岩芯钻机升降机的功用72.1.2 XY4岩芯钻机升降机的设计要求72.1.3 XY4岩芯钻升降机的设计条件72.2 XY4岩芯钻机升降机类型的确定82.3 XY4岩芯钻机升降机的设计方案的确定92.4 XY4岩芯钻机升降机的组成分析92.5 XY4岩芯钻机升降机结构示意图与工作原理分析132.5.1 XY4岩芯钻机升降机的结构示意图132.5.2 XY4岩芯钻机升降机的工作原理分析14第3章 分析计算163.1 XY4岩芯钻机升降机齿轮的分析计算163.1.1 齿轮总传动比的确定163.1.2 选择齿轮材料和热处理，精度等级，齿轮齿数163.1.3 按齿根弯曲疲劳强度设计163.2 XY4岩芯钻机升降机轴的分析计算213.2.1 升降机轴的设计213.2.2 行星轮轴的设计293.3 XY4岩芯钻机升降机轴承的分析计算303.4 XY4岩芯钻机升降机卷筒的结构参数的确定33第四章 升降机的转速、转矩特性分析374.1 升降机的转速特性分析374.1.1 升降机提升速度的分析374.1.2 升降机下降速度的分析394.2 升降机的转矩特性分析414.2.1 升降机提升转矩特性的分析414.2.2 升降机下降转矩特性的分析424.3 升降机的主要特性参数计算424.3.1 升降机的最大提重量424.3.2升降机的提升速度444.3.3升降机的抱闸的受力计算46第5章 工程图的绘制495.1 总装配图的绘制495.2 部件图的绘制495.3 零件图的绘制49第6章 升降机的使用与维护506.1 升降机的日常维护保养506.2 升降机的使用要求52第7章 对升降机进行有限元分析537.1 运用CATIA进行升降机的建模537.2 运用CATIA中的Generative Structural Analysis分析53第8章 结论63致 谢64参考文献6559引 言 升降机是钻机的主要执行机构之一。在钻孔的全过程中，其主要作用是升降钻具，另外，还有升降套管，一定条件利用升降系统悬挂钻具、进行快速扫孔、采用主动钻杆控制减压钻进、利用升降机强力起拔处理孔内事故等作用。 升降机升降工序所占时间比例甚大，并且随孔深而增加，一般约占工作时间的1/31/2。升降机的完善程度，必然明显的影响钻探的效率、钻探质量、生产的安全。因此，对钻机的升降机进行设计和性能分析是非常必要的。 直至目前，工程人员所设计的升降机按传动方式可分为：胀闸传动式、锥摩擦传动式、片式摩擦力合器传动式、液压传动式、行星轮传动式5类。而这5类升降机各自有各自的特点： 锥摩擦传动式升降机结钩比较简单，易损件少、结实耐用、但传动效率小，两摩擦锥面易进入泥浆、油污等，工作可靠性较差。只有少数窃孔及次深孔钻机使用。 片式摩擦力合器传动式升降机传动较锥摩擦式平稳，传动同样功率时结构尺寸较锥摩擦式小，但结构较锥摩擦式复杂，更换离合器片不太方便。 液压传动式升降机可以实现无级调节升降机的速度和远距离自动控制，而且升降机结构大大简化。不足之处是液压马达要求加工、装配精度高、不便野外修配。行星轮传动式升降机与摩擦传动式相比，在尺寸相同时，能传递较大功率以及获得较大的传动比；传动效率大；结构紧凑，传动平稳，操作灵活。从这5中升降机的使用和研究情况来看，前3中升降机已经被淘汰，最后一种为目前应用最为广泛的升降机，但从长远的角度看，能实现无级调速和远程控制的液压传动式升降机将是将来的主要发展方向。本文将在已知参数的基础上，通过对升降机转距特性及转速特性和升降机特性参数的计算，从而设计升降机模型。并应用分析软件对其进行仿真、验证。这样，就可以清楚升降机的转距特性及转速特性，并且获得升降机的特性参数。则工作人员就不可能在已知升降机特性的前提下，出现超载工作的现象，就可以减小事故的发生，保障了人生安全和财产安全。另外，利用这种设计方法，将升降机在各种工况下的特性进行综合，改进现有的升降机。第1章 概述第1章 概述1.1 XY4岩芯钻机的发展历史钻机是向地下钻孔的机器，是完成钻进施工的主机，它带动钻具和钻头向地层深处钻进，并通过升降机完成起下钻具和套管，提取岩心，更换钻头等辅助工作。泵的作用是向孔内输送冲洗液以冲洗孔底，冷却钻头和润滑钻具。它广泛应用于国明经济的许多部门，它是从事各种钻探施工必不可少的主体设备。钻机的发展有手把式钻机、机械传动、液压给进的钻机和全液压钻机之间的三个发展阶段。第一阶段是以手把式钻机为代表的，1862年，瑞士设计制造了世界上最早的手动操作立轴钻机，起钻头是金刚石钻头；1899年出现了钢粒钻进，代替了金刚石钻进；1916年硬质合金也用于钻探，产生了合金钻进。随着这两种钻进方法的采用，相应地出现了荫芽状态的立轴式回转钻进钻机，这种钻机后来发展成性能比较完善的手把给进式钻机。刚开始的钻机动力由人力驱动，只能为低速，升降机为摩擦式的，这种钻机在发展到四、五十年代，这种钻机的结构与性能比较完善；我国解放初期，为解决地质勘探工作急需引进部份这类钻机，随后又大量仿制，其代表型号为XB300、XE5DD及XBI 000A型等。第二阶段是以机械传动、液压给进的钻机为代表的，四十年代中期，随着科技的发展钻机也高速发展，出现了新的金刚石钻头，另外，液压技术也广泛的发展与应用。在这种条件下，产生了机械传动、液压给进的钻机，50年代以后，适合于金刚石钻进的机械传动、液压给进的钻机有了进一步发展。我国解放初期，进口手把钻机的同时，也进口了机械传动、液压给进的钻机，1958一1962年完成了从仿制到自制的过渡阶段，从1962年以后，就开始了系统的设计与制造工作。 第二阶段是全液压钻机为代表的，六十年代以后，金刚石钻进工艺又有新的发展，同时液压技术本身又有了发展，这些因素，构成了全液压钻机产生的条件。因此，在大约在六十华代末至七十年代初期，这种与传统钻机结构完全不同的钻机产生。我国六十年代初已开始研制全液压传动式钻机，七十年代，我国全面地开展了研制工作。1.2 XY4岩芯钻机的发展的主要决定因素第一个因素是：它随着钻探方法和钻探工艺的发展而变化的。和其他技术发展史一样，钻探技术最初的发展是人与自然斗争的结果。我国是世界上最早使用钻探技术来开采地下岩盐的，早在秦代(公元前221207年间)就用钻井方法开采井盐。这一项技术发明目前仍为世界上所公认。但是最早采用的是绳索取心方法，其钻进过程不是连续的，即不能采取连续的岩心，只能打垂直的孔，因此不能满足地质勘探的要求。在十九世纪中后期出现了能连续取心的迥转式钻机，这种钻机钻进效率和地质效果远比原始绳索取心钻进优越，因而，很快地在地质岩心勘探工作中迥转钻进占了主导地位。随着钻进工艺的发展，岩心钻机便必须进行一系列的演变。如果将目的较为新式的液压动力头式钻机和五十年代的手把式钻机相比较则无论在外观上，结构上、技术参数上迥然不同。第二因素是随着冶金工业、机械制造业、电子工业的发展，钻探设备也相应地起着变化。钻探设备的结构原理与设计要求，除了自身地质工作要求的特点外，还必然地要大量采用机械工业上通用的传动副、标准件，如各种传动机构、各种液压元件等。冶金工业的发展提供了轻质高强度的原材料，使设备更趋于结构紧奏体积缩少；电子工业的发展，使钻探设备的测试手段仪表化、自控化。目前在国外钻探设备产品的更新换代十分迅速，其主要原因是零部件绝大多数采用标准件一部新钻机的设计，只要根据设计要求，提出方案完成技术设计阶段后，工作草图设计量并不大，可以大量选用其它公司出品的性能完善的标准件，进行组装，因此新机型的试制周期很短。而由于大量采用专业化生产的标准件，组装后的整机质量得以保证，互换性、通用性也良好。1.3 钻探设备发展的趋势美国机械传动液压给进立抽式钻机约占98，全液压动力头钻机仅占2。可见，现阶段机械传动液压给进钻机在大量的使用而全液压动力头钻机处于发展阶段。国外立轨式钻机，为了缩炽升降和辅助正序，采用自动倒杆，加长立轴行程等措施。由于绳索取心钻进广泛地发展，在钻机上增加了绳索绞伞装置。升降机在结构原理方面变化较小，仍以圆柱齿轮式结构(个别为圆锥齿轮)，个别钻机的卷筒带有摩擦离合器，比较现代化的钻机升降手把采用液压控制，并以手动把作为备用；在中深孔及深孔钻机采用水刹车以及加速提升和下降的提引装置。在传动及变速系统方面，变速箱速度有增加的趋势，有的钻机作了改进，即在变速箱输入端，增设传动减速箱，引入两个系列的速度，以便更能适应各种钻进方法；也有的采用快速更换传动链轮副、更换传动齿轮或更换大批量齿轮以扩大变速箱的速度范围。为了增加设备的机动性，减少安装迁移的时间，装设在轻、重汽车和拖拉机上的自行式钻机目前使用的很广泛。车裁式的钻机其类型往往就是地表固定式标准钻机，动力采目汽车和拖拉饥的发动机，也可以采用独自的动力机。桅杆可用液压缸竖起，采用一前二后的三个液压千斤顶稳定钻机，这种钻机有的深度达1000多米。值得注意的是，国外坑道内岩心钻机的种类较多。例如压气传动式、螺旋给进式和液压动力头式的钻机应用于坑道内钻探。坑道钻的发展它可节省大量钻探进尺而取得预期的地质上和经济上的效果。目前，我国对这方面的工作还重视不够、急待发展。近年来“一机多用也是发展趋势之一。如英园设计的钻机是液压驱动动力头式车裁自行式设备，可用于岩心钻进，能采用空气、泥浆洗井；亦可采用潜孔锤钻进。由于是车载式能局速行驶，也适合山区、丘陵币值路不平的地方行驶。钻探设备发展另一趋势是操作自动化、机械化程度提高。由于电子技术在钻探工作中的日益广泛应用，可以用各种电子仪表控制，以进一步使钻进工作程序化来自动调节与控制最优参数钻进。目前已达到将各种操作手把集中进行液压操作使之联动化、程序化。升降工序机械化已作为钻机部件的一部分。利用传感装置将并底压力、泵量泵压、转数扭矩、瞬时进尺速度、过载警报等信息集中在操作台上自动显示、自动记录，由电子计算机处理数据，变成指令自动控制与调整钻进参数，这在石油钻探设备上巳投入正式使用，在岩心钻探上也有某些仪表与程序初步可以来用。1.4 钻机分类按用途分类：岩心钻机机组、水文水经钻探机机组、工程地质钻机机组、工程钻探机组、取样钻机机组、地热钻探机机组、探钻机机组、坑道钻机机组、石油钻机机组、砂矿钻机机组，等等。第2章 设计总论第2章 设计总论2.1 XY4岩芯钻机升降机的功用、设计要求及设计条件2.1.1 XY4岩芯钻机升降机的功用钻机的升降机有主升降机和副升降机之分：主升降机用于升降钻具和套管；副升降机可用于起吊其它管材或重物，打捞绳索取心钻具内管，升降捞砂简、取土器等。2.1.2 XY4岩芯钻机升降机的设计要求由于钻机的升降机在在钻探的过程中，工作时间长，其性能的好坏，直接关系到钻进的效率钻孔的质量和生产的安全，因此升降机要满足以下要求： 在满足升降机工艺要求的前提下，应能最大限度地降低升降工序的机动时间和充分提高功率利用系数。 要求升降机的结构与强度具有一定的超载能力。 操作方便、动作灵敏、平稳、劳动强度小、工作安全可靠，现代钻机应考虑操作远离钻机本体，实现远距离手柄或按扭操作。 结构简单。2.1.3 XY4岩芯钻升降机的设计条件 输入轴转速（r/min）：约450、约310、约217、约117； 卷筒转速（r/min）：约160、约110、约78、约42； 最大提升能力：29.4KN； 卷筒直径：285mm； 钢绳直径：16mm； 卷筒容绳量：52mm； 提升速度：0.82、1.51、2.16、3.13。2.2 XY4岩芯钻机升降机类型的确定目前存在的升降机有5种，分别是胀闸传动式、锥摩擦传动式、片式摩擦力合器传动式、液压传动式、行星轮传动式；而它们的特点是：表2-1 不同升降机的特点比较类型特点采用钻机型号胀闸传动 式次种升降机简化了机械传动结构，采用液压控制，易实现远距离操作以及自动化；而且工作平稳；卷筒制圈散热条件好。但只适用于有液压系统的钻机。SPC-300型锥摩擦传 动式此类升降机结钩比较简单，易损件少、结实耐用、但传动效率小，两摩擦锥面易进入泥浆、油污等，工作可靠性较差。只有少数窃孔及次深孔钻机使用XB-500型片式摩擦力合器传 动式传动较锥摩擦式平稳，传动同样功率时结构尺寸较锥摩擦式小，但结构较锥摩擦式复杂，更换离合器片不太方便。用于钻机辅助升降机液压传动式可以实现无级调节升降机的速度和远距离自动控制，而且升降机结构大大简化。不足之处是液压马达要求加工、装配精度高、不便野外修配。行星轮传动式与摩擦传动式相比，在尺寸相同时，能传递较大功率以及获得较大的传动比；传动效率大；结构紧凑，传动平稳，操作灵活。用于机械传动式钻机因此，通过上述分析，我们选择行星轮式升降机作为XY-4岩心钻机的升降机。但是，行星轮式升降机又分为两种：一种是行星轮轴支撑在提升在制圈上，内齿圈与卷筒装在一起；另外一种是行星轮轴装在卷筒上，而内齿圈和提升制圈连在一起。我们暂时选择第一种。2.3 XY4岩芯钻机升降机的设计方案的确定本次设计是在原有的XY-4岩心钻机的基础上，利用所给的设计参数进行计算，分别进行：工作参数的选择： 升降机的最大起重量Pq； 提升速度分为：最高缠绳速度Vmax、最低缠绳速度Vmin； 调速范围R； 速度档数及中间速度。抱闸的受力分析： 下降制动力矩； 提升制动力矩； 手柄上的作用力；抱闸的发热验算：抱闸在制动过程中，将钻具和提升系统的动能全部转化为热能，这些热能会使抱闸和制圈的温度升高。这样会使摩擦系数降低，制动力矩减小，而且会使热应力增加，加剧摩擦材料的磨损，因此要对其进行发热验算，看是否能够男组要求。通过上述计算就可以知道升降机的最大起重量、提升速度、制动力矩等等，我们就利用这些参数来选择升降机的主轴、行星轮系齿轮、支架、中心齿轮、行星轮轴等所有的零件型号和尺寸，进而绘制出总装配图。在经过一些软件来分析升降机的性能。2.4 XY4岩芯钻机升降机的组成分析XY4岩芯钻机升降机主要由卷筒、行星传动机构、水冷装置及抱闸等组成。这些部件有着不同的外形特征和不同的作用，下面就其分别进行分析： 卷筒卷筒是升降机的主要组成部分，它是提供提升动力与控制提升、下降速度的装置。它的形状如图4-1所示： 图2-1 XY4岩芯钻机升降机卷筒卷筒用两盘球轴承支承在升降机的中部。左边有水套循环，它与水套轴构成水循环系统；右边部分与内齿圈采用热压法装在一起，卷筒缠绕钢丝绳所需要的动力就从这里输入。 行星轮系升降机设置行星轮系的目的在于解决上升与下降时升降机轴要向不同的方向旋转的问题。采用此装置的另一个原因是由于它可以有精确的传动比、传动效率高、传动平稳、可以传动较大的力矩。在选择行星轮系的个数时，为了使系统不产生偏心现象，故行星轮系的个数为3个。它们分别用两盘球轴承活动装在三根行星轮轴上。三根行星轮轴互为120度夹角，均匀装在两行星轮支架之间。两个支架分别用球轴承装在中心齿轮两边的轴承径上。行星轮系的外行如图1-2所示：图2-2 XY4岩芯钻机升降机行星轮系 1.内齿圈 2.单列向心球轴承 3.行星轮轴 4.支架左部分 5.螺栓 6.弹性垫片 7.支架右部分 水冷装置由于升降机在下降过程中是以自身的重量为动力的，因此在下降一段时间后就会有较大的速度，为了减速，抱闸与制圈由于摩擦就会产生大量的热，这些热量如果不及时排除就会对升降机造成影响。所以，在卷筒和水套轴之间装水循环系统。另外，水冷装置还有一个作为水刹车的用途。 升降机轴升降机轴是整个升降机运行主要动力传递的元件。它上面装有卷筒、水套轴等零件，另外，还有中心齿轮。中心齿轮与升降机轴用花键联接。选用花键联接是由于中心齿轮要传递较大的转矩。升降机轴的左部分空套装于水套轴的中心孔内，右部分用花键插入分动箱轴齿轮的花键孔内，动力由齿轮从分动箱传到升降机轴。升降机轴的形状如图1-3所示：图2-3 升降机轴 抱闸升降机有两个抱闸，一付是制动抱闸，另一付是提升抱闸。其作用是通过抱紧制圈产生摩擦力矩，从而制动或控制卷筒与提升制圈，并靠自身结构中产生的弹力松开抱闸，使抱闸与制圈间出现间隙。a：抱闸的原理图如图1-4所示：图2-4 抱闸结构图 1.手把 2.棘轮 3.铜套 4.铜垫 5.垫 6.闸块 7.弹簧 8.螺母 9.锁母10.连杆 11.顶杆螺栓 12.闸带 13.支架 14.沉头铆钉 15.销轴 16.止动销 17.销轴 18.手把托垫 19.棘爪 20.销轴b：抱闸的工作原理：制动时，将手把下压，凸轮偏心厚面压向铜垫5，迫使两制块靠近，抱紧制闸。松开时，将手把上抬，凸轮偏心薄面压向铜垫5，凸轮压力消除，在弹簧张力的作用下，使两制块放松制圈，并保持间隙。在下降制动抱闸凸轮上有棘齿，棘轮上装有棘爪19。利用棘齿和棘爪可以使抱闸长时间处于制动状态，能使孔内钻具长时间处于孔内某一位置上。为保证抱闸工作可靠，抱闸处于放松状态时，应和制圈保持适当而均匀的间隙，如果间隙过大，制动时动作迟缓，而且产生的制动力矩小，甚至使抱闸失灵；间隙过小，可能会造成分离不彻底。2.5 XY4岩芯钻机升降机结构示意图与工作原理分析2.5.1 XY4岩芯钻机升降机的结构示意图通过对升降机的组成的分析以及对原有升降机的参考，我们就能确定升降机的零部件的装配情况和大致的结构示意图，其机构示意图如图1-5所示。图2-5 升降机结构示意图1.升降机轴 2.中心齿轮 3.行星轮轴 4.行星齿轮 5.内齿圈6.提升抱闸 7.卷筒 8.制动抱闸2.5.2 XY4岩芯钻机升降机的工作原理分析 升降机在工作时有四种工作情况，分别是：提升钻具、制动钻具、下降钻具、微控制。 提升钻具升降机在提升钻具时，提升抱闸6抱紧，同时将下降抱闸8松开，则由于提升抱闸的抱紧作用，使得提升制圈和行星轮系支架的右部分通过键联接成的整体静止，这样行星轮系此时为定轴轮系。动力从分动箱传入到升降机轴1，升降机轴带动中心齿轮转动2，同时中心齿轮与行星齿轮4啮合；行星齿轮又与内齿圈5啮合，从而带动卷筒7绕升降机轴转动绕绳，达到提升钻具的目的。 制动钻具将提升抱闸6松开，下降抱闸8抱紧，则此时卷筒7静止不动，行星齿轮4自转，同时带动行星轮轴3与提升制圈公转，升降机轴空转。 下降钻具 同时将提升抱闸6和下降抱闸8松开，钻具在自重的作用下，卷筒反转松绳钻具下降。控制下降抱闸的松开程度就可以控制钻具的下降速度，另外，还有微动操作，就是利用下降和提升抱闸联合动作，在短时间内实现提升、制动、下降的连续动作。 第3章 分析计算 第3章 分析计算3.1 XY4岩芯钻机升降机齿轮的分析计算3.1.1 齿轮总传动比的确定因为输入轴的最高转速n1=450 r/min和卷筒的最高转速n2=160 r/min；又因为在升降机提升钻具时，行星轮系为定轴轮系，则可以根据公式：，知： （3-1）式中： 升降机总传动比； 第一级传动比； 第二级传动比； 中心齿轮齿数； 行星齿轮齿数； 内齿圈齿数。3.1.2 选择齿轮材料和热处理，精度等级，齿轮齿数考虑到传动功率大，要求结构紧凑，使用寿命长，由谭庆昌编著机械设计表6-2选得：三个齿轮材料用40MnB，表面淬火，齿面硬度4855HRC，齿轮精度为8级，闭式软齿面齿轮；选中心齿轮的齿数，选，则，。3.1.3 按齿根弯曲疲劳强度设计 先设计中心齿轮和行星齿轮闭式硬齿面齿轮传动，承载能力一般取决于弯曲强度，故先按弯曲强度设计，验算接触强度。由式 （3-2）因载荷有较重冲击，由表查得，故初选载荷系数，由式 （3-3）计算端面重合度 ；由式 ， （3-4）查表得： 由式 （3-5） 查表得： 由表选 ，由图按齿面硬度均值51HRC，在ML线上查得： ， 则 取 设计齿轮模数：将确定后的各项数值代入设计公式，求得：修正： （3-6）查表得： （3-7） （3-8）查表，选取第一系列标准模数 。所以齿轮的主要几何尺寸为： 取 较核齿面接触疲劳强度： （3-9）查得，按不允许出现点蚀，查得：按齿面硬度均值51HRC在MQ和ML线中间查出，取 （3-10）将确定出的各项数值代入接触强度较核公式，得： （3-11）接触强度满足。 设计内齿圈内齿圈的输出功率24.11kw，转速160r/min。 闭式硬齿面齿轮传动，承载能力一般取决于弯曲强度，故先按弯曲强度设计，验算接触强度。由式因载荷有较重冲击，由表查得，故初选载荷系数，由前面的设计可知，齿轮的模数m=3.5，因此内齿圈的模数也是3.5。所以齿轮的主要几何尺寸为： ； ；取。 校核齿面接触疲劳强度：查得，按不允许出现点蚀，查得：按齿面硬度均值51HRC在MQ和ML线中间查出，取 将确定出的各项数值代入接触强度较核公式，得：接触强度满足。表2 齿轮的主要参数齿轮 zmd(mm) (mm)dadf中心齿轮303.51057511296.25行星齿轮363.512675133117.25内齿圈843.529475301285.253.2 XY4岩芯钻机升降机轴的分析计算3.2.1 升降机轴的设计 根据机械传动方案的整体布局，拟订轴上零件的装配方案。选择图3-1所示的方案。图3-1 升降机轴零件的分布 选择轴的材料轴的材料选择40Cr，调质处理。其力学性能由表查得，。根据表查得，。 求输入轴的功率 、转速和转矩通过查表可知齿轮的传动效率为0.97，则输入功率是： ； （3-12）；。 初步估算轴的最小轴径由公式可以得到升降机轴的最小轴径 （3-13）又因为此轴与齿轮是用键联接的，所以升降机轴的最小轴径应为： （3-14）升降机轴的最小部分是在与分动箱齿轮联接的地方，它的选择应该根据分动箱齿轮的孔径确定，而轴最大的部分在支撑卷筒处两单列向心轴承的中间位置。其余的轴径则要根据与之相联的轴承、密封圈选择。 轴的结构设计为使B点的密封圈的定位，因而加一个轴肩，并考虑到密封圈的内径，故选轴肩的直径是55mm。在BC段是放置单列向心轴承的，根据轴承的内径轴的直径为60mm，长度是轴承的宽度22mm。CD段是升降机轴最大的部分，由于此段轴的左右两边要使轴承定位，因此选轴的直径是66mm，长度要于卷筒的宽度匹配194mm。DE段的的直径与BC段相等，长度是两个轴承的宽度加中心齿轮的宽度，另外，考虑到要将齿轮固定，两轴承之间要有垫片，因此它的长度是120mm。EF段的直径与轴承的内径相同，为50mm，长度是两轴承的宽度与行星轮系支架的宽度和为120mm。FG段由与之相联的分动箱的齿轮的宽度决定，在这里选择80mm。 确定轴上圆角和倒角尺寸圆角是R1.5，倒角是245。 按弯扭合成强度计算由所确定的结构图（图3-1）可确定出升降机轴的支承距离为80mm，据此求出齿轮宽度中点所在的截面的、和的值。a：画出轴的计算简图（图3-2）为计算方便，将轴上的作用力分解到水平面和垂直面内进行计算。取集中力作用与轴上零件的中点。对于支反力的位置随轴承类型和分布方式的不同而异。b：计算轴上外力齿轮的圆周力 （3-15）齿轮的径向力 （3-16）径向力与原周力的合力 （3-17）c: 计算轴的弯矩并画弯矩图图3-2 升降机轴的受力计算水平面弯矩 （3-18）垂直面弯矩 （3-19）水平面和垂直面的弯矩图如图2-2c和2-2e所示。合成弯矩（如图2-2f） （3-20）d: 画转矩图（图2-2g）e：计算当量弯矩图转矩按脉动循环变化计算，取=0.6得： （3-21） 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩的截面的强度。由公式 （3-22）所以轴的强度足够。 按疲劳强度的安全系数进行校核计算a：危险截面的判断危险截面的位置应是弯矩和转矩以及截面面积较小且应力集中较严重处。当在同一截面处有几个应力集中源时，取各源所引起的最大值。根据轴的结构尺寸及弯矩图、转矩图，截面齿轮中点处的弯矩最大且齿轮配合和花键轴引起的应力集中。以下以齿轮中点的截面进行分析 。b: 齿轮中心截面处进行疲劳强度的安全系数校核 抗弯截面系数 （3-23）抗扭截面系数 （3-24）合成弯矩 （3-25）转矩 弯矩应力幅（按对称循环变应力计算） （3-26）弯曲平均应力 扭转平均切应力幅 （3-27）扭转平均切应力 由设计图可知 由按（谭庆昌编著机械设计）的附图5查得尺寸系数 由精车加工得：按（谭庆昌编著机械设计）的附图8查得表面质量系数 按公式 （3-28）可计算得： 由于花键引起的有效应力集中系数是 故得综合影响系数是 （3-29）由于齿轮轮毂与轴的过盈配合H7/r6产生的有效应力集中系数和尺寸系数之比由（谭庆昌编著机械设计）的附图6b、7b查得 （3-33）因此可得综合影响系数是 取上面的综合影响系数较大的数值，故 轴的材料是40Cr，查（谭庆昌编著机械设计）的表8-1取弯曲影响系数和扭转影响系数是 只考虑弯矩作用的安全系数，由公式 （3-34）得： 只考虑转矩作用的安全系数，由公式 （3-35）得： 由公式 （3-36）得安全系数是 取标准的安全系数是1.5，则 所以截面安全。3.2.2 行星轮轴的设计 根据机械传动方案的整体布局，拟订轴上零件的装配方案。选择图3-1所示的方案。 1.行星齿轮 2.单列向心轴承 3.行星轴支架图3-3 行星轴零件的分布 选择轴的材料轴的材料选择40Cr，调质处理。其力学性能由表查得，。根据表查得，。 求输入轴的功率 、转速和转矩通过查表可知齿轮的传动效率为0.97，则输入功率是： ；。 初步估算轴的最小轴径由公式可以得到行星轮轴的最小轴径。 轴的结构设计为使单列向心轴承的定位，因而加一个轴肩，并考虑到单列向心轴承的内径，故选轴肩的直径是48mm。在直径时40mm段是放置单列向心轴承的，根据轴承的内径轴的直径为40mm，长度是轴承的宽度16mm。直径时36 mm段是行星轮系支架支撑行星轮系的连接处，长度要于行星轮系支架的宽度匹配32mm。对整个行星轮轴来说其实关于轴肩对称的。因此，确定一边的尺寸就可以了。 确定轴上圆角和倒角尺寸圆角是R1.5，倒角是245。3.3 XY4岩芯钻机升降机轴承的分析计算 轴承型号的选择根据钻探工程手册，选择轴承型号是100360；轴承型号是100355。 计算轴承承受的径向载荷和将轴系部件受到的空间力分解为水平面（图3-4b）和垂直面（图3-4c）两个平面力系，由力分析可知：水平支反力 （3-37）垂直支反力 （3-38）合成支反力（图3-4d） （3-39）图3-4 轴承受力示意图 计算轴承的轴向载荷和由图4-3d可知，等于。查设计手册（GB/T 292-94），100000型轴承的Cr=35.2KN，Cor=24.5KN，对于10000型轴承，按（谭庆昌编著机械设计）的表9-9，轴承的内部轴向力，并知。则 （3-40）由于轴承在轴向方向只有和，因此， （3-41） 计算轴承的当量动载荷和 由于 （3-42）按（谭庆昌编著机械设计）的表9-7，可查得径向载荷系数和轴向动载荷系数：轴承 轴承 轴承运转中有中等冲击载荷，按（谭庆昌编著机械设计）的表9-8，取则： （3-43） 计算轴承寿命因为，该轴承的寿命是： （3-44）寿命满足。3.4 XY4岩芯钻机升降机卷筒的结构参数的确定 钢绳直径和卷筒直径影响卷筒直径的因素有：卷筒质量、卷筒扭矩和钢绳的寿命。这三个因素中，前两个与第三个存在矛盾。实践证明，卷筒直径与钢绳直径比例恰当，就可适当兼顾三个因素。因此，确定卷筒的直径之前，应先选择钢绳的直径。在本设计中钢绳的直径已经已经确定是16mm。由于卷筒的直径愈大，钢丝绳缠绕时所受弯曲交变应力就小，钢丝绳工作时不致很快疲劳损坏，因此延长了钢丝绳寿命；但是，卷筒尺寸、重量和扭矩也随之增加。反之，卷筒尺寸，重量和扭矩减小，但钢丝绳工作条件差，寿命短。对于岩心钻机，卷筒直径的合理比值是 （3-45）式中 卷筒直径，mm； 钢丝绳直径，mm。在本设计中选择的卷筒直径是285mm。 卷筒的容绳量与卷筒的长度由设计要求可知卷筒的容绳量是52m。a：缠绕层数n浅孔立根短，工作钢丝绳不长，缠绕一层为最好。孔深立根长，工作钢丝绳多，必然要缠绕多层。但是为了减少钢丝绳受挤压与摩擦而造成的损耗，缠绕层数一般最多只取24层。在设计中去n=3层。b：每层圈数Z根据公式 （3-46）式中 每层圈数； n钢丝绳在卷筒上缠绕的层数； 卷筒直径； 钢丝绳直径； 容绳量。 可以计算得 圈在计算钢丝绳容量时，应该考虑到提升器下降到最低位置时，卷筒上还有57圈储备量。c：卷筒的长度B由上面的计算可以知道，卷筒的缠绕层数是多层，因此可以用下面的公式计算卷筒的长度。 （3-47）但是，在一般情况下，选择卷筒的长度是用下面的公式的： （3-48）则卷筒的长度是 卷筒的壁厚卷筒的壁厚难以准确的计算，一般用经验公式确定：铸造卷筒 （3-49）焊接卷筒 （3-50）公式中 不同材料铸造时的最小壁厚，mm。见表3。表3 卷筒材料容许铸造壁厚材料尺寸铸造容许最小壁厚（mm）ZG35小型铸件中型铸件大型铸件610121520QT45小型铸件中型铸件346810HT1533大型铸件1520本设计中材料选用QT45，中型铸件，则；因此卷筒的壁厚是 选择卷筒壁厚为12mm。 卷筒的边缘直径卷筒的边缘直径取决与卷筒直径与缠绕归纳钢丝绳的层数和钢丝绳的直径。同时，结构上受行星轮系与制圈直径约束。卷筒的边缘直径应比其上外层钢丝绳高出23个钢丝绳直径。即 （3-51）所以卷筒的边缘直径是413mm。 第4章 升降机的转速、转矩特性分析第四章 升降机的转速、转矩特性分析4.1 升降机的转速特性分析4.1.1 升降机提升速度的分析升降机提升钻具的线速度是根据额定动力、钻具质量、卷筒直径和转速等确定的。在动力能力的容许下尽量提高提升速度，但又得考虑过快在生产中影响手动操作的安全可靠性；提升速度过慢，又直接影响着钻进过程中纯钻进时间。升降机提升钻具时卷筒，行星齿轮，中心齿轮的相互运动关系如图4-1所示。本钻机的提升速度计算是： （4-1）式中 升降机的提升速度，m/s； 升降机的提升速度，m/s； 升降机的提升速度，D=28.5cm； 升降机的提升速度，d=1.6cm。图4-1 升降机提升钻具示意图图中 中心齿轮的角速度（r/min）； 卷筒角速度（r/min）； 行星齿轮自转的角速度（r/min）； 行星轮轴公转的角速度（r/min）。a：卷筒转速n的计算当升降机在提升钻具时，升降机的传动是定轴传动，因此计算时按照定轴轮系的传动计算方法便可。第一速： （4-2）第二速： 第三速： 第四速： b：升降机的提升速度根据公式可计算得升降机的提升速度是：第一速： （4-3）第二速： 第三速： 第四速： 4.1.2 升降机下降速度的分析升降机下降钻具时卷筒，行星齿轮，中心齿轮的相互运动关系如图4-2所示。此时，由于行星轮系的存在，因此，必须将行星轮系转化为普通轮系，即在行星轮系各转动件上加一个与行星轮系轴公转角速度大小相等方向相反的角速度-。在转化后的轮系中，中心齿轮与行星齿轮传动比为： 图4-2 升降机下降钻具示意图图中 中心齿轮的角速度（r/min）； 卷筒角速度（r/min）； 行星齿轮自转的角速度（r/min）； 行星轮轴公转的角速度（r/min）。 （4-3）中心齿轮与内齿圈的传动比为： （4-4）由（4-1）式得： （4-5）由（4-2）式得： （4-6）因此 所以 （4-7）当 时， ，即行星齿轮不自转，而只有公转，如图：4-3a所示。当 时， ，即行星齿轮与中心齿轮转向相同，如图：4-3b所示。当 时， ，即行星齿轮与中心齿轮的转向相反，如图：4-3c所示。 从以上的分析可以看出，下降时行星轮系的转向不仅与中心齿轮和内齿圈的转速有关，而且与各传动齿轮的齿数有关。 图4-3 升降机下降钻具时轮系运动示意图图中 中心齿轮的角速度（r/min）； 卷筒角速度（r/min）； 行星齿轮自转的角速度（r/min）； 行星轮轴公转的角速度（r/min）。4.2 升降机的转矩特性分析4.2.1 升降机提升转矩特性的分析动力从升降机轴输入，直接传动到中心齿轮，与中心齿轮啮合的三个行星齿轮相继转动。而升降机的旋向为顺时针方向，带动中心齿轮，游星齿轮被传动为逆时针方向旋转，因为圆柱齿轮传动内齿圈的运动方向不变的原理。因此，被行星齿轮传动的内齿圈亦为逆时针旋转，故卷筒亦同方向旋转，即卷筒提升钻具的旋转方向。由设计条件可知：最大提升力为：29.4KN； 最快提升速度：3.13m/s； （4-8）因此，要以3.13m/s的速度在不超过29.4KN的提升力的前提下，必须要有92.02KW的输入功率。在齿轮啮合的过程中，一定有功率的传动损失，齿轮传动的损失率为：可得升降机上输入的功率是： 因此，卷筒的功率，转矩与升降机轴的功率，转矩分别是： ； ； ； 。4.2.2 升降机下降转矩特性的分析 由于升降机下降时，是靠自身的重力作用下完成的，因此，在升降机下降钻具时的转矩与下降的高度，下降时的速度有关，它是一个变值。4.3 升降机的主要特性参数计算4.3.1 升降机的最大提重量升降机的最大提重量指的是用单绳一速提升时，升降机的最大提升负荷，它取决于大钩载荷以及滑车系统得结构。而大钩载荷又依据额定孔深下的最大钻具重量确定。大钩载荷可用下式计算： （4-9）式中 大钩载荷；卡塞系数。它又反映了升降机的超载能力，又可称为超载系数。一般154。浅孔及大口径钻机取值较小，中深孔及小口径钻机取值较，深孔钻机取值大；额定孔深时的钻具总重；钻杆重量修正系数。接头连接1.05，接箍连接1.1；每米钻杆重量；额定孔深的钻具总长；冲洗液比重；钻杆材料比重。在实际应用中一般采用简化公式计算 （4-10）XY-4岩心钻机的最大钻进深度是1000m，孔径是53mm，=4.5m/kg。 因此，大钩载荷是 。升降机的最大起重量可由公式确定，在设计中升降机的滑轮系统按有死绳滑轮系统设计，则有效钢丝绳数m=4根，在取=0.90。从而可得升降机的最大起重量是： 。4.3.2 升降机的提升速度提升速度指的是卷简的缠绳速度。它包括最高缠绳速度、最低缠绳速度、调速范围R、速度档数m及中间速度。 速度档数m由前面的设计可知，次升降机有四个速度，因此，它的速度档数m=4。 最高缠绳速度最高缠绳速度是根据提引器的最高上升速度确定的。 （4-11）式中