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回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计 毕业设计（论文）院 系：XX学院姓 名：专 业：机械设计学 号：4200209320XXX指导教师：XX老师XX大学X学院2016年9月毕业设计（论文）任务书（应由学生本人按指导教师下达的任务认真誊写）姓名 专业 机械设计 指导教师 XXX 学号 4200209320194 入学时间 2014.09 网站（院系） 机械学院 一、课题名称二、课题内容三、课题任务要求四、同组设计者五、主要参考文献1 陈绍龙，刘怀平.从选粉浓度解读高效转子选粉机技术：文献，盐城：科行建材环保公司，20042 许林发.建筑材料机械设计（一）.武汉：武汉工业大学出版社，19903 潘孝良.硅酸盐工业机械过程及设备.武汉：武汉工业大学出版社，1993 4 叶达森.粉碎与制成.北京：中国建筑工业出版社，19925 汪谰.水泥工程师手册.北京：中国建筑工业出版社，1997.126 朱昆泉，许林发.建材机械工程手册.武汉：武汉工业大学出版社，2000.77 楮瑞卿.建材通用机械与设备.武汉：武汉工业大学出版社，1996.9 8 方景光.粉磨工艺及设备.武汉：武汉理工大学出版社，2002.8 9 刘景洲.水泥机械设备安装、修理及典型实例分析.武汉：武汉工业大学出版社，2002.1010 刘铁忠.TLS系列组合式选粉机的开发.水泥技术，1999（1）：1911 徐灏.机械设计手册.3.第2版.北京：机械工业出版社，2002.612 胡宗午，徐履冰，石来德.非标准机械设备设计手册.北京：机械工业出版社，2002.913 成大先.机械设计手册.2.第4版.北京：化学工业出版社，2002.114 成大先.机械设计手册.3.第4版.北京：化学工业出版社，2002.115 成大先.机械设计手册.4.第4版.北京：化学工业出版社，2002.116 数字化手册编委会.机械设计手册(软件版)R2.0.机械工业出版社，2003.117 陈秀宁、施高义.机械设计课程设计.浙江：浙江大学出版社，200218 武汉建筑材料工业学院等学校.建筑材料机械及设备.北京：中国建筑工业出版社，198019 徐锦康.机械设计.第2版.北京：机械工业出版社，200220 吴一善主编.粉碎学概论.武汉：武汉工业大学出版社，199321 沈世德.机械原理.北京：机械工业出版社，2002指导教师签字 教研室主任签字 年 月 日（此任务书装订时放在毕业设计报告第一页）中文摘要与关键词摘 要：本文系统的阐述了回旋冲击钻具轴承结构和密封润滑方式的设计。设计内容包括轴承结构设计、密封润滑方式设计、轴承结构主要零件的工艺分析、气动驱动结构的载荷设计以及成本、效益的比较计算等几个主要部分。同时，在AutoCAD的基础之上，完成了回旋冲击钻具轴承结构的装配图和主要零件图的绘制。通过对轴承结构和润滑方式的研究以及结合回旋冲击钻具的工作要求，设计出了主轴组合轴承结构、环型轴承结构、芯捻润滑和局部密封润滑方式，成功的解决了回旋冲击钻具工作中传动摩擦大，密封润滑难的问题，有效的保证了钻具的工作条件，使设计后的钻具功率损耗小，提高了钻具的工作效率。关键词：轴承结构；局部密封；芯捻润滑；工作效率AbstractAbstract: This graduation design systematically elaborated the designing of the bear structure of rotating striking drill tool and the method of sealing, which including bear structure designing, sealing lubricating method designing, the analysis of the process of main parts of the bear structure, air driving structure loading designing and the comparing calculate of the cost and profit. At the same time, based on the AutoCAD, the assembly drawing and main parts drawing of the bear structure of rotating striking drill tool were finished. Via the study of bear structure and lubricating method, connecting to the working requirement of the rotating striking drill tool, the combined bear structure of the main shaft, round bear structure and twirl-coring lubricating and located sealing lubricating were designed. And some problems such as large frication in transmission and difficulty of sealing lubricating when rotating striking drill tool was working, were resolved successfully, then the working conditions of the drill tool were guaranteed effectively, and the power using was decreased, and the efficiency was promoted.Keywords: bear structure; located sealing; twirl-coring lubricating; working efficiency第一章 绪论1.1 课题来源基于高层、超高层建筑物及大型桥主塔基础等承载的需要，对大直径桩工机械要求越来越大。国内大直径的钻具设备研发，少有研究采用新的运动原理和结构，一般只能采取加大直径，增加配套功率和扭矩，以及选用高硬刃具材料等办法，因而有逼向高功率配置和笨重方向发展的趋势，不仅固有的弱点问题没有解决，而且又更加大了施工设备投资，影响工程建设效益。如：湖南省道1804线周家店至常德公路改建工程，在柳叶湖大桥四根3.0米直径桩基础施工中，由于施工成本的原因，第一个枯水施工季节，没有进场大直径成孔设备，施工单位采取沉井明挖法施工失败。在第二个枯水施工季节，终于以60多万的价格，新购置到重型冲击钻机设备，开始进行返工施工。韶关产冲击锤重达13吨，配套设备均是个别设计生产，使用直径4.5公分钢丝绳。由于锤重绳粗，常规的设备匹配和连接方式，在这“重型”面前显得非常脆弱，出现了每两个工作班必须更换连接，每次需三小时，每15个工作班，损坏一次导轮或轴，每次更换需时间12天的情况，另外31# 桩基出现了严重的孔壁失圆现象，明显地影响了工程质量、进度和效率。针对以上桩基础工程中的具体数据和施工情况来看，常规的钻具已经难以满足施工要求，而且常规直径桩基础成孔施工广泛使用冲击钻和回旋钻两种基本钻型，排渣采用泥浆护壁正循环方法排渣，这两种基本钻型它们工作的一个共同特点就是切削刀刃与孔壁和孔底保持整体的或线或面的接触，至使摩擦阻力大，切削相对速度低，能量分散，分布不合理，无效功耗大，效率低。根据以上两种钻具的缺点以及结合目前现实施工中所面临的问题，构想出了一种兼有冲击钻和回旋钻优势功能的全新型结构的“回旋冲击钻具”。该回旋冲击钻具的结构和功能特点是：在常规主动力杆（空心杆）的驱动下，回旋冲击钻具运动机构可靠地建立起了由若干小直径钻杆组成的钻头群连续稳定的径向复星形旋转切削运动，另用气动力或电磁力方式对钻杆群附加轴向可操控的冲击动力，以满足在相应地质条件下实现破碎和旋削复合钻进的需要，此钻具宜采取反循环气升排渣。从理论上说即使全钻具只安装一根钻杆（如10厘米直径的刃具），钻具运动机构也可驱动其完成设计3米以上足够直径断面的成孔，亦即大直径成孔未必一定要配套大扭矩钻机。如果单个刃具能实现如图1-1所示的平面单迹线星形运动，并同时具有径向旋削软散颗粒，轴向冲击破碎整体岩石的功能。则数个小直径的刃具也将会产生高效率的复合或图1-1 单点星形运动网状迹线图运动和作用，由若干连续点的运动，形成连续的曲线运动，若干曲线的运动，使施工面呈周边包络线为圆形的细密网状曲面，实现钻具逐层从上至下的整体成孔运动。1.2 设计的目的及意义“一桥飞架南北，天堑变通途”，随着科学技术的高速发展，一条条宽敞的公路纵横交错，一幢幢高楼雨后春笋般的拔地而起，一座座雄伟的桥梁飞跃大江河海，把祖国的江山打扮得如此多娇。桩工工程作为一种基础工程在祖国建设中发挥了巨大的作用，并且取得长足的发展，各项工程基础的施工进度往往是影响整个项目建设工期的关键，其造价也是影响项目投资的主要不定因素。为适应各类建筑工程材料、设计和施工技术的发展需要，从钻孔桩基础施工成孔设备着手，综合冲击钻和回旋钻两种基本钻型成孔原理的优点，研究开发出新型成孔钻具，以解决桩基工程施工，要求快速高效、稳定可靠、广泛适用和适应超大直径方向发展的问题，是长期以来国内外业内人士不乏探索的命题。本次设计不但上让我们了解到桩工机械在国民经济中的重要作用，同时也培养了我们的实际动手能力，更深一步接触一些新设计理念，这样对我们以后的设计都有很大的帮助，以下是本次设计的目的：1.全面复习、巩固机械制造工艺学、机械制造装备技术设计以及相关课程的基本知识，并运用所学知识解决机械加工中的工艺、工艺装备等实际设计问题，提高分析问题、解决问题的能力。使这些知识得到进一步巩固、加深和拓展； 2.学习和掌握机械设计的一般步骤和方法，培养设计能力和解决实际问题的能力，巩固和扩展有关机械设计方面的知识，培养理论联系实际的设计思想。3.进行基本技能的训练，对计算、制图、运用设计资料（如手册、图册、技术标准、规范等）以及进行经验估算等机械设计方面的基本技能得到一次综合训练，提高技能水平。1.3 主要工作任务回旋冲击钻具是利用星型运动原理来设计一种采用多个刀具钻削岩层的钻具，此全新型“回旋冲击钻具”能够实现冲钻与旋削功能相结合、成孔地质适应广泛、排渣及时彻底、钻进效率高、钻机功率配置要求宽泛灵活、成孔直径适用跨度大等等优点，实为解决长期以来困扰大直径钻孔灌注桩成孔钻具问题的一种全新结构和新思路。本设计是回旋冲击钻具设计中的一部分设计，及轴承结构与润滑方式设计。设计的主要工作任务如下：1. 轴承结构设计2. 密封润滑方式设计3. 零部件设计4. 成本、效益比较计算第二章 轴承结构及密封润滑方式设计机器中的轴系大多采用滚动轴承作支承，这些轴系，尤其是主轴和重要的传动轴系的运转状况不仅直接影响着机器的工作性能，而且影响机器的主要技术指标。轴系中的滚动轴承类型的选择、轴承的布置、支承结构及密封润滑方式的设计等对轴系受力、运转精度、提高轴承寿命及可靠性，保证轴系性能等都将起着重要的作用。还有就是减少两个具有相对运动的零件之间的摩擦。本章就针对回旋冲击钻具所需要的轴承结构及润滑方式进行设计。2.1 轴承结构及密封润滑的主要功用分析 回旋冲击钻具结合了冲击钻与回旋钻这两种传统钻具的成孔原理，及实现轴向的冲击破岩和径向的旋削松散，从而实现冲击与回旋功能相结合，以达到高效、快速成孔的目的。这就要求其轴承结构以及密封润滑方式能够满足这一特定的复合运动所需要的支承和保护作用。以下是该回旋冲击钻具中轴承结构和密封润滑方式的主要功用分析：1.由于钻具主轴（空心轴）是通过井上电机驱动进行旋转运动，而井下钻具外壳是通过轮毂与井壁挤紧的，也就是钻具外壳不能旋转，为了减少扭矩，在主轴与外壳之间设计一轴承结构，用来实现旋转主轴与外壳之间的支承作用。2.由于钻具主轴不能通过井上电机直接进行轴向的冲击作用，而是通过气动驱动重锤在锤击各根小钻杆之后剩下的力锤到内齿圈上，而内齿圈是与外壁紧连的，也就是说重锤的冲击力在完成小钻头破岩和抵消外壁磨檫后剩下的力通过外壁传到了主轴上，从而使空心主轴往下作业，这就要求其轴承结构能够把重锤的一部分力通过外壁传到空心主轴上。3.内齿圈与托盘的运动情况不一至，内齿圈与外壁固定，无旋转运动，而托盘做旋转运动，也就是在这两个零件之间会有相对运动，为了减少两零件的摩擦和实现各自的运动，在两者之间加一轴承结构，用来支承和减少摩擦磨损，同时也可以大大减少功率的损失，可以提高工作效率。4.钻杆齿轮一方面要自转，另一方面要围绕支承轴公转，那么钻杆齿轮与托盘之间也存在相对运动，在这两者之间设置的轴承结构是为了减少摩擦和保护各零件，提高零件的使用寿命。5. 润滑、密封对整个钻具的性能影响很大，润滑起着减少摩擦、降低磨损、减少接触应力和散热冷却的作用，同时也有助于减振、防锈及冲洗杂质；而密封的作用也不可以忽略，它可以防止润滑油外漏，减少外界灰尘和其它不利物质进入机体内。由于桩工机械的作业条件异常恶劣，工程钻具所面临的是泥浆和沙石，而这些东西恰恰是很不利于钻具正常作业的，甚至对钻具有毁灭性的破坏，那么密封、润滑正是用来解决此问题的良策。2.2 主轴轴承结构及密封润滑方案设计与确定载荷的大小、方向和性质是选择轴承类型和进行轴承结构设计的重要依据，而机械的工作环境和工作条件则是进行密封润滑方式设计的重要制约因素。由于回旋冲击钻具中轴承承受着较大的轴向冲击力和较小的径向力，那么在支承上应采用两个或多个线接触的轴承。在进行结构设计的同时，需要考虑到结构的装配问题、结构中零件的加工难度、密封润滑的稳定性以及整个结构的经济性等指标，表2-1是为回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式拟订的三种方案： 表2-1 主轴轴承结构及润滑方式的设计方案序号结构简图特点A此方案采用双向推力球轴承和圆锥滚子轴承的组合结构，其不但能够承受较大的径向力和双向轴向力，还能够承受很大的轴向冲击载荷，润滑方式为脂润滑，润滑使用方便，耗量少，密封性能一般，适用于极限转速底的场合，但是该结构比较笨重，主轴精密制造段过长，制造成本高，且发热严重，整个结构装配难度大。续表序号结构简图特点B该方案采用三个圆锥滚子轴承的组合结构，其能承受较大的轴向力和径向力，也能承受轴向冲击载荷，密封性能良好，采用油润滑，内磨阻小，且润滑系统为循环的，润滑油损失量少。但该结构比较笨重，不便装卸和维护，经济性能差，由于润滑是利用离心力摔油，对主轴平稳转速要求很高，使得润滑油温度升高，且整个结构不便于散热。C此方案是四个圆锥滚子轴承的组合结构，其能承受很大的轴向载荷和径向载荷，还能承受冲击载荷，密封性能好，润滑方式采用芯捻润滑，能够保证供油稳定、润滑油清洁且油量不至过多，润滑系统为循环的，润滑油损失量少，整个结构轻巧、紧凑，且装卸与维护方便，制造成本低，散热性能好，适用的主轴极限转速范围广。该回旋冲击钻具主轴转速为32r/min,属于低转速范围，由于方案B的离心式摔油润滑只有在高转速下才能正常工作，那么B方案的润滑方式不能满足该钻具的要求，又由于钻具要钻到地下几十米的深处作业，为了减少钻具回到地面所耗功率和制造成本，其钻具自身的重量不能过于笨重，C方案相对A、B方案来说，设计的是轻型结构，这点优于A、B方案。A方案采用双向推力球轴承来承受轴向的冲击载荷，钢球与保持架磨损，发热严重，且散热性能差，轴承寿命降低。在安装方面，由于A、B方案的结构笨重，又没有设计钓钩等方便安装的结构，而C方案在肋版上设置了八个大圆孔，这就方便了加工或装配时零件的搬运和移动。A、B方案在加润滑脂、润滑油时，必须拆开后才能加进去，而C方案可以直接通过游标孔往油槽里加油，并且可以测量润滑油油面高度，这样就便于维护。A、B、C三种方案中的下端支承处都采用圆锥滚子轴承，该轴承只是起到一个平衡的作用，并没有承受什么载荷，其都采用脂润滑。综合以上各种主轴轴承结构及润滑方式的设计方案，再结合该回旋冲击钻具的具体工作环境和对轴承结构的功用要求，通过对性能、制造、经济、安装与维护等各方面的综合比较，最后确定采用方案C。其主轴轴承结构及润滑方式示意图如图2-1所示：1端盖；2、19油圈；3、9圆锥滚子轴承；4芯捻；5上轴承座（箱体）；6、12、23毛毡密封圈；7、11活塞式密封装置；8、16O形密封圈；10弹簧；13空心主轴； 14下轴承座；15垫圈；17润滑油；18、22甩油环；21轴承套；20杆试游标图2-1 主轴轴承结构及润滑方式示意图方案C中轴承型号与润滑剂牌号的选择：如上图2-1，3、9为同一型号的圆锥滚子轴承，根据该处的轴径以及配合轴承内径，选择圆锥滚子轴承的代号为：32052X，其尺寸为260mm400mm87mm； 3-圆锥滚子轴承采用油润滑，选用L-AN68润滑油，该润滑油主要用于低速重载的设备上。9-圆锥滚子轴承采用脂润滑，选用ZL-3通用锂基润滑脂，该润滑脂适用温度在-20120，主要用于机械的滚动轴承等其他摩擦部位的润滑。当钻具下井作业时，重锤锤击各小钻杆，使小钻杆下到一定深度，然后再锤击在内齿圈上，内齿圈把力传给外壁，外壁与5-上轴承座（箱体）相连，从而通过1-端盖把冲击力传到轴承组3上，再经过18-摔油环传给13-空心主轴，从而破碎空心主轴钻头下的一方土石。钻具完成作业后，在回到地面的过程中，空心主轴把一部分拉力作用到轴承结构上，用来抵消外壁与井壁的摩擦阻力，把外壁往地面上拉。17-润滑油置于5-上轴承座（箱体）的油槽中，通过4-芯捻把油渗吸到轴承上方，且与22-甩油环贴紧，甩油环随空心主轴做圆周转动，通过离心力的作用，将芯捻上吸附的润滑油甩入到3-圆锥滚子轴承上，润滑油在重力作用下，必然往下流，从而达到润滑的目的，当剩余的润滑油流到上支承处的最下面一个轴承时，便在18-甩油环的作用下，将其甩入油槽，实现润滑油的循环作用。由于14-下支承座上附有气动驱动结构和重锤，为了实现冲击的平衡性，在下支承处安装一圆锥滚子轴承9。上轴承座、下轴承座以及空心主轴围成的排渣压力气缸的密封润滑设计计算，将在第3章进行详细阐述。主轴轴承结构装配图以及各主要零件图见附图ZJZC-0006。2.3 传动部分轴承结构及润滑方式设计2.3.1托盘与内齿圈轴承结构设计根据回旋冲击钻具的总体结构和运动情况，如下页图2-2所示，由于1-外壁与4-内齿圈相连，而外壁又不能做回旋运动，故4-内齿圈与1-外壁相对为静止，3-托盘在钻杆的带动下做回转运动，所以托盘相对内齿圈做回转运动，为了减少3-托盘与4-内齿圈之间的摩擦和实现托盘的运动，在两者之间加一轴承装置2，该轴承装置是通过4个螺栓将其拧紧在3-托盘上的，为了实现承载和防摩擦的需要，在托盘的周边进行环型布置，称该防摩擦装置为环型轴承结构。此轴承装置的零件图与装配图见附图ZJZC-1520。1 外壁；2轴承装置；3托盘；4内齿圈图2-2 2.3.2太阳轮与托盘轴承结构设计如图2-3，由于1-太阳轮的转速高，2-托盘是由行星轮带动钻杆，再由钻杆带动2-托盘做旋转运动，所以托盘的转速低，那么在1-太阳轮与2-托盘之间就会产生相对的回旋运动，同样在1和2之间加3-轴承装置，以减少摩擦和实现各自的运动。3-轴承装置也同2.3（1）中的轴承装置一样。1太阳轮；2托盘；3轴承装置；4空心主轴图2-3 2.3.3 孔底钻钻杆轴承结构设计如下页图2-4所示，3-孔底钻钻杆在冲击锤的锤击作用下往下运动，把冲击力传给钻头进行破岩，然后在1-弹簧的弹力作用下复位，由于1-弹簧随3-孔底钻钻杆作回旋运动，而4-挡板并没有绕3-孔底钻钻杆作回旋运动，所以1-弹簧相对4-挡板有回旋运动，为了减少弹簧与挡板之间的摩擦，故在图示位置装一推力球轴承，根据孔底钻钻杆的截面直径，选用轴承代号为51309的推力球轴承。由于该处转速不高，载荷也不大，选用ZL-3锂基润滑脂进行润滑。1弹簧；2轴承；3孔底钻钻杆；4挡板图2-42.3.4 孔壁钻钻杆轴承结构设计图2-5所示，3-孔底钻钻杆处安装轴承的作用同2.3（3）孔底钻钻杆处一样，也是为了减少1-挡板与4-弹簧之间的摩擦，根据孔壁钻钻杆的截面直径，同样选用轴承代号为51309的推力球轴承。选用ZL-3锂基润滑脂进行润滑。1挡板；2轴承；3孔壁钻钻杆；4弹簧图2-52.3.5 太阳轮与挡板之间轴承结构设计 如下页图2-6所示，1-垫块、3-太阳轮随4-空心主轴做回旋运动，6-挡板在钻杆的作用下也做回旋运动，但是与主轴相连的零件回旋速度大，而挡板是在行星轮的带动下回旋，所以速度底，为了减少6-挡板与1-垫块、3-太阳轮之间的摩擦，故设置一轴承轴承结构，该轴承由2-轴承内圈、5-钢球、7-轴衬外圈组成，滚珠选用标准件，选用钢球型号为KU.10，直径为10mm，内、外圈特制。同样选用ZL-3锂基润滑脂进行润滑。1垫块；2轴承内圈；3太阳轮；4空心主轴；5钢球；6挡板；7轴承外圈图2-62.3.6 孔底钻钻杆齿轮处轴承结构设计如图2-7所示，由于3-孔底钻钻杆齿轮绕4-孔底钻钻作回旋运动，同时还要绕支撑杆作公转，其与1-托盘之间存在相对的回旋运动，但是孔底钻钻杆齿轮与托盘的重叠区域小，为了减少两者之间的摩擦，故在3-孔底钻钻杆齿轮与1-托盘之间设置一轴承结构，该轴承结构由2-轴承外挡圈、5-轴承内挡圈、6-滚珠和7-保持架组成，此结构要求在孔底钻钻杆齿轮上开一环行槽，以便有利与滚珠的运动，6-滚珠选用标准件，选用钢球型号为KU.7，144，重量为1000个1.5KG，直径为7.144mm。6-钢球在7-保持架的护位下环型布置，所以也称该装置为环型轴承结构，2-轴承外挡圈、5-轴承内挡圈和7-保持架零件图见附图ZJZC-1114。1托盘；2轴承外挡圈；3孔底钻钻杆齿轮；4孔底钻钻杆；5轴承内挡圈；6钢球；7保持架图2-72.3.7孔壁钻钻杆齿轮处轴承结构设计如图2-8所示，3-孔底钻钻杆齿轮与7-挡板之间的摩擦也是由于两者之间的相对运动，相重叠的摩擦区域小，所采用的防摩擦装置同2.3（7）中一样，且轴承结构和零件尺寸都一样，那么在此就不作过多阐述了。1轴承外挡圈；2滚珠；3孔壁钻钻杆齿轮；4孔壁钻钻杆；5轴承内挡圈；6保持架；7托盘图2-82.3.8 钻底处轴承结构设计 如图2-9所示，由于1-钻底挡板相对6-钻壁作回转运动，且6-钻壁要托住1-钻底挡板，为了减少两者之间的摩擦，在两者之间加一轴承结构，该轴承由3-轴承内圈、5-轴承外圈和4-滚珠装配而成，由于钻底环境恶劣，为了减少沙石进入轴承中，在6-钻壁上设置一沟槽，并用2-毛毡密封圈进行密封。该轴承中4-钢球选用标准件，选用钢球型号为KU.20，638，其直径为20.638mm。1钻底挡板；2毛毡密封圈；3轴承内圈；4钢球；5轴承外圈；6钻壁图2-92.3.9 润滑方式设计由于机构特性的决定，同时为了简化结构和降低成本，建立刃具星形运动的齿轮组等大部件，不可避免的只能在泥浆中润滑，除开以上已经设计过润滑方式的轴承结构，传动部分其它轴承结构和齿轮等均采用泥浆润滑，该泥浆是利用小管道从地面配好输送进来的，但这就需要齿轮组采用高锰类耐磨钢特性材料（履带、锷板和道岔类材料），有适应在泥浆砂石中工作的材质要求。以解决有关部件难以密封的滚动、滑动和齿轮摩擦的润滑以及锈蚀问题。另外还需加设防护罩和隔离板，以防异物影响和损坏机件运行。2.4 轴承结构主要零件的工艺分析图2-10所示零件为主轴轴承结构的轴承套零件，该零件外圆内套在上轴承座中，内孔与轴承配合，主要作用是减小其同轴度的误差和降低轴承座的加工难度。该产品为新研发产品,选用单件生产。待研制成功,普及后选用批量生产。材料为ZCuSn10P1，这种材料耐高温和摩擦，强度高。图2-10 轴承套零件图2.4.1轴承套的技术条件和工艺分析该轴承套属于长套筒，其主要技术要求为：440h7外圆对400H7内孔的径向圆跳动公差为0.1mm；左端面对400H7内孔轴线的垂直度公差为0.1mm。轴承套外圆为IT7级精度，采用精车可以满足要求；内孔精度也为IT7级，采用镗孔可以满足要求。内孔的加工顺序为：半精镗精镗浮动镗刀块精镗。由于外圆对内孔的径向圆跳动要求在0.1mm内，用软卡爪装夹无法保证。因此精车外圆时应以内孔为定位基准，使轴承套在大锥度心轴上定位，用两顶尖装夹。这样可使加工基准和测量基准一致，容易达到图纸要求。2.4.2 轴承套的加工工艺表22为轴承套的加工工艺过程。表2-2 轴承套的加工工艺过程序号工序名称工序内容定位与夹紧1铸造、清沙2时效处理3车1.粗车外圆460mm至450mm及M4501.5mm螺纹（工艺用），车空刀槽31mm三爪卡盘夹一端，大头顶尖顶另一端2.车端面及倒角三爪卡盘夹一端，搭中心架托450m处3调头车端面及倒角取总长315mm4镗1半精推镗孔到380mm一端用M4501.5mm螺纹固定在夹具中，另一端搭中心架2精推镗孔到390.85mm3浮动镗刀镗孔到尺寸，表面粗糙度值Ra为1.6m5车1车去工艺螺纹，精车外圆450mm至尺寸软爪夹一端，以孔定位顶另一端6钻钻径向油孔18mm440mm外圆及端面7检查第三章 排渣压力气缸密封润滑方式设计该回旋冲击钻具采取反循环气升排渣，也就是利用空气压缩机将高压气体压入井下空心主轴内，通过气升来实现排渣。因空心主轴作回旋运动，为了避免通气管不被空心主轴扭成一团，故通气管不能直接与空心主轴相连，所以设置如右图3-1所示的排渣压力气缸，该压力气缸是1-上轴承座、2-下轴承座和6-空心主轴所围成的空腔，通过1、4、7处的密封装置来实现的。为了减少其它杂质对1、4处密封装置密封效果的影响，故在密封装置1的上方和密封装置4的下方分别设置一个毛毡密封，以加强对1、4处密封装置的保护。1、4、7处密封装置中的密封圈使用O形密封圈，这种密封圈的工作介质为：液压油、润滑油、气体。其能承受的最大工作压强为，而该排渣 1、4、7密封装置；2上轴承座；3下压力气缸内压强不到，并且这种 轴承座；5、8毛毡密封圈；6空心主轴密封圈的温度适用范围在到 图3-1 排渣压力气缸之间，故能满足要求。为了加强1、4、7处密封装置的密封性能，在以上三处加入润滑油，选择20号QB汽油机润滑油，该润滑油主要用于缸活塞的润滑。本章以下内容将分别对1、4、7处密封装置进行设计计算。3.1 上轴承座处密封设计3.1.1密封圈的选择已知旋转轴轴径=310mm,根据公式： （1.031.07） （3-1）式中为旋转轴轴径，为O形密封圈实际内径。由公式（3-1）可得：（1.031.07）319.3mm 331.7mm根据的取值范围选择O形密封圈公称外径mm，断面直径mm，材质为耐油耐高温橡胶-2。其标记如下：O形密封圈：3358.6，橡胶-2，GB1235-76。3.1.2沟槽尺寸设计由于主轴进行旋转运动，根据以上选定的O形密封圈，结合图3-2所示结构，可得以下沟槽尺寸：H=8.2mm,沟槽宽度=12.2，允许公差为+0.20, r=0.2 mm，R=0.5 mm. 根据公式： （3-2）式中为O形密封圈沟槽外径，为旋转轴轴径，在1.2中已经查出，=8.2 mm. 由公式（3-2）可得：=326.4 (mm)3.1.3挡圈作用与选择 图3-2 上轴承座处沟槽O形密封圈破坏的重要原因之一就是在工作压力作用下被挤入间隙内，从而使O形密封圈严重变形，以至受到破坏而影响密封效果。如下页图3-3所示：图3-3 密封圈被挤入间隙那么在密封圈受气体压力的另一端加一挡圈，则可以阻止密封圈被挤入间隙，其结构见下图3-4所示：图3-4 挡圈的设计根据3.1.1中选定的O形密封圈的公称外径D=335 mm、断面直径=8.6 mm，可选挡圈标外径mm，厚度mm，材质为聚四氟乙烯A型。其标记为：挡圈A3352.5聚四氟乙烯 GB1235-763.2下轴承座处密封设计3.2.1密封圈的选择已知旋转轴轴径=240 mm,根据公式（3-1）：（1.031.07）式中为旋转轴轴径，为O形密封圈实际内径。由公式（3-1）可得：（1.031.07）247.2 mm 256.8 mm根据的取值范围选择O形密封圈公称外径mm，断面直径mm，由于该处有摩擦，所以选择材质为耐油耐高温橡胶-2。其标记如下：O形密封圈：2605.7，橡胶-2，GB1235-76。3.2.2沟槽尺寸设计由于主轴进行旋转运动，根据以上选定的O形密封圈，结合图3-5，可得以下沟槽尺寸：H=5.4mm, 沟槽宽度=8.5，允许公差为+0.20，r=0.2mm，R=0.4mm。根据公式（3-2）：式中为O形密封圈沟槽外径，为旋转轴轴径，在上面已经查出，=5.4mm.由公式（3-2）可得：=270.8 (mm)3.2.3挡圈的选择根据3.2.1中选定的O形密封圈的公称外径D=260mm、断面直径=5.4mm，选择挡圈外径mm，厚度mm，材质为聚四氟乙烯 图3-5 下轴承座处沟槽A型。其标记为：挡圈A2602s 聚四氟乙烯 GB1235-763.3上轴承座与下轴承座连接处密封设计3.3.1 连接处密封结构设计由于4-上轴承座与3-下轴承座之间不会发生相对运动，那么在该处的密封就不需考虑摩擦的问题，属于静止密封，把6、7-O形密封圈紧压入下轴承座的U形槽内，为了更大限度的减少间隙，涂上润滑油，然后用1-螺栓和8-螺母拧紧，中间加2-弹簧垫圈，以防止螺母松散。该种结构不但简单，而且密封性能稳定可靠且能有效的对高压气体进行密封，其结构如下图2-7所示：1螺栓；2弹簧垫圈；3下轴承座（排渣气缸）；4上轴承座；5空心主轴；6、7O形密封圈；8螺母；图3-6 连接处密封设计3.3.2 密封圈的选择由于3-下轴承座（排渣气缸）的内壁与1-螺栓位置的限制，那么O形密封圈应落在以5-空心主轴的中心为中心，内、外直径分别为410 mm、553 mm的圆环范围内。密封圈的选择如下：选择的7-O形密封圈公称外径为mm，断面直径为mm，实际内径=484.3mm，又该处无摩擦，故其温度不高，所以选择材质为耐油通用橡胶-2。其标记如下：O形密封圈：5008.6，橡胶-2，GB1235-76。选择的6-O形密封圈公称外径mm，断面直径mm，实际内径=435.3mm，材质为耐油通用橡胶-2。其标记如下：O形密封圈：4508.6，橡胶-2，GB1235-76。3.3.3 下轴承座（排渣气缸）上U形槽尺寸设计如右图3-7所示，根据3.3（2）已经选定的密封圈，其实际内径分别为484.3 mm、435.3 mm，断面直径为8.6 mm，由于O形密封圈具有伸缩性，设计时使稍微小于6O形密封圈的实际公称内径,取=435 mm；稍微小于7O形密封圈的实际公称内径,取=484 mm；使R大 于密封圈断面直径，取R=9 mm。为减少密封圈的被压缩 图3-7 连接处密封设计程度，取h=2 mm。 第四章 滚筒设计在钻具与井底相接触的地方设置一滚筒组，用来支撑钻具和减少摩擦，其滚筒布置如图4-1所示：图4-1 滚筒布置图以下内容是对滚筒进行的设计计算。4.1 芯轴的设计4.1.1选择轴的材料由于该芯轴是与支架固定的，轴本身不转动，所承受的转矩几乎为零，又该滚筒主要起支撑作用，那么此芯轴主要承受径向冲击载荷，故选材料45钢调质，其参数如下：4.1.2初步确定轴的最小直径根据钻具现有结构和零件的布置，如图4-1所示，再结合该课题组中钻具总体结构设计给出的尺寸限制，滚筒落在长宽高为210mm180mm180mm的矩形范围内。考虑到轴承和滚筒壁的厚度，初步拟订该芯轴的最小轴径为=28mm。 4.1.3轴的结构设计1）轴肩设置因为轴承与轴配合的地方精度要求高，为了减少轴的精加工长度，装轴承处的轴径应大于最少轴径28mm,以便设置轴肩，其值为1mm。所以轴承装配处的轴径为28mm+2mm=30mm。轴承的一端靠端盖轴向固定，另一端则在轴上设置另一轴肩，轴肩的高度要通过所选轴承的装配尺寸来确定，在下面的3）处进行设计。2）初步选择轴承虽然轴承只受径向力作用，但是为了实现轴承的轴向定位，简化结构，故选用圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据此处轴径30mm，选择轴承为：代号30206，其尺寸为30mm62mm17.25mm3）轴段的长度和轴径的设置取安装轴承处的轴段-、V - V的长度18mm，轴径已知=30mm,两轴承之间制一轴肩进行定位，轴肩的高度根据轴承的装配尺寸确定，取=3 mm，所以轴段=36mm。 4）轴与支架的定位轴与支架的周向定位采用平键联接。根据、选择平键截面=8mm7mm,30mm，4.0mm, 3.3mm,键槽用键槽铣刀加工。5）轴上零件的轴向定位安装在轴上的零件只有两个相同型号的轴承，其在轴上对称布置，在它们之间已有一轴肩，可以防止两轴承向中间游动，为了不让轴承向轴端游动，在轴的两端分别装一端盖，端盖与滚筒用螺栓拧紧，端盖的内圈伸进滚筒孔抵住轴承的外圈，从而实现轴承在轴上轴向定位。6）确定轴上圆角和倒角尺寸零件倒角C和圆角半径R的值查文献11P357页列表如下：表41直径183030505080C或R1.01.21.62.0取轴端倒角为145o。其它倒圆R为1.5。7）轴的结构与装配轴的结构与装配如下页图4-2：图4-2 芯轴结构与装配4.1.4按轴的剪切强度校核芯轴由于此芯轴很短，且无转矩，只是承受径向载荷，同时也伴随有径向冲击载荷，那么可近似按轴的剪切强度进行校核，已知钻具的自重和冲击力总和为544KN,该力绝大部分用于冲击钻杆进行破岩，一部分用于抵消外壁与井壁的摩擦力，最后剩余的力最多只有10%传到滚筒上，而该滚筒组共3个，每个滚筒上有2对轴承，从极限考虑，假设该力只有一个滚筒承受，那么可以求出剪切力F为27.2KN。受力情 图4-3况如图4-3所示：根据公式： （4-1）从而可得：前面已经查得，所以，故该芯轴满足剪切强度要求。4.2 滚筒结构与密封润滑方式设计4.1中已经对滚筒的芯轴进行了设计，同时也选好了轴承和键。根据滚筒的工作条件和功能的需要，需设置一钢筒，并且在两端加端盖，采用毛毡密封圈进行密封，密封是为了阻止沙石进入滚筒内，如图4-4所示：1 键；2、6毡圈油封；3圆柱滚子轴承；4芯轴；5钢筒；7端盖；8螺栓图4-4 滚筒结构图滚筒内轴承采用脂润滑，由于滚筒在有水的环境中工作，所以要用耐水的润滑脂来实现轴承的润滑，选用L-XAAMHA1钙基润滑脂。滚筒的装配图以及零件图见附图ZJZC-0710。第五章 气动驱动结构零件的选材与载荷设计5.1气动驱动结构零件的选材机械都是由多种不同性能的材料加工成的零件组装而成的，显然，正确的选择和合理的使用材料十分重要。下面就针对右图5-1所示的气动驱动结构中的零件进行材料性能要求分析，1-缸盖、2-缸筒和5-排渣气缸对材料有刚度、强度、尺寸稳定性要求；4-可动活塞和5-固定活塞对材料有强度要求；3-冲击锤对材料有强度、冲击韧度、耐摩性要求。根据以上零件对材料的使用性能要求，查文献16表10-21和文献15 表2 1缸盖；2缸筒；3冲击锤；4可动活-3，选择气动驱动结构零件的材料归纳如表 塞；5排渣气缸；6固定活塞5-1所示： 图5-1 气动驱动结构表5-1 主轴轴承结构及润滑方式的设计方案零件名称缸盖缸筒可动活塞排渣气缸固定活塞冲击锤材料HT250HT25045HT25045205.2冲击载荷的设计与主要零件的强度校核5.2.1冲击载荷的设计钻具在钻进的过程中，会遇到各种不同的地层，而不同地层的物质构成显然是不一样的，根据该回旋冲击钻具的设计要求：设计后该钻具能适应各种软硬不同的地质条件。也就是说能够在比较坚固的砂质页岩和页岩质砂岩中进行钻进。该地层岩石的单轴抗压强度为350MPa。该钻具是由许多小钻头组成的钻头群进行共同作业的，从总体设计中可得钻头群中小钻头的个数为15个，单个小钻头作用在岩石上的冲击面积约为825，由于各个小钻头是在星行运动的带动下做回旋或公转运动，且并不是每个钻头都同时作用在岩石上，那么设一钻头群同时作用系数，取=0.8，而所有小钻头需要的破岩总力正是由气动驱动来满足的，所以设计该气动驱动结构所提供的总冲击力载荷由以下公式来计算： （5-1） 式中，总冲击载荷，小钻头作用面积，岩石的抗压强度，为了保证钻头能够破碎最坚硬的岩石取=50 MPa，小钻头的个数。根据公式（5-1）设计计算该气动驱动结构总冲击载荷如下：=15508250.8=495KN5.2.2气缸筒的壁厚校核已知，由气动驱动结构设计的缸工作压力P=1.5，缸气缸筒直径为900mm,气缸壁厚为25mm。那么，可知该气缸筒为薄壁，查文献23第511页公式（37-1），可得公式： m （5-2）式中气缸筒的壁厚 m；P气缸工作压力 ；D气缸筒的内径 m；材料的许用应力 ； = （5-3）材料的抗拉强度 ；S安全系数，一般取68。根据5.1中所选定的气缸筒的材料， 45号钢的抗拉强度=600，取安全系数S为8，利用公式（5-2）校核气缸筒的壁厚，计算如下：=9(mm)25(mm)所以满足厚度要求。5.2.3缸盖固定螺钉的校核已知，由5.2.1设计的气缸负载为495KN，由气缸结构设计的固定螺钉个数为18个，查文献2第125页公式（3-33）： （5-4）式中 气缸负载； 螺纹拧紧系数，=1.121.5； 固定螺栓个数； 螺栓材料许用应力。，为材料的屈服点。根据气动驱动结构设计所选定的M16螺钉， 35号钢的抗拉强度=530，取螺纹拧紧系数为1.2，利用公式（5-4）校核缸盖固定螺栓，计算如下：=14.4(mm)1.2，取=1.3；为重力加速度(m/s)；为拟订钻屑的直径（m）；是岩屑相对密度，计算中可取=2.6；为泥浆的相对密度，计算时可取=1.1；为回流腔的截面积（m）。该回旋冲击钻的钻屑直径=1500mm,取=1.3，重力加速度=9.8 m/s，根据公式（6-2）计算出排渣速度： =1.761.3 =10.24（m/s）已知回流腔的截面积（主轴空心部分的截面积），其中=0.09m，再根据公式（6-1）可计算出泥浆循环量： =360010.243.140.09 =937.6(m/h)实际施工时，泥浆储备量可按孔深所需泥浆的1.8倍考虑。那么在排出的泥浆中，水占的比例约为45%，那么泥、沙石等固体物质循环量为：=55%=515.68(m/h)在没有往地下进行打桩之前，其地层是由沙石等固体物质构成，也就是说地层为一个没有空洞的实体，其体积是由固体物质所填充的，然后利用回旋钻具进行打桩作业，把沙石等固体物质和其它地方渗过来的地下水排到地表，那么在该打桩处的地下就必然形成一个空井，该井的体积就和排出的沙石等固体物质的总体积相等，从而可以得出计算回旋冲击钻具的排固体物质的速度公式，公式如下： （6-3）式中，为钻具排固体物质的速度(m/h)，为桩的体积(m)，为桩的深度m,为桩的截面积m。根据以上公式（6-3），可得出钻具排固体物质的速度如下： =292(m/h)6.1.2估算钻具钻进速度根据总体方案设计课题和气动驱动课题得出的钻具作业参数，主轴旋转速度为32转/min,重锤冲击频率为45次/min,钻杆每次钻进为100mm,每个钻头划过的轨迹所织成的网格中，最大的网格面积小于空心主钻头上的排渣孔截面积，那么这样经过冲击和旋削后的固体物质就可以当渣排出去，初步估算太阳轮每旋转2圈就可以达到这样的网格密度，也就是每分钟修平16个100mm深的孔，结合冲击钻进速度和旋削修平的速度，从而可以计算出钻具的进给速度(m/h)，计算如下：=3220.160=96(m/h)从以上得出的钻具排渣能力和进给速度来分析，钻具进给速度小于钻具排固体物质的速度，也就是说钻具每完成一次冲击和旋削所捣碎的沙石和泥都通过排渣系统有效的排到了工地上，不会滞留在井底阻碍钻具作业，改善了钻具的作业条件，从而可得出该钻具的成孔速度为96m/h。6.2 成本效益的比较打相同直径的桩，用回旋钻施工，每小时只能成孔约1米，例如湖南文理学院校办工厂旁边的一根直径1.5米的桩，采用回旋钻施工，一下午4小时才进4米深，打桩速度很慢，而且排炸要靠人力用铲把钻头上的泥沙弄下来，严重的影响了成孔速度，且回旋钻对岩石基本是没有钻进速度的，也就是回旋钻受地理条件限制很严重，只不过制造成本低，自身重量轻。用冲击钻施工，在泥沙层每小时大约只可以成孔2米，冲击使泥沙进入钻筒内，再把钻头提到井上靠人力把其卸下来，无形的增加了工期和降低了打桩速度，如果遇到岩石层那就更慢了，湖南省道1804线周家店至常德公路改建工程，采用重型冲击钻机设备，韶关产冲击锤重达13吨，配套设备均是个别设计生产，使用直径4.5公分钢丝绳。由于锤重绳粗，常规的设备匹配和连接方式，在这“重型”面前显得非常脆弱，出现了每两个工作班必须更换连接，每次需三小时，每15个工作班，损坏一次导轮或轴，每次更换需时间12天的情况，另外31# 桩基出现了严重的孔壁失圆现象，明显地影响了工程质量、进度和效率。冲击钻具自身笨重，要求配套电机功率大，制造成本高，排渣困难。采用回旋冲击钻进行施工，每小时成孔96米，且配套电机功率比以上两种桩小得多，采用气举反循环排炸，派渣过程不需要额外的人工卸渣，也不需要把钻头提到工地地面上来，有效的提高了钻具的工作效率，整个钻具没有冲击钻重，运输和安装方便，只不过该钻具结构复杂，制造成本相应高点，但对地理条件适应较前两种更广泛，具有更大的市场。总 结本次设计的目的是为了系统地把大学中所学的专业知识连贯起来应用于实际当中，以解决生产实际问题，锻炼我们分析问题和解决问题的能力。本次设计圆满完成了回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式的设计。其主要内容包括轴承结构设计、密封润滑方式的设计、主要零件部件的设计、气动驱动载荷的设计和成本效益的比较计算。但由于时间仓促和设计水平有限，许多地方做的还不够完善，没有将设计工作做的更细。设计中主要做了以下工作：首先是轴承结构及密封润滑方式设计，轴承结构及密封润滑方式对轴系受力、运转精度、提高轴承寿命及可靠性，保证轴系性能等都将起着重要的作用。在该部分中，针对回旋冲击钻具的具体工作要求进行了轴承结构和密封润滑的主要功用分析，然后根据功用要求设计了三种方案进行比较选择。接下来对传动部分轴承结构及润滑方式进行了设计，采用过量排渣和泥浆灌注法实现了气封和润滑，有效的减少了传动部分的摩擦，提高了传
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