摘 要
目前，在我國直接為煤礦生產(chǎn)服務(wù)的鉆機，百分之八十以上在井下從事作業(yè)。現(xiàn)有的鉆機所呈現(xiàn)的功率低、主軸轉(zhuǎn)速慢、鉆進速度慢、運輸不方便、勞動強度大工作效率低等缺點越來越明顯。本次設(shè)計就是對50米鉆機進行改進。改進后該鉆機具有以下優(yōu)點，外型尺寸小，重量輕；易于解體，適應(yīng)工作場地的更換；鉆機轉(zhuǎn)速快鉆進速度比以往都要快；用液壓卡盤固定鉆桿，盡可能的實現(xiàn)自動化，提高了效率，減輕了疲勞強度。
TXU-50型鉆機主要由回轉(zhuǎn)器、給進機構(gòu)、變速箱、鉆機操縱機構(gòu)把手組成，配有控制測量儀表和其他一些輔助裝置。設(shè)計中著重考慮電機的選擇、變速箱和液壓系統(tǒng)的設(shè)計。提高電機功率從而提高主軸轉(zhuǎn)速，改進變速箱結(jié)構(gòu)從而減小體積，以便運輸。
關(guān)鍵詞：鉆機 電機 回轉(zhuǎn)器 機械傳動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)
Abstract
Current, produce to drill the machine ministrantly for the coal mine directly in the our country, 80% under the well is engaged in the homework above. the existing drilling machine presents the power low, the main axle rotational speed slow, sneaks in the speed slowly, the transportation not convenient, the labor intensity big working efficiency low and so on the shortcoming is more and more obvious. This design is aims at 50 meters drilling machines some improvements. Below the improvement this drilling machine has the merit. The outlook size small. The weight is light. Easy to disintegrate, adaption working area replacement. The drilling machine rotational speed quickly sneaked in the speed formerly all to have to be quicker than; With the hydraulic pressure qiapan fixed drill rod, the as far as possible realization automation, enhanced the efficiency, reduced the fatigue strength
The TXU-50 drilling machine mainly by the gyrator, gives the organization, the gear box, the drilling machine control mechanism and so on is composed the hand, has the monitor and other some auxiliary unit. In the design considers the electrical machinery emphatically the choice, the gear box and the hydraulic system design. Enhances the electrical machinery power thus to enhance the main axle rotational speed, improves the gear box structure thus to reduce the volume, in order to transports.
Keyword: Drilling machine Motor Circumgyrate ware Transmission system Hydraulic system
目錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒 論 1
1.1 鉆機的發(fā)展 1
1.2 項目的研究意義 1
1.3 國內(nèi)外科技現(xiàn)狀 1
1.4 項目創(chuàng)新之處 2
1.5 鉆機的工作原理 2
第2章 鉆機的總體設(shè)計 4
2.1 鉆機的特點 4
2.1.1 各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 4
2.1.2 鉆機的外形特點 4
2.1.3 鉆機的總體設(shè)計方案 5
第3章 鉆機的技術(shù)特點 6
3.1 鉆機的主要參數(shù) 6
3.2 回轉(zhuǎn)器的主要參數(shù) 6
3.3 電動機參數(shù) 6
3.4 油泵參數(shù) 6
3.5 水泵參數(shù) 6
第4章 動力機的選擇 7
4.1 回轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)桿及破碎巖石所需功率的計算 7
4.2 給進油缸所需功率的計算 8
4.3 動力機功率的確定 9
第5章 機械傳動系統(tǒng)的計算 10
5.1 主要運動參數(shù)的選擇 10
5.2 變速箱的設(shè)計計算 11
5.2.1 變速箱內(nèi)各齒輪的主要參數(shù)和材料 11
5.2.2 、齒輪對的強度較核 11
5.2.3 、齒輪對的強度較核 13
5.2.4 、齒輪對的強度較核 15
5.3 回轉(zhuǎn)器的設(shè)計 17
5.3.1 回轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)特點 17
5.3.2 零部件的強度與壽命計算 17
5.4 軸的計算 19
5.4.1 軸II的計算 19
5.4.2 軸I的計算 23
5.5 軸承的計算 26
5.6 軸承的潤滑 26
5.7 軸承的密封裝置 27
5.8 密封與潤滑 28
第6章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計 30
6.1 鉆機液壓系統(tǒng)的作用 30
6.1.1 鉆機液壓系統(tǒng)的作用 30
6.1.2 液壓卡盤的設(shè)計與計算 31
6.1.3 給進油缸的設(shè)計 33
第7章 經(jīng)濟分析 34
結(jié) 論 35
參考文獻 36
致 謝 37
附錄1 專題部分：AutoCAD環(huán)境下減速器軸設(shè)計的算法及實現(xiàn) 38
附錄2 外文翻譯 48
- 61 -
第一章 緒論
1.1 鉆機的發(fā)展
現(xiàn)在的鉆機主要都是大型的用于較深的地質(zhì)鉆探，但很多地方很多條件下都要用到輕巧的便于運輸?shù)男⌒豌@機，比如一種較淺孔的，而如今50米鉆機一般都是手動卡盤，效率不是很高，鉆速也不是很高，鉆進速度慢。因此，設(shè)計在鉆機上配備了液壓卡盤，提高了效率，減輕了疲勞強度。設(shè)計這樣的鉆機既輕巧又耐用，提高了實際價值。
我國自行設(shè)計、制造的鉆機已開始取代進口設(shè)備，舊式手把鉆機逐步被淘汰。隨著鉆探方法和鉆進工藝的不斷發(fā)展，鉆探設(shè)備也在不斷的更新?lián)Q代，先后研制出TXU-700型、THJ-1500型、TK系列等液壓立軸式巖心鉆機和JTS系列水文水井鉆機。TK系列巖心鉆機具有扭矩大、變速范圍廣、液壓給進、自動夾持等特點，深尺鉆機裝有水剎車，使升降鉆具作業(yè)可靠省力，基本滿足煤炭鉆探進行繩索取心、金剛石鉆進、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進等工藝的需要。煤炭地質(zhì)系統(tǒng)的巖心鉆機、水文水井鉆機、工程勘察鉆機、鉆塔等設(shè)備已形成系列，鉆探設(shè)備基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，并開始有少量出口。鉆進效率從1985年打鋼粒時的182m提高到現(xiàn)在的861m，鉆孔深度可達(dá)1400m。
1.2 項目的研究意義
鉆機在鉆探設(shè)備中處于中心地位，它是一門應(yīng)用性的學(xué)科，和其他科學(xué)領(lǐng)域一樣，是根據(jù)社會生產(chǎn)發(fā)展需要建立的。鉆機的不斷現(xiàn)代化始終與科學(xué)技術(shù).制造工藝和材質(zhì)水平緊密相連。同時，鉆機的更新取決于地質(zhì)勘探和鉆進工藝的發(fā)展。而鉆機的發(fā)展與完善，又促進了鉆進工藝水平的提高。
1.3 國內(nèi)外的科技現(xiàn)狀
國內(nèi)現(xiàn)狀：目前國內(nèi)制造的巖心鉆機多是1500m以內(nèi)的，局限性比較大，對于邊遠(yuǎn)山區(qū)，濱海，凍土層，極地等地區(qū)進行鉆探是非常困難的。全液壓頂驅(qū)式車裝鉆機在國內(nèi)還是試生產(chǎn)階段。只有機械傳動油壓軸式鉆機，維修方便，造價低，仍然是國內(nèi)的主力設(shè)備。
國外現(xiàn)狀：國外機構(gòu)傳動鉆機，在巖心鉆機方面，仍分為立軸式和轉(zhuǎn)盤式兩種類型，其中立軸式鉆機占絕大多數(shù)。據(jù)統(tǒng)計美國每年開動地面巖心鉆機1500-2000臺之間，機械傳動油壓給進立軸式鉆機約占98%，全液壓動力頭鉆機僅占2%；在日本，蘇聯(lián)和澳大利亞也有類似情況；而瑞典和法國則全液壓鉆機發(fā)展較多。鉆機主要用于礦井內(nèi)部，供鉆探深度為50米的各種角度的放水孔，地質(zhì)構(gòu)造孔，滅火孔，抽放瓦斯孔及其它用途的各種工程孔，也可以在地面鉆探深度為50米的地質(zhì)勘探孔及其它用途的各種淺孔。該型鉆機可在各種不同硬度的巖層中鉆探任意角度的孔，尤其在煤層，軟巖石及中硬巖石中鉆孔效率為最高。
研究內(nèi)容主要為鉆進深度，鉆孔直徑，鉆孔傾斜角度，立軸轉(zhuǎn)速和行程，液壓給進壓力，卡盤工作壓力，轉(zhuǎn)速及提升負(fù)荷，配備動力。
1.4 項目創(chuàng)新之處
1.外型尺寸小，重量輕；
2.易于解體，適應(yīng)工作場地的更換；
3.支護迅速可靠；
4.鉆機轉(zhuǎn)速快鉆進速度比以往都要快。
5.用液壓卡盤固定鉆桿，盡可能的實現(xiàn)自動化，提高了效率，減輕了疲勞強度。
1.5 鉆機的工作原理
鉆機主要由回轉(zhuǎn)器、給進機構(gòu)、變速箱、鉆機操縱機構(gòu)把手等組成，配有控制測量儀表和其他一些輔助裝置。鉆機由電機或柴油機帶動，經(jīng)V帶傳給變速箱，通過變速箱完成對鉆具和升降機滾筒轉(zhuǎn)速的分級變速，再傳給回轉(zhuǎn)器，回轉(zhuǎn)器用來把扭矩傳給帶動帶有鉆頭的鉆具，同時鉆機還配有液壓系統(tǒng)，由液壓缸來完成鉆具的進給。有的鉆具用于手動卡盤固定，為了提高效率，一般采用液壓卡盤。鉆具的冷卻和巖屑的運出主要通過泥漿泵來完成。鉆機全貌圖如圖1-1
圖1-1 鉆機全貌圖
第2章 鉆機的總體設(shè)計
2.1 鉆機的特點
2.1.1. 各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計
1. 動力機是用來驅(qū)動鉆機的動力設(shè)備，常采用的動力機有電動機和柴油機兩種類型。由于本鉆機主要用于建筑工程場所，用電方便，故原則上選擇原動機為電動機。
2. 回轉(zhuǎn)器是阻擊立軸產(chǎn)生回轉(zhuǎn)及往復(fù)運動部分，主要有立軸式和轉(zhuǎn)盤式兩種類型。已選用立軸式。由于立軸式鉆機回轉(zhuǎn)器等進給裝置緊密結(jié)合成一個整體，回轉(zhuǎn)和進給傳動通過立軸與卡盤傳給鉆具，回轉(zhuǎn)器的彎角范圍大，導(dǎo)向性能好等特點，可以滿足鉆機的要求。
3.變速箱是鉆機各部分中設(shè)計比較典型，復(fù)雜的。采用回歸式傳動形式。箱體內(nèi)只有兩根軸即可實現(xiàn)變速與分動，移動齒輪可移動換檔，又可當(dāng)結(jié)合子實現(xiàn)直傳。因此結(jié)構(gòu)非常緊湊，體積小。變速，分動相結(jié)合，減少了了零件數(shù)目，有效利用變速箱內(nèi)部空間。操縱機構(gòu)采用了齒輪齒條撥叉機構(gòu)。操縱靈活可靠。每個移動齒輪單獨控制，并有互鎖裝置，這種互鎖裝置安全可靠，結(jié)構(gòu)簡單。增加卸荷裝置，改善了軸和齒輪的受力情況。
4.進給機構(gòu)，為了適應(yīng)建筑場所地址條件復(fù)雜的特點，采用液壓油缸進給機構(gòu)，可集中操作閥，方便工人掌握處理鉆進過程中產(chǎn)生的各種問題。
5.卡盤是固定鉆桿的部件，用以實現(xiàn)不停車，鉆進，本設(shè)計采用液壓常閉式卡盤。
2.1.2. 鉆機的外形特點
目前，在我國直接為煤礦生產(chǎn)服務(wù)的鉆機,幾乎都是在井下從事作業(yè)。完成抽放瓦斯、防火滅火、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，要求鉆機應(yīng)具有以下特點：
（1） 外型尺寸小、重量輕；
（2） 易于解體、適應(yīng)工作場地的更換；
（3） 支護迅速可靠；
（4） 盡可能實現(xiàn)自動化，減輕勞動強度；
（5） 具有一定的起拔能力，而且效率高；
（6） 堅固耐用，維修方便；
（7） 機組集中，便于照顧；
（8） 安全防爆。
2.1.3 鉆機的總體設(shè)計方案
確定TXU-50型鉆機的總體設(shè)計方案，對國內(nèi)外鉆機的結(jié)構(gòu)進行了分析。如今的50米鉆機一般都是手動卡盤，所呈現(xiàn)出來的問題是效率不是很高，鉆速也不是很高，鉆進速度慢。轉(zhuǎn)速偏低，調(diào)速范圍小，其為適應(yīng)小口徑高轉(zhuǎn)速鉆進的需要，采用變換回轉(zhuǎn)器大小錐齒輪位置的方案。
根據(jù)我國目前煤炭生產(chǎn)現(xiàn)狀，結(jié)合制造及使用的技術(shù)水平，確定本鉆機的設(shè)計為：
1. 考慮到井下、井上和野外作業(yè)，動力可選電機或柴油機；
2. 考慮到有軟巖石、硬巖石的鉆進，正常的鉆進速度鉆進；
3. 增加了液壓卡盤另配備手動卡盤，減輕勞動強度，配備快速增壓裝置；
4. 機器的動力傳遞采用機械和液壓相結(jié)合，即半液壓式鉆機；
5.鉆機采用開箱式讓開孔口的方式；
6.由于本機動力較大，動力由V型帶傳動到變速箱的傳動軸上易使傳動軸彎曲，所以增加了卸荷裝置；
7.增加了液壓卡盤另配備手動卡盤，減輕勞動強度，配備快速增壓裝置；
8.采用二級回歸式變速箱，減少變速箱體積，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，選用不同的鉆進速度。
在滿足上述要求的同時，盡量結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，適于整體或解體搬運。盡量做到標(biāo)準(zhǔn)化, 通用化，系列化。
第3章 鉆機的技術(shù)特點
3.1 鉆機的主要參數(shù)
鉆進深度 50mm
開孔直徑 89mm
終孔直徑 73mm
鉆桿直徑 42mm
鉆孔角度 0o~360o
鉆機重量 300kg
外形尺寸 8705501100（長寬高）
扭 矩 200N.m 95N.m
3.2 回轉(zhuǎn)器主要參數(shù)
主軸轉(zhuǎn)速 115r/min 170r/min 318r/min
主軸行程 400mm
卡盤形式 液壓卡盤
主軸起重能力 23500N
3.3 電動機參數(shù)
電動機型號 112M-4
電動機功率 5KW
電動機轉(zhuǎn)速 1420r/min
電 壓 380V(或660V)
3.4 油泵參數(shù)
油泵型號 YBC-12/80
額定轉(zhuǎn)速 1500r/min
額定工作壓力 800 N/cm2
最大工作壓力 1200 N/cm2
3.5 水泵參數(shù)
型 號 TBW-50/1.5泥漿泵
最大排水量 50L/min
最大壓力 1.5MPa
第四章 動力機功率的確定
4.1回轉(zhuǎn)器鉆桿及破碎巖石所需功率的計算
1. 設(shè)電機的輸出功率為N。那么
N。＝1.2Nj Nj＝（Nh＋Ny）/η
式中: Nh—回轉(zhuǎn)鉆進所需功率 KW η—效率 η=0.8
Ny—油泵所需功率 KW
Nh=N1+N2+N3
式中: N1—井底破碎巖石、土層所需功率 KW
N2—鉆頭與孔底摩擦所需功率 KW
N3—回轉(zhuǎn)鉆桿所需功率 KW
Nh 回轉(zhuǎn)鉆進及破碎巖石、土層所需功率 KW
2.
式中: m—鉆頭切削刃數(shù) 取m=6
n—立軸轉(zhuǎn)速 r/min
h—鉆進速度 h=1.5cm/min.
δ—巖石抗壓強度,其值見表3-1
A—井底環(huán)狀面積，取鉆頭直徑D
=7.7(mm)，內(nèi)徑d
=5.9(mm)，
則 A=
3. N=
式中: δ—孔底壓力或巖石抗壓強度.
f—鉆具與巖石直接的摩擦系數(shù) f=0.5
e—側(cè)摩擦系數(shù) e=1.1
n—立軸轉(zhuǎn)速 (r/min)
R—鉆頭外圓半徑 R=3.85cm
r—鉆頭內(nèi)孔半徑 r=2.95cm
4. N3=7.8×10－11×L×d2×n1。7 (當(dāng)n<200r/min時)
N3=0.92×10－11×d2×r×L×n1。33(當(dāng)n>200r/min時)
式中：L—孔深 ， 硬質(zhì)合金鉆進時，取L＝150000mm
金剛石鉆進時，取L＝75000mm
d—鉆桿直徑 ，取d=50mm計算 n—立軸轉(zhuǎn)速， (r/min)
r—沖洗液比重。 r=1.15
將上述參數(shù)及立軸不同轉(zhuǎn)速代入上式，所得值列表4-1中。
表4-1 功率表
c/ r/min
115
170
318
N1
2000
0.09
0.10
0.11
4000
0.17
0.19
0.23
8000
0.35
0.39
0.45
10000
0.44
0.48
0.56
12000
0.52
0.58
0.68
N2
2000
0.44
0.65
1.22
4000
0.88
1.31
2.45
8000
1.77
2.62
4.89
10000
2.21
3.27
6.12
12000
2.65
3.92
7.34
N3
1.86
3.62
8.45
N
2000
2.39
4.37
9.78
4000
2.91
5.12
11.13
8000
3.98
6.63
12.79
10000
4.51
7.37
13.13
12000
4.94
8.12
14.47
4.2 給進油缸所需功率的計算
1. 給進油缸的基本參數(shù)
1）給進油缸的數(shù)量 n＝2
2）油缸直徑 D＝55mm
3）活塞桿直徑 d＝30mm
4）活塞桿有效行程 L＝500mm
5）油缸面積 A1＝23.75cm2
6）活塞桿面積 A2＝7cm2
7）有效面積 A＝A1－A2＝16.76cm2
2．油缸工作壓力的計算
油缸的最大推力為：
W＝C＋Fm
式中：W—油缸最大推力
C—孔底最大壓力 C＝13345N
Fm—鉆桿與孔壁間的摩擦力
Fm＝q+ L+f
式中：q—鉆桿定位長度重量 q＝55.46N/m
L—鉆桿長度 L＝150m
f—摩擦系數(shù) f＝0.35
Fm＝55.46×1500×0.35=2911.65N
W=13345+2911.65=16256.65N
油泵的工作壓力P
P=W/A=16256.65/16.76=970N/cm2
3.油泵最大工作流量計算
油缸回程時的最大容油量:
(L)
油缸送進時的最大容油量:
(L)
當(dāng)選用立軸的鉆進速度U=0.05m/min=0.5dm/min時,立軸送進時每分鐘油量為:
( L/min)
令活塞回程時間為0.3min，則回程所需油量為：
(L/min)
4.給進油缸功率Ny
Ny= (KW)
5.根據(jù)上面的計算,選用YBC—12/80型齒輪油泵(排油量12l/min,壓力800N/cm2 )。油泵滿負(fù)荷時所需功率是:
N=
式中: P—額定壓力 P=800N/cm2
Q—額定流量 Q=12l/min
η1—機械效率 η1=0.9
η2—容積效率 η2=0.71
Ny=800×8/60×102×0.9×0.71=1.64KW
4.3 動力機功率的確定
通過上面的計算表明，立軸鉆進時，進給所需之功率很小，而且油泵滿負(fù)荷工作時一般是立軸停止?fàn)顟B(tài)。本鉆機選用4.5KW電動機能滿足鉆機的工作運轉(zhuǎn)。
第5章 機械傳動系統(tǒng)的計算
5.1 主要運動參數(shù)的選擇
5.1.1 回轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)速范圍
立軸的轉(zhuǎn)速變化范圍，取決于地質(zhì)、鉆頭的直徑及鉆進方法。當(dāng)用75mm鉆頭采用硬質(zhì)合金和鉆粒鉆進時，根據(jù)國內(nèi)的經(jīng)驗，立軸轉(zhuǎn)速n=90~400r/min為適宜，本鉆機采用立軸轉(zhuǎn)速為115r/min、170r/min、318r/min。
5.1.2 電動機轉(zhuǎn)速
電動機轉(zhuǎn)速為1440r/min
5.1.3 傳動系統(tǒng)的計算
圖5-1 機械傳動路線圖
立軸轉(zhuǎn)速：
nⅠ=n×D1/D2×Z1/Z2×Z3/Z4×Z7/Z8
=1440×100/200×31/54×33/52×19/43=115.90≈115r/min
nⅡ=n×D1/D2×Z1/Z2×Z5/Z6 ×Z7/Z8
=1440×100/200×31/54×41/44×19/43=170.18≈170r/min
nⅢ=n×D1/D2×Z1/Z4內(nèi)×Z7/Z8
=1440×100/200×31/31×19/43=318.14≈318r/min
表5-1 齒輪參數(shù)及材料表
項目
代
號
齒輪
模數(shù)
齒寬
變位
系數(shù)
材料
硬度
齒頂高系數(shù)
壓力角
Z1
31
2
20
0
20CrMnTi
Rc57~62
1
200
Z2
54
2
20
0
40Cr
Rc45~50
1
200
Z3
33
2
20
0
40Cr
Rc45~50
1
200
Z4
52
2
20
0
40Cr
Rc45~50
1
200
Z5
41
2
20
0
40Cr
Rc45~50
1
200
Z6
44
2
20
0
40Cr
Rc45~50
1
200
Z7
19
3.5
20
0
20CrMnTi
Rc57~62
0.8
200
Z8
43
3.5
20
0
20CrMnTi
Rc55~60
0.8
200
5.2 變速箱的設(shè)計計算
5.2.1 變速箱內(nèi)各齒輪的主要參數(shù)及材料
5.2.2 、齒輪對的強度校核
1. 齒面接觸強度的校核
（1）計算齒輪的齒面接觸強度
u—齒數(shù)比 u=Z2/Z1=54/31=1.7
Ft—分度圓上的圓周力
Ft=2T/d
按式： Ft=
T=
T—轉(zhuǎn)矩（KW）
n—轉(zhuǎn)速（r/min）
則 T=9549P/n=9550×4.5/720=59.69（）
T=9550×4.5/413=104.06（）
Ft1=2T1/d1=2×59.69/62=1.93（KW）
Ft4=2T4/d4=2×104.06/108=1.93（KW）
V=π×0.062×720/60=2.34（m/s）
V=π×0.108×413/60=2.34（m/s）
查表得：KA—使用系數(shù) 取KA=1
KV—動載荷系數(shù) 取KV=1.12
—載荷分布系數(shù) 取 K=1.388
—載荷分配系數(shù) 取K=1.2
—材料彈性系數(shù) 取=189.8
—節(jié)點區(qū)域系數(shù) 取=2.5
—接觸強度重合系數(shù)
所以:=630（MPa）=397（MPa）
（2）確定許用接觸應(yīng)力
－試驗齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力
= 1100（MPa）
、－接觸強度壽命系數(shù) ?。?.02 ＝1.067
＝11001.021/1.25=897(MPa)
＝11001.0671/1.25=932(MPa)
∴< , <
2. 校核齒根彎曲強度
（1）計算齒輪的齒根彎曲強度
查表得：
—彎曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù) =1.31
—齒間雜和分配系數(shù) =1.2
—符合齒形系數(shù) 5=2.52，6=2.32
—重合系數(shù) =1
代入得
（2）確定許用彎曲應(yīng)力
查表得：
—彎曲疲勞強度極限應(yīng)力 =300MPa
—彎曲疲勞強度系數(shù) 取=2
—彎曲強度尺寸系數(shù) 取=1
—相對齒根圓角敏感性系數(shù) 取=1
—相對表面狀況系數(shù) 取=1
—最小安全系數(shù) 取=1
代入得：
∴
∴安全
5.2.3 、齒輪對的強度校核
1. 齒面接觸強度的校核
（1）計算齒輪的齒面接觸強度
u—齒數(shù)比 u=Z4/Z3=52/33=1.58
Ft—分度圓上的圓周力
Ft=2T/d
按式： Ft=
T=
T—轉(zhuǎn)矩（KW）
n—轉(zhuǎn)速（r/min）
則 T=9549P/n=9550×4.5/413=104.04
T=9550×4.5/262=164.00
Ft3=2T3/d3=2×104.04/66=3.15（KW）
Ft4=2T4/d4=2×164.00/104=3.15（KW）
V=π×0.066×413/60=1.43（m/s）
V=π×0.104×260/60=1.42（m/s
查表得：
KA—使用系數(shù) 取KA=1
KV—動載荷系數(shù) 取KV=1.12
—載荷分布系數(shù) 取 K=1.388
—載荷分配系數(shù) 取K=1.2
—材料彈性系數(shù) 取=189.8
—節(jié)點區(qū)域系數(shù) 取=2.5
—接觸強度重合系數(shù) 取=0.87
所以：=575.5（MPa）
=548.6（MPa）
（2）確定許用接觸應(yīng)力
－試驗齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力
= 1100（MPa）
、－接觸強度壽命系數(shù) ?。?.06 ＝1.07
＝11001.061/1.25=932.8(MPa)
＝11001.071/1.25=941.6(MPa)
∴< , <
2. 校核齒根彎曲強度
（1）計算齒輪的齒根彎曲強度
查表得：
—彎曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù) =1.31
—齒間雜和分配系數(shù) =1.2
—符合齒形系數(shù) 5=2.34，6=2.28
—重合系數(shù) =1
代入得
（2）確定許用彎曲應(yīng)力
—彎曲疲勞強度極限應(yīng)力 取=300MPa
—彎曲疲勞強度系數(shù) 取=2
—彎曲強度尺寸系數(shù) 取=1
—相對齒根圓角敏感性系數(shù) 取=1
—相對表面狀況系數(shù) 取=1
—最小安全系數(shù) 取=1
代入得：
∴
∴安全
5.2.4 Z5、Z6 齒輪對的強度校核
1.齒面接觸強度的校核
（1）計算齒輪的齒面接觸強度
u—齒數(shù)比 u=Z6/Z5=44/41=1.07
Ft—分度圓上的圓周力
Ft=2T/d
按式： Ft=
T=
T—轉(zhuǎn)矩（KW）
n—轉(zhuǎn)速（r/min）
則 T5=9549P/n=9550×4.5/413=104.06（）
T6=9550×4.5/385=111.62（）
Ft5=2T5/d5=2×104.06/82=2.54（KW）
Ft6=2T6/d6=2×111.62/88=2.54（KW）
V=π×0.082×413/60=1.77（m/s）
查表得：
KA—使用系數(shù) 取KA=1
KV—動載荷系數(shù) 取KV=1.12
—載荷分布系數(shù) 取 K=1.388
—載荷分配系數(shù) 取K=1.2
—材料彈性系數(shù) 取=189.8
—節(jié)點區(qū)域系數(shù) 取=2.5
—接觸強度重合系數(shù) 取=0.87
所以： =1414.8MPa
（2） 確定許用接觸應(yīng)力
—齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力 =1200（MPa）
ZNT—接觸強度壽命系數(shù)
N=60×r×n×t=60×1×720/1×9600=4.5×108
r—齒輪每轉(zhuǎn)內(nèi)輪的同一側(cè)面的嚙合次數(shù) 取r=1
n—齒輪轉(zhuǎn)數(shù) 取n=720（r/min）
t—對應(yīng)于齒輪的計算載荷的總工作小時數(shù)t=2×16×300=9600（h）
∴ZNT=1.2
ZLVR—潤滑油膜影響系數(shù) 取ZLVR=1.06
Zw—工作硬化系數(shù) 取Zw=1
SHLim—接觸強度的最小安全系數(shù) 取SHLim=1
∴
∴
∴安全
2. 校核齒根彎曲強度
（1）計算齒輪的齒根彎曲強度
查表得：
—彎曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù) 取=1.3
—齒間雜和分配系數(shù) 取=1.03
—符合齒形系數(shù) 取5=2.32，6=2.31
—重合系數(shù) 取=1
代入得
（2）確定許用彎曲應(yīng)力
查表得：
—彎曲疲勞強度極限應(yīng)力 取=300MPa
—彎曲疲勞強度系數(shù) 取=2
—彎曲強度尺寸系數(shù) 取=1
—相對齒根圓角敏感性系數(shù) 取=1
—相對表面狀況系數(shù) 取=1
—最小安全系數(shù) 取=1
代入得：
∴
∴安全
5.3 回轉(zhuǎn)器的設(shè)計
5.3.1 回轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)特點
結(jié)構(gòu)特點：回轉(zhuǎn)器是由本體、立軸、立軸導(dǎo)管、弧齒錐齒輪等組成。立軸上端裝有常閉式液壓卡盤。其特點是：
（1） 尺寸小、緊湊；
（2） 回轉(zhuǎn)器適用于各種角度孔的鉆進；
（3） 離開孔口采用開箱式，簡單可靠，減輕鉆機重量；
（4） 采用液壓卡盤，提高效率，減輕勞動強度。
5.3.2 零部件的強度與壽命計算
1. 弧度錐齒輪副的強度校核
Z7、Z8的主要參數(shù)見表5-1。則可得以下數(shù)據(jù)：
小圓錐大端直徑
大圓錐大端直徑
錐距R=
其中：δ7=arctg(z7/z8)=23.8°
取b=20mm
圓整為6mm
齒面硬度Z7為HRC52、Z8為HRC57
2. 齒面接觸強度的校核
（1）計算齒輪的齒面接觸強度
其中：Fmt—名義圓周力 Fmt=3677（N）
beH—有效齒寬 beH=20（mm）
KA—使用系數(shù) KA=1.25
KV—動載系數(shù) KV7= KV8=1
KHβ—齒向載荷分布系數(shù) KHβ=1.2
KHα—齒向載荷分配系數(shù) KHα=1
ZH—接點區(qū)域系數(shù) ZH=1
ZE—彈性系數(shù) ZE=189.8
Zβ—接觸強度 Zβ==0.9
ZK—接觸強度計算的錐齒輪系數(shù) ZK=0.85
（2）許用應(yīng)力
其中：—接觸疲勞極限應(yīng)力 =458（MPa）
—接觸強度計算尺寸系數(shù) =0.9
—潤滑劑系數(shù) =1.0
—速度系數(shù) =1.1
=453.42（MPa）
∴安全
2. 彎曲疲勞極限應(yīng)力
（1）計算齒根彎曲應(yīng)力
其中：Ft—作用于大端分度圓上的切向力 Ft==3677（N）
Yx—尺寸系數(shù) Yx=1
beF—有效寬度 beF=0.85b=17（mm）
=96.56（MPa）
（2）齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力
—彎曲疲勞極限應(yīng)力 =180（MPa）
YST—應(yīng)力修正系數(shù) YST =2.0
=360（MPa）
∴安全
5.4 軸的計算
5.4.1 軸Ⅱ的計算
n=413r/min 材料: 40Cr
機械性能：
1. 軸的力計算
（1）載荷圖及支點反力如圖5-2
外加載荷：軸上作用齒輪—、—
圖5-2 載荷圖
其中：
其中： N=0.96×0.96×3.52=3.244（KW）
（N）
其中：
錐齒輪取
支點反力
（2）彎矩的計算（Ⅰ-Ⅰ與Ⅱ–Ⅱ截面）
Ⅰ-Ⅰ截面的計算
Ⅱ–Ⅱ截面的計算
合成彎矩
（3）扭矩的計算
（4）扭矩圖如圖5-3
圖5-3 扭矩圖
（5）Ⅱ–Ⅱ剖面處的抗彎模量
W=0.1d3=3.277
σ=MⅡ/W=68.2（MPa）
σ≤[σ-1]=69（MPa）
強度滿足
（6）安全系數(shù)校核
抗彎剖面模量
Wr=0.2d3=6.554cm3
彎曲應(yīng)力幅
=MwWA/2W=22347.7/3.277=68.2（MPa）
扭剪應(yīng)力幅
彎曲平均壓力
扭矩應(yīng)力幅
τm=T/(WV)=593.7/(3.277×0.9)=108.4（MPa）
彎曲有效應(yīng)力集中系數(shù) Kσ=1.89
扭矩有效應(yīng)力集中系數(shù) Kτ=2.48
表面狀況系數(shù) β=1
絕對尺寸系數(shù) εσ=0.77，στ=0.81
疲勞極限 σ-1=350（MPa ），τ-1=191（MPa）
扭剪極限強度 τβ=0.6σb
壽命系數(shù) KV=1
等效系數(shù) Ψσ=0.25
Ψτ=0.15
Sσ=σ-1/(Kσ/βεσ×σσ+Ψσσm)=2.06
Sτ=τ-1/(Kτ/βετ×τσ+Ψττm)=10.03
S>[S]=1.5
∴安全
5.4.2 軸Ⅰ的計算
n=720r/min 材料: 40Cr
機械性能：
調(diào)質(zhì)HB 220-250
1. 軸的力計算
（1）載荷圖及支點反力
外加載荷：如圖5-4
圖5-4 載荷圖
其中
）
支點反力
（2） 彎矩的計算
合成彎矩
（3） 扭矩的計算
（4） 扭矩圖如圖5-5
圖5-5 扭矩圖
（5）求當(dāng)量彎矩Md，并驗算軸的強度
Md=
Ⅰ–Ⅰ剖面處的抗彎模量為：
W=0.1d3=2.924
σ=Md/W=19.31MPa
σ≤[σ-1]=69MPa
強度滿足
（6） 安全系數(shù)校核
抗彎剖面模量
Wτ=0.2d3=5.849（cm3）
彎曲應(yīng)力幅
=MwWA/2W=16.12(MPa)
扭剪應(yīng)力幅
彎曲平均壓力
(MPa)
扭矩應(yīng)力幅
τm=T/(WV)=5310.5(MPa)
彎曲有效應(yīng)力集中系數(shù) Kσ=1.89
扭矩有效應(yīng)力集中系數(shù) Kτ=2.48
表面狀況系數(shù) β=1
絕對尺寸系數(shù) εσ=0.77，στ=0.81
疲勞極限 σ-1=350MPa，τ-1=191MPa
扭剪極限強度 τβ=0.6σb
壽命系數(shù) KV=1
等效系數(shù) Ψσ=0.25
Ψτ=0.15
Sσ=σ-1/(Kσ/βεσ×σσ+Ψσσm)=8.73
Sτ=τ-1/(Kτ/βετ×τσ+Ψττm)=12.43
S>[S]=1.5
∴安全
5.5 軸承的計算
回轉(zhuǎn)器本題上下端采用1615軸承兩套，Ⅰ軸兩端采用306和207軸承各一套，Ⅱ軸兩端采用36208軸承兩套，因安裝形式與結(jié)構(gòu)尺寸均與TXU—75米鉆機類同，而本鉆機的工作載荷較75米鉆機小的多，所以，各軸承的壽命計算略。
5.6 軸承的潤滑
潤滑對于滾動軸承具有重要意義，軸承中的潤滑劑不僅可以降低摩擦阻力，還可以起著散熱、減低接觸應(yīng)力、吸收振動、防止銹蝕等作用。
軸承常用的潤滑方式有油潤滑及脂潤滑兩類。此外，也有使用固體潤滑劑潤滑的。選用哪一類潤滑方式，這與軸承的速度又管，一般用滾動軸承的dn值（d為滾動軸承內(nèi)徑，mm; n為軸承轉(zhuǎn)速，rpm）表示軸承的速度大小。
1. 脂潤滑
由于潤滑脂是一種粘稠的凝膠狀材料，故油膜強度高，能承受較大的載荷，不易流失，容易密封，一次加油可以維持相當(dāng)長的一段時間。對于那些不便經(jīng)常添加潤滑劑的地方，或那些不允許潤滑油流失而致污染產(chǎn)品的工業(yè)機械來說，這種潤滑方式十分詩意。他的缺點是只適用于較低的dn值。
潤滑脂的主要性能指標(biāo)為針入度和滴點。軸承的dn值大、載荷小時，應(yīng)選針入度較大的潤滑脂；反之，應(yīng)選用針入度較小的潤滑脂。此外，軸承的工作溫度應(yīng)比潤滑脂的滴點低，對于礦物潤滑脂，應(yīng)低10～20℃，對于合成潤滑脂，應(yīng)低20～30℃。
2. 油潤滑
在高速高溫的條件下，只潤滑不能滿足要求時可采用油潤滑，潤滑油的主要特性使粘度，轉(zhuǎn)速愈高，應(yīng)選用黏度愈低的潤滑油；載荷愈大，應(yīng)選用黏度愈高的潤滑油。根據(jù)工作溫度及dn值，可選出潤滑油應(yīng)具有的黏度值，然后根據(jù)粘度從潤滑油產(chǎn)品中選出相應(yīng)的潤滑油的牌號。
油潤滑時，常用的潤滑方式有下列幾種：
（1） 油浴潤滑 把軸承局部侵入潤滑油中，油面應(yīng)不高于最低滾動體的中心。這個方法不適于高速，因為攪動油液劇烈時要造成很大的能量損失，以致引起油液和軸承的嚴(yán)重過熱。
（2） 滴油潤滑 適用于需要定量供應(yīng)潤滑油的軸承部件，滴油量應(yīng)適當(dāng)控制，過多的油量將引起軸承溫度的增高，為實地有通暢，嘗試用黏度較小的10號機械油。
（3） 飛濺潤滑 這是一般閉式齒輪傳動裝置中的軸承常用的潤滑方法，即利用齒輪的轉(zhuǎn)動把潤滑齒輪的油甩到四周壁面上，然后通過適當(dāng)?shù)臏喜郯延忠胼S承中去。這類潤滑方法所用裝置的結(jié)構(gòu)形式較多，可參考現(xiàn)有機器的使用經(jīng)驗來進行設(shè)計。
（4） 噴油潤滑 適用于轉(zhuǎn)速高，載荷大，要求潤滑可靠的軸承。用油泵將潤滑油增壓，通過油管或機殼內(nèi)特制的油孔，井噴咀將有噴射到軸承中去；流過軸承后的潤滑油，經(jīng)過過濾冷卻后再循環(huán)使用。為了保證又能進入高速轉(zhuǎn)動的軸承，噴嘴應(yīng)對準(zhǔn)內(nèi)圈和保持架之間的間隙。油泵壓力一般約為0.3～0.5MPa。
（5）油霧潤滑 當(dāng)軸承滾動踢得線速度很高，例如dn值大于時，常采用油霧潤滑，以避免其他潤滑方式有愚公有過多，油的內(nèi)摩擦增大而增高軸承的工作溫度。潤滑油在油霧發(fā)生器中變成油霧，其溫度比液體潤滑油的溫度低，這對冷卻軸承來說也是有利的。但潤滑了軸承后的油霧，可能部分地隨空氣散佚，要污染環(huán)境。故在必要時，宜用油氣分離器來收集油霧，或者采用通風(fēng)裝置來排除廢氣。
相比較之下，采用脂潤滑比較符合本設(shè)計。
5.7 軸承的密封裝置
軸承的密封裝置是為了阻止灰塵、水、酸氣和其他雜物進入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┝魇ФO(shè)置的。密封裝置可分為接觸式及非接觸式兩大類。
1. 接觸式密封
在軸承蓋內(nèi)放置軟材料與轉(zhuǎn)動直接接觸而起密封作用。常用的軟材料有細(xì)毛氈、橡膠、皮革、軟木等；或者放置耐磨硬質(zhì)材料（如加強石墨、青銅、耐磨鑄鐵等）與轉(zhuǎn)動軸直接接觸以進行密封。下面是幾種常用的結(jié)構(gòu)形式：
（1） 氈圈密封 在軸承蓋上開出梯形槽，將細(xì)毛氈按標(biāo)準(zhǔn)制成環(huán)形（尺寸不大時）或帶形（尺寸較大），放置在梯形槽中以與軸密和接觸；或者在軸承蓋上開缺口放置毛氈，然后用另外一個零件壓在毛氈上，以調(diào)整毛氈與軸的密和程度，從而提高密封效果。這種密封結(jié)構(gòu)簡單，但摩擦較嚴(yán)重，只用于滑動速度小于4～5m/s的地方。與毛氈相接觸的軸表面如經(jīng)過拋光且毛氈質(zhì)量高時，可用到滑動速度達(dá)7～8m/s之處。
（2） 唇形密封圈密封 在軸承蓋中，放置一個用耐油橡膠或皮革制的、并組裝在一個鋼外殼之中的整體部件——密封皮碗，皮碗直接壓在軸上。為了增強密封效果，用一環(huán)形螺旋彈簧壓在皮碗的唇部。皮碗可以有一個或兩個密封唇，蜜蜂出的方向要朝向密封的部位。即如果主要是為了封油，密封唇應(yīng)對著軸承（朝內(nèi)）；如果主要是為了防止外物浸入，則密封唇應(yīng)背著軸承（朝外）；如果兩個作用都有，最好是用具有兩個方向相反的密封唇的皮碗。這種結(jié)構(gòu)安裝很方便，也易于更換。它可用到接觸面滑動速度小于10m/s（當(dāng)軸徑是精車的）或小于15m/s（當(dāng)軸徑是磨光的）處。軸徑與皮碗接觸出最好經(jīng)過表面硬化處理，以增強耐磨性。
（3） 密封環(huán) 密封環(huán)是一種帶有缺口的環(huán)狀密封件，把它放置在套筒的環(huán)槽內(nèi)套筒與洲一起轉(zhuǎn)動，密封環(huán)靠缺口貝壓攏后所具有的彈性而抵緊在靜止外患德內(nèi)孔壁上，即可起到密封的作用。各個接觸表面均需經(jīng)硬化處理并磨光。密封環(huán)用含鉻的耐磨鑄鐵制造，可用于滑動速度小于100 m/s之處。在滑動速度為60～80m/s范圍內(nèi)，也可以用錫青銅制造密封環(huán)。
（4） 斷面密封 斷面密封的結(jié)構(gòu)形式很多，密封元件可用塑料、碳化鎢、強化石墨等材料制造。這些材料都具有自潤滑性能，摩擦系數(shù)低，可以在較高的滑動速度下工作。在這個結(jié)構(gòu)中，密封環(huán)被波形彈簧通過石墨坐壓貼在旋轉(zhuǎn)盤的端面上。旋轉(zhuǎn)盤端面經(jīng)過鍍鉻拋光，一邊是密封環(huán)與旋轉(zhuǎn)盤端面沿整個圓周密切貼合。
2. 非接觸式密封
使用接觸式密封，總要在接觸處產(chǎn)生滑動摩擦。使用非接觸式密封，就能避免此缺點。常用的非接觸式密封有以下幾種：
隙縫密封 在軸和軸承蓋的通孔壁之間留有一個極窄的隙縫，半徑間隙通常為0.10～80mm。這對使用脂潤滑的軸承來說，已具有一定的密封效果。
設(shè)計中采用氈圈密封采用型號為HG4-692-67油封。
5.8 密封與潤滑
整個減速器的齒輪和軸承的潤滑和是非常重要的問題。
減速器中的齒輪傳動，大都用油潤滑。選擇潤滑油的黏度、牌號和潤滑方法時，主要根據(jù)齒輪傳動的工作條件，但也必須對軸承的潤滑作相應(yīng)的考慮。對于兩級、三級傳動的鉆機，其潤滑油的黏度可按高速級及低速級所需黏度的平均值來選取。
對于圓周速度v<12m/s的齒輪傳動，可采用浸油潤滑，對于速度雖較高，但工作時間持續(xù)不長的齒輪傳動，也可采用浸油潤滑。用僅有潤滑時，以圓柱齒輪的整齒高浸入油中為適度，但不應(yīng)少于10mm;圓錐齒輪則應(yīng)將整個齒寬（至少是辦個齒寬）浸入油中。對于多級傳動，若低速級大齒輪的圓周速度V<0.5~0.8m/s,浸油深度可適當(dāng)大一些。僅有深度可達(dá)1/6~1/3的分度圓半徑。若低速級大齒輪的圓周速度較高，為避免高速級大齒輪的浸油深度為一齒高時，高速級齒輪可采用帶油輪、濺油輪的辦法來潤滑；也可把油池按高、低速級傳動隔開，并按各級傳動尺寸大小分別決定相應(yīng)的油面高度。
當(dāng)傳動零件的圓周速度超過上述限制值時，齒輪傳動可采用噴油潤滑。噴油潤滑也常用于速度不高、但工作繁重的中型減速器，或需要借潤華進行冷卻的重要減速器。
減速器的軸承常用減速器內(nèi)用來潤滑齒輪的由來潤滑。為此，必須保證油池中的又能飛濺到箱蓋內(nèi)壁上，并沿壁面流入箱體分箱面凸緣上的油溝內(nèi)，然后沿油溝流入軸承。對于不同箱內(nèi)的油來潤滑的軸承，用潤滑油脂或其他潤滑油來潤滑的軸承，除了要加裝有關(guān)的潤滑裝置外，還必須保證良好的