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黑龍江科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
姓名： 張 翼
任務(wù)下達(dá)日期： 2006 年 03 月 13 日
設(shè)計（論文）開始日期： 2006 年 03 月 13 日
設(shè)計（論文）完成日期： 2006 年 06 月 25 日
設(shè)計（論文）題目： FDP-15非開挖導(dǎo)向鉆機(jī)主機(jī)體設(shè)計
二、專題題目： 工程機(jī)械液壓系統(tǒng)常見故障分析及控制
三、設(shè)計的目的和意義： 目前越來越多的大規(guī)模交通、鐵道、電力、地鐵、水利等建設(shè)活動過程中都需要水平定向鉆探技術(shù)，即非開挖施工技術(shù)。該技術(shù)與開挖施工技術(shù)相比，具有不影響交通、不破壞環(huán)境、施工周期短、社會效益顯著等優(yōu)點?？蓮V泛應(yīng)用于穿越公路、鐵道、建筑物、河流，以及在鬧市區(qū)、古跡保護(hù)區(qū)、農(nóng)作物和植被保護(hù)區(qū)等條件下進(jìn)行的供水、煤氣、電力、電訊、石油、天然氣等管線的鋪設(shè)，更新和修復(fù)。社會的進(jìn)步和人們環(huán)保意識的逐漸增強(qiáng)，非開挖技術(shù)必將逐漸取代傳統(tǒng)開挖方式，非開挖鉆機(jī)產(chǎn)品的前途不可限量。
四、設(shè)計（論文）主要內(nèi)容： 鉆機(jī)的動力頭結(jié)構(gòu)設(shè)計、架體的設(shè)計，及動力機(jī)確定、機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)設(shè)計。
五、設(shè)計目標(biāo)： 使鉆機(jī)能穿越公路、鐵道、建筑物、河流。鉆進(jìn)長度為300米，最大回托力為150KN。
六、進(jìn)度計劃： 2006年03月13日查閱相關(guān)資料，了解設(shè)計產(chǎn)品性能、發(fā)展現(xiàn)狀 2006年03月20日畢業(yè)實習(xí)、參觀相關(guān)產(chǎn)品、收集資料 2006年03月30日整理現(xiàn)有資料、寫實習(xí)總結(jié)、整理實習(xí)日記 2006年04月03日確定設(shè)計內(nèi)容、寫開題報告 2006年04月10日設(shè)計產(chǎn)品總體裝配圖、畫草圖、確定各部分結(jié)構(gòu)、位置 2006年04月24日計算相關(guān)內(nèi)容 2006年05月01日- 2006年06月1日編制說明書2006年06月20日完成圖紙 2006年06月21日整理說明書 2006年06月25日檢查資料、準(zhǔn)備答辯
1. 七、參考文獻(xiàn)資料： FDP－15D型導(dǎo)向鉆機(jī)使用維護(hù)說明書。 成大先﹒機(jī)械設(shè)計手冊減（變）速速器·電機(jī)與電器﹒化學(xué)工業(yè)出版社，2004。 胡家秀﹒簡明機(jī)械零件設(shè)計使用手冊﹒機(jī)械工業(yè)出版社﹒1999。成大先﹒機(jī)械設(shè)計手冊聯(lián)接與緊固﹒化學(xué)工業(yè)出版社，2004。施工定向孔用Ф55mm鉆桿時的定向方法﹒江西省地礦局探礦研究室﹒探礦工程（第5期），1992。吉林省地質(zhì)勘探技術(shù)研究所 吉林省地礦局第四探礦工程大隊﹒螺桿鉆向鉆探技術(shù)在某金礦區(qū)的應(yīng)用﹒探礦工程（第6期），1992。 殷琨﹒發(fā)展中的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)﹒探礦工程（第5期），1997
指 導(dǎo) 教 師：
院（系）主管領(lǐng)導(dǎo)：
年 月 日
摘要
FDP－15D型非開挖導(dǎo)向鉆機(jī)，是一種全液壓動力頭式導(dǎo)向鉆機(jī)。該鉆機(jī)主要用于非開挖地下管線的鋪設(shè)工程?？稍诓婚_挖地面的情況下，穿越地表建筑物或地下設(shè)施等障礙（如公路、鐵路、河流、建筑及地下埋設(shè)物等），鋪設(shè)各類地下管線。廣泛是用于通訊、電力、熱力、煤氣及自來水管線的非開挖鋪設(shè)施工。
FDP－15D型非開挖導(dǎo)向鉆機(jī)可分為動力站和主機(jī)體操縱臺三部分。動力站主要提供高壓液壓油，而主機(jī)體就負(fù)責(zé)把液壓油的能量轉(zhuǎn)換為鉆進(jìn)的動力。主機(jī)體的設(shè)計重點在于動力頭的設(shè)計。合理的設(shè)計主機(jī)體，可提高鉆進(jìn)的效率和鉆機(jī)的使用壽命，靈活的結(jié)構(gòu)可以減低鉆機(jī)維護(hù)和維修的難度減低使用成本。
關(guān)鍵字：非開挖 導(dǎo)向鉆機(jī) 主機(jī)體 動力頭
Abstract
The FDP－15D type non-dig direction drilling machine, is a kind of whole hydraulic pressure power prinipal type direction to drill machine.Should drill machine to mainly used for to open to dig the earth not the paving engineering of the pipeline.Can cross the earth's surface building or underground facilities etc. obstacle(such as the highway,railroad,river,construct and the underground lay a thing etc.) under the sistuation that not open to dig the earth surface, build each kind of underground pipeline.Extensively is used for not open of communication,electric power,thermodynamic energy,gas and the water pipe line to dig to build a construction.
FDP-15D type can be divided into non-dig-rigs and power stations mainframe hardware components. Provide high-pressure hydraulic oil major power stations, and on mainframe hardware for the hydraulic oil to the energy conversion into power. Mainframe hardware design focuses on the first engine design. Reasonable mainframe hardware design can enhance the efficiency and rigs into the life, flexible structures can reduce maintenance and repair rigs used to reduce the difficulty of cost.
Keyword:no-dig direction drilling Main engine part power prinipal
II
第一章 緒 論
1.1 選題意義
目前越來越多的大規(guī)模交通、鐵道、電力、地鐵、水利等建設(shè)活動過程中都需要水平定向鉆探技術(shù)，即非開挖施工技術(shù)。該技術(shù)與開挖施工技術(shù)相比，具有不影響交通、不破壞環(huán)境、施工周期短、社會效益顯著等優(yōu)點。可廣泛應(yīng)用于穿越公路、鐵道、建筑物、河流，以及在鬧市區(qū)、古跡保護(hù)區(qū)、農(nóng)作物和植被保護(hù)區(qū)等條件下進(jìn)行的供水、煤氣、電力、電訊、石油、天然氣等管線的鋪設(shè)，更新和修復(fù)。
1.2 國內(nèi)外概況
1900年美國人采用頂管法成功地實現(xiàn)了非開挖鋪設(shè)管線的技術(shù)突破。非開挖技術(shù)經(jīng)歷60年的發(fā)展，先后只發(fā)明了螺旋鉆進(jìn)法和沖擊矛法技術(shù)。1970年美國加洲人率先使用“水平導(dǎo)向鉆進(jìn)法”穿過河流鋪設(shè)第一條采用此技術(shù)的管道，成為創(chuàng)立“水平導(dǎo)向鉆進(jìn)法”的第一人。由于他經(jīng)常到全美各地推廣此技術(shù)。因此，“水平導(dǎo)向鉆進(jìn)法”成為非開挖施工所普遍采用的施工工藝。隨著非開挖技術(shù)的不斷成熟，人們又針對不同的管網(wǎng)情況，1980年發(fā)明了“脹管法”（爆管法），此技術(shù)逐步推行開來，特別是自來水行業(yè)運(yùn)用較多。
國內(nèi)現(xiàn)狀：非開挖鋪設(shè)更換管道技術(shù)以其獨特的優(yōu)越性，已被人們逐步接受，特別是在大中城市，商業(yè)繁華地區(qū)普遍采用此項技術(shù)，我國香港特別行政區(qū)已運(yùn)用很久。但內(nèi)地還處在起步階段
1.3 設(shè)計特點
所謂定向鉆探，就是在鉆探和鉆井施工中，利用土層造斜規(guī)律，采用人工造斜手段，或者兩種同時并用，使井孔按照設(shè)計的軌跡鉆達(dá)預(yù)定目標(biāo)的鉆進(jìn)方法。在鉆探施工中，根據(jù)地質(zhì)條件，合理采用定向鉆進(jìn)方法，不但能夠提高工程量，節(jié)約施工費(fèi)用，而且能夠縮短施工時間，獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。
而對鉆孔深度300米左右的水平定向鉆機(jī)需求量比較大，以往的300米水平定向鉆機(jī)，存在著機(jī)械式、笨重、使用不方便等缺點。鑒于以上原因，此次畢業(yè)設(shè)計，我的導(dǎo)師陳少云老師讓我對300米水平定向鉆機(jī)（FDP-15D）進(jìn)行研究。經(jīng)過調(diào)研，我覺得水平定向鉆機(jī)是一種小型液壓鉆機(jī)，應(yīng)有以下特點：
1. 經(jīng)濟(jì)耐用可靠、質(zhì)優(yōu)價廉；
2. 結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造；
3. 操作簡單，維修方便；
4. 適用于、兩種鉆桿；
5. 鉆進(jìn)速度快，效率高；
6. 施工周期短、綜合施工成本低、社會效益顯著。
7. 隨著水平定向鉆探技術(shù)的發(fā)展，這種鉆機(jī)應(yīng)具有良好的發(fā)展空間。
第2章 FDP-15D鉆機(jī)總體方案的確定
2.1 具體方案的確定
經(jīng)過陳老師的細(xì)心指導(dǎo)和長時間的搜集和查閱資料，我對鉆機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理都有所了解。鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)與其所采用的鉆進(jìn)工藝相關(guān)聯(lián)。目前國內(nèi)外都正在研制和應(yīng)用全液壓鉆機(jī)。全液壓鉆機(jī)同傳統(tǒng)鉆機(jī)一樣，都是用來完成鉆進(jìn)和升降鉆具等基本工序，以實現(xiàn)采取巖心，達(dá)到探礦的目的。從結(jié)構(gòu)上看，全液壓鉆機(jī)可以分為立軸式全液壓鉆機(jī)和動力頭式全液壓鉆機(jī)。二者相比較，動力頭式全液壓鉆機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、操作簡便、可以實現(xiàn)無級調(diào)速、加壓給進(jìn)等優(yōu)點，工作效率大大改善。并且動力頭式全液壓鉆機(jī)也是鉆機(jī)的發(fā)展方向之一。綜合各方因素，我選擇設(shè)計水平定向動力頭式全液壓鉆機(jī)。
具體方案如下：
1. 考慮到此鉆機(jī)常用于戶外作業(yè)，動力可選柴油機(jī)。
2. 鉆機(jī)應(yīng)用螺紋連接鉆頭精簡結(jié)構(gòu)，節(jié)約時間，提高有效鉆進(jìn)速度。
3. 動力頭采用單極齒輪減速器，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(jìn)速度。
4. 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(yùn)。盡量做到標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化。
2.2 技術(shù)特性
1. 最大鉆進(jìn)深度
2. 導(dǎo)向孔直徑
3. 鉆桿直徑
4. 動力頭轉(zhuǎn)速
第3章 FDP-15D鉆機(jī)結(jié)構(gòu)方案的確定
一臺全液壓鉆機(jī)主要包括主機(jī)、動力設(shè)備和操縱臺三個部分。
3.1 主機(jī)部分
水平定向全液壓鉆機(jī)的主機(jī)包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、給進(jìn)機(jī)構(gòu)等基本部件。
3.1.1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
全液壓動力頭式鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，就是移動式回轉(zhuǎn)器，亦稱為動力頭。動力頭是鉆機(jī)的重要組成部分，主要由回轉(zhuǎn)馬達(dá)、減速器、水接頭組成。它的功能有二：一是傳遞扭矩，以帶動鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)或擰卸鉆桿；二是動力頭由給進(jìn)機(jī)構(gòu)帶動，以傳遞向上或向下的軸向力及其運(yùn)動，用來實現(xiàn)加減壓給進(jìn)。
本全液壓鉆機(jī)通常采用導(dǎo)向鉆桿，其鉆進(jìn)工藝對動力頭的基本要求有下列幾點：
1) 動力頭的鉆數(shù)和扭矩應(yīng)是可調(diào)的，最好的方案是無級調(diào)速，以適應(yīng)鉆進(jìn)工藝的需要。
2) 轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)節(jié)范圍應(yīng)滿足鉆進(jìn)工藝的需要。
3) 具有正反轉(zhuǎn)的能力。
4) 回轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動少和噪音不大等。
動力頭轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，取決于地質(zhì)條件、鉆頭直徑以及鉆進(jìn)方式。由于是全液壓鉆機(jī)可以實現(xiàn)無級調(diào)速，馬達(dá)的調(diào)速范圍在8~300r/min之間完全滿足鉆機(jī)的要求。采用導(dǎo)向鉆桿鉆進(jìn)時，要求高轉(zhuǎn)速。國外的最高轉(zhuǎn)速以達(dá)2000～3000r/min；國內(nèi)大致在1000～1500r/min，而從處理事故和擰緊鉆桿的要求，則需要低速檔，一般為200～300r/min。本設(shè)計動力頭的轉(zhuǎn)速范圍為1－60、 1－120r/min。
本設(shè)計的動力頭主要特點如下：
1. 油馬達(dá)上裝有安全閥，可自動進(jìn)行過載安全保護(hù)。
2. 無液壓卡盤，采用螺紋連接結(jié)構(gòu)，使整體結(jié)構(gòu)簡單化。
3. 結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省原材料。
4. 殼體由鑄鐵制成，故有良好的工藝性。
動力頭按照回轉(zhuǎn)油馬達(dá)的安裝位置不同，可分為裝有油馬達(dá)的動力頭（A型）和不裝油馬達(dá)的動力頭（B型）兩類。A型動力頭與B型動力頭相比，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、工作可靠、重量輕和搬運(yùn)方便等優(yōu)點。目前，國內(nèi)外全液壓動力頭式鉆機(jī)的大多數(shù)均采用A型動力頭。本設(shè)計也采用A型動力頭。
A型動力頭的工作原理（圖1-1）：油馬達(dá)2經(jīng)齒輪傳動箱帶動輸出軸回轉(zhuǎn)，從而使鉆具回轉(zhuǎn)。
圖 1-1 鉆機(jī)動力頭原理示意圖
1-底座 2-馬達(dá) 3-聯(lián)軸器 4-減速器 5-法蘭盤 6-鉆頭
3.1.2 給進(jìn)機(jī)構(gòu)
給進(jìn)機(jī)構(gòu)是鉆機(jī)的工作機(jī)構(gòu)之一，它對鉆機(jī)的技術(shù)性能、工作效率以及其應(yīng)用范圍有著極大的影響。全液壓動力頭式鉆機(jī)給進(jìn)機(jī)構(gòu)的功用有二：一是用來保證鉆頭具有所需壓力，一是實現(xiàn)進(jìn)給；二是用來“倒桿”。
一個完善的給進(jìn)機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足下列要求：
1) 能調(diào)節(jié)鉆頭壓力，淺孔時加壓、深孔時減壓，故要求給進(jìn)機(jī)構(gòu)具有加壓和減壓等機(jī)能，壓力調(diào)定后就應(yīng)保持恒定不便。
2) 給進(jìn)速度是可以調(diào)節(jié)的，并應(yīng)能無級調(diào)速，使鉆頭給進(jìn)速度能與機(jī)械鉆速相適應(yīng)。
3) 給進(jìn)行程應(yīng)盡可能的長。
4) 結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、操作靈活安全。并應(yīng)配備有儀表來觀測鉆頭壓力、進(jìn)尺和鉆速等。
目前，全液壓動力頭式鉆機(jī)的給進(jìn)機(jī)構(gòu)有油缸液壓給進(jìn)機(jī)構(gòu)和油馬達(dá)—鏈條給進(jìn)機(jī)構(gòu)兩種。大多數(shù)鉆機(jī)采用油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)。
油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)又分為一般油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)和油缸—鏈條倍速給進(jìn)機(jī)構(gòu)兩種。一般油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)是油缸的液壓力或運(yùn)動直接作用于動力頭和鉆具；油缸的行程和動力頭的給進(jìn)行程相等，故又稱為非倍數(shù)油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)。油缸—鏈條倍速給進(jìn)機(jī)構(gòu)是動力頭的給進(jìn)行程等于活塞行程的兩倍。本設(shè)計選用單油缸—鏈條給進(jìn)機(jī)構(gòu)。
單油缸—鏈條給進(jìn)機(jī)構(gòu)工作原理（圖1-2）：給進(jìn)油缸缸體固定在機(jī)架上，活塞桿的前端與帶有鏈輪的連接軸相連接。拖板向后移動。每根鏈條的一端都是繞過鏈輪之后固定在給進(jìn)機(jī)架上，而另一端繞過鏈輪之后分別與拖板相連接，組成為一個封閉的倍增傳動鏈，拖板行程比活塞行程增大一倍。
圖1-2 給進(jìn)機(jī)構(gòu)示意圖
1-動力頭 2-液壓油缸 3-鏈條
3.2 動力設(shè)備部分
全液壓鉆機(jī)的動力設(shè)備，包括動力機(jī)、油泵、油箱、過濾器、冷卻器等。
3.2.1 動力機(jī)
驅(qū)動油泵的動力機(jī)，一般采用電動機(jī)或柴油機(jī)。在坑道鉆探中，也有采用風(fēng)馬達(dá)的。動力機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，一般為1460~1800轉(zhuǎn)/分，國外鉆機(jī)有增高動力機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的趨勢，高達(dá)2400~3600轉(zhuǎn)/分。這樣可以大大提高油泵排油量，或縮小油泵尺寸和重量，使動力機(jī)和油泵小型化。
動力機(jī)的功率是設(shè)計鉆機(jī)的依據(jù)。鉆機(jī)的功用主要是用來完成鉆進(jìn)工序?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)所需的功率包括破碎孔底巖石和回轉(zhuǎn)鉆具等所需功率，前者基本上不受孔深的影響；后者當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)不高時隨孔深的變化也不大，當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)較高時隨孔深增加而增大。
本設(shè)計采用柴油機(jī)作為動力機(jī)。
3.2.2 油泵
油泵是將動力機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能的一種裝置，它是液壓傳動中的動力源。目前，每臺全液壓鉆機(jī)的油泵站通常有兩個油泵，一個為主油泵，它向回轉(zhuǎn)馬達(dá)供油；另一個為輔助油泵，它向給進(jìn)機(jī)構(gòu)供油。但有的鉆機(jī)（如泰美克250型鉆機(jī)）只有一個油泵，它向油馬達(dá)及各油缸供油。
油泵類型的選擇應(yīng)能滿足鉆機(jī)工作的特點和要求。由于鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)速度有高有低，一般主油泵選用變量油泵，并且都用軸向柱塞式變量油泵，它能使液動機(jī)實現(xiàn)無級容積調(diào)速；輔助油泵多用齒輪油泵，也有選用軸向柱塞式變量油泵的。這時因為軸向柱塞式變量油泵具有 體積小、重量輕、調(diào)速方便、轉(zhuǎn)速高、壓力大等特點，它較適用于鉆機(jī)的工作需要。但定量油泵價格比較便宜。
本設(shè)計采用雙油泵，主油泵采用變量泵，輔助油泵采用定量油泵。
3.2.3 油箱
油箱是用來儲油、散熱、分離油中雜質(zhì)和空氣的裝置。它的形狀和尺寸要根據(jù)鉆機(jī)的總體布置及散熱的需要來決定。按一般機(jī)械要求，油箱的有效容積為油泵的每分鐘流量的三倍以上。但是，考慮野外工作條件的需要，鉆機(jī)的油箱容積不能太大。而且多數(shù)鉆機(jī)在油箱里裝有冷卻器，因此油液的發(fā)熱大為改善。本鉆機(jī)也采用這種結(jié)構(gòu)。
3.3 操縱臺部分
“集中手柄操縱”——這是全液壓鉆機(jī)的特點之一。鉆機(jī)的所有控制閥、各種儀表等都集中裝在操縱臺的控制面板上。從油泵輸出的壓力油經(jīng)高壓橡膠管到各控制閥，操縱控制閥手把的各種不同位置，使壓力油經(jīng)閥板下的軟管分配給各個液動機(jī)，根據(jù)鉆探工藝的需要來驅(qū)動油馬達(dá)、給進(jìn)油缸等，從而完成鉆探各工序的動作。因此，操作臺是鉆機(jī)的操縱驅(qū)紐。
本鉆機(jī)也采用“集中手柄操縱”。
第4章 動力機(jī)的確定
4.1 電動機(jī)功率的確定
本鉆機(jī)的驅(qū)動裝置采用柴油機(jī)，因為鉆機(jī)多在野外作業(yè)，柴油機(jī)無需外接能源。本設(shè)計的液壓系統(tǒng)由兩個獨立的支路組成，油泵——馬達(dá)回路系統(tǒng)和油泵——油缸給進(jìn)系統(tǒng)，且兩油泵共用一臺電動機(jī)聯(lián)合驅(qū)動，因此鉆機(jī)的電動機(jī)的總功率為：
其中：——鉆機(jī)的電動機(jī)總功率
——回轉(zhuǎn)鉆桿及破碎巖石所需功率
——給進(jìn)油缸所需功率
4.1.1 油泵—馬達(dá)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
1．基本參數(shù)的確定：
①機(jī)械效率
②液壓傳動效率
③鉆頭外徑
④鉆頭內(nèi)徑
其中：——孔底破碎巖石所需的功率
——鉆頭與孔底摩擦所消耗功率
——回轉(zhuǎn)鉆桿所需的功率
——機(jī)械效率 取
——液壓馬達(dá)效率 取
井底破碎巖石所需功率
其中：—動力頭轉(zhuǎn)速 r/min
—鉆頭切削刃數(shù) 取
—鉆進(jìn)速度
—巖石抗壓強(qiáng)度 見表4－1
表4－1 巖石抗壓強(qiáng)度
巖 石 名 稱
抗壓強(qiáng)度（N/cm2）
硬 土
1800
其中： － 井底環(huán)狀切削面積
—鉆頭外徑 取
—鉆頭內(nèi)徑 取
將動力頭各種轉(zhuǎn)數(shù)以及巖石的不同抗壓強(qiáng)度分別代入上式中所得的相應(yīng)值見表4－2中。
鉆頭與孔底摩擦所需功率
其中：——巖石抗壓強(qiáng)度
——鉆具和巖石間摩擦系數(shù) 取
——側(cè)摩擦系數(shù) 取
——動力頭轉(zhuǎn)速
——鉆頭外半徑
——鉆頭內(nèi)半徑
將動力頭的不同轉(zhuǎn)數(shù)和不同孔底壓力代入上式中，的相應(yīng)值見
表4－2。
回轉(zhuǎn)鉆桿所需功率
其中：——孔深 取
——鉆桿直徑
——動力頭轉(zhuǎn)速
——沖洗液的比重 取
將上述各參數(shù)及動力頭的不同轉(zhuǎn)速代入上式中所得值列
表4－2中。
表4－2 功率計算表
功率
（N/cm2）
30（回托）
60（回托）
120（鉆進(jìn)）
1800
0.22
0.26
0.037
1800
0.71
1.43
0.278
1800
3.15
7.92
19.95
1800
4.08
9.61
20.265
1800
5.1
12.0
25.33
2．馬達(dá)的選擇
馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的確定
其中：— 馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩
— 馬達(dá)的輸出功率，根據(jù)表4－2取得
— 馬達(dá)輸出軸的平均角速度
式中： —馬達(dá)轉(zhuǎn)速
—動力頭轉(zhuǎn)速
按120轉(zhuǎn)最大功率計算，將所求的值列于表4－3。
表4－3 馬達(dá)轉(zhuǎn)矩
120
360
25.13
507.36
25.25
根據(jù)設(shè)計要求，用兩個馬達(dá)分擔(dān)功率，需選用低速大扭矩馬達(dá)。其主要根據(jù)轉(zhuǎn)矩來選擇。輔助因素包括排量、額定壓力、轉(zhuǎn)速范圍等最終確定?？蛇x用型擺線馬達(dá)，其技術(shù)參數(shù)如下表4－4。
表4－4 馬達(dá)技術(shù)參數(shù)
排量
最高轉(zhuǎn)速
最大輸出轉(zhuǎn)矩
最高工作壓力
重量
3．液壓泵的選擇
液壓泵的選擇主要根據(jù)供油壓力和最大供油量兩個因素決定。
其中：— 馬達(dá)的進(jìn)油壓力
— 馬達(dá)的輸入功率
—馬達(dá)的實際輸入流量
其中： —馬達(dá)排量
—馬達(dá)的轉(zhuǎn)速
—容積效率
將所求的值列于表4－5。
表4－5 馬達(dá)及泵的流量
120
240
52
104
57.7
115.5
即
其中： — 考慮系統(tǒng)泄露修正系數(shù)，一般。這里取
根據(jù)經(jīng)驗，對簡單的系統(tǒng)，對于復(fù)雜系統(tǒng)。這里取。
將所求的數(shù)值分別列于表4－6。
表4-6 馬達(dá)的進(jìn)油壓力及排量
壓力
（N/cm2）
120
240
1800
5.52
16.5
由表中的數(shù)值，查《液壓元件手冊》可選：柱塞泵CCY14-1B,其技術(shù)參數(shù)如下表4－7。
表4－7 柱塞泵的技術(shù)參數(shù)
理論排量
最高壓力
額定轉(zhuǎn)速
驅(qū)動功率
容積效率
重量
4.1.2 油泵—油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)
1.給進(jìn)油缸的基本參數(shù)
油缸數(shù)量 1個
油缸直徑
活塞桿直徑
活塞有效行程
油缸面積
活塞桿面積
有效面積
2.油泵工作壓力的計算
鉆機(jī)打水平孔時，油缸最大推力為：
式中：W—油缸最大推力按設(shè)計要求 ＝150KN
因此，油泵的工作壓力P為：
3. 油泵最大工作流量計算
油缸回程時的最大容積油量：
油缸送進(jìn)時的最大容積油量：
當(dāng)選用動力頭的速度時，動力頭送進(jìn)時每分鐘所需油量為：
令活塞回程時間為0.3min，則回程所需油量為：
4. 給進(jìn)油缸所需的功率
5．根據(jù)上面的計算，查《液壓元件手冊》選用MCY14-1B型柱塞泵，其技術(shù)參數(shù)如下表4—8。
表4－8 型柱塞泵的技術(shù)參數(shù)
排油量
額定壓力
額定轉(zhuǎn)速
驅(qū)動功率
容積效率
重量
0.8
6.4kg
4.1.3 泥漿泵
考慮鉆進(jìn)潤滑的需要,引進(jìn)HBW150/40型泥漿泵，功率7.5KW。
4.2 柴油機(jī)的選擇
柴油機(jī)的功率
由此，可查的此設(shè)計選用R6105G36型柴油機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如下表4－9。
表4－9 電機(jī)技術(shù)參數(shù)
額定功率
滿載轉(zhuǎn)速
效率
0.822
第5章 機(jī)械傳動系統(tǒng)設(shè)計
5.1 變速箱的設(shè)計
5.1.1 強(qiáng)度計算的依據(jù)
1) 在校核零件的強(qiáng)度時，假設(shè)兩液壓馬達(dá)全部功率輸入動力頭，然后再輸入動力。
2) 動力頭在連續(xù)工作情況下，可連續(xù)工作10000小時，純機(jī)動時間每班16小時，可連續(xù)工作20個月。
5.1.2 齒輪強(qiáng)度的計算
選定齒輪的類型、精度等級、材料及齒輪。本設(shè)計的傳動方案選用直齒圓柱齒輪?？紕恿︻^的工作環(huán)境較為惡劣，為增大齒輪使用壽命大小齒輪都選用硬齒面。根據(jù)表5—2選得大小齒輪的材料都為40Cr，并且需要調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48~55HRC。精度等級選為7級。齒寬系數(shù)根據(jù)表5—3中的單級齒輪傳動，兩支承相對齒輪為對稱布置，且兩齒輪均為硬齒面。選擇齒寬系數(shù)為0.6。因為受載比較平穩(wěn)、齒輪為硬齒面、支承為對稱分布，故取。齒數(shù)選擇時為了避免根切，對于標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，開式齒輪傳動中為保證齒根彎曲強(qiáng)度，常取，閉式齒輪傳動中常取，本設(shè)計取。
變速箱內(nèi)各齒輪主要參數(shù)及材料見表5－4。
表5-2齒輪常用材料及其力學(xué)性能
材料
熱處理方法
齒面硬度
許用接觸應(yīng)力
許用彎曲應(yīng)
40Cr
調(diào)質(zhì)后淬火
48~55HRC
1395~1426
483~518
表5-3齒寬系數(shù)
齒輪相對于軸承的位置
齒面寬度
軟齒面
硬齒面
對稱布置
0.8~1.4
0.4~0.9
非對稱布置
0.6~1.2
0.3~0.6
懸臂布置
0.3~0.4
0.2~0.25
表5－4
齒號
齒數(shù)
模數(shù)
齒寬
材料
硬度
齒型角
螺旋角
精度
Z1
19
2.5
80
40Cr
48~55HRC
200
00
7DC
Z2
38
2.5
75
40Cr
48~55HRC
200
00
7DC
1．確定許用接觸疲勞應(yīng)力
其中： — 失效概率為1％時試驗齒輪的接觸疲勞極限力
單位：。由表5—2 查得
— 解除疲勞強(qiáng)度的最小安全系數(shù)，，（失效概率為1％）。
2．確定許用彎曲疲勞應(yīng)力
其中：— 齒輪彎曲疲勞極限。由表5—2 查得
— 齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)。機(jī)械齒輪失效率1％時
— 彎曲疲勞壽命系數(shù)。由于m =5.5，查表得。
大小齒輪的齒面硬度相同，
3．小齒輪轉(zhuǎn)矩的計算
4．按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算
mm
其中： — 小齒輪的分度圓直徑。
— 載荷系數(shù)，取。
— 齒數(shù)比。
— 齒寬系數(shù)，取得。
— 許用接觸應(yīng)力。
代入數(shù)值得：
齒輪模數(shù)為：
5．按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算
其中： —— 齒型系數(shù)，查表得，。
6．接觸疲勞強(qiáng)度校核
1) 分度園上的圓周力Ft
2) 使用系數(shù)
3) 動載系數(shù)
4) 齒向載荷分布系數(shù)
5) 齒間載荷分布系數(shù)
6) 節(jié)點區(qū)域系數(shù)
7) 彈性系數(shù)
8) 重合度系數(shù)
9) 接觸應(yīng)力
10) 壽命系數(shù)
11) 安全系數(shù) ，
12) 潤滑劑系數(shù)
13) 速度系數(shù)
14) 粗糙度系數(shù)
15) 硬化系數(shù)
16) 尺寸系數(shù)
17) 許用接觸應(yīng)力
18) 接觸強(qiáng)度判斷
因為，所以校核通過。
7．彎曲疲勞強(qiáng)度校核
1) 齒向載荷分布系數(shù)
2) 應(yīng)力修正系數(shù)
3) 重合度系數(shù)
4) 齒根應(yīng)力
5) 壽命系數(shù)
6) 相對齒根圓角敏感系數(shù)
7) 相對齒根表面狀態(tài)系數(shù)
8) 尺寸系數(shù)
9) 許用齒根應(yīng)力
10) 彎曲強(qiáng)度
因為 ,所以彎曲強(qiáng)度校核通過。
8．具體參數(shù)的確定
由上述計算可見，本設(shè)計的齒輪傳動接觸疲勞強(qiáng)度較弱，故應(yīng)以為佳。
查標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)取得模數(shù) 。
齒輪主要幾何尺寸：
分度圓直徑
齒頂高直徑
中心矩
齒寬 ，故取， 取。由于設(shè)計結(jié)構(gòu)需要，改b1＝80mm，b2＝75mm
5.1.3 軸的設(shè)計
1. 輸出軸上功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的初步確定
已知下列條件：材料40Cr，調(diào)質(zhì)處理，各齒輪分度圓直徑為：，
將計算結(jié)果輸入表5—5。
表5—5 輸出軸上功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩
（r/min）
30
60
120
6
12
25．5
1910
1910
2029.3
2. 求作用在齒輪上的力
因為是直齒圓柱齒輪傳動
圓周力
徑向力
其中： — 小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，。
— 大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，。
—大齒輪的節(jié)圓直徑，對標(biāo)準(zhǔn)齒輪即分度圓直徑，。
— 嚙合角，對標(biāo)準(zhǔn)齒輪為20°。
圓整后， 。方向如圖5—1所示。
3. 初步估計軸的最小直徑，選取連軸器。
初估軸徑：安裝聯(lián)軸器處軸的直徑dⅠ-Ⅱ（圖5—1a）為周的最小直徑。
dⅠ-Ⅱ =
其中：查得A = 90～107
為滿足設(shè)計結(jié)構(gòu)需求取dⅠ-Ⅱ 。
選取聯(lián)軸器：由于承受軸向力過大，所以采用單獨設(shè)計的非標(biāo)聯(lián)軸器。
4．軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
1）擬訂軸上零件的裝配方案
軸上的大部分零件包括：大圓柱齒輪、檔油環(huán)、左端軸承和軸承端蓋以及聯(lián)軸器依次由左端裝配，僅右端軸承和軸承端蓋由右端裝配。
2）根據(jù)軸向定位及固定要求，確定軸的各段直徑和長度，見表5—6。
3）軸上零件的周向固定
齒輪采用平鍵定位，滾動軸承與軸則采用過渡配合。
4）定出軸肩處的圓角半徑r的值
見圖6—1a，軸端倒角取2×45°。
表5—6 軸的各段直徑和長度
軸段位置
軸段直徑和長度
說明
Ⅰ—Ⅱ
dⅠ-Ⅱ = 70\80
聯(lián)軸器需要
LⅠ-Ⅱ =62.52
聯(lián)軸器需要
Ⅱ—Ⅲ
dⅡ-Ⅲ =120
根據(jù)滾動軸承32215，查手冊
取dⅡ-Ⅲ = 120
LⅡ-Ⅲ =81.5
初選圓錐滾子軸承30224
d×D×T = 120×215×43.5上
Ⅲ—Ⅳ
dⅢ-Ⅳ= 140
為滿足用軸承受大的軸向力設(shè)計
LⅥ-Ⅶ = 20
按齒輪寬度加軸套設(shè)計
Ⅳ—Ⅴ
dⅣ—Ⅴ=75
初選圓錐滾子軸承322寸
d×D×T = 75×130×33.25
LⅣ—Ⅴ=116.5
按照軸承和軸套的寬度確定
Ⅴ—Ⅵ
dⅤ—Ⅵ =70
結(jié)構(gòu)考慮
LⅤ—Ⅵ =109.5
結(jié)構(gòu)考慮
5） 確定軸的需用應(yīng)力
已知軸的材料，該軸無特殊要求，選用材料35SiMn，調(diào)質(zhì)處理。由于軸的尺寸較大，性能數(shù)據(jù)按毛坯直徑的選用，查手冊得, , , 。
需用應(yīng)力，查手冊得
, ,
6） 畫軸的計算簡圖，計算支反力
由軸的結(jié)構(gòu)簡圖（5—1），可確定出軸承支撐點跨距，，懸臂。由此可畫出軸的受力簡圖，如圖6—1b所示。
水平面支反力如圖6—1c所示
垂直面支反力如圖6—1e所示
畫軸的彎矩圖和扭矩圖
①水平面彎矩圖（圖5—1d）
截面B處
②垂直面彎矩圖（圖5—1f）
截面B左邊
截面B右邊
③合成彎矩圖（圖5—1g）
截面B左邊
截面C右邊
④扭矩圖（圖6—1h）
扭矩
圖5—1 軸的設(shè)計圖
8）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
從圖5—1g可見截面C處彎矩最大，應(yīng)校核該截面的強(qiáng)度。
截面C的當(dāng)量彎矩
其中：
校核強(qiáng)度
其中：W — 軸的抗彎截面系數(shù)，對直徑為d的空心軸
校核結(jié)果：，截面C的強(qiáng)度足夠。
5.2.4 滾動軸承的壽命計算
軸承的額定壽命與所受載和的大小有關(guān)，工作載荷越大，引起的接觸應(yīng)力也越大，軸承的額定壽命也就越小。
其中： — 基本額定壽命，單位：。
— 指數(shù)。求軸承，滾子軸承。
在較高溫度下工作的軸承，應(yīng)該采用經(jīng)過較高溫度回火處理的高溫軸承。由于在軸承樣本中列出的基本額定動載荷值是對一般軸承而言的， 因此，如果要將該數(shù)值用于高溫軸承，需乘以溫度系數(shù)ft （見表6—7），即
其中： — 高溫軸承的修正額定動載荷
— 軸承樣本所列的同一型號軸承的基本額定動載荷
表5—7 溫度系數(shù)
軸承工作溫度/°C
125
150
175
200
225
250
300
溫度系數(shù)
0.95
0.90
0.85
0.80
0.75
0.70
0.60
所以軸承的壽命計算公式為：
對于同時承受徑向載荷R和軸向載荷A的軸承類型，壽命計算公式中的這個載荷P就是一個與實際作用的復(fù)合外載荷有同樣效果的當(dāng)量載荷。它的計算公式為：
其中： — 徑向載荷系數(shù)。其值見表6—8。
— 軸向載荷系數(shù)。其值見表6—8。
表5—8 徑向載荷系數(shù)X和軸向載荷系數(shù)Y
軸承類型
相對軸向載荷
A/C0
A / R≤e
A / R≥e
e
名稱
代號
X
Y
X
Y
圓錐滾子軸承
30000
—
1
0
0.4
（Y）
e
注：① C0是軸承基本額定靜載荷
② 表中括號內(nèi)的系數(shù)Y和e的值應(yīng)查軸承手冊，對不同型號的軸承有不同的值。
但是，此公式只是一個理論值，實際上，軸承上的載荷由于機(jī)械的慣性、零件的不精確性及其他因素的影響，所以應(yīng)對于當(dāng)量動載荷乘上一個經(jīng)驗的載荷系數(shù)，其值見表6—9。故實際計算時，軸承的當(dāng)量動載荷P應(yīng)為：
表5—9 載荷系數(shù)
載荷性質(zhì)
舉例
無沖擊或輕微沖擊
1.0～1.2
電機(jī)、汽輪機(jī)、通風(fēng)機(jī)、水泵等
中等沖擊或中等微沖擊
1.2～1.8
車輛、動力機(jī)械、起重機(jī)、造紙機(jī)、冶金機(jī)械、選礦機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、機(jī)床等
強(qiáng)大沖擊
1.8～3.0
破碎機(jī)、軋鋼機(jī)、鉆探機(jī)、震動篩等
查手冊得，，。
因為: ，所以當(dāng)量動載荷
所以軸承的最小壽命為4418小時。
5.3 鏈條選擇
本鉆機(jī)的進(jìn)給動作主要靠鏈條來傳動，查機(jī)械手冊得下表：
ISO鏈號
板數(shù)組合
抗拉強(qiáng)度 KN
LH1222
2×2
48.9
LH1223
2×3
48.9
LH1234
3×4
75.6
LH1244
4×4
97.9
LH1246
4×6
97.9
LH1266
6×6
146.8
LH1288
8×8
195.7
由于鉆機(jī)回托時鏈條受力是15KN，采用兩根鏈條共同受力，古選LH1246鏈條。
第6章 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計與計算
利用密閉容器內(nèi)的液體的壓力來進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換、傳遞和分配的液壓傳動系統(tǒng)與其它傳動方式相比具有許多優(yōu)點和缺點。
優(yōu)點：① 同等體積下，液壓裝置能比電氣裝置產(chǎn)生出更多的動力。
② 同等功率下，液壓裝置的體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊。
③ 液壓裝置工作比較平穩(wěn)。由于質(zhì)量小、慣性小、反應(yīng)快，液壓裝置易于實現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁的換向。
④ 液壓裝置能在大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，還可在運(yùn)行過程中進(jìn)行調(diào)速。
⑤ 液壓傳動易于實現(xiàn)自動化。
⑥ 液壓裝置易于實現(xiàn)過載保護(hù)。
⑦ 液壓元件的布置具有較大的機(jī)動性。
⑧ 液壓傳動來實現(xiàn)直線運(yùn)動遠(yuǎn)比用機(jī)械傳動簡單。
缺點：① 液壓傳動不能保證嚴(yán)格的傳動比。
② 液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失。
③ 液壓傳動對油溫變化比較敏感，它的工作穩(wěn)定性易受到溫度的影響，因此不宜在很高或很低的溫度下工作。
④ 液壓元件在制造精度上的要求較高，造價較貴。
⑤ 液壓傳動要求有單獨的能源。
⑥ 液壓傳動出現(xiàn)故障時不宜找出原因。
但總的來說，液壓傳動的優(yōu)點是突出的，它的一些缺點有的現(xiàn)已大為改善；有的將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)一步得到克服。液壓傳動的發(fā)展前景廣大。
任何液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計，除了應(yīng)符合其主機(jī)在動作循環(huán)和靜、動態(tài)性等方面所提出的要求外，還必須滿足結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、工作安全可靠、效率高、壽命長、經(jīng)濟(jì)性好等條件。
6.1 液壓系統(tǒng)的確定
6.1.1 形式的選擇
按照液體流動的循環(huán)方式不同，液壓系統(tǒng)可以分為開式循環(huán)系統(tǒng)和閉式循環(huán)系統(tǒng)兩種。
閉式循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，油路封閉，運(yùn)動平穩(wěn)。但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，散熱條件差，為補(bǔ)償油液泄露和進(jìn)行油液更新及冷卻必須設(shè)置完整的補(bǔ)油系統(tǒng)，油液過濾精度要求也較高。
開式循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，又也可以很好的在油缸中進(jìn)行冷卻和沉淀雜質(zhì)，散熱條件好。適用于多個液動機(jī)進(jìn)行并聯(lián)的情況；也適用于定量油泵、節(jié)流調(diào)速的液壓系統(tǒng)。
所以，大多數(shù)全液壓系統(tǒng)都采用開式循環(huán)系統(tǒng)。本設(shè)計也采用開式循環(huán)系統(tǒng)。
6.1.2 調(diào)速方案的選擇
鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)速度、給進(jìn)都有快有慢，必須根據(jù)鉆進(jìn)工藝的要求進(jìn)行調(diào)整。液動機(jī)的調(diào)速方法主要有節(jié)流調(diào)速和容積調(diào)速。
節(jié)流調(diào)速是利用節(jié)流元件來控制通過流量以實現(xiàn)液動機(jī)速度調(diào)節(jié)的一種方法，它用于定量泵與定量液動機(jī)所組成的系統(tǒng)。根據(jù)節(jié)流元件在系統(tǒng)中的安裝位置不同，可分為進(jìn)油節(jié)流、回油路節(jié)流和旁路節(jié)流調(diào)速三種。從調(diào)速范圍、低速穩(wěn)定性及承受的載荷能力等方面來看，回油路調(diào)速性能最好，旁路調(diào)速最差。在鉆機(jī)的給進(jìn)液壓系統(tǒng)中，主要是選用回油路節(jié)流調(diào)速方案。
容積調(diào)速是利用改變油泵或油馬達(dá)的每轉(zhuǎn)排量來實現(xiàn)液動機(jī)速度調(diào)節(jié)的一種方法。它沒有流量和壓力的損耗、效率高、發(fā)熱小，適用于大功率系統(tǒng)；但是變量油泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格貴。在全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)中多用容積調(diào)速系統(tǒng)。
本設(shè)計綜合各方面的因素，采用回油路節(jié)流調(diào)速。
6.1.3 換向回路的選擇
根據(jù)鉆進(jìn)工藝的要求，回轉(zhuǎn)器應(yīng)具有正反轉(zhuǎn)能力，給進(jìn)機(jī)構(gòu)能實現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動。因此，液動機(jī)必須換向。液動機(jī)的啟停和換向，一般采用換向閥，也有采用雙向變量油泵的。當(dāng)液壓系統(tǒng)為單油泵—單液動機(jī)的閉式系統(tǒng)時，一般采用雙向變量油泵來實現(xiàn)液動機(jī)的換向。如果液動機(jī)單獨控制時，通常采用一個換向閥來實現(xiàn)液動機(jī)的換向。本設(shè)計選用換向閥來實現(xiàn)液動機(jī)的換向。
6.1.4 壓力控制回路的選擇
在全液壓鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)中，常采用的壓力控制回路有：調(diào)壓和限壓回路、減壓回路、背壓平衡回路、順序動作回路、緩沖制動回路、減壓給進(jìn)回路等。
調(diào)壓—限壓回路為鉆機(jī)常用的一種回路，可調(diào)溢流閥安裝在油泵的出口處，以調(diào)節(jié)和限制系統(tǒng)的壓力。單向閥是用來防止事故停車時壓力油產(chǎn)生反向沖擊的。
減壓回路用在多個液動機(jī)的復(fù)雜系統(tǒng)中，由于液動機(jī)的負(fù)載大小和工作要求不同，因此它們要求的工作壓力有時差別較大，為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，對某些個別的支路將進(jìn)行減壓。
背壓平衡回路是利用背壓閥使油缸活塞具有一定的背壓，從而使給進(jìn)速度平穩(wěn)，并可避免液壓沖擊。
本設(shè)計采用調(diào)壓—限壓回路和背壓平衡回路。
6.1.5 液壓系統(tǒng)圖的方案確定
由圖6—1所示，兩方案最大的不同即：方案一有兩臺油泵，方案二有一臺油泵。目前，全液壓鉆機(jī)的油泵站通常有兩臺油泵，一個為主油泵，它向回轉(zhuǎn)馬達(dá)供油。另一個為輔助油泵，它向給進(jìn)機(jī)構(gòu)供油。故本設(shè)計選用方案一。通過液壓系統(tǒng)試驗無級調(diào)速，由一臺電機(jī)帶動兩個泵，液壓系統(tǒng)由兩個獨立的回路組成，互不干擾使得液壓回路簡單化。馬達(dá)與減速器相連避免了馬達(dá)效率低的問題。
調(diào)壓溢流閥是調(diào)節(jié)和限制系統(tǒng)的壓力起調(diào)節(jié)和安全保護(hù)的作用。
油泵—馬達(dá)回路中的電磁換向閥有三個位置，用來實現(xiàn)油馬達(dá)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)。
油泵—油缸回路中的電磁換向閥也有三個位置，可使油缸上腔或下腔進(jìn)壓力油或不進(jìn)油，完成給進(jìn)鉆具的各種工作。
單向背壓閥的作用是防止油缸推力過大，影響油馬達(dá)的工作，使油缸獲得適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定壓力。
另外，由于鉆進(jìn)過程中，油馬達(dá)的外負(fù)載是變化的，這就要求油馬達(dá)的輸出扭矩隨外負(fù)載的增減而變化，以滿足鉆進(jìn)工藝的要求。為此，油馬達(dá)設(shè)有壓力補(bǔ)償裝置，它能起到自動調(diào)節(jié)油馬達(dá)轉(zhuǎn)速的作用。
圖6—1 液壓原理圖
6.2 液壓元件的選擇
6.2.1 油泵的選擇
在第四章中有介紹。
6.2.2 馬達(dá)的選擇
1．額定壓力的選擇
鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的額定壓力應(yīng)根據(jù)鉆機(jī)的使用情況和外負(fù)載特性來決定。一般馬達(dá)的外負(fù)載較大時，額定壓力選高一些，反之應(yīng)選低一些；而鉆機(jī)持續(xù)工作時間越長，外負(fù)載沖擊越大，則額定壓力應(yīng)改選的越低。目前，全液壓鉆機(jī)主要系統(tǒng)的額定工作壓力為如果額定工作壓力選的高些，則液動機(jī)及各種閥的尺寸可以選的小些，結(jié)構(gòu)較為緊湊，動作部件的慣性力小，易于滿足大功率的要求。但是，工作壓力選得太高，對液壓系統(tǒng)的密封性要求很高，制造困難，液壓裝置的壽命低。若工作壓力選得過低，其結(jié)果恰恰相反。
2．油馬達(dá)合理轉(zhuǎn)速范圍的選用
每種類型的馬達(dá)都有其高效的使用轉(zhuǎn)速范圍，在該轉(zhuǎn)速范圍外，便會出現(xiàn)傳動效率下降的現(xiàn)象；因此，油馬達(dá)的選型主要是使油馬達(dá)高效的轉(zhuǎn)速范圍與鉆機(jī)的常用轉(zhuǎn)速范圍相適應(yīng)。目前，用金剛石鉆頭在基巖鉆進(jìn)中，一般高速用1400～1600 r/min，我國現(xiàn)用800～1000 r/min左右。僅在地表鉆進(jìn)時使用300r/min左右。因此，全液壓動力頭式鉆機(jī)都選用高速小扭矩的油馬達(dá)，這樣，齒輪傳動箱的傳動結(jié)構(gòu)比較簡單，一般只用一對齒輪傳動。由于非開挖導(dǎo)向鉆機(jī)的鉆頭和回托的特殊需要，馬達(dá)合理的轉(zhuǎn)速范圍是60～120r/min。
具體型號的選擇見第四章。
6.2.3 液壓缸的選擇
見第四章。
6.2.4 閥類元件的選擇
液壓閥是用來控制液壓系統(tǒng)中油量的流動方向或調(diào)節(jié)其壓力和流量的。一個形狀相同的閥，可因為作用機(jī)制不同，而具有不同的功能。
油泵—馬達(dá)回路中油泵的額定流量
油泵—油缸回路中油泵的額定流量
兩回路泵的額定流量相差不大，為了制造簡單兩回路中的閥元件可以選得一樣。
查手冊，可以得到本設(shè)計中所用的各種閥的具體型號。
表6—1 調(diào)壓溢流閥
型號
通徑
額定流量
壓力
重量
表6—2 液控單向閥
型號
通徑
最大流量
最大工作壓力
重量
表6—3 電磁換向閥
型號
通徑
最大流量
最大工作壓力
重量
表6—4 單向背壓閥
型號
通徑
最大流量
最大工作壓力
重量
6.2.5 輔助液壓裝置的選擇
1．濾油器的選擇
濾油器的功用在于過濾混在液壓油液中的雜質(zhì)，使進(jìn)到系統(tǒng)中取得油液的污染度降低，保證系統(tǒng)正常地工作。
濾油器按其濾芯材料的過濾機(jī)制來分，有表面型濾油器、深度型濾油器和吸附型濾油器三種。
表面型濾油器的整個過濾作用是有一個幾何面來實現(xiàn)的。濾下的污染雜質(zhì)被截流在濾芯元件靠油液上游的一面。在這里，濾芯材料具有均勻的標(biāo)定小孔，可以濾除比小孔尺寸大的雜質(zhì)。
深度型濾油器的濾芯材料為多孔可透性材料，內(nèi)部具有曲折迂回的通道。大于表面孔徑的雜質(zhì)直接被截流在外表面，較小的污染雜質(zhì)進(jìn)入濾材內(nèi)部，撞到通道壁上，由吸附作用而得到濾除。
吸附型濾油器的濾芯材料把油液中的有關(guān)雜質(zhì)吸附在其表面。
本設(shè)計中采用表面型濾油器。
2． 油箱的選擇
油箱的功用主要是存儲油液，此外還起著散發(fā)油液中熱量（在周圍環(huán)境溫度較低的情況下則是保持油液中熱量），釋放出混在油液中的氣體，沉淀油液中污物等作用。
液壓系統(tǒng)中的油箱有整體式和分離式兩種。整體式油箱利用主機(jī)的內(nèi)腔作為油箱，這種油箱結(jié)構(gòu)緊湊，各處漏油易于收回，但增加了設(shè)計和制造的復(fù)雜性，維修不便，散熱條件不好，且會使主機(jī)產(chǎn)生熱變形。分離式油箱單獨設(shè)置，與主機(jī)分開，減少了油箱發(fā)熱和液壓源振動對主機(jī)工作精度的影響，因此得到了普遍的采用。
油箱的容積應(yīng)滿足設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)時，由于重力作用又能返回油箱；操作時，油面保持適當(dāng)高度；可以散發(fā)操作時產(chǎn)生的熱量；分離出油中的空氣和雜物。油箱的有效容積（油面高度為油箱高度80％時的容積）應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)發(fā)、散熱平衡的原則來計算，一般估算式為：
其中： — 油箱的有效容積。單位：
— 與系統(tǒng)壓力有關(guān)的經(jīng)驗數(shù)字：低壓系統(tǒng)，中壓系統(tǒng)，高壓系統(tǒng)。
— 液壓泵的額定流量。
3． 油管的選擇
液壓系統(tǒng)中使用的油管種類很多，有鋼管、尼龍管、塑料管、橡膠管等，需要按照安裝位置、工作環(huán)境和工作壓力來正確選用。
油管的規(guī)格尺寸大多由它所接的液壓元件接口處尺寸決定，只有對一些重要管道才驗算其內(nèi)徑和璧厚。油管的管徑不宜選得過大，以免使液壓裝置的結(jié)構(gòu)龐大；但也不能選得過小，以免使管內(nèi)液體流速加大，系統(tǒng)壓力損失增加或產(chǎn)生振動和噪音，影響正常工作。
油管內(nèi)徑：
其中： — 油管內(nèi)徑
— 油管流量
— 管中油液的流速，吸油管道取，高壓管道取，（壓力高的取大值，低的取小值），回油管道取，短管及局部收縮處取。
在強(qiáng)度保證的情況下，管壁可盡量選得薄些。薄壁易于彎曲，規(guī)格較多，裝接教易，采用它可減少管接頭數(shù)目，有助于解決系統(tǒng)泄露問題。
該系統(tǒng)只有吸油管路為鋼管，所以僅驗算吸油管路壁厚。
油管壁厚：
其中：— 油管壁厚
— 油內(nèi)工作壓力。已知為10Mpa.
— 管道材料的抗拉強(qiáng)度.查表得
油泵—馬達(dá)回路
帶入公式中，求得數(shù)值見表6—5
表6—5 油泵—馬達(dá)回路各種管道參數(shù)
吸油管道
高壓管道
回油管道
短管及局部收縮處
管中油液的流速
1.4
4
1.9
6
油管內(nèi)徑
38.08
22.53
22.53
12.0
取油管內(nèi)徑
該系統(tǒng)只有吸油管路為鋼管，所以僅驗算吸油管路壁厚。
則油管壁厚
查手冊選得標(biāo)準(zhǔn)管件，見表6—6。
表6—6 油泵—馬達(dá)回路吸油管標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)
公稱直徑
鋼管外徑
管接頭連接螺紋
管子壁厚
40
50
M48×2
3.5
油泵—油缸回路
帶入公式中，求得數(shù)值見表6—7。
表6—7 油泵—油缸回路各種管道參數(shù)
吸油管道
高壓管道
回油管道
短管及局部收縮處
管中油液的流速
1
3
1.8
6
油管內(nèi)徑
13.6
7.8
10.13
12.9
取油管內(nèi)徑
則油管壁厚
查手冊選得標(biāo)準(zhǔn)管件，見表6—8。
表6—8 油泵—油缸回路吸油管標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)
公稱直徑
鋼管外徑
管接頭連接螺紋
管子壁厚
15
22
1.6
④管接頭的選擇
管接頭是油管與油管，油管與液壓元件之間的可拆連接件，它必須具有裝拆方便，連接牢固，密封可靠，外形尺寸小，通流能力大，壓將小，工藝性好等各項條件。
管接頭的種類很多，其規(guī)格可查閱有關(guān)手冊。
⑤密封裝置的選擇
密封裝置的作用是防止液體泄露或污染物從外部侵入液壓系統(tǒng)。在液壓傳動中，密封裝置雖然屬于輔件，但幾乎所有液壓元件都不能缺少它。
密封裝置應(yīng)當(dāng)滿足以下基本要求：
ⅰ 在工作壓力下具有良好的密封性能，并隨著壓力的增加能自動提高密封性能。
ⅱ 密封裝置對運(yùn)動零件的摩擦阻力要小，摩擦系數(shù)要穩(wěn)定，以免出現(xiàn)運(yùn)動零件卡住或運(yùn)動不均勻等現(xiàn)象。
ⅲ 耐磨性好，工作壽命長。
ⅳ 制造簡單，便于安裝和維修。
根據(jù)密封部分的運(yùn)動狀況，密封裝置有靜密封和動密封之分，動密封又有往復(fù)運(yùn)動密封和旋轉(zhuǎn)密封兩種。根據(jù)實際需要具體選擇。
第7章 FDP-15D鉆機(jī)的使用與維護(hù)
1．操作注意事項
所有鉆探人員都應(yīng)注意下列事項，避免因操作不當(dāng)造成機(jī)器或人身事故。
① 在搬運(yùn)過程中應(yīng)避免碰撞，在分組搬運(yùn)過程中應(yīng)將油管固定后方能進(jìn)行。
② 拖車動力站為短距離轉(zhuǎn)場用，限速30公里/小時，長距離運(yùn)輸需放在機(jī)動車上。
③ 開始鉆進(jìn)作業(yè)前，確認(rèn)設(shè)備接地良好。
④ 開動后首先應(yīng)驗證轉(zhuǎn)動方向是否正確。
⑤ 檢查油路系統(tǒng)各接頭是否擰緊，油箱油位是否正確。
⑥ 在正式工作前應(yīng)使機(jī)器空轉(zhuǎn)10分鐘，此時油路系統(tǒng)應(yīng)調(diào)整到零壓。
⑦ 在鉆進(jìn)前應(yīng)把鉆機(jī)提到指定轉(zhuǎn)速。
2． 機(jī)器的保養(yǎng)與維護(hù)
正確的使用和保養(yǎng)是順利完成鉆孔任務(wù)的保障，每個操作者都應(yīng)予以高度重視，對FDP-15D鉆機(jī)應(yīng)按如下規(guī)定進(jìn)行保養(yǎng)與維護(hù)。
① 應(yīng)在每班開始工作前，對機(jī)器各轉(zhuǎn)動部分予以檢查?？催\(yùn)轉(zhuǎn)是否靈活可靠。
② 對外露的轉(zhuǎn)動及滑動表面，應(yīng)在每班開車前擦試干凈，并于表面上涂一層20號機(jī)械油。
③ 潤滑及液壓油等應(yīng)按其進(jìn)行更換。
④ 油泵用油（油箱內(nèi)的油）需要保證清潔無雜質(zhì)，應(yīng)使用50℃時運(yùn)動粘度為17-23的油質(zhì)，如20號機(jī)械油或14號高速柴油機(jī)油液。
⑤ 當(dāng)油箱內(nèi)的油溫超過70℃時應(yīng)適當(dāng)?shù)耐＼嚴(yán)鋮s，待油溫下降后再繼續(xù)工作。
。
第8章 FDP-15D鉆機(jī)的經(jīng)濟(jì)分析
跨入新世紀(jì)，企業(yè)究竟會面對一個怎樣的競爭環(huán)境，經(jīng)濟(jì)全球化徹底改變企業(yè)的活動范圍。隨著我國社會主義市場經(jīng)濟(jì)體制的確立和逐步完善，特別是黨的“十五”大以后，我國各行各業(yè)的改革工作都在縱深發(fā)展，企業(yè)競爭日益激烈。
如何在市場經(jīng)濟(jì)的環(huán)境中提高產(chǎn)品競爭能力已經(jīng)成為機(jī)械行業(yè)所面臨的重大課題。產(chǎn)品的成本則是關(guān)系產(chǎn)品在市場上是否有競爭能力的重要因素，它直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。可以說，降低成本是一個永恒的經(jīng)濟(jì)主題。
本鉆機(jī)采用先進(jìn)技術(shù)，盡量降低成本。每臺可售價320000元，每臺可獲利稅20000元，如果企業(yè)每年生產(chǎn)50臺，新增產(chǎn)值1600萬元，創(chuàng)利稅320萬元。由于該鉆機(jī)的售價相對較低，一般用戶都可承擔(dān)得起。
縱觀國內(nèi)外的鉆機(jī)市場，液壓鉆機(jī)是發(fā)展的大趨勢。該鉆機(jī)高效低耗、安全、舒適，適應(yīng)各種惡劣工作條件，可以滿足水電施工的特殊要求。本鉆機(jī)就是全液壓鉆機(jī)。利用國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)和成功經(jīng)驗，結(jié)合我國國情和鉆機(jī)的具體使用要求。力求簡單和適用，盡可能的利用最少的元件來實現(xiàn)鉆機(jī)所具備的各種動作。降低故障發(fā)生概率，提高能量利用率和鉆機(jī)的可靠性，降低工人勞動強(qiáng)度。為適應(yīng)坑道鉆探工作，本鉆機(jī)可采用分馬達(dá)或電動機(jī)驅(qū)動；原動機(jī)、油泵和油箱集裝在一起，形成一個活動的液壓泵站，便于移動；小操作臺可按需要固定在鉆機(jī)的不同位置，以適應(yīng)在坑道內(nèi)鉆孔的需要，同時也便于觀察鉆機(jī)的工作情況。這樣，能夠降低故障發(fā)生率，提高能量利用率和鉆機(jī)的可靠性，降低工人勞動強(qiáng)度。但也有不足之處，由于采用液壓系統(tǒng)要求技術(shù)水平相對高些。
隨著我國公路建設(shè)的高速發(fā)展，公路通車?yán)锍痰目焖僭黾?，道路機(jī)械化養(yǎng)護(hù)已越來越受到重視。但目前，這方面的成型產(chǎn)品仍是空白，進(jìn)口產(chǎn)品的價格昂貴，維護(hù)不便。水平定向鉆機(jī)的研制成功恰好填充了這項空白，具有廣闊的市場前景。
第 9章 結(jié) 論
時間如水，畢業(yè)設(shè)計的完成代表四年的大學(xué)生活即將結(jié)束。也是對我四年學(xué)業(yè)的綜合檢驗。本次設(shè)計我設(shè)計的是300米水平定向全液壓動力頭式鉆機(jī)FDP-15D。
FDP-15D水平定向鉆機(jī)是一種小型液壓鉆機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單，易于制造加工且操作簡便。與目前的同類鉆機(jī)相比，該鉆機(jī)具有施工周期短、綜合施工成本低、社會效益顯著等優(yōu)點。隨著水平定向鉆探技術(shù)的發(fā)展，該鉆機(jī)具有良好的發(fā)展前景。
本鉆機(jī)的給進(jìn)機(jī)構(gòu)是油缸—鏈條給進(jìn)機(jī)構(gòu)，主要突出優(yōu)點在于給進(jìn)速度和給進(jìn)行程上都增加了一倍，是一般鉆機(jī)所不具有的，同時結(jié)構(gòu)上比較簡單，加工也較比方便，制造成本相應(yīng)降低。另外，為適應(yīng)道路鉆探作業(yè)，該鉆機(jī)采用柴油機(jī)驅(qū)動；原動機(jī)、油泵、油箱集裝在一起，形成一個活動的液壓泵站，便于移動；鉆機(jī)配備進(jìn)口價值10萬元的鉆頭探測設(shè)備，可以完美控制鉆進(jìn)軌跡。
在近三個月的設(shè)計過程中，我了解了一些鉆機(jī)的內(nèi)容以及其它有關(guān)的內(nèi)容的知識。為了使自己能夠完成任務(wù)，我嚴(yán)格要求自己，使自己的設(shè)計按照國家的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制圖,并且從中學(xué)到很多的知識。整個設(shè)計是在邊繪制邊計算的過程中完成的。我也發(fā)現(xiàn)僅僅書本上的知識在實際設(shè)計應(yīng)用中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有通過長期的實踐經(jīng)驗才能設(shè)計出滿意的產(chǎn)品。
致謝
四年的大學(xué)生活即將結(jié)束，在這四年里我學(xué)會了不少的東西，無論在學(xué)習(xí)上、生活中、思想上都有很大的轉(zhuǎn)變，從一開始帶著父母的殷切希望，懷著充實自我，掌握一技之長，為以后找工作，實現(xiàn)自己的人生價值的目標(biāo)作努力，到最后找工作進(jìn)一步接觸社會，學(xué)到一些從理論上學(xué)不到東西，增加了許多經(jīng)驗，這一切的成果都離不開眾多可敬師長諄諄教導(dǎo)、不厭其煩的耐心講解傳授，以及許多同學(xué)、朋友的坦誠相見]砥勵共勉；加上自己對本專業(yè)有一定的興趣，特別是在畢業(yè)設(shè)計期間，大家更是同心努力希望自己把設(shè)計搞好，因為這是四年大學(xué)生活最后的收尾工作，它是我們平時對我們所學(xué)的課程理解，接受能力，熟知程度，以及記憶能力的一個體現(xiàn)，在這四年中，從基礎(chǔ)課到專業(yè)課四五十門