裝配圖XY-4巖心鉆機升降機的設計
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開題報告
(XY-4巖心鉆機升降機的設計)
姓名：胡軍雄 機械學院：140306班 學號：14030603
巖心鉆機的功用：
鉆機是向地下鉆孔的機器，是完成鉆進施工的主機，它帶動鉆具和鉆頭向地層深處鉆進，并通過升降機完成起下鉆具和套管，提取巖心，更換鉆頭等輔助工作。泵的作用是向孔內輸送沖洗液以沖洗孔底，冷卻鉆頭和潤滑鉆具。它廣泛應用于國明經(jīng)濟的許多部門，它是從事各種鉆探施工必不可少的主體設備。
升降機的功用：
鉆機的升降機有主升降機和副升降機之分：主升降機用于升降鉆具和套管；副升降機可用于起吊其它管材或重物，打撈繩索取心鉆具內管，升降撈砂簡、取土器等。
升降機的設計要求：
由于鉆機的升降機在在鉆探的過程中，工作時間長，其性能的好壞，直接關系到鉆進的效率鉆孔的質量和生產(chǎn)的安全，因此升降機要滿足以下要求：
①在滿足升降機工藝要求的前提下，應能最大限度地降低升降工序的機動時間和充分提高功率利用系數(shù)。
②要求升降機的結構與強度具有一定的超載能力。
③操作方便、動作靈敏、平穩(wěn)、勞動強度小、工作安全可靠，現(xiàn)代鉆機應考慮操作遠離鉆機本體，實現(xiàn)遠距離手柄或按扭操作。
④結構簡單。
設計目的：
①通過設計知道鉆機的工作性能以及升降機的結構；
②分析升降機的轉矩特性和轉速特性；
③分析計算升降機的特性參數(shù)；
③應用一些軟件對升降機進行仿真分析，從而，進一步了解升降機的性能。
技術方案的確定：
本次設計是在原有的XY-4巖心鉆機的基礎上，利用所給的設計參數(shù)：
① 輸入軸轉速（r/min）：約450、約310、約217、約117；
② 卷筒轉速（r/min）：約160、約110、約78、約42；
③ 最大提升能力：29.4KN；
④ 卷筒直徑：285mm；
⑤ 鋼繩直徑：16mm；
⑥ 卷筒容繩量：52mm；
⑦ 提升速度：0.82、1.51、2.16、3.13。
進行計算，分別進行工作參數(shù)的選擇：
① 升降機的最大起重量Pq；
② 提升速度分為：最高纏繩速度Vmax、最低纏繩速度Vmin；
③ 調速范圍R；
④ 速度檔數(shù)及中間速度。
抱閘的受力分析：
① 下降制動力矩；
② 提升制動力矩；
③ 手柄上的作用力；
抱閘的發(fā)熱驗算：
抱閘在制動過程中，將鉆具和提升系統(tǒng)的動能全部轉化為熱能，這些熱能會使抱閘和制圈的溫度升高。這樣會使摩擦系數(shù)降低，制動力矩減小，而且會使熱應力增加，加劇摩擦材料的磨損，因此要對其進行發(fā)熱驗算，看是否能夠男組要求。
通過上述計算就可以知道升降機的最大起重量、提升速度、制動力矩等等，我們就利用這些參數(shù)來選擇升降機的主軸、行星輪系齒輪、支架、中心齒輪、行星輪軸等所有的零件型號和尺寸，進而繪制出總裝配圖。在經(jīng)過一些軟件來分析升降機的性能。
升降機類型的確定：
類型
特點
采用鉆機型號
脹閘傳動式
次種升降機簡化了機械傳動結構，采用液壓控制，易實現(xiàn)遠距離操作以及自動化；而且工作平穩(wěn)；卷筒制圈散熱條件好。但只適用于有液壓系統(tǒng)的鉆機。
SPC-300型
錐摩擦傳 動
此類升降機結鉤比較簡單，易損件少、結實耐用、但傳動效率小，兩摩擦錐面易進入泥漿、油污等，工作可靠性較差。只有少數(shù)竊孔及次深孔鉆機使用
XB-500型
片式摩擦力合器傳動式
傳動較錐摩擦式平穩(wěn)，傳動同樣功率時．結構尺寸較錐摩擦式小，但結構較錐摩擦式復雜，更換離合器片不太方便。
用于鉆機輔助升降機
液壓傳動式
可以實現(xiàn)無級調節(jié)升降機的速度和遠距離自動控制，而且升降機結構大大簡化。不足之處是液壓馬達要求加工、裝配精度高、不便野外修配。
行星輪傳動式
與摩擦傳動式相比，在尺寸相同時，能傳遞較大功率以及獲得較大的傳動比；傳動效率大；結構緊湊，傳動平穩(wěn)，操作靈活。
用于機械傳動式鉆機
表1 升降機類型的比較
因此，通過上述分析，我們選擇行星輪式升降級。
行星輪式升降機的原理分析
行星輪式升降機分為①行星輪軸支撐在提升在制圈上，內齒圈與卷筒裝在一起；
②行星輪軸裝在卷筒上，而內齒圈和提升制圈聯(lián)在一起。
類型
結構示意圖
工作原理
第一類
(1)?提升鉆具?剎緊提升抱閘8，同時松開制動抱閘9。行星輪5及其軸4不能繞升降機軸1公轉。在角速度為ωa的中心輪帶動下，行星輪繞自身軸以ωg自轉，并帶動內齒圈以ωb轉動，纏繞鋼繩，提升鉆具。提升時，定軸輪系行星式升降機的傳動比?為?
??(1-1)
式中：?Zb、Za--分別為內齒圈與中心輪齒數(shù)；"-"號--轉向相反。
(2)?制動鉆具?抱閘9剎住下降制動盤，同時松開抱閘8。因卷筒與內齒圈被閘住不轉，鉆具停止升降。此時行星輪自轉又公轉。
(3)?下降鉆具?兩抱閘均松開，在鉆具自重作用下鉆具下降［圖3-6(c)］。?
(4)?微動升降（ωb、ωH可控）?即慢速控制升降工況。若松開提升抱閘8，控制制動抱閘9，鉆具會出現(xiàn)下降、停止和慢速下降運動狀況；若松開制動抱閘9，控制提升抱閘8，行星輪出現(xiàn)三種運動狀態(tài)，即鉆具提升、停止（不穩(wěn)定）和下降運動狀況。因此，行星式升降機能夠并允許微動升降操作，兩抱閘只要不同時剎死，兩者制緊程度配合得當，微控升降操作就會得心應手。
第二類
次類行星輪傳動式升降機在各工況下的操作與第一類的相同。僅輪系在各個工況下的運行狀態(tài)與第一類不同。
表2 兩種行星輪式升降機的比較
根據(jù)巖心鉆機的工作場地以及工作狀態(tài)等條件和上述工作原理，我們選擇第一類。
升降機結構的確定：
通過查閱資料，從而確定XY-4巖心鉆機升降機的結構形式（如圖1.1）；升降機由卷筒、行星傳動機構、水冷裝置及抱閘組成。升降機軸19右端的花鍵部插入分動箱的軸齒輪的花鍵中；升降機軸19的左端通過水套軸8、單列向心球軸承11、支架13等支承在支架上；軸左端頭是四方軸頭，作為人力傳動升降機軸用；卷筒用兩盤313型軸承16、36支承在升降機軸19上。行星傳動機構由中心齒輪24、游星齒輪32、內齒圈20等組成。中心齒輪以花鍵連接裝在軸19的右側。行星齒輪用兩盤207型軸承30裝在行星輪軸29上，行星齒輪共三組，均布安裝在左右支架27上；行星輪軸的左右支架分別用一盤313型軸承36和兩盤111型軸承26支承在升降機軸上；右支架27外側用平鍵28與提升制動盤34聯(lián)結，并用螺釘將端蓋23固緊在支架右側，防止提升制動盤外串，兩個支架用3個均布的螺栓連接成一體。水冷裝置由水套軸8、引水環(huán)9、壓蓋10、水管3及制動盤水套等組成。
圖1-1?XY-4型升降機
1-制動抱閘；?2-水管接頭；?3-水管；?4-接頭式壓注油杯；?5-骨架橡膠油封；?6-檔板；?7-堵絲；?8-水套軸；?9-引水環(huán)；?10-壓蓋；?11-單列向心球軸承；?12-水管接頭；?13-支架；?14-內螺紋圓柱鎖；?15-骨架式橡膠油封；?16-單列向心球軸承；?17-孔用彈性擋圈；?18-卷筒；?19-升降機軸；?20-內齒圈；?21-密封蓋；?22-直通式壓注油杯；?23-端蓋；?24-中心齒輪；?25-氈封油圈；?26-單列向心球軸承；?27-游星輪支架；?28-平鍵；?29-游星輪軸；?30-單列向心球軸承；?31-孔用彈性擋圈；?32-游星齒輪；?33-騎縫螺絲；?34-提升制圈；?35-提升抱閘；?36-單列向心球軸承
升降機的參數(shù)的分析計算：
① 升降機的最大起重量Pq：
升降機的最大起重量Pg指的是用單繩一速提升時，升降機的最大提升負荷，它取決于大鉤載荷及滑車系統(tǒng)的結構。而大鉤載荷又依據(jù)額定孔深下的最大鉆具重量確定。
大鉤載荷可用下式計算：
Qｄ=ＫQ。=ＫαｑＬ（1-γ。/γ）
式中 Q?！~定孔深時的鉆具總重；
Ｋ——卡塞系數(shù)。它又反映了升降機的超載能力，又可稱為超載系數(shù)。一般 K＝1．5—4。淺孔及大口徑鉆機取值較小，中深孔及小口徑鉆機取值較大，深孔鉆機取值最大；
α——鉆扦重量修正系數(shù)。接頭連接α＝1．05，接箍連接α＝1．1；
ｑ——每米鉆桿重量；
Ｌ——額定孔深的鉆具總長；；
γ?！獩_洗液比重；
γ——鉆桿材料比重。
②提升速度分為：最高纏繩速度Vmax、最低纏繩速度Vmin；
最高纏繩速度Vmax是根據(jù)提引器的最高上升速度確定的。
式中 Ｖ。max——提引器上升最高速度，它受立根長度和操作安全限制。不同的立根長度，所允許提引器的最高上升速度不同。
最低纏繩速度Vmin根據(jù)動力機的額定功率及大鉤載荷確定?？捎孟旅婀接嬎悖?
式中 Nｅ——動力機額定功率KW；
ηｚ——動力機至卷簡的總傳動效率，一般取0.8~0.85；
Qｄ——大鉤載荷，kg。
③調速范圍R：
當Vmax及Vmin確定之后，調速范圍R己成定值。
④速度檔數(shù)及中間速度：
設：T——用第一速(最低速)提升全部鉆具所用的時間；
Tm——用M個檔提升全部鉆具所用的時間；
φT——提升時間系數(shù)；
A——動力機在T內可以做的功；
Am——動力機在Tm時間內實際做的功；
φN——升降機的功率利用系數(shù)；
提升時間系數(shù)φT及功率利用系數(shù)φN用下式計算：
⑤下降制動力矩；
制動正在下降過程的鉆具，卷筒上除承受鉆具自重產(chǎn)生的靜力矩Mj外，還必須承受鉆具與升降系統(tǒng)的慣性力產(chǎn)生的附加動力矩Md。因此，制動鉆具所需的制動力矩Mx等于以上二力矩之和，即
在實際計算時，一般采用下面的經(jīng)驗公式：
式中 β——動載荷系數(shù)，β＝1．2—1。4，懸掛鉆具時，可以看成為制動安全系數(shù)；
Qdg——下降鉆具時，最大大鉤載荷；
m——有效鋼絲繩數(shù)；
η——滑輪系統(tǒng)效串；
Ds——卷筒的計算直徑；
D——卷簡直徑；
d——鋼絲繩直徑。
⑥提升制動力矩；
提升時，所需的制動力矩取決于提升負荷的大小及升降機的結構類型。下面以第一類
行星輪式升降機為例分折提升制動力矩的計算：
則提升制動力矩應為：
所以
式中 Pq——升降機的最大起重量；
rs——卷筒計算半徑，纏繞三層鋼繩；
Ds——卷筒計算直徑；
D——卷筒直徑；
d——鋼絲繩直徑。
⑦手柄上的作用力；
設制帶的抱角為α，制帶與制圈的摩擦系數(shù)為f，制動時，制帶兩端所需的拉力為T1、T2。根據(jù)歐拉公式平衡條件可知道手柄上的作用力：
式中 P——手柄上的作用力；
T——偏心輪作用于制帶頭上的壓力；
b——偏心輪的偏心距；
ｌ——手柄長度；
α1——兩制帶頭所夾角度的一半。
⑧抱閘的發(fā)熱驗算：
抱閘在制動過程中，將鉆具和提升系統(tǒng)的動能全部轉化為熱能，這些熱能會使抱閘和制圈的溫度升高。這樣會使摩擦系數(shù)降低，制動力矩減小，而且會使熱應力增加，加劇摩擦材料的磨損，因此，在設計時必須考慮抱閘的散熱和降低溫升問題，并進行抱閘的發(fā)熱驗算。
升降機工作時的動能E：
式中 m1——鉆具及提引進置的質量，kg;
ν——鉆具的下放速度，m／s；
J——升降機的轉動慣量；
ω——卷筒制動前的角速度，rad／s。
而
式中 m 2——卷筒的質量，kg；
Dz——卷筒的直徑，m；
n——卷筒的轉速，r／min。
假定制動時所有的熱量都被制圈吸收。則其溫升為：
式中 X——立根數(shù)，今X＝L/l；
L——鉆具總長，m；
l——立根長度，m；
m3——制圖的質量，kg。
選件：
通過上述計算和對結構的分析，查閱機械設計手冊就可以確定每一個零件的型號和尺寸大小。
驗算：
對所有的件進行綜合的檢驗，看是否滿足要求。
繪制工程圖：
利用CAD等軟件繪制出工程圖。
技術難點：
① 對總體的技術方案的確定；
② 對行星輪式升降機的兩種方案的對比分析，選取第一中的原因；
③ 對總體結構布局合理性的選擇；
④ 個別零件的型號和尺寸的選擇。
關鍵技術問題的解決方案：
①對升降機類型的選擇：
通過對升降機5種不同形式的結構分析，特點分析，從而選擇出合理的一種結構作為本次設計的結構。
②兩種不同行星輪式升降機的選擇：
同理，通過對它們的結構分析以及特點的對比，再根據(jù)XY-4巖心鉆機的其他結構的特點，還有升降機的工作環(huán)境等條件就可以選擇出合理的結構。
③結構布局的選擇：
根據(jù)典型的XY-4巖心鉆機的結構布局，我們就可以確定本次設計的結構布局。
④對升降機總體的分析與驗證：
利用現(xiàn)代分析軟件（如ADUMS等）進行工程分析以及驗證。
參考文獻
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