裝配圖XY-4巖心鉆機(jī)升降機(jī)的設(shè)計(jì)
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開題報(bào)告
(XY-4巖心鉆機(jī)升降機(jī)的設(shè)計(jì))
姓名：胡軍雄 機(jī)械學(xué)院：140306班 學(xué)號(hào)：14030603
巖心鉆機(jī)的功用：
鉆機(jī)是向地下鉆孔的機(jī)器，是完成鉆進(jìn)施工的主機(jī)，它帶動(dòng)鉆具和鉆頭向地層深處鉆進(jìn)，并通過升降機(jī)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(nèi)輸送沖洗液以沖洗孔底，冷卻鉆頭和潤滑鉆具。它廣泛應(yīng)用于國明經(jīng)濟(jì)的許多部門，它是從事各種鉆探施工必不可少的主體設(shè)備。
升降機(jī)的功用：
鉆機(jī)的升降機(jī)有主升降機(jī)和副升降機(jī)之分：主升降機(jī)用于升降鉆具和套管；副升降機(jī)可用于起吊其它管材或重物，打撈繩索取心鉆具內(nèi)管，升降撈砂簡、取土器等。
升降機(jī)的設(shè)計(jì)要求：
由于鉆機(jī)的升降機(jī)在在鉆探的過程中，工作時(shí)間長，其性能的好壞，直接關(guān)系到鉆進(jìn)的效率鉆孔的質(zhì)量和生產(chǎn)的安全，因此升降機(jī)要滿足以下要求：
①在滿足升降機(jī)工藝要求的前提下，應(yīng)能最大限度地降低升降工序的機(jī)動(dòng)時(shí)間和充分提高功率利用系數(shù)。
②要求升降機(jī)的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度具有一定的超載能力。
③操作方便、動(dòng)作靈敏、平穩(wěn)、勞動(dòng)強(qiáng)度小、工作安全可靠，現(xiàn)代鉆機(jī)應(yīng)考慮操作遠(yuǎn)離鉆機(jī)本體，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離手柄或按扭操作。
④結(jié)構(gòu)簡單。
設(shè)計(jì)目的：
①通過設(shè)計(jì)知道鉆機(jī)的工作性能以及升降機(jī)的結(jié)構(gòu)；
②分析升降機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性和轉(zhuǎn)速特性；
③分析計(jì)算升降機(jī)的特性參數(shù)；
③應(yīng)用一些軟件對(duì)升降機(jī)進(jìn)行仿真分析，從而，進(jìn)一步了解升降機(jī)的性能。
技術(shù)方案的確定：
本次設(shè)計(jì)是在原有的XY-4巖心鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，利用所給的設(shè)計(jì)參數(shù)：
① 輸入軸轉(zhuǎn)速（r/min）：約450、約310、約217、約117；
② 卷筒轉(zhuǎn)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(jìn)行計(jì)算，分別進(jìn)行工作參數(shù)的選擇：
① 升降機(jī)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(diào)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(dòng)力矩；
② 提升制動(dòng)力矩；
③ 手柄上的作用力；
抱閘的發(fā)熱驗(yàn)算：
抱閘在制動(dòng)過程中，將鉆具和提升系統(tǒng)的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能會(huì)使抱閘和制圈的溫度升高。這樣會(huì)使摩擦系數(shù)降低，制動(dòng)力矩減小，而且會(huì)使熱應(yīng)力增加，加劇摩擦材料的磨損，因此要對(duì)其進(jìn)行發(fā)熱驗(yàn)算，看是否能夠男組要求。
通過上述計(jì)算就可以知道升降機(jī)的最大起重量、提升速度、制動(dòng)力矩等等，我們就利用這些參數(shù)來選擇升降機(jī)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(hào)和尺寸，進(jìn)而繪制出總裝配圖。在經(jīng)過一些軟件來分析升降機(jī)的性能。
升降機(jī)類型的確定：
類型
特點(diǎn)
采用鉆機(jī)型號(hào)
脹閘傳動(dòng)式
次種升降機(jī)簡化了機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，采用液壓控制，易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作以及自動(dòng)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(jī)。
SPC-300型
錐摩擦傳 動(dòng)
此類升降機(jī)結(jié)鉤比較簡單，易損件少、結(jié)實(shí)耐用、但傳動(dòng)效率小，兩摩擦錐面易進(jìn)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(jī)使用
XB-500型
片式摩擦力合器傳動(dòng)式
傳動(dòng)較錐摩擦式平穩(wěn)，傳動(dòng)同樣功率時(shí)．結(jié)構(gòu)尺寸較錐摩擦式小，但結(jié)構(gòu)較錐摩擦式復(fù)雜，更換離合器片不太方便。
用于鉆機(jī)輔助升降機(jī)
液壓傳動(dòng)式
可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)升降機(jī)的速度和遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制，而且升降機(jī)結(jié)構(gòu)大大簡化。不足之處是液壓馬達(dá)要求加工、裝配精度高、不便野外修配。
行星輪傳動(dòng)式
與摩擦傳動(dòng)式相比，在尺寸相同時(shí)，能傳遞較大功率以及獲得較大的傳動(dòng)比；傳動(dòng)效率大；結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，操作靈活。
用于機(jī)械傳動(dòng)式鉆機(jī)
表1 升降機(jī)類型的比較
因此，通過上述分析，我們選擇行星輪式升降級(jí)。
行星輪式升降機(jī)的原理分析
行星輪式升降機(jī)分為①行星輪軸支撐在提升在制圈上，內(nèi)齒圈與卷筒裝在一起；
②行星輪軸裝在卷筒上，而內(nèi)齒圈和提升制圈聯(lián)在一起。
類型
結(jié)構(gòu)示意圖
工作原理
第一類
(1)?提升鉆具?剎緊提升抱閘8，同時(shí)松開制動(dòng)抱閘9。行星輪5及其軸4不能繞升降機(jī)軸1公轉(zhuǎn)。在角速度為ωa的中心輪帶動(dòng)下，行星輪繞自身軸以ωg自轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)內(nèi)齒圈以ωb轉(zhuǎn)動(dòng)，纏繞鋼繩，提升鉆具。提升時(shí)，定軸輪系行星式升降機(jī)的傳動(dòng)比?為?
??(1-1)
式中：?Zb、Za--分別為內(nèi)齒圈與中心輪齒數(shù)；"-"號(hào)--轉(zhuǎn)向相反。
(2)?制動(dòng)鉆具?抱閘9剎住下降制動(dòng)盤，同時(shí)松開抱閘8。因卷筒與內(nèi)齒圈被閘住不轉(zhuǎn)，鉆具停止升降。此時(shí)行星輪自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)。
(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(dòng)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(dòng)抱閘9，鉆具會(huì)出現(xiàn)下降、停止和慢速下降運(yùn)動(dòng)狀況；若松開制動(dòng)抱閘9，控制提升抱閘8，行星輪出現(xiàn)三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即鉆具提升、停止（不穩(wěn)定）和下降運(yùn)動(dòng)狀況。因此，行星式升降機(jī)能夠并允許微動(dòng)升降操作，兩抱閘只要不同時(shí)剎死，兩者制緊程度配合得當(dāng)，微控升降操作就會(huì)得心應(yīng)手。
第二類
次類行星輪傳動(dòng)式升降機(jī)在各工況下的操作與第一類的相同。僅輪系在各個(gè)工況下的運(yùn)行狀態(tài)與第一類不同。
表2 兩種行星輪式升降機(jī)的比較
根據(jù)巖心鉆機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)的確定：
通過查閱資料，從而確定XY-4巖心鉆機(jī)升降機(jī)的結(jié)構(gòu)形式（如圖1.1）；升降機(jī)由卷筒、行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、水冷裝置及抱閘組成。升降機(jī)軸19右端的花鍵部插入分動(dòng)箱的軸齒輪的花鍵中；升降機(jī)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(dòng)升降機(jī)軸用；卷筒用兩盤313型軸承16、36支承在升降機(jī)軸19上。行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由中心齒輪24、游星齒輪32、內(nèi)齒圈20等組成。中心齒輪以花鍵連接裝在軸19的右側(cè)。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(jī)軸上；右支架27外側(cè)用平鍵28與提升制動(dòng)盤34聯(lián)結(jié)，并用螺釘將端蓋23固緊在支架右側(cè)，防止提升制動(dòng)盤外串，兩個(gè)支架用3個(gè)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(dòng)盤水套等組成。
圖1-1?XY-4型升降機(jī)
1-制動(dòng)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(nèi)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(jī)軸；?20-內(nèi)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(jī)的參數(shù)的分析計(jì)算：
① 升降機(jī)的最大起重量Pq：
升降機(jī)的最大起重量Pg指的是用單繩一速提升時(shí)，升降機(jī)的最大提升負(fù)荷，它取決于大鉤載荷及滑車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。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(jì)算：
Qｄ=ＫQ。=ＫαｑＬ（1-γ。/γ）
式中 Q?！~定孔深時(shí)的鉆具總重；
Ｋ——卡塞系數(shù)。它又反映了升降機(jī)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(jī)取值較小，中深孔及小口徑鉆機(jī)取值較大，深孔鉆機(jī)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(dòng)力機(jī)的額定功率及大鉤載荷確定?？捎孟旅婀接?jì)算：
式中 Nｅ——?jiǎng)恿C(jī)額定功率KW；
ηｚ——?jiǎng)恿C(jī)至卷簡的總傳動(dòng)效率，一般取0.8~0.85；
Qｄ——大鉤載荷，kg。
③調(diào)速范圍R：
當(dāng)Vmax及Vmin確定之后，調(diào)速范圍R己成定值。
④速度檔數(shù)及中間速度：
設(shè)：T——用第一速(最低速)提升全部鉆具所用的時(shí)間；
Tm——用M個(gè)檔提升全部鉆具所用的時(shí)間；
φT——提升時(shí)間系數(shù)；
A——?jiǎng)恿C(jī)在T內(nèi)可以做的功；
Am——?jiǎng)恿C(jī)在Tm時(shí)間內(nèi)實(shí)際做的功；
φN——升降機(jī)的功率利用系數(shù)；
提升時(shí)間系數(shù)φT及功率利用系數(shù)φN用下式計(jì)算：
⑤下降制動(dòng)力矩；
制動(dòng)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(dòng)力矩Md。因此，制動(dòng)鉆具所需的制動(dòng)力矩Mx等于以上二力矩之和，即
在實(shí)際計(jì)算時(shí)，一般采用下面的經(jīng)驗(yàn)公式：
式中 β——?jiǎng)虞d荷系數(shù)，β＝1．2—1。4，懸掛鉆具時(shí)，可以看成為制動(dòng)安全系數(shù)；
Qdg——下降鉆具時(shí)，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(jì)算直徑；
D——卷簡直徑；
d——鋼絲繩直徑。
⑥提升制動(dòng)力矩；
提升時(shí)，所需的制動(dòng)力矩取決于提升負(fù)荷的大小及升降機(jī)的結(jié)構(gòu)類型。下面以第一類
行星輪式升降機(jī)為例分折提升制動(dòng)力矩的計(jì)算：
則提升制動(dòng)力矩應(yīng)為：
所以
式中 Pq——升降機(jī)的最大起重量；
rs——卷筒計(jì)算半徑，纏繞三層鋼繩；
Ds——卷筒計(jì)算直徑；
D——卷筒直徑；
d——鋼絲繩直徑。
⑦手柄上的作用力；
設(shè)制帶的抱角為α，制帶與制圈的摩擦系數(shù)為f，制動(dòng)時(shí)，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(yàn)算：
抱閘在制動(dòng)過程中，將鉆具和提升系統(tǒng)的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能會(huì)使抱閘和制圈的溫度升高。這樣會(huì)使摩擦系數(shù)降低，制動(dòng)力矩減小，而且會(huì)使熱應(yīng)力增加，加劇摩擦材料的磨損，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮抱閘的散熱和降低溫升問題，并進(jìn)行抱閘的發(fā)熱驗(yàn)算。
升降機(jī)工作時(shí)的動(dòng)能E：
式中 m1——鉆具及提引進(jìn)置的質(zhì)量，kg;
ν——鉆具的下放速度，m／s；
J——升降機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
ω——卷筒制動(dòng)前的角速度，rad／s。
而
式中 m 2——卷筒的質(zhì)量，kg；
Dz——卷筒的直徑，m；
n——卷筒的轉(zhuǎn)速，r／min。
假定制動(dòng)時(shí)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(zhì)量，kg。
選件：
通過上述計(jì)算和對(duì)結(jié)構(gòu)的分析，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)就可以確定每一個(gè)零件的型號(hào)和尺寸大小。
驗(yàn)算：
對(duì)所有的件進(jìn)行綜合的檢驗(yàn)，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(shù)難點(diǎn)：
① 對(duì)總體的技術(shù)方案的確定；
② 對(duì)行星輪式升降機(jī)的兩種方案的對(duì)比分析，選取第一中的原因；
③ 對(duì)總體結(jié)構(gòu)布局合理性的選擇；
④ 個(gè)別零件的型號(hào)和尺寸的選擇。
關(guān)鍵技術(shù)問題的解決方案：
①對(duì)升降機(jī)類型的選擇：
通過對(duì)升降機(jī)5種不同形式的結(jié)構(gòu)分析，特點(diǎn)分析，從而選擇出合理的一種結(jié)構(gòu)作為本次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。
②兩種不同行星輪式升降機(jī)的選擇：
同理，通過對(duì)它們的結(jié)構(gòu)分析以及特點(diǎn)的對(duì)比，再根據(jù)XY-4巖心鉆機(jī)的其他結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，還有升降機(jī)的工作環(huán)境等條件就可以選擇出合理的結(jié)構(gòu)。
③結(jié)構(gòu)布局的選擇：
根據(jù)典型的XY-4巖心鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)布局，我們就可以確定本次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)布局。
④對(duì)升降機(jī)總體的分析與驗(yàn)證：
利用現(xiàn)代分析軟件（如ADUMS等）進(jìn)行工程分析以及驗(yàn)證。
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