FDP-15非开挖导向钻机主机体设计(毕业论文+全套CAD图纸)(答辩通过)

充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 摘要 FDP 15D 型非开挖导向钻机，是一种全液压动力头式导向钻机。该钻机主要用于非开挖地下管线的铺设工程。可在不开挖地面的情况下，穿越地表建筑物或地下设施等障碍（如公路、铁路、河流、建筑及地下埋设物等），铺设各类地下管线。广泛是用于通讯、电力、热力、煤气及自来水管线的非开挖铺设施工。 FDP 15D 型非开挖导向钻机可分为动力站和主机体操纵台三部分。动力站主要提供高压液压油，而主机体就负责把液压油的能量转换为钻进的动力。主机体的设计重点在于动力头的设计。合理的设计主机体，可提高钻进的效率和钻机的使用 寿命，灵活的结构可以减低钻机维护和维修的难度减低使用成本。 关键字： 非开挖 导向钻机 主机体 动力头 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 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 earths 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. 买文档送全套图纸 扣扣 414951605 Keyword:no-dig direction drilling Main engine part power prinipal 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 目录 摘要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1.1 选题意义 1 1.2 国内外概况 1 1.3 设计特点 1 第 2 章 FDP-15D 钻机总体方案的确定 5 2.1 具体方案的确定 3 2.2 技术特性 3 第 3 章 FDP-15D 钻机结构方案的确定 3 3.1 主机部分 4 3.1.1 回转机构 4 3.1.2 给进机构 5 3.2 动力设备部分 6 3.2.1 动力机 6 3.2.2 油泵 7 3.2.3 油箱 7 3.3 操纵台部分 7 第 4 章 动力机的确定 8 4.1 电动机功率的确定 8 4.1.1 油泵 马达回转 机构 9 4.1.2 油泵 油缸给进机构 15 4.1.3 泥浆泵 16 4.2 柴油机的选择 16 第 5 章 机械传动系统设计 26 5.1 变速箱的设计 17 5.1.1 强度计算的依据 17 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 5.1.2 齿轮强度的计算 17 5.1.3 轴的设计 23 5.2.4 滚动轴承的寿命计算 29 5.3 链条选择 32 第 6 章钻机液压系统的设计与计算 33 6.1 液压系统的确定 33 6.1.1 形式的选择 33 6.1.2 调速方案的选择 34 6.1.3 换向回路的选择 34 6.1.4 压力控制回路的选择 35 6.1.5 液压系统图的方案确定 35 6.2 液压元件的选择 36 6.2.1 油泵的选择 36 6.2.2 马达的选择 36 6.2.3 液压缸的选择 37 6.2.4 阀类元件的选择 37 6.2.5 辅助液压装置的选择 38 第 7 章 FDP-15D 钻机的使用与维护 42 第 8 章 经济分析 44 第 9 章 结论 45 致 谢 46 参考文献 47 附录 1 专题 工程机械液压系统常见故障分析及控制 49 附录 2 外文翻译 56 第一章 绪 论 1.1 选题意义 目前越来越多的大规模交通、铁道、电力、地铁、水利等建设活动过程中都需要水平定向钻探技术，即非开挖施工技术。该技术与开挖施工技术相比，具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、社会效益显著等优点。可充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 广泛应用于穿越公路、铁道、建筑物、河流，以及在闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区等条件下进行的供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线的铺设，更新和修复。 1.2 国内外概况 1900 年美国人采用顶管法成功地实现了非开挖铺设管线的技术突破。非开挖技术 经历 60 年的发展，先后只发明了螺旋钻进法和冲击矛法技术。1970 年美国加洲人率先使用“水平导向钻进法”穿过河流铺设第一条采用此技术的管道，成为创立“水平导向钻进法”的第一人。由于他经常到全美各地推广此技术。因此，“水平导向钻进法”成为非开挖施工所普遍采用的施工工艺。随着非开挖技术的不断成熟，人们又针对不同的管网情况， 1980年发明了“胀管法”（爆管法），此技术逐步推行开来，特别是自来水行业运用较多。 国内现状：非开挖铺设更换管道技术以其独特的优越性，已被人们逐步接受，特别是在大中城市，商业繁华地区普遍采用此 项技术，我国香港特别行政区已运用很久。但内地还处在起步阶段 1.3 设计特点 所谓定向钻探，就是在钻探和钻井施工中，利用土层造斜规律，采用人工造斜手段，或者两种同时并用，使井孔按照设计的轨迹钻达预定目标的钻进方法。在钻探施工中，根据地质条件，合理采用定向钻进方法，不但能够提高工程量，节约施工费用，而且能够缩短施工时间，获得较好的技术经济效果。 而对钻孔深度 300 米左右的水平定向钻机需求量比较大，以往的 300米水平定向钻机，存在着机械式、笨重、使用不方便等缺点。鉴于以上原因，此次毕业设计，我的导师陈少云老师 让我对 300 米水平定向钻机（ FDP-15D）进行研究。经过调研，我觉得水平定向钻机是一种小型液压钻机，应有以下特点： 1. 经济耐用可靠、质优价廉； 2. 结构简单，易于加工制造； 3. 操作简单，维修方便； 4. 适用于 50 、 60mm 两种钻杆； 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 5. 钻进速度快，效率高； 6. 施工周期短、综合施工成本低、社会效益显著。 7. 随着水平定向钻探技术的发展，这种钻机应具有良好的发展空间。 第 2 章 FDP-15D 钻机总体方 案的确定 2.1 具体方案的确定 经过陈老师的细心指导和长时间的搜集和查阅资料，我对钻机的整体结构和工作原理都有所了解。钻机的结构与其所采用的钻进工艺相关联。目充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 前国内外都正在研制和应用全液压钻机。全液压钻机同传统钻机一样，都是用来完成钻进和升降钻具等基本工序，以实现采取岩心，达到探矿的目的。从结构上看，全液压钻机可以分为立轴式全液压钻机和动力头式全液压钻机。二者相比较，动力头式全液压钻机具有结构简单、重量轻、操作简便、可以实现无级调速、加压给进等优点，工作效率大大改善。并且动力头式全液压钻机也是钻机的发展 方向之一。综合各方因素，我选择设计水平定向动力头式全液压钻机。 具体方案如下： 1. 考虑到此钻机常用于户外作业，动力可选柴油机。 2. 钻机应用螺纹连接钻头精简结构，节约时间，提高有效钻进速度。 3. 动力头采用单极齿轮减速器，减少变速箱体积，根据不同的地质条件，选用不同的钻进速度。 4. 在满足上述要求的同时，尽量结构简单，操作方便，适于整体或解体搬运。尽量做到标准化、通用化、系列化。 2.2 技术特性 1. 最大钻进深度 m300 2. 导向孔直径 76 3. 钻杆直径 50 60 4. 动力头转速 1 6 0 / 1 1 2 0 / m i nr 第 3 章 FDP-15D 钻机结构方案的确定 一台全液压钻机主要包括主机、动力设备和操纵台三个部分。 3.1 主机部分 水平定向全液压钻机的主机包括回转机构、给进机构等基本部件。 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 3.1.1 回转机构 全液压动力头式钻机的回转机构，就是移动式回转器，亦称为动力头。动力头是钻机的重要组成部分，主要由回转马达、减速器、水接头组成。它的功能有二：一是传递扭矩，以带动钻具旋转钻进或拧卸钻杆；二是动力头由给进机构带动，以传递向上或向下的轴向力及其运动，用来实现加减压给进。 本全液压钻机通常采用导向 钻杆，其钻进工艺对动力头的基本要求有下列几点： 1) 动力头的钻数和扭矩应是可调的，最好的方案是无级调速，以适应钻进工艺的需要。 2) 转数调节范围应满足钻进工艺的需要。 3) 具有正反转的能力。 4) 回转平稳、振动少和噪音不大等。 动力头转速调节范围，取决于地质条件、钻头直径以及钻进方式。由于是全液压钻机可以实现无级调速，马达的调速范围在 8300r/min 之间完全满足钻机的要求。采用导向钻杆钻进时，要求高转速。国外的最高转速以达 2000 3000r/min；国内大致在 1000 1500r/min，而从处理事故和拧紧钻杆的要求 ，则需要低速档，一般为 200 300r/min。本设计动力头的转速范围为 1 60、 1 120r/min。 本设计的动力头主要特点如下： 1. 油马达上装有安全阀，可自动进行过载安全保护。 2. 无液压卡盘，采用螺纹连接结构，使整体结构简单化。 3. 结构紧凑，节省原材料。 4. 壳体由铸铁制成，故有良好的工艺性。 动力头按照回转油马达的安装位置不同，可分为装有油马达的动力头（ A型）和不装油马达的动力头（ B 型）两类。 A 型动力头与 B 型动力头相比，具有结构简单紧凑、工作可靠、重量轻和搬运方便等优点。目前，国内外全液压动力头 式钻机的大多数均采用 A 型动力头。本设计也采用 A 型动力头。 A 型动力头的工作原理（图 1-1）：油马达 2 经齿轮传动箱带动输出轴回转，从而使钻具回转。 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 654321图 1-1 钻机动力头原理示意图 1-底座 2-马达 3-联轴器 4-减速器 5-法兰盘 6-钻头 3.1.2 给进机构 给进机构是钻机的工作机构之一，它对钻机的技术性能、工作效率以及其应用范围有着极大的影响。全液压动力头式钻机给进机构的功用有二：一是用来保证钻头具有所需压力，一是实现 进给；二是用来“倒杆”。 一个完善的给进机构应满足下列要求： 1) 能调节钻头压力，浅孔时加压、深孔时减压，故要求给进机构具有加压和减压等机能，压力调定后就应保持恒定不便。 2) 给进速度是可以调节的，并应能无级调速，使钻头给进速度能与机械钻速相适应。 3) 给进行程应尽可能的长。 4) 结构简单、工作可靠、操作灵活安全。并应配备有仪表来观测钻头压力、进尺和钻速等。 目前，全液压动力头式钻机的给进机构有油缸液压给进机构和油马达 链条给进机构两种。大多数钻机采用油缸给进机构。 油缸给进机构又分为一般油缸给进机构和油缸 链条倍速给 进机构两种。一般油缸给进机构是油缸的液压力或运动直接作用于动力头和钻具；油缸的行程和动力头的给进行程相等，故又称为非倍数油缸给进机构。油缸 链条倍速给进机构是动力头的给进行程等于活塞行程的两倍。本设计选用单油缸 链条给进机构。 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 单油缸 链条给进机构工作原理（图 1-2）：给进油缸缸体固定在机架上，活塞杆的前端与带有链轮的连接轴相连接。拖板向后移动。每根链条的一端都是绕过链轮之后固定在给进机架上，而另一端绕过链轮之后分别与拖板相连接，组成为一个封闭的倍增传动链，拖板行程比活塞行程增大一倍。 图 1-2 给进机构示意图 1-动力头 2-液压油缸 3-链条 3.2 动力设备部分 全液压钻机的动力设备，包括动力机、油泵、油箱、过滤器、冷却器等。 3.2.1 动力机 驱动油泵的动力机，一般采用电动机或柴油机。在坑道钻探中，也有采用风马达的。动力机的转数，一般为 14601800 转 /分，国外钻机有增高动力机转数的趋势，高达 24003600 转 /分。这样可以大大提高油泵排油量，或缩小油泵尺寸和重量，使动力机和油泵小型化。 动力机的功率是设计钻机的依据。钻机的功用主要是用 来完成钻进工充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 序。回转钻进所需的功率包括破碎孔底岩石和回转钻具等所需功率，前者基本上不受孔深的影响；后者当转数不高时随孔深的变化也不大，当转数较高时随孔深增加而增大。 本设计采用柴油机作为动力机。 3.2.2 油泵 油泵是将动力机的机械能转换成液压能的一种装置，它是液压传动中的动力源。目前，每台全液压钻机的油泵站通常有两个油泵，一个为主油泵，它向回转马达供油；另一个为辅助油泵，它向给进机构供油。但有的钻机（如泰美克 250 型钻机）只有一个油泵，它向油马达及各油缸供油。 油泵类型的选择应能满足钻机工作的特点和要求 。由于钻机的回转速度有高有低，一般主油泵选用变量油泵，并且都用轴向柱塞式变量油泵，它能使液动机实现无级容积调速；辅助油泵多用齿轮油泵，也有选用轴向柱塞式变量油泵的。这时因为轴向柱塞式变量油泵具有 体积小、重量轻、调速方便、转速高、压力大等特点，它较适用于钻机的工作需要。但定量油泵价格比较便宜。 本设计采用双油泵，主油泵采用变量泵，辅助油泵采用定量油泵。 3.2.3 油箱 油箱是用来储油、散热、分离油中杂质和空气的装置。它的形状和尺寸要根据钻机的总体布置及散热的需要来决定。按一般机械要求，油箱的有效容积为油泵 的每分钟流量的三倍以上。但是，考虑野外工作条件的需要，钻机的油箱容积不能太大。而且多数钻机在油箱里装有冷却器，因此油液的发热大为改善。本钻机也采用这种结构。 3.3 操纵台部分 “集中手柄操纵” 这是全液压钻机的特点之一。钻机的所有控制阀、各种仪表等都集中装在操纵台的控制面板上。从油泵输出的压力油经高压橡胶管到各控制阀，操纵控制阀手把的各种不同位置，使压力油经阀板下的软管分配给各个液动机，根据钻探工艺的需要来驱动油马达、给进油缸等，从而完成钻探各工序的动作。因此，操作台是钻机的操纵驱纽。 本 钻机也采用“集中手柄操纵”。 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 第 4 章 动力机的确定 4.1 电动机功率的确定 本钻机的驱动装置采用柴油机，因为钻机多在野外作业，柴油机无需外充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 接能源。本设计的液压系统由两个独立的支路组成，油泵 马达回路系统和油泵 油缸给进系统，且两油泵共用一台电动机联合驱动，因此钻机的电动机的总功率为： 给回电 NNN 其中：电N 钻机的电动机总功率 KW 回N 回转钻杆及破碎岩石所需功率 KW 给N 给进油缸所需功率 KW 4.1.1 油泵 马达回转机构 1基本参数的确定： 机械效率 85.0 液压传动效率 85.0 钻头外径 cmD 3.7 钻头内径 0d cm 泵驱回 NN 1N动马 N 321NNN 动N其中： 1N 孔底破碎岩石所需的功率 KW 2N 钻头与孔底摩擦所消耗功率 KW 3N 回转钻杆所需的功率 KW 机械效率 取 85.0 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 1 液压马达效率 取 0.851 井底破碎岩石所需功率 3 0 6 0 0 0 0AN 4 31 压nmhKW 其中： n 动力头转速 r/min m 钻头切削刃数 取 2 ( ) / 4 ( )m 钻 进 回 托 h 钻进速度 min/25.0 mh 压 岩石抗压强度 见表 4 1 表 4 1 岩石抗压强度 岩 石 名 称 抗压强度（ N/cm2） 硬 土 1800 4 )8.53.7(4 )(2222 dDA 其中： A 井底环状切削面积 D 钻头外径 取 cmD 3.7 d 钻头内径 取 0d cm 将动力头各种转数以及岩石的不同抗压强度压分别代入上式中所得 1N 的相应值见表 4 2 中。 钻头与孔底摩擦所需功率 2N 19 448 00N 2 rRnef 压其中：压 岩石抗压强度 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 f 钻具和岩石间摩擦系数 取 3.0f e 侧摩擦系数 取 1.1e n 动力头转速 R 钻头外半径 r 钻头内半径 将动力头的不同转数和不同孔底压力代入上式中， 2N 的相应值见 表 4 2。 回转钻杆所需功率3N33.12113 1092.0 nLdN KW 其中： L 孔深 取 300000L mm d 钻杆直径 60d mm n 动力头转速 冲洗液的比重 取 15.1 将上述各参数及动力头的不同转速代入上式中所得3N值列 表 4 2 中。 表 4 2 功率计算表 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 功率 (kw) n min)/(r压（ N/cm2） 30（回托） 60（回托） 120（钻进） 1N1N 1800 0.22 0.26 0.037 2 1800 0.71 1.43 0.278 3N 1800 3.15 7.92 19.95 动N1800 4.08 9.61 20.265 马N1800 5.1 12.0 25.33 2 马达的选择 马达转矩的确定 mNW NM 3010 其中： M 马达的转矩 0N 马达的输出功率，根据表 4 2 取得 KWN 70 W 马达输出轴的平均角速度 602 1nW 式中： 1n 马达转速 1 2nnn 动力头转速 按 120 转最大功率计算，将所求的值列于表 4 3。 表 4 3 马达转矩 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 min)/(rn 120 min)/(1 rn 360 )/( slW 25.13 )( mNM 507.36 )(0 KWN 25.25 根据设计要求，用两个马达分担功率，需选用低速大扭矩马达。其主要根据转矩 M 来选择。辅助因素包括排量、额定压力、转速范围等最终确定。 可选用 6 625TK 型摆线马达，其技术参数如下表 4 4。 表 4 4 马达技术参数 排量 最高转速 最大输出转矩 最高工作压力 重量 390 /ml r 241 / minr 1380Nm 20Mpa 32.1kg 3液压泵的选择 液压泵的选择主要根据供油压力pp和最大供油量pq两个因素决定。 马马QNP 其中： P 马达的进油压力 马N 马达的输入功率 马Q 马达的实际输入流量 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 Vnq 1Q马其中： q 马达排量 1n 马达的转速 V 容积效率 90.0V 将所求的值列于表 4 5。 表 4 5 马达及泵的流量 min)/(1 rn 120 240 min)/(LQ马 52 104 min)/(LQ泵 57.7 115.5 maxqkq p 即 马泵 QkQ 其中： k 考虑系统泄露修正系数，一般 3.11.1k 。这里取 1.1k 1pPPp 根据经验，对简 单的系统 M pap 5.02.01 ，对于复杂系 统Mpap 5.15.01 。这里取 4.01 p 。 将所求的数值分别列于表 4 6。 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 表 4-6 马达的进油压力及排量 压力 )(Mpan min)/(r压（ N/cm2） 120 240 P 1800 5.52 16.5 由表中的数值， 查液压元件手册可选：柱塞泵 CCY14-1B,其技术参数如下表 4 7。 表 4 7 柱塞泵的 技术参数 理论排量 最高压 力 额定转速 驱动功 率 容积效 率 重量 63 /mL r 31.5 aMP1500 / minr 26KW 91.0 kg85.7 4.1.2 油泵 油缸给进机构 1.给进油缸的基本参数 油缸数量 1个 油缸直径 125D mm 活塞杆直径 90d mm 活塞有效行程 1200L mm 油缸面积 21 1 2 2 .7A cm活塞杆面积 22 6 3 .6A cm有效面积 212 5 9 . 1 1A A A c m 2.油泵工作压力的计算 钻机打水平孔时，油缸最大推力为： 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 摩FCW 式中： W 油缸最大推力按设计要求 N 150KN 因此，油泵的工作压力 P 为： 2150000 2 4 4 4 . 9 8 / 2 4 . 45 9 . 1 1WP k g c m M p aA 3. 油泵最大工作流量计算 油缸回程时的最大容积油量： 11 1 . 2 3 1 2 1 4 . 7 2V A L L 油缸送进时的最大容积油量： 22 0 . 5 9 1 1 2 7 . 0 9V A L L 当选用动力头的速度 min/05.0 mv 时，动力头送进时每分钟所需油量为： m in/08.02 LvAQ 令活塞回程时间为 0.3min，则回程所需油量为： 11 5 . 3 8 8 / m i n0 . 3VQL 4. 给进油缸所需的功率给N 22 256 0 1 0PQN K W 5根据上面的计算，查 液压元件手册 选用 MCY14-1B 型柱塞泵，其技术参数如下表 4 8。 表 4 8 型柱塞泵的技术参数 排油量 额定压力 额定转速 驱动功率 容积效率 重量 25 /ml r 31.5 aMP1500 / minr 25KW 0.8 6.4kg 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 4.1.3 泥浆泵 考虑钻进润滑的需要 ,引进 HBW150/40 型泥浆泵，功率 7.5KW。 4.2 柴油机的选择 柴油机的功率 2 5 . 5 2 5 7 . 5 5 8N K W 柴 油 机由此，可查的此设计选用 R6105G36 型柴油机，其技术参数如下 表 4 9。 表 4 9 电机技术参数 额定功率 满载转速 效率 85KW 2200 / minr 0.822 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 第 5 章 机械传动系统设计 5.1 变速箱的设计 5.1.1 强度计算的依据 1) 在校核零件的强度时，假设两液压马达全部功率输入动力头，然后再输入动力。 2) 动力头在连续工作情况下，可连续工作 10000 小时，纯机动时间每班 16小时，可连续工作 20 个月。 5.1.2 齿轮强度的计算 选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿轮。本设计的传动方案选用直齿圆柱齿轮。考动力头的工作环境较为恶劣，为增大齿轮使用寿命大小齿轮都选用硬齿面。根据 表 5 2 选得大小齿轮的材料都为 40Cr，并且需要调质及表面淬火，齿面硬度为 4855HRC。精度等级选为 7 级。齿宽系数根据表 5 3 中的单级齿轮传动，两支承相对齿轮为对称布置，且两齿轮均为硬齿面。选择齿宽系数为 0.6。因为受载比较平稳、齿轮为硬齿面、支承为对称分布，故取 5.1K 。齿数选择时为了避免根切，对于标准直齿圆柱齿轮 17min Z ，开式齿轮传动中为保证齿根弯曲强度，常取 20171 Z ，闭式齿轮传动中常取 40171 Z ，本设计取 241 Z 。 变速箱内各齿轮主要参数及材料见表 5 4。 表 5-2齿轮常用材料及其力学性能 材料 热处理方法 齿面硬度 许用接触应力 1H 许用弯曲应 1F 40Cr 调质后淬火 4855HRC 13951426 483518 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 表 5-3齿宽系数 齿轮相对于轴承的位置 齿面宽度 软齿面 硬齿面 对称布置 0.81.4 0.40.9 非对称布置 0.61.2 0.30.6 悬臂布置 0.30.4 0.20.25 表 5 4 齿号 齿数 模数 齿宽 材料 硬度 齿型角 螺旋角 精度 Z1 19 2.5 80 40Cr 4855HRC 200 00 7DC Z2 38 2.5 75 40Cr 4855HRC 200 00 7DC 1确定许用接触疲劳应力 l i m1 1 3 2 6HHHM p aS 其中： limH 失效概率为 1时试验齿轮的接 触疲劳极限力 单位： Mpa 。由表 5 2 查得li m 1057H M p a HS 解除疲劳强度的最小安全系数， 1HS ，（失效概率为1）。 2确定许用弯曲疲劳应力 FxFF S Y lim1 其中： limF 齿轮弯曲疲劳极限。由表 5 2 查得 MpaF 500lim 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 FS 齿轮弯曲疲劳强度安全系数。机械齿轮失效率 1时 1FSXY 弯曲疲劳寿命系数。由于 m =5.5，查表得 0.99XY 。 M p aS YFxFF 5 0 0 lim1 大小齿轮的齿面硬度相同， 12 1057HH M p a M paFF 50021 3小齿轮转矩的计算 161161 1055.91055.9 nNnpT 马1 m a x 9 9 4 .6T N m4按齿面接触疲劳强度计算 mm 其中：td1 小齿轮的分度圆直径。 tK 载荷系数，取 5.1tK。 齿数比。 2 d 齿宽系数，取得 0.4d 。 1H 许用接触应力。 代入数值得： 3 211 .16.76 1 Hd tt TKd充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 531 21 . 5 9 . 9 4 6 1 0 2 17 6 . 6 8 9 . 40 . 8 1 0 5 7 2td m m 齿轮模数为：118 9 . 4 4 . 719dm m mz 5按齿根弯曲疲劳强度计算 3 21m a x126.1 FdFSZYKTm其中：FsY 齿型系数，查表得 19.41 FsY， 99.32 FsY。 53 21 . 5 9 . 9 4 6 1 0 4 . 1 91 . 2 6 4 . 40 . 8 1 9 5 0 0m m m 6接触疲劳强度校核 1) 分度园上的圆周力 Ft 129 9 4 . 62 0 0 0 2 0 0 0 5 2 3 4 7 . 338tTFNd 2) 使用系数 25.1AK 3) 动载系数 4.1VK4) 齿向载荷分布系数 32.1HK5) 齿间载荷分布系数 6.1HK6) 节点区域系数 3.2HZ 7) 弹性系数 8.189EZ 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 8) 重合度系数 41.0Z9) 接触应力 231 1 0 0 . 6tH A V H H H H EF u NK K K K K Z Z Z Zmmd b u 10) 寿命系数 1NZ11) 安全系数 1lim HS ， 1lim FS 12) 润滑剂系数 86.0LZ 13) 速度系数 93.0VZ14) 粗糙度系数 98.0RZ 15) 硬化系数 92.0WZ16) 尺寸系数 1XZ 17) 许用接触应力 2l i m1111l i m /360 mmNS ZZZZZHHRVLNHHP 18) 接触强度判断 因为 HPH ，所以校核通过。 7弯曲疲劳强度校核 1) 齿向载荷分布系数 1K2) 应力修正系数 7.1saY3) 重合度系数 38.0Y充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 4) 齿根应力F211 4 2 9 . 1 /F t A V F F s aF K K K K Y Y Y N m m 5) 寿命系数 5.2NTY6) 相对齿根圆角敏感系数 95.0RELtY7) 相对齿根表面状态系数 06.1RELtRY8) 尺寸系数 1XY 9) 许用齿根应力 2I m 1m i n9 8 2 7 . 6 /F i s T T i I r e l T X R r e l TFPFY Y Y Y Y N m mS 10) 弯曲强度 因为 FPF 1 ,所以弯曲强度校核通过。 8具体参数的确定 由上述计算可见，本设计的齿轮传动接触疲劳强度较弱，故应以mmm 59.2 为佳。 查标准模数取得模数 5.5m mm 。 齿轮主要 几何尺寸： 分度圆直径 11 5 . 5 1 9 1 0 4 . 5d m Z m m 22 5 . 5 3 8 2 0 9d m Z m m 齿顶高直径 *11 ( 2 ) 5 . 5 (1 9 2 ) 1 1 5 . 5aad m Z h m m *22 ( 2 ) 5 . 5 ( 3 8 2 ) 2 2 0aad m Z h m m 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 中心矩 12 1 5 6 . 7 52dda m m齿宽 2145bb d m m ，故取2 45b mm， )102(21 bb取mmb 461 。由于设计结构需要，改 b1 80mm， b2 75mm 5.1.3 轴的设计 1. 输出轴上功率2P、转速2n和转矩2T的初步确定 已知下列条件：材料 40Cr，调质处理，各齿轮分度圆直径为：1 1 0 4 .5d mm， 2 209d mm2262 1055.9 n PT 将计算结果输入表 5 5。 表 5 5 输出轴上功率、转速和转矩 2n （ r/min） 30 60 120 KWP2 6 12 25 5 mNT 2 1910 1910 2029.3 2. 求作用在齿轮上的力 因为是直齿圆柱齿轮传动 0 圆周力 32 m a x1 m a x22 0 2 9 . 3 1 02 2 9 7 0 8 . 1209tFF F Nd 径向力 2 6 9 1 . 7 2 0 3 5 3 3 . 4rtF F t g t g N 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 其中：max1F 小齿轮传递的转矩， mmN 。 max2F 大齿轮传递的转矩， mmN 。 2d 大齿轮的节圆直径，对标准齿轮即分度圆直径， mm 。 啮合角，对标准齿轮为 20 。 圆整后， 9710tFN3600rFN。方向如图 5 1 所示。 3. 初步估计轴的最小直径，选取连轴器。 初估轴径：安装联轴器处轴的直径 d - （图 5 1a）为周的最小直径。 d - =322nPA 其中：查得 A = 90 107 3 5 . 5 2 1 . 11 7 . 7 1 0 . 58 . 8 5 . 2 5d m md m md m m 为满足设计结构需求取 d - mm30 。 选取联轴 器：由于承受轴向力过大，所以采用单独设计的非标联轴器。 4轴的结构设计 1）拟订轴上零件的装配方案 轴上的大部分零件包括：大圆柱齿轮、档油环、左端轴承和轴承端盖以及联轴器依次由左端装配，仅右端轴承和轴承端盖由右端装配。 2）根据轴向定位及固定要求，确定轴的各段直径和长度，见表 5 6。 3）轴上零件的周向固定 齿轮采用平键定位，滚动轴承与轴则采用过渡配合。 4）定出轴肩处的圆角半径 r 的值 见图 6 1a，轴端倒角取