0029-XY-4岩心钻机升降机的设计【全套21张CAD图+说明书】
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岩心
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摘 要
当前，岩心钻机升降机主要使用定轴式行星轮系升降机，本文就是在已有的定轴式行星轮系升降机的基础上，设计出能够实现设计要求的四档提升速度的升降机。在设计过程没有改变原有的升降机零部件的位置关系，但由于，传动比以及传动速度的不同，所以，通过受力分析计算，加大了行星齿轮、中心齿轮、内齿圈的厚度；同时也加大了抱闸抱紧时的抱紧半径。利用先进的现代软件分析，就能发现，通过计算分析所获得的结论是正确，也就是说，本文所设计的升降机能够实现所要求的提升速度。
- 内容简介：
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in of he of is to E of a E to of on of on In on a of E of a AC E of a of In E E of E on an E of DM to be . 2. 3. of 4. of E 5. 6. 7. 1. at in of to a of is in we to by of is a of it is as as 1 2 of is an to of a In a is by an or by a of is at in of a FT is us to to In an E of a is or on of to to in 3 in 4 5 to be a 6 a of to 7 8 by of is by by of is to be in to of on of at 7 DM to 8 of 9 DM E He of a at 10. E as as to E DM of a a To E of a of a to to of on of To or to To DM in 2. n In is to at as 1 2. is at a of an (12K) 1. ). (4K) 2. In is 0 30 in of to or of a an RF to 11 to of In at at 8, 2, at of in . z Z z z z Z z z . of of of 12 13. is of is it E of In , a to be of on is is 25 mm m, 7800 kg/s = 200 of 30, of 29, of 2, of 3. 3 of . (7K) 3. E E of 0 9030 3, 30 by 0 be E 14 of a In , E of be E to be E 4 5 (31K) 4. (23K) 5. 4. of E of is to If we to a of E it is of a is of E E to be of as ), of is To we of a as as to is 6, It a of E (87K) 6. As an to 15) is a to of a of of AC a (1) m a or is a is . A AC a of E We AC , to 5. be of of in a E an of be or of no to s s in a is in to be is if is to be in to in in as of in In to E of 4 5 of to be by (2) of E is a a a 3) 6 a to is to of E is (4) (5) is (6) be be to of . It is , q. It be AC AC . of E AC z z z z z z z z z z he . It E It AC 6. by of be by E A on is in of a 4.3 kg at of 0 as 3. is 10, in to an of of as . . of E E s s z z z z 2 z z z z of on of by E a of on E by by on of It is E of to of of E to of on of E to at of on of of in of a of E at 0 5, on to 8 9 of E . (33K) 8. RF to at 0. (29K) 9. RF to at 5. . 0 kg at 0 (), 0 kg at 0 () DM E 0 z z z z z z z z z z 0 z z z z z z z z z z . 0 kg at 5 (), 0 kg at 5 () DM E 0 z z z z z z z z z z DM E 0 z z z z z z z z z z 7. of E of a to be is in to of an An on as as It E in li (心钻机升降机的设计 ) 岩心钻机的功用： 钻机是向地下钻孔的机器，是完成钻进施工的主机，它带动钻具和钻头向地层深处钻进，并通过升降机完成起下钻具和套管，提取岩心，更换钻头等辅助工作。泵的作用是向孔内输送冲洗液以冲洗孔底，冷却钻头和润滑钻具。它广泛应用于国明经济的许多部门，它是从事各种钻探施工必不可少的主体设备。 升降机的功用： 钻机的升降机有主升降机和副升降机之分： 主升降机用于升降钻具和套管 ； 副升降机可用于起吊其它管材或重物，打捞绳索取心钻具内管，升降捞砂简、取 土器等。 升降机的设计要求： 由于 钻机的升降机在在钻探的过程中，工作时间长，其性能的好坏，直接关系到钻进的效率钻孔的质量和生产的安全，因此升降机要满足以下要求： 在满足升降机工艺要求的前提下， 应能最大限度地降低升降工序的机动时间和充分提高功率利用系数 。 要求升降机的结构与强度具有一定的超载能力。 操作方便 、 动作灵敏 、 平稳 、 劳动强度小 、 工作安全可靠，现代钻机应考虑操作远离钻机本体，实现远距离手柄或按扭操作。 结构简单 。 设计目的： 通过设计知道钻机的工作性能以及升降机的结构 ； 分析升降机的 转矩特性和转速特性； 分析计算升降机的特性参数； 应用一些软件对升降机进行仿真分析，从而，进一步了解升降机的性能。 技术方案的确定： 本次 设计是在原有的 心钻机的基础上，利用所给的设计参数： 输入轴转速（ r/约 450、 约 310、 约 217、 约 117； 卷筒转速 （ r/约 160、 约 110、 约 78、 约 42； 最大提升能力： 卷筒直径： 285 钢绳直径： 16 卷筒容绳量： 52 提升速度： 进行计算，分别进行工作参数 的选择： 升降机的最大起重量 提升速度分为：最高缠绳速度 最低缠绳速度 调速范围 R； 速度档数及中间速度。 抱闸 的受力分析： 下降制动力矩； 提升制动力矩； 手柄上的作用力； 抱闸 的发热验算： 抱闸 在制动过程中，将钻具和提升系统的动能全部转化为热能，这些热能会使 抱闸 和制圈的温度升高。这样会使 摩擦系数降低，制动力矩减小，而且会使热应力增加，加剧摩擦材料的磨损，因此要对其进行发热验算，看是否能够男组要求。 通过上述计算就可以知道升降机的最大起重量 、 提升速度 、 制动力矩等等，我们就利用这些参 数来选择升降机的主轴 、 行星轮系齿轮 、 支架 、 中心齿轮 、 行星轮轴等所有的零件型号和尺寸，进而绘制出总装配图。在经过一些软件来分析升降机的性能。 升降机类型的确定： 类型 特点 采用钻机型号 胀闸传动式 次种升降机简化了机械传动结构，采用液压控制，易实现远距离操作以及自动化；而且工作平稳；卷筒制圈散热条件好。但只适用于有液压系统的钻机。 锥摩擦传 动 此类升降机结钩比较简单，易损件少、结实耐用、但传动效率小， 两摩擦锥面易进入泥浆、油污等，工作可靠性较 差 。只有少数窃孔及次深孔钻机使用 片式摩擦力合器传动式 传动较锥摩擦式平稳，传动同样功率时结构尺寸较锥摩擦式小，但结构较锥摩擦式复杂，更换离合器片不 太方便。 用于钻机辅助升降机 液压传动式 可以实现无级 调节升降机的速度和远距离自动控制，而且升降机结构大大简化。不足之处是液压马达要求加工 、 装配精度高 、 不便野外修配。 行星轮传动式 与摩擦传动式相比，在尺寸相同时，能传递较大功率以及获得较大的传动比；传动效率大；结构紧凑，传动平稳，操作灵活。 用于机械传动式钻机 表 1 升降 机类型的比较 因此，通过上述分析，我们选择行星轮式升降级。 行星轮式升降机的原理分析 行星轮式升降机分为 行星轮轴支撑在提升在制圈上，内齿圈与卷筒装在一起； 行星轮轴装在卷筒上，而 内齿圈和提升制圈联在一起。 类型 结构示意图 工作原理 第一类 (1) 提升钻具 刹紧提升抱闸 8，同时松开制动抱闸 9。行星轮 5 及其轴 4 不能绕升降机轴 1 公转。在角速度为 a 的中心轮带动下，行星轮绕自身轴以 g 自转，并带动内齿圈以 b 转动，缠绕钢绳，提升钻具。提升时，定轴轮系行星式升降机的传动比 为 (1式中： -号 (2) 制动钻具 抱闸 9 刹住下降 制动盘，同时松开抱闸 8。因卷筒与内齿圈被闸住不转，钻具停止升降。此时行星轮自转又公转。 (3) 下降钻具 两抱闸均松开，在钻具自重作用下钻具下降图3-6(c)。 (4) 微动升降（ b 、 H 可控） 即慢速控制升降工况。若松开提升抱闸 8，控制制动抱闸 9，钻具会出现下降、停止和慢速下降运动状况；若松开制动抱闸 9，控制提升抱闸 8，行星轮出现三种运动状态，即钻具 提升、停止（不稳定）和下降运动状况。因此，行星式升降机能够并允许微动升降操作，两抱闸只要不同时刹死，两者制紧程度配合得当，微控升降操作就会得心应手。 第二类 次类行星轮传动式升降机在各工况下的操作与第一类的相同。仅轮系在各个工况下的运行状态与第一类不同。 表 2 两种行星轮式升降机的比较 根据岩心钻机的工作场地以及工作状态等条件和上述工作原理，我们选择第一类。 升降机结构的确定： 通过查阅资料，从而确定 心钻机升降机的结构形式（ 如图 升降机由卷筒、行星传动机构、水冷装置及抱闸组成。升降机轴 19 右端的花键部插入分动箱的轴齿轮的花键中；升降机轴 19 的左端通过水套轴 8、单列向心球轴承 11、支架 13 等支承在支架上；轴左端头是四方轴头，作为人力传动升降机轴用；卷筒用两盘 313 型轴承 16、 36 支承在升降机轴 19 上。行星传动机构由中心齿轮 24、游星齿轮 32、内齿圈 20 等组成。中心齿轮以花键连接装在轴 19 的右侧。行星齿轮用两盘 207 型轴承 30 装在行星轮轴 29 上，行星齿轮共三组，均布安装在左右支架 27 上；行星轮轴的左右支架分别用一盘 313 型 轴承 36和两盘 111 型轴承 26 支承在升降机轴上；右支架 27 外侧用平键 28 与提升制动盘 34 联结，并用螺钉将端盖 23 固紧在支架右侧，防止提升制动盘外串，两个支架用 3 个均布的螺栓连接成一体。水冷装置由水套轴 8、引水环 9、压盖 10、水管 3 及制动盘水套等组成。 图 1升降机 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36升降机的参数的分析计算： 升降机的最大起重量 升降机的最大起重量 的是用单 绳 一速提升时，升降机 的最 大提升 负荷， 它取决于大钩 载荷 及滑车系统的结构。而大钩 载荷 又依据额定孔深下的最大 钻具 重量确定 。 大钩载荷可用下式计算： Q。 =（ 1） 式中 Q。 额定孔深时的钻具总重 ； 卡塞系数。它又反映了 升降机 的超载能力，又可称为超载系数。一般 K 1 5 4。 浅孔及大口径钻机取值较小，中深孔及小口径钻机取值较 大， 深孔钻机取值 最大； 钻扦重量修正系数。接头连接 1 05，接箍连接 1 1； 每米 钻杆 重量 ； 额定孔深的钻具总长 ； 。 冲洗 液 比重； 钻杆 材料比重。 提升速度分为：最高缠绳速度 最低缠绳速度 最高缠绳速度 根据提引器的最高上升 速度确定的。 式中 。 提引器上升最高速度，它受立根长度和操作安全限制。不同的立根长度，所允许提引器的最高上升速度不同。 最低缠绳速度 据动力机的额定功率及大钩载荷确定。可用下面公式计算： 式中 动力机额定功率 动力机至卷简的总传动效率，一般取 大钩载荷， 调速范围 R： 当 定之后，调速范围 R 己成定值。 速 度档数及中间速度 ： 设： T 用第一速 (最低速 )提升全部钻具所 用的时间； 用 M 个档 提升 全部 钻具所用的时间； T 提升时间系数 ； A 动力机在 T 内可以做的功 ； 动力机在 间 内实际做的功 ； N 升降机的 功率利用系数； 提升 时间系数 T 及功率利用系数 N 用下式计算： 下降制动力矩 ； 制动正在下降过程的钻具，卷筒上除承受钻具自重产生的静力矩 ，还必须承受钻具与升降系统的惯性力产生的附加动力矩 此，制动钻具所需的制动力矩 于以上二力矩之和，即 在实际计算时， 一般 采用下面的经验公式： 式中 动载荷系数， 1 2 1。 4，悬挂钻具时，可以看成为制动安全 系数； 下降钻具时，最大大钩 载荷； m 有效钢丝绳数 ； 滑轮系统效串 ； 卷筒 的计算直径 ； D 卷简直径； d 钢丝绳直径。 提升制动力矩； 提升时，所需的制动力矩取决于提升负荷的大小及升降机的结构类型。下面以第一类 行星轮式升降机为例分折提升制动力矩的 计算： 则提升制动力矩应为： 所以 式中 升降机的最大起重量 ； 卷筒计算半径，缠绕三层 钢绳； 卷筒 计算直径 ； D 卷筒直径 ； d 钢丝绳直径。 手柄上的作用力； 设 制带的抱角为， 制带与制圈的摩擦系数为 f，制动时，制带两端所需的拉力为 2。根据欧拉公式 平衡条件可知道手柄上的作用力： 式中 P 手柄上的作用力； T 偏心轮作用于制带头上 的压力； b 偏心轮的偏心距； 手柄长度； 1 两制带头所夹角度的一半。 抱 闸 的 发热验算 ： 抱闸 在制动过程中，将钻具和提升系统的动能全部转化为热能，这些热能会使 抱闸 和制圈的温度升高。这样会使摩擦系数降低，制动力矩减小，而且会使热应力增加，加剧摩擦材料的磨损， 因此，在设计时必须考虑 抱闸 的散热和降低温升问题，并进行 抱闸 的发热验算。 升降机工作时的动能 E： 式中 钻具及提引进置的质量， 钻具的下 放速度， m s； J 升降机的转动 惯量 ； 卷筒 制动 前 的 角 速度， s。 而 式中 m 2 卷筒 的质量， 卷筒 的直径， m； n 卷筒的转速 ， r 假定制动时所有的热量都被制圈吸收。则其温升为： 式中 X 立根数，今 X L/l； L 钻具总长， m； l 立根长度， m； 制图的质量， 选件： 通过 上述计算和对结构的分析，查阅机械设计手册就可以确定每一个零件的型号和尺寸大小。 验算： 对所有的件进行综合的检验，看是否满足要求。 绘制工程图： 利用 软件绘制出工程图。 技术难点： 对总体的技术方案的确定； 对行星轮式升降机的两种方案的对比分析，选取第一中的原因； 对总体结构布局合理性的选择； 个别零件的型号和尺寸的选择。 关键技术问题的解决方案： 对升降机类型的选择： 通过对升降机 5 种不同形式的结构分析，特点分析，从而选择出合理的一种结构作为本次设计的结构。 两种不同行星轮式升降机的选择： 同理，通过对它们的结构分析以及特点的对比，再根据 心钻机的其他结构的特点，还有升降机的工作环境等条件就可以选择出合理的结构。 结构布局的选择： 根据典型的 心钻机的结构布局，我们就可以确定本次设计的结构布局。 对升降机总体的分析与验证： 利用现代分析软件（如 ）进行工程分析以及验证。 参考文献 1成大先。 机械设计手册。北京：化学工业出版社， 2002 2杨惠民。 钻探设备。北京：地质出版社， 1998 3冯德强。 钻机设计。武汉：中国地质大学出版社， 1993 4屠厚泽 。 钻探工程学 。北京：中国地质大学出版社， 1988 5武汉地质学院 。 岩心钻探设备及设计原理，武汉：地质出版社， 1980 6武汉地质学院 。 钻探设备设计 。地质出版社， 1982 说明书 摘 要 当前，岩心钻机升降机主要使用定轴式行星轮系升降机，本 文 就是在已有的定轴式行星轮系升降机的基础上，设计出能够实现设计要求的四档提升速度 的升降机 。 在设计过程 没有改变原有的升降机零部件的位置关系，但由于，传动比以及传动速度的不同，所以，通过受力分析计算，加大了行星齿轮、中心齿轮、内齿圈的厚度 ； 同时也加大了抱闸抱紧时的抱紧半径。利用先进的现代软件分析，就能发现，通过计算分析所获得 的结论是正确，也就是说，本文所设计的升降机能够实现所要求的提升速度。 t to a on of In of of on of of of as as of By we by to I 目 录 引 言 . 1 第一章 概述 . 2 4 岩芯钻机的发展历史 . 2 4 岩芯钻机的发展的主要决定因素 . 3 钻探设备发展的趋势 . 3 钻机分类 . 4 第 2 章 设计总论 . 5 4 岩芯钻机升降机的功用、设计要求及设计条件 . 5 4 岩芯钻机升降机的功用 . 5 4 岩芯钻机升降机的设计要求 . 5 4 岩芯钻升降机的设计条件 . 5 4 岩芯钻机升降机类型的确定 . 5 4 岩芯钻机升降机的设计方案的确定 . 6 4 岩芯钻机升降机的组成分析 . 7 4 岩芯钻机升降机结构示意图与工作原理分析 . 11 4 岩芯钻机升降机的结构示意图 . 11 4 岩芯钻机升降机的工作原理分析 . 12 第 3 章 分析计算 . 13 4 岩芯钻机升降机齿轮的分析计算 . 13 齿轮总传动比的确定 . 13 选择齿轮材料和热处理，精度等级，齿轮齿数 . 13 按齿根弯曲疲劳强度设计 . 13 4 岩芯钻机升降机轴的分析计算 . 17 升降机轴的设计 . 17 行星轮轴的设计 . 24 4 岩芯钻机升降机轴承的分析计算 . 26 4 岩芯钻机升降机卷筒的结构参数的确定 . 28 第四章 升降机的转速、转矩特性分析 . 32 升降机的转速特性分析 . 32 升降机提升速度的分析 . 32 升降机下降速度的分析 . 33 升降机的转矩特性分析 . 36 升降机提升 转矩特性 的分析 . 36 升降机下降转矩特性的分析 . 37 升降机的主要特性参数计算 . 37 升降机的最大提重量 . 37 降机的提升速度 . 38 降机的抱闸的受力计算 . 40 第 5 章 工程图的绘制 . 43 总装配图的绘制 . 43 部件图的绘制 . 43 零件图的绘制 . 43 第 6 章 升降机的使用与维护 . 44 升降机的日常维护保养 . 44 升降 机的使用要求 . 45 第 7 章 对升降机进行有限元分析 . 47 运用 行升降机的建模 . 47 运用 的 析 . 47 第 8 章 结论 . 57 致 谢 . 58 参考文献 . 59 1 引 言 升降机是钻机的主要执行机构之一。在钻孔的全过程中，其主要作用是升降钻具，另外，还有升降套管，一定条件利用升降系统悬挂钻具、进行快速扫孔、采用主动钻杆控制减压钻进、利用升降机强力起拔处理孔内事故 等作用。 升降机升降工序所占时间比例甚大，并且随孔深而增加，一般约占工作时间的 1/3 1/2。升降机的完善 程度，必然明显的影响钻探的效率、钻探质量、生产的安全。因此，对钻机的升降机进行设计和性能分析是非常必要的。 直至目前，工程人员所设计的升降机按传动方式可分为： 胀闸传动式 、 锥摩擦传动 式、 片式摩擦力合器传动式 、 液压传动式 、 行星轮传动式 5类。而这 5类升降机各自有各自的特点： 锥摩擦传动式 升降机结钩比较简单，易损件少、结实耐用、但传动效率小，两摩擦锥面易进入泥浆、油污等，工作可靠性较差。只有少数窃孔及次深孔钻机使用。 片式摩擦力合器传动式 升降机 传动较锥摩擦式平稳，传动同样功率时结构尺寸较锥摩擦式小 ，但结构较锥摩擦式复杂，更换离合器片不 太方便。 液压传动式升降机可以实现无级调节升降机的速度和远距离自动控制，而且升降机结构大大简化。不足之处是液压马达要求加工 、装配精度高、不便野外修配。 行星轮传动式升降机与摩擦传动式相比，在尺寸相同时，能传递较大功率以及获得较大的传动比；传动效率大；结构紧凑，传动平稳，操作灵活。 从这 5中升降机的使用和研究情况来看，前 3中升降机已经被淘汰，最后一种为目前应用最为广泛的升降机，但从长远的角度看，能实现无级调速和远程控制的液压传动式升降机将是将来的主要发展方向。本文将 在已知参数的基础上，通过对升降机转距特性及转速特性和升降机特性参数的计算，从而设计升降机模型。并应用分析软件对其进行仿真、验证。 这样，就可以清楚升降机的转距特性及转速特性，并且获得升降机的特性参数。则工作人员就不可能在已知升降机特性的前提下，出现超载工作的现象，就可以减小事故的发生，保障了人生安全和财产安全。另外，利用这种 设计方法，将升降机在各种工况下的特性进行综合，改进现有的升降 机。第 1 章 概述 2 第 1 章 概述 4 岩芯 钻机的 发展历史 钻机是向地下钻孔的机器，是完成钻进施工的主机，它带动钻具 和钻头向地层深处钻进，并通过升降机完成起下钻具和套管，提取岩心，更换钻头等辅助工作。泵的作用是向孔内输送冲洗液以冲洗孔底，冷却钻头和润滑钻具。它广泛应用于国明经济的许多部门，它是从事各种钻探施工必不可少的主体设备。 钻机的发展有手把式钻机、 机械传动、液压给进的钻机 和全液压钻机之间的三个发展阶段。 第一阶段是以手把式钻机为代表的， 1862 年，瑞士设计制造了世界上最早的手动操作立轴钻机，起钻头是金刚石钻头； 1899 年出现了钢粒钻进，代替了金刚石钻进； 1916 年硬质合金也用于钻探，产生了合金钻进。随着这两种钻进 方法的采用，相应地出现了荫芽状态的立轴式回转钻进钻机，这种钻机后来发展成性能比较完善的手把给进式钻机。刚开始的钻机动力由人力驱动，只能为低速，升降机为摩擦式的，这种钻机在发展到四、五十年代，这种钻机的结构与性能比较完善；我国解放初期，为解决地质勘探工作急需引进 部份这类钻机，随后又大量仿制，其代表型号为 300、 5 I 000A 型等。 第二阶段是以 机械传动、液压给进的钻机 为代表的，四十年代中期，随着科技的发展钻机也高速发展，出现了新的金刚石钻头，另外，液压技术也广泛的发展与应用。在这种 条 件下，产生了 机械传动、液压给进的钻机 ， 50 年代以后，适合于金刚石钻进的机械传动、液压给进的钻机 有了进一步发展。我国解放初期，进口手把钻机的同时，也进口了 机械传动、液压给进的钻机 ， 1958一 1962年完成了从仿制到自制的过渡阶段，从 1962 年以后，就开始了系统的设计与制造工作。 第二阶段是全液压钻机为代表的，六十年代以后，金刚石钻进工艺又有新的发展，同时液压技术本身又有了发展，这些因素，构成了全液压钻机产生的条件。因此，在 大约在六十华代末至七十年代初期，这种与传统钻机结构完全不同的钻机产生。我 国六十年代初已开始研制全液压传动式钻机，七十年代，我国全面地开展了研制工作。 第 1 章 概述 3 4 岩芯 钻机的 发展的主要决定因素 第一个因素是：它随着钻探方法和钻探工艺的发展而变化的。 和其他技术发展史一样，钻探技术最初的发展是人与自然斗争的结果。我国是世界上最早使用钻探技术来开采地下岩盐的，早在秦代 (公元前 221 207年间 )就用钻井方法开采井盐。这一项技术发明目前仍为世界上所公认。但是最早采用的是绳索取心方法，其钻进过程不是连续的，即不能采取连续的岩心，只能打垂直的孔，因此不能满足地质勘探的要求。在十九世纪 中后期出现了能连续取心的迥转式钻机，这种钻机钻进效率和地质效果远比原始绳索取心钻进优越，因而，很快地在地质岩心勘探工作中迥转钻进占了主导地位。随着钻进工艺的发展，岩心钻机便必须进行一系列的演变。如果将目的较为新式的液压动力头式钻机和五十年代的手把式钻机相比较则无论在外观上，结构上、技术参数上迥然不同。 第二因素是随着冶金工业、机械制造业、电子工业的发展，钻探设备也相应地起着变化。 钻探设备的结构原理与设计要求，除了自身地质工作要求的特点外，还必然地要大量采用机械工业上通用的传动副、标准件，如各种传动机构、各 种液压元件等。冶金工业的发展提供了轻质高强度的原材料，使设备更趋于结构紧奏体积缩少；电子工业的发展，使钻探设备的测试手段仪表化、自控化。 目前在国外钻探设备产品的更新换代十分迅速，其主要原因是零部件绝大多数采用标准件一部新钻机的设计，只要根据设计要求，提出方案完成技术设计阶段后，工作草图设计量并不大，可以大量选用其它公司出品的性能完善的标准件，进行组装，因此新机型的试制周期很短。而由于大量采用专业化生产的标准件，组装后的整机质量得以保证，互换性、通用性也良好。 钻探设备发展的趋势 美国机械传动液压 给进立抽式钻机约占 98，全液压动力头钻机仅占 2。可见，现阶段机械传动液压给进钻机在大量的使用而全液压动力头钻机处于发展阶段。国外立轨式钻机，为了缩炽升降和辅助正序，采用自动倒杆，加长立轴行程等措施。由于绳索取心钻进广泛地发展，在钻机上增加了绳索绞伞装置。升降机在结构原理方面变化较小，仍以圆柱齿轮式结构 (个别为圆锥齿轮 )，个别钻机的卷筒带有摩擦离合器，比较现代化的钻机升降手把采用液压控制，并以手动把第 1 章 概述 4 作为备用；在中深孔及深孔钻机采用水刹车以及加速提升和下降的提引装置。在传动及变速系统方面，变速箱速度有增加的 趋势，有的钻机作了改进，即在变速箱输入端，增设传动减速箱，引入两个系列的速度，以便更能适应各种钻进方法；也有的采用快速更换传动链轮副、更换传动齿轮或更换大批量齿轮以扩大变速箱的速度范围。为了增加设备的机动性，减少安装迁移的时间，装设在轻、重汽车和拖拉机上的自行式钻机目前使用的很广泛。车裁式的钻机其类型往往就是地表固定式标准钻机，动力采目汽车和拖拉饥的发动机，也可以采用独自的动力机。桅杆可用液压缸竖起，采用一前二后的三个液压千斤顶稳定钻机，这种钻机有的深度达 1000 多米。值得注意的是，国外坑道内岩心钻机的种类 较多。例如压气传动式、螺旋给进式和液压动力头式的钻机应用于坑道内钻探。坑道钻的发展它可节省大量钻探进尺而取得预期的地质上和经济上的效果。目前，我国对这方面的工作还重视不够、急待发展。近年来“一机多用也是发展趋势之一。如英园设计的钻机是液压驱动动力头式车裁自行式设备，可用于岩心钻进，能采用空气、泥浆洗井；亦可采用潜孔锤钻进。由于是车载式能局速行驶，也适合山区、丘陵币值路不平的地方行驶。钻探设备发展另一趋势是操作自动化、机械化程度提高。由于电子技术在钻探工作中的日益广泛应用，可以用各种电子仪表控制，以进一步使钻 进工作程序化来自动调节与控制最优参数钻进。目前已达到将各种操作手把集中进行液压操作使之联动化、程序化。升降工序机械化已作为钻机部件的一部分。利用传感装置将并底压力、泵量泵压、转数扭矩、瞬时进尺速度、过载警报等信息集中在操作台上自动显示、自动记录，由电子计算机处理数据，变成指令自动控制与调整钻进参数，这在石油钻探设备上巳投入正式使用，在岩心钻探上也有某些仪表与程序初步可以来用。 钻机分类 按用途分类：岩心钻机机组、水文水经钻探机机组、工程地质钻机机组、工程钻探机组、取样钻机机组、地热钻探机机组、探钻 机机组、坑道钻机机组、石油钻机机组、砂矿钻机机组，等等 。第 2 章 设计总论 5 第 2 章 设计总论 4 岩芯 钻机升降机的 功用 、 设计要求及设计条件 4 岩芯 钻机升降机的功用 钻机的升降机有主升降机和副升降机之分：主升降机用于升降钻具和套管；副升降机可用于起吊其它管材或重物，打捞绳索取心钻具内管，升降捞砂简、取土器等。 4 岩芯 钻机升降机的设计要求 由于钻机的升降机在在钻探的过程中，工作时间长，其性能的好坏，直接关系到钻进的效率钻孔的质量和生产的安全，因此升降机要满足以下要求： 在满足升降机工艺要求的前提下，应能最大限度地降低升降工序的机动时间和充分提高功率利用系数。 要求升降机的结构与强度具有一定的超载能力。 操作方便 、 动作灵敏 、 平稳 、 劳动强度小 、 工作安全可靠，现代钻机应考虑操作远离钻机本体，实现远距离手柄或按扭操作。 结构简单。 4 岩芯 钻 升降机的设计条件 输入轴转速（ r/约 450、 约 310、 约 217、 约 117； 卷筒转速 （ r/约 160、 约 110、 约 78、 约 42； 最大提升能力： 卷筒直径： 285 钢绳直径： 16 卷筒容绳量： 52 提升速度： 4 岩芯 钻机升降机类型的确定 目前存在的升降机有 5 种，分别是 胀闸传动式、锥摩擦传动式、片式摩擦力第 2 章 设计总论 6 合器传动式、液压传动式、行星轮传动式 ； 而它们的特点是： 表 2不同升降机的特点比较 类型 特点 采用钻机型号 胀闸传动 式 次种升降机简化了机械传动结构，采用液压控制，易实现远距离操作以及自动化；而且工作平稳；卷筒制圈散热条件好。但只适用于有液压系统的钻机。 锥摩擦传 动式 此类升降机结钩比较简单，易损件少、结实耐用、但传动效率小，两摩擦锥面易进入泥浆、油污等，工作可靠性较差。只有少数窃孔及次深孔钻机使用 片式摩擦力合器传 动式 传动较锥摩擦式平稳，传动同样功率时结构尺寸较锥摩擦式小，但结构较锥摩擦式复杂，更换离合器片不 太方便。 用于钻机辅助升降机 液压传动式 可以实现无级调节升降机的速度和远距离自动控制，而且升降机结构大大简化。不足之处是液压马达要求加工 、装配精度高、不便野外修配。 行星轮传动式 与摩擦 传动式相比，在尺寸相同时，能传递较大功率以及获得较大的传动比；传动效率大；结构紧凑，传动平稳，操作灵活。 用于机械传动式钻机 因此，通过上述分析，我们选择行星轮式升降机作为 但 是，行星轮式升降机又分为两种：一种是 行星轮轴支撑在提升在制圈上，内齿圈与卷筒装在一起；另外一种是行星轮轴装在卷筒上，而内齿圈和提升制圈 连 在一起。 我们暂时选择第一种。 4 岩芯 钻机升降机的设计方案的确定 本次设计是在原有的 心钻机的基础上，利用所给的设计参数 进行计算，分别进行 ： 工作参数的 选择： 升降机的最大起重量 提升速度分为：最高缠绳速度 最低缠绳速度 第 2 章 设计总论 7 调速范围 R； 速度档数及中间速度。 抱闸 的受力分析： 下降制动力矩； 提升制动力矩； 手柄上的作用力； 抱闸 的发热验算： 抱闸 在制动过程中，将钻具和提升系统的动能全部转化为热能，这些热能会使 抱闸 和制圈的温度升高。这样会使摩擦系数降低，制动力矩减小，而且会使热应力增加，加剧摩擦材料的磨损，因此要对其进行发热验算，看是否能够男组要求。通过上述计算就可以知道升降机的最大起重量 、 提升速度 、 制动力 矩等等，我们就利用这些参数来选择升降机的主轴 、 行星轮系齿轮 、 支架 、 中心齿轮 、 行星轮轴等所有的零件型号和尺寸，进而绘制出总装配图。在经过一些软件来分析升降机的性能。 4 岩芯 钻机升降机的组成分析 4 岩芯钻机 升降机 主要 由卷筒、行星传动机构、水冷装置及抱闸 等 组成 。这些部件有着不同的外形特征和不同的作用，下面就 其 分别进行分析： 卷筒 卷筒是升降机的主要组成部分，它是提供提升动力与控制提升、下降速度的装置。它的形状如图 4 第 2 章 设计总论 8 图 24 岩芯钻机 升降机 卷筒 卷筒用两盘球轴承支承在升降机的中部 。左边有水套循环，它与水套轴构成水循环系统；右边部分与内齿圈采用热压法装在一起，卷筒缠绕钢丝绳所需要的动力就从这里输入。 行星轮系 升降机 设置 行星轮系的目的在于解决上升与下降时升降机轴要向不同的方向旋转的问题。采用此装置的另一个原因是由于它可以有精确的传动比、传动效率高、传动平稳、可以传动较大的力矩。在选择行星轮系的个数时，为了使系统不产生偏心现象，故行星轮系的个数为 3 个。它们分别用两盘球轴承活动装在三根行星轮轴上。三根行星轮轴互为 120 度夹角，均匀装在两行星轮支架之 间 。两个支架分别用球轴承装在中心齿轮两边的轴承径上。行星轮系的外行如图 1示： 第 2 章 设计总论 9 图 24岩芯钻机 升降机 行星轮系 水冷装置 由于升降机在下降过程中是以自身的重量为动力的，因此在下降一段时间后就会有较大的速度，为了减速，抱闸与制圈由于摩擦就会产生大量的热，这些热量如果不及时排除就会对升降机造成影响。所以 ，在卷筒和水套轴之间装水循环系统。另外，水冷装置还有一个作为水刹车的用途。 升降机轴 升降机轴是整个升降机运行主要动力传递的元件。它上面装有卷筒、水套轴等零件，另外，还有中心齿轮。中心齿轮与升降机轴用花键联接。选用花键联接是由于中心齿轮要传递较大的转矩。升降机轴的左部分空套装于水套轴的中心孔内，右部分用花键插入分动箱轴齿轮的花键孔内，动力由齿轮从分动箱传到升降第 2 章 设计总论 10 机轴。升降机轴的形状如图 1 图 2升降机轴 抱闸 升降机有两个抱闸，一付是制动抱闸，另一付是提升抱闸。其作用是通过抱紧制圈 产生摩擦力矩，从而制动或控制卷筒与提升制圈，并靠自身结构中产生的弹力松开抱闸，使抱闸与制圈间出现间隙。 a： 抱闸的原理图如图 1示： 图 2抱闸结构图 第 2 章 设计总论 11 b：抱闸的工作原理： 制动时，将手把下压，凸轮偏心厚面压向铜垫 5，迫使两制 块靠近，抱紧制闸 。 松开时，将手把上抬，凸轮偏心薄面压向铜垫 5，凸轮压力消除，在弹簧张力的作用下，使两制块放松制圈，并保持间隙。 在下降制动抱闸凸轮上有棘齿， 棘轮上装有棘爪 19。利用棘齿和棘爪可以使抱闸长时间处于制动状态，能使孔内钻具长时间处于孔内某一位置上。 为保证抱闸工作可靠，抱闸处于放松状态时，应和制圈保持适当而均匀的间隙，如果间隙过大，制动时动作迟缓，而且产生的制动力矩小，甚至使抱闸失灵；间隙过小，可能会造成分离不彻底。 4 岩芯 钻机升降机结构示意图 与工作原理分析 4 岩芯 钻机升降机的 结构示意图 通过对升降机的组成的分析以及对原有升降机的参考，我们就能确定升降机的零部件的装配情况和大致的 结构示意图 ，其 机构示意图 如图 1示 。 第 2 章 设计总论 12 图 2升降机结构示意图 4 岩芯 钻机升降机的工作原理分析 升降机在工作时有四种工作情况，分别是：提升钻具、制动钻具、下降钻具、微控制。 提升钻具 升降机在提升钻具时，提升抱闸 6 抱紧，同时将下降 抱闸 8 松开，则由于提升抱闸的抱紧作用，使得提升制圈和行星轮系 支架 的右部分通过键联接成的整体静止 ， 这样行星轮系此时为定轴轮系 。动力从分动箱传入到升降机轴 1，升降机轴带动中心齿轮转动 2，同时中心齿轮与行星齿轮 4 啮合；行星齿轮又与内齿圈5 啮合，从而带动卷筒 7 绕升降机轴转动绕绳，达到提升钻具的目的。 制动钻具 将提升抱闸 6 松开，下降抱闸 8 抱紧，则此时卷筒 7 静止不动，行星齿轮 4 自转 ，同时带动行星轮轴 3 与提升制圈公转，升降机轴空转。 下降钻具 同时将提升抱闸 6 和下降抱闸 8 松开，钻具在自重的作用下，卷筒反转松绳钻 具下降。控制下降抱闸的松开程度就可以控制钻具的下降速度，另外，还有微动操作，就是利用下降和提升抱闸联合动作，在短时间内实现提升、制动、下降的连续动作。 第 3 章 分析计 算 13 第 3 章 分析计算 4 岩芯 钻机升降机 齿轮的分析计算 齿轮总传动比的确定 因为 输入轴的最高转速 50 r/卷筒的最高转速 60 r/因为在升降机提升钻具时，行星轮系为定轴轮系，则可以根据公式 ： 12231212,i i 总，知： 3112124516i 总（ 3 式中： 升降机总传动比； 1i 第一级传动比； 2i 第二级传动比； 1z 中心齿轮齿数； 2z 行星齿轮齿数； 3z 内齿圈齿数。 选择齿轮材料和热处理，精度等级，齿轮齿数 考虑到传动功率大，要求结构紧凑，使用寿命长，由 谭庆昌编著机械设计表 6三个 齿轮材料用 40面淬火，齿面硬度 48 55齿轮 精度为 8级 ， 闭式软齿面齿轮；选中心齿轮的齿数 1=30z ， 选 1 ， 2 ，则 2 1 1 36z i z ， 3 84z 。 按齿根弯曲疲劳强度设计 先设计中心齿轮和行星齿轮 闭式硬齿面齿轮传动，承载能力一般取决于弯曲强度，故先按弯曲强度设计， 第 3 章 分析计 算 14 验算接触强度。 由式 13 212 F s S k T Y Y （ 3 因载荷有较重冲击，由表查得 K ，故初选载荷系数 2 665119 . 5 5 1 0 2 5 . 6 29 . 5 5 1 0 5 . 4 4 1 0493 m 由式 1211 1 . 8 8 3 . 2 ( ) c o （ 3算端面重合度 11 1 . 8 8 3 . 2 ( ) c o s 1 . 6 93 0 3 6 ； 由式 0 . 7 50 . 2 5 0 . 7Y ， （ 3 查表得： 1 1 2 2 由式 9116 0 6 0 4 5 0 1 1 8 3 0 0 2 0 1 . 3 0 1 0hN n j L （ 3 812 6 . 8 1 0 8336 0 6 0 1 6 0 1 1 8 3 0 0 2 0 4 . 6 1 0hN n j L 查表得： 1 2 由表选 m ， 由图按齿面硬度均值 51 m i n 1 l i m 2 450 P a， 则 l i m 1 11m i 0 0 . 8 9 3 2 0 . 41 . 2 5Y M P 第 3 章 分析计 算 15 l i m 2 22m i 0 0 . 9 1 3 2 7 . 61 . 2 5Y M P 1112 . 6 3 1 . 5 6 0 . 0 1 3 1 3 2 0 . 4F a S 2222 . 3 3 1 . 6 9 0 . 0 1 2 0 3 2 7 . 6F a S 取 1110 . 0 1 3 1F a S 设计齿轮模数： 将确定后的各项数值 代入设计公式，求得： 51 1 1 3322112 2 2 5 . 4 4 1 0 0 . 7 0 . 0 1 3 1( ) 3 . 3 5 0 . 7 3 0t F a S Y Y 修正 11 3 . 1 4 3 . 3 5 3 0 4 5 0 2 . 1 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0tm z nv m s （ 3 查表得： 1 . 1 5 , 1 . 0 6 , 1 . 2 , K1 . 5 1 . 1 5 1 . 0 6 1 . 2 2 . 1 9 K K K （ 3 33 2 . 1 93 . 3 5 3 . 4 02 （ 3 查表，选取第 一系列标准模数 。 所以齿轮的主要几何尺寸为： 11 1 0 5 ,d m z m m 22 126d m z m m 12( ) 1 3 22ma z z m m 1 0 . 7 1 0 5 7 3 . 5db d m m 取 2 75B 1 75B m m 较核齿面接触疲劳强度： 1212 1 H H E u （ 3 第 3 章 分析计 算 16 查得， 1 8 9 . 8 , 2 . 5 , 0 . 8 8 P a Z Z 按不允许出现点蚀，查得： 120 . 9 6 , 1 . 0 6 按齿面硬度均值 51M P 0 6 02 ，取 11l i m 1 11m i n 1 0 1 7 . 6 P （ 3 l i m 2 22m i n 1 1 2 3 . 6 P 将确定出的各项数值代入接触强度较核公式，得： 5122 2 . 1 9 5 . 4 4 1 0 4 . 1 91 8 9 . 8 2 . 5 0 . 8 8 7 5 3 0 3 . 1 9 （ 3 接触强度满足。 设计内齿圈 内 齿 圈的 输 出 功率 速 160r/ 闭式硬齿面齿轮传动，承载能力一般取决于弯曲强度，故先按弯曲强度设计，验算接触强度。 由式 13 232 F s S k T Y Y 因载荷有较重冲击，由表查得 K ，故初选载荷系数 2 665319 . 5 5 1 0 2 4 . 1 19 . 5 5 1 0 1 . 4 4 1 0160 m 由前面的设计可知，齿轮的模数 m=此内齿圈的模数也是 所以齿轮的主要几何尺寸为： 33 294d m z m m ； 1 0 . 7 1 0 5 7 3 . 5db d m m ； 取 3 75B 。 第 3 章 分析计 算 17 校核 齿面接触疲劳强度： 1232 1 H H E u 查得，
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