振动回转岩芯钻机动力头设计毕业设计说明书

1、湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计( 论 文 )题目振动回转岩芯钻机动力头设计作者 学院机电工程学院专业机械设计制造及其自动化学号0903010203指导教师 二一三 年 五 月 二十六 日摘 要动力头是振动回转岩芯钻机的核心部件，其性能的好坏直接决定了整机性能的好坏，而国内外关于该动力头的设计理论和方法却很少见，因此对振动回转岩芯钻机动力头的设计理论和方法进行研究迫在眉睫。本文首先介绍了振动回转岩芯钻机动力头的工作原理，技术特点和发展状况及前景。然后确定振动回转岩芯钻机动力头的总体参数，在分析了振动回转岩芯钻机工况的基础上，应用土力学和流体力学建立了各工况下钻进阻力矩的完整数学模型，为振动

2、回转岩芯钻机动力头的设计提供了理论依据。然后对振动回转岩芯钻机动力头关键部件的设计过程及校核进行了详细的说明。此动力头具有体积小，搬迁灵活，结构简单，安全性好，工作性能高，成本低，频率和振幅的可调性高，激振力足够大，平稳性高的特点。此动力头的设计对岩土钻掘工程技术的进步具有重要的意义。关键词：动力头；振动回转；岩芯钻机；液压马达 ABSTRACT Power head is the core component of vibration of rotary core drill, its performance is good or bad directly determine the ove

3、rall performance is good or bad, and the design theory and method about the power head at home and abroad are very rare, so the vibration of rotating core drill head design theory and method of research is imminent.This article first introduces the vibration rotary core drill head, the working princ

4、iple, technical characteristics and development status and prospects and then determine the overall parameters of vibration rotary core drilling power head, on the basis of analyzing the working condition of vibration of rotary core drill, the application of soil mechanics and fluid mechanics is est

5、ablished the complete mathematical model of drilling resistance moment, under the condition of vibration of rotary core drill head design provides a theoretical basis and key components of vibration turning core drilling power head design process and check the detailed description of the power head

6、has a small volume, move flexible, simple structure, good safety, high performance, low cost, high frequency and amplitude of the adjustable, vibration force is large enough, the smoothness of high characteristic.The head of design for rock and soil drilling and digging engineering technology progre

7、ss has the important significance.Key words: power head; Rotary vibration; Core drill; Hydraulic motor湖南科技大学本科生毕业设计（论文）目 录第一章 绪论11.1 研究振动回转岩芯钻机动力头的意义11.2 振动回转岩芯钻机动力头的工作原理及特点11.2.1 动力头的工作原理简述11.2.2 动力头的结构特点11.3 振动回转岩芯钻机的现状与展望21.3.1 振动回转岩芯钻机的现状21.3.2 振动回转岩芯钻机的展望3第二章 振动回转岩芯钻机动力头总体参数的确定42.1 振动回转岩芯钻机动力头传

8、动方案的选择42.1.1 回转部分传动方案42.1.2 振动部分传动方案52.2 振动回转岩芯钻机动力头回转参数的确定52.2.1 回转扭矩的确定52.2.2 回转速度的确定92.3 振动回转岩芯钻机动力头振动参数确定102.3.1 振动频率的确定102.3.2 激振力的确定122.4 振动回转岩芯钻机动力头液压系统参数的确定132.4.1 回转驱动马达参数的确定132.4.2 振动驱动马达参数的确定15第三章 振动回转岩芯钻机动力头关键部件设计与校核173.1 箱体的设计173.1.1 箱体材料的选定173.1.2 箱体的结构设计183.2 轴的设计203.2.1 振动轴的设计213.2.2

9、 中间轴的设计233.2.3 振动轴的设计及强度校核243.2.4 回转主轴的设计253.3 齿轮的设计283.3.1 驱动齿轮的设计283.3.2 过渡齿轮的设计313.4 同步带轮的设计353.5 同步带的设计373.6 轴承的设计423.6.1 轴承类型的选择423.6.2 轴承固定形式的选择433.6.3 轴承型号的选择463.7 回转支承的设计473.8 偏心轴的设计51第四章 经济性分析52第五章 设计总结56参考文献57致 谢58ii第一章 绪论1.1 研究振动回转岩芯钻机动力头的意义 目前国内对振动回转岩芯钻机的研究越来越重视，但技术不是很成熟，与国外相比仍然有一定的差距。国家

10、政策倡导节约型社会，环境友好型社会，很多的企业正在争先恐后的贯彻实施这一政策，纷纷加大对产品结构转型，以及机器创新等方面的投入。目前国内的振动回转岩芯钻机存在很多的不足，主要体现在体积庞大，笨重，结构复杂，所以导致搬迁困难，浪费材料，成本高，适应环境的能力差，在施工处对环境的破坏性大。其次是振幅、频率的可调性低，激振力不够大，平稳性低。而动力头是振动回转岩芯钻机的核心部件，它的好坏直接影响到整台机器的好坏。所以，对研究出一台体积小，结构简单，振幅、频率可调，激振力足够大，平稳性高的振动回转岩芯钻机动力头迫在眉睫。1.2 振动回转岩芯钻机动力头的工作原理及特点1.2.1 动力头的工作原理简述 回

11、转马达通过一对传动比很小的齿轮对回转主轴实行驱动，实现主轴的低速回转，此转速不需要很大，因为如果太大，钻头跟岩土层的摩擦产生的热量会很大，这样会加大钻头的磨损。振动用偏心轴的回转实现，偏心轴振动的频率就是动力头振动的频率，偏心轴采用两根，把它们平放在主轴的两侧，它们的回转方向相反，之间通过一对传动比为1的齿轮和同步带连接，振动液压马达直接驱动其中的一根轴，这样两根轴在水平方向的振动力抵消，从而实现钻机的平稳。而在竖直方向的振动力叠加，振动力增加一倍，从而能得到很大的激振力。1.2.2 动力头的结构特点 箱体采用钢板焊接而成，大大缩短了制造周期，强度也大为提高。采用液压马达驱动，运动平稳，噪声低

12、，能实现无极调速。液压马达的轴直接与振动轴连接，这样省去了传动中间部件，大大简化了动力头的结构，维修方便，也减小了箱体的体积，从而克服了动力头笨重的缺点。主轴需要承受的扭矩比较大，采用空心结构，力学性能大大提高。1.3 振动回转岩芯钻机的现状与展望1.3.1 振动回转岩芯钻机的现状(1) 国外状况 国外用于地质调查的全振动岩芯钻机的发展是伴随钻探技术在地质调查工作中应用领域的拓展和钻探方法工艺的进步而发展的。振动回转岩芯钻机是为实现各种钻探方法工艺服务的。另外，其发展还受钻探作业环境(如地理位置、交通运输、气候、地质条件与供水等)的影响和制约。国外地质矿产勘查用振动回转岩芯钻机，除保留有一部分

13、经改进的传统立轴式钻机外，已大量采用顶驱式(动力头钻机)。其特点是回次进尺长，自动化、机械化程度高。具有代表性的有：阿特拉斯的CSl0、CSl4、CS300l、CS4002，宝长年公司的LF70、LF90、LFl40、LF230等地表取心钻机，均具有长行程给进、无塔升降钻具、无级调速、机械化程度高、配套器具齐全、生产效率高等优点。经改进的新型立轴式岩芯钻机有：俄罗斯的cKB一4、cK6-5型钻机，采用双卡盘实现不停钻倒杆；采用直流电机实现无级调速；钻深从25-3000m已形成完整系列。日本的TDP一100、P100等型钻机采用上、下液压卡盘结构，实现了钻进过程中的不停车倒杆，自动连续给进，并通

14、过改进结构提高了钻机的工作可靠性。日本NLC公司的NL一55、L一44、L一38、L一24系列型号立轴式钻机，主要特点是加大了立轴通孔直径，达到148mm；与钻塔设计融为一体，质量大，自动化程度较高。(2)国内状况1949年以前国内振动回转岩芯钻机几乎全部是由国外引进，20世纪50年代初期大量从苏联引进当时并不先进的手把式钻机，50年代中期，国内开始仿制，60年代开始自行设计钻机，如XY、YL、MK、TK等系列。70年代开始全面推广金刚石钻进技术，促进了我国地质岩芯钻机的研制与制造业的发展，80年代就基本满足国内地质矿产调查的需要，并有部分向外出口。我国从20世纪60年代就开始研制液压传动钻机

15、，但由于当时国产液压元件质量不过关等原因而未能形成生产力。改革开放以来，从美、德等国引进了多种名牌液压元件生产线，使国产液压元件的品种增多，质量有了大幅度提高，我国已具备了研究传动钻机的良好物质基础和技术准备。进入21世纪，国内的有关研究机构与钻探机械厂先后研发出了的地表岩芯钻机以满足市场的需求，主要产品有：2005年中国地质科学院勘探技术研究所与北京天和众邦勘探技术有限公司联合研发成功的YDX一3型岩芯钻机、2005年底山东省地质探矿机械厂研发的XD一5型、2006年底连云港黄机械厂有限公司研制的HYDX一5型等。国内研制成功的这几款岩芯钻机特点均顺应国际钻探设备的发展趋势，属于同一档次，钻

16、探能力相差不多，具有化、给进行程长、无级调速、机械化程度高等优点。但与国外岩芯钻机相比，还未形成系列化，可靠性不够高，无相应的国家标准等。1.3.2 振动回转岩芯钻机的展望 随着技术的不断进步,岩心钻探设备的发展伴随着引进技术的消化吸收、基础工业元器件水平的提高、钻探工艺发展对设备的要求而不断发展提高。为此，振动回转岩芯钻机的发展方向主要有三个：第一，小型化发展。因为勘探主要是在一些比较偏远的山区，经济落后，交通不便，而钻机本来就比较笨重，搬迁困难。而且，在山区地势陡峭，灌、木乔密布，为了保护环境又不能砍伐，安放钻机的空间有限。所以，对于小型岩芯钻机的需求十分迫切。第二，巨型化发展。在一些经济

17、发达，交通便利的平原地区，有些时候需钻进深度非常高，或者工作的时间非常长，为了提高钻进效率，这就需要大功率的大型钻机。第三，智能化发展。随着计算机技术的飞跃发展，计算机技术参透到社会的各个领域，当然，勘探领域也不例外，用计算机控制钻机，不仅能减轻施工人员的劳动强度，而且能提高工作效率，动作更加灵活、准确，甚至在不久的将来有可能发展机器人钻机。第二章 振动回转岩芯钻机动力头总体参数的确定2.1 振动回转岩芯钻机动力头传动方案的选择2.1.1 回转部分传动方案从回转驱动液压马达直接出来的速度是比较大的，而主轴需要的速度是比较小的，要得到较小的速度，就必须经过减速，能减速的结构很多，比如减速器，皮带

18、传动，齿轮传动等。此动力头要求传动的效率高，结构紧凑，体积小，重量轻。下面是两种比较成熟的方案供选择，如2-1图所示。方案一方案二图2-1 回转部分传动方案方案一：马达驱动齿轮装在液压马达轴上，驱动齿轮直接带动回转支承外圈。这样结构紧凑，简单，体积小，占用的空间小，节约材料，成本低，重量轻，比起用减速器，起码能减轻50%的重量。因为只有一级齿轮传动，所以传动的效率非常高，能达到99%以上。方案二：采用减速器进行减速，减速器连接在液压马达与回转支承之间，与方案一相比，结构复杂的多，里面有两级齿轮，传动比可能比方案一更小，即能获得更好的减速效果。但是，液压马达本身就能控制很大的转速范围，所以根本就

19、没必要是用减速器。而且，体积大，占用的空间大，成本高，重量也笨重；传动的齿轮级数越多，传动的效率越低。比较上述两种方案，根据动力头的结构特点，选择方案一。2.1.2 振动部分传动方案 激振力来自偏心轴的回转，激振力的大小和频率完全由偏心轴的转速决定，显然，岩心钻机在钻进的过程中，需要足够大的激振力和频率。所以不需要减速，液压马达直接与偏心轴连接，为了让振动平稳，激振力只在竖直方向上，采用两根偏心轴，它们的转速大小相等，方向相反。它们对称分布于回转主轴两侧，所以它们的间距是比较大的。它们之间的传动现有两种方案可供选择：方案一方案二图2-2 振动部分传动方案 方案一：为了实现两根偏心轴转速大小，方

20、向相反，中间采用一对传动比为1的齿轮传动，接着用同步带传动，两带轮的大小相等。它们之间也就是两级传动，比起方案二，它传动的效率要高些，齿轮传动实现转动的方向相反，同步带实现远距离传动。同步带比齿轮便宜些，成本低；更换方便，维修方便。方案二：此方案采用两对齿轮传动，每个齿轮是相同的，即传动比都为1，同样能实现两根偏心轴转速大小相等，方向相反。但是，两根偏心轴的跨距比较大，齿轮不易实现远距离传动，如果要实现远距离传动，则需加大齿轮的半径，而齿轮半径加大，就意味着容纳齿轮的箱体的体积也要变大，这显然与我们需设计的动力头相悖，而且制造齿轮的成本比制造同步带的成本高；更换，维修也不方便；传动的级数比方案

21、一多，所以传动的效率也比方案一低。根据两种方案的比较，选择方案一。2.2 振动回转岩芯钻机动力头回转参数的确定2.2.1 回转扭矩的确定 回转扭矩确定之后，才能进行主轴的设计和校核，以及回转马达的选择。钻杆受到的阻力主要有两个，一个是钻头与底部岩土的切削摩擦产生的扭矩、光杆部分受到水泥浆的粘滞阻力矩。 (1)钻头与底部岩土的切削摩擦产生的扭矩钻头受到的阻力有两种：一种是钻头刀刃的切削阻力，一种是钻头与岩土层的摩擦阻力。刀刃单位长度阻力可按式(2.1)计算： (2.1)式中，-刀刃单位长度的阻力； -刀刃单位长度的切削阻力；-钻头与岩石的滑动摩擦系数，取0.5；-钻具在刀刃单位长度上产生的压力。

22、 (2.2)-钻进速度；-钻杆转速；-切削比阻力，取400KPa。其选取方法如表21、表22，取土壤等级为级。表21 土壤等级分类 土壤等级 (kPa)5080100150200260400 表22 土壤等级特点砂，轻软质土，轻和中等温度的松散质土，种植土粘质土，中细沙砾，轻湿或松散软粘土密实粘土质，中等粘土，重湿度或松散粘土，软泥炭含碎石或卵石的粘土质，重的或很重的湿粘土，有少量杂质的石砾堆积物代入数据有： (2.3) -能使钻刃压入孔底土层的最小轴向压力，由土层的抗压强度、钻刃的磨损程度等因素决定。其值可近似地用下式求出： =(3050)R(kN)(其中R=47mm为钻头半径)，其孔径小时

23、取小值，孔径大时取大值，此处计算应取大值, 取500.047kN2.35kN。因此，可得： 所以：； (2.4) (2)光杆部分受到水泥浆的粘滞阻力矩 设内圆半径R1，外圆半径R2，内圆旋转角速度为，外圆固定，则两圆筒之间的水泥浆以同心圆筒层形式旋转，如图2-3。图 2-3 用w表示半径为r的中间任一液层的角速度，显然此液层的角速度梯度为相应的线速度梯度为设圆筒高度为h，则可求侧面积：S=2rh (2.5)所以有： (2.6)变量分离： (2.7)根据钻杆的情况，有：时时两边分别积分，有： (2.8) 有： (2.9) 所以： (2.10)式中：钻杆转速= 62.8rad/s；钻杆长度=10m

24、钻杆半径=44.5mm；孔半径=47mm取水泥浆黏度=18 ，如表2-3所示。表2-3 水泥浆的基本性能水灰比粘度(10-3Pa.s)密度g/cm3凝胶时间结石率%抗压强度(Mpa)初凝终凝3d7d14d28d0.5:11391.867h41min12h36min994.146.4615.3022.000.75:1331.6210h47min20h33min972.432.605.5411.271:1181.4914h56min24h27min852.002.402.428.901.5:1171.3716h52min34h47min672.042.331.782.222:1161.3017h7

25、min48h15min561.662.562.102.80 所以得： 最终得到的钻杆阻力矩之和为：2.2.2 回转速度的确定 钻头的回转速度是动力头的一个重要参数，它的选取关系到钻进的效率，钻头的寿命和取到岩芯的完整程度，过快或者过慢对它们都不利。选择钻头转速的主要依据是岩石的性质和破岩的时间效应影响，实践表明，在软岩层中钻进时提高转速的效果最明显；在中等硬度、研磨性较小的岩层中钻进时，由于破岩的时间效应影响显著，所以钻进的速度并不随转速的增大而增大。也就是说对于较软的、研磨性较小的岩石，可以用增大转速的办法来提高转速；而在硬的、研磨性较强的岩石中，转速过高不仅不能提高钻进的效率，而且对钻进过

26、程有害。表2-4 硬质合金切削具的线速度推荐值岩 石 性 质 线速度取值范围(ms)软的、弱研磨性岩石1.21.6中硬的、具有研磨性的岩石0.91.2中硬-硬的研磨性岩石0.60.8裂隙性岩石0.30.6表2-5 表镶和孕镶金刚石钻头适用的转速 (单位：r/min)钻头直径 (mm) 364656(59)6675(76)91 表镶钻头65013005001000400800350650300550250500 孕镶钻头10002000750150060012005001000400850350700资料来源：岩土钻掘工程学综合上述考虑，选取金刚石表镶钻头，钻头的回转速度为2.3 振动回转岩芯钻

27、机动力头振动参数确定2.3.1 振动频率的确定 目前关于振动的理论很多，我们采用其中的一种来对动力头的振动频率进行分析，我们将钻具当做是一个均匀的刚体，把土层看做是一个弹性支撑体，钻具和岩土层组成一个具有单自由度的振动体系。当动力头上的振动器的强迫振动频率接近该振动体系的自振频率，该振动体系会产生最大的纵向振动振幅，也就是我们所熟悉的共振，其模型简化成如图2-4所示。此振动系统的微分方程为： (2.11) 式中： x-振动时产生的垂直位移；M-钻具的总重量；-土层的阻尼系数；-土层的弹性系数；-振动器的激振力；-振动器的激振频率；-时间。图2-4 共振理论模型图 振动系统的固有频率为： (2.

28、12) 根据天然地基土的抗压刚度计算方法得到土层的弹性系数： (2.13)式中：-钻柱端部的当量抗压刚度系数()；-钻柱截面积，即钻杆的最大直径的截面积()。以下为横波波速经验公式： (2.14) 式中：-土层的弹性模量；- 土层的泊松比，砂土可取0.20.25，粘性土可取0.250.42，淤质粘土可取0.5。一些典型土层的密度及弹性模量如表2-6所示。表2-6 典型土层密度及弹性模量表土层类别密度()弹性模量()素填土1.854粉质粘土28.7粉砂220.8强风化泥岩2.1170强风化粉砂岩2.16200中风化砂岩2.181000 表2-6中，土的密度的平均值为，上表是根据一般天然岩土层从上

29、到下的分布顺序排列的，从上到下依次为素填土、粉质粘土、粉砂、强风化泥岩、强风化粉砂岩、中风化砂岩，假设每个岩土层的厚度为5m，则钻进过程中共振频率随深度变化经计算统计如表2-4所示。表2-7 典型土层分布下共振频率随深度变化表地层编号地层名称钻进深度(m)共振频率(Hz)1素填土51822Hz2粉质粘土102025Hz3粉砂152530Hz4强风化泥岩206065Hz5强风化粉砂岩256575Hz6中风化砂岩30125140Hz 选取钻杆的长度为10m，外径为89mm，内径为69mm，材料为铝合金，质量为28Kg。则钻杆的横截面积为： (2.15) 考虑到钻杆的长度为10m，取芯的深度有可能到

30、达粉砂层，强风化泥岩，所以取弹性模量系统的固有频率为：振动头的频率等于振动马达的转速，液压马达的实际工作中转速不宜过高，否则会严重缩短马达的寿命，常用的低速大扭矩马达转速一般不超过2500r/min，高速马达一般正常工作转速适宜在大约4000r/min左右。综合上述考虑，取振动头的振动频率为：2.3.2 激振力的确定 动力头的激振力也是岩芯钻机动力头的一个重要的参数，为岩芯钻机的钻进提供了动力，激振力的最大值应和钻杆完全钻进时的钻具和钻具上土的重量之和相当，因此假设钻杆的螺旋叶片上土的分布均匀。则激振力可由下式获得： (2.16) 式中：-土层密度，这里取平均密度；R2-钻杆外径；R1-杆芯直

31、径； -钻杆长度；-岩土在螺旋叶片上的填充系数，这里取0.7；-为钻杆自重；-为回转振动动力头重量。表2-8 计算激振力时所需参数参数R2R1值0.0445m0.0345m10m0.728Kg237.4Kg将表格2-8的参数代入得： =2609.58N 上述是需要的最小激振力，及2609.58N，所以取=3000N。2.4 振动回转岩芯钻机动力头液压系统参数的确定2.4.1 回转驱动马达参数的确定 前面在2.2节已经确定了钻头的回转速度为500rmin，然后确定马达驱动齿轮与回转支承的传动比，传动比是(确定过程将在3.7节详细说明)，则回转驱动马达的转速。表2-9列出了马达的种类以及它们的结构

32、特点和适用范围。表2-9 液压马达的种类及主要特点齿轮马达叶片马达轴向柱塞马达球塞式马达内曲线马达结构简单，制造容易，但输出的转矩和转速脉动性较大，但当转速高于1000rmin时，其转矩脉动受到抑制，因此，齿轮马达适用于高转速，低扭矩情况。结构紧凑，外形尺寸小，运动平稳，噪声小，负载转矩小。结构紧凑，径向尺寸小，转动惯量小，转速高，易于变量，能用多种方式自动调节流量，适用范围广。负载转矩大，径向尺寸大，使用与速度中等工况。负载转矩大，转速低，平稳性好。资料来源：液压传动动力头的尺寸要求尽量要小，所以选择径向尺寸小的液压马达，转速为2825rmin，是属于高速范围，而且还要求可调性高，所以我们选

33、择轴向柱塞马达作为我们的回转驱动马达。采用型号GY-A2F45R2P1斜轴式轴向柱塞定量马达，贵州力源液压股份有限公司，它的特点是具有固定的排量，在开式或闭式系统中作静压传动，输出转数和排量成正比。输出扭矩随高压侧与低压侧之压差的增大而增大。缸体与配油盘采用球面配油，在旋转中能自动对中，圆周速度较小，效率高；驱动轴能承受径向负荷；噪音低。它的结构剖视图如图2-5所示。 图2-4 回转驱动马达的法兰和后盖1-油封2-前盖3-主轴 4-卡盘 5-柱塞组件6-弹簧 7-中心杆 8-转子 9-分油盘图2-5 回转驱动马达结构剖视图 回转马达的连接法兰和后盖如图2-4所示。 表2-10为回转驱动马达的参

34、数。表2-10 回转驱动马达的参数项目规格排量Vg(mL)最高转速(rmin)最大功率Pmax(kw)重量(kg)扭矩M(Nm)值4544.345007123702.4.2 振动驱动马达参数的确定 前面已经确定了振动头的振动频率为，因为振动驱动马达的轴直接与偏心轴相连，所以振动驱动马达的旋转速度就等于振动频率，得振动驱动马达转速为，同样属于高速范围，选取依据跟选取回转驱动马达类似，所以同样选取轴向柱塞马达。图2-6是选取的振动马达的外形尺寸参数a)外形尺寸b)法兰尺寸图2-6 振动驱动马达外形参数 图2-6振动驱动马达是F11-5(CETOP型式)，为派克汉尼汾液压系统(上海)有限公司生产。特

35、点是结构紧凑，噪声低，工作效率高，输出的扭矩大。表2-11为马达性能参数。表2-11 振动驱动马达性能参数项目名称排量 ()工作压力(bar)工作转速(rpm)重量(kg)值4.942050120005 图2-7是振动驱动马达的剖视图。 1-转子壳 2-配油盘 3-缸体4-带O型的导向隔套5-齿轮6-轴7-轴承壳体 8-油封 9-输出轴 10-活塞图2-7 振动驱动马达剖视图第三章 振动回转岩芯钻机动力头关键部件设计与校核3.1 箱体的设计箱体是振动回转动力头的一个最重要的部件之一，它的主要作用是：(1)箱体支承并且包容各种传动和工作零件，例如齿轮、振动轴、偏心轴、主轴、轴承、同步带轮，同步带

36、，回转支承等，并对它们起到固定和定位的作用，使它们能够保持正常的运动关系和运动精度。另外，箱体还可以储存润滑油，实现各种运动零件的润滑；还可以防止灰尘，外物的进入对运动和传动的干扰。 (2)箱体可以起到安全保护的作用，保护机器操作者的人生安全，并有一定的隔振、隔热和隔音作用。 (3)箱体使机器各部分分别由独立的箱体组成，各成单元，便于加工、装配、调整和修理。 (4)改善机器造型，协调机器各部分比例，使整机造型美观。3.1.1 箱体材料的选定 可以制作箱体的材料很多，有木质的材料，塑料，铝合金，普通碳钢，合金钢和铸铁等等。箱体的分类有很多种，这里我们按制作的方法分类，可以分为以下几种： (1)铸

37、造箱体，常用的材料是铸铁，有时也用铸钢、铸铝合金和铸铜等。铸铁箱体的特点是结构形状可以较复杂，有较好的吸振性和机加工性能，常用于成批生产的中小型箱体。 (2)焊接箱体，由钢板、型钢或铸钢件焊接而成，结构要求较简单，生产周期较短。焊接箱体适用于单件小批量生产，尤其是大件箱体，采用焊接件可大大降低成本。 (3)其它箱体，如冲压和注塑箱体，适用于大批量生产的小型、轻载和结构形状简单的箱体。 显然，木质材料和塑料首先可以排除，因为他们的强度耐热程度不够，如果使用会造成箱体破裂，造成经济损失，甚至威胁到人生安全。铝合金的材质太轻，吸振性不强，而且焊接性能不够好，所以，我们也排除。然后我们再在后面的普通碳

38、钢，合金钢，铸铁三种当中做精选，我们又从制作的方法来考虑，首先第三种不是我们考虑的范围，应排除，而铸造的吸振性虽然最好，但是制作周期太长，工艺复杂，经济性差，所以我们也不考虑。最后我们选择的制作方法是焊接。这样我们又把铸铁排除，再考虑到普通碳钢的强度和抗疲劳强度都没有合金钢强，所以我们采用合金钢。在合金钢里面，我们选择应用比较广泛，成本比较适中的低合金钢Q345B，B表示质量等级，常温( 20)下做韧性试验。Q345又可以分F、b、z三种，分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇定钢。A级和B级钢各有F、b和Z三种脱氧方法，C级钢只有镇静钢，D级钢只有特殊镇静钢。沸腾钢是脱氧不完全的钢，塑性和韧性较差。用

39、这种材料制成的焊接结构，受动力载荷作用时接头容易出现裂缝。不宜在低温下工作，有时会产生硬化现象。相比之下，镇定钢质优而匀，塑性和韧性都好。表3-1为Q345B的一些常用参数。表3-1 Q345B的性能参数参数弹性模量 (EGpa)泊松比() 抗拉强度()密度(kg)值2002100.250.333755007.93.1.2 箱体的结构设计 动力头箱体的形状和尺寸主要由箱体内部零件及内部零件间的相互关系来决定，箱体的结构设计主要注意以下几个问题：(1)满足强度和刚度要求。振动头箱体要承受强大的激振力，所以满足强度是一个重要的问题。(2)因为箱体的刚度不仅影响传动零件的正常工作，而且还影响部件的工

40、作精度，所以要满足一定的刚度。 (3)散热性能和热变形问题。箱体内零件摩擦发热使润滑油粘度变化，影响其润滑性能；温度升高使箱体产生热变形，尤其是温度不均匀分布的热变形和热应力，对箱体的精度和强度有很大的影响。 (4)结构设计合理。如支点的安排、筋的布置、开孔位置和连接结构的设计等均要有利于提高箱体的强度和刚度。 (5)工艺性要好。包括毛坯制造、机械加工、造型好、质量小、装配调整、安装固定、吊装运输、维护修理等各方面的工艺性。根据上面的几个问题，用Solidwords三维软件初步设计动力头箱体的大体结构如图3-1所示。下一步就进入零件的安放设计。 如图3-2所示，三块立板有三对孔，从右到左依次为

41、装振动轴孔，装中间轴孔，装振动轴孔。两个立孔从前到后依次为装回转驱动马达孔，装回转主轴孔。 俯视 上视图3-1 箱体大体结构图 图3-2 考虑安放零件后箱体大体结构图1-前侧板 2-后侧板 3-右侧板 4-后立板 5-前立板 6-中间横板 7-前侧板图3-3 最后设计箱体成型图 最后设计成如图3-3所示箱体图，用7块板焊接而成。表3-2为各板的厚度。 表3-2 箱体各板厚度钢板名称1234567厚度值(mm)202020161620203.2 轴的设计轴的设计应满足如下准则： (1)根据轴的工作条件、生产批量和经济性原则，选取适合的材料、毛坯形式及热处理的方法。 (2)根据轴的受力情况，轴上零

42、件的安装位置，配合尺寸及定位方式，轴的加工方法等具体的要求，确定轴的合理结构形状及尺寸，即进行轴的结构设计。 (3)轴的强度计算或校核。3.2.1 振动轴的设计 (1) 振动轴的设计 振动轴的作用是传递振动驱动马达传递过来的运动和扭矩，支承振动轴，即承受弯矩。根据工作条件，选振动轴的材料为45Cr，调制处理。初步设计成的振动轴如图3-4所示。图3-4 振动轴AB段用来连接振动液压马达，采用矩形花键连接，主要是为了装配方便，提高连接强度；BC段和DE段为轴颈，用来安装轴承固定在箱体上，CD段用来安装偏心轴，EF段用来安装过度齿轮；最右侧的螺纹孔用来使过度齿轮轴向定位。根据设计好了的箱体，各段轴的

43、长度和直径确定如表3-3所示。表3-3 振动轴的长度及其尺寸各段名称长度值(mm)23301403424直径(mm)3435403532(2) 振动轴的强度校核 1) 振动轴受到的力主要是扭矩和弯矩，根据工作条件，扭矩的值应该不是很大的因为它只需转动，负荷只是偏心轴的转动，但是启动瞬间的扭矩很大，前面液压马达的型号已选。为了保证工作安全，必须用振动液压马达的最大扭矩来校核振动轴。液压马达的扭矩按下面的公式计算： (3.1)式中：-排量()；-压差(bar)； -机械效率。前面选择液压振动驱动马达时已知，为4.9；因为出口压力很小，一般都小于10bar，所以我们假设压差就为工作压力为420，机械

44、效率取0.85，则扭矩为： 下面用振动轴的最小直径32mm来进行强度校核。轴的最小直径的确定是按下面的的公式进行的： (3.2)式中：-许用扭转切应力(MPa)； P-功率(kW)；-转速()。查机械设计第八版表15-3，得40Cr得范围是11297；的范围是3555MPa。对于功率，仍然按液振动压马达的最大功率来算，式(3.3)为振动液压马达功率的计算公式。 (3.3)式中：-总效率(，为容积效率，取0.8，则=0.80.85=0.68)；q-流量()。 得：。 取100，则，所以轴在承受扭矩方面是安全的。 2) 振动轴的弯矩主要是来自偏心轴的离心力，偏心轴几乎套在了整个轴上，在工作过程中轴

45、的弯曲程度是非常微小的，在受力分析的过程中，为了方便，我们忽略轴的弯曲，这样轴的受力模型简化图3-5所示。图3-5中，为离心力，有，。已知偏心轴的偏心距为，质量为(在3.8偏心轴的设计中将进行详细的说明)。 (3.4) (3.5) 得： 图3-5 轴的受力简化模型 和就相当于作用在轴上的剪切力，得作用在BC段和DE段的切应力为：1.15MPa远小于，所以校核通过。3.2.2 中间轴的设计 (1)中间轴主要是传递运动，支承过度齿轮和同步带轮，同样选择40Cr作为中间轴的材料，调制处理，根据已设计好的箱体的结构，设计的中间轴如图3-6所示。AB段和DE段为轴颈，用来装配滚动轴承，装配在箱体上，BC

46、段用来装配过度齿轮，CD段用来装配同步带轮。各段的长度和直径如表3-4所示。 表3-4 中间轴各段得长度及其直径各段名称长度值(mm)26242420直径(mm)30323230图3-6 中间轴 (2)同样用振动驱动马达的最大扭矩来校核中间轴的扭矩强度，这里最小的直径是30mm，远大于14mm，所以在扭矩方面是安全的。因为中间轴的任务就是传递运动，几乎没承受什么弯矩，也就是说在弯矩方面也是安全的，没必要校核。3.2.3 振动轴的设计及强度校核振动轴的转速大小和振动轴的转速大小相等，而且必须相等，方向相反，它们对称分布于主轴两侧。所以振动轴的结构和振动轴的结构类似，只不过它是传递运动的终结者，它

47、不再传递运动给任何部件，而振动轴既要接受来自振动驱动马达的运动，还要传递运动给中间轴。比起振动轴，它不再需要右端的矩形内花键部分和装过度齿轮部分。还是选择40Cr作为振动轴的材料，调制处理。两端安装轴承部分的直径及安装偏心轴的直径及长度和振动轴相等。振动轴所承受的扭矩应该比振动轴所承受的扭矩要小，而所承受的弯矩应该和振动轴几乎一样大，因为两个偏心轴的质量和偏心距一样大，所以没必要再进行强度校核。振动轴的形状如图3-7所示。图3-7 振动轴 各段的长度和直径大小如表3-5所示。表3-5 振动轴的各段长度及其尺寸各段名称长度值(mm)191406119直径(mm)354035323.2.4 回转主

48、轴的设计(1) 回转主轴的设计回转主轴是动力头最重要的部件之一。作为动力头的执行件，它的功能是支承并带动钻柱实现回转钻进，用回转驱动马达通过回转支承进行驱动，下端与钻柱连接，上端通过法兰孔径向固定在箱体上盖板上。下面是回转主轴设计的几点要求：1) 旋转精度。回转主轴的旋转精度指的是在装配以后，在零载荷、低速转动的条件之下，在连接钻柱的主轴部位的径向和端面圆跳动。旋转精度主要取决于主轴，回转支承，箱体孔等的制造，装配和调整精度。例如回转支承的圆度，回转支承的滚道及滚子的圆度，主轴以及随其回转零件的动平衡等因素，均可造成径向圆跳动。回转支承的支承端面、主轴轴肩以及相关的零件端面对主轴回转中心线垂直

49、度误差，推力轴承滚道以及滚动体误差等会造成回转主轴的端面圆跳动。旋转精度误差会缩短主轴及回转支承的寿命，所以旋转精度是回转主轴设计的一项重要指标，在设计过程中，应引起足够的重视。2) 抗振性。主轴部件的抗振性指的是抵抗受迫振动和自激振动的能力。在工作过程中，主轴部件不仅受到静态力作用，同时还受冲击力和振动力的干扰，使主轴产生振动。回转主轴的抗振性不高，同样会缩短主轴和回转支承的使用寿命。在设计回转主轴的过程中，同样不能忽略。3) 温升和热变形。回转主轴在工作过程中，由于回转支承的摩擦生热，使主轴的温度升高。温度升高后会使润滑油的粘度降低，对回转主轴的工作性能产生一定的影响。4) 精度保持性。回

50、转主轴的精度保持性指的是长期保持其原始制造精度的能力。回转主轴丧失其原始制造精度的主要原因是磨损，主要是回转支承的磨损。磨损的速度与摩擦的种类有关，还与结构特点、材料的热处理方式、表面粗糙度、润滑、防护以及使用条件等许多因素有关。所以要想长期保持主轴部件的精度，就必须提高回转主轴的耐磨性。对耐磨性影响较大的因素主要有回转主轴的材料、轴承的类型、轴承的材料及润滑防护方式等。回转主轴的传动方式主要有带传动、齿轮传动、液压马达直接驱动等。对于主轴传动方式的选择，主要取决于主轴的转速、对运动平稳性的要求、所传递的转矩、以及结构紧凑、装卸维修方便等要求。这里要求动力头的设计要求结构简单、紧凑，而且主轴承受的扭矩较大，要求能承受较大的振动力，回转的速度比较高。由于齿轮传动的特点是结构简单、紧凑，能传递较大的转矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。所以，回转主轴的传动方式应采用齿轮传动。如图3-8