第六章回转器

1、 回转器是钻机的重要工作机构回转器是钻机的重要工作机构, ,主要功用如下主要功用如下: : 1.1.带动钻具回转带动钻具回转, ,提供钻头破岩所需的转矩和转速提供钻头破岩所需的转矩和转速; ; 2.2.导正钻具方向导正钻具方向; ; 3.3.实现变角实现变角, ,以适应钻进不同倾角的钻孔以适应钻进不同倾角的钻孔; ; 4.4.处理孔内事故处理孔内事故. . 1.1.回转器的转矩及转速要有较宽的调节范围回转器的转矩及转速要有较宽的调节范围; ; 2.2.具有良好的导向性具有良好的导向性; ; 3.3.具有一定的变角范围具有一定的变角范围, ,可钻进设计范围内的不同倾角的钻孔可钻进设计范围内的不同

2、倾角的钻孔; ; 4.4.应保证主动钻杆既可转动应保证主动钻杆既可转动, ,又不防碍在给进机构的带动下作轴向运又不防碍在给进机构的带动下作轴向运 动动; ; 5.5.最好具有最好具有1-21-2个反档个反档, ,以满足特种工作的需要以满足特种工作的需要; ; 6.6.运转平稳，振动和噪音小。运转平稳，振动和噪音小。 (1) 给进机构组装在回转器的箱体上，和回给进机构组装在回转器的箱体上，和回 转器构成同一个拆装部件、保证了卡盘与回转转器构成同一个拆装部件、保证了卡盘与回转 器的同心度器的同心度; (2) 有一根长的立轴，导向性好有一根长的立轴，导向性好; (3) 变角范围大，可钻任意倾角的钻孔

3、变角范围大，可钻任意倾角的钻孔; (4) 采用悬臂式安装，增加了钻机的重心高采用悬臂式安装，增加了钻机的重心高 度度; (5) 立轴的通孔较小，提下钻具时，回转器立轴的通孔较小，提下钻具时，回转器 需要让离孔口需要让离孔口; (6) 不能用于拧卸钻杆，需要另配拧管机不能用于拧卸钻杆，需要另配拧管机。 (1) 多数转盘是安装在钻机的底座上，使钻机的重心低多数转盘是安装在钻机的底座上，使钻机的重心低; (2) 多数转盘都多数转盘都兼做拧管机兼做拧管机，减少了设备的数量，减少了设备的数量; (3) 多数转盘通孔较大，可通过设计的最大粗径钻具。提下钻具时，多数转盘通孔较大，可通过设计的最大粗径钻具。提

4、下钻具时， 无需让开孔口无需让开孔口; (4) 因转盘的主轴较短，且通孔因转盘的主轴较短，且通孔 大，故对钻具的大，故对钻具的导向性差导向性差; (5)转盘与给进机构为两个独立转盘与给进机构为两个独立 的部件，二者没有直接的联系的部件，二者没有直接的联系; (6)由于结构的限制，由于结构的限制，转盘的变转盘的变 角范围较小。角范围较小。 （1）可在给进机构的拖动下）可在给进机构的拖动下沿导向架轴向移动沿导向架轴向移动，实现长行程给进；，实现长行程给进； （2）配有刚度大的导向架，对钻具的导向性好；）配有刚度大的导向架，对钻具的导向性好； （3）与孔口夹持器配合，可用于拧卸钻杆，与给进机构配合，

5、可）与孔口夹持器配合，可用于拧卸钻杆，与给进机构配合，可 用于升降钻具；用于升降钻具； （4）采用机械传动时，需要采用机械传动时，需要 一根长的传动轴；一根长的传动轴； （5）钻不同倾角的钻孔时，不）钻不同倾角的钻孔时，不 靠回转器变角，而是靠导向架靠回转器变角，而是靠导向架 的前后倾斜调整回转器的倾角；的前后倾斜调整回转器的倾角； （6）易于实现自动控制易于实现自动控制。 一般多采用悬臂式安装。为保证轴的支撑刚度一般多采用悬臂式安装。为保证轴的支撑刚度, ,多应用以下三种多应用以下三种 加大支撑刚度的方法加大支撑刚度的方法: : (1) (1) 选择合适的轴承类型和安装方式选择合适的轴承类型

6、和安装方式; ; (2) (2) 选择合适的轴用材料、结构型式。在结构许可的条件下。适当加选择合适的轴用材料、结构型式。在结构许可的条件下。适当加 大轴径大轴径; ; (3) (3) 轴的支撑段长度大于或等于悬出段的长度的轴的支撑段长度大于或等于悬出段的长度的2 2倍，即倍，即 。ab2 小锥齿轮装在动力输入轴的悬臂端。大的锥齿轮装在立轴导小锥齿轮装在动力输入轴的悬臂端。大的锥齿轮装在立轴导 管上。常用的有两种类型管上。常用的有两种类型: : 直齿锥齿轮直齿锥齿轮 特点是特点是易制造、成本低、转动时产生的轴向力始易制造、成本低、转动时产生的轴向力始 终背离锥顶、尺寸相同，承载能力较小、对安装误

7、差的敏感性大、终背离锥顶、尺寸相同，承载能力较小、对安装误差的敏感性大、 适用于低速传动，适用于低速传动，v v 5m/s.5m/s. 弧齿锥齿轮弧齿锥齿轮 特点是特点是齿啮合重叠系数大、承载能力大、工作齿啮合重叠系数大、承载能力大、工作 平稳、噪声小、适用于高转速，平稳、噪声小、适用于高转速，v5m/sv5m/s。但工作时产生的轴向力。但工作时产生的轴向力 大，且轴向力的方向随转向的变化而改变、加工困难、成本高、大，且轴向力的方向随转向的变化而改变、加工困难、成本高、 对安装精度要求高。对安装精度要求高。 被动锥齿轮的安装分上置式和下置式。被动锥齿轮的安装形式被动锥齿轮的安装分上置式和下置式

8、。被动锥齿轮的安装形式 取决于传动系统的传动方案。取决于传动系统的传动方案。下置式安装的润滑条件优于上置式下置式安装的润滑条件优于上置式。 锥齿轮按照齿的旋向分为锥齿轮按照齿的旋向分为左旋锥齿轮和右旋锥齿轮左旋锥齿轮和右旋锥齿轮。弧齿锥齿。弧齿锥齿 轮副的两个齿轮的齿旋向不同。为了使锥齿轮副工作时产生的轴向轮副的两个齿轮的齿旋向不同。为了使锥齿轮副工作时产生的轴向 力背离锥顶，则被动齿轮上置式安装时，主动齿轮应选用右旋，被力背离锥顶，则被动齿轮上置式安装时，主动齿轮应选用右旋，被 动齿轮用左旋。如果被动齿轮采用下置式安装，则主动齿轮为左旋，动齿轮用左旋。如果被动齿轮采用下置式安装，则主动齿轮为

9、左旋， 被动齿轮应为右旋。被动齿轮应为右旋。 利用立轴导管上、下两端的垫片来调整，调整时上、下利用立轴导管上、下两端的垫片来调整，调整时上、下垫片的垫片的 总数不变总数不变，只是调整上、下垫片的数目。，只是调整上、下垫片的数目。 3.立轴导管立轴导管 立轴导管的作用是安装被动伞齿轮、传递扭矩，带动立轴转动，立轴导管的作用是安装被动伞齿轮、传递扭矩，带动立轴转动， 又能使立轴在导管内孔中上下移动。导管是采用滚动轴承支撑在回又能使立轴在导管内孔中上下移动。导管是采用滚动轴承支撑在回 转器的箱体上。其支撑方式主要有三种：向心止推轴承、圆锥滚子转器的箱体上。其支撑方式主要有三种：向心止推轴承、圆锥滚子

10、 轴承及向心球轴承和推力轴承组合式。轴承及向心球轴承和推力轴承组合式。 4. 立轴立轴 （1）半圆压板式）半圆压板式 （2）T型槽型槽-螺栓式螺栓式 （3）T型槽型槽-开合式开合式 (一一) 立轴式回转器设计应注意的问题立轴式回转器设计应注意的问题 1. 与给进机构联系在一起考虑与给进机构联系在一起考虑; 2. 结构上尽可能减小回转器的振动结构上尽可能减小回转器的振动; 3.保证孔口的作业空间，尽可能降低重心保证孔口的作业空间，尽可能降低重心; 4.保证密封和润滑。保证密封和润滑。 (二二)锥齿轮副的设计锥齿轮副的设计 max MM p 从动锥齿轮计算转矩从动锥齿轮计算转矩 直径系数取值为：钻

11、机直径系数取值为：钻机 汽车汽车 拖拉机拖拉机 ; 2014 d k514512. d k 42115610. d k 3 1 pd MK f f D D 模数由模数由确定。确定。 23 ZDm/ 选用的模数是否合适，用下式校验选用的模数是否合适，用下式校验: 钻机钻机: 汽车汽车: 410280. m K 主被动齿轮的齿数应没有公约数。小齿轮的齿数尽量选择主被动齿轮的齿数应没有公约数。小齿轮的齿数尽量选择 奇数。奇数。 一般选用一般选用 000 04035 mm 个个别别钻钻机机也也有有选选用用 3 1 3pmM Km 6 . 04 . 0 m K (1)立轴危险截面产生的最大正应力立轴危险

12、截面产生的最大正应力 w F pmax (2)立轴产生的最大剪应力立轴产生的最大剪应力 n n M max D dD n 44 16 (3)立轴产生的合成应力立轴产生的合成应力 a S K 22 4 另外根据书中表另外根据书中表5-10中的公式可校核不同形状立轴的接触应力。中的公式可校核不同形状立轴的接触应力。 2.导管的强度校核导管的强度校核 导管产生的合成弯矩：导管产生的合成弯矩： D dD M MMM w w wn 44 22 32 合成弯矩下产生的应力：合成弯矩下产生的应力： 式中式中 转盘主要有下列几种型式转盘主要有下列几种型式: 1. 按转速高低划分为按转速高低划分为高速转盘和低速

13、转盘高速转盘和低速转盘。 2. 按转盘的定位方式分为按转盘的定位方式分为心管定位和壳体定位心管定位和壳体定位。 3. 按照转盘的传动级数分为按照转盘的传动级数分为一级传动和二级传动一级传动和二级传动。 4. 按照转盘动力输入方式分为按照转盘动力输入方式分为侧面输入和中间输入侧面输入和中间输入。 5. 按照驱动钻杆的方式分为按照驱动钻杆的方式分为补心式和回转梁式补心式和回转梁式。 小转盘通孔直径一般为小转盘通孔直径一般为150-160mm，大转盘通孔直径范围在，大转盘通孔直径范围在400- 670mm之间之间. 随转盘的类型不同，转速的差别较大。大直径转盘最高转速在随转盘的类型不同，转速的差别较

14、大。大直径转盘最高转速在20- 30r/min，而小直径转盘的最高转速在，而小直径转盘的最高转速在800-1000r/min左右。设计时根据钻左右。设计时根据钻 头直径的最佳线速度确定。头直径的最佳线速度确定。 当动力机的功率确定后，转盘的转矩和转速有关。转速低，转矩大；当动力机的功率确定后，转盘的转矩和转速有关。转速低，转矩大； 转速高，转矩小。一般工程勘察钻机转盘转矩在转速高，转矩小。一般工程勘察钻机转盘转矩在0.5-5KN.m，水井钻机转，水井钻机转 盘转矩在：盘转矩在：5.5-20KN.m，大口径工程钻机转盘转矩在，大口径工程钻机转盘转矩在30-20KN.m。 转盘工作时，转盘轴承承受

15、有轴向载荷和径向载荷。转盘轴承多转盘工作时，转盘轴承承受有轴向载荷和径向载荷。转盘轴承多 选用推力向心球轴承或推力向心球面磙子轴承。选用推力向心球轴承或推力向心球面磙子轴承。 主轴承的当量动载荷可用最大当量载荷，考虑寿命系数来计算。主轴承的当量动载荷可用最大当量载荷，考虑寿命系数来计算。 max PKP Lz ra xFFP max 4 PGFFa 对于推力向心球轴承，径向系数对于推力向心球轴承，径向系数x=1.2 对于有补心的转盘，主动钻杆在补心孔内下滑时，对主对于有补心的转盘，主动钻杆在补心孔内下滑时，对主 轴承产生的最大轴向载荷为：轴承产生的最大轴向载荷为： fPF 1 4 P1是补心对

16、主动钻杆的推力。是补心对主动钻杆的推力。 b M p 21 max 轴承的实际动载荷为：轴承的实际动载荷为： zzh PKKnC 1 ISO推荐的计算轴承额定动载荷公式列于书中表推荐的计算轴承额定动载荷公式列于书中表5-11中。中。 计算出额定动载荷后，可用下面的公式计算轴承的寿命：计算出额定动载荷后，可用下面的公式计算轴承的寿命： 3 3000) ( N N h C C L （三）转盘的密封（三）转盘的密封 （四）转盘的安装（四）转盘的安装 移动式回转器按照传动方式分为移动式回转器按照传动方式分为机械传动式和液压传动式机械传动式和液压传动式（俗（俗 称动力头）。称动力头）。 开合式及后移式开

17、合式及后移式 利用移动式回转器实现冲击利用移动式回转器实现冲击-回转或振动回转或振动-回转钻进时，回转器的回转钻进时，回转器的 主轴和传动齿轮之间是采用可轴向串动的连接方式。如花键或圆柱销主轴和传动齿轮之间是采用可轴向串动的连接方式。如花键或圆柱销 连接。另外增加防冲击装置，多采用缓冲油缸及缓冲弹簧。连接。另外增加防冲击装置，多采用缓冲油缸及缓冲弹簧。 导向装置的形式有圆柱形导杆式、滚轮滑板式及矩形导轨式等。导向装置的形式有圆柱形导杆式、滚轮滑板式及矩形导轨式等。 泰美克泰美克250钻机配油套间隙是钻机配油套间隙是0.0250.04。钻石。钻石300钻机配油钻机配油 套间隙为套间隙为0.060

18、.08。 依据钻头适应的最高线速度；钻进工艺的发展趋势；钻头的直径、依据钻头适应的最高线速度；钻进工艺的发展趋势；钻头的直径、 钻机、钻杆、钻头的质量来确定。钻机、钻杆、钻头的质量来确定。 钻头的线速度与钻头的转速关系为：钻头的线速度与钻头的转速关系为： D v n 目前不同切削具的钻头适应的最高线速度分别为：目前不同切削具的钻头适应的最高线速度分别为： 孕镶金刚石钻头：孕镶金刚石钻头：v=3.5 m/s 表镶金刚石钻头：表镶金刚石钻头：v=2.5 m/s 硬质合金钻头：硬质合金钻头： v=2 m/s 钢粒钻头：钢粒钻头： v=2 m/s 依据钻机的最大开孔直径、复杂地层及特种钻进、扫孔和处理

19、事故依据钻机的最大开孔直径、复杂地层及特种钻进、扫孔和处理事故 的需要确定。的需要确定。 目前岩心钻机的最低转速在目前岩心钻机的最低转速在60-180 r/min。水井钻机的最低转速在。水井钻机的最低转速在 30 r/min左右。左右。 大口径钻机大口径钻机R=35，高速小口径钻机，高速小口径钻机R=415。 max max n n R 按照钻进工艺的需要，理想的是无级调速。机械传动钻机均采按照钻进工艺的需要，理想的是无级调速。机械传动钻机均采 用有级变速。一般深孔高速钻机取用有级变速。一般深孔高速钻机取4-8档，浅孔低速钻机取档，浅孔低速钻机取3-4档。档。 根据钻进工艺的要求和传动系统的布

20、置确定。中间速度有四种根据钻进工艺的要求和传动系统的布置确定。中间速度有四种 排列方法：排列方法： (1) 等差排列等差排列 例如例如 200 400 600 800 1000 1200 r/min 日本的日本的TEL钻机回转器的中间转速是按等差排列钻机回转器的中间转速是按等差排列,如下如下: 150 200 300 400 500 670 r/min (2) 等比排列等比排列 按等比排列的速度，其邻速比相等。即按等比排列的速度，其邻速比相等。即 13 4 2 3 1 2 m m n n n n n n n n 1 m R 例如按公比例如按公比 1.47排列的速度列于下面：排列的速度列于下面：

21、 100 147 217 319 470 692 1019 1500 r/min (3) 不规则排列不规则排列 XY-4钻机回转器的转速是按照不规则排列，列于下面：钻机回转器的转速是按照不规则排列，列于下面： 118 217 310 451 362 666 951 1384 r/min (4) 双等比排列双等比排列 反档速度主要用于处理事故和特种钻进。转盘钻机的反档速度反档速度主要用于处理事故和特种钻进。转盘钻机的反档速度 还用于卸钻具。一般设还用于卸钻具。一般设1-2档。档。 立轴的通孔比机上钻杆的直径大立轴的通孔比机上钻杆的直径大23mm，转盘的通孔比设计，转盘的通孔比设计 的最大粗径钻具

22、的直径大的最大粗径钻具的直径大6-8mm。 开合式一般为：开合式一般为：14001800；后移式后退的距离：；后移式后退的距离：300450mm。 卡盘的功用是夹紧机上钻杆，传递转矩，传递轴向力及轴向运动。卡盘的功用是夹紧机上钻杆，传递转矩，传递轴向力及轴向运动。 卡盘应满足以下要求：卡盘应满足以下要求： 1. 提供足够稳定的夹持力；提供足够稳定的夹持力； 2.夹紧时能自动定心；夹紧时能自动定心； 3. 卡盘的转动部分质量分布均匀，动平衡性能好；卡盘的转动部分质量分布均匀，动平衡性能好； 4. 用较小的动力产生较大的夹紧力；用较小的动力产生较大的夹紧力； 5.夹紧力分布均匀，不损伤钻杆；夹紧力

23、分布均匀，不损伤钻杆； 6. 动作迅速，操作方便省力。动作迅速，操作方便省力。 由夹紧元件、中间传动机构、动力装置、卡盘体等组成。由夹紧元件、中间传动机构、动力装置、卡盘体等组成。 类型类型 顶丝式顶丝式 自动定心式自动定心式 手动卡圈式手动卡圈式 主动钻杆式主动钻杆式 常闭式（弹簧夹紧，液压松开式）常闭式（弹簧夹紧，液压松开式） 常开式（弹簧松开，液压常开式（弹簧松开，液压夹夹紧式）紧式） 液压松紧式液压松紧式 强力起拔时，卡盘的最大载荷：强力起拔时，卡盘的最大载荷： 钻进时卡盘的载荷：钻进时卡盘的载荷： 卡盘的最大载荷取其卡盘的最大载荷取其二者中的大者二者中的大者 maxsb PP zyg

24、 PPP DMP ny /2 gb PPP或或 max max P 夹紧力夹紧力 的计算见后。的计算见后。 )( maxmaxgs kp pP P 或或 一般一般=1.2-1.6 kp P kp P 根据齿瓦与卡圈分离体的受力图可根据齿瓦与卡圈分离体的受力图可 得到二者的力平衡方程组。得到二者的力平衡方程组。 对于齿瓦：对于齿瓦： 对于卡圈：对于卡圈： 0 0 1 21 cossin sincos NfNTY TfNfNQX 0cossin 0sincos 11 11 NfNFY NfNRX 联立上面二方程组联立上面二方程组,，求出齿瓦对钻杆的正压力：，求出齿瓦对钻杆的正压力： 卡盘产生的夹紧

25、力为：卡盘产生的夹紧力为： 因为因为所以所以 )( 1 tg F Q 又因又因 tg X CYCF )( 1 tg XC Q则则 )()( 11 tg XfC tg fF fQPkp )( )(1 1 12 tg tgf FQ 1)( 12 tgf 斜面增力机构的增力系数为：斜面增力机构的增力系数为： 根据上面的关系，绘出该机构的根据上面的关系，绘出该机构的 特性曲线如图。由此可分析出斜面增特性曲线如图。由此可分析出斜面增 力机构卡盘的特点如下：力机构卡盘的特点如下： (1) 当卡盘结构确定后，其当卡盘结构确定后，其增力系数为增力系数为 定值定值； (2) 夹紧力在夹持范围内变化较大，当夹紧力

26、在夹持范围内变化较大，当 钻杆的尺寸和齿瓦尺寸略有变化时，钻杆的尺寸和齿瓦尺寸略有变化时， 夹紧力的变化较明显。因此，夹紧力的变化较明显。因此，夹持钻夹持钻 杆规格范围较小杆规格范围较小； (3) 卡盘实现自锁的条件是卡盘实现自锁的条件是1； (4) 设计时可通过改变设计时可通过改变和和 1的值，改变增的值，改变增 力系数力系数的值。的值。 0 F Q Y X QX X FY )( 1 )( )(1 11 12 tgtg tgf F Q 2. 连杆增力机构连杆增力机构 连杆增力机构在夹紧时的受力情况如图。按照前面的分析方法，连杆增力机构在夹紧时的受力情况如图。按照前面的分析方法， 可推导出齿瓦

27、对钻杆的正压力计算公式如下；可推导出齿瓦对钻杆的正压力计算公式如下； )( 2 tg F Q )( )( 2 21 2 tg tgf FQ 因为因为,)(很小很小 2 2 tgf故上式可简化为：故上式可简化为： 由前面的式子，可推导出连杆增力机构的增力系数为：由前面的式子，可推导出连杆增力机构的增力系数为： )( 2 1 tg F Q Y X X QX FY 0 依据上述公式，绘出连杆增力机依据上述公式，绘出连杆增力机 构卡盘的特性曲线如图。由此可分析构卡盘的特性曲线如图。由此可分析 出连杆增力机构卡盘的特性是：出连杆增力机构卡盘的特性是： 角在夹紧过程中是变化的，因而角在夹紧过程中是变化的，因而 也是变化的。随也是变化的。随 减小，增力系数减小，增力系数 增大