便携式气动岩石钻孔装置设计

1、西南大学本科毕业论文（设计）目录摘要3Abstract.40文献综述50.1矿难救援背景50.2便携式气动钻孔机适用场合60.3便携式气动钻孔机的设计要求60.3.1符合国家煤矿安全标准60.3.2体积小，重量轻，便于携带60.3.3气压马达的选择和设计60.3.4 钻孔机装置各部分结构设计70.4矿难救援工具的发展趋势71引言82 矿难救援的设计思想和意义92.1 便携式气动钻孔机的设计思想92.2目前钻孔工具的应用92.3气动钻孔机的设计思路102.4气动钻孔机破碎岩石原理112.5设计便携式气动钻孔机的意义113便携式气动钻孔机的设计计算123.1气动马达的设计与计算123.2行星齿轮减

2、速器的设计与计算143.3换向阀的设计与计算193.4扳手的设计与计算213.5阀门弹簧的设计与计算223.6轴承的选择和校核233.7各轴段的设计253.8钻孔机外壁的设计264便携式气动钻孔机的设计说明264.1钻孔机总体构造264.2各部分原理及具体实施方式264.2.1扳手的设计原理与实施方式264.2.2换向阀的设计原理与实施方式274.2.3气马达的设计原理与实施方式284.2.4行星齿轮减速器的设计原理与实施方式304.2.5其他结构设计原理与实施方式305 结论31参考文献31致谢33便携式气动岩石钻孔装置设计王欣西南大学工程技术学院 重庆 400716摘要：我国是世界产煤大国

3、，由于技术装备等相对落后，管理制度不够完善，煤矿本身特点等原因，导致矿难事故频繁发生，因此矿难救援对于我国乃至人类来说都是一项十分紧急的工作，而研究先进的矿难救援工具对于解决矿难救援工作起着十分关键的作用，矿难发生时，由于产生大量易燃易爆气体，传统的矿难救援工具不能很好的防爆，容易产生二次灾害，本课题设计的便携式气动钻孔机的目的就是要改善上述情况，便携式气动钻孔机可以方便快捷地对有较高防爆防燃烧等要求的煤矿巷道空间中的岩石进行钻孔，进而用其他配套工具进行碎石，使救援工作得以顺利快速进行，提高救援装备的有效性，安全性。关键词：矿难；安全；救援工具；The design of the pneuma

4、tic drill which is convenient to carryWangXinCollege of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, ChinaAbstract：Our country is one of the countries that produce a great deal of coal,because of the behindhand technology, the misgovern，and the specialty of the coal mine itsel

5、f, all lead to the accident of the coal mine frequently,so the succor of the accident of the coal mine is the most emergent task to our country even all the human beings all over the world. Study the advanced tools to the succor make a pivotal operation. When the accident of the coal mine happened,i

6、t would bring much gas that can burn and explode easily,the traditional tools for succor can not prevent the burning and the explode,and the pneumatic drill which is convenient to carry that we design in this task is to solve the problem. The pneumatic drill which is convenient to carry can dig into

7、 the stones which are in the limited conditions where is full of the flammability gas,then we can use another tool which is suited to the drill break the stone to make the succor go along successfully.Also it can improve the effective and the safety of the equipments.Key Words：coal mine；safety；tool；

8、0文献综述0.1矿难救援背景近年来，随着煤矿开采的日益深入，矿难频繁发生，世界上每年至少有几千人死于矿难，尤其在我国。矿难的种类一般有瓦斯爆炸、煤尘爆炸、瓦斯突出、透水事故、矿井失火、顶板塌方等。据记载，在2003年，中国生产了世界约35%的煤，但在煤矿事故死亡人数上却占约80%。2010年1月5日13时40分许，湖南省湘潭县立胜煤矿井下负240米处在生产过程中发生电缆起火事故。事故发生后，指挥部一开始按照矿工领取矿帽和交回矿帽的登记来确定井下被困人数。根据现场收回的矿帽，井下还有30人被困。但查看有关的下井记录，却又显示为27人被困。经过反复对矿部记码本的核对和对现场相关人员的了解核查，事故

9、搜救部门基本确定井下被困矿工人数为28人。而对矿井的情况不清楚，矿底形势复杂，工作面纵横交错，又没有矿井地势图，使得救援愈发困难，最终28名被困矿工全部遇难。2009年9月8日，河南省平顶山市新华四矿发生瓦斯爆炸事故，然而，由于新华四矿基础管理落后、井下条件较差，爆炸发生后井下严重冒落、局部有害气体聚集，给抢险救援工作带来了重重困难，最终被困的44名矿工全部遇难。2009年4月16日，河南省宝丰县王庄煤矿发生爆炸事故，33人被困井下。矿难发生后，煤矿主和管理人员逃匿，井下地质资料不明；个体矿井下巷道支撑全部使用木头，造成火势很难控制；该矿井煤层倾斜59度至69度，属极倾斜煤层，井下发生多处冒顶

10、，给抢险救援带来困难，最终33名矿工全部遇难。2008年7月21日，广西右江矿务局那读矿发生透水事故，井下51名矿工被困失去联络。透水事故发生后，大量废弃煤渣沉入巷道底部，使得巷道仅有1米余高，有些地方甚至更低矮，正常的运输通道无法运行。并且由于4304工作面的通风系统还不够完善，一次只能启动2台抽水泵进行排水工作，如果3台抽水泵同时启动，就会导致瓦斯浓度超标，给救援工作带来了许多困难，事故最终造成34人死亡。各次矿难事故说明，解决这些问题需要各级部门的统一协调，不断加强矿山开采的管理力度，有效减少矿难事故的发生，一旦矿难发生，运用高效实用的救援工具便是最行之有效的救援方案。0.2便携式气动钻

11、孔机适用场合 煤矿矿难发生以后，常见有巷道的顶部坍塌，掉落的碎石等落物将巷道堵塞，使救援工作很难进行。又由于井底存在大量易燃易爆气体，根据我国以往矿难救援工作来看，传统的救援工具不能绝对符合防爆要求，容易引发瓦斯爆炸等二次灾害，因此不能在井下使用。便携式气动钻孔机2的意义就是要改善上述情况，便携式气动钻孔机可以方便快捷地对有较高防爆要求的煤矿巷道空间中的岩石进行钻孔，钻孔目的主要是为了清理落石障碍，使矿难救援得以继续进行。所设计的钻孔装置要求防爆、便于携带、对常见岩石能有效钻削应力集中孔，工作效率高、操作简单、保养维修方便。本课题研究的装置配合“便携式手动岩石开缝装置”可以让救援人员徒手破碎并

12、清理落石障碍，对提高煤矿矿难救援装备的有效性、提高矿难救援成功率均有较重要的意义，也为进一步完善煤矿灾害应急响应机制贡献力量。0.3便携式气动钻孔机的设计要求0.3.1符合国家煤矿安全标准 由于矿难发生后，井底存在大量的易燃易爆气体，所以钻孔机的动力装置选择气压马达。气压马达适用于恶劣的工作环境，在高温，粉尘，潮湿，易燃，易爆等不利条件下都能正常工作。符合安全标准，有效的防止了由于电、火等的二次爆炸。钻孔机装置的整个结构所采用的材料均为防火防爆耐潮湿的材料。0.3.2体积小，重量轻，便于携带一般矿难发生后，由于碎石等堵塞巷道，致使救援空间狭小，所以小而轻便的救援工具则满足矿难的救援环境，所以，

13、便携式气动钻孔机在满足可以正常钻孔的要求下，要做到体积小，重量轻，方便携带。0.3.3气压马达的选择和设计气压马达一般分为叶片式气动马达，活塞式气动马达和薄膜式气动马达，通过使用要求条件等选择叶片式气动马达，叶片式气压马达制造简单，结构紧凑，适用于低转矩，高转速场合，且输出转速可以进行无级调速，使用于手提的气动工具。 确定气压马达后，要在各部分接口处进行密封装置的设计，防止气体泄露，压力下降。0.3.4 钻孔机装置各部分结构设计其中包括扳手，马达，主轴，减速器，换向阀等，以及钻孔机的箱壁。0.4矿难救援工具的发展趋势随着科学技术的进步，矿难的频发，市场竞争等多方面因素，各种安全有效的矿难救援工

14、具定会相继而出，且经过不断的改进和发展，定会更加具有实际用途，而矿难专用救援机械工具的发展离不开钻具的发展，所以，未来的钻孔机也定能向着便携，智能，高效，节能等多功能方向发展，使人类的煤矿作业能够在相对安全有保障的条件下进行，矿难救援工具的不断完善也相对推动了煤矿开采事业的进步，是科学不断发展不断进步的一大标志。1引言我国是世界产煤大国，开采技术存在缺陷，安全管理制度不够完善，机械化存在一定差距，救援不能妥善高效实行等原因，使得中国煤矿矿难死亡人数远超过其他国家，造成极大的损失，并且我国的煤矿绝大部分已经老化，再加上我国的安全检测技术还存在一定的问题，这也是导致我国矿难事故频繁发生的原因之一。

15、与美国相比, 一个是美国的煤矿规模都比较大，很多煤矿都是露天开采，相对于井下开采而言，其安全系数肯定要大得多。第二是美国的煤矿相对都不是很深，不达到一定深度，就不会产生大量的瓦斯，瓦斯爆炸的几率自然会低一些，而瓦斯爆炸是中国引起矿难的重要因素之一，因为中国煤矿一般都很深。这两个属于自然因素，没办法人为改变。目前我国用于矿难救援的工具以气动凿岩机械，气动及液压凿岩机械，手持式气动钻孔机，电动钻孔机等，目前也正在进行矿难救援机器人的研究，但是据我国近年来的矿难救援来看，救援工具仍然不能达到令人满意的程度，救援不能达到及时性，高效性，矿难救援问题仍然棘手，许多救援工具不能满足国家煤矿安全标准，大部分

16、救援工具因为体积大不适宜在狭小的范围内操作使用。现代化的仪器和设备，对于救援来说起到决定性作用，尤其是在比较困难的情况下，是实施更有效救援的唯一“武器”，例如智利矿难救援取得成功的关键是 在救援中所运用到的各种新科技，大到30吨大型钻井机、“胶囊”救生舱，小到安慰矿工心灵的投影仪和铜金属丝抗病短袜等高技术的运用，都对救援的最终成功起到了重要作用。有美国媒体评论说，智利成功救援的公式，是75%的科学加25%的奇迹。目前我国国家安监总局应急救援指挥中心设有技术装备部，但其主要职责是管理，包括规划应急救援体系，组织指导安全生产应急救援体系建设和培训演练基地建设工作。指导、协调全国安全生产应

17、急救援技术装备保障工作；负责应急救援基础研究、科技创新及科技成果推广工作；研究起草相关的规章、规程和标准；承担全国安全生产应急救援。矿难救援问题越来越紧迫，国家投了大量精力进行技术改造，针对于矿难的高效救援问题，最直接的方式就是不断完善救援工具，随着科学技术的发展而不断优胜劣汰。2 矿难救援的设计思想和意义2.1 便携式气动钻孔机的设计思想本课题设计的便携式气动钻孔机要绝对适用于矿难现场多粉尘，多易燃易爆气体空间狭小等恶劣环境，要符合国家煤矿安全标准，体积小，重量轻，适合手持，在手动岩石开缝装置之间使用，预先将堵塞巷道的大石块打孔，然后运用岩石开缝装置进行碎石，方便快捷，提高效率，相比于直接将

18、石块破碎的工具，节约能源和时间，确保救援人员与被救人员的人身安全。2.2目前钻孔工具的应用目前我国已有多种类型矿用机械工具，最典型最常用的为电动钻孔机。电动钻孔机是利用电做动力的钻孔机具。是电动工具中的常规产品，也是需求量最大的电动工具类产品。每年的产销数量占中中国电动工具的35%。对有色金属、塑料等材料最大钻孔直径可比原规格大3050。电钻工作原理是电磁旋转式或电磁往复式小容量电动机的电机转子做磁场切割做功运转，通过传动机构驱动作业装置，带动齿轮加大钻头的动力，从而使钻头刮削物体表面，更好的洞穿物体。电动钻孔机广泛适用于建筑梁、板、柱、墙等的加固，装修、墙安装、支架、栏杆、广告牌、空调室外机

19、、导轨、卫星接收器电梯、钢结构厂房等安装。但是作为矿难救援工具十分危险，因为矿难发生后，矿内大量易燃易爆气体流出，一旦通电，就会引起火灾甚至爆炸。矿用机械4还包括多种凿岩机械，如凿岩机，凿岩机是按冲击破碎原理进行工作的。工作时活塞做高频往复运动，不断地冲击钎尾。在冲击力的作用下，呈尖楔状的钎头将岩石压碎并凿入一定的深度，行成一道凹痕。活塞退回后，钎子转过一定角度，活塞向前运动，再次冲击钎尾时，又形成一道新的凹痕。两道凹痕之间的扇形岩块被由钎头上产生的水平分力剪碎。活塞不断地冲击钎尾，并从钎子的中心孔连续地输入压缩空气或压力水，将岩渣排出孔外，即形成一定深度的圆形钻孔。凿岩机按其动力来源可分为风

20、动凿岩机、内燃凿岩机、电动凿岩机和液压凿岩机等四类。但是因为各个类型的凿岩机都受限于矿难发生后恶劣的环境（易燃易爆气体，巷道狭窄，能源少，地理环境差等）另外矿用机械设备还有钻车，挖掘机，推土车等等，但是由于体积过大，运行不方便，受环境条件影响很大，不具有通用性，所以也不是参与矿难救援的最佳工具。2.3气动钻孔机的设计思路市面上有一种运用于煤矿井下隧道工程等共工作面比较狭小的空间内使用的手持式钻孔机。但是由于钻孔机自重比较重，施工人员需要在另外搭建一个支撑平台用来支撑钻孔机工作，钻孔时，将手持式钻孔机架在支撑台上，沿着钻进的方向推进钻孔，用来减轻施工人员的工作负担，但是这样的钻孔方式在需要对钻孔

21、进度或角度进行调整时，还需对钻孔机的支撑台的位置及方向进行重新的定位，由于需要在岩石上钻所需数量的孔，每钻一个孔都需要进行支撑平台的一次调整，工作十分繁琐，大大降低了工作效率，浪费了救援时间，虽然也可以进行狭窄空间内的救援工作，但是从救援的根本目的上看，此种钻孔机也不是最合适的。综合各种矿用机械设备均不适用于矿难救援，考虑我国煤矿地带大多环境恶劣，多集中在山区，矿难发生时坍塌的碎石堵住巷道，且大量存在易燃易爆气体，使救援问题十分困难，若想高效的进行救援，首先要打通巷道，当有大块的岩石堵住时，巷道狭窄不宜用机动车等大体积的工具，而人工搬运又耗时耗力，传统的凿岩机械虽然效率比较高，但若使用不当，凿

22、岩力过大，容易造成二次坍塌，使救援人员也陷入危险中，由此来看，解决大块岩石破碎的问题是首要，是实施救援工作的第一步，这就需要一种安全稳定且高效的小型机械，能够人工近距离操作，方便随时观察碎石过程，一旦要出现危险，能够马上停止作业，而岩石的力学性能显示，岩石具有可钻性，于是有了采用钻孔机的思路，钻孔机在煤矿井下所用的机械工具中占有十分重要的地位，救援人员可以近距离的操作钻孔机，方便作业，目前应用于矿下的钻孔设备大致分为电动钻孔机，液压钻孔机和气动钻孔机，考虑矿难发生后井下存在许多易燃易爆气体，传统的电动钻孔机和燃油类工具因为要通电，油液易燃易爆，所以容易引发火灾和爆炸，矿井发生的火灾(包括危及井

23、下的地面火灾)，常招致人员伤亡，设备损失，矿井停产，资源破坏，甚至引起瓦斯、 煤尘或硫化矿尘爆炸。1894年俄斯特拉发-卡尔维纳地区拉瑞什煤矿(位于今捷克斯洛伐克境内)因火灾引起瓦斯爆炸，当场死亡235人，处理事故时又发生第二次瓦斯爆炸，矿山救护队员大部分牺牲。矿井火灾按引起的热源不同分内因火灾和外因火灾两类。 内因火灾分煤自燃 、硫化矿石自燃两种。 外因火灾 指一切产生高温或明火的器材设备，如果使用管理不当，可点燃易燃物，造成火灾。在中、小型煤矿中，各种明火和爆破工作常是外因火灾的起因，而气动装置本身可以采用安全的压缩气体提供动力，不会造成危险，从而本课题设计的是气动钻孔机。钻孔机在煤矿机械

24、生产中起着十分重要的作用，在井下生产时，井下轨道钻孔技术已经体现了很好的优越性，而在矿难救援中，钻孔机的应用也逐渐多了起来，因此针对恶劣环境中的岩石钻孔，生产出功能更加完善的气动装置则显得十分重要。此课题设计的钻孔机与广泛使用的钻孔机相比，特点在于它体积小，方便携带，适用于岩石类钻孔，要与岩石开缝装置配合使用。本装置选用的气动装置是可以正反转的叶片式气动马达，通过控制压缩气体的大小来调节马达的输出功率和转速，有过载保护作用，不会因为负载大而发生故障，马达遇到负载过大的情况时会自动减低速度或者停止，接触过载后，又可以重新恢复正常工作，不会产生零件损坏现象。另外，操纵方便，维修较容易。由于要实现叶

25、片式马达的正反转，所以在马达的进气口处设置换向阀。方便改变马达转向，由于马达转速过大，所以需要设计减速装置，本钻孔机采用的是行星齿轮减速器，结构紧凑，减速比大，钻头则选用标准麻花钻，易于拆卸和更换。2.4气动钻孔机破碎岩石原理煤矿周围的地质结构比较复杂，除了大量泥土外还有较多种类的岩石，但大部分是由于气温，大气，水分，原岩的结构和构造等综合因素影响作用下而风化的岩石，当岩石风化后，力学性能便明显降低，增加了钻削的可能性。矿难发生后，掉落的岩石堵住巷道，便携式气动钻孔机便可以应用于厚度一般的岩石钻孔，高压气瓶中的高压气体经减压后足以带动钻孔机转动，传递转矩，从而使钻头进行钻削，根据岩石的形状体积

26、选择适当位置，选择重心大概所在的位置，在过重心的任意直线上快速的钻一排孔，钻孔深度可以根据钻孔机参数和岩石的厚度适当调节，钻孔完毕后，配合使用岩石开缝装置，由于钻孔机所钻的一排孔已经造成岩石的应力集中，将岩石开缝装置插入一排孔里进行分裂，大块岩石便被两边裂开。如果需要，则可以在分裂开的岩石上继续钻孔，对于厚度太大的岩石，则不适用钻孔机，因钻孔深度有限，即使钻孔成功，但相对于岩石厚度来说孔深太浅也不足以配合掩饰开缝装置将岩石裂开，所以此钻孔机适用于厚度一般的岩石。2.5设计便携式气动钻孔机的意义在潮湿，高温，粉尘，易燃易爆等恶劣条件下均可以安全工作，操作简单，携带方便，耗资少，节省能源，可增加救

27、援人员数量，每人携带一个，同时进行救援，节省了救援时间。便携式气动钻孔机不仅提高了效率，并且安全系数大幅增加，不仅保证了被救人员免受二次灾难的威胁，而且保证了救援人员的安全，气动钻孔机采用的气动技术，有效的防火防爆，钻孔时不会出现火花，对于高瓦斯的矿井来说，使用更加安全可靠，完全适用于井下作业。本课题所设计的钻孔机体积小，重量轻，直接是手持式，钻孔方向与角度方便人为控制，可以有效的进行巷道打通工作，方便快捷，须配合岩石开缝装置使用，适应我国煤矿安全标准，保障了煤矿事故抢险救援的顺利进行。我国安全生产形势近年来总体稳定、趋于好转，但不可否认的是基础性和应用型的应急技术研究薄弱，技术标准制定起步晚

28、，应急救援队伍建设相对滞后，尤其是在专家队伍建设这一领域。为此安全监管总局于2005年建立安全生产应急救援专家信息库，要求各有关单位协助组织推荐本行业、本领域的应急救援专家。该专家组由安全监管总局应急救援指挥中心技术装备部负责管理，为应急救援提供技术支持。 相信随着科学技术的不断发展和进步，会有越来越多的煤矿专用救援抢险工具出现，钻具的生产及新产品的开发前景也会一片大好。3便携式气动钻孔机的设计计算3.1气动马达的设计与计算由于矿难发生后，存在大量易燃易爆气体，粉尘等，所以需要选择一中安全的执行元件，又要求尺寸小，重量轻，所以选择气动马达，气动马达1是气动执行元件，它将压缩空气的压力

29、能转换为回转形式或者是摆动形式的机械能，气压马达按照结构形式可以分为叶片式，活塞式，齿轮式及摆动式。根据这几种马达性能参数以及适用范围的比较，最后选择叶片式气马达，叶片式马达无配气机构和曲柄连杆机构，结构简单，尺寸小，旋转部分能均匀运转，因而工作比较稳定，比起电动马达和液压马达，除了具有防爆性能以外，马达本身的软特性使之能长期的满负荷工作，并且温升较低，能够过载保护，不会损伤机器，且有较高的气动转矩，能带载启动，与电动机相比，单位功率尺寸小，缺点就是输出功率较小，耗气量大，容易产生振动。因为本课题的钻孔机要求便携式，所以马达既要满足工作要求，又要体积小，重量轻，综合所有因素，最后选择黄石风动机

30、械厂的TMY1.5（1.471kw）的叶片式气马达。马达参数见表1：表1 叶片式马达参数表Tab.2 The blade is motor parameter table型号额定功率额定转速额定扭矩耗气量工作压力TMY1.51.47KW4000r/min4.64Nm2.04/min0.50.7MPa假设我们所需钻的岩石为硬度较软的岩石，则通过查阅期刊文献可得较软岩石的钻进速度可以达到1000mm/min16。由于v=1000mm/min，马达的额定转速为n=4000r/min ，所以f=v/n=0.25mm/r。根据机械加工工艺手册单行本钻削、扩削、绞削加工得到钻孔时转矩的计算公式：M=Cdf

31、k （3-1）其中与刀具材料有关的材料系数；钻头的直径；、钻削转矩的计算指数；与加工材料有关的系数查阅机械加工工艺手册单行本钻削钻孔时转矩的各参数为：=0.098 ， =10mm ， =2 ， =0.8 ，=1所以M=0.0981020.250.81=3.23NM小于气压马达的额定转矩，所以合适。根据钻头钻岩石所需转矩和功率，设经减速以后钻头工作时候的转速为450r/min，切削速度为v=45020.005=47.1m/min根据机械加工工艺手册单行本钻削、扩削、绞削加工得到钻孔时功率的计算公式：P=Mv/30d （3-2）其中 ：M钻孔时所需转矩； V钻孔时的切削速度； 钻头的直径P=Mv/

32、30d=3.2347.1/300=0.51Kw小于气压马达的额定功率，所以合适。气动马达有两个进气口，直径为16.76mm，壁厚为2mm。有一个出气孔，直径为13.18mm。气动马达上所用的螺栓为大径是7mm的螺栓。气马达结构如图1所示 图1 气动马达Fig.1 the pneumatic moter 3.2行星齿轮减速器的设计与计算行星齿轮减速器是由齿轮轴，与齿轮轴外啮合的齿轮，内壁的内齿轮，及销共同构成。行星齿轮减速如图2所示 图2 行星齿轮减速器 Fig.2 Planetary gear reducer因为n=4000 r/min， 减速以后工作时的转速为450 r/min，所以减速器的

33、减速比为i=9 。设齿轮轴的的转速为，设销的转速为，设齿轮轴的齿数为，与齿轮轴外啮合的齿轮齿数为,内壁的内齿轮齿数为。则减速比为：i=(n-n)/(n-n)=-Z/Z=-(n-n)/n （3-3）/=9=9 Z/Z=8根据机械设计手册选择6齿轮轴的材料为性能较好的合金钢20Cr2Ni4,硬度为350HBS,与齿轮轴啮合的齿轮材料为20CrMnTi，硬度为300HBS,内壁的内齿轮为40Cr，硬度为280HBS.齿轮精度为7级。假设取模数m=0.8，则初算齿轮系的参数：齿轮1的齿顶圆直径：d=(Z+2)m=17 mm （3-4）(Z+21)0.8=17 mm=19则齿轮轴1的齿数为19内齿轮3的

34、齿数=152（1）齿轮轴1的参数：齿轮1的分度圆直径：=0.819=15.2 mm （3-5）齿根圆直径：d=(Z-2h)m=（19-21.25）0.8=13.2 mm （3-6）齿顶圆直径：d=17 mm（2）齿轮3的参数：分度圆直径：=m=1520.8=121.6 mm （3-7）齿根高：=(h+h )m=(1+0.25) 0.8=1 mm （3-8）齿根圆直径：=d+2h=121.6+2=123.6 mm （3-9）齿顶高：=m=10.8=0.8mm （3-10）齿顶圆直径：=d+2h=121.6-210.8=120mm （3-11）（3）齿轮2的参数：齿顶圆直径：=-=123.6/2-

35、15.2/2=54.7mm （3-12）=(+21)0.8=54.7mm齿数：=66分度圆直径：=m=0.866=52.8mm （3-13）齿根圆直径：=(Z-2h-2c)m=(66-21.25)0.8=50.8 mm （3-14）齿轮宽度：b= （3-15）其中=1,=52.8mm,b=52.8mm圆整后取50mm则齿轮轴1上齿轮的宽度为55mm，齿轮2的宽度为50mm根据机械设计齿轮的强度校核计算得：1齿轮齿面接触疲劳强度校核 d2.32 （3-16）（1）确定公式里内的各计算数值1）试选载荷系数K=1.32）计算小齿轮传递的转矩：T=(95.5105)/n =(95.5105)/4000

36、=3.510 Nmm （3-17）3）选取齿宽系数K=1.34）查得材料的弹性影响系数Z=175.64MPa5）按齿面硬度查得小齿轮的解除疲劳强度极限=1000MPa，大齿轮的解除疲劳强度极限为=800MPa。6）计算应力循环次数，假设工作寿命为3年，每年工作150天，每天工作5小时。则N=60njL=604000151503=5.410 （3-18）N=5.410/3.47=1.5610 （3-19）7)取接触疲劳寿命系数K=1.1，K=1.148)计算接触疲劳需用应力取是小概率为1%，安全系数为S=1，则= K/S=1.11000=1100 （3-20）= K/S=1.14800=912

37、（3-21）(2)计算1）试算小齿轮分度圆直径d，代入中较小的值，代入公式3-16得：d2.32 =2.32 mm2）计算齿轮圆周速度vV=(dn/601000)=(3.1413.854000)/(601000)=2.92 m/s （3-22）3）计算齿轮宽度b：b=d=113.95=13.95 mm （3-23）4）计算齿宽与齿高之比b/h模数m=d/Z=13.95/19=0.734 mm （3-24）齿高h=2.25 m=2.250.734=1.65 mm （3-25）b/h=13.95/1.65=8.45 mm （3-26）5）计算载荷系数根据v=2.92mm/s,7级精度，查得动载系数

38、K=1.18由于是直齿轮，查得K=K=1;查得使用系数K=1,;用插值法查得7级精度小齿轮相对支承非对称布置时，K=1.423,由b/h=8.45, K=1.423得K=1.35；故载荷系数K= K K K K=11.181.423=1.679 （3-27）6)按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得d=d=13.95=15.2mm （3-28）7)计算模数m ：m=d/Z=15.2/19=0.8 （3-29）2，按齿根弯曲强度设计m （3-30）（1）确定公式内的各计算数值查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=800MPa，大齿轮的弯曲强度疲劳极限=600MPa。1） 取弯曲疲劳寿命系数K=0.8

39、5 K=0.88 2） 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4 = K/S=0.85500/1.4=542.857MPa （3-31）= K/S=0.92600/1.4=394.286MPa （3-32）4)计算载荷系数KK= K K K K=11.1811.35=1.593 （3-33）5)查取齿形系数Y=2.85 Y2.256）查得应力校正系数=1.54 =1.747）计算大小齿轮的YY/并加以比较YY/=2.851.54/542.857=0.008085 （3-34）YY/=2.251.74/394.286=0.009929 （3-35） 大齿轮的数值大（2）设计计算，代入公式

40、3-30中得： m对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得的模数0.674并就近圆整为标准值m=0.8 mm，按接触强度算得的分度圆直径d=15.2mm,算出小齿轮齿数Z=d/m=15.2/0.8=19 Z=3.4719=66则校核所得的齿轮齿数和模数均与初算时的数值相符，即初算的齿轮参数为合理的。3.3换向阀的设计与计算（1）换向阀总体结构此换向阀有两个出气孔，一个进气孔。活塞总体为圆柱体，左端为短的凹槽，有端为较长的凹槽，换向阀

41、左端有两个出气孔，右端有一个进气孔，左端凹槽与右端凹槽之间有两个通孔，构成进气口与出气口的两条通路，一条为水平的，一跳为倾斜的，进出气孔处均有气动用密封圈，密封圈在阀体内的密封槽内。换向阀的阀体长度要刚好满足换向条件，即在两个位置时各能够实现其中一个方向上的通气，换向阀结构如图3所示：图3 换向阀阀体Fig.3 The body of the reversing valve （2）换向阀的锁紧结构如图4所示： 图4 换向阀夹紧装置 Fig.4 The clamping device of reversing valve 图示方向（正视换向阀），在换向阀的一侧内壁的接触线上向后转（逆时针）15度

42、角，以15度角处为刀具中心线，竖直方向挖宽为5.5mm的槽，深度为15.2mm，再在槽的底端向前（顺时针）挖宽仍为5.5mm，长度为顺时针转过阀壁30度（两刀具中心线的角度）的横向凹槽（即以竖槽的底端面顺时针挖一短横槽），再继续竖直向下挖宽度不变，长度为26.4mm（槽的顶端面到底端面）的竖直槽，然后继续逆时针挖宽不变，长度为绕阀壁逆时针转30度角，在两个横向的凹槽上端面的中间部位，挖一向上凹的小弧形凹槽，阀体的推杆的头部标有位置线（与水平线呈15度角，逆时针方向），当整个阀体放入换向阀时，位置线是呈15度角的，当需要将阀体锁紧时，将阀体顺时针转过15度，位置线水平。换向阀的左右两侧均有锁紧结

43、构，对称设置，尺寸相同。（3）换向阀出气孔与气马达进气孔连接处的结构换向阀的出气孔与气动马达进气孔的管壁上均有外螺纹，两管是用螺母连接的，为保证密封，在两管道的端面和螺母上均涂有密封胶。螺母结构如图5所示：图5 接口的螺母Fig.5 the Sealing ring of Reversing valves3.4扳手的设计与计算根据机构的所受力矩平衡原理，按动扳手所需要力：（PS+N）-PSb-Fc=0 （3-36）其中： P压缩气体的压强； S阀门下端面与压缩气体接触面积；N弹簧顶住阀门的弹力；P标准大气压；S阀片上端面与大气接触面积；b阀门所受合力的作用线与支点的距离；F按动扳手所需要的力；

44、c按动扳手所需力的作用线与支点的距离根据上述已经计算和已知数据得：P=0.5MPa，=1.0110 MPa， b=21mm， c=90.6mm根据钻孔机在不工作时弹簧顶住阀片所需弹簧力，取弹簧压缩力为N=5N，将各参数代入公式3-36得： (5+3.140.51017.03210-1.01103.1415.3210)17.0310-F88.7910=0F=74N扳手所在把手上的槽的深度为20mm，槽宽为49.5mm，杆1的长度为108.4mm，直径为4mm，杆2长度为111.75mm，直径为4mm，杆1末端处穿插在杆2上部的椭圆形孔内。扳手结构如图6所示： 图6 扳手 Fig.6 wrench

45、3.5阀门弹簧的设计与计算由于弹簧是用来支撑阀门并用于阀门复位，所以我们需要设计的弹簧为圆柱螺旋压缩弹簧。根据机械设计6弹簧的设计与计算，选择弹簧的材料为碳素钢簧钢丝B级，第三类弹簧，则切变模量G取80000MPa。取弹簧的旋绕比C=8,估取弹簧丝的直接1mm，试算弹簧丝直径。根据机械设计圆柱螺旋 压缩（拉伸）弹簧的设计计算中的几何参数计算弹簧的曲度系数为：K=（4C-1)/(4C+1)+0.615/C=(32-1)/(32-4)=1.18 （3-37）=5N,=(0.10.5)=0.2=5N （3-38）=25N其中：压缩弹簧的最小工作载荷； 压缩弹簧的最大工作载荷=1800MPa，=0.5

46、=0.51800=900MPa （3-39）其中：弹簧钢丝的拉伸强度极限； 弹簧的许用切应力 1.6=1.6=0.82mm （3-40）则弹簧的钢丝直径为取标准值1mm取弹簧最大压缩变形量为=20mm则弹簧的工作圈数为：n=Gd/(8FC3) =(800001)/（82588）20=15.6 （3-41）取标准值16弹簧的中径：D=Cd=81=8 mm标准值8mm （3-42）弹簧的内径： =D-d=8-1=7mm （3-43）弹簧的外径： =D+d=8+1=9mm （3-44）压缩弹簧的长细比：b=H/D=21/4=5.25 按标准值取5.3 （3-45）弹簧的节距： p=（0.280.5）D=0.581=4mm （3-46）弹簧的自由高度： =pn+（1.52）d=416+20.5=65mm （3-47）按照标准值取为65mm轴向间距：=p-d=4-1=