第六章回转器

第六章

回转器与卡盘§6-1回转器的功用、要求及类型一回转器的功用回转器是钻机的重要工作机构,主要功用如下:1.带动钻具回转,提供钻头破岩所需的转矩和转速;2.导正钻具方向;3.实现变角,以适应钻进不同倾角的钻孔;4.处理孔内事故.二对回转器的要求1.回转器的转矩及转速要有较宽的调节范围;2.具有良好的导向性;3.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;4.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动;5.最好具有1-2个反档,以满足特种工作的需要;6.运转平稳，振动和噪音小。三回转器的类型和特点1.立轴式回转器

(1)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、保证了卡盘与回转器的同心度;(2)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;(4)采用悬臂式安装，增加了钻机的重心高度;(5)立轴的通孔较小，提下钻具时，回转器需要让离孔口;(6)不能用于拧卸钻杆，需要另配拧管机。2.转盘式回转器

(1)多数转盘是安装在钻机的底座上，使钻机的重心低;(2)多数转盘都兼做拧管机，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，无需让开孔口;(4)因转盘的主轴较短，且通孔大，故对钻具的导向性差;(5)转盘与给进机构为两个独立的部件，二者没有直接的联系;(6)由于结构的限制，转盘的变角范围较小。3.移动式回转器（动力头）（1）可在给进机构的拖动下沿导向架轴向移动，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；（3）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；（4）采用机械传动时，需要一根长的传动轴；（5）钻不同倾角的钻孔时，不靠回转器变角，而是靠导向架的前后倾斜调整回转器的倾角；（6）易于实现自动控制。§6-2立轴回转器的结构分析与设计一立轴式回转器的结构分析1.动力输入轴(半轴)

一般多采用悬臂式安装。为保证轴的支撑刚度,多应用以下三种加大支撑刚度的方法:(1)选择合适的轴承类型和安装方式;(2)选择合适的轴用材料、结构型式。在结构许可的条件下。适当加大轴径;(3)轴的支撑段长度大于或等于悬出段的长度的2倍，即。2.锥齿轮副（1）锥齿轮的类型

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:直齿锥齿轮特点是易制造、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、对安装误差的敏感性大、适用于低速传动，v

5m/s.

弧齿锥齿轮特点是齿啮合重叠系数大、承载能力大、工作平稳、噪声小、适用于高转速，v>5m/s。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、对安装精度要求高。（2）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。被动锥齿轮的安装形式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。（3）锥齿轮的选配锥齿轮按照齿的旋向分为左旋锥齿轮和右旋锥齿轮。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，被动齿轮应为右旋。（4）锥齿轮副啮合间隙的调节利用立轴导管上、下两端的垫片来调整，调整时上、下垫片的总数不变，只是调整上、下垫片的数目。3.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，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、圆锥滚子轴承及向心球轴承和推力轴承组合式。4.立轴5.箱体的安装与变角方式（1）半圆压板式（2）T型槽-螺栓式（3）T型槽-开合式二立轴式回转器的设计计算(一)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;2.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;4.保证密封和润滑。(二)锥齿轮副的设计1.从动锥齿轮分度圆直径的确定从动锥齿轮计算转矩直径系数取值为：钻机汽车拖拉机2.端面模数的选择模数由选用的模数是否合适，用下式校验:钻机:汽车:3.齿数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。4.名义螺旋角的选择一般选用5.弧齿锥齿轮的受力分析(三)立轴与导管的设计计算1.立轴的强度校核(1)立轴危险截面产生的最大正应力(2)立轴产生的最大剪应力(3)立轴产生的合成应力另外根据书中表5-10中的公式可校核不同形状立轴的接触应力。2.导管的强度校核导管产生的合成弯矩：合成弯矩下产生的应力：式中

§6-3转盘的结构分析与设计一转盘的结构型式转盘主要有下列几种型式:1.按转速高低划分为高速转盘和低速转盘。2.按转盘的定位方式分为心管定位和壳体定位。3.按照转盘的传动级数分为一级传动和二级传动。4.按照转盘动力输入方式分为侧面输入和中间输入。5.按照驱动钻杆的方式分为补心式和回转梁式。二转盘典型结构分析1.SPJ-300转盘2.SPC-600R转盘三转盘的设计要点(一)转盘的参数1.转盘的通孔小转盘通孔直径一般为150-160mm，大转盘通孔直径范围在400-670mm之间.2.转盘的转速随转盘的类型不同，转速的差别较大。大直径转盘最高转速在20-30r/min，而小直径转盘的最高转速在800-1000r/min左右。设计时根据钻头直径的最佳线速度确定。3.转矩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0.5-5KN.m，水井钻机转盘转矩在：5.5-20KN.m，大口径工程钻机转盘转矩在30-20KN.m。（二）转盘主轴承的设计计算1.转盘轴承类型转盘工作时，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。2.主轴承载荷与寿命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。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，对主轴承产生的最大轴向载荷为：P1是补心对主动钻杆的推力。轴承的实际动载荷为：ISO推荐的计算轴承额定动载荷公式列于书中表5-11中。计算出额定动载荷后，可用下面的公式计算轴承的寿命：（三）转盘的密封（四）转盘的安装§6-4移动式回转器的结构分析与设计一移动式回转器的结构分析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（俗称动力头）。1.液压传动式移动回转器单马达无变速式2.机械传动式移动回转器二移动式回转器的设计

1.让开孔口的方式

开合式及后移式

2.动力头的防冲击机构

利用移动式回转器实现冲击--回转或振动--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。如花键或圆柱销连接。另外增加防冲击装置，多采用缓冲油缸及缓冲弹簧。

3.导向装置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。4.主轴配油套间隙密封设计泰美克—250钻机配油套间隙是0.025~0.04。钻石—300钻机配油套间隙为0.06~0.08。§6-5回转器的参数选择一回转器的转速1.回转器的最高转速

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。钻头的线速度与钻头的转速关系为：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：v=3.5m/s表镶金刚石钻头：v=2.5m/s硬质合金钻头：v=2m/s钢粒钻头：v=2m/s

2.回转器的最低转速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。目前岩心钻机的最低转速在60-180r/min。水井钻机的最低转速在30r/min左右。

3.调速范围R

大口径钻机R=3~5，高速小口径钻机R=4~15。4.速度档数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4-8档，浅孔低速钻机取3-4档。5.中间速度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：(1)等差排列例如20040060080010001200r/min日本的TEL钻机回转器的中间转速是按等差排列,如下:150200300400500670r/min(2)等比排列按等比排列的速度，其邻速比相等。即例如按公比1.47排列的速度列于下面：10014721731947069210191500r/min(3)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：1182173104513626669511384r/min(4)双等比排列6.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1-2档。二回转器的通孔直径和让开孔口的距离1.通孔直径立轴的通孔比机上钻杆的直径大2—3mm，转盘的通孔比设计的最大粗径钻具的直径大6-8mm。2.让开孔口的距离开合式一般为：1400~1800；后移式后退的距离：300~450mm。§6-6卡盘一卡盘的功用与要求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：1.提供足够稳定的夹持力；2.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；4.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；6.动作迅速，操作方便省力。二卡盘的类型及组成1.卡盘的组成由夹紧元件、中间传动机构、动力装置、卡盘体等组成。2.卡盘的类型类型顶丝式自动定心式手动卡圈式主动钻杆式常闭式（弹簧夹紧，液压松开式）常开式（弹簧松开，液压夹紧式）液压松紧式三卡盘的结构分析(一）.机械式卡盘1.顶丝卡盘2.自动定心卡盘3.手动卡圈式卡盘（二）液压卡盘1.常闭型卡盘2.常开型卡盘3.液压松紧型卡盘四卡盘的设计计算（一）基本参数的确定

1.卡盘的最大工作载荷强力起拔时，卡盘的最大载荷：钻进时卡盘的载荷：卡盘的最大载荷取其二者中的大者2.卡盘实际可承受的载荷（称为夹紧力）

夹紧力的计算见后。3.卡盘夹紧力的储备系数β一般β=1.2-1.6(二)中间传动机构的设计1.斜面增力机构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。对于齿瓦：对于卡圈：联立上面二方程组,，求出齿瓦对钻杆的正压力：卡盘产生的夹紧力为：因为所以又因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：(1)当卡盘结构确定后，其增力系数为定值；(2)夹紧力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，夹紧力的变化较明显。因此，夹持钻杆规格范围较小；(3)卡盘实现自锁的条件是α<φ1；(4)设计时可通过改变α和φ1的值，改变增力系数λ的值。02.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，可