《基于TXU-150型钻机改造的200米钻机变速箱设计》6900字（论文）

——-1-—基于TXU-150型钻机改造的200米钻机变速箱设计摘要当前我国的各项领域都在飞速的发展，自然在地质勘探，工程建设和农田水利建设等方面也都不能落下，而钻机在其中有着得天独厚，无法替代的地位。不同行业对于钻机孔深的需求不同，自然而然主流钻机的孔深也随着市场的需求而变化，就目前看来，随着工程建设的市场份额不断加大，对于孔深范围在10—300米的钻机需求量在不断上升。为了满足这一需求，设计任务是对市场上流行的TXU-150型钻机进行改进和优化，进一步设计出200m孔深的钻机变速箱。变速箱是钻机的核心，只有设计好变速箱才能做出一台优秀的钻机。在设计过程中，根据设想中的适用场合与市场上的各种钻机进行比较，对于同类型的钻机进行参考，设计出全新的钻机变速箱，并在绿色环保的基础上，通过不断的计算与分析，提高变速箱的性价比，能够在市场上更具优势。所以，在设计过程中不仅要满足孔深200米的要求，还要通过材料选取以及结构的优化，使其更能节约成本，有着更好的使用性能。关键字变速箱；设计；钻机；深度200米目录TOC\o"1-3"\h\u3382摘要 I15830第1章绪论 152331.1选题的目的与意义 1303281.2钻机的组成 137251.3国内外行情分析 2319421.3.1国内行情分析 3317091.3.2国外行情分析 3319421.3.3未来应用前景 337251.4设计内容 2319421.4.1设计内容 3317091.4.2主要技术参数 36591第2章变速箱的设计与计算 4177532.1变速箱的结构特点及设计要求 4283522.1.1结构特点 4312592.1.2设计要求 4237542.2钻机的技术特性和要求 551662.3立轴的转速 6180772.3.1传动路径 61682.3.2转速计算 633102.3.3绞车的缠绳速度 7280612.4齿轮副的强度计算与校核 7238082.4.1变速箱内各齿轮主要参数确定 7134922.4.2主要齿轮副的强度设计计算与校核 8280162.5轴的强度计算与校核 13121352.5.1轴的强度计算 13250732.5.2轴的强度验算校核 1727185第3章回转器 1957033.1回转器的机构特点 1956853.2零部件的强度与寿命计算 19209363.2.1弧齿锥齿轮副的参数设计 1962773.2.2计算齿面接触疲劳强度 2015404第4章绞车 235804.1绞车的结构特点 2390254.2主要参数的选择 2349104.2.1绞车性能参数 2311914.2.2绞车卷筒转速和提升速度计算 24324334.3绞车所需功率 25119434.4绞车齿轮副强度简单校核 26266774.4.1按接触疲劳强度校核 26133544.4.2按弯曲疲劳强度校核 2710142结论 2910142参考文献 29绪论1.1选题的目的与意义此设计是200米钻机的变速箱设计。主要原因是当前我国的各项领域都在飞速的发展，自然在地质勘探，工程建设和农田水利建设等方面也都不能落下，而钻机在其中有着得天独厚，无法替代的地位，对其的要求也是越来越高了。当前，市场上最主流的钻机为孔深100米的钻机，可是随着生产和建设的不断进步，高楼大厦，跨江跨海大桥的不断修建，我们发现，钻机的孔深是根据市场上的需求而不断的提高，所以市场上孔深200米的钻机的前景相当可观，并且这一孔深范围的钻机在市场上相当罕见。为了把握机会抢占这一资源丰富的市场，至少需要让钻机的性能领先对手。钻机最为核心的部件之一就是变速箱，解决钻机设计与制造中的关键环节就解决变速箱的问题，只有对变速箱进行改进与优化，缩小体积，节约成本，才能在市场当中脱颖而出。因此，选择200米液压钻机变速箱的设计不仅有着丰厚的市场前景，而且更是间接地促进了我国国民经济的发展，具有重要的意义。1.2钻机的组成今日常用的钻头包括以下部分:回转器:驱动钻具垂直轴的齿轮箱部分。变速箱:变速箱是钻机的垂直轴产生各种速度，绞车产生推进和后退，变速箱是变速箱的核心部件。离合器:连接电源的部分，用于连接、切断电源，实现发动机变速器和绞车的不间断旋转。当钻头负荷超载时，它可以保护钻头。绞车:是运输工具的一部分。刹车:用于控制绞车，将钻头字符串的任何部分抬高并停止在任何位置的机构。机架:它连接机器的各组，稳定地将机器固定在钻井场的基材上。操纵仪:控制钻机油压系统的主铰链。1.3国内外行情分析1.3.1国内行情分析我们国家200米钻机相比较于全世界还是比较落后的状态，目前国内做得较好之一的就是环屿钻机厂。环屿钻机厂始创于1995年，它是一家集钻机、水井钻机研发生产、销售、服务于一体的机械设备生产厂家。旗下畅销钻机有：XY-1钻机、XY-1A钻机、XY-1A-4钻机、XY-200、XY-200-1、HY-50和HY-50H等等，这些钻机种类有着水井钻机、工程钻机、50型钻机、履带式钻机，比较贴合前几年的发展。但是，随着我国一带一路的发展，不仅仅刺激经济行业的发展，当前社会紧密合作牵一发而动全身，对于钻机的需求也在不断提高，特别是针对于200米范围的钻机。操作简便，适用范围广泛，，成本适中，我们应该奋力发展，大步向前，虽然相比于国外还是有着一定的差距，在于结构，效率，精密和耐用等等都需要追赶，但是未来可期，我国一定会快速发展追赶起来，武运昌盛。1.3.2国外行情分析当前行业而言，在国际上较为出名的钻机公司就是美国雪姆SCHRAMM钻机公司。这家公司最著名的就是全液压车载钻机，其设备先进，操作先进，畅销全世界，特别是针对于煤层气的开采，有着权威的话语权。目前在全国的一百多个国家当中，就有着四千多位用户和六千多在使用中的设备，在二十多个国家都有着设备技术服务中心，在中国都设有办事处，是钻机行业的领导者。我国都引进过T130XD与T685WS两种车载钻机，其突破了钻机行业的“大能力设备大型化”的传统，具有超高的便捷性，对于工程建设的修建有着大力的提升。就目前而言，国外的钻机行业还是领先中国不少，我们要多学习别人的长处，弥补自身的缺陷，实现快速发展，自大自强。1.3.3未来应用前景我国的一带一路激活了过去西方死气沉沉的经济体系，一切的发展都带动了起来，当前而言国内使用的大部分钻机都是进口的，价格非常的昂贵，只有少部分有实力的企业能够购买使用。国内的基础施工机械有着很大的发展空间和市场前景。“十一五”、“十二五”期间各种公共建设都在大力投资，尤其是高铁行业，对于钻机的市场是前所未有的机遇，大量的桥梁隧道的建设，对于10—300米的钻机需求量非常之大，而200米的钻机又是在市场上较为罕见的中空区，但是又是建设行业的必不可少的设备，又有着非常广阔的市场前景，集中力量发展抢占这一市场就显得非常必要了。1.4设计内容1.4.1设计内容1.进行液压钻机变速箱工作原理分析。2.进行变速箱主要轴和齿轮的有关计算、校核。3.对与变速箱紧密连接的回转器和绞车的连接部分设计。1.4.2主要技术参数主要技术参数见表1.1表1.1参数表动力头输出扭矩T=550Nm输出转速n1=200r/minn2=60r/min进给油缸推力F=45000N推进速度v1=0-0.95m/min正常退回速度v2=0-10.20m/min快速退回速度v3=14.20m/min钻进深度h=165m(采用螺旋钻杆)锚固力160KN钻杆直径φ=50mm

变速箱的设计与计算2.1变速箱的结构特点及设计要求2.1.1结构特点变速箱的结构由变速箱、变速、控制以及最重要的可变速度合成四个部分构成。在该设计中，可变速度部和分离可动部融为一体，使得箱子的结构尺寸变小。这个变更如下所示。1.有效减少钻头的高度,为了使结合齿轮、Z2及齿轮Z4的大胆的分组及移动作为拨叉的齿轮也再减少,内部的空间,为了优化机械结构的传输部分中,进一步缩减。2.使用拉叉机构作为操作机构，使操作方便，传动齿轮不受干扰。3.增加的装置的卸载，使齿轮的力有效地减弱。2.1.2设计要求1.首先，假设电机的功率输入到变速箱而不造成损失，然后输入到回转器和绞车。2.变速箱可工作20个月，每个变速箱的纯操纵时间为16小时。连续工作10000小时的情况下不能换零件。速度的工作时间分布见表2.1。表2.1齿轮箱的两速工作时间分布转速（r/min）占总工作时间百分率工作时间(h)6050%500020050%50003.本设计是按《机械设计手册》（化学工业出版社）中的零件的强度和寿命计算方法和数据计算的。2.2钻机的技术特性和要求钻机的技术特性和要求见表2.2表2.2参数表名称分类数据对照数据钻进深度(使用Φ50钻杆)——200m钻孔直径开孔直径—89m终孔直径—≥60mm钻孔倾斜角度——0～360°立轴转速——60、200r/min立轴行程——500mm最大液压给进压力——4MPa立轴内孔直径——52mm油缸最大给进力——45KN绞车提升速度——0.29、0.95、14.20m/min绞车转速——36.83、121.35、1823.77r/min绞车提升负荷—0.29m/min12KN—0.95m/min3KN—14.20m/min45KN卷筒直径—140mm宽度—100m钢丝绳直径—8.8mm容绳长度—32.8m电动机型号—YB160L－4电压—380/660V功率—15KW输入转速—260r/min2.3立轴的转速2.3.1传动路径根据方案设计出两种传动路线，如下所示：立轴的I速传动路线回转速度200r/min立轴的II速传动路线回转运动60r/min2.3.2转速计算立轴的旋转速度如下计算：I速传动速度：式中:—立轴的I速旋转传动速度(r/min)—输入速度(r/min)n=260r/minZ1—Z11传动链条各齿轮的齿数，Z1=36，Z2=23，Z10=20，Z11=39故II速传动速度：式中:—立轴的I速旋转传动速度(r/min)—输入转速(r/min)Z3—Z11传动链条各齿轮的齿数，Z3=19，Z4=40，Z10=20，Z11=39故2.3.3绞车的缠绳速度一级缠绳速度:式中:式中:卷筒直径为，钢丝绳直径为。故二级缠绳速度:故三级缠绳速度（快速退回速度）:故受齿轮、轴承、皮带等的效率影响，确定绞车速度分别为：＝0.90m/min=0.21m/min=14.00m/min。2.4齿轮副的强度计算与校核2.4.1变速箱内各齿轮主要参数确定根据立轴的速度和钻机的实际情况，合理选择各齿轮的齿数。变速箱箱内各齿轮的主要设计参数见表2.3。表2.3各齿轮的主要设计参数齿轮编号齿数Z模数m齿宽b变位系数Xn材料硬度RC应力角备注Z1364401.040Cr40—5020º—Z2234300.7640Cr40—5020º—Z319440020CrMnTi57—6220º—Z44043004540—5020º—2.4.2主要齿轮副的强度设计计算与校核选择在所有传动轴的III轴上具有最高压缩力的Z3和Z4齿轮对以进行强度设计计算和检查。2.4.2.1按照齿面接触疲劳强度计算⑴初步计算①计算转矩②齿宽系数根据手册，取③接触疲劳极限根据手册，Z3和Z4齿轮的接触疲劳限度分别为：④许用接触应力的初步计算⑤值根据手册，取⑥初步计算小齿轮直径取⑦初步齿宽取⑵参数选取计算①圆周速度②使用系数根据手册，取③动载系数根据手册，取④齿间载荷分配系数由资料，先求小齿轮切向力之后同样根据资料有，故=19×0.038+40×0.017=1.40因此，可以得到重合度系数得⑤齿向载荷分布系数根据料得到：⑥载荷系数⑦接触最小安全系数根据资料，取⑧载荷系数根据相资料，取⑨总工作时间要求⑩节点区域系数根据料，取eq\o\ac(○,11)应力循环次数根据资料，估计eq\o\ac(○,12)接触寿命系数根据资料，取，eq\o\ac(○,13)许用接触应力⑶校核验算计算结果表明，，，接触疲劳强度是适当的。2.4.2.2按照齿根弯曲疲劳强度验算⑴参数选择计算①重合度系数②齿间载荷分配系数根据资料，③齿向载荷分布系数根据资料，要先求才能得到的值。从数据中找到，=1.43④载荷系数⑤齿形系数根据资料，取，⑥应力修正系数根据资料，取，⑦最小弯曲疲劳极限根据资料，取，⑧弯曲最小安全系数根据资料，取⑨应力循环次数根据资料，取，⑩弯曲寿命系数根据资料，取，eq\o\ac(○,11)尺寸系数根据资料，取eq\o\ac(○,12)许用弯曲应力⑵校核验算计算结果表明，，，弯曲疲劳强度符合。为传输没有重大的过载，所以静强度没有校核。2.5轴的强度计算与校核齿轮箱的所有三个轴的设计,所有的轴材料相同,Ⅲ轴的力量是最大的,然后,直径尺寸是最小,检查轴寿命合格,一切都不会有问题了。为了驱动绞车的三种速度，共有五种工作状态中的两种状态的功率被传送到回转器。另一方面，当转速为60r/min时，该轴承受最大扭矩和最大力。已知条件:45号碳钢，回火和调质。轴的每一个齿轮的速度以及所传输的动力和转矩如表2.4所示。表2.4每一个齿轮的速度以及所传输的动力和转矩速度转速（r/min）传递功率(KW)传递转矩(N·m)Ⅰ406.9714.55341.4Ⅱ123.4914.551125.2各齿轮的分度圆直径为：，2.5.1轴的强度计算2.5.1.1在各种转速下齿轮所受力计算齿轮径向力，齿轮圆周力I速传动转速下：II速传动转速下：2.5.1.2计算轴受到的支承反力由于转数与力和转矩成反比，当转速越低时力和转矩越大，所以应该当选择速度最小的转速的受力情况来分析并计算。该检查仅针对该花键轴上取的截面，可以简化轴的作用力。轴的受力简图如图2.1。图2.1轴的简图受力情况如图2.1，水平力和垂直方向的力合为轴向力，为了计算支承力的两个方向，如下式所示：⑴水平力代入数据：⑵垂直力代入数据：2.5.1.3画轴的弯矩图轴的水平和垂直弯曲力与矩分别如图2.2和图2.3。图2.2轴水平受力、弯矩图图2.3轴垂直受力、弯矩图通过以上计算，轴的合成弯矩为：合成弯矩图见图2.4。图2.4轴受到的合成弯矩图2.5.1.4轴的当量转矩和当量弯矩钻头在使用的时候，力不可能完全均匀，并且会有扭转振动。考虑到安全性，根据脉冲计算动扭矩。①许用应力值选择45号碳钢作为轴的材料，查询资料得许用应力值，同时取。②应力校正系数当量转矩：当量弯矩计算：选择在齿轮Z4中间截面处当量弯矩图如图2.5所示。

图2.5当量弯矩图2.5.2轴的强度验算校核2.5.2.1校核轴径Z4齿根圆直径：Ⅲ轴最小轴径：故,满足要求。2.5.2.2应力校核轴所受应力计算如下：式中：W——轴的抗弯截面系数花键轴的抗弯截面系数计算如下：式中：d——内径取d=42mmB——键宽取B=8mmD——外径取D=46mmz——个数取z=8故代入式后得：N计算轴所受应力：得,通过校核。

回转器3.1回转器的机构特点回转器立轴上端装有常闭式液压卡盘，结构是由外壳、立轴、立轴导管、弧齿锥齿轮等组成。其特点是：1、体积小，并与变速器贴合紧密。2、为减轻钻机重量并可靠简便，采用开箱式离开孔口。3、为节省钻进辅助时间，设立轴行程为500mm。3.2零部件的强度与寿命计算3.2.1弧齿锥齿轮副的参数设计锥齿轮传动的主要大小可以通过类推或变速模式来确定。采用封闭式传动，可以估计齿表面的接触强度，而采用开放式传动，则可以预先确定结构、估计弯曲强度，并利用计算载荷进行计算确认。取齿轮齿数Z10=20，Z11=39齿面硬度Z10为HRC57，Z11为HRC52锥齿轮传动确定主要尺寸的方式有类比法和按传动方式确定两种方法，在本次设计中的根据齿面的接触强度估计闭合传输，根据弯曲强度估计设计中的开放传输，计算负荷。式中：—齿轮许用接触应力＝式中：—接触疲劳应力取—安全系数1～1.2取u—传动比或齿数比—所受转距K—使用系数取K＝1.5故取则有齿轮大端模数其他相关参数如表3.1，3.2所示表3.1所有参数的弧锥齿名称大弧锥齿Z11小弧锥齿Z10分锥角62.85°27.15°齿宽系数0.30.33.2.2计算齿面接触疲劳强度Z10与Z11的主要参数见表3.2。齿面硬度Z10为HRC52，Z11为HRC57，锥距R＝131.49mm,节锥角δ10=,δ11=。表3.2弧锥齿的材料参数齿号齿数模数变位系数齿宽材料齿顶系数压力角螺旋角旋向精度Z102060.294020CrMnTi0.85右8DCZ113960.294020CrMnTi0.85左8DC齿轮在各种转速下传递的功率、转速及转矩见表3.3。表3.3弧锥齿的功率、转速及转矩功率KW转速r/min转矩n·m14.55406.97341.414.55123.491125.21.校核公式计算接触应力：(3.1)许用应力：（3.2）2.校核验算：将表3.4中的参数代入公式3.1、3.2中得：＝869.3MPa＝1036.36MPa得<，并且安全系数所以，请满足安全条件。即，通过接触疲劳强度检查的齿轮满足要求。

绞车4.1绞车的结构特点考虑到作业后钻机拆卸的方便，故设计了快速退回的功能，通过应用大齿轮与翻转齿轮实现。具有固定齿轮列的行星传动装置的结构如下：1.结构简单紧凑，传动装置也起到离合器和过载保护的作用。2.高传输功率和高效率。3.顺畅的交接和灵活的活动。4.2主要参数的选择4.2.1绞车性能参数1.确定钢丝绳直径d根据GB1102－74标准，选定钢丝绳直径如下：外径：=8.8mm总断面积：=27.88mm2总破断力：=47300N抗拉强度：=1700Mpa绳型：绳6×37（纤维芯）2.钢丝绳的强度校核绞车最大提升负荷：=12000N最小安全系数：在正常情况下，最大起重时的安全系数为：在急刹车时，取＝2.5，则安全系数3.卷筒参数确定如下：卷筒内径：＝140mm卷筒外径：＝243mm卷筒有效长度：L0＝100mm容绳长度：式中：——每层钢丝绳圈数＝11——每层缠绳长度之和，共6层，m4.绞车主要齿轮副的几何参数计算在绞车中，行星齿轮的外啮合为重要齿轮副，只计算齿轮Z14、Z15的几何参数。它们的主要参数见表4.1。表4.1齿轮Z14、Z15的主要几何参数齿轮齿数Z模数m变位系数Xn材料硬度HRCZ141830.1520CrMnTi5762Z151830.1520CrMnTi57624.2.2绞车卷筒转速和提升速度计算1.绞车共有3种转速,各种转速计算如下:第Ⅰ档:第Ⅱ档:第Ⅲ档:2.三种转速下的绕绳速度在4.4.2中已经对绞车的绕绳速度，即提升速度进行了计算，现加上提升力总结于表4.2中。表4.2三种转速提升速度卷筒转速提升力Ⅰ=0.95m/minⅠ=121.35r/min30