第五章

回轉器與卡盤§5-1回轉器的功用、要求及類型一、回轉器的功用回轉器是鉆機的重要工作機構,主要功用如下:1.帶動鉆具回轉,提供鉆頭破巖所需的轉矩和轉速;2.導正鉆具方向;3.實現變角,以適應鉆進不同傾角的鉆孔;4.處理孔內事故.二、對回轉器的要求1.回轉器的轉矩及轉速要有較寬的調節范圍;2.具有良好的導向性;3.具有一定的變角范圍,可鉆進設計范圍內的不同傾角的鉆孔;4.應保證主動鉆桿既可轉動,又不防礙在給進機構的帶動下作軸向運動;5.最好具有1-2個反檔,以滿足特種工作的需要;6.運轉平穩，振動和噪音小。三、回轉器的類型和特點1.立軸式回轉器

(1)給進機構組裝在回轉器的箱體上，和回轉器構成同一個拆裝部件、保證了卡盤與回轉器的同心度;(2)有一根長的立軸，導向性好;(3)變角范圍大，可鉆任意傾角的鉆孔;(4)采用懸臂式安裝，增加了鉆機的重心高度;(5)立軸的通孔較小，提下鉆具時，回轉器需要讓離孔口;(6)不能用于擰卸鉆桿，需要另配擰管機。2.轉盤式回轉器

(1)多數轉盤是安裝在鉆機的底座上，使鉆機的重心低;(2)多數轉盤都兼做擰管機，減少了設備的數量;(3)多數轉盤通孔較大，可通過設計的最大粗徑鉆具。提下鉆具時，無需讓開孔口;(4)因轉盤的主軸較短，且通孔大，故對鉆具的導向性差;(5)轉盤與給進機構為兩個獨立的部件，二者沒有直接的聯系;(6)由于結構的限制，轉盤的變角范圍較小。3.移動式回轉器（動力頭）（1）可在給進機構的拖動下沿導向架軸向移動，實現長行程給進；（2）配有剛度大的導向架，對鉆具的導向性好；（3）與孔口夾持器配合，可用于擰卸鉆桿，與給進機構配合，可用于升降鉆具；（4）采用機械傳動時，需要一根長的傳動軸；（5）鉆不同傾角的鉆孔時，不靠回轉器變角，而是靠導向架的前后傾斜調整回轉器的傾角；（6）易于實現自動控制。§5-2立軸回轉器的結構分析與設計一、立軸式回轉器的結構分析1.動力輸入軸(半軸)

一般多采用懸臂式安裝。為保證軸的支撐剛度,多應用以下三種加大支撐剛度的方法：(1)選擇合適的軸承類型和安裝方式;(2)選擇合適的軸用材料、結構型式。在結構許可的條件下。適當加大軸徑;(3)軸的支撐段長度大于或等于懸出段的長度的2倍，即。2.錐齒輪副（1）錐齒輪的類型

小錐齒輪裝在動力輸入軸的懸臂端。大的錐齒輪裝在立軸導管上。常用的有兩種類型:

直齒錐齒輪特點是易制造、成本低、轉動時產生的軸向力始終背離錐頂、尺寸相同，承載能力較小、對安裝誤差的敏感性大、適用于低速傳動，v

5m/s.

弧齒錐齒輪特點是齒嚙合重疊系數大、承載能力大、工作平穩、噪聲小、適用于高轉速，v>5m/s。但工作時產生的軸向力大，且軸向力的方向隨轉向的變化而改變、加工困難、成本高、對安裝精度要求高。（3）弧齒錐齒輪的選配弧齒錐齒輪按照齒的旋向分為左旋弧齒錐齒輪和右旋弧齒錐齒輪。弧齒錐齒輪副的兩個齒輪的齒旋向不同。為了使錐齒輪副工作時產生的軸向力背離錐頂，則被動齒輪上置式安裝時，主動齒輪應選用右旋，被動齒輪用左旋。如果被動齒輪采用下置式安裝，則主動齒輪為左旋，被動齒輪應為右旋。（4）錐齒輪副嚙合間隙的調節利用立軸導管上、下兩端的墊片來調整，調整時上、下墊片的總數不變，只是調整上、下墊片的數目。（2）被動錐齒輪的安裝形式被動錐齒輪的安裝分上置式和下置式。被動錐齒輪的安裝形式取決于傳動系統的傳動方案。下置式安裝的潤滑條件優于上置式。3.立軸導管立軸導管的作用是安裝被動傘齒輪、傳遞扭矩，帶動立軸轉動，又能使立軸在導管內孔中上下移動。導管是采用滾動軸承支撐在回轉器的箱體上。其支撐方式主要有三種：向心止推軸承、圓錐滾子軸承及向心球軸承和推力軸承組合式。abc4.立軸5.箱體的安裝與變角方式（1）半圓壓板式（2）T型槽-螺栓式（3）T型槽-開合式二、立軸式回轉器的設計計算(一)立軸式回轉器設計應注意的問題1.與給進機構聯系在一起考慮;2.結構上盡可能減小回轉器的振動;3.保證孔口的作業空間，盡可能降低重心;4.保證密封和潤滑。(二)錐齒輪副的設計1.從動錐齒輪分度圓直徑的確定從動錐齒輪計算轉矩直徑系數取值為：鉆機汽車拖拉機2.端面模數的選擇模數由選用的模數是否合適，用下式校驗:鉆機:汽車:3.齒數選擇主、被動齒輪的齒數應沒有公約數。小齒輪的齒數盡量選擇奇數。4.名義螺旋角的選擇一般選用5.弧齒錐齒輪的受力分析(三)立軸與導管的設計計算1.立軸的強度校核(1)立軸危險截面產生的最大正應力(2)立軸產生的最大剪應力(3)立軸產生的合成應力3.導管的強度校核導管產生的合成彎矩：合成彎矩下產生的應力：式中

2.立軸接觸應力的校核根據書中表5-10中的公式可校核不同形狀立軸的接觸應力。

-接觸應力系數，三方軸：

=1.33

四方軸：

=0.5

六方軸：

=2

§5-3轉盤的結構分析與設計一、轉盤的結構型式轉盤主要有下列幾種型式:1.按轉速高低劃分為高速轉盤和低速轉盤。2.按轉盤的定位方式分為心管定位和殼體定位。3.按照轉盤的傳動級數分為一級傳動和二級傳動。4.按照轉盤動力輸入方式分為側面輸入和中間輸入。5.按照驅動鉆桿的方式分為補心式和回轉梁式。二、轉盤典型結構分析1.SPJ-300轉盤2.SPC-600R轉盤

一級傳動、內轉回轉梁式大口徑轉盤。三、轉盤的設計要點(一)轉盤的參數1.轉盤的通孔小轉盤通孔直徑一般為150-160mm，大轉盤通孔直徑范圍在400-670mm之間.2.轉盤的轉速隨轉盤的類型不同，轉速的差別較大。大直徑轉盤最高轉速在20-30r/min，而小直徑轉盤的最高轉速在800-1000r/min左右。設計時根據鉆頭直徑的最佳線速度確定。3.轉矩當動力機的功率確定后，轉盤的轉矩和轉速有關。轉速低，轉矩大；轉速高，轉矩小。一般工程勘察鉆機轉盤轉矩在0.5-5KN.m，水井鉆機轉盤轉矩在：5.5-20KN.m，大口徑工程鉆機轉盤轉矩在30-20KN.m。（二）轉盤主軸承的設計計算1.轉盤軸承類型轉盤工作時，轉盤軸承承受有軸向載荷和徑向載荷。轉盤軸承多選用推力向心球軸承或推力向心球面磙子軸承。2.主軸承載荷與壽命計算主軸承的等效當量動載荷可用最大當量載荷，考慮壽命系數來計算。對于推力向心球軸承，徑向系數x=1.2對于有補心的轉盤，主動鉆桿在補心孔內下滑時，對主軸承產生的最大軸向載荷為：P1是補心對主動鉆桿的推力。軸承的實際動載荷為：ISO推薦的計算軸承額定動載荷C的公式列于書中表5-11中。計算出額定動載荷后，可用下面的公式計算軸承的壽命：載荷特性系數，對于轉盤取1.5溫度系數，一般取1（三）轉盤的密封（四）轉盤的安裝§5-4移動式回轉器的結構分析與設計一、移動式回轉器的結構分析移動式回轉器按照傳動方式分為機械傳動式、液壓傳動式（俗稱動力頭）和電驅動式。1.液壓傳動式移動回轉器鉆石-300型鉆機回轉器屬于單馬達無變速式2.機械傳動式移動回轉器3.電驅動式移動回轉器二、移動式回轉器的設計

1.讓開孔口的方式

開合式及移動式

2.動力頭的防沖擊機構

利用移動式回轉器實現沖擊--回轉或振動--回轉鉆進時，回轉器的主軸和傳動齒輪之間是采用可軸向串動的連接方式。如花鍵或圓柱銷連接。另外增加防沖擊裝置，多采用緩沖油缸及緩沖彈簧。

3.導向裝置導向裝置的形式有圓柱形導桿式、滾輪滑板式及矩形導軌式等。4.主軸配油套間隙密封設計泰美克—250鉆機配油套間隙是0.025~0.04。鉆石—300鉆機配油套間隙為0.06~0.08。§5-5回轉器的參數選擇一、回轉器的轉速1.回轉器的最高轉速

依據鉆頭適應的最高線速度；鉆進工藝的發展趨勢；鉆頭的直徑、鉆機、鉆桿、鉆頭的質量來確定。鉆頭的線速度與鉆頭的轉速關系為：目前不同切削具的鉆頭適應的最高線速度分別為：孕鑲金剛石鉆頭：v=3.5m/s表鑲金剛石鉆頭：v=2.5m/s硬質合金鉆頭：v=2m/s鋼粒鉆頭：v=2m/s

2.回轉器的最低轉速依據鉆機的最大開孔直徑、復雜地層及特種鉆進、掃孔和處理事故的需要確定。目前巖心鉆機的最低轉速在60-180r/min。水井鉆機的最低轉速在30r/min左右。

3.調速范圍R

大口徑鉆機R=3~5，高速小口徑鉆機R=4~15。4.速度檔數按照鉆進工藝的需要，理想的是無級調速。機械傳動鉆機均采用有級變速。一般深孔高速鉆機取4-8檔，淺孔低速鉆機取3-4檔。5.中間速度根據鉆進工藝的要求和傳動系統的布置確定。中間速度有四種排列方法：(1)等差排列例如20040060080010001200r/min日本的TEL鉆機回轉器的中間轉速是按等差排列,如下:150200300400500670r/min

(2)等比排列按等比排列的速度，其鄰速比相等。即例如按公比

1.47排列的速度列于下面：

10014721731947069210191500r/min(3)不規則排列

XY-4鉆機回轉器的轉速是按照不規則排列，列于下面：

1182173104513626669511384r/min(4)雙等比排列6.反檔速度反檔速度主要用于處理事故和特種鉆進。轉盤鉆機的反檔速度還用于卸鉆具。一般設1-2檔。二、回轉器的通孔直徑和讓開孔口的距離1.通孔直徑立軸的通孔比機上鉆桿的直徑大2—3mm，轉盤的通孔比設計的最大粗徑鉆具的直徑大6-8mm。2.讓開孔口的距離開合式一般為：1400~1800；后移式后退的距離：300~450mm。§5-6卡盤的設計一、卡盤的功用與要求卡盤的功用是夾緊機上鉆桿，傳遞轉矩，傳遞軸向力及軸向運動。卡盤應滿足以下要求：1.提供足夠穩定的夾持力；2.加緊時能自動定心；3.卡盤的轉動部分質量分布均勻，動平衡性能好；4.用較小的動力產生較大的加緊力；5.加緊力分布均勻，不損傷鉆桿；6.動作迅速，操作方便省力。二、卡盤的類型及組成1.卡盤的組成由夾緊元件、中間傳動機構、動力裝置、卡盤體等組成。2.卡盤的類型類型頂絲式自動定心式手動卡圈式主動鉆桿式常閉式（彈簧加緊，液壓松開式）常開式（彈簧松開，液壓加緊式）液壓松緊式機械式液壓式三、卡盤的結構分析(一）.機械式卡盤1.頂絲卡盤2.自動定心卡盤3.手動卡圈式卡盤（二）液壓卡盤常閉型卡盤

楔面增力式連桿增力式常閉型液壓卡盤2.常開型卡盤3.液壓松緊型卡盤4.XY-4鉆機卡盤

屬于彈簧加緊、液壓松開式常閉型液壓卡盤。采用蝶型彈簧、單作用油缸、楔面增力機構。四、卡盤的設計計算（一）基本參數的確定

1.卡盤的最大工作載荷強力起拔時，卡盤的最大載荷：鉆進時卡盤的載荷：卡盤的最大載荷取其二者中的大者2.卡盤實際可承受的載荷（稱為夾緊力）

夾緊力的計算見后。3.卡盤加緊力的儲備系數β一般β=1.2-1.6(二)中間傳動機構的設計1.斜面增力機構根據齒瓦與卡圈分離體的受力圖可得到二者的力平衡方程組。對于齒瓦：對于卡圈：聯立上面二方程組,，求出齒瓦對鉆桿的正壓力：卡盤產生的加緊力為：因為所以又因斜面增力機構的增力系數為：根據上面的關系，繪出該機構的特性曲線如圖。由此可分析出斜面增力機構卡盤的特點如下：(1)當卡盤結構確定后，其增力系數為定值；(2)夾緊力在夾持范圍內變化較大，當鉆桿的尺寸和齒瓦尺寸略有變化時，加緊力的變化較明顯。因此，夾持鉆桿規格范圍較小；(3)卡盤實現自鎖的條件是α<φ1；(4)設計時可通過改變α和φ1的值，改變增力系數λ的值。02.連桿增力機構連桿增力