——-1-—基于TXU-150型鉆機改造的200米鉆機變速箱設計摘要當前我國的各項領域都在飛速的發展，自然在地質勘探，工程建設和農田水利建設等方面也都不能落下，而鉆機在其中有著得天獨厚，無法替代的地位。不同行業對于鉆機孔深的需求不同，自然而然主流鉆機的孔深也隨著市場的需求而變化，就目前看來，隨著工程建設的市場份額不斷加大，對于孔深范圍在10—300米的鉆機需求量在不斷上升。為了滿足這一需求，設計任務是對市場上流行的TXU-150型鉆機進行改進和優化，進一步設計出200m孔深的鉆機變速箱。變速箱是鉆機的核心，只有設計好變速箱才能做出一臺優秀的鉆機。在設計過程中，根據設想中的適用場合與市場上的各種鉆機進行比較，對于同類型的鉆機進行參考，設計出全新的鉆機變速箱，并在綠色環保的基礎上，通過不斷的計算與分析，提高變速箱的性價比，能夠在市場上更具優勢。所以，在設計過程中不僅要滿足孔深200米的要求，還要通過材料選取以及結構的優化，使其更能節約成本，有著更好的使用性能。關鍵字變速箱；設計；鉆機；深度200米目錄TOC\o"1-3"\h\u3382摘要 I15830第1章緒論 152331.1選題的目的與意義 1303281.2鉆機的組成 137251.3國內外行情分析 2319421.3.1國內行情分析 3317091.3.2國外行情分析 3319421.3.3未來應用前景 337251.4設計內容 2319421.4.1設計內容 3317091.4.2主要技術參數 36591第2章變速箱的設計與計算 4177532.1變速箱的結構特點及設計要求 4283522.1.1結構特點 4312592.1.2設計要求 4237542.2鉆機的技術特性和要求 551662.3立軸的轉速 6180772.3.1傳動路徑 61682.3.2轉速計算 633102.3.3絞車的纏繩速度 7280612.4齒輪副的強度計算與校核 7238082.4.1變速箱內各齒輪主要參數確定 7134922.4.2主要齒輪副的強度設計計算與校核 8280162.5軸的強度計算與校核 13121352.5.1軸的強度計算 13250732.5.2軸的強度驗算校核 1727185第3章回轉器 1957033.1回轉器的機構特點 1956853.2零部件的強度與壽命計算 19209363.2.1弧齒錐齒輪副的參數設計 1962773.2.2計算齒面接觸疲勞強度 2015404第4章絞車 235804.1絞車的結構特點 2390254.2主要參數的選擇 2349104.2.1絞車性能參數 2311914.2.2絞車卷筒轉速和提升速度計算 24324334.3絞車所需功率 25119434.4絞車齒輪副強度簡單校核 26266774.4.1按接觸疲勞強度校核 26133544.4.2按彎曲疲勞強度校核 2710142結論 2910142參考文獻 29緒論1.1選題的目的與意義此設計是200米鉆機的變速箱設計。主要原因是當前我國的各項領域都在飛速的發展，自然在地質勘探，工程建設和農田水利建設等方面也都不能落下，而鉆機在其中有著得天獨厚，無法替代的地位，對其的要求也是越來越高了。當前，市場上最主流的鉆機為孔深100米的鉆機，可是隨著生產和建設的不斷進步，高樓大廈，跨江跨海大橋的不斷修建，我們發現，鉆機的孔深是根據市場上的需求而不斷的提高，所以市場上孔深200米的鉆機的前景相當可觀，并且這一孔深范圍的鉆機在市場上相當罕見。為了把握機會搶占這一資源豐富的市場，至少需要讓鉆機的性能領先對手。鉆機最為核心的部件之一就是變速箱，解決鉆機設計與制造中的關鍵環節就解決變速箱的問題，只有對變速箱進行改進與優化，縮小體積，節約成本，才能在市場當中脫穎而出。因此，選擇200米液壓鉆機變速箱的設計不僅有著豐厚的市場前景，而且更是間接地促進了我國國民經濟的發展，具有重要的意義。1.2鉆機的組成今日常用的鉆頭包括以下部分:回轉器:驅動鉆具垂直軸的齒輪箱部分。變速箱:變速箱是鉆機的垂直軸產生各種速度，絞車產生推進和后退，變速箱是變速箱的核心部件。離合器:連接電源的部分，用于連接、切斷電源，實現發動機變速器和絞車的不間斷旋轉。當鉆頭負荷超載時，它可以保護鉆頭。絞車:是運輸工具的一部分。剎車:用于控制絞車，將鉆頭字符串的任何部分抬高并停止在任何位置的機構。機架:它連接機器的各組，穩定地將機器固定在鉆井場的基材上。操縱儀:控制鉆機油壓系統的主鉸鏈。1.3國內外行情分析1.3.1國內行情分析我們國家200米鉆機相比較于全世界還是比較落后的狀態，目前國內做得較好之一的就是環嶼鉆機廠。環嶼鉆機廠始創于1995年，它是一家集鉆機、水井鉆機研發生產、銷售、服務于一體的機械設備生產廠家。旗下暢銷鉆機有：XY-1鉆機、XY-1A鉆機、XY-1A-4鉆機、XY-200、XY-200-1、HY-50和HY-50H等等，這些鉆機種類有著水井鉆機、工程鉆機、50型鉆機、履帶式鉆機，比較貼合前幾年的發展。但是，隨著我國一帶一路的發展，不僅僅刺激經濟行業的發展，當前社會緊密合作牽一發而動全身，對于鉆機的需求也在不斷提高，特別是針對于200米范圍的鉆機。操作簡便，適用范圍廣泛，，成本適中，我們應該奮力發展，大步向前，雖然相比于國外還是有著一定的差距，在于結構，效率，精密和耐用等等都需要追趕，但是未來可期，我國一定會快速發展追趕起來，武運昌盛。1.3.2國外行情分析當前行業而言，在國際上較為出名的鉆機公司就是美國雪姆SCHRAMM鉆機公司。這家公司最著名的就是全液壓車載鉆機，其設備先進，操作先進，暢銷全世界，特別是針對于煤層氣的開采，有著權威的話語權。目前在全國的一百多個國家當中，就有著四千多位用戶和六千多在使用中的設備，在二十多個國家都有著設備技術服務中心，在中國都設有辦事處，是鉆機行業的領導者。我國都引進過T130XD與T685WS兩種車載鉆機，其突破了鉆機行業的“大能力設備大型化”的傳統，具有超高的便捷性，對于工程建設的修建有著大力的提升。就目前而言，國外的鉆機行業還是領先中國不少，我們要多學習別人的長處，彌補自身的缺陷，實現快速發展，自大自強。1.3.3未來應用前景我國的一帶一路激活了過去西方死氣沉沉的經濟體系，一切的發展都帶動了起來，當前而言國內使用的大部分鉆機都是進口的，價格非常的昂貴，只有少部分有實力的企業能夠購買使用。國內的基礎施工機械有著很大的發展空間和市場前景。“十一五”、“十二五”期間各種公共建設都在大力投資，尤其是高鐵行業，對于鉆機的市場是前所未有的機遇，大量的橋梁隧道的建設，對于10—300米的鉆機需求量非常之大，而200米的鉆機又是在市場上較為罕見的中空區，但是又是建設行業的必不可少的設備，又有著非常廣闊的市場前景，集中力量發展搶占這一市場就顯得非常必要了。1.4設計內容1.4.1設計內容1.進行液壓鉆機變速箱工作原理分析。2.進行變速箱主要軸和齒輪的有關計算、校核。3.對與變速箱緊密連接的回轉器和絞車的連接部分設計。1.4.2主要技術參數主要技術參數見表1.1表1.1參數表動力頭輸出扭矩T=550Nm輸出轉速n1=200r/minn2=60r/min進給油缸推力F=45000N推進速度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鉆進深度h=165m(采用螺旋鉆桿)錨固力160KN鉆桿直徑φ=50mm

變速箱的設計與計算2.1變速箱的結構特點及設計要求2.1.1結構特點變速箱的結構由變速箱、變速、控制以及最重要的可變速度合成四個部分構成。在該設計中，可變速度部和分離可動部融為一體，使得箱子的結構尺寸變小。這個變更如下所示。1.有效減少鉆頭的高度,為了使結合齒輪、Z2及齒輪Z4的大膽的分組及移動作為撥叉的齒輪也再減少,內部的空間,為了優化機械結構的傳輸部分中,進一步縮減。2.使用拉叉機構作為操作機構，使操作方便，傳動齒輪不受干擾。3.增加的裝置的卸載，使齒輪的力有效地減弱。2.1.2設計要求1.首先，假設電機的功率輸入到變速箱而不造成損失，然后輸入到回轉器和絞車。2.變速箱可工作20個月，每個變速箱的純操縱時間為16小時。連續工作10000小時的情況下不能換零件。速度的工作時間分布見表2.1。表2.1齒輪箱的兩速工作時間分布轉速（r/min）占總工作時間百分率工作時間(h)6050%500020050%50003.本設計是按《機械設計手冊》（化學工業出版社）中的零件的強度和壽命計算方法和數據計算的。2.2鉆機的技術特性和要求鉆機的技術特性和要求見表2.2表2.2參數表名稱分類數據對照數據鉆進深度(使用Φ50鉆桿)——200m鉆孔直徑開孔直徑—89m終孔直徑—≥60mm鉆孔傾斜角度——0～360°立軸轉速——60、200r/min立軸行程——500mm最大液壓給進壓力——4MPa立軸內孔直徑——52mm油缸最大給進力——45KN絞車提升速度——0.29、0.95、14.20m/min絞車轉速——36.83、121.35、1823.77r/min絞車提升負荷—0.29m/min12KN—0.95m/min3KN—14.20m/min45KN卷筒直徑—140mm寬度—100m鋼絲繩直徑—8.8mm容繩長度—32.8m電動機型號—YB160L－4電壓—380/660V功率—15KW輸入轉速—260r/min2.3立軸的轉速2.3.1傳動路徑根據方案設計出兩種傳動路線，如下所示：立軸的I速傳動路線回轉速度200r/min立軸的II速傳動路線回轉運動60r/min2.3.2轉速計算立軸的旋轉速度如下計算：I速傳動速度：式中:—立軸的I速旋轉傳動速度(r/min)—輸入速度(r/min)n=260r/minZ1—Z11傳動鏈條各齒輪的齒數，Z1=36，Z2=23，Z10=20，Z11=39故II速傳動速度：式中:—立軸的I速旋轉傳動速度(r/min)—輸入轉速(r/min)Z3—Z11傳動鏈條各齒輪的齒數，Z3=19，Z4=40，Z10=20，Z11=39故2.3.3絞車的纏繩速度一級纏繩速度:式中:式中:卷筒直徑為，鋼絲繩直徑為。故二級纏繩速度:故三級纏繩速度（快速退回速度）:故受齒輪、軸承、皮帶等的效率影響，確定絞車速度分別為：＝0.90m/min=0.21m/min=14.00m/min。2.4齒輪副的強度計算與校核2.4.1變速箱內各齒輪主要參數確定根據立軸的速度和鉆機的實際情況，合理選擇各齒輪的齒數。變速箱箱內各齒輪的主要設計參數見表2.3。表2.3各齒輪的主要設計參數齒輪編號齒數Z模數m齒寬b變位系數Xn材料硬度RC應力角備注Z1364401.040Cr40—5020o—Z2234300.7640Cr40—5020o—Z319440020CrMnTi57—6220o—Z44043004540—5020o—2.4.2主要齒輪副的強度設計計算與校核選擇在所有傳動軸的III軸上具有最高壓縮力的Z3和Z4齒輪對以進行強度設計計算和檢查。2.4.2.1按照齒面接觸疲勞強度計算⑴初步計算①計算轉矩②齒寬系數根據手冊，取③接觸疲勞極限根據手冊，Z3和Z4齒輪的接觸疲勞限度分別為：④許用接觸應力的初步計算⑤值根據手冊，取⑥初步計算小齒輪直徑取⑦初步齒寬取⑵參數選取計算①圓周速度②使用系數根據手冊，取③動載系數根據手冊，取④齒間載荷分配系數由資料，先求小齒輪切向力之后同樣根據資料有，故=19×0.038+40×0.017=1.40因此，可以得到重合度系數得⑤齒向載荷分布系數根據料得到：⑥載荷系數⑦接觸最小安全系數根據資料，取⑧載荷系數根據相資料，取⑨總工作時間要求⑩節點區域系數根據料，取eq\o\ac(○,11)應力循環次數根據資料，估計eq\o\ac(○,12)接觸壽命系數根據資料，取，eq\o\ac(○,13)許用接觸應力⑶校核驗算計算結果表明，，，接觸疲勞強度是適當的。2.4.2.2按照齒根彎曲疲勞強度驗算⑴參數選擇計算①重合度系數②齒間載荷分配系數根據資料，③齒向載荷分布系數根據資料，要先求才能得到的值。從數據中找到，=1.43④載荷系數⑤齒形系數根據資料，取，⑥應力修正系數根據資料，取，⑦最小彎曲疲勞極限根據資料，取，⑧彎曲最小安全系數根據資料，取⑨應力循環次數根據資料，取，⑩彎曲壽命系數根據資料，取，eq\o\ac(○,11)尺寸系數根據資料，取eq\o\ac(○,12)許用彎曲應力⑵校核驗算計算結果表明，，，彎曲疲勞強度符合。為傳輸沒有重大的過載，所以靜強度沒有校核。2.5軸的強度計算與校核齒輪箱的所有三個軸的設計,所有的軸材料相同,Ⅲ軸的力量是最大的,然后,直徑尺寸是最小,檢查軸壽命合格,一切都不會有問題了。為了驅動絞車的三種速度，共有五種工作狀態中的兩種狀態的功率被傳送到回轉器。另一方面，當轉速為60r/min時，該軸承受最大扭矩和最大力。已知條件:45號碳鋼，回火和調質。軸的每一個齒輪的速度以及所傳輸的動力和轉矩如表2.4所示。表2.4每一個齒輪的速度以及所傳輸的動力和轉矩速度轉速（r/min）傳遞功率(KW)傳遞轉矩(N·m)Ⅰ406.9714.55341.4Ⅱ123.4914.551125.2各齒輪的分度圓直徑為：，2.5.1軸的強度計算2.5.1.1在各種轉速下齒輪所受力計算齒輪徑向力，齒輪圓周力I速傳動轉速下：II速傳動轉速下：2.5.1.2計算軸受到的支承反力由于轉數與力和轉矩成反比，當轉速越低時力和轉矩越大，所以應該當選擇速度最小的轉速的受力情況來分析并計算。該檢查僅針對該花鍵軸上取的截面，可以簡化軸的作用力。軸的受力簡圖如圖2.1。圖2.1軸的簡圖受力情況如圖2.1，水平力和垂直方向的力合為軸向力，為了計算支承力的兩個方向，如下式所示：⑴水平力代入數據：⑵垂直力代入數據：2.5.1.3畫軸的彎矩圖軸的水平和垂直彎曲力與矩分別如圖2.2和圖2.3。圖2.2軸水平受力、彎矩圖圖2.3軸垂直受力、彎矩圖通過以上計算，軸的合成彎矩為：合成彎矩圖見圖2.4。圖2.4軸受到的合成彎矩圖2.5.1.4軸的當量轉矩和當量彎矩鉆頭在使用的時候，力不可能完全均勻，并且會有扭轉振動。考慮到安全性，根據脈沖計算動扭矩。①許用應力值選擇45號碳鋼作為軸的材料，查詢資料得許用應力值，同時取。②應力校正系數當量轉矩：當量彎矩計算：選擇在齒輪Z4中間截面處當量彎矩圖如圖2.5所示。

圖2.5當量彎矩圖2.5.2軸的強度驗算校核2.5.2.1校核軸徑Z4齒根圓直徑：Ⅲ軸最小軸徑：故,滿足要求。2.5.2.2應力校核軸所受應力計算如下：式中：W——軸的抗彎截面系數花鍵軸的抗彎截面系數計算如下：式中：d——內徑取d=42mmB——鍵寬取B=8mmD——外徑取D=46mmz——個數取z=8故代入式后得：N計算軸所受應力：得,通過校核。

回轉器3.1回轉器的機構特點回轉器立軸上端裝有常閉式液壓卡盤，結構是由外殼、立軸、立軸導管、弧齒錐齒輪等組成。其特點是：1、體積小，并與變速器貼合緊密。2、為減輕鉆機重量并可靠簡便，采用開箱式離開孔口。3、為節省鉆進輔助時間，設立軸行程為500mm。3.2零部件的強度與壽命計算3.2.1弧齒錐齒輪副的參數設計錐齒輪傳動的主要大小可以通過類推或變速模式來確定。采用封閉式傳動，可以估計齒表面的接觸強度，而采用開放式傳動，則可以預先確定結構、估計彎曲強度，并利用計算載荷進行計算確認。取齒輪齒數Z10=20，Z11=39齒面硬度Z10為HRC57，Z11為HRC52錐齒輪傳動確定主要尺寸的方式有類比法和按傳動方式確定兩種方法，在本次設計中的根據齒面的接觸強度估計閉合傳輸，根據彎曲強度估計設計中的開放傳輸，計算負荷。式中：—齒輪許用接觸應力＝式中：—接觸疲勞應力取—安全系數1～1.2取u—傳動比或齒數比—所受轉距K—使用系數取K＝1.5故取則有齒輪大端模數其他相關參數如表3.1，3.2所示表3.1所有參數的弧錐齒名稱大弧錐齒Z11小弧錐齒Z10分錐角62.85°27.15°齒寬系數0.30.33.2.2計算齒面接觸疲勞強度Z10與Z11的主要參數見表3.2。齒面硬度Z10為HRC52，Z11為HRC57，錐距R＝131.49mm,節錐角δ10=,δ11=。表3.2弧錐齒的材料參數齒號齒數模數變位系數齒寬材料齒頂系數壓力角螺旋角旋向精度Z102060.294020CrMnTi0.85右8DCZ113960.294020CrMnTi0.85左8DC齒輪在各種轉速下傳遞的功率、轉速及轉矩見表3.3。表3.3弧錐齒的功率、轉速及轉矩功率KW轉速r/min轉矩n·m14.55406.97341.414.55123.491125.21.校核公式計算接觸應力：(3.1)許用應力：（3.2）2.校核驗算：將表3.4中的參數代入公式3.1、3.2中得：＝869.3MPa＝1036.36MPa得<，并且安全系數所以，請滿足安全條件。即，通過接觸疲勞強度檢查的齒輪滿足要求。

絞車4.1絞車的結構特點考慮到作業后鉆機拆卸的方便，故設計了快速退回的功能，通過應用大齒輪與翻轉齒輪實現。具有固定齒輪列的行星傳動裝置的結構如下：1.結構簡單緊湊，傳動裝置也起到離合器和過載保護的作用。2.高傳輸功率和高效率。3.順暢的交接和靈活的活動。4.2主要參數的選擇4.2.1絞車性能參數1.確定鋼絲繩直徑d根據GB1102－74標準，選定鋼絲繩直徑如下：外徑：=8.8mm總斷面積：=27.88mm2總破斷力：=47300N抗拉強度：=1700Mpa繩型：繩6×37（纖維芯）2.鋼絲繩的強度校核絞車最大提升負荷：=12000N最小安全系數：在正常情況下，最大起重時的安全系數為：在急剎車時，取＝2.5，則安全系數3.卷筒參數確定如下：卷筒內徑：＝140mm卷筒外徑：＝243mm卷筒有效長度：L0＝100mm容繩長度：式中：——每層鋼絲繩圈數＝11——每層纏繩長度之和，共6層，m4.絞車主要齒輪副的幾何參數計算在絞車中，行星齒輪的外嚙合為重要齒輪副，只計算齒輪Z14、Z15的幾何參數。它們的主要參數見表4.1。表4.1齒輪Z14、Z15的主要幾何參數齒輪齒數Z模數m變位系數Xn材料硬度HRCZ141830.1520CrMnTi5762Z151830.1520CrMnTi57624.2.2絞車卷筒轉速和提升速度計算1.絞車共有3種轉速,各種轉速計算如下:第Ⅰ檔:第Ⅱ檔:第Ⅲ檔:2.三種轉速下的繞繩速度在4.4.2中已經對絞車的繞繩速度，即提升速度進行了計算，現加上提升力總結于表4.2中。表4.2三種轉速提升速度卷筒轉速提升力Ⅰ=0.95m/minⅠ=121.35r/min30