-PAGE36-礦用鉆機(jī)關(guān)鍵部件增材制造工藝與輕量化設(shè)計(jì)摘要目前，在我國(guó)直接為煤礦生產(chǎn)服務(wù)的鉆機(jī)，80%以上在井下從事作業(yè)。現(xiàn)有的鉆機(jī)所呈現(xiàn)的功率低、主軸轉(zhuǎn)速慢、鉆進(jìn)速度慢、運(yùn)輸不方便、勞動(dòng)強(qiáng)度大工作效率低等缺點(diǎn)越來(lái)越明顯。礦用鉆機(jī)是礦山開(kāi)采過(guò)程中不可或缺的重要設(shè)備，其關(guān)鍵部件的性能直接影響整個(gè)鉆探效率。增材制造工藝作為現(xiàn)代制造技術(shù)的重要發(fā)展方向，通過(guò)逐層加積材料的方式，能夠有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高部件的精度和強(qiáng)度。增材制造還具備良好的材料利用率和靈活性，有助于降低生產(chǎn)成本并縮短制造周期。在礦用鉆機(jī)的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)中，通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)原則，可以顯著減少部件的自重，提高能效，降低對(duì)設(shè)備動(dòng)力系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，提高整體作業(yè)效率。本文探討了礦用鉆機(jī)關(guān)鍵部件的增材制造工藝特點(diǎn)及其在輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，重點(diǎn)分析了材料選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和制造工藝對(duì)部件性能的影響。通過(guò)實(shí)例研究，驗(yàn)證了增材制造技術(shù)在礦用鉆機(jī)部件輕量化方面的有效性，為未來(lái)礦山機(jī)械設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了參考。針對(duì)礦用鉆機(jī)關(guān)鍵部件輕量化與高效制造需求，本文圍繞ZDY系列鉆機(jī)開(kāi)展總計(jì)設(shè)計(jì)，聚焦減速器與卡盤(pán)等核心部件，探索選區(qū)激光融化（SLM）技術(shù)與復(fù)雜結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的融合應(yīng)用工藝。研究以鉆機(jī)整體功能定位為導(dǎo)向，首先完成ZDY系列鉆機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)，明確減速器與卡盤(pán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能指標(biāo)，針對(duì)其復(fù)雜受力工況與空間約束條件，提出基于拓?fù)鋬?yōu)化理論的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)SLM技術(shù)實(shí)現(xiàn)鈦合金、高強(qiáng)鋁合金等輕質(zhì)材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件成型，解決傳統(tǒng)加工工藝難以實(shí)現(xiàn)的多腔體輕量化結(jié)構(gòu)制造難題。重點(diǎn)分析關(guān)鍵部件的輕量化工藝路徑，包括材料適配性、成型參數(shù)優(yōu)化及后處理工藝對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律，并建立基于有solidworks拔模與靜力學(xué)仿真模型，對(duì)輕量化部件的應(yīng)力分布、變形量及安全系數(shù)進(jìn)行量化分析。仿真結(jié)果表明，采用增材制造技術(shù)的輕量化底座滑板，在滿(mǎn)足鉆機(jī)額定載荷工況下，重量較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)降低44.研究成果為礦用鉆機(jī)關(guān)鍵部件的高性能制造提供了集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、增材制造工藝與性能驗(yàn)證于一體的技術(shù)方案，對(duì)推動(dòng)礦山機(jī)械裝備的綠色化、輕量化發(fā)展具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：礦用鉆機(jī)；關(guān)鍵部件；增材制造；選區(qū)激光融化（SLM）；輕量化設(shè)計(jì)；AbstractAtpresent,morethan80%ofthedrillingrigsthatdirectlyservecoalmineproductioninChinaareengagedinundergroundoperations.Theshortcomingsoftheexistingdrillingrigsuchaslowpower,slowspindlespeed,slowdrillingspeed,inconvenienttransportation,highlaborintensityandlowworkefficiencyarebecomingmoreandmoreobvious.Miningdrillingrigisanindispensableandimportantequipmentintheminingprocess,andtheperformanceofitskeycomponentsdirectlyaffectstheentiredrillingefficiency.Asanimportantdevelopmentdirectionofmodernmanufacturingtechnology,additivemanufacturingprocesscaneffectivelyrealizethedesignofcomplexstructuresandimprovetheaccuracyandstrengthofpartsbyaddingmaterialslayerbylayer.Additivemanufacturingalsooffersgoodmaterialutilizationandflexibility,helpingtoreduceproductioncostsandshortenmanufacturingcycles.Inthedesignofkeycomponentsofminingdrillingrigs,theweightofthecomponentscanbesignificantlyreduced,energyefficiencycanbeimproved,theburdenonthepowersystemoftheequipmentcanbereduced,andtheoveralloperationefficiencycanbeimprovedthroughthelightweightdesignprinciple.Inthispaper,thecharacteristicsoftheadditivemanufacturingprocessofkeycomponentsofminingdrillingrigsandtheirapplicationinlightweightdesignarediscussed,focusingontheinfluenceofmaterialselection,structuraloptimizationandmanufacturingprocessontheperformanceofcomponents.Throughthecasestudy,theeffectivenessofadditivemanufacturingtechnologyinthelightweightofminingdrillingrigcomponentsisverified,whichprovidesareferencefortheinnovativedesignofminingmachineryandequipmentinthefuture.Inviewofthelightweightandefficientmanufacturingneedsofkeycomponentsofminingdrillingrigs,thispapercarriesoutatotaldesignaroundtheZDYseriesdrillingrigs,focusesoncorecomponentssuchasreducersandchucks,andexplorestheintegrationandapplicationprocessofselectivelasermelting(SLM)technologyandlightweightdesignofcomplexstructures.Guidedbytheoverallfunctionalpositioningofthedrillingrig,theoverallschemedesignoftheZDYseriesdrillingrigwasfirstcompleted,thestructuralparametersandperformanceindicatorsofthereducerandchuckwereclarified,andalightweightstructuredesignmethodbasedontopologyoptimizationtheorywasproposedaccordingtotheircomplexstressconditionsandspatialconstraints.ThroughSLMtechnology,thecomplexstructuralpartsoflightweightmaterialssuchastitaniumalloyandhigh-strengthaluminumalloyareformed,andthemanufacturingproblemofmulti-cavitylightweightstructurethatisdifficulttoachievebytraditionalprocessingtechnologyissolved.Thispaperfocusesontheanalysisofthelightweightprocesspathofkeycomponents,includingmaterialadaptability,moldingparameteroptimizationandtheinfluenceofpost-treatmentprocessonmechanicalproperties,andestablishesaquantitativeanalysisofthestressdistribution,deformationandsafetyfactoroflightweightpartsbasedonsolidworksdraftandstaticsimulationmodels.Thesimulationresultsshowthatthelightweightbaseslideplateusingadditivemanufacturingtechnologycanreducetheweightofthetraditionalstructurecomparedwiththetraditionalstructureundertheconditionofsatisfyingtheratedloadofthedrillingrig.44.Theresearchresultsprovideatechnicalschemeintegratingstructuraldesign,additivemanufacturingprocessandperformanceverificationforthehigh-performancemanufacturingofkeycomponentsoftheminingdrillingrig,whichhasimportantengineeringapplicationvalueforpromotingthegreenandlightweightdevelopmentofminingmachineryandequipment.Keyword:miningdrillingrig;keycomponents;additivemanufacturing;SelectiveLaserMelting(SLM);lightweightdesign;目錄第一章緒論1.1研究背景礦用鉆機(jī)作為礦山資源開(kāi)采的關(guān)鍵設(shè)備，長(zhǎng)期面臨高負(fù)載、高沖擊、復(fù)雜工況等挑戰(zhàn)，其傳動(dòng)系統(tǒng)減速器的性能直接關(guān)乎設(shè)備可靠性、作業(yè)效率及安全性。傳統(tǒng)鑄造/鍛造工藝制造的減速器存在重量大、慣性高、結(jié)構(gòu)冗余等問(wèn)題，導(dǎo)致鉆機(jī)能耗增加、靈活性受限，尤其在深井或狹小空間作業(yè)中弊端顯著。在我國(guó)“雙碳”目標(biāo)下，礦山裝備節(jié)能降耗需求日益迫切，輕量化設(shè)計(jì)成為重要技術(shù)路徑。傳統(tǒng)加工（如鑄造、切削）對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如點(diǎn)陣、鏤空拓?fù)洌┑某尚文芰Σ蛔悖O(shè)計(jì)自由度受限，導(dǎo)致減速器構(gòu)件普遍存在冗余質(zhì)量；且材料利用率低（部分工藝僅30%~50%），加工周期長(zhǎng)，難以滿(mǎn)足定制化需求。傳統(tǒng)制造工藝在生產(chǎn)這種減速器時(shí)慢慢展現(xiàn)出一些不足。像結(jié)構(gòu)復(fù)雜些的減速器制造起來(lái)就很難，要很多模具和工裝，這就使得生產(chǎn)成本很高而且生產(chǎn)周期長(zhǎng)。并且傳統(tǒng)工藝在材料利用上比較低，造成資源浪費(fèi)。在這樣的情況下，增材制造工藝這種新出現(xiàn)的制造技術(shù)給礦用鉆機(jī)減速器制造帶來(lái)新機(jī)會(huì)。增材制造是通過(guò)一層一層堆積材料構(gòu)建三維物體的方式來(lái)突破傳統(tǒng)制造工藝很多限制。它能直接制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)而不需要模具，讓產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)周期大幅縮短從而提高生產(chǎn)效率。而且增材制造在材料選擇上更靈活，可以按照實(shí)際需求選用高性能材料來(lái)提升減速器性能。輕量化設(shè)計(jì)也是當(dāng)下礦用鉆機(jī)減速器發(fā)展很重要的趨勢(shì)。能源問(wèn)題越來(lái)越凸顯的時(shí)候，減輕設(shè)備重量既能減少能源消耗又能讓設(shè)備便攜性和操作靈活性提高。通過(guò)優(yōu)化減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采用輕量化材料等方法，可以在保證減速器性能不變時(shí)有效減輕其重量。這對(duì)提高礦用鉆機(jī)整體性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力意義重大。開(kāi)展礦用鉆機(jī)減速器增材制造工藝與輕量化設(shè)計(jì)研究有著重要現(xiàn)實(shí)意義。它既能解決傳統(tǒng)制造工藝存在問(wèn)題推動(dòng)礦用鉆機(jī)制造技術(shù)進(jìn)步又能滿(mǎn)足礦業(yè)發(fā)展對(duì)高效、節(jié)能、輕量化設(shè)備需求為礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。1.2項(xiàng)目的研究意義礦用鉆機(jī)減速器增材制造工藝與輕量化設(shè)計(jì)研究意義眾多。當(dāng)下礦業(yè)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)制造工藝用于生產(chǎn)礦用鉆機(jī)減速器時(shí)存在不少局限之處。而增材制造工藝一出現(xiàn)就為解決這些問(wèn)題帶來(lái)了新方向和辦法。從工業(yè)生產(chǎn)方面講，增材制造工藝突破了傳統(tǒng)制造工藝在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面諸多限制。傳統(tǒng)制造工藝通常難以精確制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但增材制造能依據(jù)設(shè)計(jì)模型以逐層堆積材料方式制造出形狀任意復(fù)雜的減速器零部件。這既能提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)自由程度又能優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能讓減速器在符合工作要求時(shí)有效減重。例如借助增材制造技術(shù)可設(shè)計(jì)并制造出內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)復(fù)雜的減速器外殼在確保強(qiáng)度情況下大幅減重提升設(shè)備整體性能。在能源與環(huán)境層面上輕量化設(shè)計(jì)與增材制造工藝相結(jié)合有著明顯積極作用。礦用鉆機(jī)減速器實(shí)現(xiàn)輕量化能減少設(shè)備運(yùn)行能耗避免能源浪費(fèi)。并且增材制造工藝采用逐層堆積材料方式相較于傳統(tǒng)制造工藝材料利用率大大提高減少了材料浪費(fèi)和廢棄物產(chǎn)生。這對(duì)資源高效利用和環(huán)境保護(hù)意義重大符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需求。從行業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展角度看本研究有助于推動(dòng)礦用鉆機(jī)行業(yè)技術(shù)升級(jí)與創(chuàng)新發(fā)展。增材制造工藝和輕量化設(shè)計(jì)理念引入會(huì)促使整個(gè)行業(yè)不斷探尋新設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能。這不但能增強(qiáng)我國(guó)礦用鉆機(jī)在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力還能為相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持與借鑒帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。全球市場(chǎng)：據(jù)ResearchNester發(fā)布報(bào)告稱(chēng)，2024年全球增材制造市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)227.3億美元，預(yù)計(jì)到2037年將超過(guò)2858.2億美元，預(yù)測(cè)期內(nèi)（2025-2037年）的年增長(zhǎng)率將超過(guò)21.5%。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)：在2012-2022年間中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模從10億元增至320億元，預(yù)計(jì)2025年將達(dá)到630億元，2016-2025年CAGR約為25.77%，有望于2027年超過(guò)千億元REF_Ref22958\r\h[2]。增材制造市場(chǎng)具有很大發(fā)展前景，金屬和聚合物制造市場(chǎng)如REF_Ref12818\h圖1-1。圖1-SEQ圖1-\*ARABIC1年全球金屬和聚合物制造市場(chǎng)規(guī)模及2029年預(yù)測(cè)圖REF_Ref13928\r\h[3]開(kāi)展礦用鉆機(jī)減速器增材制造工藝與輕量化設(shè)計(jì)研究不管是解決當(dāng)前行業(yè)面臨實(shí)際問(wèn)題還是推動(dòng)行業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展都有著不可輕視重要意義。它會(huì)為礦用鉆機(jī)領(lǐng)域帶來(lái)新發(fā)展機(jī)遇推動(dòng)行業(yè)朝著更高效、環(huán)保、創(chuàng)新方向前行。1.3國(guó)內(nèi)外的科技現(xiàn)狀國(guó)外礦用鉆機(jī)研究現(xiàn)狀：技術(shù)先進(jìn)且成熟：國(guó)外礦用鉆機(jī)技術(shù)發(fā)展較早，美國(guó)、俄羅斯和日本等國(guó)家在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。美國(guó)的比塞洛斯公司、英格索蘭公司和P&H公司等是世界著名的礦用鉆機(jī)制造商。比塞洛斯公司的49-R、65-R和67-R及其派生系列代表了21世紀(jì)初的世界先進(jìn)水平，其電動(dòng)無(wú)鏈齒條齒輪加壓提升系統(tǒng)、無(wú)鏈可反轉(zhuǎn)履帶行走系統(tǒng)等技術(shù)，提高了鉆進(jìn)速度、定位速度和生產(chǎn)效率。英格索蘭公司生產(chǎn)全液壓牙輪、潛孔兩用鉆機(jī)，其鉆機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)（IRDMS）能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)參數(shù)和診斷故障。P&H公司的牙輪鉆機(jī)系列裝備以PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的自動(dòng)鉆進(jìn)、水平找平、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等多種功能。自動(dòng)化和智能化程度高：國(guó)外礦用鉆機(jī)普遍采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)和傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化鉆進(jìn)。例如，一些鉆機(jī)配備了自動(dòng)鉆進(jìn)系統(tǒng)，能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)自動(dòng)調(diào)整鉆進(jìn)速度、壓力和扭矩等，提高鉆進(jìn)效率和質(zhì)量。同時(shí)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，鉆機(jī)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷，方便管理人員及時(shí)掌握鉆機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和維護(hù)。國(guó)內(nèi)礦用鉆機(jī)研究現(xiàn)狀：取得了一定的技術(shù)進(jìn)步：我國(guó)從20世紀(jì)60年代起開(kāi)始研制牙輪鉆機(jī)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)牙輪鉆機(jī)已達(dá)到美國(guó)20世紀(jì)90年代初的技術(shù)水平，如KY和YZ兩大系列牙輪鉆機(jī)在國(guó)內(nèi)礦山得到了廣泛應(yīng)用。中鋼衡重公司的YZ-55型鉆機(jī)在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了3個(gè)交流變頻電機(jī)，以滿(mǎn)足提高電壓和頻率的需要，并應(yīng)用了可編程控制器PLC、人機(jī)界面HMI技術(shù)等。此外，在煤礦井下鉆探技術(shù)裝備方面，我國(guó)近年來(lái)在中硬煤層超長(zhǎng)孔、碎軟煤層、頂板復(fù)雜巖層定向鉆進(jìn)方面取得了突破性進(jìn)展，創(chuàng)造了煤礦井下定向鉆孔深度3353m的世界紀(jì)錄。與國(guó)外先進(jìn)水平仍有差距：盡管我國(guó)礦用鉆機(jī)技術(shù)取得了一定進(jìn)步，但與國(guó)外當(dāng)今的同類(lèi)產(chǎn)品相比，在整體性能上還存在較大差距，主要表現(xiàn)為品牌單一、動(dòng)力單一、功能單一、結(jié)構(gòu)形式單一、傳動(dòng)方式落后等。在自動(dòng)化和智能化方面，國(guó)內(nèi)鉆機(jī)的發(fā)展相對(duì)滯后，部分鉆機(jī)雖然采用了一些自動(dòng)化控制技術(shù)，但整體智能化水平仍有待提高，與國(guó)外先進(jìn)的自動(dòng)化、智能化鉆機(jī)相比，在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和功能的完整性方面存在不足。關(guān)鍵部件增材制造工藝與輕量化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀：增材制造工藝研究現(xiàn)狀：增材制造技術(shù)在礦用鉆機(jī)關(guān)鍵部件制造中的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注。國(guó)外一些企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始將選區(qū)激光融化（SLM）等增材制造技術(shù)應(yīng)用于鉆機(jī)關(guān)鍵部件的生產(chǎn)，能夠制造出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件，提高材料利用率和生產(chǎn)效率，同時(shí)改善部件的性能。在國(guó)內(nèi)，雖然增材制造技術(shù)在礦用設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，但也有一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在進(jìn)行相關(guān)的研究和探索。例如，西安科技大學(xué)的“面向礦區(qū)環(huán)境的煤礦機(jī)械激光熔絲增材制造修復(fù)技術(shù)”團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展了激光-電復(fù)合熱源增材制造技術(shù)研究，以絲材為原材料，實(shí)現(xiàn)了煤礦機(jī)械零件的隨用隨打，降低了生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期。輕量化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀：輕量化設(shè)計(jì)是礦用鉆機(jī)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一，旨在提高鉆機(jī)的機(jī)動(dòng)性和運(yùn)輸便利性，同時(shí)降低能源消耗。國(guó)外在礦用鉆機(jī)輕量化設(shè)計(jì)方面已經(jīng)取得了一定的成果，采用先進(jìn)的材料和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減輕了鉆機(jī)的重量。國(guó)內(nèi)也在積極開(kāi)展輕量化設(shè)計(jì)的研究，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化、有限元分析等方法，對(duì)鉆機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時(shí)探索使用輕質(zhì)高強(qiáng)材料，如鋁合金、鈦合金等，以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的輕量化。但在輕量化設(shè)計(jì)的理論和技術(shù)方面，與國(guó)外相比還存在一定的差距，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究和實(shí)踐。1.4鉆機(jī)的工作原理ZDY系列礦用鉆機(jī)以電機(jī)或柴油機(jī)為動(dòng)力源，經(jīng)聯(lián)軸器傳至減速器降速增扭，再通過(guò)主軸帶動(dòng)鉆桿及鉆頭旋轉(zhuǎn)，對(duì)巖石等介質(zhì)進(jìn)行切削破碎；給進(jìn)機(jī)構(gòu)利用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)給進(jìn)油缸，實(shí)現(xiàn)鉆桿向孔底給進(jìn)與起拔；泥漿泵將泥漿池泥漿經(jīng)鉆桿內(nèi)部從鉆頭噴出形成循環(huán)，用于冷卻鉆頭、攜帶巖屑、潤(rùn)滑鉆桿及穩(wěn)定孔壁；此外，操作人員可通過(guò)控制系統(tǒng)的操作元件，對(duì)動(dòng)力啟停、鉆進(jìn)速度、泥漿泵流量等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，并借助儀表和傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆壓、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行狀態(tài)，確保鉆機(jī)高效、穩(wěn)定作業(yè)。鉆機(jī)全貌圖如圖1-1圖1-1鉆機(jī)全貌圖第2章鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)2.1鉆機(jī)的特點(diǎn)2.1.1.各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.動(dòng)力機(jī)是用來(lái)驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的動(dòng)力設(shè)備，常采用的動(dòng)力機(jī)有電動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)兩種類(lèi)型。由于本鉆機(jī)主要用于建筑工程場(chǎng)所，用電方便，故原則上選擇原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)。2.回轉(zhuǎn)器是阻擊立軸產(chǎn)生回轉(zhuǎn)及往復(fù)運(yùn)動(dòng)部分，主要有立軸式和轉(zhuǎn)盤(pán)式兩種類(lèi)型。已選用立軸式。由于立軸式鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器等進(jìn)給裝置緊密結(jié)合成一個(gè)整體，回轉(zhuǎn)和進(jìn)給傳動(dòng)通過(guò)立軸與卡盤(pán)傳給鉆具，回轉(zhuǎn)器的彎角范圍大，導(dǎo)向性能好等特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足鉆機(jī)的要求。3.變速箱是鉆機(jī)各部分中設(shè)計(jì)比較典型，復(fù)雜的。采用回歸式傳動(dòng)形式。箱體內(nèi)只有兩根軸即可實(shí)現(xiàn)變速與分動(dòng)，移動(dòng)齒輪可移動(dòng)換檔，又可當(dāng)結(jié)合子實(shí)現(xiàn)直傳。因此結(jié)構(gòu)非常緊湊，體積小。變速，分動(dòng)相結(jié)合，減少了了零件數(shù)目，有效利用變速箱內(nèi)部空間。操縱機(jī)構(gòu)采用了齒輪齒條撥叉機(jī)構(gòu)。操縱靈活可靠。每個(gè)移動(dòng)齒輪單獨(dú)控制，并有互鎖裝置，這種互鎖裝置安全可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。增加卸荷裝置，改善了軸和齒輪的受力情況。4.進(jìn)給機(jī)構(gòu)，為了適應(yīng)建筑場(chǎng)所地址條件復(fù)雜的特點(diǎn)，采用液壓油缸進(jìn)給機(jī)構(gòu)，可集中操作閥，方便工人掌握處理鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種問(wèn)題。5.卡盤(pán)是固定鉆桿的部件，用以實(shí)現(xiàn)不停車(chē)，鉆進(jìn)，本設(shè)計(jì)采用液壓常閉式卡盤(pán)。2.1.2.鉆機(jī)的外形特點(diǎn)目前，在我國(guó)直接為煤礦生產(chǎn)服務(wù)的鉆機(jī),幾乎都是在井下從事作業(yè)。完成抽放瓦斯、防火滅火、探水、煤層注水、地質(zhì)與工程等鉆孔任務(wù)。根據(jù)工作條件的特殊性，要求鉆機(jī)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：外型尺寸小、重量輕；易于解體、適應(yīng)工作場(chǎng)地的更換；支護(hù)迅速可靠；盡可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；具有一定的起拔能力，而且效率高；堅(jiān)固耐用，維修方便；機(jī)組集中，便于照顧；安全防爆。2.1.3鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案確定TXU-50型鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)國(guó)內(nèi)外鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。如今的50米鉆機(jī)一般都是手動(dòng)卡盤(pán)，所呈現(xiàn)出來(lái)的問(wèn)題是效率不是很高，鉆速也不是很高，鉆進(jìn)速度慢。轉(zhuǎn)速偏低，調(diào)速范圍小，其為適應(yīng)小口徑高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)的需要，采用變換回轉(zhuǎn)器大小錐齒輪位置的方案。根據(jù)我國(guó)目前煤炭生產(chǎn)現(xiàn)狀，結(jié)合制造及使用的技術(shù)水平，確定本鉆機(jī)的設(shè)計(jì)為：1.考慮到井下、井上和野外作業(yè)，動(dòng)力可選電機(jī)或柴油機(jī)；2.考慮到有軟巖石、硬巖石的鉆進(jìn)，正常的鉆進(jìn)速度鉆進(jìn)；3.增加了液壓卡盤(pán)另配備手動(dòng)卡盤(pán)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，配備快速增壓裝置；4.機(jī)器的動(dòng)力傳遞采用機(jī)械和液壓相結(jié)合，即半液壓式鉆機(jī)；5.鉆機(jī)采用開(kāi)箱式讓開(kāi)孔口的方式；6.由于本機(jī)動(dòng)力較大，動(dòng)力由V型帶傳動(dòng)到變速箱的傳動(dòng)軸上易使傳動(dòng)軸彎曲，所以增加了卸荷裝置；7.增加了液壓卡盤(pán)另配備手動(dòng)卡盤(pán)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，配備快速增壓裝置；8.采用二級(jí)回歸式變速箱，減少變速箱體積，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，選用不同的鉆進(jìn)速度。在滿(mǎn)足上述要求的同時(shí)，盡量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適于整體或解體搬運(yùn)。盡量做到標(biāo)準(zhǔn)化,通用化，系列化。第3章鉆機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)3.1鉆機(jī)的主要參數(shù)鉆進(jìn)深度50mm開(kāi)孔直徑89mm終孔直徑73mm鉆桿直徑42mm鉆孔角度0o~360o鉆機(jī)重量300kg外形尺寸8705501100（長(zhǎng)寬高）扭矩200N.m95N.m3.2回轉(zhuǎn)器主要參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速115r/min170r/min318r/min主軸行程400mm卡盤(pán)形式液壓卡盤(pán)主軸起重能力23500N3.3電動(dòng)機(jī)參數(shù)電動(dòng)機(jī)型號(hào)112M-4電動(dòng)機(jī)功率5KW電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1420r/min電壓380V(或660V)3.4油泵參數(shù)油泵型號(hào)YBC-12/80額定轉(zhuǎn)速1500r/min額定工作壓力800N/cm2最大工作壓力1200N/cm23.5水泵參數(shù)型號(hào)TBW-50/1.5泥漿泵最大排水量50L/min最大壓力1.5MPa第四章動(dòng)力機(jī)功率的確定4.1回轉(zhuǎn)器鉆桿及破碎巖石所需功率的計(jì)算1.設(shè)電機(jī)的輸出功率為N。那么N。＝1.2NjNj＝（Nh＋Ny）/η式中:Nh—回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)所需功率KWη—效率η=0.8Ny—油泵所需功率KWNh=N1+N2+N3式中:N1—井底破碎巖石、土層所需功率KWN2—鉆頭與孔底摩擦所需功率KWN3—回轉(zhuǎn)鉆桿所需功率KWNh回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及破碎巖石、土層所需功率KW2.式中:m—鉆頭切削刃數(shù)取m=6n—立軸轉(zhuǎn)速r/minh—鉆進(jìn)速度h=1.5cm/min.δ—巖石抗壓強(qiáng)度,其值見(jiàn)表3-1A—井底環(huán)狀面積，取鉆頭直徑D=7.7(mm)，內(nèi)徑d=5.9(mm)，則A=3.N=式中:δ—孔底壓力或巖石抗壓強(qiáng)度.f—鉆具與巖石直接的摩擦系數(shù)f=0.5e—側(cè)摩擦系數(shù)e=1.1n—立軸轉(zhuǎn)速(r/min)R—鉆頭外圓半徑R=3.85cmr—鉆頭內(nèi)孔半徑r=2.95cm4.N3=7.8×10－11×L×d2×n1。7(當(dāng)n<200r/min時(shí))N3=0.92×10－11×d2×r×L×n1。33(當(dāng)n>200r/min時(shí))式中：L—孔深，硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時(shí)，取L＝150000mm金剛石鉆進(jìn)時(shí)，取L＝75000mmd—鉆桿直徑，取d=50mm計(jì)算n—立軸轉(zhuǎn)速，(r/min)r—沖洗液比重。r=1.15將上述參數(shù)及立軸不同轉(zhuǎn)速代入上式，所得值列表4-1中。表4-1功率表c/r/min115170318N120000.090.100.1140000.170.190.2380000.350.390.45100000.440.480.56120000.520.580.68N220000.440.651.2240000.881.312.4580001.772.624.89100002.213.276.12120002.653.927.34N31.863.628.45N20002.394.379.7840002.915.1211.1380003.986.6312.79100004.517.3713.13120004.948.1214.474.2給進(jìn)油缸所需功率的計(jì)算1.給進(jìn)油缸的基本參數(shù)1）給進(jìn)油缸的數(shù)量n＝22）油缸直徑D＝55mm3）活塞桿直徑d＝30mm4）活塞桿有效行程L＝500mm5）油缸面積A1＝23.75cm26）活塞桿面積A2＝7cm27）有效面積A＝A1－A2＝16.76cm22．油缸工作壓力的計(jì)算油缸的最大推力為：W＝C＋Fm式中：W—油缸最大推力C—孔底最大壓力C＝13345NFm—鉆桿與孔壁間的摩擦力Fm＝q+ L+f式中：q—鉆桿定位長(zhǎng)度重量q＝55.46N/mL—鉆桿長(zhǎng)度L＝150mf—摩擦系數(shù)f＝0.35Fm＝55.46×1500×0.35=2911.65NW=13345+2911.65=16256.65N油泵的工作壓力PP=W/A=16256.65/16.76=970N/cm23.油泵最大工作流量計(jì)算油缸回程時(shí)的最大容油量:(L)油缸送進(jìn)時(shí)的最大容油量:(L)當(dāng)選用立軸的鉆進(jìn)速度U=0.05m/min=0.5dm/min時(shí),立軸送進(jìn)時(shí)每分鐘油量為:(L/min)令活塞回程時(shí)間為0.3min，則回程所需油量為：(L/min)4.給進(jìn)油缸功率NyNy=(KW)5.根據(jù)上面的計(jì)算,選用YBC—12/80型齒輪油泵(排油量12l/min,壓力800N/cm2)。油泵滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)所需功率是:N=式中:P—額定壓力P=800N/cm2Q—額定流量Q=12l/minη1—機(jī)械效率η1=0.9η2—容積效率η2=0.71Ny=800×8/60×102×0.9×0.71=1.64KW4.3動(dòng)力機(jī)功率的確定通過(guò)上面的計(jì)算表明，立軸鉆進(jìn)時(shí)，進(jìn)給所需之功率很小，而且油泵滿(mǎn)負(fù)荷工作時(shí)一般是立軸停止?fàn)顟B(tài)。本鉆機(jī)選用4.5KW電動(dòng)機(jī)能滿(mǎn)足鉆機(jī)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)。第5章機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算5.1主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)的選擇5.1.1回轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)速范圍立軸的轉(zhuǎn)速變化范圍，取決于地質(zhì)、鉆頭的直徑及鉆進(jìn)方法。當(dāng)用75mm鉆頭采用硬質(zhì)合金和鉆粒鉆進(jìn)時(shí)，根據(jù)國(guó)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)，立軸轉(zhuǎn)速n=90~400r/min為適宜，本鉆機(jī)采用立軸轉(zhuǎn)速為115r/min、170r/min、318r/min。5.1.2電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1440r/min5.1.3傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算圖5-1機(jī)械傳動(dòng)路線圖立軸轉(zhuǎn)速：nⅠ=n×D1/D2×Z1/Z2×Z3/Z4×Z7/Z8=1440×100/200×31/54×33/52×19/43=115.90≈115r/minnⅡ=n×D1/D2×Z1/Z2×Z5/Z6×Z7/Z8=1440×100/200×31/54×41/44×19/43=170.18≈170r/minnⅢ=n×D1/D2×Z1/Z4內(nèi)×Z7/Z8=1440×100/200×31/31×19/43=318.14≈318r/min表5-1齒輪參數(shù)及材料表項(xiàng)目代號(hào)齒輪模數(shù)齒寬變位系數(shù)材料硬度齒頂高系數(shù)壓力角Z131220020CrMnTiRc57~621200Z254220040CrRc45~501200Z333220040CrRc45~501200Z452220040CrRc45~501200Z541220040CrRc45~501200Z644220040CrRc45~501200Z7193.520020CrMnTiRc57~620.8200Z8433.520020CrMnTiRc55~600.82005.2變速箱的設(shè)計(jì)計(jì)算5.2.1變速箱內(nèi)各齒輪的主要參數(shù)及材料5.2.2、齒輪對(duì)的強(qiáng)度校核1.齒面接觸強(qiáng)度的校核（1）計(jì)算齒輪的齒面接觸強(qiáng)度u—齒數(shù)比u=Z2/Z1=54/31=1.7Ft—分度圓上的圓周力Ft=2T/d按式：Ft=T=T—轉(zhuǎn)矩（KW）n—轉(zhuǎn)速（r/min）則T=9549P/n=9550×4.5/720=59.69（）T=9550×4.5/413=104.06（）Ft1=2T1/d1=2×59.69/62=1.93（KW）Ft4=2T4/d4=2×104.06/108=1.93（KW）V=π×0.062×720/60=2.34（m/s）V=π×0.108×413/60=2.34（m/s）查表得：KA—使用系數(shù)取KA=1KV—?jiǎng)虞d荷系數(shù)取KV=1.12—載荷分布系數(shù)取K=1.388—載荷分配系數(shù)取K=1.2—材料彈性系數(shù)取=189.8—節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)取=2.5—接觸強(qiáng)度重合系數(shù)所以:=630（MPa）=397（MPa）（2）確定許用接觸應(yīng)力－試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力=1100（MPa）、－接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)取＝1.02＝1.067＝11001.021/1.25=897(MPa)＝11001.0671/1.25=932(MPa)∴<,<2.校核齒根彎曲強(qiáng)度（1）計(jì)算齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度查表得：—彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)=1.31—齒間雜和分配系數(shù)=1.2—符合齒形系數(shù)5=2.52，6=2.32—重合系數(shù)=1代入得（2）確定許用彎曲應(yīng)力查表得：—彎曲疲勞強(qiáng)度極限應(yīng)力=300MPa—彎曲疲勞強(qiáng)度系數(shù)取=2—彎曲強(qiáng)度尺寸系數(shù)取=1—相對(duì)齒根圓角敏感性系數(shù)取=1—相對(duì)表面狀況系數(shù)取=1—最小安全系數(shù)取=1代入得：∴∴安全5.2.3、齒輪對(duì)的強(qiáng)度校核1.齒面接觸強(qiáng)度的校核（1）計(jì)算齒輪的齒面接觸強(qiáng)度u—齒數(shù)比u=Z4/Z3=52/33=1.58Ft—分度圓上的圓周力Ft=2T/d按式：Ft=T=T—轉(zhuǎn)矩（KW）n—轉(zhuǎn)速（r/min）則T=9549P/n=9550×4.5/413=104.04T=9550×4.5/262=164.00Ft3=2T3/d3=2×104.04/66=3.15（KW）Ft4=2T4/d4=2×164.00/104=3.15（KW）V=π×0.066×413/60=1.43（m/s）V=π×0.104×260/60=1.42（m/s查表得：KA—使用系數(shù)取KA=1KV—?jiǎng)虞d荷系數(shù)取KV=1.12—載荷分布系數(shù)取K=1.388—載荷分配系數(shù)取K=1.2—材料彈性系數(shù)取=189.8—節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)取=2.5—接觸強(qiáng)度重合系數(shù)取=0.87所以：=575.5（MPa）=548.6（MPa）（2）確定許用接觸應(yīng)力－試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力=1100（MPa）、－接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)取＝1.06＝1.07＝11001.061/1.25=932.8(MPa)＝11001.071/1.25=941.6(MPa)∴<,<2.校核齒根彎曲強(qiáng)度（1）計(jì)算齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度查表得：—彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)=1.31—齒間雜和分配系數(shù)=1.2—符合齒形系數(shù)5=2.34，6=2.28—重合系數(shù)=1代入得（2）確定許用彎曲應(yīng)力—彎曲疲勞強(qiáng)度極限應(yīng)力取=300MPa—彎曲疲勞強(qiáng)度系數(shù)取=2—彎曲強(qiáng)度尺寸系數(shù)取=1—相對(duì)齒根圓角敏感性系數(shù)取=1—相對(duì)表面狀況系數(shù)取=1—最小安全系數(shù)取=1代入得：∴∴安全5.2.4Z5、Z6齒輪對(duì)的強(qiáng)度校核1.齒面接觸強(qiáng)度的校核（1）計(jì)算齒輪的齒面接觸強(qiáng)度u—齒數(shù)比u=Z6/Z5=44/41=1.07Ft—分度圓上的圓周力Ft=2T/d按式：Ft=T=T—轉(zhuǎn)矩（KW）n—轉(zhuǎn)速（r/min）則T5=9549P/n=9550×4.5/413=104.06（）T6=9550×4.5/385=111.62（）Ft5=2T5/d5=2×104.06/82=2.54（KW）Ft6=2T6/d6=2×111.62/88=2.54（KW）V=π×0.082×413/60=1.77（m/s）查表得：KA—使用系數(shù)取KA=1KV—?jiǎng)虞d荷系數(shù)取KV=1.12—載荷分布系數(shù)取K=1.388—載荷分配系數(shù)取K=1.2—材料彈性系數(shù)取=189.8—節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)取=2.5—接觸強(qiáng)度重合系數(shù)取=0.87所以：=1414.8MPa（2）確定許用接觸應(yīng)力—齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力=1200（MPa）ZNT—接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)N=60×r×n×t=60×1×720/1×9600=4.5×108r—齒輪每轉(zhuǎn)內(nèi)輪的同一側(cè)面的嚙合次數(shù)取r=1n—齒輪轉(zhuǎn)數(shù)取n=720（r/min）t—對(duì)應(yīng)于齒輪的計(jì)算載荷的總工作小時(shí)數(shù)t=2×16×300=9600（h）∴ZNT=1.2ZLVR—潤(rùn)滑油膜影響系數(shù)取ZLVR=1.06Zw—工作硬化系數(shù)取Zw=1SHLim—接觸強(qiáng)度的最小安全系數(shù)取SHLim=1∴∴∴安全2.校核齒根彎曲強(qiáng)度（1）計(jì)算齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度查表得：—彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)取=1.3—齒間雜和分配系數(shù)取=1.03—符合齒形系數(shù)取5=2.32，6=2.31—重合系數(shù)取=1代入得（2）確定許用彎曲應(yīng)力查表得：—彎曲疲勞強(qiáng)度極限應(yīng)力取=300MPa—彎曲疲勞強(qiáng)度系數(shù)取=2—彎曲強(qiáng)度尺寸系數(shù)取=1—相對(duì)齒根圓角敏感性系數(shù)取=1—相對(duì)表面狀況系數(shù)取=1—最小安全系數(shù)取=1代入得：∴∴安全5.3回轉(zhuǎn)器的設(shè)計(jì)5.3.1回轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：回轉(zhuǎn)器是由本體、立軸、立軸導(dǎo)管、弧齒錐齒輪等組成。立軸上端裝有常閉式液壓卡盤(pán)。其特點(diǎn)是：（1）尺寸小、緊湊；（2）回轉(zhuǎn)器適用于各種角度孔的鉆進(jìn)；（3）離開(kāi)孔口采用開(kāi)箱式，簡(jiǎn)單可靠，減輕鉆機(jī)重量；（4）采用液壓卡盤(pán)，提高效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。5.3.2零部件的強(qiáng)度與壽命計(jì)算1.弧度錐齒輪副的強(qiáng)度校核Z7、Z8的主要參數(shù)見(jiàn)表5-1。則可得以下數(shù)據(jù)：小圓錐大端直徑大圓錐大端直徑錐距R=其中：δ7=arctg(z7/z8)=23.8°取b=20mm圓整為6mm齒面硬度Z7為HRC52、Z8為HRC572.齒面接觸強(qiáng)度的校核（1）計(jì)算齒輪的齒面接觸強(qiáng)度其中：Fmt—名義圓周力Fmt=3677（N）beH—有效齒寬beH=20（mm）KA—使用系數(shù)KA=1.25KV—?jiǎng)虞d系數(shù)KV7=KV8=1KHβ—齒向載荷分布系數(shù)KHβ=1.2KHα—齒向載荷分配系數(shù)KHα=1ZH—接點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH=1ZE—彈性系數(shù)ZE=189.8Zβ—接觸強(qiáng)度Zβ==0.9ZK—接觸強(qiáng)度計(jì)算的錐齒輪系數(shù)ZK=0.85（2）許用應(yīng)力其中：—接觸疲勞極限應(yīng)力=458（MPa）—接觸強(qiáng)度計(jì)算尺寸系數(shù)=0.9—潤(rùn)滑劑系數(shù)=1.0—速度系數(shù)=1.1=453.42（MPa）∴安全2.彎曲疲勞極限應(yīng)力（1）計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力其中：Ft—作用于大端分度圓上的切向力Ft==3677（N）Yx—尺寸系數(shù)Yx=1beF—有效寬度beF=0.85b=17（mm）=96.56（MPa）（2）齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力—彎曲疲勞極限應(yīng)力=180（MPa）YST—應(yīng)力修正系數(shù)YST=2.0=360（MPa）∴安全5.4軸的計(jì)算5.4.1軸Ⅱ的計(jì)算n=413r/min材料:40Cr機(jī)械性能：1.軸的力計(jì)算（1）載荷圖及支點(diǎn)反力如圖5-2外加載荷：軸上作用齒輪—、—圖5-2載荷圖其中：其中：N=0.96×0.96×3.52=3.244（KW）（N）其中：錐齒輪取支點(diǎn)反力（2）彎矩的計(jì)算（Ⅰ-Ⅰ與Ⅱ–Ⅱ截面）Ⅰ-Ⅰ截面的計(jì)算Ⅱ–Ⅱ截面的計(jì)算合成彎矩（3）扭矩的計(jì)算（4）扭矩圖如圖5-3圖5-3扭矩圖（5）Ⅱ–Ⅱ剖面處的抗彎模量W=0.1d3=3.277σ=MⅡ/W=68.2（MPa）σ≤[σ-1]=69（MPa）強(qiáng)度滿(mǎn)足（6）安全系數(shù)校核抗彎剖面模量Wr=0.2d3=6.554cm3彎曲應(yīng)力幅=MwWA/2W=22347.7/3.277=68.2（MPa）扭剪應(yīng)力幅彎曲平均壓力扭矩應(yīng)力幅τm=T/(WV)=593.7/(3.277×0.9)=108.4（MPa）彎曲有效應(yīng)力集中系數(shù)Kσ=1.89扭矩有效應(yīng)力集中系數(shù)Kτ=2.48表面狀況系數(shù)β=1絕對(duì)尺寸系數(shù)εσ=0.77，στ=0.81疲勞極限σ-1=350（MPa），τ-1=191（MPa）扭剪極限強(qiáng)度τβ=0.6σb壽命系數(shù)KV=1等效系數(shù)Ψσ=0.25Ψτ=0.15Sσ=σ-1/(Kσ/βεσ×σσ+Ψσσm)=2.06Sτ=τ-1/(Kτ/βετ×τσ+Ψττm)=10.03S>[S]=1.5∴安全5.4.2軸Ⅰ的計(jì)算n=720r/min材料:40Cr機(jī)械性能：調(diào)質(zhì)HB220-2501.軸的力計(jì)算（1）載荷圖及支點(diǎn)反力外加載荷：如圖5-4圖5-4載荷圖其中）支點(diǎn)反力（2）彎矩的計(jì)算合成彎矩（3）扭矩的計(jì)算（4）扭矩圖如圖5-5圖5-5扭矩圖（5）求當(dāng)量彎矩Md，并驗(yàn)算軸的強(qiáng)度Md=Ⅰ–Ⅰ剖面處的抗彎模量為：W=0.1d3=2.924σ=Md/W=19.31MPaσ≤[σ-1]=69MPa強(qiáng)度滿(mǎn)足（6）安全系數(shù)校核抗彎剖面模量Wτ=0.2d3=5.849（cm3）彎曲應(yīng)力幅=MwWA/2W=16.12(MPa)扭剪應(yīng)力幅彎曲平均壓力(MPa)扭矩應(yīng)力幅τm=T/(WV)=5310.5(MPa)彎曲有效應(yīng)力集中系數(shù)Kσ=1.89扭矩有效應(yīng)力集中系數(shù)Kτ=2.48表面狀況系數(shù)β=1絕對(duì)尺寸系數(shù)εσ=0.77，στ=0.81疲勞極限σ-1=350MPa，τ-1=191MPa扭剪極限強(qiáng)度τβ=0.6σb壽命系數(shù)KV=1等效系數(shù)Ψσ=0.25Ψτ=0.15Sσ=σ-1/(Kσ/βεσ×σσ+Ψσσm)=8.73Sτ=τ-1/(Kτ/βετ×τσ+Ψττm)=12.43S>[S]=1.5∴安全5.5軸承的計(jì)算回轉(zhuǎn)器本題上下端采用1615軸承兩套，Ⅰ軸兩端采用306和207軸承各一套，Ⅱ軸兩端采用36208軸承兩套，因安裝形式與結(jié)構(gòu)尺寸均與TXU—75米鉆機(jī)類(lèi)同，而本鉆機(jī)的工作載荷較75米鉆機(jī)小的多，所以，各軸承的壽命計(jì)算略。5.6軸承的潤(rùn)滑潤(rùn)滑對(duì)于滾動(dòng)軸承具有重要意義，軸承中的潤(rùn)滑劑不僅可以降低摩擦阻力，還可以起著散熱、減低接觸應(yīng)力、吸收振動(dòng)、防止銹蝕等作用。軸承常用的潤(rùn)滑方式有油潤(rùn)滑及脂潤(rùn)滑兩類(lèi)。此外，也有使用固體潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑的。選用哪一類(lèi)潤(rùn)滑方式，這與軸承的速度又管，一般用滾動(dòng)軸承的dn值（d為滾動(dòng)軸承內(nèi)徑，mm;n為軸承轉(zhuǎn)速，rpm）表示軸承的速度大小。脂潤(rùn)滑由于潤(rùn)滑脂是一種粘稠的凝膠狀材料，故油膜強(qiáng)度高，能承受較大的載荷，不易流失，容易密封，一次加油可以維持相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。對(duì)于那些不便經(jīng)常添加潤(rùn)滑劑的地方，或那些不允許潤(rùn)滑油流失而致污染產(chǎn)品的工業(yè)機(jī)械來(lái)說(shuō)，這種潤(rùn)滑方式十分詩(shī)意。他的缺點(diǎn)是只適用于較低的dn值。潤(rùn)滑脂的主要性能指標(biāo)為針入度和滴點(diǎn)。軸承的dn值大、載荷小時(shí)，應(yīng)選針入度較大的潤(rùn)滑脂；反之，應(yīng)選用針入度較小的潤(rùn)滑脂。此外，軸承的工作溫度應(yīng)比潤(rùn)滑脂的滴點(diǎn)低，對(duì)于礦物潤(rùn)滑脂，應(yīng)低10～20℃，對(duì)于合成潤(rùn)滑脂，應(yīng)低20～30℃。油潤(rùn)滑在高速高溫的條件下，只潤(rùn)滑不能滿(mǎn)足要求時(shí)可采用油潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油的主要特性使粘度，轉(zhuǎn)速愈高，應(yīng)選用黏度愈低的潤(rùn)滑油；載荷愈大，應(yīng)選用黏度愈高的潤(rùn)滑油。根據(jù)工作溫度及dn值，可選出潤(rùn)滑油應(yīng)具有的黏度值，然后根據(jù)粘度從潤(rùn)滑油產(chǎn)品中選出相應(yīng)的潤(rùn)滑油的牌號(hào)。油潤(rùn)滑時(shí)，常用的潤(rùn)滑方式有下列幾種：（1）油浴潤(rùn)滑把軸承局部侵入潤(rùn)滑油中，油面應(yīng)不高于最低滾動(dòng)體的中心。這個(gè)方法不適于高速，因?yàn)閿噭?dòng)油液劇烈時(shí)要造成很大的能量損失，以致引起油液和軸承的嚴(yán)重過(guò)熱。（2）滴油潤(rùn)滑適用于需要定量供應(yīng)潤(rùn)滑油的軸承部件，滴油量應(yīng)適當(dāng)控制，過(guò)多的油量將引起軸承溫度的增高，為實(shí)地有通暢，嘗試用黏度較小的10號(hào)機(jī)械油。（3）飛濺潤(rùn)滑這是一般閉式齒輪傳動(dòng)裝置中的軸承常用的潤(rùn)滑方法，即利用齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)把潤(rùn)滑齒輪的油甩到四周壁面上，然后通過(guò)適當(dāng)?shù)臏喜郯延忠胼S承中去。這類(lèi)潤(rùn)滑方法所用裝置的結(jié)構(gòu)形式較多，可參考現(xiàn)有機(jī)器的使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。（4）噴油潤(rùn)滑適用于轉(zhuǎn)速高，載荷大，要求潤(rùn)滑可靠的軸承。用油泵將潤(rùn)滑油增壓，通過(guò)油管或機(jī)殼內(nèi)特制的油孔，井噴咀將有噴射到軸承中去；流過(guò)軸承后的潤(rùn)滑油，經(jīng)過(guò)過(guò)濾冷卻后再循環(huán)使用。為了保證又能進(jìn)入高速轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承，噴嘴應(yīng)對(duì)準(zhǔn)內(nèi)圈和保持架之間的間隙。油泵壓力一般約為0.3～0.5MPa。（5）油霧潤(rùn)滑當(dāng)軸承滾動(dòng)踢得線速度很高，例如dn值大于時(shí)，常采用油霧潤(rùn)滑，以避免其他潤(rùn)滑方式有愚公有過(guò)多，油的內(nèi)摩擦增大而增高軸承的工作溫度。潤(rùn)滑油在油霧發(fā)生器中變成油霧，其溫度比液體潤(rùn)滑油的溫度低，這對(duì)冷卻軸承來(lái)說(shuō)也是有利的。但潤(rùn)滑了軸承后的油霧，可能部分地隨空氣散佚，要污染環(huán)境。故在必要時(shí)，宜用油氣分離器來(lái)收集油霧，或者采用通風(fēng)裝置來(lái)排除廢氣。相比較之下，采用脂潤(rùn)滑比較符合本設(shè)計(jì)。5.7軸承的密封裝置軸承的密封裝置是為了阻止灰塵、水、酸氣和其他雜物進(jìn)入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┝魇ФO(shè)置的。密封裝置可分為接觸式及非接觸式兩大類(lèi)。接觸式密封在軸承蓋內(nèi)放置軟材料與轉(zhuǎn)動(dòng)直接接觸而起密封作用。常用的軟材料有細(xì)毛氈、橡膠、皮革、軟木等；或者放置耐磨硬質(zhì)材料（如加強(qiáng)石墨、青銅、耐磨鑄鐵等）與轉(zhuǎn)動(dòng)軸直接接觸以進(jìn)行密封。下面是幾種常用的結(jié)構(gòu)形式：（1）氈圈密封在軸承蓋上開(kāi)出梯形槽，將細(xì)毛氈按標(biāo)準(zhǔn)制成環(huán)形（尺寸不大時(shí)）或帶形（尺寸較大），放置在梯形槽中以與軸密和接觸；或者在軸承蓋上開(kāi)缺口放置毛氈，然后用另外一個(gè)零件壓在毛氈上，以調(diào)整毛氈與軸的密和程度，從而提高密封效果。這種密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但摩擦較嚴(yán)重，只用于滑動(dòng)速度小于4～5m/s的地方。與毛氈相接觸的軸表面如經(jīng)過(guò)拋光且毛氈質(zhì)量高時(shí)，可用到滑動(dòng)速度達(dá)7～8m/s之處。（2）唇形密封圈密封在軸承蓋中，放置一個(gè)用耐油橡膠或皮革制的、并組裝在一個(gè)鋼外殼之中的整體部件——密封皮碗，皮碗直接壓在軸上。為了增強(qiáng)密封效果，用一環(huán)形螺旋彈簧壓在皮碗的唇部。皮碗可以有一個(gè)或兩個(gè)密封唇，蜜蜂出的方向要朝向密封的部位。即如果主要是為了封油，密封唇應(yīng)對(duì)著軸承（朝內(nèi)）；如果主要是為了防止外物浸入，則密封唇應(yīng)背著軸承（朝外）；如果兩個(gè)作用都有，最好是用具有兩個(gè)方向相反的密封唇的皮碗。這種結(jié)構(gòu)安裝很方便，也易于更換。它可用到接觸面滑動(dòng)速度小于10m/s（當(dāng)軸徑是精車(chē)的）或小于15m/s（當(dāng)軸徑是磨光的）處。軸徑與皮碗接觸出最好經(jīng)過(guò)表面硬化處理，以增強(qiáng)耐磨性。（3）密封環(huán)密封環(huán)是一種帶有缺口的環(huán)狀密封件，把它放置在套筒的環(huán)槽內(nèi)套筒與洲一起轉(zhuǎn)動(dòng)，密封環(huán)靠缺口貝壓攏后所具有的彈性而抵緊在靜止外患德內(nèi)孔壁上，即可起到密封的作用。各個(gè)接觸表面均需經(jīng)硬化處理并磨光。密封環(huán)用含鉻的耐磨鑄鐵制造，可用于滑動(dòng)速度小于100m/s之處。在滑動(dòng)速度為60～80m/s范圍內(nèi)，也可以用錫青銅制造密封環(huán)。（4）斷面密封斷面密封的結(jié)構(gòu)形式很多，密封元件可用塑料、碳化鎢、強(qiáng)化石墨等材料制造。這些材料都具有自潤(rùn)滑性能，摩擦系數(shù)低，可以在較高的滑動(dòng)速度下工作。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，密封環(huán)被波形彈簧通過(guò)石墨坐壓貼在旋轉(zhuǎn)盤(pán)的端面上。旋轉(zhuǎn)盤(pán)端面經(jīng)過(guò)鍍鉻拋光，一邊是密封環(huán)與旋轉(zhuǎn)盤(pán)端面沿整個(gè)圓周密切貼合。非接觸式密封使用接觸式密封，總要在接觸處產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦。使用非接觸式密封，就能避免此缺點(diǎn)。常用的非接觸式密封有以下幾種：隙縫密封在軸和軸承蓋的通孔壁之間留有一個(gè)極窄的隙縫，半徑間隙通常為0.10～80mm。這對(duì)使用脂潤(rùn)滑的軸承來(lái)說(shuō)，已具有一定的密封效果。設(shè)計(jì)中采用氈圈密封采用型號(hào)為HG4-692-67油封。5.8密封與潤(rùn)滑整個(gè)減速器的齒輪和軸承的潤(rùn)滑和是非常重要的問(wèn)題。減速器中的齒輪傳動(dòng)，大都用油潤(rùn)滑。選擇潤(rùn)滑油的黏度、牌號(hào)和潤(rùn)滑方法時(shí)，主要根據(jù)齒輪傳動(dòng)的工作條件，但也必須對(duì)軸承的潤(rùn)滑作相應(yīng)的考慮。對(duì)于兩級(jí)、三級(jí)傳動(dòng)的鉆機(jī)，其潤(rùn)滑油的黏度可按高速級(jí)及低速級(jí)所需黏度的平均值來(lái)選取。對(duì)于圓周速度v<12m/s的齒輪傳動(dòng)，可采用浸油潤(rùn)滑，對(duì)于速度雖較高，但工作時(shí)間持續(xù)不長(zhǎng)的齒輪傳動(dòng)，也可采用浸油潤(rùn)滑。用僅有潤(rùn)滑時(shí)，以圓柱齒輪的整齒高浸入油中為適度，但不應(yīng)少于10mm;圓錐齒輪則應(yīng)將整個(gè)齒寬（至少是辦個(gè)齒寬）浸入油中。對(duì)于多級(jí)傳動(dòng)，若低速級(jí)大齒輪的圓周速度V<0.5~0.8m/s,浸油深度可適當(dāng)大一些。僅有深度可達(dá)1/6~1/3的分度圓半徑。若低速級(jí)大齒輪的圓周速度較高，為避免高速級(jí)大齒輪的浸油深度為一齒高時(shí)，高速級(jí)齒輪可采用帶油輪、濺油輪的辦法來(lái)潤(rùn)滑；也可把油池按高、低速級(jí)傳動(dòng)隔開(kāi)，并按各級(jí)傳動(dòng)尺寸大小分別決定相應(yīng)的油面高度。當(dāng)傳動(dòng)零件的圓周速度超過(guò)上述限制值時(shí)，齒輪傳動(dòng)可采用噴油潤(rùn)滑。噴油潤(rùn)滑也常用于速度不高、但工作繁重的中型減速器，或需要借潤(rùn)華進(jìn)行冷卻的重要減速器。減速器的軸承常用減速器內(nèi)用來(lái)潤(rùn)滑齒輪的由來(lái)潤(rùn)滑。為此，必須保證油池中的又能飛濺到箱蓋內(nèi)壁上，并沿壁面流入箱體分箱面凸緣上的油溝內(nèi)，然后沿油溝流入軸承。對(duì)于不同箱內(nèi)的油來(lái)潤(rùn)滑的軸承，用潤(rùn)滑油脂或其他潤(rùn)滑油來(lái)潤(rùn)滑的軸承，除了要加裝有關(guān)的潤(rùn)滑裝置外，還必須保證良好的密封。為保證減速器各接縫面不滲漏潤(rùn)滑油，必須保證各接縫面的密封性。應(yīng)在裝配減速器時(shí)，再分箱面上涂以密封膠，或沿箱體的分箱面凸緣制出回油溝；在軸承端蓋、檢查孔蓋板以及油標(biāo)、油塞等與箱體、箱蓋的接縫面間均需加裝紙封油墊（或皮封油圈）；主、從動(dòng)外伸軸段與軸承端蓋間的動(dòng)連接處，必須有可靠的密封。第6章液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6.1鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的作用6.1.1鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的作用1.實(shí)現(xiàn)液壓卡盤(pán)的松卡鉆桿動(dòng)作；2.實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)給進(jìn)動(dòng)作；3.實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力的起拔作用。根據(jù)這些要求設(shè)計(jì)如圖6-1。圖6-1液壓系統(tǒng)圖液壓卡盤(pán)的設(shè)計(jì)與計(jì)算卡盤(pán)的工作原理是夾緊鉆桿依靠碟形彈簧安裝時(shí)的預(yù)緊力，使卡圈上移，卡圈內(nèi)斜面的作用，位于T形槽內(nèi)帶動(dòng)卡瓦徑向移動(dòng)，即夾緊六方形主動(dòng)鉆桿的三個(gè)平面，帶動(dòng)鉆具可做上、下活動(dòng)及鉆進(jìn)。當(dāng)松開(kāi)卡盤(pán)時(shí)，是靠加入卡盤(pán)油缸中的壓力油克服碟形彈簧的彈力，并壓縮形彈簧，迫使活塞及卡圈下移，由于卡圈離開(kāi)了卡瓦，主軸的兩個(gè)漲環(huán)將卡瓦彈回到圓錐面外徑的位置，完成松開(kāi)鉆桿的動(dòng)作。卡盤(pán)夾緊力的大小，取決于碟形彈簧的軸向推力，軸向推力越大，夾緊力就越大。卡瓦對(duì)鉆桿的夾緊力N卡瓦對(duì)鉆桿的夾緊力N必須滿(mǎn)足下式：式中：Q—最大起拔力Q=9500（N）f—卡瓦與鉆桿的摩擦系數(shù)f=0.5所以N≥Q/f=9500/0.5=19000(N)2.碟型彈簧的軸向推力如圖6-2示圖6-2彈簧軸向推力圖由圖6-2可知，彈簧對(duì)卡瓦的軸向推力F0為式中：N—卡瓦與鉆桿間的法向推力α—卡瓦的斜角α=8°γ—當(dāng)量摩擦角γ=8.5°K—儲(chǔ)備系數(shù)K=1.6所以=9000（N）3.卡盤(pán)松開(kāi)時(shí)所需油壓的計(jì)算碟型彈簧松開(kāi)卡盤(pán)時(shí)所需油壓力為：P=P/S其中：P—碟型彈簧的最大理論彈力P=10630（N）S—環(huán)狀油缸面積D—油缸直徑D=17cmd—活塞桿直徑d=14cm所以=73cm2P=10630/73=18.6（MPa）4.碟型彈簧總變形量的計(jì)算碟型彈簧示意圖如圖6-3圖6-3彈簧示意圖式中：ΔL—碟型彈簧總變形量σ—片彈簧的變形量n—彈簧片數(shù)n=9九片彈簧預(yù)壓變形最低為30.375mm，最大為40.5mm,卡圈軸向移動(dòng)范圍只能在ΔL=40.5-30.375mm=10.12mm。卡瓦徑向伸縮量的計(jì)算Δd=2ΔLtgα=2×10.12×tg8°=2.84式中：Δd—卡瓦徑向伸縮量α—卡瓦的斜角α=8°6.剛體強(qiáng)度的計(jì)算油缸壁厚為：t=Pp×D/2×σP式中：Pp—試驗(yàn)壓力Pp=Pn×150%當(dāng)Pn>16MPaPp=Pn×125%Pn—工作壓力（Pa）D—油缸內(nèi)徑D=170(mm)σP—缸體材料許用拉壓力σP=σb/Sσb—材料抗拉強(qiáng)度S—安全系數(shù)S=3.5~5取S=3.5Pn=600×104(Pa)Pp=600×104×150%=900×104(Pa)σP=σb/S=60×106/3.5=17×106(Pa)t=900×104×0.17/2×17×106=4.5(mm)取t=8mm所以滿(mǎn)足要求給進(jìn)油缸設(shè)計(jì)給進(jìn)油缸的結(jié)構(gòu)為雙作用單活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)油缸，所起的作用是：1.完成鉆孔過(guò)程中的給進(jìn)運(yùn)動(dòng)；2.當(dāng)卡鉆及處理事故時(shí)，配合油壓卡盤(pán)起拔。油缸直徑計(jì)算根據(jù)所需油缸最大作用力以及液壓系統(tǒng)的最大工作壓力可求得油缸直徑。式中：D—油缸計(jì)算直徑P—油壓系統(tǒng)的調(diào)整壓力，P=600（N/cm2）P2—油缸最大起拔力，P2=9500（N）第7章滑動(dòng)底座輕量化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真7.1輕量化設(shè)計(jì)原有的滑動(dòng)底座采用厚板結(jié)構(gòu)，刨銑成型，但是整體重量較大，基于此對(duì)滑動(dòng)底座進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，經(jīng)查閱多篇文獻(xiàn)和一些厚板輕量化優(yōu)化案例，本文按找鑄件腔模的思路對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。原滑動(dòng)底座材質(zhì)采用合金鋼材質(zhì)，整體結(jié)構(gòu)重量接近900公斤，輕量化思路是厚板結(jié)構(gòu)進(jìn)行掏空設(shè)計(jì)，并對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行多處加強(qiáng)筋連接，保證底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度：輕量化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)如下圖，重新測(cè)量重量500多公斤，優(yōu)化效果明顯： 輕量化的結(jié)構(gòu)我們需要進(jìn)行靜力分析，驗(yàn)證強(qiáng)度是否符合要求，本次靜力分析采用solidworks的Simulation模塊，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，因?yàn)閷?shí)際工況中底座是與滑軌卡槽連接，所以簡(jiǎn)化固定面為華漕接觸面；實(shí)際運(yùn)行中滑塊收到得力來(lái)自于鉆軸傳遞來(lái)的軸向力，并傳遞給滑動(dòng)底座的第一接觸面（如下圖所示），施加總計(jì)10000N的法向力；接下來(lái)對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，把效果調(diào)整至良好，確保計(jì)算結(jié)果的精度，對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算分分析：輕量化后的模型受力應(yīng)力、應(yīng)變圖如下，從分析結(jié)果可以看出，最大應(yīng)力約為150兆帕左右，而材料合金鋼本身的屈服強(qiáng)度為620兆帕，故貨叉的安全系數(shù)達(dá)到了4.0以上，機(jī)械行業(yè)中一般大于2.5，因此輕量化后的滑動(dòng)底座設(shè)計(jì)符合要求，偏安全的。由分析可知，滑動(dòng)底座的疲勞斷裂最有可能出現(xiàn)在支撐座根部，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中可考慮用圓角結(jié)構(gòu)改善此處應(yīng)力集中等問(wèn)題，即可提高支撐座根部的疲勞斷裂壽命。7.2礦用鉆機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真在完成礦用鉆機(jī)的建模裝配后，開(kāi)始對(duì)礦用鉆機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。首先，在【solidworks插件】中選擇【solidworksmotion】，啟動(dòng)motion插件。插件打開(kāi)后，點(diǎn)擊左下角的運(yùn)動(dòng)算例，然后將仿真方式中選定默認(rèn)的【動(dòng)畫(huà)】，接下來(lái)就可以在仿真頁(yè)面進(jìn)行仿真。首先，我們對(duì)礦用鉆機(jī)的鉆軸零件添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，給鉆軸一個(gè)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作輸出，仿真時(shí)間位置設(shè)定20秒，同時(shí)我們給定滑動(dòng)底座一個(gè)距離變化關(guān)鍵幀，初始設(shè)定距離工作臺(tái)尾端面為20mm，最大的時(shí)候按照1000mm，這樣便實(shí)現(xiàn)了鉆軸的進(jìn)給動(dòng)作仿真，仿真過(guò)程中為了看清傳動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，給視圖一個(gè)關(guān)鍵幀，拉近；遠(yuǎn)離時(shí)也同樣給定關(guān)鍵幀，然后計(jì)算，我們可以看到鉆機(jī)鉆軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)仿真鉆的動(dòng)作，同時(shí)滑動(dòng)底座帶動(dòng)動(dòng)力頭總成進(jìn)給。如圖4.14為叉車(chē)的仿真示意圖。圖6.1.5鉆機(jī)仿真示意圖7.3輕量化關(guān)鍵部件生產(chǎn)工藝分析7.3.1滑動(dòng)底板的生產(chǎn)工藝分析滑動(dòng)底常用材料：1.高強(qiáng)度耐磨鋼屈服強(qiáng)度高（≥600MPa）、抗沖擊耐磨，適用于重載工況（如硬巖礦井）。常用型號(hào)：Mn13、Q345B、40Cr（經(jīng)調(diào)質(zhì)處理）等。可承受高載荷和頻繁摩擦，抗斷裂性能強(qiáng)；缺點(diǎn)是自重較大，耐腐蝕性較弱（需額外防護(hù)）。2.鑄鋼或鑄鐵1.成本較低，適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型，常用于中小型鉆機(jī)滑板。2.典型材料：ZG35CrMo（鑄鋼）、HT250（灰鑄鐵，需表面硬化處理）。3.常用生產(chǎn)工藝金屬滑板生產(chǎn)流程：原材料制備：鋼材切割（激光/火焰切割）或鑄造（砂型鑄造、消失模鑄造）→毛坯成型。機(jī)械加工：銑削/車(chē)削加工表面精度（平面度≤0.1mm/m），鉆孔/開(kāi)槽（安裝螺栓孔、導(dǎo)向槽）。熱處理：調(diào)質(zhì)處理（提高綜合力學(xué)性能）、表面淬火（如高頻淬火，硬度HRC45-55，增強(qiáng)耐磨性）。表面處理：鍍鋅（Zn鍍層≥8μm）、噴涂環(huán)氧樹(shù)脂防腐涂層（厚度≥100μm），或采用達(dá)克羅工藝（無(wú)鉻鋅基涂層，耐鹽霧≥1000h）。7.3輕量化后材料選擇在輕量化設(shè)計(jì)中，采用金屬3D打印（如選擇性激光熔化SLM、電子束熔化EBM等工藝）時(shí)，需選擇兼具低密度、高強(qiáng)度、良好成型性的金屬粉末材料。結(jié)合礦用鉆機(jī)滑板的工況（高載荷、耐磨、抗沖擊），以下是滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的核心材料及選型依據(jù)：材料密度(g/cm3)抗拉強(qiáng)度(MPa)耐腐蝕性（礦井環(huán)境）成本（元/kg）適合場(chǎng)景Ti6Al4V4.43≥900優(yōu)（耐潮濕/酸性）800-1200主承力滑板（高載荷）AlSi10Mg2.7≥400中（需表面防腐）200-300中等載荷滑板（輕量化優(yōu)先）17-4PH不銹鋼7.75≥1310良（耐氯離子）300-500耐磨連接部件（高應(yīng)力點(diǎn)）鋁鋰合金2.5≥500中（需表面處理）500-800高端輕量化滑板（減重30%+）總結(jié)上表比較：高載荷輕量化：首選Ti6Al4V鈦合金，通過(guò)3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如空心肋板）減少重量，同時(shí)滿(mǎn)足抗拉強(qiáng)度≥900MPa和耐腐蝕需求。性?xún)r(jià)比輕量化：AlSi10Mg鋁合金是理想選擇，經(jīng)T6時(shí)效后強(qiáng)度可達(dá)400MPa以上，適合中等載荷滑板，成本僅為鈦合金的1/4。耐磨高強(qiáng)度：關(guān)鍵接觸部位（如滑板導(dǎo)軌面）可采用17-4PH不銹鋼，打印后時(shí)效處理至HRC40-45，兼顧強(qiáng)度（≥1300MPa）和耐磨性。極端減重：若載荷較低，可嘗試鋁鋰合金（減重15-20%），但需配套表面防腐處理（如陽(yáng)極氧化）。綜上選擇AlSi10Mg鋁合金粉末作為3D打印材料。7.4輕量化工藝選擇技術(shù)特性對(duì)比：1.激光熔化（SLM）優(yōu)勢(shì)：高精度與表面質(zhì)量：層厚可控制在20-50μm，表面粗糙度Ra≤15μm，復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如鏤空加強(qiáng)筋）無(wú)需額外支撐即可成型12。惰性氣體保護(hù)：在氬氣環(huán)境中打印，有效抑制鋁合金氧化，避免Al?O?夾雜導(dǎo)致的強(qiáng)度下降2。成分穩(wěn)定性：較低的打印溫度（約200℃）減少鎂元素蒸發(fā)（Mg沸點(diǎn)1090℃），確保AlSi10Mg成分均勻性12。局限性：效率瓶頸：?jiǎn)渭す忸^掃描速度約1-2m/s，打印大型滑板（如1m×0.5m）需數(shù)十小時(shí)7。熱應(yīng)力控制：高能量密度易導(dǎo)致翹曲變形，需通過(guò)預(yù)熱（100-200℃）或變向掃描緩解1。2.電子束熔化（EBM）優(yōu)勢(shì)：高效生產(chǎn)：電子束掃描速度可達(dá)8m/s，打印效率（55-80cm3/h）是SLM的10倍以上，適合批量生產(chǎn)11。真空環(huán)境：徹底消除氧化風(fēng)險(xiǎn)，適合潮濕礦井環(huán)境9。低殘余應(yīng)力：高溫預(yù)熱（約700℃）使材料逐層緩慢冷卻，減少變形，無(wú)需額外支撐結(jié)構(gòu)11。局限性：鎂元素蒸發(fā)：高溫（>1000℃）導(dǎo)致AlSi10Mg中鎂含量下降（蒸發(fā)率可達(dá)10-15%），降低強(qiáng)度和耐腐蝕性2。表面質(zhì)量差：層厚50-200μm，表面粗糙度Ra≥25μm，需機(jī)加工后處理12。材料適應(yīng)性分析1.力學(xué)性能SLM：打印態(tài)抗拉強(qiáng)度約300MPa，經(jīng)T6熱處理（530℃固溶+160℃時(shí)效）后可達(dá)420MPa，屈服強(qiáng)度290MPa，延伸率3-5%。致密度≥99.5%，孔隙率≤0.5%，通過(guò)激光原位重熔可進(jìn)一步提升至99.87%[1]。EBM：打印態(tài)抗拉強(qiáng)度約350MPa，但鎂蒸發(fā)導(dǎo)致時(shí)效后強(qiáng)度增幅有限（約400MPa），且耐腐蝕性下降[2]。高溫預(yù)熱使晶粒粗化（平均粒徑5-10μm），沖擊韌性較SLM低20%。2.耐腐蝕性能SLM：惰性氣體環(huán)境下氧化膜厚度≤5nm，經(jīng)陽(yáng)極氧化（膜厚20μm）后耐鹽霧腐蝕≥1000h。熱處理（如T6）可消除晶界析出相，減少點(diǎn)蝕敏感性。EBM：真空環(huán)境雖避免氧化，但鎂蒸發(fā)導(dǎo)致晶界貧Mg，耐蝕性