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1、湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计( 论 文 )题目振动回转岩芯钻机动力头设计作者杨某某学院机电工程学院专业机械设计制造及其自动化学号0903010203指导教师郭勇二一三 年 五 月 二十六 日摘 要动力头是振动回转岩芯钻机的核心部件，其性能的好坏直接决定了整机性能的好坏，而国内外关于该动力头的设计理论和方法却很少见，因此对振动回转岩芯钻机动力头的设计理论和方法进行研究迫在眉睫。本文首先介绍了振动回转岩芯钻机动力头的工作原理，技术特点和发展状况及前景。然后确定振动回转岩芯钻机动力头的总体参数，在分析了振动回转岩芯钻机工况的基础上，应用土力学和流体力学建立了各工况下钻进阻力矩的完整数学模型，
2、为振动回转岩芯钻机动力头的设计提供了理论依据。然后对振动回转岩芯钻机动力头关键部件的设计过程及校核进行了详细的说明。此动力头具有体积小，搬迁灵活，结构简单，安全性好，工作性能高，成本低，频率和振幅的可调性高，激振力足够大，平稳性高的特点。此动力头的设计对岩土钻掘工程技术的进步具有重要的意义。关键词：动力头；振动回转；岩芯钻机；液压马达 ABSTRACT Power head is the core component of vibration of rotary core drill, its performance is good or bad directly determine the
3、overall performance is good or bad, and the design theory and method about the power head at home and abroad are very rare, so the vibration of rotating core drill head design theory and method of research is imminent.This article first introduces the vibration rotary core drill head, the working pr
4、inciple, technical characteristics and development status and prospects and then determine the overall parameters of vibration rotary core drilling power head, on the basis of analyzing the working condition of vibration of rotary core drill, the application of soil mechanics and fluid mechanics is
5、established the complete mathematical model of drilling resistance moment, under the condition of vibration of rotary core drill head design provides a theoretical basis and key components of vibration turning core drilling power head design process and check the detailed description of the power he
6、ad has a small volume, move flexible, simple structure, good safety, high performance, low cost, high frequency and amplitude of the adjustable, vibration force is large enough, the smoothness of high characteristic.The head of design for rock and soil drilling and digging engineering technology pro
7、gress has the important significance.Key words: power head; Rotary vibration; Core drill; Hydraulic motor目 录第一章 绪论11.1 研究振动回转岩芯钻机动力头的意义11.2 振动回转岩芯钻机动力头的工作原理及特点11.2.1 动力头的工作原理简述11.2.2 动力头的结构特点11.3 振动回转岩芯钻机的现状与展望21.3.1 振动回转岩芯钻机的现状21.3.2 振动回转岩芯钻机的展望3第二章 振动回转岩芯钻机动力头总体参数的确定42.1 振动回转岩芯钻机动力头传动方案的选择42.1.1 回
8、转部分传动方案42.1.2 振动部分传动方案52.2 振动回转岩芯钻机动力头回转参数的确定52.2.1 回转扭矩的确定52.2.2 回转速度的确定92.3 振动回转岩芯钻机动力头振动参数确定102.3.1 振动频率的确定102.3.2 激振力的确定122.4 振动回转岩芯钻机动力头液压系统参数的确定132.4.1 回转驱动马达参数的确定132.4.2 振动驱动马达参数的确定15第三章 振动回转岩芯钻机动力头关键部件设计与校核173.1 箱体的设计173.1.1 箱体材料的选定173.1.2 箱体的结构设计183.2 轴的设计203.2.1 振动轴的设计213.2.2 中间轴的设计233.2.3
9、 振动轴的设计及强度校核243.2.4 回转主轴的设计253.3 齿轮的设计283.3.1 驱动齿轮的设计283.3.2 过渡齿轮的设计313.4 同步带轮的设计353.5 同步带的设计373.6 轴承的设计423.6.1 轴承类型的选择423.6.2 轴承固定形式的选择433.6.3 轴承型号的选择463.7 回转支承的设计473.8 偏心轴的设计51第四章 经济性分析52第五章 设计总结56参考文献57致 谢58第一章 绪论1.1 研究振动回转岩芯钻机动力头的意义 目前国内对振动回转岩芯钻机的研究越来越重视，但技术不是很成熟，与国外相比仍然有一定的差距。国家政策倡导节约型社会，环境友好型社
10、会，很多的企业正在争先恐后的贯彻实施这一政策，纷纷加大对产品结构转型，以及机器创新等方面的投入。目前国内的振动回转岩芯钻机存在很多的不足，主要体现在体积庞大，笨重，结构复杂，所以导致搬迁困难，浪费材料，成本高，适应环境的能力差，在施工处对环境的破坏性大。其次是振幅、频率的可调性低，激振力不够大，平稳性低。而动力头是振动回转岩芯钻机的核心部件，它的好坏直接影响到整台机器的好坏。所以，对研究出一台体积小，结构简单，振幅、频率可调，激振力足够大，平稳性高的振动回转岩芯钻机动力头迫在眉睫。1.2 振动回转岩芯钻机动力头的工作原理及特点1.2.1 动力头的工作原理简述 回转马达通过一对传动比很小的齿轮对
11、回转主轴实行驱动，实现主轴的低速回转，此转速不需要很大，因为如果太大，钻头跟岩土层的摩擦产生的热量会很大，这样会加大钻头的磨损。振动用偏心轴的回转实现，偏心轴振动的频率就是动力头振动的频率，偏心轴采用两根，把它们平放在主轴的两侧，它们的回转方向相反，之间通过一对传动比为1的齿轮和同步带连接，振动液压马达直接驱动其中的一根轴，这样两根轴在水平方向的振动力抵消，从而实现钻机的平稳。而在竖直方向的振动力叠加，振动力增加一倍，从而能得到很大的激振力。1.2.2 动力头的结构特点 箱体采用钢板焊接而成，大大缩短了制造周期，强度也大为提高。采用液压马达驱动，运动平稳，噪声低，能实现无极调速。液压马达的轴直
12、接与振动轴连接，这样省去了传动中间部件，大大简化了动力头的结构，维修方便，也减小了箱体的体积，从而克服了动力头笨重的缺点。主轴需要承受的扭矩比较大，采用空心结构，力学性能大大提高。1.3 振动回转岩芯钻机的现状与展望1.3.1 振动回转岩芯钻机的现状(1) 国外状况 国外用于地质调查的全振动岩芯钻机的发展是伴随钻探技术在地质调查工作中应用领域的拓展和钻探方法工艺的进步而发展的。振动回转岩芯钻机是为实现各种钻探方法工艺服务的。另外，其发展还受钻探作业环境(如地理位置、交通运输、气候、地质条件与供水等)的影响和制约。国外地质矿产勘查用振动回转岩芯钻机，除保留有一部分经改进的传统立轴式钻机外，已大量
13、采用顶驱式(动力头钻机)。其特点是回次进尺长，自动化、机械化程度高。具有代表性的有：阿特拉斯的CSl0、CSl4、CS300l、CS4002，宝长年公司的LF70、LF90、LFl40、LF230等地表取心钻机，均具有长行程给进、无塔升降钻具、无级调速、机械化程度高、配套器具齐全、生产效率高等优点。经改进的新型立轴式岩芯钻机有：俄罗斯的cKB一4、cK6-5型钻机，采用双卡盘实现不停钻倒杆；采用直流电机实现无级调速；钻深从25-3000m已形成完整系列。日本的TDP一100、P100等型钻机采用上、下液压卡盘结构，实现了钻进过程中的不停车倒杆，自动连续给进，并通过改进结构提高了钻机的工作可靠性
14、。日本NLC公司的NL一55、L一44、L一38、L一24系列型号立轴式钻机，主要特点是加大了立轴通孔直径，达到148mm；与钻塔设计融为一体，质量大，自动化程度较高。(2)国内状况1949年以前国内振动回转岩芯钻机几乎全部是由国外引进，20世纪50年代初期大量从苏联引进当时并不先进的手把式钻机，50年代中期，国内开始仿制，60年代开始自行设计钻机，如XY、YL、MK、TK等系列。70年代开始全面推广金刚石钻进技术，促进了我国地质岩芯钻机的研制与制造业的发展，80年代就基本满足国内地质矿产调查的需要，并有部分向外出口。我国从20世纪60年代就开始研制液压传动钻机，但由于当时国产液压元件质量不过
15、关等原因而未能形成生产力。改革开放以来，从美、德等国引进了多种名牌液压元件生产线，使国产液压元件的品种增多，质量有了大幅度提高，我国已具备了研究传动钻机的良好物质基础和技术准备。进入21世纪，国内的有关研究机构与钻探机械厂先后研发出了的地表岩芯钻机以满足市场的需求，主要产品有：2005年中国地质科学院勘探技术研究所与北京天和众邦勘探技术有限公司联合研发成功的YDX一3型岩芯钻机、2005年底山东省地质探矿机械厂研发的XD一5型、2006年底连云港黄机械厂有限公司研制的HYDX一5型等。国内研制成功的这几款岩芯钻机特点均顺应国际钻探设备的发展趋势，属于同一档次，钻探能力相差不多，具有化、给进行程长、无级调速、机械化程度高等优点。但与国外岩芯钻机相比，还未形成系列化，可靠性不够高，无相应的国家标准等。1.3.2 振动回转岩芯钻机的展望 随着技术的不断进步,岩心钻探设备的发展伴随着引进技术的消化吸收、基础工业元器件水平的提高、钻探工艺发展对设备的要求而不断发展提高。为此，振动回转岩芯钻机的发展方向主要有三个：第一，小型化发展。因为勘探主要是在一些比较偏远的山区，经济落后，交通不便，而钻机本来就比较笨重，搬迁困难。而且，在山
