岩心钻机升降机的设计含6张CAD图
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摘 要目前,岩心钻机升降机主要采用固定轴行星牵引,工作状态死板,无法灵活调整在工作中的状态。本设计就是在现有固定轴行星牵引系统的基础上,设计了一种可以满足设计工作要求的四个不同挡位提升速度的升降机构。在施工过程中,原起升构件的位置比没有发生变化,但由于传动比和传动速度的不同,通过分析计算,增加了行星传动、中心传动和内齿轮箱的厚度;同时,制动盘半径增大。从而实现不同档位调控的升降机构。通过先进的现代软件分析可知,通过计算分析得出的结论是正确的。也就是说,本文设计的升降机可以提高至要求的速度。此次设计可以令岩心钻机升降机工作状态更加灵活,能更好的完成工作任务、适应工作需要。关键词: XY4 岩心钻机 齿轮 升降机轴 行星轮轴 ABSTRACTAt present, the core drilling rig lift mainly uses fixed axis planetary traction, the working state is rigid, can not flexibly adjust the state in the work. This design is based on the existing fixed axis planetary traction system, designed to meet the design requirements of four different gear lifting speed lifting mechanism. During the construction process, the position ratio of the original lifting member does not change, but because of the difference of transmission ratio and transmission speed, the thickness of planetary transmission, central transmission and inner gear box is increased by analysis and calculation; at the same time, the radius of the brake disc is increased. so as to realize the lifting mechanism of different gear regulation. Through advanced modern software .Keywords: XY4Core Drilling Machine Gear Elevatorshaft Planet Wheel Axl目 录绪 论1第一章 设计总论41.1 XY-4岩心钻探作业、设计要求及设计条件41.1.1 XY4岩心钻机升降机的功用41.1.2 XY-4型岩心钻机升降机设计要求41.1.3 XY4岩心钻升降机的设计条件41.2 XY4岩心钻机升降机类型的确定41.3 XY-4型岩心钻机设计方案的确定51.4 XY-4型岩心钻机的组成分析51.4.1卷筒61.4.2行星轮系61.4.3冷却装置71.4.4升降机轴71.4.5抱闸81.5 XY-4型岩心钻机提升机结构图及功能原理分析91.5.1 XY4岩心钻机升降机的结构图91.5.2 XY4岩心钻机升降机的工作原理分析9第二章 分析计算112.1 XY4岩心钻机升降机齿轮的分析计算112.1.1齿轮总传动比的确定112.1.2齿轮材料的选择及热处理、精度、齿数112.1.3按齿根弯曲疲劳强度设计112.2 XY4岩心钻机升降机轴的分析计算142.2.1升降机轴的设计142.2.2行星轴设计182.3 XY4岩心钻机升降机182.4 XY4岩心钻机升降机卷筒的结构参数的确定21第三章 升降机的转速、转矩特性分析243.1升降机的转速特性分析243.1.1升降机提升速度的分析243.1.2分析253.2升降机的转矩特性分析273.2.1升降机提升转矩特性的分析273.2.2升降机下降转矩特性的分析283.3升降机的主要特性参数计算283.3.1升降机最大起重量283.3.2升降机的提升速度293.3.3 升降机的抱闸制动力的计算30第四章 工程图的绘制334.1升降机的日常维护保养334.2升降机的使用要求34结 论35参考文献36致 谢37绪 论升降机是使钻头工作的主要结构之一。在整个钻探过程中,钻机的主要作用是提升钻机,此外,在某些条件下,提升系统被用来悬挂钻机,快速扫描孔洞,用主动钻杆控制钻井,处理孔中的事故。起升过程占工作时间的很大一部分,升降机的好坏自然会影响钻井效率、钻井质量和生产安全。因此,对升降机进行设计和分析是十分必要的。“迄今为止,工程师设计的升降机可分为五类:膨胀闸传动类型、锥形摩擦传动类型、单片摩擦离合器传动类型、液压传动类型和行星传动类型。这种5种升降机有着不同的特点。锥摩擦传动升降机构造简单,大部分部件不易损,具有良好的的耐久性,因为传动效率低,所以两个摩擦锥子面很容易进入泥油污渍,进行钻孔工作时的可靠性较低。单片式摩擦离合器传动升降机驱动稳定,但结构复杂,联轴节板更换不方便。液压传动升降机可以远距离的自动控制和调节各个位置,结构非常简化。缺点是液压马达需要加工,安装时要求精度很高,维修不方便。与摩擦传动相比,尺寸相等的情况下,可以传递更大的功率,获得更大的传动比;传输效果和频率都很高;结构比较紧密,进行传动工作时机械平稳,操作起来非常灵活。目前应用最广泛的是最后一种升降机,以已知参数为基础,计算特性参数,设计模型。并用软件对其进行了仿真验证。这样可以得知升降机确切的特性参数。因此,避免了工作人员在不知道升降机特性的情况下超负荷工作。此外,为了改进现有升降机,还综合了升降机在不同工况下的特点。1.XY4岩心钻机的发展历史钻机是必不可少的井下机器,是完成钻井作业最重要的设备。它带动钻具、钻具深入地层,借助升降机完成钻具、壳体的装卸、取芯、更换钻头等一系列前期工作。为防止工作时温度过高电子泵向钻孔内提供冲洗液,冲洗井底,通过这种方法降低钻孔温度,润滑钻具。钻床广泛应用于各经济部门,是钻井等各类重大工程最重要的设备。在岩心钻机的研制过程中,经历了手摇钻机、机械驱动钻机、液压输送钻机和全液压钻机几个发展阶段。(1) 第一阶段以手动钻机为代表。1862年,第一个钻头由金刚石制成的世界上第一台可手动操作的立式钻床在瑞士诞生,;1899年,钢件钻孔技术取代了金刚石钻孔技术。1916年,经过一系列合金的研究和开发,它开始应用于钻井、合金钻井等领域。这两种钻探方法的逐步应用,形成了初始状态的立式钻机。经过不断的发展,形成了功能完善的手动进给方式的钻机。钻机的动力来源最初是人力。由于人体能力有限,只能低速使用,此时的升降机是摩擦式的。这种钻机发展到上世纪四五十年代。解放初期,我国地质勘探急需引进这类钻井设施,并大量仿制。其代表机型有xb-300、xe-5dd、xb-I 000a等。(2) 第二阶段主要代表是机械驱动钻机和液压钻机。20世纪40年代中期,随着科技发展进步,开发出了一种新型金刚石钻头,液压技术在开发和应用中得到了广泛的应用。机械驱动、液压进给的岩心钻机被研制了出来。20世纪50年代以后,金刚石钻进所使用的机械驱动和液压进给的岩心钻机得到了进一步的改进和发展。解放初期,我国既引进了手动钻床,又引进了机械传动和液压岩心钻床。从1958年到1962年,我们完成了从仿制机器到自造机器的过渡阶段。自1962年后,我们开始大量的设计和制造。(3) 第三阶段主要以全液压岩心钻机为代表。20世纪60年代以后,金刚石钻进技术和液压技术都有了新的发展。这些成了全液压钻机生产的前提条件。因此,从60年代末到70年代初,这种新型岩心钻机诞生了,其结构与传统钻机不同。上世纪60年代初,中国开始研究制造新型钻机全液压钻机。20世纪70年代,中国进行了研究和制造0。2.XY4岩心钻机的发展的主要决定因素影响钻机发展的第一个因素是,钻机的发展应随着钻井方法和钻井技术的发展而变化。早在秦朝(公元前221-207年),就使用钻孔技术收集盐。这项技术发明仍为世界所公认。缺点是钻进过程不连续,不能连续取芯,只能垂直钻孔,不能满足地质勘探的工作要求。在19世纪中后期,出现了一个能连续取芯的回转钻机。该钻机的钻进效率和地质勘探效果明显优于绳索钻进技术。因此回转钻机技术在地质研究中迅速发挥着主导作用。随着钻井技术的不断发展,岩心钻机必须经过一系列的开发和研制才能满足需要。目前较新的液压钻机与50年代的手持式钻机相比,在外观、结构和技术参数上都有很大的不同。影响钻机发展的第二个因素是,为了满足机械制造业、电子工业和冶金工业的发展需要,钻机设备也相应发生了变化。钻井设备的设计要求和设计原则,除了自身地质要求的特点和要求外,还必须大量使用机械行业中各种常见的传动副和标准件,如各种轴承、液压元件等。冶金工业的发展提供了质量强度都很好的材料,设备结构开始变得紧凑小巧;随着电子工业的发展,钻井设备的测试方式已经开始自动化、仪表化。目前,国外钻井设备的现代化速度非常快。因为他们采用了大部分的标准零件。所以设计完成后草图的设计量不大,可以选择其他公司大量生产的各个方面全部合格的标准件,因此新机型的测试周期很短。由于采用了大量专业的零件生产,整机组装后质量可以得到保证,互换性、通用性也非常好0。3.钻探设备发展的趋势就美国钻井设备而言,机械传动液压式和立式的钻机约占98%,而全液压头岩心的钻井设备仅占2%。可以看出,目前机械液压钻机比较完善,在大量的应用中,而全液压钻机还处于发展阶段,使用不多。由于绳索取芯技术的快速发展,钻机增加了绳索绞盘装置。升降机在结构和原理上几乎没有变化,它仍然由圆柱齿轮组成(有些是圆锥齿轮),一些岩心钻探设备的卷筒上装有摩擦联轴器,现代钻井设备的杠杆手柄采用液压控制,手动控制作为备用;中等深度或深井钻机采用水刹车和升降加速装置。变速箱和变速箱的速度都提高了。一些钻机也进行了改进,即在齿轮输入端增加减速齿轮,引入两种速度,使钻井设备更好地适应不同的钻井情况;其中一些使用了快速更换传动副、更换传动装置或更换大量变速器规格来扩大变速器的调速范围。为了提高设备的机动性,减少安装移动机械的时间,目前广泛采用安装在轻型和重型车辆及拖拉机上的自走式钻机。安装在车辆上的钻机是固定在地面上的标准钻机,由汽车和拖拉机的发动机或动力机器单独操作。桅杆可以用液压杆支撑,三个液压脚,一个前两个后,用来稳定钻机,此类钻机最大深度可达1000米以上。值得注意的是,国外用于隧道钻探的钻机类型很多。例如,压力气动式、螺旋式和液压式钻机用于隧道钻孔。隧道钻的开发可以节省大量的钻探材料,达到预期的地质效益和经济效益。目前,中国对这方面的工作重视不够,必须进一步发展。近年来,“一机多用”也成为发展趋势之一。英国公司设计的钻井装置,例如,一种由液压动力头驱动车载式的设备,可用空气、泥浆钻井;也可用潜孔锤钻孔。由于它可以驾驶,所以也可以在山区、丘陵和崎岖不平的地区工作。操作自动化和机械化水平的提高是钻井设备的另一个发展趋势。因为电子技术在钻井中的应用日益广泛。慢慢地,钻机可以由各种电子仪器控制,从而可以编程,自动设置和控制最佳参数。目前已达到了各种机械手集中液压操作的目的,实现了对钻井系统控制的连接和编程。起重过程的机械化被作为钻机组件的一部分。在传感器的帮助下,井底压力、泵压、扭矩、过载报警、当前图像速度等信息自动记录显示在操作平台上。数据由电子计算机处理,生成指令自动控制钻进参数。这已正式应用于石油钻探,一些工具和程序暂时可用于岩心钻探0。第一章 设计总论1.1 XY-4岩心钻探作业、设计要求及设计条件1.1.1 XY4岩心钻机升降机的功用升降机分为两部分,一部分是主升降机,用来控制钻具和套管;另一部分是副升降机,作用是提升其它材料或重物、打捞钻具内管、吊拉沙袋、集土器等。1.1.2 XY-4型岩心钻机升降机设计要求由于钻机在钻进过程中使用时间长,它的性能直接决定了钻进效率和钻进质量,以及能否安全生产,因此升降机应满足以下要求:1.在满足工艺要求前提下,应能够将工作过程的移动持续时间最小化,并提高功率。2.升降机的结构和强度必须有一定的过载能力。3.现代钻机应远离钻机本体,实现遥控操作或按键操作。使用灵敏、方便、工作强度低、稳定、安全可靠。4.结构简单。1.1.3 XY4岩心钻升降机的设计条件1.输入轴转速(r/min):约450、约310、约217、约117;2.卷筒转速(r/min):约160、约110、约78、约42;3.最大起重量:29.4kn;4.滚筒直径:285mm;5.绳径:16mm;6.卷筒电缆性能:52mm;7.提升速度:0.82、1.51、2.16、3.13。1.2 XY4岩心钻机升降机类型的确定目前有五种类型的升降机,它们的名称和特点是:表1.1 不同升降机的特点比较类型特点采用钻机型号胀闸传动 式简化了二次升降机的机械传动结构,采用液压控制,用来实现远程控制和自动化比较简单;工作和散热稳定。然而,它只适用于带有液压系统的钻机。SPC-300型锥摩擦传动式本实用新型吊钩结构简单,坚固耐用,易损件少,传动效率低。两个碰销在泥浆、油等中较轻,操作安全性差。很少使用钻孔和深孔XB-500型片式摩擦力合器传 动式板式传动联轴器的尺寸比锥摩擦式小,结构比锥摩擦式复杂,更换联轴器板不方便。用于钻井系统的辅助提升用于钻机辅助升降机液压传动式液压传动方式可实现提升速度的逐步调节和自动遥控,提升结构大大简化。缺点是液压马达需要加工,装配精度高,现场维修不方便。行星轮传动式行星传动与摩擦传动式在尺寸相等的情况下,能传递更多的动力和更大的传动比;传输效率高;结构紧凑,传动平稳,操作灵活。用于机械牵引机械用于机械传动式钻机通过上述分析,我们选择行星轮传动式作为XY-4岩心钻机的升降机类型。行星轮式分为两种:一种是行星轴支撑在提升制圈上,内齿圈和滚筒安装在一块;另一种是行星轴装在滚筒上,内齿圈与提升制圈相连接。我们暂时选第一个。1.3 XY-4型岩心钻机设计方案的确定本设计将以原XY-4型岩心钻机为基础,采用指定的设计参数计算:工作参数选择:1.升降最大起重量Pq;2.提升的速度分为:缠绕绳子的最快速度Vmax和缠绕绳子的最慢速度 V min;3.速度控制区间R;4.速度范围和平均速度。制动力分析:1.减小制动力矩;2.提高制动力矩;3.手柄上的作用力;制动衬片的热控制计算:制动时,钻具和起升系统的动能转化为热能,从而提高制动衬片和制动内圈温度。这就降低了摩擦系数,降低了制动扭矩,加剧了摩擦材料的磨损。因此,需要进行热控计算,看看是否能满足要求。以上的计算可以让我们知道升降机最大的提升能力、提升速度、制动力矩等。我们利用这些参数来确定升降机的所有部件,如主轴、中心传动齿轮、行星轴等,并绘制总装配图。之后用软件来分析该升降机性能。1.4 XY-4型岩心钻机的组成分析XY-4型岩心钻机主要由滚筒、行星传动、水冷和刹车组成。这些零件具有不同的形状特征和不同的功能,分析如下:1.4.1 卷筒卷筒是升降机的主要部件,是保证提升力和控制升降速度的装置。形状如图1.1所示:图1.1 XY-4型岩心钻机升降机卷筒卷筒由两个球轴承支撑在升降机的中间。左边是一个水套,与水套轴形成水循环。右侧部分和内齿圈由热压的方法组合而成,通过卷筒缠绕钢丝绳所需的力由这里提供。1.4.2 行星轮系为升降机设置行星传动的目的,是为了解决升降机升降时的转向问题。使用该装置的另一个原因是它具有准确的传动比、高的传动效率、稳定的传动和大的传动力矩。在选择行星传动的数量时,行星轮系的数量为3个,以避免偏心。它们安装在带有两个滚珠轴承的三个行星轴上。三个行星轴彼此成120度角,均匀地安装在两排行星轮架之间。这两个支架用滚珠轴承安装在中央设备两侧的轴承径上。行星轮系的布局如图1.2所示:图1.2 XY4岩心钻机升降机行星轮系1.内齿圈2.单列向心球轴承3.行星轮轴4.支架左半部分 5.螺栓6.弹性垫片7.支架右半部分1.4.3 冷却装置由于升降机在下降过程中是靠自身重量下降的,下降一段时间后会有很大的速度。为了减速,制动圈和抱闸摩擦会产生大量的热能。如果这些热能不及时释放,就会影响升降机正常工作。因此,水套轴处安装了水循环系统。此外,水冷也起到了水刹车的作用。1.4.4 升降机轴升降机轴是整个升降机传递能量的主要部件。上面有水套轴、卷筒等零件,还有中心齿轮。中心齿轮和升降轴由花键连接。选择花键连接的原因是中心设备必须传递大扭矩。轴的左侧套连接在水套轴的中间孔内,右侧插入分动箱的花键孔内,动力由分动箱传递到轴上。升降机轴的形状如图2.3。图1.3升降机轴1.4.5 抱闸升降机有两个停车制动抱闸器,一个是制动抱闸器,另一个是起升制动抱闸器。它的作用是通过抱住制动环制动来产生摩擦力矩,并通自身结构中产生的弹性力来释放制动器(抱闸),从而使制动器和制动环之间存在间隙。a:抱闸的原理图如图1.4所示:图1.4抱闸结构图1.手把2.棘轮3.铜套4.铜垫5.垫6.闸块7.弹簧8.螺母9.锁母 10.连杆11.顶杆螺栓12.闸带13.支架14.沉头铆钉15.销轴16.止动销17.销轴18.手把托垫19.棘爪20.销轴b: 抱闸制动工作原理:制动时,将手把向下压,将凸轮偏心厚面挤压在铜垫5上,铜垫5将两个制动块挤压在一起,并牢牢地抱住制动器。松开时,将手把向上举起,将凸轮偏心薄面挤压在铜垫5上,将凸轮的压力消除,在弹簧拉力作用下释放两个区域,形成环形,保持间隔。将棘爪19放置在棘轮上。这样配合使用棘轮和棘爪可以使抱闸制动器长时间停止,使钻具在孔内的某一位置长时间停留0。为了保证抱闸制动可靠工作,抱闸制动处于放松状态时应与制动环有正确均匀的间隙。间隙过大,制动效果慢,产生的制动力矩小,甚至制动失效;间隙过小会导致分离不完全。1.5 XY-4型岩心钻机提升机结构图及功能原理分析1.5.1 XY4岩心钻机升降机的结构图通过对升降机结构的分析和现有升降机的借鉴,我们可以看到升降机的部件组装情况和整体结构示意图。组成机构如图1.4所示。图1.4升降机结构示意图1.升降机轴2.中心齿轮3.行星轮轴4.行星齿轮5.内齿圈 6.提升抱闸7.卷筒8.制动抱闸1.5.2 XY4岩心钻机升降机的工作原理分析升降机有四种工作情况:将工具升起、驱动钻具工作、将钻具降下和对钻具等进行细微控制。1.提升钻具当升降机机将钻具升起时,抱闸6抱紧,下降制动器8解除。由于抱闸制动器的保持功能,提升环的右侧部分与行星传动键相连,形成一个整体静止,行星传动现在成为一个固定轴轮系。齿轮箱产生动力使升降机轴1工作,升降机轴1带动中心齿轮2转动,之后中心齿轮与行星齿轮4啮合;行星传动齿轮与内环传动齿轮5相连,驱动卷筒7,使钢丝绳缠绕在升降机轴上,从而实现将钻具升起的目的。2.制动钻具松开提升抱闸制动器6,下部抱闸制动器8抱紧。然后卷筒7静止,行星传动齿轮4自行旋转。同时,它带动行星轴3与提升制圈公转,升降机轴空转。3.下降钻具同时松开提升制动器6和降低制动器8。在钻具自身重量的作用下,卷筒返回,钻具释放。钻具的下滑速度可通过下滑抱闸制动松紧程度的控制来实现0。第二章 分析计算2.1 XY4岩心钻机升降机齿轮的分析计算2.1.1齿轮总传动比的确定输入轴的最高转动速度是N1=450r/min,卷筒转动的最高速度N2=160r/min;此外,如果行星传动是固定传动,如果用于提升钻具,则可以使用公式: (2.1)知: 式中:升降机的总传动比第一传动比;第二传动比;中心齿的轮齿数;行星齿的轮齿数;内齿圈的齿数。2.1.2齿轮材料的选择及热处理、精度、齿数鉴于传动功率高、结构紧凑、使用寿命长,根据成大先机械设计表6-20首先选用:3个齿轮为40MnB,表面硬度为4855HRC,齿面精度为8级,齿面为封闭式软齿面;选中心齿轮的齿数,选,则,。2.1.3按齿根弯曲疲劳强度设计1.首先设计行星齿轮和中心齿轮闭合齿轮的负载能力通常取决于弯曲强度,该闭合齿轮是根据弯曲强度设计的,并经过测试以确定接触强度。(2.2)因为载荷较大,由表查得,所以初步选择载荷系数为,由式 (2.3)计算端面重合度 ;由式,(2.4)查表得: 由式(2.5)查表得: 由表选 ,由图齿面硬度均值为51HRC,在ML线上查得:,则 取设计齿轮模数:将计算出的数值代入设计公式,求得:修正:(2.6)查表得:(2.7)(2.8)查表,选取第一系列标准模数 。所以齿轮的主要几何尺寸为:较核齿面接触疲劳强度:(2.9)查得,按不允许出现点蚀,查得:按51HRC为齿面硬度均值在MQ和ML线中得出,取 (2.10)把计算确定的数值代入接触强度核较公式,得:(2.11)2.设计内齿圈24.11kw为内齿圈的输出功率,160r/min为内齿圈转速。闭式硬齿面齿轮传动,因为它的承载能力大部分取决于弯曲强度,所以首先按弯曲强度设计,计算接触强度。由式因为载荷较大,由表查得,所以初步选择载荷系数,由上述可知齿轮的模数m=3.5,所以3.5也是内齿圈的模数。所以齿轮的主要几何尺寸为:; ;取。 校核齿面接触疲劳强度:查得,按不允许出现点蚀,查得:按齿面硬度均值51HRC在MQ和ML线中间查出,取 将刚才计算得出来的数值代入接触强度核较公式,得:接触强度满足。表2.1 齿轮的主要参数齿轮zmd(mm)(mm)dadf中心齿轮303.51057511296.25行星齿轮363.512675133117.25内齿圈843.529475301285.252.2 XY4岩心钻机升降机轴的分析计算2.2.1升降机轴的设计1.根据机械传动的总体布局,创建轴上零件的装配图。选择图2.1中的方案。图2.1 升降机轴部件分布图2.选择轴的材料轴的材料选择40Cr,它的力学性能根据表查得到,。根据表查得,。3.求输入轴的功率 、转速和转矩通过查表可知0.97为该齿轮的传动效率,则输入功率是:(2.12);。4.初步估算轴的最小轴径由公式可得,升降机轴的最小轴径为(2.13)因为花键将该轴与齿轮连接起来了,所以最小轴径应为:(2.14)升降机轴的最小部分位于其与分动箱连接的点上,其选择应根据分动箱的孔直径确定,而轴的最大部分位于卷筒支承位置上两个单独轴承的中心。应根据相关轴承和密封件选择剩余轴径。5.轴的结构设计通过借鉴杨惠民钻探设备0和冯德强钻机设计0。为了在B点定位密封,增设了一个轴肩。考虑到密封的内径,选定轴肩的直径为55mm。单列向心轴承放置在BC段。轴承内径轴的直径为60mm,长度为轴承的宽度22mm。CD段是升降机轴承的最大部分。由于该段轴的左右两侧必须放置轴承用来定位,因此选定轴的直径为66mm,长度为194mm,与卷筒的宽度相配合。DE段的直径等于BC段的直径,长度是两个支座的宽度加上中心齿轮的宽度。此外,考虑到齿轮箱是固定的,两个轴承之间应该有一个密封垫片,其长度为120mm。EF段的直径与轴承的内径相同,为50mm。长度是两个轴承的宽度和行星系统支架的宽度之和,即120mm。FG部分由与其相关联的分动箱齿轮的宽度来确定,这里选择80mm。6.确定轴上倒角和圆角尺寸倒角是245,圆角是R1.5。7.按弯扭合成强度计算由结构图可以得出升降机轴的支承距离为80mm,根据以上条件求出齿轮宽中点所在的截面的、和的值。1) 为了简化计算,将轴上的力分为两个面上的力计算。集中的力在轴的中心。反作用力的位置取决于轴承的类型和分布。2) 计算轴上的外力齿轮的圆周力:(2.15)齿轮的径向力: (2.16)径向力与原周力的合力:(2.17) 3)计算轴的弯矩水平面弯矩(2.18)垂直面弯矩(2.19) 4)计算当量弯矩图 (2.20)转矩按脉动循环变化计算,取=0.6得:(2.21)一般只校核轴上承受最大弯矩的截面的强度。根据公式(2.22)所以这根轴足够结实。5)按疲劳强度安全系数进行试验计算a:危险截面的判定危险段的位置应是弯曲和扭转、截面小、压力集中严重的地方。同一区段有多个力集中源时,应选择各应力产生的最大值。从结构尺寸、弯曲扭矩图和轴的扭矩图来看,轮轨中心的弯曲扭矩最大,且齿轮调整和花键轴引起的张力集中。下面对齿轮中点的截面进行分析 。b: 齿轮中心截面处进行疲劳强度的安全系数校核 抗弯截面系数(2.23)抗扭截面系数(2.24)合成弯矩(2.25)转矩弯矩应力幅(按对称循环变应力计算)(2.26)弯曲平均应力 扭转平均切应力(2.27)扭转平均切应力 由设计图可知由查得尺寸系数 由精车加工得:查得表面质量系数 按公式(2.28)可计算得:因为花键引起的有效应力集中系数是故得综合影响系数是 (2.29)因为齿轮轮毂与轴的过盈配合H7/r6所生成的有效应力集中系数和尺寸系数之比得(2.30)因此可得综合影响系数是 取上面的综合影响系数较大的数值,故轴的材料是40Cr,弯曲影响系数和扭转影响系数是若只考虑弯矩作用的安全系数,由公式(2.31)得:若只考虑转矩作用的安全系数,由公式(2.32)得:由公式(2.33)安全系数为如果标准安全系数为1.5,则所以这部分是安全的。2.2.2行星轴设计1.根据机械传动的总体布局,创建轴上零件的装配图。选择图2.2中的方案。 图2.2 行星轴零件部分的分布1.行星齿轮 2.单列向心轴承 3.行星轴支架2. 轴材料的选择轴的材料选择40Cr,调质处理。其力学性能由表查得。根据表查得,。 3.求输入轴的功率 、转速和转矩通过查表可知0.97为齿轮的传动效率,则输入功率是: 4.轴承的分析计算;。 (1)初步估算轴的最小轴径从公式中我们可以得到行星轴的最小轴直径。(2)轴的结构设计需要添加一个轴肩来定位一组向心轴承。考虑到单个向心轴承系列的内径,轴肩的直径为48mm。如果直径为40毫米,则放置一排径向轴承。根据轴承内径的大小,直径为40毫米,长度为16毫米。如果直径为36 mm,则为行星传动系统维护所支撑的行星推进系统的连接,长度应与行星支撑的宽度相对应32 mm。对于整个行星轴,它实际上是对称的围绕着肩膀对称。因此,确定一边的尺寸就可以了。(3)确定轴上圆角和倒角尺寸圆角是R1.5,倒角是245。2.3 XY4岩心钻机升降机1.轴承型号的选择根据屠厚泽的钻探工程手册,选择轴承型号是100360;轴承型号是1003550。2.计算轴承承受的径向载荷和将轴系部件受到的空间力分解为两个平面力系,由力分析可知:水平支反力(2.34)垂直支反力 (2.35)合成支反力(2.36)3.计算轴承的轴向载荷和等于,100000型轴承的Cr=35.2KN,Cor=24.5KN,对于10000型轴承,轴承的内部轴向力,并知。则 (2.37)由于轴承在轴向方向只有和,因此,(2.38)4.计算轴承的当量动载荷和由于 (2.39)径向载荷系数和轴向动载荷系数:轴承 轴承 轴承运转中有中等冲击载荷,取则:(2.40)5.计算轴承寿命因为则该轴承的寿命是: (2.41)寿命满足。2.4 XY4岩心钻机升降机卷筒的结构参数的确定1.钢丝绳直径和卷筒直径筒直径要取决于筒质量、筒扭矩和钢丝绳寿命这三个因素。结果表明,当卷筒直径与钢丝绳直径之比合适时,可考虑三个因素。因此,在确定卷筒直径之前,应选择钢丝绳的直径。在这种结构中,钢丝绳的直径是以16毫米确定的。由于卷筒直径越大,钢丝部分的弯曲张力越小,钢丝绳部分在工作时越不易受到损伤,从而延长钢丝绳部分的耐久性;这样滚筒的尺寸、重量和扭矩也在增加。相反,卷筒的尺寸、重量和扭矩都有所减小,但钢丝绳的受力较大,使用寿命短。对于岩心钻机,滚筒直径的适当比例是 (2.42)式中卷筒直径,mm;钢丝绳直径,mm。选用的筒直径为285mm。2.卷筒的容绳量与卷筒的长度由设计要求可知卷筒的容绳量是52m。a:缠绕层数n如果孔浅,工作钢丝绳不长,最好缠绕一层。如果孔深,工作钢丝绳长,需要缠绕多层。为了降低钢丝绳的损耗,缠绕层数一般最多取24层。在设计中n=3层。b:每层圈数Z根据公式(2.43)式中每层圈数;卷筒上钢丝绳缠绕的层数;卷筒直径;钢丝绳直径;容绳量。可以计算得圈在计算钢丝绳容量时,当降到最低卷筒上还至少还有57圈。2.卷筒长度用下面的公式计算卷筒长度。 (2.44)一般卷筒长度的选择用下面的公式:(2.45)所以卷筒长度为3.卷筒壁的厚度卷筒壁的厚度难以准确计算,只能用经验公式确定:铸造卷筒(2.46)焊接卷筒(2.47)公式中不同材料铸造的最小壁厚,mm。见表2.2。表2.2 卷筒材料可铸造壁厚材料尺寸铸造容许最小壁厚(mm)ZG35小型铸件中型铸件大型铸件610121520QT45小型铸件中型铸件346810HT1533大型铸件1520本设计中材料选用QT45,中型铸件,则;因此卷筒的壁厚是卷筒壁的厚度确定为12mm。4.卷筒边缘直径卷筒直径、缠绕绳子层数和钢丝绳直径决定了卷筒边缘直径。同时,结构也受到行星传动和制动圈的直径限制。卷筒边缘直径应比上外层钢丝绳高2-3根钢丝绳直径。即(2.48)所以卷筒边缘直径是413mm。第三章 升降机的转速、转矩特性分析3.1升降机的转速特性分析3.1.1升降机提升速度的分析钻具运动的速度是根据卷筒直径、额定功率、钻具重量和发动机转速来确定的。在考虑能力的情况下,尽量提高起升速度,但速度过快会对生产中手动操作的安全性和可靠性造成影响;在钻进过程中,起升速度慢会影响到钻进所需时间0。吊起钻具时,行星齿轮、中心齿轮与卷筒的往复运动关系如图3.1所示。钻机提升速度的计算如下:(3.1)式中升降机的提升速度,m/s;升降机的提升速度,m/s;升降机的提升速度,D=28.5cm;升降机的提升速度,d=1.6cm。图3.1 升降机提升钻具示意图图中 中心齿轮的角速度(r/min); 卷筒角速度(r/min); 行星齿轮自转的角速度(r/min); 行星轮轴公转的角速度(r/min)。a:卷筒转速n的计算计算时按照定轴轮系的传动计算方法便可。第一速:(3.2)第二速:第三速:第四速:b:升降机提升的速度根据公式可计算得升降机提升的速度是:第一速:(3.3)第二速:第三速:第四速:3.1.2分析降低钻具时,滚筒、行星传动和中心操作的往复运动关系如图3.2所示。此时,由于行星传动系统的存在,有必要将行星传动转换为一个普通的传动系统,即为行星轮系的每个旋转部分增加一个角速度-,该角速度对应于行星传动的角速度且与之方向相反0。在转换后的齿轮系中,中心齿轮和行星齿轮的传动比为:图3.2 升降机下降钻具示意图图中 中心齿轮的角速度(r/min); 卷筒角速度(r/min); 行星齿轮自转的角速度(r/min); 行星轮轴公转的角速度(r/min)。(3.3)中心齿轮与内齿圈的传动比为:(3.4)由(3.3)式得:(3.5)由(3.4)式得:(3.6)因此 所以(3.7)当 时, ,行星齿传动自身没有旋转,只是如图4.3a所示公转。当 时, ,即行星传动齿轮的旋转方向与图4.3b所示的中央传动齿轮的旋转方向相同。当 时, ,即行星齿轮与中心齿轮的转向相反,如图3.3所示。上述分析表明,行星传动的旋转方向不仅与中心传动齿轮和内环传动齿轮的转速有关,还与各齿轮的齿数有关。图3.3 升降机下降钻具时轮系运动示意图图中 中心齿轮的角速度(r/min); 卷筒角速度(r/min); 行星齿轮自转的角速度(r/min); 行星轮轴公转的角速度(r/min)。3.2升降机的转矩特性分析3.2.1升降机提升转矩特性的分析动力由升降机提供,直接输送至中心传动齿轮。中心传动齿轮的三个行星传动齿轮接连旋转0。升降机的旋转方向与中心传动齿轮为顺时针方向,因为圆柱齿轮传动的原理,内环传动的运动方向是恒定的。所以行星传动齿轮的内部齿轮箱逆时针方向旋转,从而使卷筒也朝着相同的方向旋转,即提升钻具卷筒的旋转方向0。根据设计条件,最大提升力为29.4kn;最快提速:3.13m/s;(3.8)因此需要以3.13m/s的速度提供92.02kw的输入功率,最大提升功率29.4kn。齿轮箱传动时会有损耗。齿轮损耗率为:所以升降机输入的功率是:升降机轴的功率,卷筒的功率与转矩,转矩分别是:;。3.2.2升降机下降转矩特性的分析当升降机下降时,它是由自己的重力完成的0。因此,升降机下降时的扭矩取决于下降高度和下降速度,这是一个可变值。3.3升降机的主要特性参数计算3.3.1升降机最大起重量升降机机的最大提升重量是指单绳提升时的最大提升重量,其速度取决于钩载和滑车系统的结构0。大钩载荷根据钻具在已定深度以下的最大重量确定。钩载可按下列公式计算:(3.9)式中大钩载荷;卡塞系数。它又反映了升降机的超载能力,又可称为超载系数。一般154。浅孔及大口径钻机取值较小,中深孔及小口径钻机取值较,深孔钻机取值大;额定孔深时的钻具总重;钻杆重量修正系数。接头连接1.05,接箍连接1.1;每米钻杆重量;额定孔深的钻具总长;冲洗液比重;钻杆材料比重。一般采用简化公式计算 (3.10)XY-4型岩心钻机最大钻进深度1000m,钻孔直径53mm,=4.5m/kg。 因此,钩载荷是 。升降机的最大起重能力可以根据公式确定0。在设计中,升降机的轮系统有效数量m=4,取=0.90。因此,升降机的最大起重能力为: 。3.3.2升降机的提升速度提升速度意思是卷简的卷绳速度。具体有:最高缠绳速度、最低缠绳速度、调速范围R、速度档数m及中间速度。1.速度档数m次升降机有四个速度档,所以它的速度档数m=4。2.最高卷绳速度最高缠绳速度是根据提引器的最高上升速度确定的0。(3.11)式中 提引器的最高上升速度,不同立根长度提引器的最高上升速度如表3.1。表3.1立根长度与最高上升速度的关系立根长度(m)691215以上提引器的最高上升速度(m/s)11.52.0在本设计中选用的立根长度是6m,则的大小是:XY-4岩心钻机的提升速度只有四档,则实际的最高速度是=3.13m/s。3.最低缠绳速度最低缠绳速度可用下式计算;(3.12)式中动力机额定功率,kW;动力机至卷简的总传动效率,一般取0.800.85;大钩裁荷,Kg。最低缠绳速度为:因为XY-4岩心钻机的提升速度只有四档,所以实际的最低速度是=0.82m/s。4.调速范围R及确定,调速范围。(3.13) 5.中间速度中间速度是通过下面的公式来确定的,(3.14)式中第n 个中间速度,m/s;第一速速度,m/s;升降机的速度档数;所求速度的序号。所以 ;。3.3.3 升降机的抱闸制动力的计算1.下降制动力矩在下降过程中制动钻具时,承受钻具自身重力产生的静力矩和钻具及升降系统惯性产生的附加力矩0。制动钻具所需的制动扭矩与上述两个扭矩之和相对应:(3.15)在实际计算中一般采用以下经验公式:(3.16)而(3.17)钻具安装时的制动安全系数为当动载荷系数=1.21.4时;-下放钻具时最大钩载;有效钢绳数量;滑轮系统工作效率;卷筒的计算直径,按一层钢丝绳计算,;卷筒直径; 钢丝绳直径。减少的制动扭矩值可计算如下: 2.提升制动力矩起升钻具时,所需的制动力矩取决于起升载荷的大小和起升方式0。XY-4型岩心钻机的升降机是固定轴轮驱动的提升装置,因此顶升制动力矩应为:(3.18)而(3.19)所以(3.20)其中升降机的最大起重量;缠绕三层钢丝绳的卷筒半径计算,;卷筒的计算直径;卷筒直径;钢丝绳直径。如果换成齿数,并考虑行星轮系的传动效率得:(3.21)式中中心齿轮齿数;内齿圈齿数;行星轮系传动效率。计算可以得到提升钻具时的制动力矩。3.制圈半径和制带宽度的关系根据该公式,可以确定制圈半径与制带宽度之间的关系。使用此公式,如果设置了一个值,则可以确定另一个值的大小。第四章 工程图的绘制4.1升降机的日常维护保养升降机的日常管理是确保其安全运行,操作人员用起重工具时指示灯是否正常;听到的操作声音是否和谐;从而达到预防意外发生的目的。升降机的日常保养工作如下。1.擦拭并检查升降机的外表升降机外观可以反映是否存在事故隐患,如:温度变化;壳体裂纹等。因此,经常保持升降机的清洁是非常重要的维护内容。一般来说,应该把它涂成漆见光泽铁见本色。具体要求如下:a: 升降机表面必须无泥浆、油污,零部件的相对位置必须清晰可见。升降钻具后,必须擦一次。b: 清理清洗过程中发现的漏油、漏水现象,及时查找原因,拧紧紧固件或更换异常的密封件和装置。c: 名称、标签和各种仪器必须使文字清楚、表面清洁。2.保持所有零件完好并紧固升降机在日常保养上要注意及时检查、更换破损的部件。检查并拧紧外部螺钉、螺母和其他固定件。3.监听运转声响在生产过程中,一定要听升降机各部分运行的声音,以便于发现碰撞、拉扯、擦拭等异常现象。在实际生产中,传动箱和支承轴承通常作为监控对象。4.升降机各部件的温度变化润滑不良,零件不适宜,安装位置不正确,过度加油等操作会使升降机各部件的温度发生变化,会导致发热体的温度升高。日常管理要做好升降机旋转部位的温度测定工作。并尝试使用温度计来提高监测水平。5.升降机提升能力检查升降机应在规定的额定载荷范围内具有足够的提升能力;提升钻具时,抱闸制动器与带式制动器之间不应有滑动;下放钻具时,必须可靠制动,不跳、不滑,能立即制动,确保起升过程的准确和安全。因此,在维护和检查过程中,应注意确保抱闸制动器与皮带或滚筒摩擦面之间的距离(通常为0.5-2毫米)均匀分布,以确保空绳可以轻易放下。检查平移保持机构。如果升降手柄制动牢固,需要保留足够的制动力,防止偏心轮角达到厚边的极限位置,如果未保留则作适当调整。6.升降机的润滑升降机的润滑是日常维护的主要组成部分。必须遵守润滑规定的期限、内容和要求,认真执行“五项润滑规定”。加油前选择符合标准的油质,保持油质和加油工具清洁。深孔钻进时,在制动循环结束时检查轴承的润滑状态,此时轴承易受高速、高温和润滑恶化的影响,容易使水制动转轮与调节器之间发生摩擦损伤。在钻井和使用过程中,由于缺少油,行星的传动装置和升降机的轴承经常受到损坏。喷油嘴位于齿轮和制动缸之间,很难加油。但也要按润滑规程定期定量加油。7.定期拆检升降机拆下并检查吊网,测量张力(制带生产)的磨损厚度和铆钉的嵌入深度。严重磨损部位强度大于5mm,埋深大于1mm。更换超过规定磨损的皮带,更换松动或外露的铆钉。检查抱闸制动器、闸筒和卷筒之间的接触区域面积。如果小于有效表面的80%,则制动力减小,制动效果减弱,因此必须进行调整。抱闸制动器调整可以通过调整拉杆和调整螺母来实现。在正常抱闸制动状态下,抱闸上下三角杆应处于水平位置,注意检查各牵引杆的螺纹连接和锁紧螺母的可靠性,防止牵引杆因用力过大而损坏。升降机和抱闸表面可被铆钉或砂砾等硬质物质制造沟痕或被抓住的伤口,降低刹车的粘着力。如果发现这种缺陷,就可以用直尺测量表面。如果磨损水的痕迹宽度超过整体和有效宽度的30%,沟痕深超过1毫米,则需要修理20。4.2升降机的使用要求1.升降钻具时,严禁同时按下提升和制动手柄,以免损坏齿轮。卷筒钢丝绳在使用绳索卡时,必须利用绳索侧贴合筒壁占据最小的空间。2.使用升降机操作控制油缸时,应特别注意人身和机械安全,尤其是“连拉带顶”处理孔内事故时。在钻孔工具的后部倒杆中,禁止将油缸上的顶力转移给升降机。结 论本文对岩心钻机升降机进行了设计,主要方案如下:1.对升降机类型的选择:通过升降机5种不同形式的结构分析、特征分析,选择了合理的结构作为本次设计的结构。2.两种不同行星轮式升降机的选择:同样,通过对XY-4型岩心钻机的结构分析和性能与其它结构的性能比较,以及提升机的工作环境等条件,选择了合理的结构。3.结构布局选择:根据XY-4型岩心钻机的典型结构布置,确定本设计的结构。4.升降机整体分析检查:使用现代分析软件进行技术分析和验证。本次设计中主要以现有的传统XY-4岩心钻机升降机为基础,运用正确的公式,在抱闸的手柄上用力,降低制动力,提高制动力的力矩、齿轮、轴、通过对轴承等部件的力量分析计算,并设计这些部件的大小。由于我们采用了原来升降机的配置,由于变速箱的速度在本次设计中产生了变化,所以为了应用升降机的抱闸制动器时灵敏,我们增加了齿轮的厚度,使抱闸制动时抱紧直径增加,从而使升降机能够达到四个速度。然而,这四次运行的速度并不能完全满足与实际生产中的速度需求。因此,今后将对升降机机体的液体化无级别速度变化进行深度研究。参考文献1李志继,陈荣振石油钻采设备及工艺概论M石油大学出版社,19922稽彭年钻井机械M北京:石油工业出版社,19823李海荣煤田地质钻探设备M北京:石油工业出版社,19884邱中宝升降机装置原理M北京:机械工业出版社,19775中国煤田地质总局煤田钻探工程M北京:煤炭工业出版社,19946成大先机械设计手册J北京:化学工业出版社,20027杨惠民钻探设备M 北京:地质出版社,19988冯德强钻机设计M 武汉:中国地质大学出版社,19939屠厚泽钻探工程学M北京:中国地质大学出版社,198810叶远林大型旋挖钻机关键部件的结构动力分析J吉林大学,200411武汉地质学院钻探设备设计M地质出版社,198212姚宗敏NR22型旋挖钻机桅杆有限元分析J吉林大学,200613何晓艳NR22型旋挖钻机钻挖支撑机构有限元分析J 吉林大学, 200614武汉地质学院岩心钻探设备及设计原理M武汉:地质出版社,198015华北石油学院矿机教研室石油钻采机械M北京:石油工业出版, 198016林超双速卷扬机多流传动系统动力学建模及动态性能分析J重庆大学,200217J.E.Brantly.Rotary drilling handbook.196118Drilling Manual. IADC 197419Wen H. Ko, Mehran Mehregany.199220中国煤田地质总局钻探设备使用与维护M北京:机械工业出版社,199645致 谢本次
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