《岩土钻凿设备》：钻机结构原理.ppt

1,第二篇 钻机的结构原理,在对各种类型的单个钻机有了一定的了解的基础上，进一步深入了解钻机的总体结构原理，各个主要部件的类型、特点与适用条件；了解钻机设计与加工的一般知识是评价、选择、使用设备的理论基础,2,第一章 钻机的机械传动系统 第一节 机械传动系统的功用及要求,（1）完成动力机到钻机各工作机构的动力传递，切断和接通钻机的动力； （2）机械传动系统能够变速变矩； （3）合理分配动力，改变运动形式和运动方向，满足钻探工序和钻进工艺的要求； （4）能够实现柔性传动和过载保护 （5）完成其他需要的传动，如驱动转速表等一、机械传动系统的功用,3,二、对机械传动系统的要求（1）各项参数和性能要满足钻探方法和工艺的要求，即保证转速、扭矩、调速范围、速度挡数和负荷等方面的要求 （2）应具有较高的传动效率，减少无用功率的消耗 （3）工作安全可靠，操作方便省力 （4）便于拆装、维修，且易于保证装配精度 （5）结构简单，便于加工制造，成本低4,第二节 确定钻机机械传动系统的步骤和原则,一、拟定机械传动系统的一般步骤 （1）根据钻进和升降钻具的要求，确定回转器和升降机的转速，包括最高转速、最低转速、调速范围、速度挡数及各中间速度。

（2）选择传动方式和动力机 （3）初步拟定钻机的机械传动系统，确定各传动链的总传动比，并进行总传动比分配；确定和选择传动机构的类型；确定传动轴的数目、传动齿轮的数目；选配各齿轮的齿数，安排各齿轮在传动轴上位置等 （4）绘制机械传动系统图5,二、确定机械传动系统的原则 （1）动力机接近工作机构的转速与作特性，以简化机械传动系统尽量使用电动机，无电的地区用柴油机 （2）将总传动比分解为分传动比时，应根据传动副“前多后少”，传动比“前小后大”的原则分配遵循：i1 < i2 < i3 <···< in 的原则，亦既将大的传动比放在后面的变速组中，以免过早地加大变速组构件尺寸 （3）在确定升降机的转速时，充分利用动力机的功率和减少提下钻所用时间对于回转器的转速，主要应以满足钻进方法和钻进工艺的需要为原则在保证升降机和回转器工作的前提下，其调速范围不宜过大，速度挡数也不宜过多，以免造成变速机构复杂6,（4）尽可能减少传动轴和传动副（尤其是锥齿轮传动副）的数目，缩短传动链长度，简化传动系统结构和提高传动效率 （5）适当减小最小齿轮齿数使结构紧凑，减小整机质量和尺寸 （6）在确定每一齿轮传动副的传动比时，如果为降速传动，应使降速比小于4；如果为升速传动，则升速比应大于0.5。

过大的降速比将导致结构尺寸增大及齿数增多；过小的升速比则使被动齿轮的圆周速度大增，加剧被动齿轮的磨损7,（7）为保证钻机停机时，钻机的液压系统能正常工作，油泵传动链应设在钻机主离合器之前 （8）为了简化传动系统结构，提高齿轮的利用率，在条件许可的情况下，尽可能采用较多的公用齿轮，即同一齿轮可分别与其他两个或两个以上的齿轮啮合，传递不同的速度8,第二章 钻机的摩擦离合器,第一节 摩擦离合器的功用和要求 摩擦离合器离合平稳、结构紧凑、使用灵便，被机械传动钻机广泛采用 一、摩擦离合器的功用 （1）依照工作的需要使钻机接通或切断动力； （2）可保证动力机空载启动，并使钻机平稳进入工作状态； （3）钻机换挡或完成孔内特殊工序（如套取岩芯、扭断岩芯等）时，由离合器进行微动操作； （4）孔内情况异常，利用摩擦片打滑限制转矩，具有过载保护作用9,二、摩擦离合器的设计要求 （1）依照钻进工艺的要求传递足够的转矩； （2）接合平稳，分离迅速彻底； （3）尽量减小从动件的转动惯量，以缩短换挡时间和换挡时齿轮的冲击； （4）要有良好的散热条件，保证不致因热量的积累和瞬时剧烈发热而影响离合器工作性能或烧伤摩擦片工作面； （5）摩擦零件耐磨性能好，磨损后易于调整和更换； （6）结构简单，操纵轻便。

10,第二节 摩擦离合器的类型与工作原理,一、摩擦离合器的结构类型 组成：主动部分、从动部分、压紧调整机构和操纵机构四个组成部分 1．摩擦片工作条件分：干式与湿式两种 干式离合器： 摩擦片为压制石棉板， 工作于空气中，散热条件好； 摩擦片的摩擦系数大，片数少（一般小于3片）； 结构简单，调整方便 摩擦面许用比压较小，结构尺寸较大一般用于轻便或低功率钻机上11,湿式离合器： 摩擦片工作于油浴中， 摩擦片为铜片， 摩擦系数稳定，结合平稳，动载荷小； 摩擦片工作条件好，磨损小，寿命为干式的5~6倍 摩擦系数小，只有干式摩擦片的1/3~1/4 由于摩擦片数多，摩擦面许用比压大，扭矩相同时，结构尺寸小 工作条件要求高，结构复杂，调整不便用于深孔或大功率钻机使用湿式摩擦离合器,12,2．按摩擦片数 按摩擦片数分为：单片、双片和多片式 片数多少的利弊比较： 单片式脱开时易获得保证彻底分离所需的间隙，多片式分离彻底性较差； 单片式散热性好，多片式夹在中间的摩擦面散热条件较差，容易产生过热现象 多片式具有较小的径向结构尺寸，但轴向结构相对复杂一些； 多片式启动比单片式平稳13,3．离合器压紧机构的结构和原理按结构原理摩擦离合器分为： 常闭式，即弹簧压紧式； 常开式，又称杠杆压紧式。

14,二、摩擦离合器的工作原理 1．弹簧压紧式摩擦离合器工作原理(常闭式),（a）工作状态 （b） 离开状态图 2‐2 弹簧压紧式离合器工作原理 1．输入轴；2 ．主动盘；3．滑套；4．杠杆；5．弹簧；6．螺栓；7．压力盘；8．从动盘；9．输出轴,B,A,B,O,O,A,15,2．杠杆压紧式摩擦离合器工作原理(常开式),O,O,B,A,B,A,（a） 工作状态 （b） 离开状态图 2‐3 杠杆压紧式离合器工作原理图 1．输入轴；2．压紧滑块；3．杠杆；4．压紧盘；5．主动摩擦盘；6．从动摩擦盘；7．弹簧；8．主动盘9．输出轴；10．槽圈,16,3．接合与分离过程分析 结合阶段：从动件从静止加速到主动件的转速，工作不稳定从动盘与主动盘盘间存在相对滑动，磨损摩擦片，拌有发热现象 运动稳定阶段：盘片间贴合紧密，主、从动盘角速度相等，盘片间没有相对滑动只要外阻力矩不大于离合器的额定扭矩，盘片间不会相对滑动；进入稳定工作阶段 离开阶段：从动件从稳定回转逐渐减速到完全静止，也处于不稳定状态。

此时，从动件角速度又逐渐低于主动件角速度，片间出现相对滑动，摩擦片磨损、发热，程度较结合阶段稍轻17,4．两类摩擦离合器的比较 （1）弹簧压紧式摩擦离合器： ①轴向压紧力产生于弹簧张力，摩擦力矩能有效地控制在设计范围，可以稳定地限制扭矩，起过载保护作用； ②摩擦片磨损造成间隙的微略增量，可由弹簧伸长补偿，摩擦力矩减小不多，因此工作时无需经常调整； ③操纵装置较复杂，为离合可靠，不跑挡，必需装安全定位销； ④离开时，要压缩弹簧，操作费力，难以平稳；结合时，操作手柄上存在很大弹力，甚至伤人18,（2）杠杆压紧式摩擦离合器： ①结构简单，离合平稳，操作省力； ②轴向压紧力来源于杠杆施加的压力，扭矩不够稳定； ③摩擦片磨损后，要经常调整摩擦面间隙，以便恢复所传扭矩19,三、摩擦离合器参数 1．摩擦离合器所需传递的最大扭矩,,,式中：Ne—— 动力机的额定功率，kW;ne-- 动力机的额定转速，r/min;—— 储备系数，1.25~2.5；联合驱动，采用弹簧压紧式离合器，取1.25~1.5；单独驱动，采用杠杆压紧式离合器，取1.5~2.520,2．摩擦力矩,,,D Rc d,Q,式中： Me——动力机的额定扭矩，N·m Q——轴向压紧力，N； f ——材料的摩擦系数； m—— 摩擦面数；D—— 摩擦面有效外径，m；d— 摩擦面有效内径，m；,,,摩擦半径,21,3．所需的轴向压紧力Q,,,4．摩擦片的主要参数,表2-1 不同材料之间摩擦系数一览表,22,第三章 钻机的变速箱和分动箱,第一节 变速箱及分动箱的功用与要求 一、变速箱及分动箱的功用 （1）变更回转器与升降机等的转速与转矩； （2）为回转器提供反转； （3）分配动力，将动力输送给回转器或升降机等，或使两者同时动作。

23,二、对变速箱和分动箱的要求 （1）变速箱的转速系列应符合回转器、升降机及其他工作机构的工作要求，使钻机具有良好的经济性和较高的生产效率； （2）分动箱应根据钻进工艺情况实现工作机构的分动或联动，对于中、高速钻机，可以在分动箱内实行变速和扩大速度挡数，以满足钻进工艺要求； （3）为处理事故或拧卸钻杆，应在变速箱或分动箱内设倒挡； （4）工作可靠，结构紧凑，操作平稳，制造与维修方便； （5）可拆性好，寿命较长，传动效率高24,第二节 变速箱和分动箱的组成与结构型式 组成：变速部分、分动部分、操纵部分、箱体 一、变速箱的结构型式 按照速度挡数：三速、四速、五速变速箱 按照结构形式： a. 简单的两轴一级传动变速箱（结构简单、零件少） b. 三轴两级传动跨轮机构变速箱,25,,两轴一级传动变速箱 三速变速箱 31,至分动器,Ⅰ,Ⅱ,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,至升降机,至回转器,26,1．跨轮机构变速箱的特点 与二轴一级传动变速箱相比其特点是： （1）输入轴与输出轴同在一条轴线上，在同样两根轴线的空间内，安排了两个变速组，构成两级传动，能取得较大的降速比和调速范围，减轻了后续传动的降速任务，有利于从总体上减轻钻机的尺寸与重量； （2）输出轴可获得一个直接由输入轴传入的转速； （3）变速箱结构紧凑，尺寸小； （4）由于跨轮变速机构的输入（或输出）轴支撑在输出（或输入）轴端头的齿轮内，其结构与受力情况要复杂一些。

27,2．跨轮机构变速箱的种类 三轴二级传动跨轮变速机构用于立轴式钻机的 有： 三速 四速 五速,图 2‐7 四速变速箱,,,幻灯片 31,28,二、变速箱的参数 1．最高转速( 1500~2000或1450~1460 r/min) 影响变速箱最高转速的因素有： ①动力机的转速； ②输入传动方式及其降速比； ③变速箱的结构形式 最高转速低，变速箱的尺寸与重量增加 2．最低转速 决定于： ①工作机构的最低转速； ②工作机构的传动比； ③分动箱的结构与传动比 ④总传动比的分配情况29,3．调速范围R三轴两级传动变速箱，其每级传动副的极限降速比一般应小于4尽管跨轮机构变速箱的最大降速比可达16，但是为使变速箱尺寸与重量不致于太大，实际上两级传动的总降速比只取4~530,4．挡数与速比 变速箱挡数确定依据： （1）工作机构所需的速度挡数； （2）副变速箱或分动箱的速度挡数 通常变速箱的速度挡数只取3~5挡 中间速度大小（速比）确定，通常有三种排级方式： ①按等比级数（或双等比级数）； ②按等差级数； ③按不规则转速数列排级，任意相邻两转速的速比不同31,三、分动箱结构 （一）分动箱与变速箱的总体结构关系 1．变速箱与分动箱合成一个整体 幻灯片 25 2．变速箱与分动箱各自独立 27 （二）分动部位 1．上方分动 回转器与升降机在同一轴线上，如图2-7 27 。

这种布局，有利于分动箱内增设变速组，扩大调速范围，增加速度挡数 2．下方分动 回转器传动直接或间接从变速箱输出轴端引出，如图2-6 25 回转器部位较低，能使钻机重心降低，操纵手柄集中；但分动箱内易变速32,第四章 钻机的回转器,第一节 回转器的功用、要求和类型 一、回转器的功用及钻进工艺对回转器的要求 功用：将回转钻进所需的转矩和转速传给钻具，驱动钻具回转运动；与其他装置配合，完成钻杆的拧卸工作 满足钻进工艺的要求： （1）回转器的转速和转矩应满足钻进工艺的需要要求回转器的转速和转矩是可调的，调节的范围与钻机所采用的钻进工艺相适应； （2）回转器具备1～2挡反转速度，满足孔内处理事故及特殊辅助工作的需要； （3）回转器能改变输出轴的轴线方向，并具有良好的定向和导向性能，以保证钻孔的设计倾角； （4）回转器的通孔直径符合所需机上钻杆、取芯器及粗径钻具的直径要求； （5）回转器应回转平稳，振动小，噪音小。