1、毕业设计（论文）专 业： 机械工程及自动化摘 要当前，岩心钻机升降机主要使用定轴式行星轮系升降机，本文就是在已有的定轴式行星轮系升降机的基础上，设计出能够实现设计要求的四档提升速度的升降机。在设计过程没有改变原有的升降机零部件的位置关系，但由于，传动比以及传动速度的不同，所以，通过受力分析计算，加大了行星齿轮、中心齿轮、内齿圈的厚度；同时也加大了抱闸抱紧时的抱紧半径。利用先进的现代软件分析，就能发现，通过计算分析所获得的结论是正确，也就是说，本文所设计的升降机能够实现所要求的提升速度。AbstractAt present, rock driller elevator mostly betake
2、s fix-shaft planet-wheel system elevator. This article tends to design a new system with 4-level elevating speed which could realize the design demands on the basis of existing fix-shaft planet-wheel system elevator. In this article , instead of changing the ubiety among the parts of the original el
3、evator , the author keeps on using the original structure. However, because of the differences of the transmission ratio and speed, the author enlarges the planet gear, solar gear , thickness of the inner circle ring as well as the enclasping radius of the enclasping brake through the mechanical des
4、ign and calculation .By the advanced modern soft-ware analyse ,we can see that the conclusions acquired by the analyse are correct , i.e. this article succeeds to satisfy the demanding elevating speeds.I目 录引 言 .1第一章 概述 .31.1 XY4 岩芯钻机的发展历史 .31.2 XY4 岩芯钻机的发展的主要决定因素 .41.3 钻探设备发展的趋势 .41.4 钻机分类 .6第 2 章 设
5、计总论 .72.1 XY4 岩芯钻机升降机的功用、设计要求及设计条件 .72.1.1 XY4 岩芯钻机升降机的功用 .72.1.2 XY4 岩芯钻机升降机的设计要求 .72.1.3 XY4 岩芯钻升降机的设计条件 .72.2 XY4 岩芯钻机升降机类型的确定 .82.3 XY4 岩芯钻机升降机的设计方案的确定 .92.4 XY4 岩芯钻机升降机的组成分析 .92.5 XY4 岩芯钻机升降机结构示意图与工作原理分析 .132.5.1 XY4 岩芯钻机升降机的结构示意图 .132.5.2 XY4 岩芯钻机升降机的工作原理分析 .14第 3 章 分析计算 .163.1 XY4 岩芯钻机升降机齿轮的分
6、析计算 .163.1.1 齿轮总传动比的确定 .163.1.2 选择齿轮材料和热处理，精度等级，齿轮齿数 .163.1.3 按齿根弯曲疲劳强度设计 .163.2 XY4 岩芯钻机升降机轴的分析计算 .213.2.1 升降机轴的设计 .213.2.2 行星轮轴的设计 .293.3 XY4 岩芯钻机升降机轴承的分析计算 .30II3.4 XY4 岩芯钻机升降机卷筒的结构参数的确定 .33第四章 升降机的转速、转矩特性分析 .374.1 升降机的转速特性分析 .374.1.1 升降机提升速度的分析 .374.1.2 升降机下降速度的分析 .394.2 升降机的转矩特性分析 .414.2.1 升降机提
7、升转矩特性的分析 .414.2.2 升降机下降转矩特性的分析 .424.3 升降机的主要特性参数计算 .424.3.1 升降机的最大提重量 .424.3.2 升降机的提升速度 .444.3.3 升降机的抱闸的受力计算 .46第 5 章 工程图的绘制 .495.1 总装配图的绘制 .495.2 部件图的绘制 .495.3 零件图的绘制 .49第 6 章 升降机的使用与维护 .506.1 升降机的日常维护保养 .506.2 升降机的使用要求 .52第 7 章 对升降机进行有限元分析 .537.1 运用 CATIA 进行升降机的建模 .537.2 运用 CATIA 中的 GENERATIVE STR
8、UCTURAL ANALYSIS 分析 .53第 8 章 结论 .63致 谢 .64参考文献 .651引 言升降机是钻机的主要执行机构之一。在钻孔的全过程中，其主要作用是升降钻具，另外，还有升降套管，一定条件利用升降系统悬挂钻具、进行快速扫孔、采用主动钻杆控制减压钻进、利用升降机强力起拔处理孔内事故等作用。升降机升降工序所占时间比例甚大，并且随孔深而增加，一般约占工作时间的 1/31/2。升降机的完善程度，必然明显的影响钻探的效率、钻探质量、生产的安全。因此，对钻机的升降机进行设计和性能分析是非常必要的。 直至目前，工程人员所设计的升降机按传动方式可分为：胀闸传动式、锥摩擦传动式、片式摩擦力合
9、器传动式、液压传动式、行星轮传动式 5 类。而这 5 类升降机各自有各自的特点：锥摩擦传动式升降机结钩比较简单，易损件少、结实耐用、但传动效率小，两摩擦锥面易进入泥浆、油污等，工作可靠性较差。只有少数窃孔及次深孔钻机使用。片式摩擦力合器传动式升降机传动较锥摩擦式平稳，传动同样功率时结构尺寸较锥摩擦式小，但结构较锥摩擦式复杂，更换离合器片不太方便。液压传动式升降机可以实现无级调节升降机的速度和远距离自动控制，而且升降机结构大大简化。不足之处是液压马达要求加工、装配精度高、不便野外修配。行星轮传动式升降机与摩擦传动式相比，在尺寸相同时，能传递较大功率以及获得较大的传动比；传动效率大；结构紧凑，传动
10、平稳，操作灵活。从这 5 中升降机的使用和研究情况来看，前 3 中升降机已经被淘汰，最后一种为目前应用最为广泛的升降机，但从长远的角度看，能实现无级调速和远程控制的液压传动式升降机将是将来的主要发展方向。本文将在已知参数的基础上，通过对升降机转距特性及转速特性和升降机特性参数的计算，从而设计升降机模型。并应用分析软件对其进行仿真、验证。这样，就可以清楚升降机的转距特性及转速特性，并且获得升降机的特性参数。则工作人员就不可能在已知升降机特性的前提下，出现超载工作的现象，就可以减小事故的发生，保障了人生安全和财产安全。另外，利用这种设计方法，将升降机在各种工况下的特性进行综合，改进现有的升降机。第
11、 1 章 概述2第 1 章 概述1.1 XY4 岩芯钻机的发展历史钻机是向地下钻孔的机器，是完成钻进施工的主机，它带动钻具和钻头向地层深处钻进，并通过升降机完成起下钻具和套管，提取岩心，更换钻头等辅助工作。泵的作用是向孔内输送冲洗液以冲洗孔底，冷却钻头和润滑钻具。它广泛应用于国明经济的许多部门，它是从事各种钻探施工必不可少的主体设备。钻机的发展有手把式钻机、机械传动、液压给进的钻机和全液压钻机之间的三个发展阶段。第一阶段是以手把式钻机为代表的，1862 年，瑞士设计制造了世界上最早的手动操作立轴钻机，起钻头是金刚石钻头；1899 年出现了钢粒钻进，代替了金刚石钻进；1916 年硬质合金也用于钻
12、探，产生了合金钻进。随着这两种钻进方法的采用，相应地出现了荫芽状态的立轴式回转钻进钻机，这种钻机后来发展成性能比较完善的手把给进式钻机。刚开始的钻机动力由人力驱动，只能为低速，升降机为摩擦式的，这种钻机在发展到四、五十年代，这种钻机的结构与性能比较完善；我国解放初期，为解决地质勘探工作急需引进部份这类钻机，随后又大量仿制，其代表型号为 XB300、 XE5DD 及 XBI 000A 型等。第二阶段是以机械传动、液压给进的钻机为代表的，四十年代中期，随着科技的发展钻机也高速发展，出现了新的金刚石钻头，另外，液压技术也广泛的发展与应用。在这种条件下，产生了机械传动、液压给进的钻机，50 年代以后，
13、适合于金刚石钻进的机械传动、液压给进的钻机有了进一步发展。我国解放初期，进口手把钻机的同时，也进口了机械传动、液压给进的钻机，1958 一 1962 年完成了从仿制到自制的过渡阶段，从 1962 年以后，就开始了系统的设计与制造工作。第二阶段是全液压钻机为代表的，六十年代以后，金刚石钻进工艺又有新的发展，同时液压技术本身又有了发展，这些因素，构成了全液压钻机产生的条件。因此，在大约在六十华代末至七十年代初期，这种与传统钻机结构完第 1 章 概述3全不同的钻机产生。我国六十年代初已开始研制全液压传动式钻机，七十年代，我国全面地开展了研制工作。1.2 XY4 岩芯钻机的发展的主要决定因素第一个因素
14、是：它随着钻探方法和钻探工艺的发展而变化的。和其他技术发展史一样，钻探技术最初的发展是人与自然斗争的结果。我国是世界上最早使用钻探技术来开采地下岩盐的，早在秦代(公元前 221207年间)就用钻井方法开采井盐。这一项技术发明目前仍为世界上所公认。但是最早采用的是绳索取心方法，其钻进过程不是连续的，即不能采取连续的岩心，只能打垂直的孔，因此不能满足地质勘探的要求。在十九世纪中后期出现了能连续取心的迥转式钻机，这种钻机钻进效率和地质效果远比原始绳索取心钻进优越，因而，很快地在地质岩心勘探工作中迥转钻进占了主导地位。随着钻进工艺的发展，岩心钻机便必须进行一系列的演变。如果将目的较为新式的液压动力头式
15、钻机和五十年代的手把式钻机相比较则无论在外观上，结构上、技术参数上迥然不同。第二因素是随着冶金工业、机械制造业、电子工业的发展，钻探设备也相应地起着变化。钻探设备的结构原理与设计要求，除了自身地质工作要求的特点外，还必然地要大量采用机械工业上通用的传动副、标准件，如各种传动机构、各种液压元件等。冶金工业的发展提供了轻质高强度的原材料，使设备更趋于结构紧奏体积缩少；电子工业的发展，使钻探设备的测试手段仪表化、自控化。目前在国外钻探设备产品的更新换代十分迅速，其主要原因是零部件绝大多数采用标准件一部新钻机的设计，只要根据设计要求，提出方案完成技术设计阶段后，工作草图设计量并不大，可以大量选用其它公
16、司出品的性能完善的标准件，进行组装，因此新机型的试制周期很短。而由于大量采用专业化生产的标准件，组装后的整机质量得以保证，互换性、通用性也良好。1.3 钻探设备发展的趋势美国机械传动液压给进立抽式钻机约占 98，全液压动力头钻机仅占2。可见，现阶段机械传动液压给进钻机在大量的使用而全液压动力头钻机处于发展阶段。国外立轨式钻机，为了缩炽升降和辅助正序，采用自动倒杆，加第 1 章 概述4长立轴行程等措施。由于绳索取心钻进广泛地发展，在钻机上增加了绳索绞伞装置。升降机在结构原理方面变化较小，仍以圆柱齿轮式结构(个别为圆锥齿轮)，个别钻机的卷筒带有摩擦离合器，比较现代化的钻机升降手把采用液压控制，并以
17、手动把作为备用；在中深孔及深孔钻机采用水刹车以及加速提升和下降的提引装置。在传动及变速系统方面，变速箱速度有增加的趋势，有的钻机作了改进，即在变速箱输入端，增设传动减速箱，引入两个系列的速度，以便更能适应各种钻进方法；也有的采用快速更换传动链轮副、更换传动齿轮或更换大批量齿轮以扩大变速箱的速度范围。为了增加设备的机动性，减少安装迁移的时间，装设在轻、重汽车和拖拉机上的自行式钻机目前使用的很广泛。车裁式的钻机其类型往往就是地表固定式标准钻机，动力采目汽车和拖拉饥的发动机，也可以采用独自的动力机。桅杆可用液压缸竖起，采用一前二后的三个液压千斤顶稳定钻机，这种钻机有的深度达 1000 多米。值得注意
18、的是，国外坑道内岩心钻机的种类较多。例如压气传动式、螺旋给进式和液压动力头式的钻机应用于坑道内钻探。坑道钻的发展它可节省大量钻探进尺而取得预期的地质上和经济上的效果。目前，我国对这方面的工作还重视不够、急待发展。近年来“一机多用也是发展趋势之一。如英园设计的钻机是液压驱动动力头式车裁自行式设备，可用于岩心钻进，能采用空气、泥浆洗井；亦可采用潜孔锤钻进。由于是车载式能局速行驶，也适合山区、丘陵币值路不平的地方行驶。钻探设备发展另一趋势是操作自动化、机械化程度提高。由于电子技术在钻探工作中的日益广泛应用，可以用各种电子仪表控制，以进一步使钻进工作程序化来自动调节与控制最优参数钻进。目前已达到将各种
19、操作手把集中进行液压操作使之联动化、程序化。升降工序机械化已作为钻机部件的一部分。利用传感装置将并底压力、泵量泵压、转数扭矩、瞬时进尺速度、过载警报等信息集中在操作台上自动显示、自动记录，由电子计算机处理数据，变成指令自动控制与调整钻进参数，这在石油钻探设备上巳投入正式使用，在岩心钻探上也有某些仪表与程序初步可以来用。1.4 钻机分类按用途分类：岩心钻机机组、水文水经钻探机机组、工程地质钻机机组、工程钻探机组、取样钻机机组、地热钻探机机组、探钻机机组、坑道钻机机组、第 1 章 概述5石油钻机机组、砂矿钻机机组，等等。第 2 章 设计总论6第 2 章 设计总论2.1 XY4 岩芯钻机升降机的功用
20、、设计要求及设计条件2.1.1 XY4 岩芯钻机升降机的功用钻机的升降机有主升降机和副升降机之分：主升降机用于升降钻具和套管；副升降机可用于起吊其它管材或重物，打捞绳索取心钻具内管，升降捞砂简、取土器等。2.1.2 XY4 岩芯钻机升降机的设计要求由于钻机的升降机在在钻探的过程中，工作时间长，其性能的好坏，直接关系到钻进的效率钻孔的质量和生产的安全，因此升降机要满足以下要求： 在满足升降机工艺要求的前提下，应能最大限度地降低升降工序的机动时间和充分提高功率利用系数。 要求升降机的结构与强度具有一定的超载能力。 操作方便、动作灵敏、平稳、劳动强度小、工作安全可靠，现代钻机应考虑操作远离钻机本体，实现远距离手柄或按扭操作。 结构简单。2.1.3 XY4 岩芯钻升降机的设计条件 输入轴转速（r/min）：约 450、约 310、约 217、约 117； 卷筒转速（r/min）：约 160、约 110、约 78、约 42； 最大提升能力：29.4KN； 卷筒直径：285mm； 钢绳直径：16mm； 卷筒容绳量：52mm； 提升速度：0.82、1.51、2.16、3.13。
