【文章內(nèi)容簡介】 中回擴鉆頭剛進入土壤的時候。 根 據(jù)文獻 [45t]鉆桿摩擦阻力矩具體計算公式： 21 2T r Lf?? 式中 ： 1T — 鉆桿最大摩擦阻力矩； r — 的回轉(zhuǎn)半徑，取值為 73/2mm，即 L — 長度，取值為 400m f — 阻力，取值為 1kN/m2 代入數(shù)據(jù)可以求出鉆桿在土壤中回轉(zhuǎn)時的最大摩擦阻力矩 1 ? 。 （ 2）刀盤阻力矩計算 刀盤阻力矩與刀盤半徑及土壤抗剪強度有關，根據(jù)文獻【 45t】得到其計算公式如下： 32 23 fTr??? 式中： 2T — 所受到土壤對其的阻力矩 r — 半徑，為所鋪設管線半徑的 倍，管線半徑為 300mm f? — 的抗剪強度，不同地質(zhì)土 壤的抗剪強度見表 21 所示。 根據(jù)公式，代入數(shù)據(jù)，可以求得水平定向鉆機在硬 堅硬粘土中回拖作業(yè)時受到的刀盤阻力矩 2 ? 表 31 各種地質(zhì)中土壤的抗剪強度 地質(zhì)類型 f? （ kN/m2） 地質(zhì)類型 f? （ kN/m2） 致密砂層 4047 粉砂層、淤積層 235 中等致密砂層 2403 軟 硬粘土 368 砂礫石層 5275 硬 堅硬粘土 1782 軟巖、 固結(jié)土 10069 松散砂層 1063 （ 3）最大回轉(zhuǎn)扭矩 動力頭的回轉(zhuǎn)扭矩為在一定安全系數(shù)的前提下鉆桿摩擦阻力矩與刀盤阻力矩之和，具體公式如下： ? ?12T K T T?? 式中： T— 動力頭的最大回轉(zhuǎn)扭矩 1T — 鉆桿摩擦阻力矩， 2T — 刀盤阻力矩， 湘潭大 學本科畢業(yè)設計說明書 K— 系數(shù) ， 可取 — 代入數(shù)據(jù)，可以求得動力頭的最大回轉(zhuǎn)扭矩為 。 根據(jù)算得的最大推進力 200kNF? 和最大回轉(zhuǎn)扭矩 1 ? ，對比國內(nèi)外各種不同型號的水平定向鉆機的參數(shù)，可以類比得到本水平定向鉆機的最大推拉力時進給速度 ? ，動力頭最高回轉(zhuǎn)速度 150r/minn? 。因此，本次設計的水平定向鉆機動力頭參 數(shù)如表 32。 表 32 動力頭主要技術(shù)參數(shù) 最大回拖力 （ kN ） 最大回轉(zhuǎn)扭矩 （ ） 最大推拉力時進給速度 （ m/min ） 最大回轉(zhuǎn)速度 （ r/min ） 200 150 動力頭零部件選型與設計 液壓馬達的選型 根據(jù)前面章節(jié)對動力頭結(jié)構(gòu)的研究，本文采用動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由 4 個相同的液 壓馬達驅(qū)動。根據(jù)最大回轉(zhuǎn)扭矩等數(shù)據(jù)可以求得單個液壓馬達的輸出扭矩，計算公式如下： 0 4rrTT i?? 式中： 0T — 液壓馬達的輸出扭矩 T — 最大回轉(zhuǎn)扭矩， T = ri — 的傳動比， ? r? — 為 ? ? 代入數(shù)據(jù)求得單個馬達的輸出扭矩 0 ? 根據(jù)液壓馬達的輸出軸扭矩，可以計算馬達的排量，具體計算公式如下： 02gmmTV p??? 式中： gV — 的排量 0T — 液壓馬達的輸出扭矩， 0 ? mp — 的工作壓力， 17MPamp ? m? — 效率， ? ? 湘潭大 學本科畢業(yè)設計說明書 代入數(shù)據(jù)求得馬達的排量 ? 由于動力頭的最高轉(zhuǎn)速度為 r150min ,，折算到液壓馬達輸出軸上的轉(zhuǎn)速為1 5 0 2 .4 3 3 6 4 .5 / m innr? ? ? ，即液壓馬達的最高轉(zhuǎn)速不應低于 r370 min 。 由上述計算可知，所選的液壓馬達排量不得小于 ，最大輸出扭矩不得小于 ，最高轉(zhuǎn)速不得小于 370r/min。液壓馬達的常用類型有：齒輪馬 達、柱塞馬達、擺線馬達、多作用內(nèi)曲線馬達、五星馬達等。通過對比可知，擺 線馬達為中小功率低速大扭矩馬達且其 可靠性好、效率高、壽命長、噪音低、用途廣等特點 。故選用 BM4W— 320 型擺線液壓馬達，技術(shù)參數(shù)表 3— 3所示： 表 3— 3 BM4W— 320 型擺線液壓馬達技術(shù)參數(shù) 型號 排量 ml/r 最大壓降 Mpa 最大扭矩 轉(zhuǎn)速 r/min 流量 L/min 功率 KW 重量 Kg 連續(xù) 尖峰 連續(xù) 尖峰 BW4W320 20 28 902 1322 7 —380 125 發(fā)動機選型與計算 根據(jù)馬達輸出功率的計算公式： 9549TnP? 式中： T— 馬達輸出扭矩； n— 馬達轉(zhuǎn)速； 對于動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，馬達的計算用動力頭老替代，可以得到回轉(zhuǎn)系統(tǒng)所需要的出 入功率，即 m ax N .mTT?? ， r150 minn? ,回轉(zhuǎn)系統(tǒng)總效率 ? = 則 1 9549TnP ??=174KW。 根據(jù)運動學上功率的定義，可以計算出動力頭推拉系統(tǒng)所需要的輸入功率，P=FV，此時動力頭最大推拉力 max 200kNF ? ， 推進速度 V=， 該系統(tǒng)總效率 ? =，則 2P? maxFV?= 綜上所述，動力頭液壓馬達驅(qū)動系統(tǒng)所需要的輸入功率： 12P P P??=198KW。 由于水平定向鉆機在工作時是由泥漿泵和動力頭液壓驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)合工作，故考慮湘潭大 學本科畢業(yè)設計說明書 到泥漿泵的需要，發(fā)動機選用重慶康明斯 NTA855— GA，該發(fā)動機的計算參數(shù)如表 3— 4 所示： 表 3— 4 重慶康明斯 NTA855— GA 發(fā)動機參數(shù) 發(fā)動機型號 機組型號 功率（ KW） 缸數(shù)及類型 缸徑 ?行程 壓縮比 排氣量（ L） 燃油消耗（ 1/h） NTA855— GA GF200 231 6 缸直列 140? 152 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)齒輪設計 、精度等級、材料及齒數(shù) （ 1）選用直齒圓柱齒輪傳動； （ 2）選用 7級精度（ GB10095— 88）； （ 3）選擇小齒輪材料為 40Cr （調(diào)質(zhì)）， 齒面硬度為 280HBS；大齒輪選用 45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度為 250HBS； （ 3）選用小齒輪齒數(shù)為 1 21Z? ，齒數(shù)比 u=，故大齒輪齒數(shù)為： 2 51Z? 按式計算小齒輪分度圓直徑： ? ? 21312 1 EHdHZ Z ZKT udu ??????? ? ? ???? 確定各參數(shù)值： （ 1）載荷系數(shù) K=； （ 2）小齒輪傳遞的扭矩 1T = 10? ； （ 3）齒寬系數(shù) d? =( 1) ai ?? ，取 a? =，則 d? = （ 4）材料彈性影響系數(shù) MPaEZ ? ； 區(qū)域系數(shù) ? ； （ 5）重合度系數(shù)，因12111 .8 8 3 .2 ( ) 1 .6 7t ZZ? ? ? ? ?， 則可得 4 3 tZ? ??? ? （ 6）許用應力，查圖可知： lim 1 770MPaH? ? ， lim 2 610M PaH? ? ； （ 7）計算應力循環(huán)次數(shù) 湘潭大 學本科畢業(yè)設計說明書 1160 hN n jL? = ? ? 96 0 3 6 4 . 5 1 2 8 3 0 0 3 0 1 . 5 1 0? ? ? ? ? ? ? ? 9 812 1 .5 1 0 6 .5 1 02 .4 3NN u ?? ? ? ? （ 8）接觸疲勞壽面系數(shù) 1 ? ， 2 ? ； 計算接觸疲勞許用應力 取失效概率 1%。安全系數(shù) 1HS ? 則 ? ? 1 l im 11 0. 9 77 0 69 3 MPa1H N HH K S?? ?? ? ? ? ? 2 l im 22 0 .9 5 6 1 0 5 8 0 M Pa1H N HH K S?? ?? ? ? 兩式計算中的值比較取較小值，則 ? ? 580MPaH? ? ； 故 ? ? 21312 1 EHdHZ Z ZKT udu ??????? ? ? ???? 263 2 1. 3 1. 33 6 10 2. 43 1 18 9. 8 2. 5 0. 88 12 6. 4 m m1. 27 2. 43 58 0? ? ? ? ? ???? ? ? ????? 計算模數(shù) 11 Z? ? ? 取標準值 6mmm? 由公式 ? ?112F FS FKT YYbd m ????? 式中：（ 1）小齒輪分度圓直徑 1d = 1mZ? =6 21=126? ； （ 2） 齒輪嚙合寬度 1 160dbd??? （ 3） 復合齒形系列，查圖可知： 1 ? ， 2 ? （ 4） 重合度系數(shù) . 25 0. 69 91tY ? ?? ? ? （ 5） 許用應力，查圖可得 lim1 310M PaF? ? ， lim 2 240M PaF? ? 湘潭大 學本科畢業(yè)設計說明書 取彎曲疲勞安全系數(shù) S= （ 6）彎曲疲勞壽命系數(shù)： 1 ? ， 2 ? 則 ? ? 1 l im 11 188. 22 MP aFN FF K S ?? ??? ? ? 2 l im 22 16 2. 86 MPaF N FF K S ?? ??? （ 7） 計算大小齒輪的 ? ?FSFY? ，并進行比較 ? ?114 .3 7 0 .0 2 3 21 8 8 .2 2FSFY? ??， ? ?223 .9 3 0 .0 2 4 11 6 2 .8 6FSFY? ?? 由于 ? ? ? ?12FS FSFFYY??? ，故 612 12 2 1 . 3 1 . 3 3 6 1 0 3 . 9 3 0 . 6 9 9 11 6 0 1 2 6 6F F SKT YYb d m ?? ? ? ?? ? ? ???? ? FM P a ??? 因此滿足齒根彎曲疲勞強度要求。 5. 幾何尺寸計算 11 6 2 1 1 2 6m md m Z? ? ? ? 22 6 5 1 3 0 6m md m Z? ? ? ? 12 2162dda ???mm 由于 2 160mmb ? ，則 12 (5 10)m mbb? ? ? ，取 1b 165mm? 所示。 圖 大齒輪結(jié)構(gòu)圖 湘潭大 學本科畢業(yè)設計說明書 動力頭主軸的尺寸確定及校核 1 擬定軸上零件的裝配方案，如圖 所式。 圖 主軸零件裝配圖 2 各段軸軸徑與軸長的確定 根據(jù)扭轉(zhuǎn)強度計算軸徑，選用 45 鋼（調(diào)質(zhì)處理），由于發(fā)動機的功率 231KW，效率為 70%，經(jīng)過減速箱后，機械磨損為 85%，故，作用在主軸上的功率為 。 則根據(jù)公式： m a x3 3m in 1 2 9 .3 6( 1 0 3 1 2 6 ) 7 2 .5 6 8 8 .7 6370pdC n? ? ? ? ?； （ 1）由于右起第一段連接鉆桿，且上面安裝有鍵槽，故軸徑應在最小直接的基礎上加 5%，故取該段軸直徑為 80mm? ，長為 85mm； （ 2）右起第二段考慮到軸的定位和軸承的承載能力的問題，則取直徑為 92mm?長為 80mm； （ 3）右起第三段，考慮到軸的軸向承載能力和軸承端蓋的連接，取該段直徑為100mm? ，長為 70mm； （ 4）右起第四段。由于有軸 承和齒輪的定位問題，選擇軸承型號為 30222A，即1 1 0 2 0 0 4 1D d B? ? ? ? ?，故軸的直徑為 110mm? ，長為 75mm； （ 5）右起第五段，該段裝有齒輪，直接取 140mm? 。軸和齒輪之間采用矩形花鍵連接如圖 所示，采用花鍵連接的優(yōu)勢是：花鍵連接比平鍵連接承載能力高、對軸削弱程度?。X淺、應力集中?。?、定心好和導向性能好等。它適合與定心精度高，載荷大或經(jīng)?；频倪B接。根據(jù)齒輪寬度可以求得該段軸的長 度為 165mm； （ 6）右起第六段，考慮齒輪的軸向定位，需有定位軸肩，取軸肩直徑 180mm? ，長為 25mm； 湘潭大 學本科畢業(yè)設計說明書 （ 7）右起第七段，該段為圓錐滾子軸承安裝處，故直徑為 110mm? ，考慮到軸承的定位，該段長度取為 100mm。 （ 8）右起第八段，該段與旋轉(zhuǎn)解頭相連接，參照 GB/T10952020，選用普通 A型平鍵連接，直徑為 80mm? ， 長度為 70mm。 圖 矩形花鍵的截面形狀 圓周力： 222 N .mt TF d?? 徑向力： t a n 4 5 7 5 1 . 6 t a n 2 0 1 6 6 5 2 . 2 N . mc o s c o s 0tr FF ?????? ? ? 軸向力： 1 6 6 5 2 .2 N .marFF?? 4．軸承的徑向支反力 根據(jù)軸承支反力的作用點以及軸承和齒輪在軸上的安裝位置，建立如圖 所示的力學模型。 水平面的徑向支反力： 22 87 5. 8 N .m2 tH A H B FFF? ? ?； 垂直面的徑向支反力： 2( 1 3 0 )2 1 4 7 3 N . m260arV