【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 50 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ii 第五章 設(shè)計(jì)總結(jié) 54 參考文獻(xiàn) 55 致 謝 56 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 研究振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭的意義 目前國(guó)內(nèi)對(duì)振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)的研究越來(lái)越重視，但技術(shù)不是很成熟，與國(guó)外相比仍然有一定的差距。國(guó)家政策倡導(dǎo)節(jié)約型社會(huì)，環(huán)境友好型社會(huì)，很多的企業(yè)正在爭(zhēng)先恐后的貫徹實(shí)施這一政策，紛紛加大對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，以及機(jī)器創(chuàng)新等方面的投入。目前國(guó)內(nèi)的振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)存在很多的不足，主要體現(xiàn)在體積龐大，笨重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以導(dǎo)致搬遷困難，浪費(fèi)材料，成本高，適應(yīng)環(huán)境的能力差，在施工處對(duì)環(huán)境的破壞性大。其次是振幅、頻率的可調(diào)性低，激振力不夠大，平穩(wěn)性低。而動(dòng)力頭是振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)的核心部件， 它的好壞直接影響到整臺(tái)機(jī)器的好壞。所以，對(duì)研究出一臺(tái)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，振幅、頻率可調(diào)，激振力足夠大，平穩(wěn)性高的振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭迫在眉睫。 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭的工作原理及特點(diǎn) 動(dòng)力頭的工作原理簡(jiǎn)述 回轉(zhuǎn)馬達(dá)通過(guò)一對(duì)傳動(dòng)比很小的齒輪對(duì)回轉(zhuǎn)主軸實(shí)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主軸的低速回轉(zhuǎn)，此轉(zhuǎn)速不需要很大，因?yàn)槿绻?，鉆頭跟巖土層的摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)很大，這樣會(huì)加大鉆頭的磨損。振動(dòng)用偏心軸的回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，偏心軸振動(dòng)的頻率就是動(dòng)力頭振動(dòng)的頻率，偏心軸采用兩根，把它們平放在主軸的兩側(cè)，它們的回轉(zhuǎn)方 向相反，之間通過(guò)一對(duì)傳動(dòng)比為 1的齒輪和同步帶連接，振動(dòng)液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)其中的一根軸，這樣兩根軸在水平方向的振動(dòng)力抵消，從而實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的平穩(wěn)。而在豎直方向的振動(dòng)力疊加，振動(dòng)力增加一倍，從而能得到很大的激振力。 動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 箱體采用鋼板焊接而成，大大縮短了制造周期，強(qiáng)度也大為提高。采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低，能實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速。液壓馬達(dá)的軸直接與振動(dòng)軸連接，這樣省去了傳動(dòng)中間部件，大大簡(jiǎn)化了動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)，維修方便，也減小了箱體的體積，從而克服了動(dòng)力頭笨重的缺點(diǎn)。主軸需要承受的扭矩比 較大，采用空心結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能大大提高。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)的現(xiàn)狀與展望 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)的現(xiàn)狀 (1) 國(guó)外狀況 國(guó)外用于地質(zhì)調(diào)查的全振動(dòng)巖芯鉆機(jī)的發(fā)展是伴隨鉆探技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查工作中應(yīng)用領(lǐng)域的拓展和鉆探方法工藝的進(jìn)步而發(fā)展的。振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)是為實(shí)現(xiàn)各種鉆探方法工藝服務(wù)的。另外，其發(fā)展還受鉆探作業(yè)環(huán)境 (如地理位置、交通運(yùn)輸、氣候、地質(zhì)條件與供水等 )的影響和制約。國(guó)外地質(zhì)礦產(chǎn)勘查用振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)，除保留有一部分經(jīng)改進(jìn)的傳統(tǒng)立軸式鉆機(jī)外，已大量采用頂驅(qū)式 (動(dòng)力頭鉆機(jī) )。其特點(diǎn)是回次 進(jìn)尺長(zhǎng)，自動(dòng)化、機(jī)械化程度高。具有代表性的有：阿特拉斯的 CSl0、 CSl CS300l、 CS4002，寶長(zhǎng)年公司的 LF70、 LF90、 LFl LF230 等地表取心鉆機(jī)，均具有長(zhǎng)行程給進(jìn)、無(wú)塔升降鉆具、無(wú)級(jí)調(diào)速、機(jī)械化程度高、配套器具齊全、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)改進(jìn)的新型立軸式巖芯鉆機(jī)有：俄羅斯的 cKB 一 cK65 型鉆機(jī)，采用雙卡盤(pán)實(shí)現(xiàn)不停鉆倒桿；采用直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；鉆深從 253000m 已形成完整系列。日本的 TDP 一 100、P100 等型鉆機(jī)采用上、下液壓卡盤(pán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了鉆進(jìn)過(guò)程中的不停車倒桿， 自動(dòng)連續(xù)給進(jìn)，并通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)提高了鉆機(jī)的工作可靠性。日本 NLC 公司的 NL 一 5 L 一 4L 一 3 L 一 24 系列型號(hào)立軸式鉆機(jī)，主要特點(diǎn)是加大了立軸通孔直徑，達(dá)到 148mm；與鉆塔設(shè)計(jì)融為一體，質(zhì)量大，自動(dòng)化程度較高。 (2)國(guó)內(nèi)狀況 1949年以前國(guó)內(nèi)振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)幾乎全部是由國(guó)外引進(jìn)， 20世紀(jì) 50年代初期大量從蘇聯(lián)引進(jìn)當(dāng)時(shí)并不先進(jìn)的手把式鉆機(jī)， 50年代中期，國(guó)內(nèi)開(kāi)始仿制， 60年代開(kāi)始自行設(shè)計(jì)鉆機(jī)，如 XY、 YL、 MK、 TK等系列。 70年代開(kāi)始全面推廣金剛石鉆進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)了我國(guó)地質(zhì)巖芯鉆機(jī)的研制與制造業(yè) 的發(fā)展， 80年代就基本滿足國(guó)內(nèi)地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查的需要，并有部分向外出口。我國(guó)從 20世紀(jì) 60年代就開(kāi)始研制液壓傳動(dòng)鉆機(jī)，但由于當(dāng)時(shí)國(guó)產(chǎn)液壓元件質(zhì)量不過(guò)關(guān)等原因而未能形成生產(chǎn)力。改革開(kāi)放以來(lái)，從美、德等國(guó)引進(jìn)了多種名牌液壓元件生產(chǎn)線，使國(guó)產(chǎn)液壓元件的品種增多，質(zhì)量有了大幅度提高，我國(guó)已具備了研究傳動(dòng)鉆機(jī)的良好物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)準(zhǔn)備。進(jìn)入 21世紀(jì)，國(guó)內(nèi)的有關(guān)研究機(jī)構(gòu)與鉆探機(jī)械廠先后研發(fā)出了的地表巖芯鉆機(jī)以滿足市場(chǎng)的需求，主要產(chǎn)品有： 2022年中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所與北京天和眾邦勘探技術(shù)有限公司聯(lián)合研發(fā)成功的 YDX一 3型巖芯鉆機(jī)、 2022年底山東省地質(zhì)探礦機(jī)械廠研發(fā)的 XD一 5型、 2022年底連云港黃機(jī)械廠有限公司研制的 HYDX一 5型等。國(guó)內(nèi)研制成功的這幾款巖芯鉆機(jī)特點(diǎn)均順應(yīng)國(guó)際鉆探設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，屬于同一檔次，鉆探能力相差不多，具有化、給進(jìn)行程長(zhǎng)、無(wú)級(jí)調(diào)速、機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)。但與國(guó)外巖芯鉆機(jī)相比，還未形成系列化，可靠性不夠高，湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 無(wú)相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等。 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)的展望 隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步 ,巖心鉆探設(shè)備的發(fā)展伴隨著引進(jìn)技術(shù)的消化吸收、基礎(chǔ)工業(yè)元器件水平的提高、鉆探工藝發(fā)展對(duì)設(shè)備的要求而不斷發(fā)展提高 。為此，振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)的發(fā)展方向主要有三個(gè)：第一，小型化發(fā)展。因?yàn)榭碧街饕窃谝恍┍容^偏遠(yuǎn)的山區(qū)，經(jīng)濟(jì)落后，交通不便，而鉆機(jī)本來(lái)就比較笨重，搬遷困難。而且，在山區(qū)地勢(shì)陡峭，灌、木喬密布，為了保護(hù)環(huán)境又不能砍伐，安放鉆機(jī)的空間有限。所以，對(duì)于小型巖芯鉆機(jī)的需求十分迫切。第二，巨型化發(fā)展。在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，交通便利的平原地區(qū)，有些時(shí)候需鉆進(jìn)深度非常高，或者工作的時(shí)間非常長(zhǎng)，為了提高鉆進(jìn)效率，這就需要大功率的大型鉆機(jī)。第三，智能化發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)參透到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，當(dāng)然，勘探領(lǐng)域也不例 外，用計(jì)算機(jī)控制鉆機(jī)，不僅能減輕施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能提高工作效率，動(dòng)作更加靈活、準(zhǔn)確，甚至在不久的將來(lái)有可能發(fā)展機(jī)器人鉆機(jī)。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第二章 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭總體參數(shù)的確定 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭傳動(dòng)方案的選擇 回轉(zhuǎn)部分傳動(dòng)方案 從回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)直接出來(lái)的速度是比較大的，而主軸需要的速度是比較小的，要得到較小的速度，就必須經(jīng)過(guò)減速，能減速的結(jié)構(gòu)很多，比如減速器，皮帶傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)等。此動(dòng)力頭要求傳動(dòng)的效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕。下面是兩種比較成熟的方案供選擇，如 21 圖 所示。 方案一 方案二 圖 21 回轉(zhuǎn)部分傳動(dòng)方案 方案一：馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪裝在液壓馬達(dá)軸上，驅(qū)動(dòng)齒輪直接帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承外圈。這樣結(jié)構(gòu)緊湊，簡(jiǎn)單，體積小，占用的空間小，節(jié)約材料，成本低，重量輕，比起用減速器，起碼能減輕 50%的重量。因?yàn)橹挥幸患?jí)齒輪傳動(dòng)，所以傳動(dòng)的效率非常高，能達(dá)到 99%以上。 方案二：采用減速器進(jìn)行減速，減速器連接在液壓馬達(dá)與回轉(zhuǎn)支承之間，與方案一相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多，里面有兩級(jí)齒輪，傳動(dòng)比可能比方案一更小，即能獲得更好的減速效果。但是，液壓馬達(dá)本身就能控制很大的轉(zhuǎn)速范圍，所以根本就沒(méi)必 要是用減速器。而且，體積大，占用的空間大，成本高，重量也笨重；傳動(dòng)的齒輪級(jí)數(shù)越多，傳動(dòng)的效率越低。 比較上述兩種方案，根據(jù)動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇方案一。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 振動(dòng)部分傳動(dòng)方案 激振力來(lái)自偏心軸的回轉(zhuǎn)，激振力的大小和頻率完全由偏心軸的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，顯然，巖心鉆機(jī)在鉆進(jìn)的過(guò)程中，需要足夠大的激振力和頻率。所以不需要減速，液壓馬達(dá)直接與偏心軸連接，為了讓振動(dòng)平穩(wěn)，激振力只在豎直方向上，采用兩根偏心軸，它們的轉(zhuǎn)速大小相等，方向相反。它們對(duì)稱分布于回轉(zhuǎn)主軸兩側(cè)，所以它們的間距是比較大的。它們之間的傳動(dòng)現(xiàn) 有兩種方案可供選擇： 方案一 方案二 圖 22 振動(dòng)部分傳動(dòng)方案 方案一：為了實(shí)現(xiàn)兩根偏心軸轉(zhuǎn)速大小，方向相反，中間采用一對(duì)傳動(dòng)比為 1 的齒輪傳動(dòng)，接著用同步帶傳動(dòng)，兩帶輪的大小相等。它們之間也就是兩級(jí)傳動(dòng)，比起方案二，它傳動(dòng)的效率要高些，齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相反，同步帶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。同步帶比齒輪便宜些，成本低；更換方便，維修方便。 方案二：此方案采用兩對(duì)齒輪傳動(dòng)，每個(gè)齒輪是相同的，即傳動(dòng)比都為 1，同樣能實(shí)現(xiàn)兩根偏心軸轉(zhuǎn)速大小相等，方向相反。但是，兩根偏心軸的跨距比較大，齒輪不易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距 離傳動(dòng)，如果要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，則需加大齒輪的半徑，而齒輪半徑加大，就意味著容納齒輪的箱體的體積也要變大，這顯然與我們需設(shè)計(jì)的動(dòng)力頭相悖，而且制造齒輪的成本比制造同步帶的成本高；更換，維修也不方便；傳動(dòng)的級(jí)數(shù)比方案一多，所以傳動(dòng)的效率也比方案一低。 根據(jù)兩種方案的比較，選擇方案一。 振動(dòng)回轉(zhuǎn)巖芯鉆機(jī)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)參數(shù)的確定 回轉(zhuǎn)扭矩的確定 回轉(zhuǎn)扭矩確定之后，才能進(jìn)行主軸的設(shè)計(jì)和校核，以及回轉(zhuǎn)馬達(dá)的選擇。鉆桿受到湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 的阻力主要有兩個(gè)，一個(gè)是 鉆頭與底部巖土的切削摩擦產(chǎn)生的扭矩 1M 、光桿部分受到水泥漿的粘滯阻力矩 2M 。 (1)鉆頭與底部巖土的切削摩擦產(chǎn)生的扭矩 1M 鉆頭受到的阻力有兩種：一種是鉆頭刀刃的切削阻力，一種是鉆頭與巖土層的摩擦阻力。 刀刃單位長(zhǎng)度阻力可按式 ()計(jì)算： () 式中， 0P 刀刃單位長(zhǎng)度的阻力； 1P 刀刃單位長(zhǎng)度的切削阻力； f 鉆頭與巖石的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取 f ＝ ； 2P 鉆具在刀刃單位長(zhǎng)度上產(chǎn)生的壓力。 c1 yWKP ?? () ? 鉆進(jìn)速度； cW 鉆桿轉(zhuǎn)速； yK 切削比阻力，取 400KPa。其選取方法如表 2－ 表 2－ 2，取土壤等級(jí)為Ⅲ級(jí)。 表 2－ 1 土壤等級(jí)分類 土壤等級(jí) Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ yK (kPa) 50 80～ 100 150～ 200 260～ 400 表 2－ 2 土壤等級(jí)特點(diǎn) Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 砂，輕軟質(zhì)土，輕和中等溫度的松散質(zhì)土，種植土 粘質(zhì)土，中細(xì)沙礫，輕濕或松散軟粘土 密實(shí)粘土質(zhì)，中等粘土，重濕度或松散粘土，軟泥炭 含碎石或卵石的粘土質(zhì)，重的或很重的濕粘土，有少量雜質(zhì)的石礫堆積物 代入數(shù)據(jù)有： NWKP ???? ? RQP 22? () 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 Q 能使鉆刃壓入孔底土層的最小軸向壓力，由土層的抗壓強(qiáng)度、鉆刃的磨損程度等因素決定。其值可近似地用下式求出： Q =(30～ 50)R(kN)(其中 R=47mm 為鉆頭半徑 )，其孔徑小時(shí)取小值，孔徑大時(shí)取大值，此處計(jì)算應(yīng)取大值 , 取 Q ＝ 50179。 ＝。 因此，可得： ???? RQP 所以： 210 ?????? PPP ； 01 ???? ?? NPRM () (2)光桿部分受到水泥漿的粘滯阻力矩 2M 設(shè)內(nèi)圓半徑 R1，外圓半徑 R2，內(nèi)圓旋轉(zhuǎn)角速度為 0w ，外圓固定，則兩圓筒之間的水泥漿以同心圓筒層形式旋轉(zhuǎn)，如圖 23。 圖 23 用 w 表示半徑為 r 的中間任一液層的角速度，顯然此液層的角速度 梯度為drdw相應(yīng)的線速度梯度為dwdrr 設(shè)圓筒高度為 h，則可求側(cè)面積： S=2π rh () 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 所以有：drdwhr2rh2drrdwr 32 ???? ???M () 變量分離：hdw2r dr32 ???M () 根據(jù)鉆桿的情況，有： 1r R? 時(shí) 0w? 2r R? 時(shí) 0ww? 兩邊分別積分，有： dww0h2drr121 032 ?? ? ??RRM () 有：02222 hw21222 ???? RMRM () 所以：22 2102 21hw422RRM RR?? ?? () 式中：鉆桿轉(zhuǎn)速 0w = ；鉆桿長(zhǎng)度 h =10m 鉆桿半徑 1R =；孔半徑 2R =47mm 取水泥漿黏度 ? =18 ，如表 23所示。 表 23 水泥漿的基本性能 水灰比 粘度 (179。) 密度 g/cm3 凝膠時(shí)間 結(jié)石率 % 抗壓強(qiáng)度 (Mpa) 初凝 終凝 3d 7d 14d 28d :1 139 7h41min 12h36min 99 :1 33 10h47min 20h33min 97 1:1 18 14h56min 24h27min 85 :1 17 16h52min 34h47min 67 2:1 16 17h7min 48h15min 56 所以得：湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 22 2222 2102 22 ??? ????????? NRRM RR?? 最終得到的鉆桿阻力矩之和為： 0 2 8 221 ?????? NMMM 回轉(zhuǎn)速度的確定 鉆頭的回轉(zhuǎn)速度是動(dòng)力頭的一個(gè)重要參數(shù)，它的選取關(guān)系到鉆進(jìn)的效率，鉆頭的壽命和取到巖芯的完整程度，過(guò)快或者過(guò)慢對(duì)它們都不利。選擇鉆頭轉(zhuǎn)速的主要依據(jù)是巖石的性質(zhì)和破巖的時(shí)間效應(yīng)影響，實(shí)踐表明，在軟巖層中鉆進(jìn)時(shí)提高轉(zhuǎn)速的效果最明顯；在中等硬度、研磨性較小的巖層中鉆進(jìn)時(shí)，由于破巖的時(shí)間效應(yīng)影響顯著，所以鉆進(jìn)的速度并不隨轉(zhuǎn)速的增大而增大。也就是說(shuō)對(duì)于較軟的、研磨性較小的巖石，可以用增大轉(zhuǎn)速的辦法來(lái)提高轉(zhuǎn)速；而在硬的、研磨性較強(qiáng)的巖石中，轉(zhuǎn)速過(guò)高不僅不能提高鉆進(jìn)的效率，而且對(duì) 鉆進(jìn)過(guò)程有害。 表 24 硬質(zhì)合金切削具的線速度推薦值 巖 石 性 質(zhì) 線速