开题报告
(XY-4岩心钻机升降机的设计)
岩心钻机的功用:
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。
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。
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:
①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。
②要求升降机的结构与强度具有一定的超载能力。
③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。
④结构简单。
设计目的:
①通过设计知道钻机的工作性能以及升降机的结构;
②分析升降机的转矩特性和转速特性;
③分析计算升降机的特性参数;
③应用一些软件对升降机进行仿真分析,从而,进一步了解升降机的性能。
技术方案的确定:
本次设计是在原有的XY-4岩心钻机的基础上,利用所给的设计参数:
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 最大提升能力:29.4KN;
④ 卷筒直径:285mm;
⑤ 钢绳直径:16mm;
⑥ 卷筒容绳量:52mm;
⑦ 提升速度:0.82、1.51、2.16、3.13。
进行计算,分别进行工作参数的选择:
① 升降机的最大起重量Pq;
② 提升速度分为:最高缠绳速度Vmax、最低缠绳速度Vmin;
③ 调速范围R;
④ 速度档数及中间速度。
抱闸的受力分析:
① 下降制动力矩;
② 提升制动力矩;
③ 手柄上的作用力;
抱闸的发热验算:
抱闸在制动过程中,将钻具和提升系统的动能全部转化为热能,这些热能会使抱闸和制圈的温度升高。这样会使摩擦系数降低,制动力矩减小,而且会使热应力增加,加剧摩擦材料的磨损,因此要对其进行发热验算,看是否能够男组要求。
通过上述计算就可以知道升降机的最大起重量、提升速度、制动力矩等等,我们就利用这些参数来选择升降机的主轴、行星轮系齿轮、支架、中心齿轮、行星轮轴等所有的零件型号和尺寸,进而绘制出总装配图。在经过一些软件来分析升降机的性能。
升降机类型的确定:
类型 特点 采用钻机型号
胀闸传动式 次种升降机简化了机械传动结构,采用液压控制,易实现远距离操作以及自动化;而且工作平稳;卷筒制圈散热条件好。但只适用于有液压系统的钻机。
SPC-300型
锥摩擦传 动 此类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
XB-500型
片式摩擦力合器传动式 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。 用于钻机辅助升降机
液压传动式 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 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,传动平稳,操作灵活。 用于机械传动式钻机
表1 升降机类型的比较
因此,通过上述分析,我们选择行星轮式升降级。
行星轮式升降机的原理分析
行星轮式升降机分为①行星轮轴支撑在提升在制圈上,内齿圈与卷筒装在一起;
②行星轮轴装在卷筒上,而内齿圈和提升制圈联在一起。
类型 结构示意图 工作原理
(1) 提升钻具 刹紧提升抱闸8,同时松开制动抱闸9。行星轮5及其轴4不能绕升降机轴1公转。在角速度为ωa的中心轮带动下,行星轮绕自身轴以ωg自转,并带动内齿圈以ωb转动,缠绕钢绳,提升钻具。提升时,定轴轮系行星式升降机的传动比 为
(1-1)
式中: Zb、Za--分别为内齿圈与中心轮齿数;"-"号--转向相反。
(2) 制动钻具 抱闸9刹住下降制动盘,同时松开抱闸8。因卷筒与内齿圈被闸住不转,钻具停止升降。此时行星轮自转又公转。
(3) 下降钻具 两抱闸均松开,在钻具自重作用下钻具下降[图3-6(c)]。
(4) 微动升降(ωb、ωH可控) 即慢速控制升降工况。若松开提升抱闸8,控制制动抱闸9,钻具会出现下降、停止和慢速下降运动状况;若松开制动抱闸9,控制提升抱闸8,行星轮出现三种运动状态,即钻具提升、停止(不稳定)和下降运动状况。因此,行星式升降机能够并允许微动升降操作,两抱闸只要不同时刹死,两者制紧程度配合得当,微控升降操作就会得心应手。
第二类
次类行星轮传动式升降机在各工况下的操作与第一类的相同。仅轮系在各个工况下的运行状态与第一类不同。
表2 两种行星轮式升降机的比较
根据岩心钻机的工作场地以及工作状态等条件和上述工作原理,我们选择第一类。
升降机结构的确定:
通过查阅资料,从而确定XY-4岩心钻机升降机的结构形式(如图1.1);升降机由卷筒、行星传动机构、水冷装置及抱闸组成。升降机轴19右端的花键部插入分动箱的轴齿轮的花键中;升降机轴19的左端通过水套轴8、单列向心球轴承11、支架13等支承在支架上;轴左端头是四方轴头,作为人力传动升降机轴用;卷筒用两盘313型轴承16、36支承在升降机轴19上。行星传动机构由中心齿轮24、游星齿轮32、内齿圈20等组成。中心齿轮以花键连接装在轴19的右侧。行星齿轮用两盘207型轴承30装在行星轮轴29上,行星齿轮共三组,均布安装在左右支架27上;行星轮轴的左右支架分别用一盘313型轴承36和两盘111型轴承26支承在升降机轴上;右支架27外侧用平键28与提升制动盘34联结,并用螺钉将端盖23固紧在支架右侧,防止提升制动盘外串,两个支架用3个均布的螺栓连接成一体。水冷装置由水套轴8、引水环9、压盖10、水管3及制动盘水套等组成。
图1-1 XY-4型升降机
1-制动抱闸; 2-水管接头; 3-水管; 4-接头式压注油杯; 5-骨架橡胶油封; 6-档板; 7-堵丝; 8-水套轴; 9-引水环; 10-压盖; 11-单列向心球轴承; 12-水管接头; 13-支架; 14-内螺纹圆柱锁; 15-骨架式橡胶油封; 16-单列向心球轴承; 17-孔用弹性挡圈; 18-卷筒; 19-升降机轴; 20-内齿圈; 21-密封盖; 22-直通式压注油杯; 23-端盖; 24-中心齿轮; 25-毡封油圈; 26-单列向心球轴承; 27-游星轮支架; 28-平键; 29-游星轮轴; 30-单列向心球轴承; 31-孔用弹性挡圈; 32-游星齿轮; 33-骑缝螺丝; 34-提升制圈; 35-提升抱闸; 36-单列向心球轴承
升降机的参数的分析计算:
① 升降机的最大起重量Pq:
升降机的最大起重量Pg指的是用单绳一速提升时,升降机的最大提升负荷,它取决于大钩载荷及滑车系统的结构。而大钩载荷又依据额定孔深下的最大钻具重量确定。
大钩载荷可用下式计算:
Qd=KQ。=KαqL(1-γ。/γ)
式中 Q。——额定孔深时的钻具总重;
K——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 K=1.5—4。浅孔及大口径钻机取值较小,中深孔及小口径钻机取值较大,深孔钻机取值最大;
α——钻扦重量修正系数。接头连接α=1.05,接箍连接α=1.1;
q——每米钻杆重量;
L——额定孔深的钻具总长;;
γ。——冲洗液比重;
γ——钻杆材料比重。
②提升速度分为:最高缠绳速度Vmax、最低缠绳速度Vmin;
最高缠绳速度Vmax是根据提引器的最高上升速度确定的。
式中 V。max——提引器上升最高速度,它受立根长度和操作安全限制。不同的立根长度,所允许提引器的最高上升速度不同。
最低缠绳速度Vmin根据动力机的额定功率及大钩载荷确定。可用下面公式计算:
式中 Ne——动力机额定功率KW;
ηz——动力机至卷简的总传动效率,一般取0.8~0.85;
Qd——大钩载荷,kg。
③调速范围R:
当Vmax及Vmin确定之后,调速范围R己成定值。
④速度档数及中间速度:
设:T——用第一速(最低速)提升全部钻具所用的时间;
Tm——用M个档提升全部钻具所用的时间;
φT——提升时间系数;
A——动力机在T内可以做的功;
Am——动力机在Tm时间内实际做的功;
φN——升降机的功率利用系数;
提升时间系数φT及功率利用系数φN用下式计算:
⑤下降制动力矩;
制动正在下降过程的钻具,卷筒上除承受钻具自重产生的静力矩Mj外,还必须承受钻具与升降系统的惯性力产生的附加动力矩Md。因此,制动钻具所需的制动力矩Mx等于以上二力矩之和,即
在实际计算时,一般采用下面的经验公式:
式中 β——动载荷系数,β=1.2—1。4,悬挂钻具时,可以看成为制动安全系数;
Qdg——下降钻具时,最大大钩载荷;
m——有效钢丝绳数;
η——滑轮系统效串;
Ds——卷筒的计算直径;
D——卷简直径;
d——钢丝绳直径。
⑥提升制动力矩;
提升时,所需的制动力矩取决于提升负荷的大小及升降机的结构类型。下面以第一类
行星轮式升降机为例分折提升制动力矩的计算:
则提升制动力矩应为:
所以
式中 Pq——升降机的最大起重量;
rs——卷筒计算半径,缠绕三层钢绳;
Ds——卷筒计算直径;
D——卷筒直径;
d——钢丝绳直径。
⑦手柄上的作用力;
设制带的抱角为α,制带与制圈的摩擦系数为f,制动时,制带两端所需的拉力为T1、T2。根据欧拉公式平衡条件可知道手柄上的作用力:
式中 P——手柄上的作用力;
T——偏心轮作用于制带头上的压力;
b——偏心轮的偏心距;
l——手柄长度;
α1——两制带头所夹角度的一半。
⑧抱闸的发热验算:
抱闸在制动过程中,将钻具和提升系统的动能全部转化为热能,这些热能会使抱闸和制圈的温度升高。这样会使摩擦系数降低,制动力矩减小,而且会使热应力增加,加剧摩擦材料的磨损,因此,在设计时必须考虑抱闸的散热和降低温升问题,并进行抱闸的发热验算。
升降机工作时的动能E:
式中 m1——钻具及提引进置的质量,kg;
ν——钻具的下放速度,m/s;
J——升降机的转动惯量;
ω——卷筒制动前的角速度,rad/s。
而
式中 m 2——卷筒的质量,kg;
Dz——卷筒的直径,m;
n——卷筒的转速,r/min。
假定制动时所有的热量都被制圈吸收。则其温升为:
式中 X——立根数,今X=L/l;
L——钻具总长,m;
l——立根长度,m;
m3——制图的质量,kg。
选件:
通过上述计算和对结构的分析,查阅机械设计手册就可以确定每一个零件的型号和尺寸大小。
验算:
对所有的件进行综合的检验,看是否满足要求。
绘制工程图:
利用CAD等软件绘制出工程图。
技术难点:
① 对总体的技术方案的确定;
② 对行星轮式升降机的两种方案的对比分析,选取第一中的原因;
③ 对总体结构布局合理性的选择;
④ 个别零件的型号和尺寸的选择。
关键技术问题的解决方案:
①对升降机类型的选择:
通过对升降机5种不同形式的结构分析,特点分析,从而选择出合理的一种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:
同理,通过对它们的结构分析以及特点的对比,再根据XY-4岩心钻机的其他结构的特点,还有升降机的工作环境等条件就可以选择出合理的结构。
③结构布局的选择:
根据典型的XY-4岩心钻机的结构布局,我们就可以确定本次设计的结构布局。
④对升降机总体的分析与验证:
利用现代分析软件(如ADUMS等)进行工程分析以及验证。
参考文献
[1]成大先。 机械设计手册。北京:化学工业出版社,2002
[2]杨惠民。 钻探设备。北京:地质出版社,1998
[3]冯德强。 钻机设计。武汉:中国地质大学出版社,1993
[4]屠厚泽。 钻探工程学。北京:中国地质大学出版社,1988
[5]武汉地质学院。 岩心钻探设备及设计原理,武汉:地质出版社,1980
[6]武汉地质学院。 钻探设备设计。地质出版社,1982 |