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湘潭大學興湘學院 畢業(yè)設計說明書 題 目： 非開挖水平定向鉆機頂進回拖系統(tǒng)結構設計 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： 2010963128 姓 名： 王望 指導教師： 周友行 完成日期： 非開挖水平定向鉆機頂進回拖系統(tǒng)結構設計 [摘要 ]： 本文 通過分析 非開挖水平定向鉆機頂進回拖系統(tǒng) 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，應用和具體的檢測方法，經(jīng)過查閱相關資料、討論， 提出了一種利用齒輪齒條傳動的解決方案，并詳細設計了一種用于非開挖水平定向鉆機頂進回拖系統(tǒng)結構，該系統(tǒng)能夠正常、穩(wěn)定的實現(xiàn)鉆機動力頭頂進回拖功能。該頂進回拖系統(tǒng)包括電機、聯(lián)軸器、減速箱、齒輪齒條、動力頭 、導軌 等核心部分， 通過 圖，最終完成設計說明書的書寫和外文翻譯。 [關鍵詞 ] 非開挖；水平定向鉆機；頂進回拖；齒輪齒條 a by of at to is to to of of is by of 目 錄 第一章 緒論 ........................................................ 1 .......... 1 壓油缸進給方式 ....................................... 1 馬達 .................................... 2 壓馬達 ............................... 2 機國內(nèi)外現(xiàn)狀 ................................. 3 ......................................... 3 ......................................... 4 .................................. 5 要關鍵技術指標 ........................... 6 義 ................................................... 6 鍵技術指標 ........................................... 6 第二章 總體方案及動力頭導軌設計計算 ................................ 7 體方案設計 ................................................ 7 ........................................... 7 ........................................... 8 力頭與導軌的設計計算 ...................................... 8 .................................................. 9 ..................................... 9 動機型號及技術參數(shù) .................................. 10 第三章 減速箱齒輪組設計計算 ....................................... 12 ....................................... 12 ............................................ 12 輪傳動設計計算 ...................................... 12 .................................... 14 ..................................... 16 .................................. 16 .............................................. 16 第四章 齒輪齒條設計計算與校核 ..................................... 18 ........................................... 19 計計算結果匯總 ........................................... 21 第五章 軸的設計計算及校核 ......................................... 23 ............................................... 23 的校核 ................................................... 25 ................................................. 26 第六章 輔助部件的設計計算 ......................................... 28 ................................................. 28 ........................................ 28 .................................. 28 滑 ....................................................... 30 總 結 ............................................................ 32 參考文獻 .......................................................... 33 翻 譯 ............................................................ 34 1 第一章 緒論 開挖水平定向鉆機常見的頂進回拖系統(tǒng)結構及發(fā)展現(xiàn)狀 非開挖水平定向鉆機頂進回拖機構結構的不同，對進給回拖力的影響相當 大，水平鉆機中常用的回拖機構根據(jù)結構不同可分為液壓油缸進給方式、馬達 壓馬達 據(jù)提供進給回拖速度與力的不同，結構可分為液壓油缸倍速進給機構，馬達 壓油缸進給方式 1、油缸直推式進給方式：該方式采用一個或多個油缸直接驅(qū)動動力頭以實現(xiàn)進給回拖動作，其結構如下圖 點是傳動最簡單，無需任何其它中間傳動原件，動力頭滑架結構簡單，便于加工；缺點是油缸形成略大于鉆桿長度，在大載荷，長行程的工況下可能存在油缸壓桿穩(wěn)定性問題。 圖 壓油缸直推式進給機構示意圖 2、油缸倍速機構：該方式使用油缸通過鏈輪，鏈條等中間傳動原件驅(qū)動動力頭，以實現(xiàn)進給回拖動作，其結構如下圖 力頭的行程與進給回拖速度是油缸的 2倍，因而被稱為倍速機構，該機構使得鉆機軸向尺寸小于油缸直推進給方式，在同等進給行程下油缸壓桿穩(wěn)定性不如直推式敏感，鉆機適應性更強，其缺點是油缸有效推力只利用了一半，傳動環(huán)節(jié)較多，油缸拆卸不便。 2 圖 壓油缸倍速進給機構示意圖 馬達 馬達 動一對減速器，由減速器驅(qū)動鏈輪鏈條，由鏈輪鏈條向動力頭提供進給回拖力，其結構如下圖 機構回拖進給行程不受限制，能提供足夠的進給力，工作速度快，工作平穩(wěn)， 結構緊湊，成本適中。但馬達排量和體積都增大了。圖 1壓馬達 壓馬達 液壓馬達－齒輪齒條回拖式：通過一組或多組液壓馬達驅(qū)動齒輪，與固定于機架的的齒條做相對運動來實現(xiàn)動力頭的進給回拖動作 ,其結構如下圖 示。這種結構承載能力強，不受進給長度限制，但液壓馬達布置在動力頭或動力頭托架 上，因此動力頭結構復雜，尺寸大，適用于大噸位的鉆機。 3 圖 壓馬達 開挖水平定向鉆機國內(nèi)外現(xiàn)狀 隨著我國城市化建設的迅速發(fā)展 ， 非開挖技術的應用越來越廣泛。非開挖行業(yè)作為一項新興產(chǎn)業(yè)，在我國方興未艾。水平定向鉆機 (稱 廣泛使用的一種非開挖產(chǎn)品，主要用于供水、煤氣、電力、電訊、天然氣、石油等管線的鋪設或更新。我國 預計未來幾年將處于急速發(fā)展的上升時期。 外 現(xiàn)狀 始于 20 世紀 70 年代末期，隨著技術與裝備的不斷改進和完善， 80年代中期在發(fā)達國家才逐漸為人們認可和接受，得以迅速發(fā)展，并以其獨特的技術優(yōu)勢和廣闊的市場前景得到了世界各國的重視。據(jù)了解，目前國外大約有 30多家 型生產(chǎn)廠家有 司、 威猛公司、凱斯公司等。 技術性能先進、操作性能良好 ,目前生產(chǎn)的系列產(chǎn)品有 中 定向鉆是其在我國銷售的主導產(chǎn)品。威猛公司的產(chǎn)品系列有： 1A 、 5A 、 0A 、6 、 0 、 4 、 00 、 00 、 20 、 20 、00 。美國 司生產(chǎn)的 60 系列 5 種型號分別為 6010、 6030、 6060、6080、 60100，其中凱斯 6030型定向鉆是其在我國銷售的主導產(chǎn)品。美國凱斯公 4 司是發(fā)展水平定向鉆較晚的公司，但生產(chǎn)的產(chǎn)品性能先進，尤其是在 制、自動更換鉆桿等方面有其獨特的先進性和優(yōu)越性。另外還有美國的 司、國的 司、英國的 司、瑞士的 司、加拿大的 司和意大利的 司等。 目前國外 產(chǎn)品大都具有以下幾個技術特點：主軸驅(qū)動齒輪箱采用高強度鋼體結構 , 傳動扭矩大 ,性能可靠；全自動的鉆桿裝卸存取裝置；大流量的泥漿供應系統(tǒng)和流量自動控制裝置；先進的液壓負載反饋，多種電氣邏輯控制系統(tǒng) ,，高質(zhì)量的 子電路系統(tǒng)確保長時間的可靠工作；高強度整體式 鉆桿以及鉆進和回拖鉆具；快速錨固定位裝置；先進的電子導向發(fā)射和接收系統(tǒng)。 總之，國外 品規(guī)格齊全，自動化程度高，結構緊湊，地層適應性強，均為履帶底盤驅(qū)動，機動性能好，設計體現(xiàn)以人為本的設計理念，功能齊全。 回拖力 50～ 700矩 1 200～ 40 000能指標覆蓋范圍大，功率匹配合理、可靠，技術水平含量高，尤其是在 動更換鉆桿等方面有其獨特的先進性和優(yōu)越性。目前國外 型化、硬巖作業(yè)、機械自動化（含自備式錨固系統(tǒng)、鉆桿自動堆放與提取、鉆桿連接自動潤滑、防觸電系統(tǒng)等自動化作業(yè)功能）、超深度導向監(jiān)控等趨勢發(fā)展。 內(nèi) 現(xiàn)狀 目前我國 品整體的水平相對落后， 個階段。 第一階段為技術引進期。即 80年代 中期至 90年代中期，我國的 立了自己的設計、研制基地，并開發(fā)出一定數(shù)量和規(guī)格的 第二階段為研發(fā)期。即 90年代中期以后，原地礦部、建設部、冶金部等一些相關單位，在一些小型 要產(chǎn)品有中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所生產(chǎn)的 開挖定向鉆機 。連云港黃海機械廠與首鋼地質(zhì)勘察院共同開發(fā)了 北京派普萊非開挖技術有限公司開發(fā)了 這兩家生產(chǎn)的均是拖式非開挖鉆機。這些水平定向鉆整機技術性能尚無法與外國產(chǎn)品抗衡，但價格低廉，在國內(nèi)占有一定的市場。雖然這一時期國內(nèi)水平定向鉆的產(chǎn)品已是液壓控制 ,但其自動化程度較低 ,輔助工作時間較長 ， 工作效率低 ,且鉆桿采用磨擦 5 焊結構 ,焊縫處經(jīng)常斷裂 ,出現(xiàn)嚴重的施工質(zhì)量事故，影響了施工單位的經(jīng)濟效益。 第三階段 為發(fā)展期與進口期，即 “ 十五 ” 期間國內(nèi)大、中、小 系列產(chǎn)品有了很大發(fā)展。如中聯(lián)重科、深圳鉆通、廊坊諾地、北京土行孫、南京地龍、連云港黃海等公司，其鉆機回拖力一般在 35t 以內(nèi)，控制系統(tǒng)為液控，自動化程度較低，生產(chǎn)效率低，人員勞動強度高，絕大部分型號為拖式。中聯(lián)重科公司產(chǎn)品型號為 回拖力 15～ 25t。該公司的產(chǎn)品在國內(nèi)硬巖施工工程中占有一定的地位。廊坊華元機電的產(chǎn)品型號為 拖力在 25～ 300t。徐工 科技 用了機電液集成的液比例控制、防觸電報警等世界一流技術，進行綜合開發(fā)的系列產(chǎn)品。據(jù)調(diào)查， 2002 年度國內(nèi)新增 00臺，國產(chǎn)鉆機的市場占有率已提高到 67%，其中新增大型鉆機（回拖力大于 45011臺 ,其中 6臺為進口設備。2001～ 2003年 ,國內(nèi)新增加 50臺，目前國外公司的 主要有美國的凱斯公司、 司、威猛公司等 ， 2003年 ，我國進口 28 臺。 論文研究的主要內(nèi)容和特色 本論文主要進行非開挖定向鉆機頂進回拖系統(tǒng)結構設計計算，頂進 回拖機構結構的不同，對進給回拖力的影響相當大，水平鉆機中常用的頂進回拖機構根據(jù)結構不同可分為液壓油缸進給方式、馬達 壓馬達 據(jù)提供進給回拖速度與力的不同，結構可分為液壓油缸倍速進給機構，馬達 圖 輪齒條傳動原理圖 6 通過采用如圖 善水平定向鉆機頂進回拖時的 動態(tài)性能，優(yōu)化結構。因為齒輪齒條結構簡單，所能傳遞的功率高，技術成熟，成本低，可以得到廣泛的應用。 論文研究的意義及主要關鍵技術指標 義 隨著國家基礎建設的投入持續(xù)增長，尤其是一批國家重點項目的陸續(xù)啟動，將對工程鉆機技術要求更高。鉆機不僅要具有高效性、環(huán)保性。更要具有復雜性和安全性，通常使用的工程機械在使用時只具有鉆進功能或者采用其他不合理的傳動方式，且鉆進力有限，當遇到堅硬的巖石，如卵石、灰?guī)r、花崗巖等硬巖石地層，就不得不改變鉆進方位，或者另鉆他孔，為了解決此問題，我在老師的指導下設計計算采用齒輪齒條傳動的非開挖水平定向鉆機頂進回拖機構，優(yōu)化水平定向鉆機性能。增大鉆機傳遞功率，克服較大阻力，它有效的解決了設定的問題。 鍵技術指標 （ 1）通過合理的設計與布局確保裝置具有良好的工作平穩(wěn)性，既具有較低的震動頻率，并能有效的控制噪聲。 （ 2）合理的設計傳動機構，以確保電機、齒輪、齒條、鉆頭之間所有的力與力矩的可靠傳遞，使裝置具有良好的操縱穩(wěn)定性的要求。 （ 3）便于布置，要考慮給齒輪齒條部分留出足夠的空間。 （ 4）所有零部件應具有足夠的強度與使用壽命。 （ 5）制造成本低。便于維修保養(yǎng)。 7 第二章 總體方案及動力頭導軌設計計算 體方案設計 體方案內(nèi)容 本畢業(yè)設計擬采用齒輪齒條傳動的形式傳遞動力，如圖 ： 圖 體方案示意圖 采用電動機驅(qū)動，經(jīng)齒輪組減速、齒輪齒條傳動，驅(qū)動非開挖定向鉆機動力頭頂進或者回拖。本方案主要包括四個部分：（ 1）電動機；（ 2）減速齒輪組；（ 3）齒輪齒條；（ 4）動力頭。 電動機：通過設計計算整個系統(tǒng)所需功率，通過查閱相關的機械設計手冊，選定電動機型號，提供整個系統(tǒng)所需的動力； 減速齒輪組：電動機輸出的轉(zhuǎn)速較高，而動力頭所需的鉆進速度較低，則要求齒輪齒條傳遞的速度較低，通過減速齒輪組，既能傳遞較大的功率，又能將電機轉(zhuǎn)速降低至所需的目標轉(zhuǎn)速； 齒輪齒條：齒輪齒條傳動是本設計的 重點內(nèi)容，它將電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成齒條的直線位移，既水平定向鉆機的動力頭的頂進和回拖； 動力頭：動力頭是實現(xiàn)鉆孔功能的核心部件，另行設計。 8 計方案特點 1、采用電機驅(qū)動 與傳統(tǒng)的水平定向鉆機相比，傳統(tǒng)頂進回拖系統(tǒng)多采用液壓驅(qū)動，液壓系統(tǒng)具有效率低、環(huán)境污染嚴重、容易發(fā)生火災、易發(fā)生泄漏等缺點。本設計的電機驅(qū)動頂進回拖系統(tǒng)，采用電機驅(qū)動，既能滿足所需功率需求，又具有通用性高、價格便宜、能源供應方便等優(yōu)點，而且電機的動態(tài)特性優(yōu)良、可調(diào)式性能好，采用電機驅(qū)動優(yōu)化了整個水平定向鉆機的能源裝置。 2、采用齒輪齒條傳動 齒輪齒條傳動承載力大，傳動精度高，可以無限長度對接延續(xù)、傳動速度高，適合本設計的設計要求。而且齒輪齒條傳動技術成熟、設計簡單、已大批量生產(chǎn)，采用齒輪齒條傳動大大簡化了水平定向鉆機頂進回拖系統(tǒng)結構，降低了生產(chǎn)制造成本。 力頭與導軌的設計計算 為了實現(xiàn)頂進回拖功能，動力頭需在導軌上產(chǎn)生向前向后的位移，動力頭與導軌之間存在摩擦，且精度要求較高；為了減小能量損失，動力頭與導軌的接觸采用滑動接觸的方法；采用齒輪齒條傳動，動力頭存在傾覆力矩，為了防止傾覆力矩對非開挖水平鉆機頂進回拖機構動力頭的影響，接觸結構需要有防傾覆功能。 綜合動力頭與導軌的結構所需滿足的精度高、速度較高、防傾覆的功能特點，采用如圖 圖 力頭與導軌接觸結構示意圖 圖中： M—— 為整個動力頭與導軌接觸結構的高度， M=80 9 W—— 為整個動力頭與導軌接觸 結構的寬度， W=50； L—— 為整個動力頭和導軌接觸結構的長度， L=160 根據(jù)齒條的長度，得導軌長度； 此結構形式的滑動導軌具有防傾覆的特點，有效的防止了齒輪齒條中傾覆力矩對動力頭的影響；且傳動平穩(wěn)、精度高、承受載荷較大，滿足本設計要求。 設計的滑動導軌如下圖 圖 軌裝配圖 動機選型 動機選型設計計算 根據(jù)此設計要求，整個非開挖水平定向鉆機頂進回拖系統(tǒng)結構設計參數(shù)如下表 表 要設計參數(shù) 項目 參數(shù) 最大推拉力 200大推拉速度 15m/土角度 10～ 20 度 通過查閱相關文獻，查的各機械傳動和摩擦副的效率概略值如下表 10 表 2械傳動和摩擦副的效率概略值 機械傳動和摩擦副 效率 η 十字滑塊聯(lián)軸器 溝球軸承 柱齒輪傳動 輪齒條傳動 擦傳動 據(jù)此畢業(yè)設計的參數(shù)要求，整個非開挖定向鉆機頂進回拖系統(tǒng)結構按照所給的最大參數(shù)進行設計計算： 非開挖水平定向鉆機頂進回拖裝置所需功率可以由公式（ 2得，即 (2式中： F—— 推拉力，； V—— 推拉速度，； 經(jīng)計算得： 電動機所提供動力需經(jīng)過各級傳動然后驅(qū)動非開挖水平定向鉆機動力頭頂進回拖，通過查閱相關文獻獲得各級傳動效率，可以根據(jù)公式（ 2得電動機所需提供功率： (2式中： —— 頂進回拖裝置所需最大功率， P=50 —— 電動機額定功率； η —— 傳動效率，由公式（ 2： （ 2 通過上式可以求得電動機額定功率：； 動機型號及技術參數(shù) 查閱相關電動機選型手冊，根據(jù)所需額定功率為選定電動機型號，考慮到要留有一定的功率余量，應選取額定功率大于 取電動機型號為： 280相關參數(shù)如下表 11 表 機技術參數(shù) 電機型號 額定功率（ 滿載轉(zhuǎn)速（） 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 質(zhì)量（ 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩 5 740 20 12 第三章 減速箱齒輪組設計計算 速箱齒輪組設計計算 動比分配 通過查閱機械設計手冊，得開式圓柱齒輪傳動傳動比；綜合考慮非開挖水平定向鉆機頂進回拖機構最大進給速度，根據(jù)公式（ (式中： i—— 傳動比； —— 電動機轉(zhuǎn)速，； —— 齒輪齒條傳動中齒輪轉(zhuǎn)速；根據(jù)公式（ （ 式中：； d—— 齒輪齒條組中齒輪分度圓直徑； 取單級減速齒輪組傳動比 i= 輪傳動設計計算 1、選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1）根據(jù)運動簡圖的傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動； 2）定向鉆機為一般工作機械，速度不高，故選用 7級精度； 2）材料選擇。因非開挖水平定向鉆機速度不高，有粉塵，查閱相關手冊小齒輪材料選擇 40質(zhì)），硬度為 280齒輪材料為 45鋼（ 調(diào)質(zhì)），硬度為240者硬度差為 40 4）選小齒輪齒數(shù)1 17z ?，大齒輪齒數(shù)為2 3 7 6 1z ? ? ?； 2、按齒面接觸強度設計 （ 1）根據(jù)公式（ 齒面接觸疲勞強度進行設計計算： 13 ? ?21312 12 . 3 2 t ???? ????（ 式中： 1）試選載荷系數(shù) ； 2）計算小齒輪傳動轉(zhuǎn)矩 6 6159 . 5 5 1 0 9 . 5 5 1 0 7 5 0 . 9 8 0 . 9 97409 . 3 1 0 m m m? ? ? ? ?? ? ?? ? ?。 3）查閱機械設計手冊選取齒寬系數(shù) ?； 4）由機械設計手冊查得材料彈性影響系數(shù)為 ? ； 5）由機械設計手冊按齒面硬度查得小齒輪接觸疲勞強度極限001? ，大齒輪接觸疲勞強度極限 502? ； 6）由機械設計式 10 9116 0 6 0 7 4 0 1 ( 2 8 3 6 5 1 0 ) 2 . 5 9 3 1 0hN n j L? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 9 822 . 5 9 3 1 0 5 . 1 8 1 05N ?? ? ? 7）由機械設計圖 10接觸疲勞壽命系數(shù) 8）計算接觸疲勞許用應力。取失效概率為 1%，安全系數(shù)為 S=1，由機械設計手冊式 10： ? ? M P i ??? ?? ? ? M P 2l i ??? ?? （ 2）計算 1）由公式（ 算小齒輪分度圓直徑 3 9 . 3 1 0 4 . 6 1 8 9 . 82 . 3 21 3 . 6 5 4 09 2 . 4 ( 9 4 )m ?????????取 整 數(shù) 值 d 2）計算圓周速度 4 7 4 0 / 3 . 6 4 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0m s m s? ? ??? ? ??? 14 3）計算齒寬 b 、模數(shù)1 0 . 8 9 4 7 5 . 2d m m m m?? ? ? ?，齒寬取為 b=75 1178 3 . 920m ? ? 2 . 2 5 2 . 2 5 3 . 9 8 . 7 7th m m m m m? ? ? ? 7 5 . 4 4/ 8 . 6 08 . 7 7 4）計算載荷系數(shù) 由機械設計手冊表 10取使用系數(shù) 1?根據(jù) v m s? ， 7 級精度，由機械設計手冊圖 10得 1.1? 直齒輪， 1??由機械設計手冊表 10插值法查得 7 級精度，小齒輪相對支承對稱非對稱布置時， ?由 / ， ?，根據(jù)機械設計 手冊 10 ?；故根據(jù)式（ 得載荷系數(shù)為： 1 1 . 1 1 1 . 4 1 2 1 . 5 5A v H K K K??? ? ? ? ? ?（ 5）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式（ 3311 1 . 5 59 4 8 21 . 3d m m m ? ?（ 6）計算模數(shù) 1182 4 . 120dm m m m ? ? 根據(jù)機械設計手冊齒輪模數(shù)推薦表，綜合計算結果分析，故齒輪模數(shù)。 速齒輪組結果匯總 通過計算，減速齒輪組計算結果如下表 示： 表 輪組計算結果匯總表 15 序號 名稱 代號 計算公式 計算結果 1 模數(shù) 4 分度圓壓力角 ? 取標準值 20? ?? 3 齒頂高系數(shù) *取標準值 * 1 4 徑向間隙系數(shù) *c 取標準值 * 5 分度圓直徑 d 11d 2d 4 1 7 6 8d m m m m? ? ?2 4 6 1 2 4 4d m m m m? ? ?6 中心距 a 156a 16 齒頂高 6 17 齒根高 12 ()f f ah h m h c? ? ?**12 ()f f ah h m h c? ? ?=5齒根彎曲疲勞強度校核 根據(jù)齒根彎曲疲勞強度校核公式（ 核齒輪： （ (式中： —— 為載荷作用于齒頂時的應力校正系數(shù)，通過查機械設計手冊表 10—— 齒形系數(shù)，通過查機械設計手冊表 10 K—— 載荷系數(shù)，； b—— 齒寬， b=75 —— 小齒輪圓周力，。 算彎曲疲勞許用應力 1) 由機械設計手冊查得小齒輪彎曲疲勞強度極限 001 ?? ， 大齒輪彎 彎曲疲勞強度極限 802 ?? ； 2） 由機械設計手冊圖 10 3） 計算彎曲強度許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù) ，由機械設計手冊式 10 ? ? 111 0 . 8 6 5 0 0 3 0 7 . 1 41 . 4F N F M P ?? ? ? ? ? 222 0 . 9 3 8 0 2 4 4 . 2 91 . 4F N F M P ?? ? ? 取較小值，即。 核計算 17 將參數(shù)代入公式得： 故滿足設計要求。 18 第四章 齒輪齒條設計計算與校核 齒輪齒條傳動是非開挖水平定向鉆機頂進回拖系統(tǒng)結構的核心傳動部件，將電動機輸出的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變成齒條的直線位移，實現(xiàn)電動機驅(qū)動的水平定向鉆機的頂進回拖功能。齒輪齒條傳動設計技術成熟、傳動精度高、傳遞的功率大、速度較高、適宜大批量生產(chǎn)，能夠滿足本設計功能需求。 齒輪齒條設計計算參數(shù)如下表 表 輪齒條設計參數(shù) 名稱 計算公式 參數(shù) 輸入轉(zhuǎn)速（ r/ 205 最大推拉速度（ m/ 20 輸入轉(zhuǎn)矩（） 輸入功率（ 輪齒條傳動原理如下圖 圖 輪齒條傳動原理圖 19 其嚙合線12于齒條的基圓為無窮大，所以嚙合線與齒條基圓的切點2 齒輪與齒條嚙合時，不論是否標準安裝（齒輪與齒條標準安裝即為齒輪的分度圓與齒條的分度圓相切），其嚙合角 '? 恒等于齒輪分度圓壓力角 ? ，也等于齒條的齒形角；齒輪的節(jié)圓也恒與分度圓重合。只是在非標準安裝時，齒條的節(jié)線與分度線不再重合。 齒輪與齒條正確嚙合條件是基圓齒距相等，齒條的基圓齒距是其兩相鄰齒廓同側直線的垂直距離，即 c o s c o m? ? ???。 齒輪與齒條的實際嚙合線為12齒條頂線及齒輪齒頂圓與嚙合線12 輪齒條設計計算 齒輪齒條傳動 , 齒輪作回轉(zhuǎn)運動，齒條作直線運動，齒條可以看作一個齒數(shù) 無窮多的齒輪的一部分，這時齒輪的各圓均變?yōu)橹本€，作為齒廓曲線的漸開線也變?yōu)橹本€。齒條直線的速度 v 與齒輪分度圓直徑 d 、轉(zhuǎn)速 n 之間的關系為式（ 示： v = ( / )60dn m m s? （ 式中 ： d—— 齒輪分度圓直徑， n —— 齒輪轉(zhuǎn)速， V—— 齒條直線速度， v=20; 計算得齒輪齒條中齒輪分度圓直徑 d=32為要留有一定余量，分度圓直徑取 60 1、按齒根彎曲強度設計 （ 1）、選定齒輪類型、精度等級、材料 1）根據(jù)運動簡圖的傳動方案，選用直齒齒輪齒條傳動； 2）定向鉆機為一般工作機械，速度不高，故選用 7級精度； 3）材料選擇。因非開挖水平定向鉆機速度不高，有粉塵，查閱相關手冊小 20 齒輪材料選擇 40質(zhì)），硬度為 280條材料為 45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240者硬度差為 40 4）齒輪齒條中齒輪齒數(shù)； （ 2）根據(jù)彎曲強度的設計公式（ 計齒輪 ? ?13 212 F a S ??? ????（ 式中： 1） 由機械設計手冊查得小齒輪彎曲疲勞強度極限 001 ?? ， 大齒輪 彎曲疲勞強度極限 802 ?? ； 2） 由機械設計手冊圖 10得彎曲疲勞壽命系數(shù) 3） 計算彎曲強度許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù) ，由機械設計手冊式 10 ? ? 111 0 . 8 6 5 0 0 3 0 7 . 1 41 . 4F N F M P ?? ? ? ? ? 222 0 . 9 3 8 0 2 4 4 . 2 91 . 4F N F M P ?? ? ? 取較小值，即； 4） 計算載荷系數(shù)，； 5）查取齒形系數(shù)，由機械設計手冊表 10的 5） 查取應力校正系數(shù)查得 6） 計算大小齒輪的? ?加以比較： ? ? 0 1 3 9 7 5 6 8 4 1 ???F Y ?? ? 0 1 5 9 4 7 9 7 2 2 ???F Y ?大齒輪的數(shù)值大； 21 （ 3）計算 63 22 1 . 4 7 3 . 1 8 1 0 0 . 0 1 5 9 90 . 8 4 2 1 . 6 23 . 9 7? ?????? 根據(jù)計算值，通過查閱機械設計手冊得標準模數(shù) m=4。 可以算得齒輪齒數(shù) 15，為避免產(chǎn)生根切，取齒輪齒數(shù)為。 計計算結果匯總 通過設計計算，齒輪齒條相關參數(shù)如下表 示： 表 輪齒條設計計算結果匯總表 項目名稱 計算公式及代號 設計計算結果 齒輪齒數(shù) 1z 17 模數(shù) m 4基本齒廓 壓力角 ? 20? 齒頂高系數(shù) *隙系數(shù) *C 寬 齒輪 1b 40齒條 2b 50齒條長度 L 600齒輪分度圓直徑 1d 68齒頂高 齒輪 *11h m? 4齒條 *22h m? 4齒根高 齒輪 **11()h c m?? 5條 **21()h c m?? 5 22 齒高 齒輪 h h?? 9齒條 齒輪中心到齒條中心距 120齒距 齒條齒數(shù) 2 p?? 12 23 第五章 軸的設計計算及校核 軸是組成機器的主要零件之一，一切做回轉(zhuǎn)運動的傳動零件，都必須安裝在軸上才能進行運動及動力的傳遞。因此，軸的主要功用是支承回轉(zhuǎn)零件及傳遞運動和動力。 的設計計算 1、計算軸上的功率 P、轉(zhuǎn)速 n、和轉(zhuǎn)矩 T 2、求作用在齒輪上的力 3、選取軸的材料為 45鋼，調(diào)制處理。根據(jù)機械設計手冊表 1510A ?。根據(jù)下式初步估算軸的最小直徑： 33m i n 0 6 9 . 8 51 1 0 4 6 . 8205 m m m ? ? ?軸的最小直徑顯然是安裝齒輪齒條中齒輪處的直徑 ，與齒輪的孔徑相適應，根據(jù)齒輪的分度圓直徑為 68 47I ?；然后根據(jù)齒寬 40據(jù)裝配關系，取 34I ?； 4、軸的結構設計 （ 1）擬定軸上零件裝配方案 24 圖 的結構與裝配 （ 2） 確定軸向定位和各段軸的直徑和長度 1）為了滿足齒輪齒條中齒輪的軸向定位要求， 取 的直徑 50m m? ?，左端用軸端擋圈定位，按軸端直徑選擇擋圈直徑為 D=5591由于齒輪與軸配合的轂孔長度為 L=40了保證軸端擋圈只壓在齒輪上而不壓在軸的端面上，故 長度比 b 略短，現(xiàn)取 34I ?，取 45?； 2） 初步選擇滾動軸承。因為軸承受到徑向力的作用，故選用深溝球軸承， 參照工作要求并根據(jù) 49m m? ?，初步選擇 6011（ 297其基本尺寸為 5 5 9 0 1 8d D B m m m m m m? ? ? ? ?，故 55I I I I V V I I I V I I I Id d m m????，取42Vl ? 。右端軸承采用軸肩定位。由手冊查得其安裝尺寸 62ad ，故取 60m m? ?； 3） 取安裝齒輪處的直徑為 70d ?齒輪的左端與左軸承之間采用套筒 定位。已知齒輪寬度為 70取 64l ?； 4） 取齒輪距箱體內(nèi)壁之間距離為 20慮到箱體鑄造誤差，在確定滾動 軸承位置時，應距箱體內(nèi)壁一段距離，取為 5知軸承寬度 18T ，大齒輪輪轂長2 70B 則 42Vl ? 5） 齒輪右端采用軸肩定位，軸肩高度，故取 h=10，則；軸環(huán)寬度，故 ; 25 6） 根據(jù)總體尺寸，； 至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。 （ 3）軸上零件周向定位 輸出齒輪與軸的連接采用平鍵，按 47I ?由手冊查取并選擇平鍵長度為 25選用平鍵為 1 4 9 2 5b h l m m m m m m? ? ? ? ?； 輸入齒輪的平鍵型號為 2 0 1 2 5 0b h l m m m m m m? ? ? ? ?滾動軸承的周向定位是靠過盈配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為 6m 。 (4)確定軸上圓角和倒角尺寸 取軸端倒角為 2 45??，各軸肩處的圓角半徑如圖所示。 的校核 首先根據(jù)軸的裝配結構圖做出軸的計算簡圖。在確定軸承指點位置時。根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖如圖 示： 圖 的彎矩圖和扭矩圖 從軸的結構圖以及彎矩圖和扭矩圖中可以看出軸的危險截面。現(xiàn)將計算出的危險截面的 的值如表 26 表 險截面的 值 載荷 垂直面 V 水平面 H 支反力 F 1 3 0 6 8 2 2 8 9 8 4 3 0 6 2 9 1 矩 M 1 9 6 9 3 4 . 8 4 m m?? 5 4 1 0 7 3 . 0 4 m m?? 總彎矩 5 7 5 7 9 7 . 7 0M N m m?? 扭矩 T 63 . 1 8 1 0T N m m? ? ? 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面）的強度。根據(jù)機械設計手冊中的公式和數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應力為脈動循環(huán)應力，取 ，軸的計算應力為： 222223()5 7 5 7 9 7 . 7 0 ( 0 . 6 3 1 8 0 0 0 0 )5 4 . 10 . 1 7 0a a M P a????????前面選擇軸的材料為 45鋼，調(diào)制處理，由機械設計手冊查得 1 ??? 。因此， ][1?? ??安全。 承的校核 根據(jù)設計要求，采用深溝球軸承 6011，只承受徑向力。根據(jù)公式（ 核軸承使用壽命： ?????????? 0106 （ 式中： 溫度系數(shù)，取 1?本額定動載荷 C=75200N， ? —— 對于滾子軸承310??； 27 C—— 基本額定動載荷，通過查閱機械設計手冊，得 C=P—— 當量動載荷，因為是深溝球軸承，只承受徑向力， P= 代入公式計算得： 106331 0 1 3 0 . 2 1 0 1 6 6 0 9 4 ( )6 0 2 0 5 3 0 6 8 . 5 2??????? ??滿足設計要求。 28 第六章 輔助部件的設計計算 栓的設計 栓的主要作用 鉆機螺栓主要作用有： （ 1）、 連接機架 ,并起固定整個結構； （ 2）、 主軸分別由三個個螺栓固定，由套筒進行定位安裝； 采用普通螺栓時，靠聯(lián)接預緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來抵抗轉(zhuǎn)矩 T，假設各螺栓的預緊程度相同，即各螺栓的預緊力均為0F，則各螺栓聯(lián)接處產(chǎn)生的摩擦力均相等，并假設此摩擦力集中今后作用在螺栓中心處。為阻止接合面發(fā)生相對轉(zhuǎn)對，各摩擦力應與各該螺栓的軸線到螺栓組對稱中心 O 的連線相垂直。根據(jù)作用在箱體上的力矩平衡及聯(lián)接強度的重要條件，應有 n??0（ 6 式中 可靠性系數(shù)，取 —— 聯(lián)接摩擦副的摩擦因數(shù)，查 [2]表 5 = r—— 轉(zhuǎn)矩作用半徑； z—— 螺栓個數(shù)。 栓的設計計算及校核 由 設計計算說明書中可知1 318T ?r=90z=61，摩擦因數(shù) 齒輪所受的切向力11 2000轉(zhuǎn)矩311 2 0 0 0 1 0b b r ? ? ? ?，代入得1 1 1 164 3 . 220bb T ? ? 29 由于螺紋貫穿整個箱體，將上箱體與下箱體連接，且在同一螺紋內(nèi)所受拉力大小不變，故可將兩端轉(zhuǎn)矩平分，即兩結合面處轉(zhuǎn)矩 4 1 3 0 . 8 82 M??? 于是螺紋內(nèi)拉應力21 . 2 4 1 3 0 . 8 8 1 7 9 9 9 . 50 . 1 5 0 . 1 5 3 1 2???此接合面選用 擰緊力矩作用下，螺栓除受預緊力2F 的拉伸作用而產(chǎn)生拉伸應力外，還受螺紋摩擦力矩的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應力，使螺栓處于拉伸扭轉(zhuǎn)的復合應力狀態(tài)下。因此，進行僅受預力的緊螺栓強度計算時，應綜合考慮 拉伸應力扭轉(zhuǎn)切應力的作用。 則螺栓預緊力狀態(tài)下的計算應力為： 212211 7 9 9 9 . 51 . 3 1 . 3 1 1 6 . 40 . 0 1 644F M P ??? ? ? ??螺栓的許用拉應力為： 2 2 5 ??? n ? 中 n—— 安全系數(shù)； ?1因此，螺釘強度滿足。 此時可以算得螺栓的擰緊力矩為 020 . 2 0 . 2 1 7 9 9 9 . 5 0 . 0 1 6 5 8T F d N m? ? ? ? ? ?所以，螺栓各尺寸需按照結構需要而定，根據(jù)設計計算尺寸，螺栓選用 =2616,L=38 30 滑 考慮到該非開挖水平定向鉆機頂進回拖機構的的工作形式，所有齒輪齒條都須潤滑，但是由于齒輪齒條暴露在空氣中，故采用潤滑脂潤滑；考慮該減速器的工作形式，所有齒輪都須潤滑，故采取全浸油式潤滑。為防止減速箱內(nèi)潤滑油泄漏和外界雜質(zhì)，灰塵等侵入，各接合表面須安裝密封裝置，在各接合面上涂一層密封膠，并用螺釘（螺栓）擰緊，以保證減速器的密封性。 齒輪油選用 60 潤滑油，油封下軸承采用 60潤滑脂潤滑；齒輪齒條采用 60潤滑脂潤滑，其相關參數(shù)如下表 表 60型潤滑脂參數(shù) 1825 稠劑類型 復合鋰基 外觀顏色 紅色 針入度 (工作溫度 25217) 305 滴點 ， ， 2265 255 基礎油粘度 445(0 460 2509，磅， 0 四球焊接負荷， 2596， 50 ?水沖失， 1264， 79 3 防銹試驗， 6138 0 防腐蝕保護， 1743，額定 通過 C?美國鋼鐵公司流動性指標， 表 60型潤滑油技術參數(shù) 460 粘度 445(0 460 31 粘度 445(00 度指數(shù) 2270 166 傾點 97 -