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浅析牙轮钻机的液压驱动变速箱设计

上传时间:2019-04-08 13:38  资源积分:5   浏览:76   下载:0   文件大小:11 KB
分类: 其他论文 |
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浅析牙轮钻机的液压驱动变速箱设计

摘要:随着我国地质勘探、工程建设和农田水利等事业的发展,对各种钻探设备提出了更多的要求。钻机作为高技术的代表,反映了一个国家的实力,而钻机的关键部件变速箱的设计也成为一道技术壁垒,制约着各国钻机的发展。本文主要对牙轮钻机的液压驱动变速箱进行设计方案分析,最终选出满足钻探要求,同时尽量节省制造成本和生产时间的设计方案。

关键词:地质勘探,牙轮钻机,变速箱,钻探,齿轮
一、前言

当前我国地质勘探、工程建设和农田水利等事业正在逐渐完善,对各种钻探设备尤其是钻机提出了更多的要求。现在市场上流行的钻机中以钻探深度为百米左右的液压钻机为主,这些钻机在各种生产建设项目中起到了至关重要的作用。变速箱是钻机中最重要的部分之一,因此,变速箱的设计改进,不仅对钻机这个生产行业有着重要的经济意义,同时间接推动了我国国民经济的发展。

二、 钻机概述

2.2.1 钻机的功用

钻探是地质勘探工作的重要手段之一,钻机是实现该手段的主要设备。其基本功用是以机械动力带动钻头向地壳钻孔并采取岩矿心。钻机同时还是进行石油、天然气勘探及开采、水文水井钻探、工程地质钻探等工程的重要设备。

2.2.2 对钻机的要求

钻机的技术性能要保证在施工中能满足合理的工艺要求,以最优规程,达到预计的质量要求;维护保养简单容易;安装拆卸搬迁方便;利于快速钻进;钻进辅助时间短;钻孔施工周期短;体力劳动强度低等。概括起来说,是钻机要为多、快、好、省地完成钻探生产任务创造有利条件。根据钻机的基本功用,

2.2.3 钻机的组成

目前常用的钻机由如下各部分组成:

1)机械传动系统

将输入的动力变速并分配到回转、升降机构。对与液压钻机还要有驱动油泵,以使液压系统工作的装置。

2)液压传动系统

利用油泵输出的压力油驱动马达、油缸等液动机,以使立轴回转和控制给进机构、移动钻机、松紧卡盘等;

3)回转机构

回转钻具,以带动钻头破碎孔底岩石。

4)给进机构

调整破碎岩石所需要的轴心压力和控制给进速度。在出现孔内事故时,可以进行强力拔出。

5)升降机构

用于升降钻具(提取岩心和更换钻头)和进行起下套管等作业。

6)机架

支承上述各机构及系统,使之组装成一个整体,成为完整的机器。

三、变速箱简介

随着科学技术的发展,变速箱设计技术越来越成熟。越来越多的种类、越来越多的形状、越来越多的外形满足了各行各业的需求。

3.3.1 普通变速箱(汽车为例)

通常提到的变速箱主要指车辆用变速箱,而以汽车变速箱为主。它分为手动和自动两种类型。手动变速箱主要由齿轮和轴组成,通过不同齿轮的啮合产生不同的速度和扭矩。

自动变速箱是由液力变扭器、行星齿轮、和液压操纵系统组成,通过液力传递和齿轮组合的方式实现变速和变矩。其中液力变扭器是最具特点的部件,它由泵轮、涡轮和导轮等构件组成,直接输入发动机动力传递扭矩和离合作用。泵轮和涡轮是一对工作组合,他们就好像相对放置的两台风扇,一台风扇吹出的风力会带动另一台风扇的叶片旋转,流动的空气----风力成了动力传递的媒介。如果液体代替空气成为传递动力的媒介,泵轮就会通过液体带动涡轮旋转,再在泵轮和涡轮之间加上导轮以提高液体的传递效率。

普通变速箱变速技术成熟,可靠,安全。它们有一个共同的特点:1 个输入1 个输出。一次只能实现一个速度输出。

3.3.2 专用型变速箱

所谓专用型变速箱也就是为了满足特定的使用场合而设计的变速线。以本设计为例。牙轮钻机的液压驱动变速箱,外接4 台液压泵,这是普通变速箱所不具备的特点。而变速箱的4 个输出分别独立,互不影响,这又是其一个特点。输出外接的设备是液压泵,因此,必须保证外接液压泵不出现干涉,能正常安装,拆卸,更换相应零件。所以,牙轮钻机的液压驱动变速箱的设计不是普通变速箱的齿轮啮合,而是根据实际使用的场合来设计合理的布局,达到比较合适的要求的变速箱。因此本设计主要的任务不是仅仅设计一个像汽车变速箱那样的变速箱, 而是针对特定场合才使用的变速箱进行设计。在先前的基础上进行强度设计,以达到优化的目的。

 

1-2 牙轮钻机的液压驱动变速实物图

 

四、 变速箱的结构分析

4.1 变速箱的功用和要求

变速箱的功用是根据牙轮钻机在不同的行驶条件、不同的工作情况下根据实际情况提出的要求,改变发动机的扭矩和转速,使牙轮钻机具有合适的牵引力或者工作进给力。同时保持发动机在最有力的工况范围内工作。为保证牙轮钻机能满足在工作环境恶劣的情况下正常工作,必须要有相应的卸载、加载控制装置。

对变速器的基本要求:

1)保证牙轮钻机有必要的动力性和经济性;

2)设置有相应卸载装置,用来切断电机的动力传输;

3)设置动力输出装置;

4)换挡速度快、省力、无冲击;

5)工作可靠。变速箱不得有跳速,换挡冲击等现象发生。

6)变速器应有高的工作效率;

7)变速箱的工作噪音低。

除此之外还应当满足轮廓尺寸和质量尽量小,制造成本低,拆装容易,维修方便等要求。

4.2 变速箱方案的确定

变速箱由传动机构和操纵机构组成。

(1) 变速箱变速方案的确定

方案一:采用机械控制方式实现变速。模仿汽车变速箱换挡方式,为实现每一个速度输出是独立的,每一个齿轮由一个换挡杆确定,采用摩擦式靠近贴合,啮合套,同步器等机构实现加载和卸载。

优点:结构简单,成本低,换挡方式借用汽车变速方式,结构成熟。

缺点:箱体结构尺寸大,4个输出4个换挡杆,且齿轮转速高,采用机械式换挡无法准确保证齿轮啮合。

方案二:采用牙嵌式离合器控制变速。换挡结构需要再加上一个离合器控制

换挡,可保证在转速低的情况下换挡,且冲击小。

优点:技术成熟,变速平稳。

缺点:牙嵌式离合器的增加会使变速箱结构复杂,需要另外的离合器控制。

方案三:变速箱采用齿轮变速,下载通过外接液压泵的溢流阀实现加载卸载。

优点:变速箱结构简单,卸载加载方便,无冲击,控制换速系统方便易实现。电机无须停机,直接可实现换速。

综上所述最终选择方案三,变速箱采用齿轮啮合实现变速。加载卸载通过外接液压泵实现。过渡平稳,结构简单。

本设计中变速箱实现1 个输入4 个输出,即实现4 种速度。传动比分别为 i01=1.4736i02=1.4i03= i04=1.5135

2)齿轮布局方案确定

方案一:输入轴和输出轴中心线位于同一平面

中间高速轴为前后两个齿轮。每个齿轮分别与两个齿轮啮合。所有轴中心线均在同一平面。

优点:箱体铸造简单,结构简单,便于拆卸安装。

缺点:为了满足外围安装齿轮的轴不与内侧齿轮干涉,外侧齿轮在满足传动比和强度的情况下需要额外加大,导致箱体尺寸变长,箱体过于笨重。

方案二:采用梅花形布局。一个齿轮同时和四个齿轮啮合。 

优点:结构更加紧密,箱体总体布局合理,变速箱齿轮在啮合过程中形成油膜,磨损很小,高速轴齿轮足以满足寿命要求。

4.3 变速箱的主要零件结构的方案分析

变速箱的设计方案必须满足使用性能,制造条件,维护方便以及三化等要求。在确定变速箱结构方案时也要考虑齿轮型式、轴承型式、润滑和密封等因素。

1)齿轮型式

本设计由于要考虑外接液压泵的形状尺寸,保证接上油管后不干涉也就是齿轮中心距基本确定。因此选用制造简单,成本低的直齿圆柱齿轮。在保证强度和传动比的情况下需要额外加大直径,因此选用直齿圆柱齿轮比选用斜齿轮更降低了成本。

2)变速方式

2.21)中所述通过外接液压泵的溢流阀控制换速。

3)变速箱轴承

变速箱的轴承常采用圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、滑动轴套等。本设计中由于采用直齿轮,每个轴的轴向力在制造和安装精度足够的情况下基本为零,但考虑到误差会产生少许轴向力,因此采用能承受一定轴向力的深沟球轴承。

五、结

变速箱是机械中不可缺少的部分。本文通过对变速箱变速机构、主要零部件结构的方案分析和根据齿轮受力的不同选择合适的轴承,来初步设计变速箱,解决了变速箱设计制造中的关键环节问题。这是自主研发的第一步,也是关键的一步。将来只有坚持这个方向就能突破技术封锁,走向世界前列。

参考文献:

[1] 濮良贵,纪名刚.机械设计(第八版)[M].北京:高等教育出版社,2012.

[2] 吴宗泽.机械零件设计手册(第一版)[M].北京:机械工业出版社. 

[3] 徐灏.机械设计手册第4卷(第一版)[M].北京:机械工业出版社,1991.

[4] 煤炭工业部.液压传动设计手册(第一版)[M].南京:上海科学技术出版社,1981.

  



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