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回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计.rar

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    编号:20181101165908480    类型:共享资源    大小:4.58MB    格式:RAR    上传时间:2018-11-01
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    回旋 冲击钻 轴承 结构 润滑 方式 设计
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    回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计1中文摘要与关键词摘 要:本文系统的阐述了回旋冲击钻具轴承结构和密封润滑方式的设计。设计内容包括轴承结构设计、密封润滑方式设计、轴承结构主要零件的工艺分析、气动驱动结构的载荷设计以及成本、效益的比较计算等几个主要部分。同时,在 AutoCAD 的基础之上,完成了回旋冲击钻具轴承结构的装配图和主要零件图的绘制。通过对轴承结构和润滑方式的研究以及结合回旋冲击钻具的工作要求,设计出了主轴组合轴承结构、环型轴承结构、芯捻润滑和局部密封润滑方式,成功的解决了回旋冲击钻具工作中传动摩擦大,密封润滑难的问题,有效的保证了钻具的工作条件,使设计后的钻具功率损耗小,提高了钻具的工作效率。关键词:轴承结构;局部密封;芯捻润滑;工作效率回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计2AbstractAbstract: This graduation design systematically elaborated the designing of the bear structure of rotating striking drill tool and the method of sealing, which including bear structure designing, sealing lubricating method designing, the analysis of the process of main parts of the bear structure, air driving structure loading designing and the comparing calculate of the cost and profit. At the same time, based on the AutoCAD, the assembly drawing and main parts drawing of the bear structure of rotating striking drill tool were finished. Via the study of bear structure and lubricating method, connecting to the working requirement of the rotating striking drill tool, the combined bear structure of the main shaft, round bear structure and twirl-coring lubricating and located sealing lubricating were designed. And some problems such as large frication in transmission and difficulty of sealing lubricating when rotating striking drill tool was working, were resolved successfully, then the working conditions of the drill tool were guaranteed effectively, and the power using was decreased, and the efficiency was promoted.Keywords: bear structure; located sealing; twirl-coring lubricating; working efficiency回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计3第一章 绪论1.1 课题来源基于高层、超高层建筑物及大型桥主塔基础等承载的需要,对大直径桩工机械要求越来越大。国内大直径的钻具设备研发,少有研究采用新的运动原理和结构,一般只能采取加大直径,增加配套功率和扭矩,以及选用高硬刃具材料等办法,因而有逼向高功率配置和笨重方向发展的趋势,不仅固有的弱点问题没有解决,而且又更加大了施工设备投资,影响工程建设效益。如:湖南省道 1804 线周家店至常德公路改建工程,在柳叶湖大桥四根 3.0 米直径桩基础施工中,由于施工成本的原因,第一个枯水施工季节,没有进场大直径成孔设备,施工单位采取沉井明挖法施工失败。在第二个枯水施工季节,终于以 60 多万的价格,新购置到重型冲击钻机设备,开始进行返工施工。韶关产冲击锤重达 13 吨,配套设备均是个别设计生产,使用直径 4.5 公分钢丝绳。由于锤重绳粗,常规的设备匹配和连接方式,在这“重型”面前显得非常脆弱,出现了每两个工作班必须更换连接,每次需三小时,每 15 个工作班,损坏一次导轮或轴,每次更换需时间 1—2 天的情况,另外 3—1# 桩基出现了严重的孔壁失圆现象,明显地影响了工程质量、进度和效率。针对以上桩基础工程中的具体数据和施工情况来看,常规的钻具已经难以满足施工要求,而且常规直径桩基础成孔施工广泛使用冲击钻和回旋钻两种基本钻型,排渣采用泥浆护壁正循环方法排渣,这两种基本钻型它们工作的一个共同特点就是切削刀刃与孔壁和孔底保持整体的或线或面的接触,至使摩擦阻力大,切削相对速度低,能量分散,分布不合理,无效功耗大,效率低。根据以上两种钻具的缺点以及结合目前现实施工中所面临的问题,构想出了一种兼有冲击钻和回旋钻优势功能的全新型结构的“回旋冲击钻具” 。该回旋冲击钻具的结构和功能特点是:在常规主动力杆(空心杆)的驱动下,回旋冲击钻具运动机构可靠地建立起了由若干小直径钻杆组成的钻头群连续稳定的径向复星形旋转切削运动,另用气动力或电磁力方式对钻杆群附加轴向可操控的冲击动力,以满足在相应地质条件下实现破碎和旋削复合钻进的需要,此钻具宜采取反循环气升排渣。从理论上说即使全钻具只安装一根钻杆(如 10 厘米直径的刃具) ,钻具运动机构也可驱动其完成设计 3 米以上足够直径断面的成孔,亦即大直径成孔未必一定要配套大扭矩钻机。回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计4或如果单个刃具能实现如图 1-1 所示的平面单迹线星形运动,并同时具有径向旋削软散颗粒,轴向冲击破碎整体岩石的功能。则数个小直径的刃具也将会产生高效率的复合图 1-1 单点星形运动网状迹线图运动和作用,由若干连续点的运动,形成连续的曲线运动,若干曲线的运动,使施工面呈周边包络线为圆形的细密网状曲面,实现钻具逐层从上至下的整体成孔运动。1.2 设计的目的及意义“一桥飞架南北,天堑变通途” ,随着科学技术的高速发展,一条条宽敞的公路纵横交错,一幢幢高楼雨后春笋般的拔地而起,一座座雄伟的桥梁飞跃大江河海,把祖国的江山打扮得如此多娇。桩工工程作为一种基础工程在祖国建设中发挥了巨大的作用,并且取得长足的发展,各项工程基础的施工进度往往是影响整个项目建设工期的关键,其造价也是影响项目投资的主要不定因素。为适应各类建筑工程材料、设计和施工技术的发展需要,从钻孔桩基础施工成孔设备着手,综合冲击钻和回旋钻两种基本钻型成孔原理的优点,研究开发出新型成孔钻具,以解决桩基工程施工,要求快速高效、稳定可靠、广泛适用和适应超大直径方向发展的问题,是长期以来国内外业内人士不乏探索的命题。本次设计不但上让我们了解到桩工机械在国民经济中的重要作用,同时也培养了我们的实际动手能力,更深一步接触一些新设计理念,这样对我们以后的设计都有很大的帮助,以下是本次设计的目的:1.全面复习、巩固机械制造工艺学、机械制造装备技术设计以及相关课程的基本回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计5知识,并运用所学知识解决机械加工中的工艺、工艺装备等实际设计问题,提高分析问题、解决问题的能力。使这些知识得到进一步巩固、加深和拓展; 2.学习和掌握机械设计的一般步骤和方法,培养设计能力和解决实际问题的能力,巩固和扩展有关机械设计方面的知识,培养理论联系实际的设计思想。3.进行基本技能的训练,对计算、制图、运用设计资料(如手册、图册、技术标准、规范等)以及进行经验估算等机械设计方面的基本技能得到一次综合训练,提高技能水平。1.3 主要工作任务回旋冲击钻具是利用星型运动原理来设计一种采用多个刀具钻削岩层的钻具,此全新型“回旋冲击钻具”能够实现冲钻与旋削功能相结合、成孔地质适应广泛、排渣及时彻底、钻进效率高、钻机功率配置要求宽泛灵活、成孔直径适用跨度大等等优点,实为解决长期以来困扰大直径钻孔灌注桩成孔钻具问题的一种全新结构和新思路。本设计是回旋冲击钻具设计中的一部分设计,及轴承结构与润滑方式设计。设计的主要工作任务如下:1. 轴承结构设计2. 密封润滑方式设计3. 零部件设计4. 成本、效益比较计算回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计6第二章 轴承结构及密封润滑方式设计机器中的轴系大多采用滚动轴承作支承,这些轴系,尤其是主轴和重要的传动轴系的运转状况不仅直接影响着机器的工作性能,而且影响机器的主要技术指标。轴系中的滚动轴承类型的选择、轴承的布置、支承结构及密封润滑方式的设计等对轴系受力、运转精度、提高轴承寿命及可靠性,保证轴系性能等都将起着重要的作用 。还]20[有就是减少两个具有相对运动的零件之间的摩擦。本章就针对回旋冲击钻具所需要的轴承结构及润滑方式进行设计。2.1 轴承结构及密封润滑的主要功用分析回旋冲击钻具结合了冲击钻与回旋钻这两种传统钻具的成孔原理,及实现轴向的冲击破岩和径向的旋削松散,从而实现冲击与回旋功能相结合,以达到高效、快速成孔的目的。这就要求其轴承结构以及密封润滑方式能够满足这一特定的复合运动所需要的支承和保护作用。以下是该回旋冲击钻具中轴承结构和密封润滑方式的主要功用分析:1.由于钻具主轴(空心轴)是通过井上电机驱动进行旋转运动,而井下钻具外壳是通过轮毂与井壁挤紧的,也就是钻具外壳不能旋转,为了减少扭矩,在主轴与外壳之间设计一轴承结构,用来实现旋转主轴与外壳之间的支承作用。2.由于钻具主轴不能通过井上电机直接进行轴向的冲击作用,而是通过气动驱动重锤在锤击各根小钻杆之后剩下的力锤到内齿圈上,而内齿圈是与外壁紧连的,也就是说重锤的冲击力在完成小钻头破岩和抵消外壁磨檫后剩下的力通过外壁传到了主轴上,从而使空心主轴往下作业,这就要求其轴承结构能够把重锤的一部分力通过外壁传到空心主轴上。3.内齿圈与托盘的运动情况不一至,内齿圈与外壁固定,无旋转运动,而托盘做旋转运动,也就是在这两个零件之间会有相对运动,为了减少两零件的摩擦和实现各自的运动,在两者之间加一轴承结构,用来支承和减少摩擦磨损,同时也可以大大减少功率的损失,可以提高工作效率。4.钻杆齿轮一方面要自转,另一方面要围绕支承轴公转,那么钻杆齿轮与托盘之间也存在相对运动,在这两者之间设置的轴承结构是为了减少摩擦和保护各零件,提回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计7高零件的使用寿命。5. 润滑、密封对整个钻具的性能影响很大,润滑起着减少摩擦、降低磨损、减少接触应力和散热冷却的作用,同时也有助于减振、防锈及冲洗杂质;而密封的作用也不可以忽略,它可以防止润滑油外漏,减少外界灰尘和其它不利物质进入机体内。由于桩工机械的作业条件异常恶劣,工程钻具所面临的是泥浆和沙石,而这些东西恰恰是很不利于钻具正常作业的,甚至对钻具有毁灭性的破坏,那么密封、润滑正是用来解决此问题的良策。2.2 主轴轴承结构及密封润滑方案设计与确定载荷的大小、方向和性质是选择轴承类型和进行轴承结构设计的重要依据,而机械的工作环境和工作条件则是进行密封润滑方式设计的重要制约因素。由于回旋冲击钻具中轴承承受着较大的轴向冲击力和较小的径向力,那么在支承上应采用两个或多个线接触的轴承。在进行结构设计的同时,需要考虑到结构的装配问题、结构中零件的加工难度、密封润滑的稳定性以及整个结构的经济性等指标,表 2-1 是为回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式拟订的三种方案: 表 2-1 主轴轴承结构及润滑方式的设计方案序号 结构简图 特点回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计8A此方案采用双向推力球轴承和圆锥滚子轴承的组合结构,其不但能够承受较大的径向力和双向轴向力,还能够承受很大的轴向冲击载荷,润滑方式为脂润滑,润滑使用方便,耗量少,密封性能一般,适用于极限转速底的场合,但是该结构比较笨重,主轴精密制造段过长,制造成本高,且发热严重,整个结构装配难度大。续表序号 结构简图 特点B该方案采用三个圆锥滚子轴承的组合结构,其能承受较大的轴向力和径向力,也能承受轴向冲击载荷,密封性能良好,采用油润滑,内磨阻小,且润滑系统为循环的,润滑油损失量少。但该结构比较笨重,不便装卸和维护,经济性能差,由于润滑是利用离心力摔油,对主轴平稳转速要求很高,使得润滑油温度升高,且整个结构不便于散热。回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计9C此方案是四个圆锥滚子轴承的组合结构,其能承受很大的轴向载荷和径向载荷,还能承受冲击载荷,密封性能好,润滑方式采用芯捻润滑,能够保证供油稳定、润滑油清洁且油量不至过多,润滑系统为循环的,润滑油损失量少,整个结构轻巧、紧凑,且装卸与维护方便,制造成本低,散热性能好,适用的主轴极限转速范围广。该回旋冲击钻具主轴转速为 32r/min,属于低转速范围,由于方案 B 的离心式摔油润滑只有在高转速下才能正常工作,那么 B 方案的润滑方式不能满足该钻具的要求,又由于钻具要钻到地下几十米的深处作业,为了减少钻具回到地面所耗功率和制造成本,其钻具自身的重量不能过于笨重,C 方案相对 A、 B 方案来说,设计的是轻型结构,这点优于 A、B 方案。A 方案采用双向推力球轴承来承受轴向的冲击载荷,钢球与保持架磨损,发热严重,且散热性能差,轴承寿命降低。在安装方面,由于 A、B 方案的结构笨重,又没有设计钓钩等方便安装的结构,而 C 方案在肋版上设置了八个大圆孔,这就方便了加工或装配时零件的搬运和移动。A、B 方案在加润滑脂、润滑油时,必须拆开后才能加进去,而 C 方案可以直接通过游标孔往油槽里加油,并且可以测量润滑油油面高度,这样就便于维护。A、B、C 三种方案中的下端支承处都采用圆锥滚子轴承,该轴承只是起到一个平衡的作用,并没有承受什么载荷,其都采用脂润滑。综合以上各种主轴轴承结构及润滑方式的设计方案,再结合该回旋冲击钻具的具体工作环境和对轴承结构的功用要求,通过对性能、制造、经济、安装与维护等各方面的综合比较,最后确定采用方案 C。其主轴轴承结构及润滑方式示意图如图 2-1 所示:回旋冲击钻具轴承结构及润滑方式设计101—端盖;2、19—油圈;3、9—圆锥滚子轴承;4—芯捻;5—上轴承座(箱体) ;6、12、23—毛毡密封圈;7、11—活塞式密封装置;8、16—O 形密封圈;10—弹簧;13—空心主轴; 14—下轴承座;15—垫圈;17—润滑油;18、22—甩油环;21—轴承套;20—杆试游标图 2-1 主轴轴承结构及润滑方式示意图方案 C 中轴承型号与润滑剂牌号的选择:如上图 2-1,3、9 为同一型号的圆锥滚子轴承,根据该处的轴径以及配合轴承内径,选择圆锥滚子轴承的代号为:32052X,其尺寸为 260mm 400mm 87mm ; 3-圆锥滚子轴承采用油润滑,选用 L-BDd]2[AN68 润滑油,该润滑油主要用于低速重载的设备上 。9-圆锥滚子轴承采用脂润滑,]15[选用 ZL-3 通用锂基润滑脂,该润滑脂适用温度在-20~120 ,主要用于机械的滚动C轴承等其他摩擦部位的润滑 。]15[当钻具下井作业时,重锤锤击各小钻杆,使小钻杆下到一定深度,然后再锤击在内齿圈上,内齿圈把力传给外壁,外壁与 5-上轴承座(箱体)相连,从而通过 1-端盖把冲击力传到轴承组 3 上,再经过 18-摔油环传给 13-空心主轴,从而破碎空心主轴钻头下的一方土石。钻具完成作业后,在回到地面的过程中,空心主轴把一部分拉力作用到轴承结构上,用来抵消外壁与井壁的摩擦阻力,把外壁往地面上拉。17-润滑油置
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