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