回转器与卡盘(工程机械)

Pz K L Pmax Pmax Fa xFr
对于推力向心球轴承，径向系数x=1.2
Fa F G P4
对于有补心的转盘，主动钻杆在补心孔内下滑时，对主 轴承产生的最大轴向载荷为：
F 4P 1 f
P1是补心对主动钻杆的推力。
p1
Mma x 2b
轴承的实际动载荷为：
C n1 K zh K Pz
3. 手动卡圈式卡盘
（二）液压卡盘
1. 常闭型卡盘
2. 常开型卡盘
3. 液压松紧型卡盘
四 卡盘的设计计算
（一）基本参数的确定 1. 卡盘的最大工作载荷 Pmax
强力起拔时，卡盘的最大载荷：
Pb Ps max
钻进时卡盘的载荷：
Pg Py Pz
Py 2Mn / D
卡盘的最大载荷取其二者中的大者
当动力机的功率确定后，转盘的转矩和转速有关。转速低，转矩大； 转速高，转矩小。一般工程勘察钻机转盘转矩在0.5-5KN.m，水井钻机转 盘转矩在：5.5-20KN.m，大口径工程钻机转盘转矩在30-20KN.m。
（二）转盘主轴承的设计计算
1. 转盘轴承类型 转盘工作时，转盘轴承承受有轴向载荷和径向载荷。转盘轴承多 选用推力向心球轴承或推力向心球面磙子轴承。 2. 主轴承载荷与寿命计算 主轴承的当量动载荷可用最大当量载荷，考虑寿命系数来计算。
3. 按照转盘的传动级数分为一级传动和二级传动。
4. 按照转盘动力输入方式分为侧面输入和中间输入。
5. 按照驱动钻杆的方式分为补心式和回转梁式。
二 转盘典型结构分析
1. SPJ-300转盘
2. SPC-600R转盘
三 转盘的设计要点
(一)转盘的参数 1.转盘的通孔 小转盘通孔直径一般为150-160mm，大转盘通孔直径范围在400670mm之间. 2.转盘的转速 随转盘的类型不同，转速的差别较大。大直径转盘最高转速在2030r/min，而小直径转盘的最高转速在800-1000r/min左右。设计时根据钻 头直径的最佳线速度确定。 3.转矩
nmax R nmax
大口径钻机R=3~5，高速小口径钻机R=4~15。
4. 速度档数 按照钻进工艺的需要，理想的是无级调速。机械传动钻机均采 用有级变速。一般深孔高速钻机取4-8档，浅孔低速钻机取3-4档。 5. 中间速度 根据钻进工艺的要求和传动系统的布置确定。中间速度有四种 排列方法：
(1) 等差排列 例如 200 400 600 800 1000 1200 r/min 日本的TEL钻机回转器的中间转速是按等差排列,如下: 150 200 300 400 500 670 r/min (2) 等比排列 按等比排列的速度，其邻速比相等。即 nm n2 n3 n4 n1 n2 n3 nm1
(二)锥齿轮副的设计
1.从动锥齿轮分度圆直径的确定
1 3 p
D f Kd M
从动锥齿轮计算转矩 M p
Mmax
汽车 kd 12.5 ~ 14.5
直径系数取值为：钻机 kd 14 ~ 20;
拖拉机 kd 10.56 ~ 11.42
2. 端面模数的选择
模数由 m3 D / Z2确定。 选用的模数是否合适，用下式校验: 钻机: K m 3. 齿数选择
（2）被动锥齿轮的安装形式
被动锥齿轮的安装分上置式和下置式。被动锥齿轮的安装形式 取决于传动系统的传动方案。下置式安装的润滑条件优于上置式。
（3）锥齿轮的选配 锥齿轮按照齿的旋向分为左旋锥齿轮和右旋锥齿轮。弧齿锥齿 轮副的两个齿轮的齿旋向不同。为了使锥齿轮副工作时产生的轴向 力背离锥顶，则被动齿轮上置式安装时，主动齿轮应选用右旋，被 动齿轮用左旋。如果被动齿轮采用下置式安装，则主动齿轮为左旋， 被动齿轮应为右旋。 （4）锥齿轮副啮合间隙的调节
3. 导向装置
导向装置的形式有圆柱形导杆式、滚轮滑板式及矩形导轨式等。 4.主轴配油套间隙密封设计 泰美克—250钻机配油套间隙是0.025~0.04。钻石—300钻机配油 套间隙为0.06~0.08。
§6-5 回转器的参数选择
一 回转器的转速 1.回转器的最高转速
依据钻头适应的最高线速度；钻进工艺的发展趋势；钻头的直径、 钻机、钻杆、钻头的质量来确定。
利用立轴导管上、下两端的垫片来调整，调整时上、下垫片的 总数不变，只是调整上、下垫片的数目。 3.立轴导管 立轴导管的作用是安装被动伞齿轮、传递扭矩，带动立轴转动， 又能使立轴在导管内孔中上下移动。导管是采用滚动轴承支撑在回 转器的箱体上。其支撑方式主要有三种：向心止推轴承、圆锥滚子 轴承及向心球轴承和推力轴承组合式。
6. 反档速度 反档速度主要用于处理事故和特种钻进。转盘钻机的反档速度 还用于卸钻具。一般设1-2档。 二 回转器的通孔直径和让开孔口的距离
1.通孔直径
立轴的通孔比机上钻杆的直径大2—3mm，转盘的通孔比设计 的最大粗径钻具的直径大6-8mm。
2. 让开孔口的距离
开合式一般为：1400~1800；后移式后退的距离：300~450mm。
§6-6 卡盘
一 卡盘的功用与要求 卡盘的功用是夹紧机上钻杆，传递转矩，传递轴向力及轴向运动。 卡盘应满足以下要求： 1. 提供足够稳定的夹持力； 2.夹紧时能自动定心； 3. 卡盘的转动部分质量分布均匀，动平衡性能好； 4. 用较小的动力产生较大的夹紧力； 5.夹紧力分布均匀，不损伤钻杆； 6. 动作迅速，操作方便省力。
2.锥齿轮副 （1）锥齿轮的类型
小锥齿轮装在动力输入轴的悬臂端。大的锥齿轮装在立轴导 管上。常用的有两种类型: 直齿锥齿轮 特点是易制造、成本低、转动时产生的轴向力 始终背离锥顶、尺寸相同，承载能力较小、对安装误差的敏感性 大、适用于低速传动，v5m/s. 弧齿锥齿轮 特点是齿啮合重叠系数大、承载能力大、工作 平稳、噪声小、适用于高转速，v>5m/s。但工作时产生的轴向力 大，且轴向力的方向随转向的变化而改变、加工困难、成本高、 对安装精度要求高。
二 卡盘的类型及组成
1.卡盘的组成 由夹紧元件、中间传动机构、动力装置、卡盘体等组成。 2.卡盘的类型 顶丝式 自动定心式 手动卡圈式 类型 主动钻杆式 常闭式（弹簧夹紧，液压松开式） 常开式（弹簧松开，液压夹紧式） 液压松紧式
三 卡盘的结构分析
(一） .机械式卡盘 1. 顶丝卡盘 2. 自动定心卡盘
m3 K m M
1 3 p
0.4 ~ 0.6
汽车:
K m 0.28 ~ 0.41
主被动齿轮的齿数应没有公约数。小齿轮的齿数尽量选择 奇数。 4. 名义螺旋角的选择 一般选用
m 350 ~ 400 个别钻机也有选用 m 00
5. 弧齿锥齿轮的受力分析
(三) 立轴与导管的设计计算
2.导管的强度校核
导管产生的合成弯矩： 合成弯矩下产生的应力：
2 2 M Mn Mw

M
w
[ ]
式中
D4 d 4 w 32 D
§6-3 转盘的结构分析与设计
一 转盘的结构型式
转盘主要有下列几种型式: 1. 按转速高低划分为高速转盘和低速转盘。
2. 按转盘的定位方式分为心管定位和壳体定位。
m1 R 例如按公比 1.47排列的速度列于下面：
100 147 217 319 470 692 1019 1500 r/min (3) 不规则排列 XY-4钻机回转器的转速是按照不规则排列，列于下面： 118 217 310 451 362 666 951 1384 r/min (4) 双等比排列
(6)由于结构的限制，转盘的变
角范围较小。
3.移动式回转器（动力头）
（1）可在给进机构的拖动下沿导向架轴向移动，实现长行程给进； （2）配有刚度大的导向架，对钻具的导向性好；
（3）与孔口夹持器配合，可用于拧卸钻杆，与给进机构配合，可 用于升降钻具；
（4）采用机械传动时，需要
一根长的传动轴；
（5）钻不同倾角的钻孔时，不 靠回转器变角，而是靠导向架 的前后倾斜调整回转器的倾角； （6）易于实现自动控制。
单马达无变速式
2. 机械传动式移动回转器
二 移动式回转器的设计
1. 让开孔口的方式 开合式及后移式 2.动力头的防冲击机构 利用移动式回转器实现冲击--回转或振动--回转钻进时，回转器的 主轴和传动齿轮之间是采用可轴向串动的连接方式。如花键或圆柱销 连接。另外增加防冲击装置，多采用缓冲油缸及缓冲弹簧。
4. 立轴
5. 箱体的安装与变角方式 （1）半圆压板式 （2）T型槽-螺栓式
（3）T型槽-开合式
二 立轴式回转器的设计计算
(一) 立轴式回转器设计应注意的问题 1. 与给进机构联系在一起考虑; 2. 结构上尽可能减小回转器的振动; 3.保证孔口的作业空间，尽可能降低重心; 4.保证密封和润滑。
回转器与卡盘
§6-1 回转器的功用、要求及类型
一 回转器的功用 回转器是钻机的重要工作机构,主要功用如下: 1.带动钻具回转,提供钻头破岩所需的转矩和转速; 2.导正钻具方向; 3.实现变角,以适应钻进不同倾角的钻孔; 4.处理孔内事故. 二 对回转器的要求 1.回转器的转矩及转速要有较宽的调节范围; 2.具有良好的导向性; 3.具有一定的变角范围,可钻进设计范围内的不同倾角的钻孔; 4.应保证主动钻杆既可转动,又不防碍在给进机构的带动下作轴向运 动; 5.最好具有1-2个反档,以满足特种工作的需要; 6.运转平稳，振动和噪音小。
Pmax Pb或Pg
2. 卡盘实际可承受的载荷（称为夹紧力） Pkp
夹紧力Pkp 的计算见后。 3. 卡盘夹紧力的储备系数β

一般β=1.2-1.6
Biblioteka Baidu1. 立轴的强度校核
(1)立轴危险截面产生的最大正应力
pmax Fw
M nmax
(2)立轴产生的最大剪应力

n
D4 d 4 n 16 D

(3)立轴产生的合成应力
2 4 2 [ ] S [ ]
Ka
另外根据书中表5-10中的公式可校核不同形状立轴的接触应力。
钻头的线速度与钻头的转速关系为：
v n D
目前不同切削具的钻头适应的最高线速度分别为： 孕镶金刚石钻头：v=3.5 m/s
表镶金刚石钻头：v=2.5 m/s
硬质合金钻头： v=2 m/s 钢粒钻头： v=2 m/s
2. 回转器的最低转速
依据钻机的最大开孔直径、复杂地层及特种钻进、扫孔和处理事故 的需要确定。 目前岩心钻机的最低转速在60-180 r/min。水井钻机的最低转速在 30 r/min左右。 3. 调速范围R
2. 转盘式回转器
(1) 多数转盘是安装在钻机的底座上，使钻机的重心低; (2) 多数转盘都兼做拧管机，减少了设备的数量;
(3) 多数转盘通孔较大，可通过设计的最大粗径钻具。提下钻具时， 无需让开孔口;
(4) 因转盘的主轴较短，且通孔
大，故对钻具的导向性差;
(5)转盘与给进机构为两个独立 的部件，二者没有直接的联系;
§6-2 立轴回转器的结构分析与设计
一 立轴式回转器的结构分析
1.动力输入轴(半轴) 一般多采用悬臂式安装。为保证轴的支撑刚度,多应用以下三种 加大支撑刚度的方法: (1) 选择合适的轴承类型和安装方式; (2) 选择合适的轴用材料、结构型式。在结构许可的条件下。适当 加大轴径; (3) 轴的支撑段长度大于或等于悬出段的长度的2倍，即b 2a 。
三 回转器的类型和特点
1.立轴式回转器 (1) 给进机构组装在回转器的箱体上，和回
转器构成同一个拆装部件、保证了卡盘与回转
器的同心度; (2) 有一根长的立轴，导向性好; (3) 变角范围大，可钻任意倾角的钻孔; (4) 采用悬臂式安装，增加了钻机的重心高 度; (5) 立轴的通孔较小，提下钻具时，回转器 需要让离孔口; (6) 不能用于拧卸钻杆，需要另配拧管机。
ISO推荐的计算轴承额定动载荷公式列于书中表5-11中。
计算出额定动载荷后，可用下面的公式计算轴承的寿命：
{C }N 3 { L}h 3000 ( ) {C }N
（三）转盘的密封 （四）转盘的安装
§6-4 移动式回转器的结构分析与设计
一 移动式回转器的结构分析 移动式回转器按照传动方式分为机械传动式和液压传动式（俗 称动力头）。 1. 液压传动式移动回转器