1、1毕业论文（设计）题目：XY-4 钻机弹簧式给进装置设计Design Of Spring Moving System By XY-4 drilling machine第 1 章 总体方案设计1.1 液压钻机的基本工作原理液压钻机在整 个钻进过程中是靠液压卡盘夹住钻杆进行钻 进的，液压卡盘夹紧主动钻杆，向钻杆传递 扭矩及轴向力，实现钻头的回转和给进，完 成加减压钻进。 2.2 液压钻机回 转器设计液压缸碟簧2图 2-1 瓶装牛肉酱自动生产线工艺流程示意图回转器的功用是传递动力，使钻具以不同转速和扭矩作正转或反转，并导正钻具方向。立轴回转器由箱壳、横轴、锥齿轮副、立轴导管、立轴及卡盘等主要零件组成
2、。其中立轴与卡盘，除传递回转运动和扭矩外，还通过液压缸、活塞与横梁的作用，带动钻具上下运动，传递给进力和上顶力。XY-4 型钻机回转器结构如图 3-5 所示。回转器的角传动采用大锥齿轮下置式弧齿锥齿轮传动。立轴导管两端各用一盘 46221 型轴承 T 支承在回转器箱体的镗孔中，立轴导管内孔与立轴间以六方截面作滑动配合，因而立轴既可随导管转动，又可在导管内上下滑动。立轴通过卡盘将穿过其内孔的机上钻杆夹紧固定，故钻具与立轴作同步运动。导管承受一定的径向力，并起导向作用。立轴下端装有起辅助作用的手动下卡盘。2.2 液压钻机卡盘设计卡盘的功用是传递回转运动与扭矩；传递轴向运动和给进（或上顶）力。现代立
3、轴式钻机上卡盘均采用液压卡盘。液压卡盘可分为三种类型：2.2.1 弹簧夹紧液压松开常闭型卡盘该卡盘的夹紧动作由油缸内高压油卸荷来完成，在弹簧张力作用下，卡圈上移，卡圈斜面使齿瓦向内产生径向位移，并增力夹紧机上钻杆。因为楔面角小于斜面摩擦角，具有自锁作用。松开时，油缸内接高压油，在活塞上面产生大于弹簧负荷的向下的轴向力，卡圈随之下移，使齿瓦向外径方向位移，松开机上钻杆。2.2.2 液压夹紧弹簧松开常开型卡盘这种卡盘与前者基本相似，只是弹簧与油缸位置相互调换了，因此动作原理立轴3也要互换。这种卡盘靠弹簧力松开，当夹持钻杆过紧时，有时发生不易松开现象。2.2.3 液压紧松式卡盘这类卡盘有两种型式：齿
4、条齿轮螺旋增力式和楔面增力式。XY-4 型钻机的上卡盘为液压卡盘，下卡盘为机械卡盘。下卡盘只传递回转运动和扭矩，并帮助保持主动钻杆的回转稳定性，通常在深孔钻进或强力起拔钻具时才使用。XY-4 型钻机液压卡盘（图 3-5）是弹簧夹紧液压松开常闭型卡盘。卡盘由卡盘上壳、卡盘下壳、活塞、碟簧、卡圈、卡瓦、卡瓦座等组成。环状活塞装在液压缸内，构成单作用液压缸。卡瓦座以内左旋方螺纹与立轴上端连接，卡瓦座外右旋螺纹拧有防松螺母，通过立轴轴肩将立轴与卡瓦座固紧，形成能承受正反扭矩的螺纹联接结构。卡瓦座上部均布 3 个长方槽，3 块卡瓦座装在槽内，可作径向移动。卡瓦背面是 6斜面，用沉头螺钉拧接压板，压板装在
5、卡圈的“T“形斜槽中，卡圈可作轴向移动。9 片碟簧套座在卡瓦座外圆上，卡圈坐在其上，在卡圈凸缘处装有单向推力球轴承。卡瓦座上端用螺钉固定有顶盖。2.3 液压钻机碟簧及油缸选取采用浮动双油缸碟簧夹紧方式，碟簧夹紧，油压放松。综合考虑碟簧参数及各部分尺寸协调，有如下选择，方可满足碟簧力既大于所需夹紧力，又小于油缸压力，即碟簧夹紧，通油后进一步压缩碟簧，放松钻杆。1. 系列 B: D/t28；h0/t0.75；E=206GPa；=0.3。2标记：一级精度，系列 B，外径 D=112mm 的第 2 类弹簧，标记为：碟簧 B112-1 GB/T 19721992。外径 D =12 mm 内径 d =57
6、 mm 厚度 t =4 mm 压平时变形量 h0 =3.2 mm,自由高度 H0= 7.2mm,设压力为 F= 17800N, 正常变形量 f= 2.4mm 0。因此，选用 10 个，总变形量可达 24mm。根据所提要求初步确定选用油缸 125mm，活塞杆 40mm ，端部法兰连接 4- 18，所需行程较小且受安装位置限制。系统油压 p = 80bar 产生的油压力F1 =88077N, 大于碟簧力 F = 17800N ， 满足 F min= 14282N F F1= 88077N，因此可行。满足夹紧钻杆时所需最小碟簧夹紧力 14282N，每个碟簧被压缩1.9mm,碟簧总共被压缩约 19mm
7、.活塞总行程 40mm,在极限位置时，安装碟簧的位置空间为 75mm,10 个碟簧自然长度为 72mm, 满足安装条件。活塞移动 3mm, 开始压缩碟簧， 继续移动19mm,压缩碟簧，夹紧钻杆.放松钻杆时在油压的作用下，碟簧继续可被压缩 5mm.碟簧被完全压平时，总变形为 32mm，小于活塞总行程 40mm.整体设计满足结构和功能要求。4第三章 具体结构的设计与计算3.1 碟形弹簧的设计及校核碟形弹簧的特点：（1）在载荷作用方向上尺寸较小，且能在很小变形时承受很大载荷，轴向空间紧凑。与其他类型的弹簧相比，其单位体积材料的变形能较大。具有较好的缓冲吸振能力，特别是在采用叠合弹簧组时，由于表面摩擦
8、阻尼作用，吸收冲击和消散能量的作用更显著。（2）在承受和大载荷的组合弹簧中，每个碟片的尺寸不大，有利于制造和热处理。当一些碟片损坏时，只需要个别更换，因而有利于维护和修理。（3）具有变刚度特性。改变碟片内截锥高度 与碟片厚度 的比值，可以得ht到不同的弹簧特性曲线，可为直线型、渐增型、渐减型或是它们的组合型式。此外还可以通过由不同厚度碟片组合或由不同片数叠合碟片的组合得到变刚度特性。（4）由于改变碟片数量或碟片的组合形式，可以得到不同的承载能力和特性曲线因此每种尺寸的碟片，可以适应很广泛的使用范围，这就使备件的准备和管理比较容易。3.1.1 碟形弹簧选取考虑到碟形弹簧有如上所述特点，因此 XY
9、-4 型钻机的杠杆式液压卡盘采用碟形弹簧式结构。本章可能需要用到的公式见表 4.1：表 3.1 单片碟形弹簧的计算公式项目 单位公式及数据碟形弹簧载荷 PN 1214 00242412 tfhtfKtfDtEF(3.1)5当变形 ，即弹簧被压平时的载荷为0hf 24103240 KDhtEFhfc (3.2)式中 单个弹簧的载荷， N弹簧被压平时的载荷，cF单片碟簧的厚度，t m碟簧弹簧外径，D单片碟形弹簧变形量，f碟形弹簧压平时变形量的计算值，0h m弹性模量E泊松比， 见本表1K4续表项目 单位 公式及数据计算应力 、OM、VPa (421234KtfDEOM 3.3 ) 30242121
10、4 Ktfhtf(3.4) 30242124tfhKtfDE(3.5)6 30324212 24 KtfhKCtfDKE(3.6) 30324212 24 tfhtfV(3.7)计算应力为正值时是拉应力，负值为压应力式中 外径和内径的比值，CdDC、 、 、 、 、 、 、 、OMVOM点的应力V、 3K见本表2碟形弹簧刚度 FmN/ 1233140204212 tftfhtDtEF(3.8)碟形弹簧变形能 U f tfhKtfEFdU0 20242152 1(3.9)计算系数 、1K、2、34(CKln21213.10)(CKln623.11)ln137(3.12)对于无支承面弹簧， 14K
11、使用单片碟形弹簧时，由于变形量和载荷值往往不能满足要求，故常用若干碟形弹簧以不同形式，以满足不同的使用要求。使用组合碟簧时，必须考虑摩擦力对特性曲线的影响。摩擦力与组合碟簧的组数、每个叠层的片数有关，也与碟簧表面质量和润滑情况有关。由于摩擦力的阻尼作用，叠合组合弹簧的刚性比理论计算值大，对合组合弹簧的各片变形量将依次递减。在冲击载荷下的使用组合碟簧，外力的传递对各片也依次递减。所以组合碟簧的片数不宜过多。应尽量采用直径较大、片数减小的组合弹簧。复合组合碟簧即由多组叠合碟簧对合组成的复合碟簧，仅考虑叠合面间的摩擦时1nfFMz(3.13)式中 弹簧的载荷z碟簧未计摩擦力时的载荷F碟簧锥面间的摩擦
12、系数Mf承载边缘处的摩擦系数Rf碟簧的片数n3.1.2 碟形弹簧的设计本论文需要设计一组合碟形弹簧，承受变载荷，在 和KNF601之间循环工作，其最大工作变形量 ，要求其内径为KNF802 mf。md57按内径 的要求，如表 3.2 所列：表 3.2碟形弹D/d/mt/h/0mH/0 075.hf8簧型号mF/f/或MPa/A57 112 57 6 2.5 8.5 438001.88 8.34B57 112 57 4 3.2 7.2 178002.4 09C57 112 57 3 3.9 6.9 105002.93 1表中 为变形量，其余各符号含义见图 3.1f图 3.1 由表 3.2 可见采
13、用单片碟形弹簧不能满足要求。根据弹簧所能承受的力以及弹簧所受到的力，可以采用 A 系列复合组合，标准指明为无支承面结构。根据标准给定的材料，可知其弹性模量 ，泊松比 。MPaE310263.0(1) 确定系数。根据表 3.2 所列 A57 尺寸可知直径比 ，计算系96.1572C数如表 3.3 所示：表 3.3C1K2K3K1.95 0.684 1.208 1.3582.00 0.694 1.219 1.3789上表中 、 、 为计算系数1K23插值法计算系数 ， ， ，因为是无支承面碟形687.0121.K364.弹簧，故 。4(2) 单片碟簧载荷的计算。对复合组合弹簧应考虑叠合面间摩擦力对
14、载荷的影响。取摩擦系数 ，碟片所受载荷为02.Mf(nFZ11 210.1634.9KN3.14)(3.15)fMZ22.3.1083由式(4.2)可得碟簧被压平时的载荷：74.5612687.0.3.124143132 DKhtEFoc KN(3.16)(3) 碟簧变形量的计算。由以上数据可得， 52.074.691cF69.074.2cF(3.17)又 1.60th， (3.18)48.01hf 2.548.01f m， .02 65.1.2hf(3.19)(4) 叠合组数和结构尺寸。满足总变形量 ，由参考文献3表 15-02Zfm8 可知所需叠合组数(3.19)06.5.12fiZ取 7
15、 个叠合组。本设计的碟簧为 2 个叠合与 7 个对合碟簧复合而成。则组合碟簧的结构尺寸：10自由高度 (3.25.10625.8710 tnHiZ m0)载荷 作用下的高度 (3.21F .93.7.011ifZ1)载荷 作用下的高度 (3.22)2 5.86.15.22 ifHZ m组合弹簧的总变形量 (3.23).9.02f略多于 10 的要求值，可用。m(5) 预压变形量 f变载荷作用下的碟簧安装时，必须有预压变形量 。一般 ，f 002.15.hf取 (3.24)mhf 5.02.0它能防止处出现径向小裂纹，有利于提高碟簧寿命。3.1.3 疲劳强度的校核承受变载荷的碟形弹簧，其失效形式
16、为疲劳断裂。碟形弹簧疲劳源，都是在图 4.1.1 所示下表面受拉应力的内圆周 点或外圆周 点处。虽然 、 点并不是最大应力点，但是由反复变化作用的拉应力产生的疲劳裂纹是发展性的，因此在应力大小超过一定数值，应力循环次数达到一定界限时，碟片将产生疲劳断裂。为保证变载荷下碟形弹簧的强度致 谢经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导老师的督促和指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是很难的。 在这里首先要感谢我的指导教师孙晓辉老师。黄老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计方案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，部装草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂繁琐，但是黄老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了黄春曼老师的
