多功能钻机工作机构的设计与研究

摘 要如今，中国交通运输业的发展离不开山体隧道钻探技术的发展。在进行山体隧道爆破之前通常会选用多功能钻机来进行地质勘探。多功能钻机能够实现地质超前钻探探测，排放隧道施工中的涌水和瓦斯和隧道施工的止水及岩盘加固注浆钻孔工程等。本课题是借鉴意大利的卡萨阁兰地公司的 C6 钻机，研究设计了多功能钻机的工作机构。首先，对多功能钻机的运动范围及需求进行分析，从而判别其为六自由度运动机构，然后进行结构设计，之后对于推进梁、动臂、转盘、支撑架等主要零部件进行设计及校核分析。最后应用 SOLIDWORKS 软件绘制三维模型图及二维图纸后，再进行运动仿真及有限元分析。设计中运用连杆机构的传动方式及特点，根据运动范围来设计出了各零部件的连接方式，使机构能够实现相应的功能。运用理论力学和材料力学相应知识对各部件尺寸进行设计，之后进行强度校核。关键词：多功能钻机；工作机构；结构设计AbstractNowadays, the development of transportation industry in China cant be separated from the development of mountain tunnel drilling technology. Multi-functional drilling machine is usually used for geological prospecting before the mountain tunnel blasting. Multi-functional drilling machine can realize geological drilling exploration, emissions water gushing and gas in the tunnel construction and rock grouting drilling engineering etc. This subject is based on the C6 drilling rig of CASAGRANDE company in Italy. The working mechanism of multi-function drilling machine is researched and designed.First of all, analysis the motion range and needs of multi-function drill, and determine this is the six degree of freedom motion mechanism ,next structure design, then the main parts, such of beam, arm, turntable and bracket, is designed and verification. Finally, SOLIDWORKS software is used to draw 3D model drawings and 2D drawings, and then motion simulation and finite element analysis are done. In the design, the transmission mode and characteristics of the connecting rod mechanism are designed. According to the range of motion, the connection mode of each part is designed, so that the mechanism can realize the corresponding function. Using the corresponding knowledge of theoretical mechanics and material mechanics, the size of each component is designed, and then the strength is checked.Key words: multi-function drilling machine; working mechanism; structure design目录第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的内容及意义 .11.2 国内外现状 .11.3 本课题研究的主要内容 .21.4 本课题设计要求 .3第 2 章 工作机构的设计方案 .42.1 多功能钻机的主要组成及原理 .42.1.1 多功能钻机的主要组成 .42.1.2 多功能钻机的原理 .52.2 多功能钻机设计方案 .52.2.1 多功钻机设计要求 .52.2.2 多功能钻机的主要设计参数 .6第 3 章 机械部件设计计算 .83.1 推进梁的设计计算 .83.1.1 推进梁的结构设计 .83.1.2 推进梁受载荷情况 .83.1.3 推进梁的截面尺寸计算 .93.1.4 推进梁的校核 .103.2 动臂的设计计算 .103.2.1 动臂的结构设计 .103.2.2 动臂的受载荷情况 .103.2.3 动臂的截面尺寸 .113.2.4 动臂的校核 .133.3 转向架的设计计算 .133.3.1 转向架的结构设计 .133.3.2 转向架的受载荷情况 .143.3.3 转向架的各部分尺寸 .153.4 各连接件的设计与校核 .163.4.1 连接设计方案 .163.4.2 主要连接件的校核 .183.4.2.1 动臂与导向架连接的校核 .183.4.2.2 动臂与机架连接的校核 .20第 4 章 液压部件设计计算 .224.1 动力头推进液压缸的设计 .224.1.1 推进装置的结构设计 .224.1.2 推进液压缸的选用 .224.2 推进梁顶紧液压缸的设计 .234.2.1 液压缸的最大载荷计算 .234.2.2 液压缸的选用 .234.3 支撑液压缸的设计 .244.2.1 下支撑液压缸的行程计算 .244.2.2 下支撑液压缸的选用 .264.2.3 上支撑液压缸的行程计算 .264.2.4 上支撑液压缸的选用 .274.4 调整液压缸的设计 .274.2.1 调整液压缸的行程计算 .274.2.2 调整液压缸的选用 .29第 5 章 总结与展望 .305.1 结论 .305.2 研究展望 .30参考文献 .31致谢 .32附录 .33石家庄铁道大学毕业设计1第 1 章 绪论1.1 课题研究的内容及意义近几年来，由于全球经济一体化现象逐步的深化，以及我国经济的飞速发展，高速铁路技术以及地下隧道技术得到巨大的进步。在经济日益飞涨的现代化社会中，交通在当今社会看来已经变成了经济发展的主要的基础保障，地面公路的建设已经到达瓶颈，人口剧增致使地面被高大建筑物所占据，地面交通已经凸显拥堵瘫痪状态。人们为了能够使交通问题得到进一步改善，设计者们开始将目光投向地下轨道交通的发展。尤其我国在地理环境上有许多的山和河流，全国总面积的七成都为山峰、丘陵或者是高原等山区地形面积。铁路轨道在山区中进行修建施工时，往往会遇到一些山峰的阻碍。由于火车这种交通工具的局限性，它不能够爬非常陡的山坡，这样就会使它的翻越山峰的能力较弱。同时，由于轨道交通向心力限制，轨道要有最小的曲率半径，因此有部分的山区地形不能绕过，这样就要通过打造隧道以便于通过曲面障碍。当人们尝试沿着河谷修建铁路的时候，经常会遇到河道会在某些地域变得弯曲、两岸横坡忽然变得很陡峭、地质不符合施工要求等现象，常修建隧道使线路从山里通过。大家都知道两点之间直线最短，隧道的修建就可以体现这一原理，它令路程缩短，减小了坡度，与此同时还使线路绕过了地质不符合施工条件的地域。同时，与现代技术的发展并行的是，公路隧道、航运隧道、水底隧道、人行地道等一系列隧道的修建，都需要先进的现代化技术设备。多功能钻机是勘探取芯、煤矿瓦斯排放、边坡支护、铁路土基的拉杆锚固等施工的重要设备，多功能工程钻机从动力传动的方式来分类一般分为电动、气动和液压等类型，其中，一般在煤矿钻孔和隧道施工时使用的是液压为动力钻机，因为它拥有比较好的安全性，还有功率大，传动效率高等优良特性。因此，多功能钻机的研究与设计将会是轨道交通领域的重大突破口，如果在施工中可以通过一台钻机完成多种施工任务，这便为施工单位或企业节省一大批资金，同时机器的自动化程度也可以减少人力劳动，从而减少人工费用和保证工人安全，减少施工事故发生率，因此对多功能钻机的研究具有重大的意义。 1.2 国内外现状石家庄铁道大学毕业设计2意大利 CASAGRANDE(卡萨格兰地公司)成立于二十世纪六十年代，从布鲁诺.卡萨阁兰地先生创立之后，它在钻孔机和其他施工专用设备的研究和制造领域一直处于世界前沿水平，世界上许多公司都在与其合作进行学习，而且一直排名在世界前三名（其它两家为：德国宝峨、意大利土力）。C6 钻机拥有多功能性，是由于它可以安装多种不一样型号的动力头，这样就可以在不同的地质情况下都可以完成锚杆作业、地质检测、灌浆加固等功能的回转冲击功能。安装喷浆设备的多功能钻机还能完成旋喷支护施工这种普通的施工技术，也可以完成隧道内的超前管棚支护施工或超前地质预告等先进施工技术来保证施工中的安全性及可靠性，避免人员财产的损失。如今有大约 60 台 C6 多功能钻机在国内服役工作进行基础建设施工，主要用户是国内一些在地铁，铁路或公路建设领域知名的工程局，现在大部分是完成超前的地质检测和地基锚固、隧道管棚等施工项目。在国际上，与意大利卡萨格兰地公司存在较大竞争的是 RPD 日本矿研研发的多功能钻机，两者在工作效率和应用范围等几个方面有着些许的差异，但在国内的但用几乎持平，在各种复杂的施工环境中都能够见到它们正在工作的身影。在我国，新能正源环境科技有限公司是 13 年在北京成立的一家主要是制造研发地下工程的施工专用设备，并且这个公司还引进了一些土壤污染治理相关的设备与技术。该公司为了提高研发与制造技术水平，因此与国内外同样研究施工设备的学者进行深入的交流与协作，公司陆续成功研发了煤矿用的深孔钻车，这种钻车由于钻孔能力较强可以穿越煤层进行探孔，同样还可以进行抽放瓦斯、迎头探水、取芯操作等先进勘探及处理功能。之后此公司还研发了 RPD 全液压旋转冲击钻机，这种钻机可以进行长距离的地质勘探，不光可以使用套管取芯功能，同样也可以实现钻注一体式帷幕注浆以及管棚支护作业来进行对施工隧道的加固支撑，这样可以提高施工作业的安全性。1.3 本课题研究的主要内容此次设计研究的是多功能钻机钻杆，多功能履带钻机一般由动力头、钻杆系、夹持器、推进梁（钻架）、动臂、底盘、履带走行部、辅助支腿、动力系（发动机）、液压系统和控制系统等组成。多功能钻机主要用于工程施工中钻孔和注浆两个方面，具体应用有：1、探测和排放隧道施工中对施工作业有害的的涌水及瓦斯；2、坡面的锚固作业；3、隧道施工保证安全的止水及岩盘加固等注浆操作；4、板桩锚固作业；5、地质超前钻探；6、管棚作业；7、城市地基的注浆钻孔加固技术；8、铁路中的填土地基进行拉杆锚固；9、打水井等。此论文主要研究多功能钻机的夹持及更换装置，以及钻杆系的设计。研究的内容具体如下：工作机构的参数设定以及石家庄铁道大学毕业设计3外形的设计计算，经过校核确定适合强度的零件，通过 Solid works 软件进行三维建模，进一步通过计算机仿真，有限元强度校核进行强度和刚度的确定。1.4 本课题设计要求在对多功能钻机的施工工艺研究的基础上，分析多功能钻机在设计时应具有的功能，还要以团队形式形成多功能钻机的设计方案，重点完成：多功能钻机的工作过程、工作范围和对工作机构的要求；根据工作机构的运动要求，确定机构的工作原理，设计工作机构的方案；进行运动分析和结构设计，并通过已学知识对主要构件的强度和刚度进行计算；对各构件之间的连接进行技术设计和计算；绘制工作机构的装配图及主要部件图。通过本设计可以使学生系统应用所学与机械产品设计相关的数学、力学等基础知识、机械制图、机械原理、机械设计、工程材料、工程与技术测量等专业知识，广泛运用专业实验和实践中的训练的能力和获得的工具应用技巧，综合性地完成产品的设计和研发，从而较系统的提高学生设计复杂机械产品的综合素质，进一步训练学生解决产品研发问题的思维方式和产品设计的技能，更深入地培养学生团队协作精神以及令学生们养成良好的职业素养。石家庄铁道大学毕业设计4第 2 章 工作机构的设计方案2.1 多功能钻机的主要组成及原理2.1.1 多功能钻机的主要组成多功能钻机在工程上是指能够实现地质勘探和施工钻探的工程钻机。行走机构在下面，工作机构和装夹装置在上面三部分使它成为一个整体。再将工作机构细分的话，可以分成动臂、推进梁、转盘、支架、各个液压缸。具体如图所示：图 2-1 支架图 2-2 转盘石家庄铁道大学毕业设计5图 2-3 动臂图 2-4 推进梁2.1.2 多功能钻机的原理1.行走装置：承载钻机的完全重量，到达指定施工地点并且在钻头冲击时提供反作用力。2.工作机构：支撑动力头，调整导向架，使其水平或竖直位移，这样