MZ120全液压旋转推进型土锚钻机总体设计说明书【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 I 页 摘 要 全液压土锚钻机是地质勘探中的重要设备，随着世界各国对地质勘探的重视及各种大规模工程的施工，其应用前景也越来越广阔。 全液压土锚钻机是机电液一体化的设备，其结构的好坏直接影响钻探施工的质量。变幅机构作为工程钻机机身位置的驱动装置，其结构尺寸影响着钻机的工作范围，不同施工条件下机构的受力情况影响设备的可靠性；液压系统作为钻机工作的动力，性能的好坏决定着钻进效率的高低。用虚拟技术对工程钻机的机械、液压系统进行研究，在设计初始阶段发现设计的不足进行改正，有助于提高钻机的设计水平，促进产品的创新，对工程机 械行业来说具有重要的意义。 液压旋转推进型土锚钻机具有变幅机构，在一个位置可以进行大区域多角度钻孔，适用于多种条件下的施工，同时具备履带行走功能，机动性强，适应性强，被广泛应用于边坡锚固支护、隧道超前管棚支护施工，室内建筑基础加固，以及露天采石炮孔等工程施工中，市场需求大，市场前景好。 关键字： 全液压土锚钻机，变幅机构，液压系统，虚拟技术，钻孔，履带 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 页 to of is is is of on of as of of of of do as of a to in of to of of is of by be in a It is It be of so is 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 页 目 录 1 绪论 . 1 题背景 . 1 内外现状及发展趋势 . 1 内外现状 . 1 杆钻机的发展趋势 . 2 次设计的技术难点及分析 . 4 成设计课题所必须采用的手段和方法 . 4 2 方案的构思与抉择 . 5 要方案的构思与分析 . 5 走系统（底盘）的设计与选型 . 5 给机构的设计和选型 . 6 压驱动系统的设计和选择 . 9 力头结构的设计和选型 . 11 杆加持 拧卸机构的设计 . 12 角机构的设计 . 14 浆系统的设计 . 14 动机系统的设计与选型 . 15 杆装卸机构的设计 . 16 滑系统的设计 . 16 3 整机参数的计算 . 17 率计算 . 17 作机构进给力的计算 . 17 转扭矩的计算 . 17 机功率的计算 . 18 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 页 油机的选择 . 19 要外形参数的计算 . 20 4 工作机构的设计计算 . 23 作装置设计原则 . 23 作装置总体方案选择 . 23 作装置尺寸的设计 . 23 梁机构 尺寸 . 23 臂尺寸设计 . 24 臂的设计计算 . 24 作装置参数选择 . 24 臂工作机构的设计计算 . 24 殊工作位置分析 . 26 条的设计与选择 . 29 条的选择 . 29 心距的确定 . 30 条静力强度的验算 . 32 轮的设计与计算 . 34 链轮的设计计算 . 34 动链轮的设计计算 . 37 5 主梁体的结构设计 . 38 梁材料的选用 . 38 轨的设计 . 38 力头滑板的设计 . 40 块的设计 . 40 力头紧固螺栓的选择与校核 . 40 栓受力分析 . 40 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 V 页 定螺栓直径 . 42 条总长度的确定 . 43 梁各部分重量及总重量计算 . 43 梁整体稳定性 和局部稳定性校核 . 43 6 夹持拧紧机构的设计 . 45 杆的设计与校核 . 45 杆强度校核 . 45 杆稳定性验证 . 46 杆体积和重量 . 47 力头扭矩计算 . 47 金钢螺栓联接的预紧力0F. 47 杆螺纹预紧力矩计算 . 48 紧力计算 . 48 7 驾驶室的设计 . 50 驶室外形尺寸的设计 . 50 驶室噪声控制 . 51 驶室的宜人化气候环境 . 52 驶室的防护措施 . 53 8 锚杆钻机的稳定性计算 . 54 坡时的稳定性 . 54 9 使用和维护说明 . 58 作环境及使用条件 . 58 机的工作环境 . 58 转推进型土锚钻机安全使用规则 . 58 术条件 . 58 工制造条件 . 58 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 页 用技术条件 . 59 收及涂漆技术条件 . 59 志及包装 . 61 参考文献 . 62 附录 . 63 结束语 . 64 致谢 . 64 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 1 页 1 绪论 题背景 上世纪 90 年代以来，随着经济的发展和国家对基础投资的增大，并且地铁和高层住宅建筑的施工面积也在扩大，地下施工的深度已经达到好几十米，长度也达到好几百米，工程量巨大。在国内各大城市的规划中，已经把地下空间的利用（地铁、停车场）作为城市规划发展的重点方向。全液压旋转推进型土锚钻机适用于 水电站、铁路、公路边坡各类地质灾害防治中的滑坡及危岩体锚固工程，特别适合高边坡岩体锚固工程，还适用于施工城市深基坑支护、抗浮锚杆及地基灌浆加固工程孔、爆破工程的爆破孔、高压旋喷桩、隧道管棚支护孔等，将其动力 头略微变动，即可方便地全方位施工。 具有施工成本低、效率高、质量好、震动和噪音污染小等优点。在国内建筑事情蓬勃发展，建筑楼层越来越高、范围越来越大、施工条件越来越复杂的情况下，要求工程具有向承载能力强，建筑深度大，可靠性强的方向发展。国家在新世纪开始后，每年投入大笔资金进行地质大调查，而全液压土锚钻机在很多领域中具有重要作用，所以开发适应复杂地质条件的地质勘探设备和在深坑中进行支护的全液压履带式土锚钻机势在必行。 内外现状及发展趋势 内外现状 锚杆钻机按结构分为单体式、钻车式、机载式；按动 力分为电动式、气动式、液压式；按破岩方式分为回转式、冲击式、冲击回转式、回转冲击式。 到目前为止 ,我国已开发了 30 多种型号和不同类型的锚杆钻机。总的来说主要分为以下几个大的类型： (1) 单体气动回转式锚杆钻机 基本情况：该钻机是锚杆钻机产品的主流，在齿轮式、柱塞式和叶片式三种类型气动马达中，叶片马达式已基本淘汰，齿轮式马达与柱塞式马达在扭矩 转速特性、不同气压下的性能、噪声特性、对润滑的要求与抗污染等方面各有优缺点，在不同使用条件下都有各自的市场 轮气动马达式已基本能代替进口产品，但玻璃钢支 腿等部分的可靠性需要进一步提高；柱塞马达式锚杆钻机尚处于小批量生产阶段，尚需考核。气动冲击式锚杆钻机基本以双级气腿式为主，因其结构较成熟，可以在坚硬岩石上钻进。尽管在某种岩石条件下的凿岩速度低于回转式，且噪声颇高，仍被相当多地应用于锚杆支护。 条件限制：国产气动锚杆钻机已基本能代替进口产品。但煤矿井下压缩空买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 2 页 气系统的输送管道距离长，井下气动设备多，工作面气体工作压力偏低，常常在 下，使钻机性能与钻进速度都比 力下下降 30%以上，影响锚杆孔钻进的效果，特别是在坚硬岩石与深孔作业条件下， 钻进作业更加困难。 (2) 液压锚杆钻机 基本情况 :该机型输出的扭矩高于气动锚杆钻机，在某些场合下应用较好，特别是与掘进机配套是较优越的工作方式。 条件限制：从目前已正式投入使用的支腿式液压锚杆钻机来看，钻机输出扭矩仍然偏低，液压系统容易发热。由于以矿物油为工作介质，在煤矿井下使用中存在安全隐患。液压锚杆钻机的输出扭矩比气动锚杆钻机大，但是，有的产品扭矩值偏低，扭矩低于 上管路压力损失，井下钻进无力。有的产品液压系统温升过高，连续运转 2h 后系统温度升至 65 以上，性能急剧下 降。若保持工作压力不变，转速下降率达 50%以上。有的产品性能尚好，虽然液压系统温度高于 65 ，性能下降率不到 20%，但过高的温度易使工作液变质，密封件容易早期失效。 (3) 电动锚杆钻机 该机的输出特性较差，实际钻孔速度较低，电机可靠性及防水性能存在严重问题，尚无良好的推进方式。另外，电动锚杆钻机扭矩特性不好，有的产品过载能力不到额定值的 2 倍，不能满足锚杆孔钻进时需克服相当于额定扭矩 品固有可靠性不高，因此电动锚杆钻机尚未正式在井下成批使用。 (4) 已开发的钻车式与机载式锚杆钻 机都具有一定特点，并取得一些效果，但因煤矿井下具体条件以及经济上的原因，近期难以广泛应用。 国外锚杆孔钻进设备的品种与功能多样，技术性能优越，可靠性高。美国煤矿大量使用塔架钻车式锚杆钻机，班工作效率达 120 240 根，并着手开发计算机控制的全自动锚杆钻机。法国生产的转架式锚杆钻机集钻孔、安装锚杆为一体，并具有储存锚杆杆体的锚杆仓。芬兰生产具有树脂注射系统的钻车式锚杆机，使钻孔、安装锚杆杆体、注入粘结剂全由机械完成，机械化程度颇高。澳大利亚有 4 家锚杆钻机生产厂家，生产各种不同类型的锚杆钻机，尤以单体气动支腿式 锚杆钻机使用居多，并有多家公司生产能与掘进配套的单体支腿式液压锚杆钻机。澳大利亚气动支腿式锚杆钻机主要有柱塞马达与齿轮马达式两种 (早期叶片式气动马达已淘汰 )，采用玻璃钢碳素纤维支腿。澳大利亚液压锚杆钻机可以以矿物油和难燃液为工作液，回转机构由摆线液压马达驱动，有的产品采用玻璃钢碳素纤维支腿使机重减轻。 杆钻机的发展趋势 (1) 气动、液压单体回转式锚杆钻机是一个时期的主流。 综观国外锚杆钻机发展历程以及国内多方面实践，针对煤矿经济状况与煤岩、半煤岩巷道的具体特点，单体回转式锚杆钻机是一个时期 内产品生产与开买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 3 页 发的主流。从目前技术现状看，在具有压缩空气源的条件下，气动回转式锚杆钻机仍为首选产品。但是，如何解决压缩空气工作压力不足的问题会逐渐引起人们的重视。合理选择压缩空气管网系统，正确确定空压机及其动力系统的技术参数，开发新型的提高压缩空气压力的机械设备，将成为进一步发挥气动锚杆钻机作用的关键。 气动回转式锚杆钻机中，采用柱塞式马达与齿轮式马达各有优缺点。两种不同类型气动马达锚杆钻机的竞争核心，是如何使钻速高、可靠性好、维修费低。产品进一步研究开发的核心将是采用合理技术参数、高科技、新材料、先进工 艺。 (2) 液压锚杆钻机会成为气动锚杆钻机的有益补充。 液压回转式锚杆钻机因其工作压力高、扭矩大、动力系统可不受外界影响，在一些场合下是合理的机型。一个时期内，液压锚杆钻机主要用于与掘进机配套，共用其液压泵站。经过一定时期以后，用户会根据锚杆支护的需要与具体条件，进行综合技术经济分析，在适宜的场所确定采用液压回转式锚杆钻机。由于液压锚杆钻机使用量的增加，矿物油介质的安全性问题会日益突出，开发难燃液锚杆钻机的问题将适时提到日程上来。 (3) 电动锚杆钻机仍会处在技术攻关阶段。 电动锚杆钻机的动力单一，是 人们理想的首选机型。但因目前技术水平所限，其支腿配套方式、扭矩 不利于其更快地向前发展。在一定时期内，电动锚杆钻机产品仍会以“技术攻关”为基本特征。 (4) 回转式锚杆钻机方向。 今后回转式锚杆钻机的发展前途，将是如何扩大钻进岩石的范围、提高产品可靠性与减轻机重。 另外，研究锚杆钻机扭矩与改革钻头是发展回转式锚杆孔钻进设备的关键 。回转式锚杆孔钻进方式有其一定的优越性，但若更加广泛地应用，必须首先从提高扭矩入手，配以适合的钻头，适应钻进具有较高磨蚀性的岩石。提高钻头的水 平，离不开高新技术，尽量采用新材料和新工艺，特别是经济有效的表面强化技术。国外曾试验研究高压水细射流技术和小孔径金刚石钻进技术，目前尚未正式用于锚杆孔钻进。硬质合金仍是锚杆孔钻进的主要钻具材料。采用高新技术，改进硬质合金片的性能，同时，研究合理的钻头结构参数，仍是小直径回转式岩石钻头的主攻方向。 (5) 锚杆钻机未来可能实现突破改进的方面。 几十年来，锚杆孔钻进设备已有了一定的提高，随着技术的不断发展锚杆钻机及其配套设备会逐步改革，在以下几个方面将引起产品重大的变化： 的应用，使单体锚杆钻机性能提高、重量减轻。采用了高新技术的岩石钻头将使回转式钻进方式扩大应用范围。 同类型锚杆钻机上的应用，可能会使锚杆钻机发生某些根本性的变革，例如改变钻机特性、改善操作性能、提高可靠买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 4 页 性等。国外已探讨计算机控制的锚杆孔钻进与锚杆安装的综合性自动化设备。凿岩机器人的成功应用必将有力地促进锚杆孔钻进设备的进步。 锚杆支护技术与凿岩技术的发展为基础，锚杆支护新类型 、新材料的出现会对锚杆钻机的结构参数、技术性能与功能提出新的要求 。锚杆孔钻机的开发必须紧随锚杆支护的技术发展。同时，凿岩技术的发展会促进锚杆孔钻进设备的提高。不同凿岩方式的研究以及通用凿岩机具的研究成果，都将会及时地移植到锚杆孔钻进设备的开发上来。 影响着锚杆支护的质量 深度、孔径的准确性以及锚杆安装质量，又涉及操作者的人身安全、劳动强度与作业条件。锚杆孔钻进设备的核心是高效与安全。发展煤矿锚杆孔钻进设备以高效、安全为核心，就会有强劲的竞争力，这是产品具有发展前途的根本。 次设计的技术难点及分析 本次设计的难点是对工作臂的设计，因为要将原有的复杂装置简单化的同时满足技术参数和技术条件，所以此部分的设计是本次设计的关键之一，更是难点。我将此难点分为以下两个不分： 据对整机的运动分析，我把工作臂的设计明确为对动臂和主梁的几个工作铰点的布置设计。设计时我采用了履带式液压挖掘机的动臂部分的设计方法，对工作臂的运动进行了合理的分析和计算从而得到这几个铰点的正确位置，然后对相应的尺寸参数进行了优化设计。至于要实现整机 360 度的旋转，实现全方位的钻孔，本机借鉴了 液压挖掘机中已经相当成熟的回转支承技术，采用了可回转行走底盘。 成设计课题所必须采用的手段和方法 完成设计课题主要采用以下手段 : 数学计算、几何分析计算、计算机绘图、手工绘图等。所用的设计方法有比拟法、经验设计及传统的设计方法。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 5 页 2 方案的构思与抉择 要方案的构思与分析 走系统（底盘）的设计与选型 钻机底盘一般为液压驱动、刚性连接式车架。底盘主要包括车架及行走装置 ， 车架为框架焊接结构 ， 上面有发动机、油水散热器、燃油及液压油箱、操纵装置等的安装支架；行走装 置主要由驱动轮、导向轮、支重轮、托链轮、履带总成、履带张紧装置及行走减速机、纵梁组成 (图 2。 图 2走装置结构图 行走装置中左、右纵梁分别整体焊接后 ， 与中间整体框架式车架用高强度螺栓连接成为一个整体车架。车架后端可设置两个蛙式支腿或两个垂直的支腿 ， 有效降低支腿部分重量及简化结构 ， 工作时支腿支起，增强整车的稳定性。行走减速机一般选用进口的内藏式行星减速机 (包括马达 ) 或两点式变量马达减速机 ， 可选日本帝人公司或其它厂家的产品 ， 行走时能够实现行走快慢双速 ， 输出扭矩大、结构紧 凑。 橡胶履带有两种结构方式可选择，一可采用 司的整体式橡胶履带 ； 二可采用 司的组合式橡胶履带的结构。二者相比 ， 前者结构简单 ， 节距较小 ， 车架高度较低 ， 但后者强度高 ， 可承受更大的载重量 ，损坏后可以更换 ， 驱动轮、导向轮、支重轮、履带张紧装置都可直接配套。一般优先选用整体式橡胶履带 ， 若不能选到适合本机重量的履带，则要选用司的橡胶履带。 履带张紧装置由张紧油缸、张紧弹簧、导向轮、油杯等组成 ， 如图 2示。履带张紧装置的作用是保持履带一定的张紧度。 另外 ， 在设计底盘 前应协调以下几个方面工作： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 6 页 (1) 与发动机系统设计者和发动机罩设计者及其它相关人员协调相对安装结构布置形式尺寸及与车架的连接形式 ； (2) 支腿布置尺寸、具体结构应满足几何相容 ， 无机构干涉现象 ； (3) 进行车架结构强度计算并出具计算书 ； (4) 如有问题及时反馈 ， 并与相关设计者协调。 图 2带张紧装置 1 导向轮 2 导向座 3 张紧弹簧 4 张紧油缸 5 油嘴 给机构的设计和选型 进给机构是土锚钻机的最主要的机构之一，其性能的好坏直 接影响到钻机的钻进效率、钻孔的质量以及钻机各项技术性能的发挥。因此，钻机对进给机构有一定特殊的要求： (1) 给进机构应为全液压式 ， 能够实现无级调节给进力； (2) 在条件许可的情况下，尽可能加大给进行程，实现长行程连续给进，以减少钻进中的辅助时间 ， 提高效率 ， 预防孔内事故发生； (3) 应具有足够推拉力和较大的回转扭矩，以完成钻孔工作； (4) 功能齐全，结构简单，性能可靠，便于制造和维修； (5) 给进机构倾角的可调范围要适应各种施工条件，并且倾角调节方便； (6) 给进机构应具有消除导向钻进时所产生的倾 翻力的装置 ； (7) 给进机构应与整机协调 ， 增加整机的适应性。 给进机构设计的主要任务是首先满足给进力参数要求 ， 现我们拟订了如下五种驱动方案。 方案一 液压缸给进机构 如图 2示，此种结构采用大行程的给进油缸直接驱动动力头移动，实现给进。美国 司、 司以及瑞士 司的很多产品都采用这种机构。 该机构具有如下特点： (1) 结构简单 ， 无须链轮、链条或钢绳、导轮等传动部件； (2) 操作简单，工作可靠，制造成本较低； (3) 容积损失较小 ， 效率较高； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 7 页 (4) 同样的行 程下，钻机的轴向尺寸较大，这就给在市政设施密度较大的城市施工带来不便； (5) 存在活塞杆稳定性问题，故其承载能力受到限制。 图 2压缸给进机构 方案二 液压缸倍速给进机构 如图 2示，该机构由液压缸驱动，通过链轮 钢绳把作用力传递给动力头。 图 2压缸倍速给进机构 该机构特点如下： (1) 动力头移动速度及行程是液压缸相应参数的 2 倍 ， 因而被称为倍速机构，钻机的轴向尺寸较小； (2) 用液压缸传动，相对于马达传动而言，能量损 失较少，传动效率较高，工作可靠； (3) 制造成本相对较高； (4) 液压缸的推拉力只利用一半，故需选用大直径的油缸以满足给进力要买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 8 页 求，这将导致钻机高度方向尺寸加大； (5) 同样存在活塞杆稳定性问题。 方案三 液压马达 - 链条给进机构 如图 2示，该机构采用液压马达驱动 ， 通过链轮、链条进行传动，为实现较大推拉力以及从受力平衡角度考虑，常在导轨两侧安装双液压马达。北京土行孙非开挖技术有限公司的 列和深圳钻通公司研制的 25 和 18 型非开挖钻机即采用该种结构。 该机构具有如下特 点： (1) 结构简单，马达布置灵活，可根据需要布置在导轨的前端或尾部； (2) 给进机构质量较轻 ， 结构紧凑 ， 钻机轴向尺寸较液压缸传动要小； (3) 承载能力有限，不适用于大功率系统； (4) 由于马达有容积损失，故传动效率较液压缸传动效率低。 图 2压马达 链条给进机构 方案四 液压马达倍力给进机构 如图 2示 ， 液压马达通过链轮 - 链条传递作用力。与液压马达 - 链条给进机构不同之处在于增加了中间传递链轮。美国 司采用了这种机构。 该机构除了具有液压马达 - 链条 给进机构的特点外 ， 还具有如下几个特点 : (1) 推拉力是液压马达产生作用力的双倍 ， 因此称为倍力机构 ， 与不采用倍力方案的液压马达 - 链条给进机构相比 ， 要获得相同的给进力 ， 马达及链条受力均减小了 50% ， 因此可以选择小型号的马达及链条 ， 从而减轻了钻机的质量及尺寸 ； (2) 进给速度是马达产生线速度的 1/2； (3) 由于增加了中间传动环节 ， 致使整体结构比较复杂。 在本设计中，要求推拉力大于 120给速度是 进给功率是 1 3此进给功率不是特别大，而且要求结构简单，重量轻等特 点。结合本设计中的特点和各种方案的优缺点，我们选择方案三（液压马达 - 链条给进机构）作为本机的设计方案。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 9 页 图 2压马达倍力给进机构 压驱动系统的设计和选择 土锚钻机的行走系统和工作系统都是用液压来驱动，所以液压系统的是钻机的重要组成部分。液压系统是钻机底盘行走，工作机构。其主要有油箱、油泵、液压操纵阀、液压马达、液压管线等组成。 一般液压系统液压系统分为多液压泵驱动和单液压泵驱动，下面就对两种不同的液压系统驱动方案进行分析比较： (1) 双液压泵驱动系统 图 2液压泵驱动系统 1 进给马达 2 电磁换向阀 3 溢流阀 4 液压泵 5 滤油器 6 旋转马达 在该系统中，钻机的进给机构马达和动力头旋转机构马达分别有两个液压泵驱动。因此在双液压泵驱动中，推进机构马达和旋转机构马达是两个互相独买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 10 页 立的液压系统。不过两者的工作原理确是一样如图 2示。 液压油经过液压油滤清器 5 从变量泵二出来，通过一个方向控制阀对进给马达或动力头旋转马达供油。进给马达通过链轮带动动力头实现进给运动，旋转马达通过一个减速机构带动钻杆、钻头一起旋转运动。最后液压油通 过滤清器回到油箱。其中溢流阀 3 是起到过载保护作用，防止液压油油压过高对液压设备造成损坏。 双液压泵驱动的优点是：一个液压泵驱动一个马达，因此效率比较高，且单