岩巷履带式开沟槽钻机设计（全套含CAD图纸）
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编号： （ ）字 号 本科生毕业设计（论文） 题目： 姓名： 学号： 班级： 二一六年六月 岩巷履带式开沟槽钻机设计 中国矿业大学 本科生毕业设计 姓名： 学号 ： 学院： 机电工程学院 专业： 机械工程及自动化 设计题目： 岩巷履带式开沟槽钻机 设计 专题： 钻臂动态特性仿真分析 指导教师： 职称： 教授 二 六月 徐州 中国矿业大学毕业设计任务书 学院 机电工程学院 专业年级 机自 12 级 学生姓名 任务下达日期： 2016 年 3 月 9 日 毕业设计日期： 2016 年 3 月 9 日至 2016 年 6 月 11 日 毕业设计题目： 岩巷履带式开沟槽钻机设计 毕业设计专题题目： 钻臂动态特性仿真分析 毕业设计主要内容和要求： 1、 钻机功能与结构设计及工作机构选型； 2、 履带式行走机构设计； 3、 液压系统执行元件主要参数设计； 4、 液压系统泵站与控制回路设计； 5、 钻臂动态特性仿真分析。 （ 1）严格按照要求的格式和规定的内容完成计算说明书。 （ 2）所绘制的图纸总的图纸量不少于 院长签字： 指导教师签字： 中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书 指导教师评语 （ 基础理论及基本技能的掌握； 独立解决实际问题的能力； 研究内容的 理论依据和技术方法； 取得的主要成果及创新点； 工作态度及工作量； 总体评价及建议成绩； 存在问题； 是否同意答辩等）： 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书 评阅教师评语 （ 选题的意义； 基础理论及基本技能的掌握； 综合运用所学知识解决实际问题的能力； 工作量的大小； 取得的主要成果及创新点； 写作的规范程度； 总体评价及建议成绩； 存在问题； 是否同意答辩等 ）： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩 答 辩 情 况 提 出 问 题 回 答 问 题 正 确 基本 正确 有一般性错误 有原则性错误 没有 回答 答辩委员会评语及建议成绩： 答辩委员会主任签字： 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩： 学院领导小组负责人： 年 月 日 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 1 页 翻译部分 英文原文 of on of in 10500, In in as as a of it a is of a 01 mm a by of is a of s in it of s in of is of s of on s In s in a in MS .2 6.6 7.1 is on HA in of a an s in 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 2 页 1. to a is an is 012 0% of on ea of to as to is s is 0,000100,000 by of 2th 020 it is to 50,000200,000 00,000 s is in is a of an be if it be in is in in of of ao to of a of as 1 1. in of it of in a of in of in of in is to a to as is in is a of HAs in of is km of is of m of to is in of if it a on 国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 3 页 HA 2 DC in to by HA of et 3 in by of et 4 of of of on of et 5 an on HA of to HA be 0 g, as 00 g. 6 to of of on 7 by of s by of OB u 8 in of et 9, a on a a HA to HA in In of in is In s is on as as a of it a of s in is to is of s s in a of is 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 4 页 1. 2. n is a to of of to of in by of of at t, of b, q, qc , be 10: 0fc ce d b u d q e d S q u d S a u d (1) is a cis u is e is is a is is by a we ( ) ( , ) ( , )M u p t c u a f u (2) is u is t is p is c is f is u is a is is 国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 5 页 as of of on It is in of to an on is by in a 11,12: o ct o o (3) 2 21 2 2 3 3 11 2 301( ) ( ) ( )31()366,3o c to c in , 2is in of k c of . /6 , as be as 2 s i n 6 c o s,3 ( 3 s i n ) 3 ( 3 s i n ) /6 , as be as 2 s i n 6 c o s,3 ( 3 s i n ) 3 ( 3 s i n ) t a n s i n / 3 as be as 22s i n 3 c o s,3 3 s i n 3 s i is 3. 国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 6 页 is on s in to (1) is of is to be (2) of in (3) on he of . he a is of a 01 mm a it 20,592 is 2. 4. 3 in 0 t, 0 r/ As be of in is in in of in .8 of in .2 to In 0 t, 0 r/ as be 46 (g is 9.8 m/ in is in In of 6.6 .1 国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 7 页 MS .7 .8 MS .3 .7 it is is of s is in is up to of In is is 2 is a of in so in in a on in on 7 in 0 t, 30 t 0 t (r/ As be MS in .6 g, 9.1 g 1.8 g, MS in 9.2 g, 48.6 g 4.9 g. g/s ) ) 400 0 1,500 6 36 2. 国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 8 页 3. 4. in 5. in 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 9 页 6. in 7. in 7 in is of In of in is of of it in in to of in in is in as a of a in a a a In in 26 g, 国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 10 页 in of 8. in on 9 0 in PM 0 r/20 r/0 r/0 t). In MS in .9 g, 7.6 g .1 g; MS in .9 g, 17.8 g 8.6 g. it is is of of to an in an on to a in a As PM s HA to s be So s 9. in 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 11 页 10. accelerati购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 摘要 随着我国经济的快速发展，对巷道开掘的需要也越来越大，在巷道开掘的施工中，为了避免巷道内的积水影响施工，必须修建排水沟，以及时排出积水，保证巷道开掘的速度。 对于硬度较大的岩石巷道，我国目前主要采用钻爆法开拓排水沟，其环保性差，危险程度高且后续工作量大。基于此，本文设计一种岩巷履带式开沟槽钻机，其体积小、效率高、经济环保、后续工作量小。 若只使用凿岩机钻孔掘进，掘进效率较低， 且所开沟槽平整度不高 。基于此，本文的岩巷履带式开沟槽钻机将凿岩机与劈裂器集成在一台机器上，以实现凿岩机钻孔后可直接劈裂岩石，旨在提高工作效率，进一步减轻劳动强度。 岩巷履带式开沟槽钻机工作机构为凿岩机和劈裂器，为了实现工作机构正常工作，必须要有使凿岩机和劈裂器轴向运动导轨机构、调整工作位置的钻臂机构、承载和运输所有机械装备的行走机构以及提供整机动力的液压系统，本文将对上述的各机构进行设计与计算。 关键词： 岩巷；履带行走机构；开沟槽；凿岩机；劈裂器；液压系统 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 of in is a in of a be to in to of is to up is of of on a it of If be is on be in a to It In to of be of In I 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 目 录 1 绪论 . 1 巷履带式开沟槽钻机结构简介 . 1 压凿岩机简介 . 1 进系统凿孔工作过程 . 1 裂器与钻机的结合 . 3 巷履带式开沟槽钻机给定参 数 . 4 2 岩巷履带式开沟槽钻机功能与结构设计 . 5 岩机系统结构设计 . 6 岩机选型 . 6 具选型 . 7 轨机构设计 . 7 裂器系统结构设计 . 8 转驱动装置 . 8 转驱动装置结构与原理 . 8 轮蜗 杆式回转驱动装置主要部件特点 . 9 转驱动装置选型 . 9 带式行走机构结构设计 . 10 臂工作范围分析 . 11 3 履带式行走机构主要参数设计 . 13 走机构各部件的计算与选型 . 13 带板 . 13 动轮 . 13 向轮 . 15 重轮 . 16 链轮 . 17 走架 . 18 紧缓冲装置 . 19 走机构动力机构的计算与选 型 . 21 侧履带牵引力计算 . 21 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 侧履带驱动力矩 . 23 边履带行走机构驱动轮转速和输入功率 . 23 走机构减速马达选型 . 23 4 液压系统执行元件参数 设计 . 25 臂液压系统设计 . 25 臂油缸受力分析 . 25 臂油缸主要参数确定 . 27 臂回转驱动装置马达主要参数确定 . 33 作机 构液压系统设计 . 35 岩机液压系统设计 . 35 裂器液压系统设计 . 39 带式行走机构液压系统设计 . 41 走机构前、后支撑 装置设计 . 42 、后支撑液压缸受力分析 . 42 后支撑液压缸主要参数确定 . 43 压系统执行元件参数设计总结 . 46 5 液压系统泵站与控制回路设计 . 48 压泵选型 . 48 机选型 . 49 定油箱容量 . 49 站设计 . 51 箱设计 . 51 压泵组设计 . 52 路设计 . 53 压辅助设备 . 54 压控制回路设计 . 54 6 钻臂动态特性仿真分析（专题） . 55 件简介 . 55 臂分析与建模 . 55 臂模态分析 . 55 义材料与接触 . 55 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 格划分 . 57 加约束 . 58 态分析结果 . 58 态动力分析 . 58 析时间与时间步长 . 59 加载荷 . 59 态动力学分析结果 . 60 压缸刚度对钻臂动态特性的影响分析 . 60 数设置 . 61 成设计点 . 62 据处理与分析 . 62 臂静态强度校核 . 63 臂销轴的疲劳强度分析 . 64 臂动态特性分析小结 . 64 结论 . 65 参考文献 . 66 翻译部分 . 67 英文 原文 . 67 中文 译文 . 83 致谢 . 94 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 1 页 1 绪论 随着我国对能源、资源的需求不断扩大， 已然 成为矿业的开采与消费大国，与此同时对公路、铁路、隧道工程、水电工程等基础设施建设要求不断增强。这些工程的实施都会遇到相同问题：对隧道或巷道的掘进 1718。其中，在巷道的掘进中，为了及时将地下积水排出，必须修建排水沟。目前，在岩石巷道掘进中，排水沟的施工主要是使用风镐、手持式凿岩机等手持式机具来完成，效率低，劳动强度大，严重时会影响整个巷道的掘进效率。岩巷排水沟的施工原则上可以使用现有的机械装备，例如凿岩台车，但是，凿岩台车一般体积较大，功耗较高，用于排水沟槽的施工中不方便操作，成本过高。针对以上情况， 本文设计了一种体积较小的岩巷履带式开沟槽钻机 ，从而 提高排水沟槽 的 施工效率， 还能有效降低劳动成本，提高劳动环境质量。 巷履带式开沟槽钻机结构简介 岩巷履带式开沟槽钻机结构与凿岩台车类似，包括钻进系统、钻臂、操作台、动力系统（压气、电、水、液压）和行走底盘。钻进系统是凿岩台车对岩石直接作用机构，完成岩石的冲击破碎，形成孔眼。推进器是凿岩机的导轨，并给凿岩机以工作所需的轴向推动。钻臂 机构 是 该钻机 的 一个 主要部件，它的作用 是承载工作机构 ，并可调整 工作机构的工作位置 ，实现巷道内不同位置的钻孔施工。钻机行走底盘不 仅是工作机构、动力源及操作台的支撑基架，也是钻车的行走与转向机构， 根据不同的工况 ，可分为履带式 、 轨轮式和轮胎式三类，因为此钻机应用于岩巷排水沟槽的施工，工作条件复杂，故选用履带式底盘。 压凿岩机简介 凿岩机是钻机钻进系统的核心零件，决定着钻机的功耗与效率。因为此钻机机械主要用于 f=812 的岩巷钻孔，故采用冲击能量较大的液压凿岩机为宜。 如图 1示 ，为 凿岩机结构组成 图。 液压凿岩机主要包括、回转机构、钎尾反弹吸收装置和冲击机构四部分组成。其一般有 7 个液压接口，分别为回转机构进出油口和泄油口、活塞冲击进出油口、润滑用接口和水（气）系统接口，通过液压油提供动力，就能实现凿岩机连续不断的工作。 液压凿岩机的工作原理为：凿岩机内部的回转机构部分实现钎杆的旋转运动；其内部的活塞提供冲击运动，冲击为活塞杆周期性的冲击钎尾，然后以应力波的形式经过钎杆传递到钎头，从而破碎岩石。活塞的周期性往复运动是靠凿岩机内部的油路控制孔道实现的。 进系统凿孔工作过程 钻进系统靠冲击凿岩原 理进行工作的，其凿岩工作过程与凿岩机的工作过程，如图 1以分为冲击、推进、回转、冲洗四个过程组合而成 1。 图中， 1 为活塞杆， 25 整体为钎具。 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 2 页 1234567891011、 1712131415161819图 1压凿岩机结构组成 12345图 1进系统凿岩工作过程 冲击的主要 目的是破碎岩石 。 液压油的压力能 ，推动活塞作往复运动， 当活塞向右加速运动，速度增大到一定程度时，冲击钎具并将能量以应力波的形式传递到钎头，使岩石破碎。 推进 功能有两个作用 ，一是推动 工作机构 压向工作面，并使钎头 与岩石工作面能够始终接触 ； 第二个作用 是从孔眼中退出钎具，准备钻凿下一个孔眼。借助链条或油缸等给凿岩机施加推进力。 回转功能有两个作用。一是使钎头冲击一次后能够回转到一个新的位置进行冲击。二中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 3 页 是回转时能够将已发生裂纹的部分剥落下来。 冲洗 的功能 是从 孔眼内 清除岩屑。如果 没有冲洗或者 冲洗不足， 凿孔过程中会 发生重复凿磨， 凿孔速度会大大受到影响，同时钎头的磨损加剧， 甚至 会发生 卡钻 现象 。冲洗 时，一般使用压力水冲洗或压缩空气冲洗 。用压缩空气时，为防止产生粉尘，必须有岩粉收集器等除尘装置，或气水合用。用压力水作冲洗介质时，因通过凿岩机的部位不同，可分为中心给水和旁侧给水两种形式。 裂器与钻机的结合 劈裂器是一种新型分裂破碎设备， 它具有安全可靠、分裂方向可控、经济实用、环保性高、工作效率高等特点。其使用压力较高的液压油提供动力，并且利用 斜契原理 ，能提供几百吨的分裂力，应用前景十分广阔。 1 234423 444图 1裂器在开沟槽施工中的工作原理与工作过程 对于岩巷内排水沟槽的建设，若只使用凿岩机钻孔掘进，掘进效率较低，后续人工工作量大，甚至需要爆破掘进。基于此，本文的岩 巷履带式开沟槽钻机将凿岩机与劈裂器集成在一台机器上，以实现凿岩机钻孔后可直接劈裂岩石， 能够进一步提高施工效率，并且减少劳动力 。劈裂器在开沟槽施工中的工作原理与工作过程如图 1示。 在使用劈裂器之前，必须要有劈裂器所需要的足够的工作空间，即需要凿岩机钻孔孔径略大于劈裂器直径。在劈裂过程中，已掘进完成的排水沟槽区提供了自由面，能够实现定向劈裂，提高排水沟槽的整齐度，减少后续工作量。劈裂器的工作机构主要为两边楔块和中间楔块，两边楔块固定在劈裂器的外壳上，中间楔块由液压缸带动，工作时，先将劈裂器的楔块组按需要的劈 裂方向放入钻好的孔内，然后使用控制阀控制液压缸带动中间楔块伸出，岩体就会逐渐被撑裂，等中间楔块走到头，再通过控制阀使其退回原位，拔出劈裂器，通过钻臂调中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 4 页 整凿岩机和劈裂器的位置，进行下一个工位的钻孔与劈裂。 巷履带式开沟槽钻机 给定参数 根据工作条件与现有机械装备的功能参数，确定该岩巷履带式开沟槽钻机的参数如表1示。 表 1巷履带式开沟槽钻机给定参数 项目 参数 项目 参数 岩石硬度 f 812 沟槽截面尺寸 /00 400 凿岩机功率 /12 凿岩机转速 /r/00 行走速度 /m/5 接地比压 / 机宽度 /m 坡能力 / 15 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 5 页 2 岩巷履带式开沟槽钻机功能与结构设计 岩巷履带式开沟槽钻机的 工作机构主要为凿岩机和劈裂器，为了实现工作机构正常工作，必须要有使凿岩机和劈裂器轴向运动导轨机构、调整工作位置的钻臂机构和主回转机构、承载和运输所有机械装备的行走机构以及提供整机能量的液压系统。 12345 679图 2巷履带式开沟槽钻机整机结构图 如图 2示，为本文设计的岩巷履带式开沟槽钻机整机结构图。其中，工作机构的设计理念为：凿岩机与劈裂器中心的回转半径相同，安装高度相同，安装角度相差 90。即当对某一工位进行开沟槽施工时，能够实现凿岩机先进行钻孔，然后只需回转驱动装置（ 5）旋转 90，就能够使劈裂器对准刚钻好的孔眼，进而进行劈裂操作。这样做不仅能够方便操作，提高工作效率，而且能够提高劈裂器与所打孔眼的同轴度，确保劈裂器系统正常工作。钻臂机构的设计理念为：根据挖掘机的大臂与小臂结构以及液压缸的位置与连接方式 2，设计本文钻机的钻臂机构，大臂与小臂的长度根据工作范围的需要和工作机构与地面的距离进行设计。对于本文的钻机，工作范围为 2m，即行走机构不运行时，只靠钻臂机构调整工位就可掘进至少 2m 的排水沟槽（如图 2示，为本文的钻机工作时的相对位置图，因钻机在工作时钻臂机构总是要偏转一定角度，所以为了使工作范围达到 2m，中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 6 页 本文设计的钻臂机构要求可伸出范围为 3m）；并且，在整个工作范围内，都能调整凿岩机系统的钎头紧贴地面，钎杆垂直于地面。 124312 34图 2机工作时的相对位置 岩机系统结构设计 凿岩机系统包括凿岩机及其使用的钎杆、钎头和导轨机构，其结构如图 2示。 岩机选型 根据条件，凿岩机的功率需在 812率较小，可选用 压凿岩机 1。该凿岩机共有 6 个液压管道接口，其中 2 个用于液压马达的回转运动、 2 个用于活塞的冲击运动、 1 个用于为冲洗过程供水（气）、 1 个用于为凿岩机提供润滑油。 压凿岩机的功能参数如表 2示，由表中数据可以计算凿岩机的总功率。 1 9 0 5 0 W 4 . 5 k f 2 2 0 0 3 0 0 k W 6 . 2 8 k 5 0 9 5 5 012 4 . 5 6 . 2 8 1 0 . 7 8 k P 式中： P 总功率；1P冲击功率；2P回转功率 表 2压凿岩机的功能参数 项目 参数 项目 参数 适用岩石硬度 f 616 凿孔范围 /651 冲击能量 E/J 90 冲击频率 f/0 回转速度 n/r/50300 回转扭矩 T/00 钻杆规格 /5 凿岩速度 /mm/001000 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 7 页 由以上数据可知，该凿岩机符合设计要求。 12345678图 2岩机系统结构 具选型 钎具包括钎尾、钎杆与钎头三部分，三者可以是整体的，也可以是分体的（分体钎头或钎尾），钎头是直接破碎岩石的部分，磨损较大，属于易损件，为了方便更换钎头，本文设计的钻机使用分体整杆钎中的活头钎 1。根据已选凿岩机的型号，确定整体钎杆为波形螺纹连接方式，直径为 25于开沟槽深度为 400了给劈裂器留出足够的工作空间，并且为后续工作留出余量，在此选择钻孔深度为 杆长度为 杆材料为 30 7）。可拆式钎头安装硬质合金形状可分刃片式和球齿式，其与钎杆的连接 方式主要有椎体连接和螺纹连接，本文设计的钻机采用螺纹连接方式的球齿式钎头，直径需根据工况确定：因为要掘进的沟槽截面面积较小，所以选用直径较小的裂器，根据该劈裂器的技术要求，选择钎头直径为 42头体材料与钎杆相同，为 30头硬质合金材料为 3）。 轨机构设计 导轨机构包括导轨架、燕尾槽导轨、滑台和液压缸，导轨架上安装有钎杆导向套，导向套由紧定螺钉提供夹紧力夹紧，便于拆卸安装。液压缸放置在导轨内部，一端用法兰连接固定在导轨挡板上，一端用耳 环型连接固定在滑台上，结构紧凑。导轨材料使用耐磨性中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 8 页 较好的淬硬钢，如淬硬后的 45 钢 4，根据凿岩机长度与钎杆长度设计其长度为 1400台包括结构钢外壳和尼龙 6 衬板，尼龙 6 材料 具有 非常好的综合机械性能，并且其耐磨性和减震性十分优越，在导轨机构中使用能够有效提高整个机构的性能和寿命。 裂器系统结构设计 劈裂器、导轨机构和相应的液压系统组成劈裂器系统。其中，劈裂器包括 三种类型：轴向 向劈裂器和柱塞式劈裂器 5。这三种劈裂器适用于不同的工况，对于开沟槽施工，已掘进区域提供了一个自由面，加上顶面共有两个自由面，并且沟槽截面较小，故在此选择径向劈裂器 ，其技术参数如表 2示。导轨机构与凿岩机系统的导轨机构相同，此处不再详细叙述。 表 2裂器技术参数 项目 参数 项目 参数 活塞缸内径 /0 活塞缸行程 /20 楔块长度 /50 打孔深度 /00 打孔直径 /2 劈裂时间 /s 1015 转驱动装置 本文设计的岩巷履带式开沟槽钻机有两处使用回转驱动装置，如图 2示，一处为转换工作机构（凿岩机钻完孔后，使劈裂器对准孔眼）的回转驱动装置 5，另一处为调整钻臂旋转角度的主回转机构（回转驱动装置 2），起到回转台的作用。 转驱动装置结构与原理 根据回转驱动的传动形式，可以 区 分为齿式回转驱动和蜗轮蜗杆式回转驱动，在承载能力 上 ， 齿式不如蜗轮蜗杆式 ， 并且，当蜗轮蜗杆式回转驱动使用包络蜗杆时， 其承载能力、抗变形能力以及传动刚性有更进一步的提高， 故在此选用 蜗轮蜗杆式回转驱动 装置。蜗轮蜗杆式回转驱动 装置的结构组 成如图 2示。 蜗轮蜗杆式回转驱动装置是利用蜗轮蜗杆传动的原理实现大传动比的减速装置，采用包络蜗杆传递运动和动力。整个回转驱动装置由蜗轮蜗杆、转盘轴承、壳体和动力源组成。采用转盘轴承，能够同时承受较大的轴向力、径向力和倾覆力矩。这种回转驱动装置具有安装拆卸简便、节省安装空间、易于维护、使用寿命较高等优势。 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 9 页 图 2轮蜗杆式回转驱动 装置结构组成 轮蜗杆式回转驱动装置主要部件特点 转盘轴承：能够同时承受轴向力、径向力和倾覆力矩，并且自身体积和安装体积较小。 蜗轮蜗杆传动： 蜗轮蜗杆传动用于两轴相交成 90， 但彼此即不能平行又不能相交的情况下 。其具有以下特点： 体积小、传动比大。 传动平稳、冲击震动小。承载能力大。 具有自锁性。机构具有自锁性的条件为蜗杆的导程角小于当量摩擦角。因此，其在许多要求自锁的机械设备中得到广泛的应用。 转驱动装置选型 对于回转驱动装置 5，其主要承受轴向负荷和倾覆力矩，还有凿岩机工作时的轴向动负荷。在 三维模型中，可以计算模型的质量与重心的位置，以此为依据计算回转驱动装置所受的静力。 轴向负荷： 3 6 0 9 . 8 N 3 5 2 8 NF m g 倾覆力矩： 3 5 2 8 0 . 3 3 N m 1 1 6 4 . 2 4 N d 式中： m 凿岩机系统与劈裂器系统总质量， m 360d 凿岩机系统与劈裂器系统重心与回转驱动装置中心线的距离， d 岩机工作时附加的轴向动负荷幅值（假设没有阻尼）：参考式 2，可知： 2 3 . 3 1 2 2 9 0 1 5 2 0 5 8 f E m 附加轴向力方向与静负载方向相反，式中： f 岩石普氏硬度； E 凿岩机的冲击能， J； m 活塞质量， 以上数据，考虑到赋予机械足够的安装工作机构的空间和足够的安全系数，可选用司生产的 回转驱动装置，其功能参数如表 2示。 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 10 页 表 2功能参数 项目 参数 项目 参数 模数 / 轴向额定动负荷 /1 蜗杆头数 1 反向保持力矩 /动比 61:1 倾覆力矩 /率 / 40 径向额定静负荷 /35 重量 /9 轴向额定静负荷 /38 输出力矩 /向额定动负荷 /1 对于回转驱动装置 2，其主要承受轴向负荷和倾覆力矩，凿岩机工作时的轴向动负荷可不予考虑。在 三维模型中，可以计算模型的质量与钻臂完全伸出时的重心位置，以此为依据计算回转驱动装置所受的静力。 轴向负荷： 1 0 3 4 9 . 8 N 1 0 1 3 3 . 2 NF m g 最大倾覆力矩： 1 0 1 3 3 . 2 3 . 3 N m 3 3 4 3 9 . 5 6 N d 式中： m 工作机构与钻臂机构总质量， m 1034d 钻臂完全伸出时工作机构与钻臂机构的重心与回转驱动装置中心线的距离， d 以上数据，考虑到赋予机械足够的安装大臂机构的空间和足够的安全系数中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 1 页 摘要 随着我国经济的快速发展，对巷道开掘的需要也越来越大，在巷道开掘的施工中，为了避免巷道内的积水影响施工，必须修建排水沟，以及时排出积水，保证巷道开掘的速度。 对于硬度较大的岩石巷道，我国目前主要采用钻爆法开拓排水沟，其环保性差，危险程度高且后续工作量大。基于此，本文设计一种岩巷履带式开沟槽钻机，其体积小、效率高、经济环保、后续工作量小。 若只使用凿岩机钻孔掘进，掘进效率较低， 且所开沟槽平整度不高 。基于此，本文的岩巷履带式开沟槽钻机将凿岩机与劈裂器集成在一台机器上，以实现凿岩机钻孔后可直接劈裂岩石，旨在提高工作效率，进一步减轻劳动强度。 岩巷履带式开沟槽钻机工作机构为凿岩机和劈裂器，为了实现工作机构正常工作，必须要有使凿岩机和劈裂器轴向运动导轨机构、调整工作位置的钻臂机构、承载和运输所有机械装备的行走机构以及提供整机动力的液压系统，本文将对上述的各机构进行设计与计算。 关键词： 岩巷；履带行走机构；开沟槽；凿岩机；劈裂器；液压系统 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 2 页 of in is a in of a be to in to of is to up is of of on a it of If be is on be in a to It In to of be of In I 国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 3 页 目 录 1 绪论 . 错误 !未定义书签。 巷履带式开沟槽钻机结构简介 . 错误 !未定义书签。 压凿岩机简介 . 错误 !未定义书签。 进系统凿孔工作过程 . 错误 !未定义书签。 裂器与钻机的结合 . 错误 !未定义书签。 巷履带式开沟槽钻机给定参 数 . 错误 !未定义书签。 2 岩巷履带式开沟槽钻机功能与结构设计 . 错误 !未定义书签。 岩机系统结构设计 . 错误 !未定义书签。 岩机选型 . 错误 !未定义书签。 具选型 . 错误 !未定义书签。 轨机构设计 . 错误 !未定义书签。 裂器系统结构设计 . 错误 !未定义书签。 转驱动装置 . 错误 !未定义书签。 转驱动装置结构与原理 . 错误 !未定义书签。 轮蜗 杆式回转驱动装置主要部件特点 . 错误 !未定义书签。 转驱动装置选型 . 错误 !未定义书签。 带式行走机构结构设计 . 错误 !未定义书签。 臂工作范围分析 . 错误 !未定义书签。 3 履带式行走机构主要参数设计 . 错误 !未定义书签。 走机构各部件的计算与选型 . 错误 !未定义书签。 带板 . 错误 !未定义书签。 动轮 . 错误 !未定义书签。 向轮 . 错误 !未定义书签。 重轮 . 错误 !未定义书签。 链轮 . 错误 !未定义书签。 走架 . 错误 !未定义书签。 紧缓冲装置 . 错误 !未定义书签。 走机构动力机构的计算与选 型 . 错误 !未定义书签。 侧履带牵引力计算 . 错误 !未定义书 签。 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 4 页 侧履带驱动力矩 . 错误 !未定义书签。 边履带行走机构驱动轮转速和输入功率 . 错误 !未定义书签。 走机构减速马达选型 . 错误 !未定义书签。 4 液压系统执行元件参数 设计 . 错误 !未定义书签。 臂液压系统设计 . 错误 !未定义书签。 臂油缸受力分析 . 错误 !未定义书签。 臂油缸主要参数确定 . 错误 !未定义书签。 臂回转驱动装置马达主要参数确定 . 错误 !未定义书签。 作机 构液压系统设计 . 错误 !未定义书签。 岩机液压系统设计 . 错误 !未定义书签。 裂器液压系统设计 . 错误 !未定义书签。 带式行走机构液压系统设计 . 错误 !未定义书签。 走机构前、后支撑 装置设计 . 错误 !未定义书签。 、后支撑液压缸受力分析 . 错误 !未定义书签。 后支撑液压缸主要参数确定 . 错误 !未定义书签。 压系统执行元件参数设计总结 . 错误 !未定义书签。 5 液压系统泵站与控制回路设计 . 错误 !未定义书签。 压泵选型 . 错误 !未定义书签。 机选型 . 错误 !未定义书签。 定油箱容量 . 错误 !未定义书签。 站设计 . 错误 !未定义书签。 箱设计 . 错误 !未定义书签。 压泵组设计 . 错误 !未定义书签。 路设计 . 错误 !未定义书签。 压辅助设备 . 错误 !未定义书签。 压控制回路设计 . 错误 !未定义书签。 6 钻臂动态特性仿真分析（专题） . 错误 !未定义书签。 件简介 . 错误 !未定义书签。 臂分析与建模 . 错误 !未定义书签。 臂模态分析 . 错误 !未定义书签。 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 5 页 义材料与接触 . 错误 !未定义书签。 格划分 . 错误 !未定义书签。 加约束 . 错误 !未定义书签。 态分析结果 . 错误 !未定义书签。 态动力分析 . 错误 !未定义书签。 析时间与时间步长 . 错误 !未定义书签。 加载荷 . 错误 !未定义书签。 态动力学分析结果 . 错误 !未定义书签。 压缸刚度对钻臂动态特性的影响分析 . 错误 !未定义书签。 数设置 . 错误 !未定义书签。 成设计点 . 错误 !未定义书签。 据处理与分析 . 错误 !未定义书签。 臂静态强度校核 . 错误 !未定义书签。 臂销轴的疲劳强度分析 . 错误 !未定义书签。 臂动态特性分析小结 . 错误 !未定义书签。 结论 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 翻译部分 . 错误 !未定义书签。 英文 原文 . 错误 !未定义书签。 中文 译文 . 错误 !未定义书签。 致谢 . 错误 !未定义书签。 摘要 随着我国经济的快速发展，对巷道开掘的需要也越来越大，在巷道开掘的施工中，为了避免巷道内的积水影响施工，必须修建排水沟，以及时排出积水，保证巷道开掘的速度。 对于硬度较大的岩石巷道，我国目前主要采用钻爆法开拓排水沟，其环保性差，危险程度高且后续工作量大。基于此，本文设计一种岩巷履带式开沟槽钻机，其体积小、效率高、经济环保、后续工作量小。 若只使用凿岩机钻孔掘进，掘进效率较低， 且所开沟槽平整度不高 。基于此，本文的岩巷履带式开沟槽钻机将凿岩机与劈裂器集成在一台机器上，以实现凿岩机钻孔后可直接劈裂岩石，旨在提高工作效率，进一步减轻劳动强度。 岩巷履带式开沟槽钻机工作机构为凿岩机和劈裂器，为了实现工作机构正常工作，必须要有使凿岩机和劈裂器轴向运动导轨机构、调整工作位置的钻臂机构、承载和运输所有机械装备的行走机构以及提供整机动力的液压系统，本文将对上述的各机构进行设计与计算。 关键词： 岩巷；履带行走机构；开沟槽；凿岩机；劈裂器；液压系统 of in is a in of a be to in to of is to up is of of on a it of If be is on be in a to It In to of be of In I 目 录 1 绪论 . 1 巷履带式开沟槽钻机结构简介 . 1 压凿岩机简介 . 1 进系统凿孔工作过程 . 1 裂器与钻机的结合 . 3 巷履带式开沟槽钻机给定参 数 . 4 2 岩巷履带式开沟槽钻机功能与结构设计 . 5 岩机系统结构设计 . 6 岩机选型 . 6 具选型 . 7 轨机构设计 . 7 裂器系统结构设计 . 8 转驱动装置 . 8 转驱动装置结构与原理 . 8 轮蜗 杆式回转驱动装置主要部件特点 . 9 转驱动装置选型 . 9 带式行走机构结构设计 . 10 臂工作范围分析 . 11 3 履带式行走机构主要参数设计 . 13 走机构各部件的计算与选型 . 13 带板 . 13 动轮 . 13 向轮 . 15 重轮 . 16 链轮 . 17 走架 . 18 紧缓冲装置 . 19 走机构动力机构的计算与选 型 . 21 侧履带牵引力计算 . 21 侧履带驱动力矩 . 23 边履带行走机构驱动轮转速和输入功率 . 23 走机构减速马达选型 . 23 4 液压系统执行元件参数 设计 . 25 臂液压系统设计 . 25 臂油缸受力分析 . 25 臂油缸主要参数确定 . 27 臂回转驱动装置马达主要参数确定 . 33 作机 构液压系统设计 . 35 岩机液压系统设计 . 35 裂器液压系统设计 . 39 带式行走机构液压系统设计 . 41 走机构前、后支撑 装置设计 . 42 、后支撑液压缸受力分析 . 42 后支撑液压缸主要参数确定 . 43 压系统执行元件参数设计总结 . 46 5 液压系统泵站与控制回路设计 . 48 压泵选型 . 48 机选型 . 49 定油箱容量 . 49 站设计 . 51 箱设计 . 51 压泵组设计 . 52 路设计 . 53 压辅助设备 . 54 压控制回路设计 . 54 6 钻臂动态特性仿真分析（专题） . 55 件简介 . 55 臂分析与建模 . 55 臂模态分析 . 55 义材料与接触 . 55 格划分 . 57 加约束 . 58 态分析结果 . 58 态动力分析 . 58 析时间与时间步长 . 59 加载荷 . 59 态动力学分析结果 . 60 压缸刚度对钻臂动态特性的影响分析 . 60 数设置 . 61 成设计点 . 62 据处理与分析 . 62 臂静态强度校核 . 63 臂销轴的疲劳强度分析 . 64 臂动态特性分析小结 . 64 结论 . 65 参考文献 . 66 翻译部分 . 67 英文 原文 . 67 中文 译文 . 83 致谢 . 94 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 1 页 1 绪论 随着我国对能源、资源的需求不断扩大， 已然 成为矿业的开采与消费大国，与此同时对公路、铁路、隧道工程、水电工程等基础设施建设要求不断增强。这些工程的实施都会遇到相同问题：对隧道或巷道的掘进 1718。其中，在巷道的掘进中，为了及时将地下积水排出，必须修建排水沟。目前，在岩石巷道掘进中，排水沟的施工主要是使用风镐、手持式凿岩机等手持式机具来完成，效率低，劳动强度大，严重时会影响整个巷道的掘进效率。岩巷排水沟的施工原则上可以使用现有的机械装备，例如凿岩台车，但是，凿岩台车一般体积较大，功耗较高，用于排水沟槽的施工中不方便操作，成本过高。针对以上情况， 本文设计了一种体积较小的岩巷履带式开沟槽钻机 ，从而 提高排水沟槽 的 施工效率， 还能有效降低劳动成本，提高劳动环境质量。 巷履带式开沟槽钻机结构简介 岩巷履带式开沟槽钻机结构与凿岩台车类似，包括钻进系统、钻臂、操作台、动力系统（压气、电、水、液压）和行走底盘。钻进系统是凿岩台车对岩石直接作用机构，完成岩石的冲击破碎，形成孔眼。推进器是凿岩机的导轨，并给凿岩机以工作所需的轴向推动。钻臂 机构 是 该钻机 的 一个 主要部件，它的作用 是承载工作机构 ，并可调整 工作机构的工作位置 ，实现巷道内不同位置的钻孔施工。钻机行走底盘不 仅是工作机构、动力源及操作台的支撑基架，也是钻车的行走与转向机构， 根据不同的工况 ，可分为履带式 、 轨轮式和轮胎式三类，因为此钻机应用于岩巷排水沟槽的施工，工作条件复杂，故选用履带式底盘。 压凿岩机简介 凿岩机是钻机钻进系统的核心零件，决定着钻机的功耗与效率。因为此钻机机械主要用于 f=812 的岩巷钻孔，故采用冲击能量较大的液压凿岩机为宜。 如图 1示 ，为 凿岩机结构组成 图。 液压凿岩机主要包括、回转机构、钎尾反弹吸收装置和冲击机构四部分组成。其一般有 7 个液压接口，分别为回转机构进出油口和泄油口、活塞冲击进出油口、润滑用接口和水（气）系统接口，通过液压油提供动力，就能实现凿岩机连续不断的工作。 液压凿岩机的工作原理为：凿岩机内部的回转机构部分实现钎杆的旋转运动；其内部的活塞提供冲击运动，冲击为活塞杆周期性的冲击钎尾，然后以应力波的形式经过钎杆传递到钎头，从而破碎岩石。活塞的周期性往复运动是靠凿岩机内部的油路控制孔道实现的。 进系统凿孔工作过程 钻进系统靠冲击凿岩原 理进行工作的，其凿岩工作过程与凿岩机的工作过程，如图 1以分为冲击、推进、回转、冲洗四个过程组合而成 1。 图中， 1 为活塞杆， 25 整体为钎具。 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 2 页 1234567891011、 1712131415161819图 1压凿岩机结构组成 12345图 1进系统凿岩工作过程 冲击的主要 目的是破碎岩石 。 液压油的压力能 ，推动活塞作往复运动， 当活塞向右加速运动，速度增大到一定程度时，冲击钎具并将能量以应力波的形式传递到钎头，使岩石破碎。 推进 功能有两个作用 ，一是推动 工作机构 压向工作面，并使钎头 与岩石工作面能够始终接触 ； 第二个作用 是从孔眼中退出钎具，准备钻凿下一个孔眼。借助链条或油缸等给凿岩机施加推进力。 回转功能有两个作用。一是使钎头冲击一次后能够回转到一个新的位置进行冲击。二中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 3 页 是回转时能够将已发生裂纹的部分剥落下来。 冲洗 的功能 是从 孔眼内 清除岩屑。如果 没有冲洗或者 冲洗不足， 凿孔过程中会 发生重复凿磨， 凿孔速度会大大受到影响，同时钎头的磨损加剧， 甚至 会发生 卡钻 现象 。冲洗 时，一般使用压力水冲洗或压缩空气冲洗 。用压缩空气时，为防止产生粉尘，必须有岩粉收集器等除尘装置，或气水合用。用压力水作冲洗介质时，因通过凿岩机的部位不同，可分为中心给水和旁侧给水两种形式。 裂器与钻机的结合 劈裂器是一种新型分裂破碎设备， 它具有安全可靠、分裂方向可控、经济实用、环保性高、工作效率高等特点。其使用压力较高的液压油提供动力，并且利用 斜契原理 ，能提供几百吨的分裂力，应用前景十分广阔。 1 234423 444图 1裂器在开沟槽施工中的工作原理与工作过程 对于岩巷内排水沟槽的建设，若只使用凿岩机钻孔掘进，掘进效率较低，后续人工工作量大，甚至需要爆破掘进。基于此，本文的岩巷履带式开沟槽钻机将凿岩机与劈裂器集成在一台机器上，以实现凿岩机钻孔后可直接劈裂岩石， 能够进一步提高施工效率，并且减少劳动力 。劈裂器在开沟槽施工中的工作原理与工作过程如图 1示。 在使用劈裂器之前，必须要有劈裂器所需要的足够的工作空间，即需要凿岩机钻孔孔径略大于劈裂器直径。在劈裂过程中，已掘进完成的排水沟槽区提供了自由面，能够实现定向劈裂，提高排水沟槽的整齐度，减少后续工作量。劈裂器的工作机 构主要为两边楔块和中间楔块，两边楔块固定在劈裂器的外壳上，中间楔块由液压缸带动，工作时，先将劈裂器的楔块组按需要的劈裂方向放入钻好的孔内，然后使用控制阀控制液压缸带动中间楔块伸出，岩体就会逐渐被撑裂，等中间楔块走到头，再通过控制阀使其退回原位，拔出劈裂器，通过钻臂调中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 4 页 整凿岩机和劈裂器的位置，进行下一个工位的钻孔与劈裂。 巷履带式开沟槽钻机 给定参数 根据工作条件与现有机械装备的功能参数，确定该岩巷履带式开沟槽钻机的参数如表1示。 表 1巷履带式开沟槽钻机给定参数 项目 参数 项目 参数 岩石硬度 f 812 沟槽截面尺寸 /00 400 凿岩机功率 /12 凿岩机转速 /r/00 行走速度 /m/5 接地比压 / 机宽度 /m 坡能力 / 15 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 5 页 2 岩巷履带式开沟槽钻机功能与结构设计 岩巷履带式开沟槽钻机的 工作机构主要为凿岩机和劈裂器，为了实现工作机构正常工作，必须要有使凿岩机和劈裂器轴向运动导轨机构、调整工作位置的钻臂机构和主回转机构、承载和运输所有机械装备的行走机构以及提供整机能量的液压系统。 12345 679图 2巷履带式开沟槽钻机整机结构图 如图 2示，为本文设计的岩巷履带式开沟槽钻机整机结构图。其中，工作机构的设计理念为：凿岩机与劈裂器中心的回转半径相同，安装高度相同，安装角度相差 90。即当对某一工位进行开沟槽施工时，能够实现凿岩机先进行钻孔，然后只需回转驱动装置（ 5）旋转 90，就能够使劈裂器对准刚钻好的孔眼，进而进行劈裂操作。这样做不仅能够方便操作，提高工作效率，而且能够提高劈裂器与所打孔眼的同轴度，确保劈裂器系统正常工作。钻臂机构的设计理念为：根据挖掘机的大臂与小臂结构以及液压缸的位置与连接方式 2，设计本文钻机的钻臂机构，大臂 与小臂的长度根据工作范围的需要和工作机构与地面的距离进行设计。对于本文的钻机，工作范围为 2m，即行走机构不运行时，只靠钻臂机构调整工位就可掘进至少 2m 的排水沟槽（如图 2示，为本文的钻机工作时的相对位置图，因钻机在工作时钻臂机构总是要偏转一定角度，所以为了使工作范围达到 2m，中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 6 页 本文设计的钻臂机构要求可伸出范围为 3m）；并且，在整个工作范围内，都能调整凿岩机系统的钎头紧贴地面，钎杆垂直于地面。 12431234图 2机工作时的相对位置 岩机系统结构设计 凿岩机系统包括凿岩机及其使用的钎杆、钎头和导轨机构，其结构如图 2示。 岩机选型 根据条件，凿岩机的功率需在 812率较小，可选用 压凿岩机 1。该凿岩机共有 6 个液压管道接口，其中 2 个用于液压马达的回转运动、 2 个用于活塞的冲击运动、 1 个用于为冲洗过程供水（气）、 1 个用于为凿岩机提供润滑油。 压凿岩机的功能参数如表 2示，由表中数据可以计算凿岩机的总功率。 1 9 0 5 0 W 4 . 5 k f 2 2 0 0 3 0 0 k W 6 . 2 8 k 5 0 9 5 5 012 4 . 5 6 . 2 8 1 0 . 7 8 k P 式中： P 总功率；1P冲击功率；2P回转功率 表 2压凿岩机的功能参数 项目 参数 项目 参数 适用岩石硬度 f 616 凿孔范围 /651 冲击能量 E/J 90 冲击频率 f/0 回转速度 n/r/50300 回转扭矩 T/00 钻杆规格 /5 凿岩速度 /mm/001000 中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 7 页 由以上数据可知，该凿岩机符合设计要求。 12345678图 2岩机系统结构 具选型 钎具包括钎尾、钎杆与钎头三部分，三者可以是整体的，也可以是分体的（分体钎头或钎尾），钎头是直接破碎岩石的部分，磨损较大，属于易损件，为了方便更换钎头，本文设计的钻机使用分体整杆钎中的活头钎 1。根据已选凿岩机的型号，确定整体钎杆为波形螺纹连接方式，直径为 25于开沟槽深度为 400了给劈裂器留出足够的工作空间，并且为后续工作留出余量，在此选择钻孔深度为 杆长度为 杆材料为 30 7）。可拆式钎头安装硬质合金形状可分刃片式和球齿式，其与钎杆的连接方式主要有椎体连接和螺纹连接，本文设计的钻机采用螺纹连接方式的球齿式钎头，直径需根据工况确定：因为要掘进的沟槽截面面积较小，所以选用直径较小的裂器，根据该劈裂器的技术要求，选择钎 头直径为 42头体材料与钎杆相同，为 30头硬质合金材料为 3）。 轨机构设计 导轨机构包括导轨架、燕尾槽导轨、滑台和液压缸，导轨架上安装有钎杆导向套，导向套由紧定螺钉提供夹紧力夹紧，便于拆卸安装。液压缸放置在导轨内部，一端用法兰连接固定在导轨挡板上，一端用耳环型连接固定在滑台上，结构紧凑。导轨材料使用耐磨性中国矿业大学 2016 届本科生毕业设计（论文） 第 8 页 较好的淬硬钢，如淬硬后的 45 钢 4，根据凿岩机长度与钎杆长度设计其长
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