机械毕业设计（论文）-CMZ120型锚固钻机供杆系统的设计【全套图纸】.doc

完整的设计摘要CMZ120型锚固钻机是一种机械传动、液压给进、液压提升的动力头式工程钻机。该钻机结构合理、成本低廉，具有价格做强势。锚杆钻机受地域影响小、施工作业灵活、成本相对较低、结构简洁等优点，所以在各项工程领域都有广泛的应用。介绍了CMZ120型锚固钻机供杆系统的设计思路、工作原理、主要结构、主要技术参数和工作过程。针对现有煤巷锚杆支护及其配套锚杆钻机存在的不适应坚硬夹层及坚硬围岩等问题,提出了冲击旋转式锚杆钻机结构,并对其进行设计研究。在对冲击旋转钻孔破岩机理进行分析的基础上,制定出冲击旋转式锚杆钻机结构方案,并对其结构原理和特点作了论述。液压推动的特点决定了液压锚杆钻机对软、硬岩层有较好的适应性。关键词：CMZ120型锚固钻机,液压，旋转冲击，破岩机理。全套图纸，加153893706AbstractThe anchor rig CMZ120 is a kind engineering rigs with mechanical top driver，hydraulic feeder and elevator. The rig has advantages of simplified structure, rational layout and lower cost. Anchoring drilling machine with the advantages of less affected by the geographical, construction operations flexible, relatively low-cost and simple structure is widely applied in many engineering fields. The design thinking, work theory, main structure, key parameter and work process of CMZ120 for the agency single head hydraulic roof-bolter are presented here. Aiming at the existing problem that the bolt support and reckbolter are not suitable for hard rock roof-bolter with rational design was carried out, its structure principle and feature were expounded. The characteristic of hydraulic motion make the hydraulic roof-bolter has the adaptability to mild and rigid coal bed.Key words: Anchor rig CMZ120, Hydraulic, Rotary-impact, Rock breaking mechanism.目录1 绪论12课题分析及设计方案的选择42.1 供杆机构的工作原理42.2 方案分析及选择42.2.1供杆机构的结构分析43供杆系统的设计及计算63.1钻杆的设计与校核63.2钻杆箱设计83.2.1钻杆箱结构简图83.2.2对放置钻杆进行受力分析83.2.3钻杆箱各部分尺寸的确定103.2.4计算钻杆箱总重153.2.5焊缝设计计算163.3进给杆设计173.3.1进给杆机构设计简图183.3.2进给杆的受力分析183.3.3进给杆材料的选择193.3.4进给杆防脱钩设计193.3.5拉紧弹簧的设计203.3.6摆转机械手的设计213.3.7摩擦衬板的设计计算223.4进给杆支承设计233.4.1托板设计233.4.2支承角钢的设计243.5进给杆联接杆的设计253.5.1联接杆材料的选择263.5.2辅助板的设计263.6油缸设计273.6.1拟定油路图273.6.2液压缸载荷力的计算273.6.3液压缸的主要结构尺寸283.7支座设计303.8销的设计333.9轴挡肩的设计343.10侧支撑板的设计344钻机的保护设计374.1钻机的保护374.1.1锁紧回路374.1.2浮动保护384.1.3钻机润滑的必要性395操作系统设计介绍405.1操作系统的结构及作用405.2操纵机构的布置416结论42参考文献43附录44致谢4529 第 页1 绪论锚杆钻机在一些地方又称为锚固钻机, 根据动力来源主要有气动和液压两种, 而电液相结合将是其发展趋势。气动锚杆钻机是最早使用的锚固设备, 其主要特点是结构单一、重量轻、搬运方便、操作简单。钻机类型有单冲击型、冲 击回转型等。常用于爆破孔、成孔直径小的边坡支护、基坑喷锚支护等方面。液压锚杆钻机主要以液压油作为介质, 以油缸、马达为驱动执行元件构成。从行走上分在国内主要有滑撬式和履带式两种。滑撬式液压锚杆钻机结构简单, 力量较大, 操作简便, 造价成本相对较低。如无锡双帆生产的 YG- 80、成都哈迈生产的 YXZ-70、重庆探矿厂生产的MGJ-50等等, 图1-1所示为其典型代表机型之一。在工民建施工工艺中的抗浮锚杆、基坑支护、土钉墙支护等应用较为广泛。但移机笨重, 功能单一, 并随着人工成本的增加, 高层建筑越来越多, 越来越高, 这类机型已逐渐不能适应市场的需求。因而履带式自动行走的锚固锚杆钻机很快得到发展。 图1-1 典型锚杆钻机在国内履带式锚杆钻机有许多类型, 其特点主要表现在动力头大多采用了大扭矩马达驱动,调速范围通常为无级调速, 大大提高了钻机的性能。行走履带由液压马达驱动,提高了钻机的灵活性, 降低了人工移机的烦琐性。这类钻机也采用了下打击方式, 如东方工矿生产的 DF-3000、宣化英格索兰生产的CM-351等。这类钻机同上述滑撬式钻机一样在起拔套管时需要配备其它专用的辅助设备。以上这几种类型的钻机在使用时都需配备一定容量的空压机,使用成本较大, 在发达国家许多已被淘汰。在日本、德国等发达国家和地区多使用的是一种在动力头上带液压锤的履带行走锚杆钻机, 如图3所示。这类钻机目前在国内主要机型有日本CH-90、德国汉机HD-120、克莱姆 KR-803、在北京、深圳等经济发达地 区使用较多。国内一些公司正在着手与国外机构合作生产。这类钻机不但具备上述机型的特点,钻机的动力头还为大扭矩双马达驱动,有些钻机扭矩可达 27-19kN.m,而且转速可以在两个马达之间进行选择,动力头的主回转轴上安装了液压冲击锤,冲击频率大多在1000-1500次/min,有的甚至达到2000次/min,而且频率还能根据地层不同通过调节阀调节。成孔直径可达 800-1000mm。因冲击力量在钻杆套管的最上部产生,所以常常又称为上打击。在地层较软不复杂的小沙石层、沙土层可以使用水冲洗排渣,大大减少施工成本。在花岗岩、漂石地层可以根据需要采用上下同时打击(即上用液压锤,下用气动冲击器),提高工效。这类钻机还有一特点是使用液压锤打击时套管和钻杆均可同时获得冲击能量,而且套管和钻杆还能作同步回转运动。起拔套管可由本机自动完成, 无须其它辅助设备,效率大大提高,节省时间。钻机除履带底盘可360度回转外,在桅杆上还有一小转盘,可使桅杆任意角度转动成孔,其中一些钻机最高成孔平行高度可达 9-12m。但钻机配套所需的钻具质量要求较高。在国外一些国家已开始开发应用电液遥控全自动锚杆钻机,有些还结合了计算机系统,钻机可以根据勘察测量的数据进行编程,在不同的地层自动调节转速和冲击能量,还可以自动检测钻具在地层下的运行情况,降低了劳动强度,提高了安全性,减少了施工不良损失成本。下表1-1为钻机的主要参数表1-1 钻机主要参数钻机主要参数小型大型钻机钻机主要参数小型大型钻机钻杆直径/mm10012001800转速/080200钻杆长度/mm2015003200转矩/kNm0.25120184推/拉力/kN1040006000功率/kW135601120图1-2 现代常用锚杆钻机上图1-2为现代常用锚杆钻机示意图。随着材料及加工制造业突也飞猛进的发展，目前的非开挖钻机向高性能、全液压、大功率方向发展。液压钻机以操作方便、功能器件体积小、使用安全可靠等技术优势成为钻机设计的主流方向。本设计中的锚杆钻机除了具备一般钻机的特性和优点外，还采用了钻杆的自动堆放和提取系统，在此系统中，施工用钻杆可随机装载，置于专用的钻杆存放仓中，施工时利用进给杆可将钻杆逐一从存放仓内取出，加接于钻杆柱进行钻进。因此，利用这种装置不仅可免除因等待钻杆搬运到位而延误钻进施工的弊端，而且与钻机的双夹持拧卸系统配合，可节省一名装杆的辅助人员，降低施工成本。实际应用时由于巷道围岩构造的复杂性，其硬度超过旋转式锚杆钻机的适应范围，致使旋转式钻机受到限制，本研究提出具有旋转又有冲击两种功能的钻机，有效的解决了这种问题。此次设计的CMZ120型全液压锚杆钻机，以已经研制成功的YM160型液压锚杆钻机为设计参考，借鉴了其中一些结构和设计经验，如主梁轨，采用矩形导轨结构，动力头钻孔作业时大部分挎在主梁一侧钻孔，导轨磨损较快，钻机使用一段时间后，便会有松动现象，采用燕尾楔形结构后，就保证了动力头钻孔作业时不左右晃动，实现平稳作业提高钻孔质量，防止塌孔。同时我们也借鉴了YM160型液压锚杆钻机的行走底盘，这样使整个钻机的成本大大减小，供杆机构方面，吸收了YM160型的钻杆箱轻便省材料的优点，又改进了供杆时拨叉的缺点。使本设计的非开挖钻机满足各大种施工环境下的多种施工要求，在城市内或者野外便于施工，钻出各大种型号的孔径，满足各种管线铺设的需要，特别是在供杆机构中的改进，将原有的拨叉式供杆改为摆转机械手夹紧机构供杆，即实现了钻杆的稳定供给，又改进了钻架竖起角度较大时钻杆掉落的缺点，提高了供杆的效率。同时又本着使钻机小巧灵活降低生产制造成本的目的，使我们所设计的钻机具有较强的实用性和经济性，在新的市场环境下具有挑战性和竞争性。 2课题分析及设计方案的选择2.1 供杆机构的工作原理钻杆堆放于钻杆箱中，钻杆在重力作用下落于进给杆上，当前一根钻杆已经钻进时，动力头反转并后退，触动电磁换向阀开关，使油缸无杆腔进油，活塞杆前进并推动进给杆前移，摆动油缸带动两摆转机械手将钻杆托住，此时两夹紧油缸伸出，使机械手将钻杆夹紧，摆转油缸继续工作使机械手转到托杆座上方，然后两夹紧油缸缩回，使钻杆落于托杆座中，托杆座也起对心作用，即和动力头同心，当到达动力头中心线位置时，靠溢流阀卸油，此时动力头已开始前移，动力头与钻杆螺纹接触，推动钻杆前移一段后，钻架上的夹紧机构夹紧钻杆，动力头马达转动，这样钻杆被拧紧夹紧机构松开，动力头继续前移又触动电磁换向阀开关，换向阀向油缸有杆腔进油，进给杆后退，摆动油缸缩回并使摆转机械手归位，准备接收下一根钻杆，如此往复。当达到钻进要求时，动力头回拖，并且电磁换向阀的电路使换向阀处于中间位置，这样进给机构就可以停止工作。当机构需要钻杆时只需打开电磁换向阀电路开关即可。2.2 方案分析及选择供杆机构是送取，存放和接卸钻杆的装置，也称钻杆架。供杆机构是低速、间歇运动的组合部件，经常要受到冲击振动作用。对供杆机构的设计要求是结构紧凑，动作平稳可靠，便于送出，收入和接卸钻杆，要有足够的强度和刚度。2.2.1供杆机构的结构分析按供杆机构的不同，可分为平行四连式，转臂式和直推式同种类型，按照使用动力的不同，可分为电动的，气动的和液动的几种类型。以下是供参考的三种方案：1.平行四连杆式供杆机构在此机构中，上连杆，下连杆，钻杆架体和钻架构成平行四连杆机构，这个机构用供杆油缸完成推送或收回钻杆，并由固锁装置将钻杆架锁在存放位置，它的特点是结构简单紧凑，动作稳妥可靠。图2-1 平行四连杆式供杆机构2.转臂式供杆机构它通过电动机正反转带动蜗轮减速器和传动轴以及上下转臂完成送取钻杆的动作。它的特点是操作简便，动作平稳可靠，但结构比较复杂，占用空间较大，可用在大，中，小各种钻机上。图2-2 转臂式供杆机构3.直推式供杆机构它是由上，下油缸(或者气缸)带动上，下送杆臂实现送取钻杆动作的，它的特点是结构简单，动作灵活，易于制造和修理，但气动送杆机构动作不够平稳，不够准确，而液压直推式比较好。图2-3 直推式供杆机构鉴于本课题对供杆系统的要求，我们采用第(3)种方案，并经过了一定的改进，将两个液压缸改为一个液压缸，进给杆采用联接杆连接，联接杆焊接在两进给杆中间，液压缸推动联接杆时就可以推动两进给杆的进出，即节省了材料，又满足了设计需要，达到了本次设计的目的。3供杆系统的设计及计算3.1钻杆的设计与校核钻杆是地面钻机与孔内钻具唯一动力传递环节，实现传递给进力、回转转矩、回拉力等作用。另外，作为冲洗介质的通道，向孔底钻具输送钻进泥浆、压缩空气等。钻杆的主要参数有材质、直径、长度、杆体钢管壁厚等。图3-1 推进、回转时的钻杆弯曲上图为钻杆钻进时的弯曲示意图，钻杆材料选用40Cr，它具有较高强度和耐冲击，耐磨性，适合冲击旋转式钻机的需要。钻杆尺寸：外径50,壁厚15，长度3000。 。1.钻杆强度校核最大拉力, Mpa,取安全系数， 机械设计手册卷一，则 Mpa,，故钻杆的许用应力安全。钻杆钻进过程中以许的最小弯由半径，由材料力学知，由第三强度理论 可得抗弯截面系统许用弯由应力 Mpa ， 机械设计手册卷一，抗扭截面系数 =23903.2有=3652.6，即钻杆最小弯由半径2.钻杆稳定性验证由，取，稳定安全系数故钻杆稳定。3.钻杆体积和重量 钻杆体积 4.9钻杆质量 38.53.2钻杆箱设计3.2.1钻杆箱结构简图图3-2 钻杆箱结构简图 1.隔板 2.挡板 3.底板3.2.2对放置钻杆进行受力分析初步确定放于1槽7根钻杆，放于2槽6根钻杆，放于3槽5根钻杆，放于4槽4根钻杆。1.对于放置于第4槽中与底板接触钻杆的受力分析如图3-3：图3-3 置于第四槽钻杆的受力图，2.对放置于第3槽中与底板接触的钻杆受力分析：图3-4 置于第三槽钻杆的受力图 =(考虑到并不是很大，可以认为作用于挡板的力等于挡板作用于3槽中钻杆的力)。3.对放置于第2槽中于底板接触的钻杆的受力分析如图3-5：图3-5 置于第二槽钻杆的受力图 4.对于第1槽中最后一根钻杆的受力分析如图3-6：当第1槽中剩余最后一根钻杆时，此时最难滑下，则图3-6 置于第一槽钻杆的受力图， (查自于机械设计手册一(1-8)，钢的摩擦系数)。而 ，则 所以。又，摩擦角，为使第4槽中最后一根钻杆滑下， ,所以取。因此，容易得出=2298.7，。3.2.3钻杆箱各部分尺寸的确定1.钻杆箱简图图3-7 钻杆箱主视图图3-8 钻杆箱剖视图 图3-9 钻杆箱左视图(1)支柱 (2)边框 (3)拦板 (4)边框 (5)支承角钢 (6)隔板 (7)挡板 (8)底板角钢2.挡板尺寸的确定钻杆为了顺利从挡板通过下落到进给杆上，则挡板长度必须大于钻杆直径，所以挡板长度取为60，后面将会分析到两隔板间距为60，当挡板达到最大开度时钻杆完全可以通过。挡板的宽度取为100，挡板采用热轧钢带，厚度取为6，钻杆箱两边各有3个挡板。3.支柱尺寸图3-10 支柱角钢钻杆箱支柱采用热轧不等边角钢，型号6.3/4，基本尺寸如图3-10B=63,(50为钻杆直径)。4.边框尺寸钻杆箱边框采用热轧钢带，厚度6，宽度80,则横向边框长4槽总隔板间距+隔板厚度+支柱角钢厚度 =210+403+229 =198纵向边框长钻杆箱总长-2支承角钢厚度-2侧板厚度 =3126-263210 =2980但由于加工误差和使钻杆在箱内有一定的活动间隙，取纵向边框长为2970，这样方便钻杆下落。5.拦板尺寸拦板采用热轧钢带，厚度d=6，宽度b=50,两长边框间焊接拦板长=支柱长-上边框宽-下边框宽 =350-80-60 =210在底板角钢与短边边框间焊接的拦板,值分别为204，193，180。如图3-11图3-11 拦板结构图6.隔板尺寸钻杆箱隔板采用热轧钢带，厚度d=6，宽度b=100。值分别为250，239，228。如图3-12图3-12 隔板结构图7.底板角钢底板角钢采用热轧不等边角钢，型号6.3/4，其基本尺寸为B=63, , 。8.支承角钢支承角钢是用来联结钻杆箱和支承机构的，支承角钢与支承结构的侧支承板采用螺栓连接。其主视图如图3-13，在此机构中，支承角钢承受着15根钻杆和钻杆箱的重量，初步估计钻杆箱质量为50，则钻杆箱和钻杆总重G=钻杆箱重+总钻杆重 =(1538.5+50)9.8 =6149.5取角钢厚度为t,则由得，(其中d为螺栓直径)由于角钢是4个螺栓连接，每个螺栓也承受1537.3的载荷。 根据公式 ， 取n=1.3, Mpa (查自机械设计手册三，表25.1-11，表25.1-15) Mpa，。故选择 六角头螺栓 型号GB/T57811986 M840； 螺母 型号GB/T411986 M8； 垫片 型号GB/T931987 M8。图3-13 支承角钢主视图图3-14 支承角钢结构由上计算可知，d=8，则。根据实际情况取t=5，因此支承角钢采用热轧等边角钢，型号5，基本尺寸B=50，d=5，r=5.5,，如图3-143.2.4计算钻杆箱总重钻杆箱由4根支柱，6根边框，12根拦板，6根隔板和2根底板角钢组合而成。则由得每根支柱的质量 =1.34横向边框的质量 =0.62纵向边框的质量 9.4隔板和挡板的质量 1.8底板角钢质量 1.2则钻杆箱的总重量=4 =41.34+20.62+49.4+61.8+21.2 =57.43.2.5焊缝设计计算图3-15 底板角钢结构1.对底板角钢的焊缝设计，尺寸如图3-15由于角焊缝的焊脚尺寸不宜太小，即,取t=5,则。因此取角焊缝的焊脚尺寸,而,则有 (2298.7+1915.6+1532.4) 5660由得-1532.4(30+20+69+69)-1915.6(69+20+30)-2298.7(20+30)-1532.4(30+20+69+69)-1915.6(30+20+69)-2298.7(20+30)=0则可计算出，a.校核对接焊缝ab段其基本尺寸为，。焊接工艺采用手工焊，三级焊缝钢，取。(查自于钢结构表3-1)而=1685=840，则可得出，因此ab段焊缝安全。b.校核对接焊缝cd段其基本尺寸为焊接工艺采用手工焊，三级焊缝钢，取，而，则可得出，因此cd段对接焊缝安全。2.支承角钢焊缝设计两支承角钢受重量为15根钻杆和钻杆箱重量之和，则G=钻杆箱重+总钻杆重 =(1538.5+57.4)9.8 =6222=(50-10)4=160，而=1605=800，=6222则可得出，因此支承角钢焊缝安全。3.3进给杆设计3.3.1进给杆机构设计简图图3-16 进给杆机构简图3.3.2进给杆的受力分析初步定进给杆的工作行程为160，不进给杆送出第一根杆到达最大行程时，杆受弯最大。则有,而=4.538.59.8=1698 又,而,则有160+60-(60+160)=0 联立两式，可解得,，故有=480.7。3.3.3进给杆材料的选择1.进给杆的材料及加工工艺进给杆采用45钢，工艺采用热轧H型钢，取。(查自于机械设计手册一，3-10)则公式选取热轧H型钢HW80，其基本尺寸，如图3-17图3-17 进给杆结构2.材料强度校核则材料强度满足要求。3.3.4进给杆防脱钩设计进给杆防脱钩机构的作用是利用弹簧的弹力夹住进给杆上的钻杆，使钻杆进给时不至于掉落。防脱钩采用铸铁，脱钩用螺栓与进给杆联接，采用弹簧拉紧，其简图如图3-18图3-18 防脱钩机构简图 3.3.5拉紧弹簧的设计1.拉紧弹簧的设计计算钻杆在脱离时，防脱钩对钻杆作用力N为40N,弹簧受拉力F，则则可得出，其中弹簧的变形量为13。选用碳素弹簧钢丝B级，(受类载荷受拉弹簧)，估计弹簧钢丝直径d=2.0, Mpa，则有 Mpa，选取旋绕比C=6，系数，由公式可得，与初步估计直径基本相近，因此取直径。则。弹簧有效圈数,其中 Gpa，则，取。弹簧试验载荷，其中 Mpa，则有N。由于，所以设计符合要求。2.弹簧其余尺寸内径mm，外径mm，自由高度圆钩环压中心mm，所以弹簧选用GB/T2088-1997，弹簧热处理后硬度HRC=4550。3.3.6摆转机械手的设计图3-19 摆转机械手简图机械摆手的作用是夹紧钻杆，并将钻杆摆转至托杆座上，摆动油缸联接在联接杆中间，两个夹紧油缸的伸缩用来夹紧钻杆。图3-20 平键结构摆转机械手与联接杆采用平键联接，实现轴上零件的轴向固定或移动，用于载荷不大，精度要求不高的定位。选用A型键，采用45号钢，如图3-20b=7mm,h=7mm,L=48mm，型号GB/T10962002，(机械原理及机械设计)1.键的强度校核平键联接的挤压强度条件为 Mpa为轮毂工作侧面上受到的压应力100120 Mpa，动联接，有轻微载荷，钻杆重38.5，估算摆动机械手与钻杆重量和为50，分解到摆动油缸的力N，传递到转轴上的转矩=10.2，轴的直径mm，键的工作长度mm，则 Mpa所以，键的强度足够。3.3.7摩擦衬板的设计计算图3-21 摩擦衬板简图由于进给杆在进给和退回过程中受钻杆压力，而产生较大的磨损，因此影响了进给杆的强度，所以在进给杆上加以摩擦衬板，摩擦衬板和进给杆相连接，采用十字槽沉头螺钉。如图3-21摩擦衬板受到连接件的摩擦力 0.15(2238.5+57.4) 135.5N而，(机械设计手册三，表25.1-15)，圆整取，又，N, Mpa，则 Mpa， 由公式得mm，所以选取螺钉 GB819-85 M410摩擦衬板厚度的设计：由公式，且，其中， Mpa(以上，查自于钢结构，45号钢系列)。则有mm，取板厚mm，并对摩擦衬板要求进行调质处理HB230-250,表面粗糙度。3.4进给杆支承设计3.4.1托板设计图3-22 托板简图托板材料采用热轧钢板，如图3-21厚度6mm，且托板的侧挡块与进给杆采用间隙配合，基孔制，则有挡块间距离46H8 。3.4.2支承角钢的设计1.支承角钢受力分析支承角钢与钻杆箱长度相同，都为3126mm，两进给杆间距初步取为2504mm，而N,都有N，支