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石油机械 11张CAD图纸与说明书全套资料 MGZ100 型锚杆 钻机 设计 11 CAD 图纸 说明书 全套 资料

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大庆石油学院学生开题报告表课题名称MGZ100型锚杆钻机设计课题来源北京建筑机械化研究所课题类型A指导教师姓名赵伟民学生姓名吴丽娟学 号050401140501专 业机械设计制造及其自动化开题报告内容：（调研资料的准备，设计目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段内容及时间安排；完成设计（论文）所具备的条件因素等。）1、资料准备机械设计手册；相关专业机械书籍；相关专业机械文章、专利资料；2、设计目的锚杆支护是近年来发展较快的一种井巷支护方法,通过锚入围岩内的锚杆,改善围岩本身的力学状态,使支护体与围岩本身形成一个统一的能够承受载荷的结构体,从而提高岩体自身的强度,阻止或延缓围岩的变形发展,有效地保持围岩的完整性和巷道断面形状。锚杆钻机是锚杆支护施工中的关键施工设备。锚杆支护的施工速度和支护质量的好坏很大程度上取决于锚杆钻机。锚杆支护钻机技术已是影响锚杆支护施工速度、质量、效率的关键技术之一。因此,研究性能好，可靠性高、符合我国煤矿实际情况的锚杆钻机是发展我国锚杆支护技术关键技术之一。我国锚杆钻机的研究起步较晚,从20世纪60年代开始研制第1代电动锚杆钻机。由于我国锚杆支护技术推广应用缓慢,锚杆钻机技术也一直处于缓慢发展和低水平重复的状态。20世纪90年代以后,随着锚杆支护技术的大力推广,锚杆钻机技术才取得长足的发展。但是我国锚杆钻机的总体水平与国外先进水平相比仍然有较大的差距,这也是我国发展锚杆支护技术急需解决的迫切任务。从20世纪60年代起,在引进英国维克托锚杆钻机的基础上,开发研制了系列电动锚杆钻机。到了20世纪70年代,又在7665和ZY24气动凿岩机的基础上,研制了YSP45型伸缩式顶板凿岩机。随着岩巷大量使用沙浆锚杆,1976年成功研制了我国第1台机械化锚杆钻孔安装机,1981年又成功研制了CGM-40型全液钻车。在20世纪80年代,用于半煤岩顶板锚杆支护的MZ系列、QYM单体锚杆机、YMJ-1型小断面岩巷风动锚杆机相继研制成功。1987年开始引进澳大利亚气动锚杆钻机,并定点3家厂进行小批量生产。3、要求设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等，折合0号图纸5张；设计计算书1.5万字；外文资料翻译3000汉字。4、任务完成阶段内容及时间安排：3月31日4月13日 （2周）锚杆钻机总体设计；4月14日5月4日（3周）锚杆钻机钻桅及其调整机构的设计分析；5月5日5月25日（3周）进行动力装置和装卸锚杆机构的动力特性分析与设计5月26日6月1日（1周）进行液压系统设计；6月2日6月15日（2周）进行整机稳定性分析。6月16日6月22日（1周）论文写作与整理，准备答辩。5、预期成果 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图等，折合0号图纸5张； 设计计算书40页； 外文资料翻译3000字。6、现有条件具有部分相关图纸资料和样本；具有相关三维设计与仿真软件；指导教师对该领域非常熟悉。 指导教师签名： 日期：1、课题来源：课题来源分为结合实际课题和自拟课题两种，结合实际课题中来源于科研课题的要填写确切基金项目、企事业单位项目，不能写横向、纵向课题等。2、课题类型：A工程设计；B科学实验；C软件开发；D理论研究；E应用研究。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）第1章 概述 1.1 引言 锚杆支护是近年来发展较快的一种井巷支护方法。它通过锚入围岩内的锚杆，改善围岩本身的力学状态，使支护体与围岩本身形成一个统一的能够承受载荷的结构体，从而提高岩体自身的强度，阻止或延缓围岩的变形发展，有效地保持围岩的完整性和巷道断面形状。随着煤炭工业的发展，锚杆支护技术被广泛采用，锚杆钻机的需求量急剧增加。我国生产锚杆钻机的厂家较少，多数处于研制阶段，不能满足生产的需求，而国外进口产品存在着价格、配件、维修等问题。因此，必须加快锚杆钻机的研制开发步伐，大胆引进国外先进的制造和应用技术，进一步地消化、吸收，不断地更新换代，以满足客户需求。锚杆钻机是实现锚杆支护技术的重要机械设备。随着锚杆支护技术的飞速发展, 用于钻凿锚杆孔的锚杆钻机也得到快速发展。分析锚杆钻机现状, 展望它的发展, 有助于不断促进锚杆钻机的技术进步, 使其更适应现代支护技术的需要。1.2 国外锚杆钻机的使用状况 国外锚杆钻机的品种与功能多样, 技术性能优越, 可靠性高, 并各有各的特点。相关资料显示: 美国煤矿大量使用的是塔架钻车式锚杆钻机, 工作效率达120240 根, 现已着手开发计算机控制的全自动锚杆钻机。法国生产的是转架式锚杆钻机, 集钻孔、安装锚杆为一体, 并具有储存锚杆杆体的锚杆仓。芬兰则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、注入粘接剂全由机械完成,机械化程度颇高。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2 种, 采用玻璃钢碳素纤维支腿, 能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。 国外应用较为普遍的单体锚杆钻机主要有风动和液压锚杆钻机两种。风动锚杆钻机有瑞典PRB一300型，澳大利亚的克莱姆公司WOMBAT型，阿明克公司GOPHER型等；液压锚杆钻机有澳大利亚PROBAM型，英国WISP型等。特别是澳大利亚在风动锚杆钻机方面有着较为先进的技术和产品，其特点是重量轻、扭矩大、噪音低、耗气量小、机身矮等。新型锚机组的出现也只有l0多年的历史，这项锚杆支护技术在国外越来越受到重视，无论是房柱式开采，还是长壁式开采，都采用性能优良、技术先进、操作维修方便、应用范围广的锚杆钻机与采掘设备配套的锚机组。如乔伊公司生产的14CM10型采掘锚机组，12ED18型采锚机组，鲍拉特公司的E230型掘锚机组，郎艾道公司的RB150L型锚杆钻车等. 综观国外锚杆钻机设备的发展历程，国外锚杆钻机的发展始终与锚杆支护理论不断完善与发展紧密相联、相互依存、相互促进。同时，国外锚杆钻机的研究不断采用新材料、新工艺，并紧密结合国情，开发的每一代产品都能代表当时的世界领先水平。国外锚杆钻机的发展趋势，一方面不断完善现已普遍使用的单体锚杆钻机，使其更可靠，更适应现场需要；另一方面不断加紧对掘锚一体化快速掘进装备的研究，目前已经推广使用了多款快速掘锚装备。国外锚杆钻机的研究与开发将会从这两个方面开展，而且后者为今后发展重点1。 1.3 国内锚杆钻机的使用状况国内锚杆钻机的研制经历了30多年的历程,曾先后研制出机械支腿式电动锚杆钻机、钻车式锚杆钻机、支腿与导轨式液压锚杆钻机、支腿式气动锚杆钻机、非机械传动支腿式电动锚杆钻机等,目前已形成液压式、电动式、气动式3大系列。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,但能够适于井下使用且可靠性较好的只有34种产品。由于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2.5 倍左右的阻力矩的要求,产品固有可靠性不高,且与之配套的支腿都不是很理想,因此电动锚杆钻机尚未正式在井下成批使用。目前煤矿锚杆钻机多为回转式,为配合推广小直径树脂锚杆,钻头采用27mm29mm的回转钻头,其结构类型多为两翼对称、两翼不对称和两翼连筋式,可供钻进不同性质岩石时选用。钻杆由B19或B22 (少数)六角中空钢加工。现在国内使用锚杆钻机的主流是气动式和液压式,两者各有所长,各有所短。我们以山东兖煤制造的MQT- 90型气动锚杆机和同煤集团佳腾厂生产的MYT-100型液压锚杆钻机为例,对现使用的锚杆钻机使用状况进行分析。MQT- 90 型气动锚杆机由支腿、控制组件和动力组件3 大部分构成。该机以压缩空气为动力。压缩空气通过马达控制阀进入马达,驱动马达齿轮旋转,经过两级减速齿轮,减速后驱动钻机主轴旋转,调节操纵扳手的角度,可改变主轴的转速,随之驱动钻杆工作。当打开支腿控制阀,压缩空气经快速排气阀进入支腿气缸,从而使气缸体逐渐伸出,推动马达上升,进行钻进工作。改变操纵旋转钮角度,可改变支腿伸出速度。当打开水阀时,压力水通过集成块水套进入钻杆、钻头进而冲洗孔内的钻屑。改变操纵旋钮旋转角度,即能调节冲洗水能量的大小。该型号锚杆钻机集钻孔、搅拌、安装锚杆于一身,实行螺母一次性扭紧, 达到初锚预紧力要求, 是顶板硬度f8 的各种岩巷、煤巷、半煤巷进行锚护作业的理想工具。该机结构紧凑、操作简单、维护方便、适应性强,且体积小、重量轻、推力大、运转稳定、可靠性好。MYT- 100 型液压锚杆钻机由主机和液压泵站两大部件组成。主机主要由旋转机头、三级伸缩油缸、支腿操纵臂组成。泵站由油箱、滑橇、防爆电机、齿轮泵、操纵控制元件、压力表、液位计及管路附件等组成。另外,主机配有供水系统,用中压专用胶管供水,用以冷却钻头、冲洗和防尘,实现湿式钻孔。该机通过泵站输出的压力油, 经过油管送至主机,以实现钻机支撑定位和钻进锚杆孔。该型号锚杆钻机适用于煤矿顶板硬度f 10 的各种岩巷、煤巷、半煤巷进行锚护作业时钻凿锚杆孔和安装锚杆。该机的特点体现在以下几方面:先进的马达设计使该机转矩大、效率高;噪音小、重量轻, 有效改善了作业环境,降低了劳动强度;先进的回转和支腿部件使该机可靠性和使用寿命提高; 液压系统中马达和支腿采用串联,并采用旁路节流系统,合理利用能量,系统使用效率得到提高;采用可收缩支架,定位好,安全性好。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,气动锚杆钻机仍为首选产品。但是实践中发现, 由于煤矿井下压缩空气系统的输送管道距离长,工作面气体工作压力偏低, 常常在0.4 MPa以下,使钻机性能与钻进速度下降30%以上( 对应0.63 MPa压力),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。此外,噪声偏大,虽然小于94 dB,但离职业健康安全管理要求还有距离。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。液压锚杆钻机输出的扭矩高于气动锚杆钻机,能够达到140Nm,特别在坚硬岩石作业条件下尤为明显。此外,液压锚杆钻机与掘进机配套是较优越的工作方式之一。但是,该种钻机液压系统温升过高,连续运转2h后系统温度升至65以上,性能急剧下降。而且过高的温度易使工作液变质, 密封件容易早期失效。同时,由于以矿物油为工作介质,在煤矿井下使用存在一定安全隐患。钻头是回转式锚杆孔钻进设备的重要钻具,钻头型式与国产硬质合金片的性能,影响钻头的应用范围。目前,普通硬质合金的岩石钻头主要适用于页岩、砂页岩及部分砂岩(磨蚀性不高的砂岩),寿命为30m左右。高于常规钻头价格50%的国产优质合金钻头,可以钻进抗压强度60MPa80MPa 的中等磨蚀性岩石, 寿命可达25m30m。然而,相当多的生产厂家因受经济利益驱动,不按标准要求组织生产,硬质合金质量低劣,工艺技术不高,产品寿命只有10m20m, 甚至是5m10m。1.4 我国锚杆钻孔设备存在的主要问题目前，锚杆钻机实际利用率不高的主要原因是产品本身的可靠性问题，但使用问题也不容忽视。锚杆钻机产品可靠性不高主要来自产品设计不成熟与加工质量不高。有些产品的生产过程无可靠的质量保证体系，元部件质量无法保证，又没有必要的检测手段，产品性能与质量无法控制，自然影响产品质量。锚杆钻机的科学使用问题未能引起足够的重视。这里，既有制造厂家的问题，又有煤矿使用单位的问题。加强设备的科学使用与维修工作的管理，是锚杆钻机充分发挥作用的重要保证。1.4.1 钻探装备“三化”的问题目前我国钻探机械装备的标准化、系列化、通用化程度不高，系列产品少，同档次产品多；优质高效产品少，低技术含量产品多；行业布局不合理，重复生产比较严重；深孔及大型设备少，中、小型普通设备多；市场急需的设备生产周期长，使用单位不得不花大量外汇从国外进口；钻机性能难以满足多种钻进工艺发展的需要；整机传动的液压化程度和水平远低于国外同类型设备；设备的控制系统、运行和工况的监测系统十分落后，钻进参数监测仪表不够完善；钻掘设备的装载型式落后，难于适应施工的要求2。1.4.2 钻头的适用性钻头是回转式锚杆孔钻进设备的重要钻具。钻头形式与国产硬质合金片的性能影响钻头的应用范围。目前，普通硬质合金的岩石钻头主要适用于页岩、砂页岩及部分砂岩（磨蚀性不高的砂岩），寿命为30m左右。高于常规钻头价格50的国产优质合金钻头，可以钻进抗压强度60MPa80MPa的中等磨蚀性岩石，寿命可达25m30m。然而，由于种种原因，国产钻头的质量大部分不合格。1.4.3 锚杆锚固力锚杆与围岩的相互作用十分复杂，在实际应用中，多以抗拉拔力为锚固力，这是不确切的。锚杆静止在围岩中，处于自平衡状态，依据锚杆失效破坏的特点，将此种锚杆的锚固力划分为托板锚固力、挤胀锚固力、抗拉拔锚固力和抗剪切锚固力（简称托锚力、胀锚力、锚拉力和剪锚力），托锚力和锚拉力为轴向锚固力，胀锚力为径向锚固力。托锚力：托板阻止围岩向巷道内位移，对围岩施加巷道径向支护力，这种来源于托板使围岩稳定的力称为托锚力。胀锚力：柔性注压锚杆通过内注压力（气压或液压）的作用，对围岩（锚孔）施加正压力来抑制围岩变形，产生对围岩“挤压加固”的效应，对稳定围岩起着重要作用，此种力称为胀锚力。锚拉力：锚杆与锚孔间由锚杆对锚孔施加正压力产生的摩檫力，锚杆用来抵抗抗拉拔的力，称为锚拉力。剪锚力：围岩的变形多是从岩体中的弱面开始的，在围压的作用下，围岩沿着弱面滑动或张开，最终导致巷道断面的收缩。由于锚杆体贯穿弱面，它限制围岩沿弱面的滑动和张开，这种限制力称为剪锚力。尽管杆体所能提供的剪锚力同弱面的强度相比较小，但剪锚力的存在可使弱面不致因某个薄弱环节的突然破坏而影响原有承载力的发挥，同时锚杆的凹凸、错位、受剪切等，为锚杆提供了额外的锚拉力。 导致锚固失效的主要原因（1）钢材的松弛和岩体的徐变使用了性能不稳定、易松弛的钢材；在高应力状态下使用了普通钢材。因受锚杆荷载的长期作用，岩体发生徐变引起应力变化。岩体徐变可分为以下几种形式：坚硬完整的岩体：该类岩体受载荷后只在局部产生微小的徐变，对应力的影响可以忽略不计。构造复杂的岩体：构造或结构复杂的岩体受载荷后发生徐变，引起应力变化，岩体的稳定性也受到影响。软弱及膨胀性岩体：该类岩体很容易发生徐变（有文献称这种情况为流变），并将导致应力改变。（2）外在影响因素的变化地震、地下水位的变化、爆破等因素的影响均可成为引起锚固失效的重要原因9。1.5 锚杆钻机的发展方向锚杆钻机不是一成不变的,它必然按一定规律向前发展。分析相关信息，总结实践经验,才能注意到煤矿锚杆钻机发展的基本趋向,并有利于锚杆支护技术的不断成熟。从国外近些年来凿岩（穿孔）设备的发展看，有几个趋势是很明显的，一是设备还在向大型化发展;二是地下凿岩的液压化已成定局;三是设备将走向自动化和智能化；四是凿岩（穿孔）设备还将不断提高其维修性和可靠性；五是在大型的牙轮钻机上将采用静态交流电机驱动变频调速。1.5.1 在相当一段时期内, 气动、液压单体回转式锚杆钻机仍是锚杆钻孔设备的主流。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。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。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电动锚杆钻机的动力单一, 是今后锚杆钻机的首选机型。但因目前技术水平所限, 其支腿配套方式、扭矩- 转速硬特性和电机防水耐潮性能差等,都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。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。1.5.2 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。提高钻头的寿命,离不开高新技术, 要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。1.5.3 高新技术的发展有益于锚杆孔钻进技术的变革。几十年来,锚杆孔钻进设备技术水平已有了一定的提高。随着知识经济的发展,锚杆钻机及其配套钻具会逐渐有所变革,预计在以下方面会引起产品的重大变化。(1)结构参数的优化以及高科技新材料的应用,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。(2)高科技微电子技术在不同动力、不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、提高可靠性等。国外现正在探讨研究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。1.6 本章小结本章介绍了锚杆支护技术及实现锚杆支护技术的重要设备是锚杆钻机，国外锚杆钻机的品种与功能, 技术性能和特点。国内锚杆钻的发展现状，到目前为止, 已开发了30 多种型号和不同类型的锚杆钻机及具体介绍。另外还介绍了锚杆钻机的发展方向。高科技与锚杆钻机的结合。第2章 锚杆钻机结构设计2.1 锚杆钻机各类型及分析 从结构型式上，锚杆钻机可以分成台车型、机载型和单体型三大类。 图2-1固定式 图2-2车载式 图2-3履带式 图2-4 隧道式 2.1.1 单体锚杆钻机目前在巷道锚杆支护中，大量采用的是单体锚杆钻机。它具有结构简单、使用方便、移动灵活、适合手工操作等优点。从机型结构上分，单体锚杆钻机可分为-架柱式、手持式和支腿式三种。架柱式锚杆钻机机身固定在巷道顶、底板与侧帮之间，由推力装置将钻机沿导轨推进，实现钻孔。这种架柱式锚杆钻机整机重量较手持式锚杆钻机和支腿式锚杆钻机大，操作不方便，如国内MZ系列液压锚杆钻机，国外美国VITOR公司生产的液压钻机等。支腿式(手扶)锚杆钻机是目前煤矿中锚杆钻机应用的主流，这种钻机使用的灵活性优于架柱式，按动力上进行分有电动、液压和气动三种型式。手持式锚杆钻机与支腿式不同，它没有推进系统，适于煤巷侧壁的使用，如:澳大利亚CRAM公司、眼镜王蛇公司生产的帮锚杆钻机，国内煤科总院研制的ZQS一50型锚杆钻机.电动锚杆钻机的回转钻削直接由电动机驱动，不需要二次能量转换，设备效率高。但受电机重量的限制，一般输出功率较小(2-3kW)，支腿的推进需要采用另外动力源，且电机容易受潮，故障率高，同时也不很安全，故目前实际应用较少.液压支腿式锚杆钻机带有分体的专用液压站，由它提供的动力液驱动回转切削用的液压马达和推进用的液压油缸，操作系统通过液压阀组实现对转速、扭矩和推进力的控制，这种钻机输出功率大，但主机重量较重，效率较低，维修相对困难。气动锚杆钻机是目前国内外大力发展的一种机型，应用前景非常广泛最初，井下曾使用气动凿岩机来钻凿锚杆孔，但由于打顶眼困难、钻孔质量差、钻进速度低、劳动强度大，因而专用的气动锚杆钻机便受到人们的重视.2.1.2 机载台车型锚杆钻机由于台车型锚杆钻机(亦称锚杆钻车)和机载锚杆钻机具有功率大、钻孔能力强、功能齐全、适应范围广、可自带动力、操作安全等优点，所以在国外应用较多，但这两类锚杆钻机操作复杂，维护成本高，一次投资成本也大，因而在国内使用较少。但瑞典Atlas-Copco公司、芬兰Tamrock公司以及法国Secoma公司等欧洲国家的公司，仍然在台车型锚杆钻机方面具有竞争实力，其中Atlas-Copco公司、Tamrock公司台车型锚杆钻机的产品销量占全世界台车型锚杆钻机总量的65%以上。机载锚杆钻机主要是作为煤巷掘进机的配套机具，早期的机载锚杆钻机只是简单的在煤巷掘进机上附加一个或两个钻臂，虽然能够实施钻锚杆孔，但是由于辅助油管很多，而且经常混在一起，钻机与煤巷掘进机间工作时干涉较多，造成每成形1个锚杆孔辅助用时长，从而影响了巷道的掘进进尺。目前，以ABM20为代表的新一代机载锚杆钻机的开发使用，受到了现场的欢迎，该机设计时从总体上考虑了掘进机和锚杆钻机的工作状况，将两者有机的结合在一起，避免了相互干涉的问题，且油管的相对移动较少，隐蔽性好，另外它具有紧跟迎头作业、速度快等优点。新型锚机组的出现虽然只有10多年，但这种一体化的锚杆支护技术在国外越来越受到重视，发展也很快，常采用性能优良、技术先进、操作维修方便、应用范围广的锚杆钻机与采掘设备配套的锚机组。如乔伊公司生产的14CM10型采掘锚固机组、12ED18型采掘锚固机组、鲍拉特公司的E230型采掘锚固机组、郎艾道公司的RB1-50L型锚杆钻车等班工作效率已达120-240根。本次设计的是台车型锚杆钻机10。2.2 锚杆钻机具体机构设计2.2.1变辐机构种类及工作原理 1- 自动装卸锚杆装置；2- 主梁上下移动装置；3- 回转装置；4- 变幅液压油缸；5- 主梁；6- 主梁移动液压油缸；7- 动臂；8- 起架液压油缸；9- 伸缩臂；10- 回转架；11- 左右调节液压油缸变幅图2-5 变幅机构图此变幅机构由起架液压油缸8动作，使动臂7、伸缩臂9（伸缩臂由液压油缸控制其动作以满足作业要求）达到预定状态；变辐液压油缸4 动作，使主梁5 和自动装卸锚杆装置1达到竖直状态；其中液压油缸4 动作，通过回转架10使主梁5和自动装卸锚杆装置1同时在垂直平面内摆动一定的角度。主梁上下移动装置2，这种结构可通过主梁上下移动油缸6 调节主梁在运输和起架时的位置，使整机的受力状态达到最佳效果。虽然此变幅机构使整机的高度增大，但通过调节不影响各工况的作业要求。图2-6 此变辐机构由液压油缸(2个),矩形伸缩臂组成,伸缩式变辐机构有内伸缩外伸缩之分,均有圆柱和矩形结构形式,靠近底座的液压油缸动作使伸缩臂上下摆动从而调整立柱高度,伸缩臂末端液压油缸动作从而调整立柱与伸缩臂的夹角, 可快速准确找到钻孔位置.且此变辐机构结构紧凑,控制方便,动作灵活。图2-7 此变辐机构由三个液压缸，两个回转装置组成，臂右侧液压缸动作可以调整立柱与底座的夹角，左侧的液压缸动作可以调整立柱与车身的距离，使钻孔位置更精确另外采用两个回转装置大大的避免了整个机身的旋转，行走移动实现了节能、省时、方便的设想。图2-6伸缩式 图2-7整体式 图2-8此变辐机构由大臂、小臂及两个液压缸组成,大臂下面的液压缸动作可以控制变辐机构与地面的夹角从而粗略控制钻孔位置.小臂下面的液压缸动作调整与大臂的夹角,从而精确控制钻孔位置.另外，其立柱外面的矩形罩可以防噪音，防污染，对工人的工作环境起到了很好的保护作用图2-9此变辐机构有三个液压缸，臂上面液压缸和立柱旁的液压缸协同动作使臂旋转调整立柱与臂的角度，靠近底座的液压缸动作可以改变臂与地面夹角近而控制立柱的高度，使得精确快速钻孔。 . 图2-8折叠式 图2-9组合式 图2-10折叠式 以上两个变辐机构均由三个液压缸及大臂小臂组成，靠近底座的液压缸动作带动中间的液压缸工作，进而调整立柱与机身的距离，最外侧液压缸动作调整立柱与机身的夹角，其动作灵活变辐的范围大。本次设计中采用矩形伸缩式变辐机构。2.2.2 履带的种类及工作原理 履带是由主动轮驱动、围绕着主动轮、负重轮、诱导轮和托带轮的柔性链环。履带由履带板和履带销等组成。履带销将各履带板连接起来构成履带链环。履带板的两端有孔，与主动轮啮合，中部有诱导齿，用来规正履带，并防止坦克转向或侧倾行驶时履带脱落，在与地面接触的一面有加强防滑筋（简称花纹），以提高履带板的坚固性和履带与地面的附着力。主动轮是个主动件，它由轮毂、齿圈、带齿垫圈、锥齿杯、固定螺帽和止动螺栓组成。它通过齿轮和履带啮合，将侧减速器传来的动力传给履带而使坦克运动。诱导轮是从动轮，用来诱导和支撑履带，并与履带调整器一起调整履带的松紧程度。它由轮毂、轮盘、滚珠轴承、轮轴盖、固定螺帽、双排滚珠轴承、支撑杯和回绕挡油盖等组成。托带轮主要用来托着上支履带，没有这种托带轮，履带就会发生撞击。托带轮轴的一端，牢固地固定在车体上。由于托带轮直径比负重轮小，其轴承的转速却高得多，然而它只支撑上支履带，即履带重量的1/3，以减少履带的振荡。履带调整器用来调整履带的松紧度。它由支架、曲臂、轴套、蜗轮、蜗杆、螺杆、摩檫片和衬套等组成。履带的张紧程度对坦克行驶和履带寿命有较大影响。履带过紧或过松都不好。不同的使用环境要求履带有着不同的松紧度。如在坚硬路面上行驶，应将履带张得紧些；在沙漠地区行驶则应将履带张得松些。另外，随着履带销和销耳孔磨损的增加，履带也会变松。为了保持履带的适当张紧度，需要用履带调整器来调节履带的松紧。这是借助履带调整器改变诱导轮相对于主动轮的距离来改变履带的张紧度。履带调整器使诱导轮向后摆动到某一位置，诱导轮就远离主动轮，于是履带被张紧；履带调整器使诱导轮向前摆动到某一位置，履带就变得松些。负重轮用来承受坦克的重量和规正履带。它由轮毂、轮盘、胶带、滚珠轴承、轮轴盖、固定螺母、回绕挡油盖等组成。负重轮数量多，可使每个轮子所承担的重量小，对地面的压力分布均匀，有利于提高坦克的通行性能。当发动机的动力传到主动轮上时，主动轮按顺时针方向拨动履带，于是接地履带和地面之间生产了相互作用力。根据力的作用与反作用原理，履带沿水平方向给地面一个作用力，而地面给履带一个反作用力，这个反作用力使坦克运动，称为坦克的牵引力。由此看来，履带地盘的机器能否运动，主要受到两个条件的限制；一是动力条件，二是地面条件。动力条件就是指发动机提供给坦克通过地面所必须的力量，没有这个力量，主动轮就转不动。地面条件则是指主动轮传给履带的力，必须由地面提供一个反作用力（即使履带地盘的机器运动的牵引力）才能实现。当牵引力和行驶阻力相等时，其就作等速运动；当牵引力大于行驶阻力时，其就加速行驶；当牵引力小于行驶阻力时，其则减速行驶。发动机的动力不断地由主动轮传出来，主动轮就不断地拨动履带卷绕运动。于是机器在推进过程中，一方面从诱导轮卷下去的履带被铺在地上，并压在前进滚动的负重轮下面；另一方面则把最后一个负重轮滚过的履带由主动轮卷上来，如此周而复始，形成了一条其自行铺设的轨道，而且是一条履带地盘的机器跑到哪里就铺到那里的“无限轨道”。其在前进或后退时，两条履带就不断地向前或朝后运动，像是“自带的路” 3。 图2-11 轮胎式锚杆钻机底座 图2-12 履带式锚杆钻机底座 图2-13 履带底座 图2-14 履带底座 图2-13所示履带底座是用在起重机上的，其载重大运动平稳 图2-14履带底座是又一种形式的锚杆钻机的履带底座。相比之下其结构简单，载重小。履带式行走装置比轮胎的接地面积大，接地比压小，履带所支撑的全机重量都是附着重量，而且在履带的支撑面上大多制有履刺，可以深入土内，抓地能力强，因此比轮胎式行走装置的附着牵引性能和通过性能都好得多。这种性能在履带行使于松软地面时尤其显著。由于本机经常在野外或道路凸凹不平的地方作业，因此底盘选取接地比压小、适应性强的液压驱动履带式底盘，其结构与图2-12类似。本次设计采用图2-12履带式锚杆钻机底座。2.3 推进机构的种类及工作原理 钻机的推进机构是体现钻机重量和强度的关键部件，也是钻机实现其钻孔功能的最主要部件，通常也称作立柱。立柱一般由动力头、夹持器、行走机构组成。有的还装有卸扣器、除尘罩、自动换锚杆装置等。行走机构有: (1)液压推进行走机构是靠液压缸的推力推动动力头，从而达到推进的作用。如图2-15所示 (2)马达-链这种推进行走机构是由马达提供旋转动力，带动齿轮在链上转动行走，从而实现推进功能。如图2-16所示(3)马达-齿条的推进行走机构工作原理同齿轮链的类似，是马达提供旋转动力带动齿轮在齿条上转动行走，从而实现推进功能4。如图2-17所示 图2-15 液压缸 图 2-16 马达-链 2-17 马达-齿条 图2-18 马达-链本次设计采用马达-链的推进机构。动力机构采用的结构如2-18图2.2.4 动力机构的种类及原理(1) 马达的选择马达可分为气马达，油马达，液压马达，液压马达是将输入的压力能转换成机械能，以扭矩和转速的形式输送到执行机构做功，是液压传动系统的执行元件。是实现连续旋转运动的执行元件，从原理上讲，向容积式泵中输入压力油，使其轴转动，就成为液压马达。常见的液压马达有齿轮式，叶片式和柱塞式等几种主要形式；从转矩、转速范围分，有高速马达和低速大扭矩马达。(2）液压马达的工作特点在一般工作条件下，液压马达的进、出口压力都高于大气压，因此不存在液压泵那样的吸入性能问题，但是，如果液压马达可能在泵工况下工作，它的进油口应有最低压力限制，以免产生汽浊。马达应能正、反运转，因此，就要求液压马达在设计时具有结构上的对称性。液压马达的实际工作压差取决与负载力矩的大小，当被驱动负载的转动惯量大 、转速高，并要求急速制动或反转时会产生较高的液压冲击，为此，应在系统中设置必要的安全阀、缓冲阀。由于内部泄露不可避免，因此将马达的排油口关闭而进行制动，仍会有缓慢的滑转，所以，需要长时间精确制动时，应另行设置滑转的制动器。某些形式的液压马达必须在回油口具有足够的背压才能保证正常工作，并且转速越高所需背压也越大，背压的增高油源的压力利用率低，系统的损失大5。本次设计中采用液压马达 。2.2.5 自动换锚杆系统杆处理始终是钻进工作中最繁重、最危险的工作，因为钻杆的重量较重，而且一般都是采用手工装卸。相反，这种自动的钻杆处理系统是一种全液压钻杆自动装拆系统，它免除了所有的手工作业，因而减轻了劳动强度，避免了意外事故的发生，并且可节约相当多的非生产时间6。自动钻杆处理系统包括三个基本的组成部分：钻杆贮存架、操作臂和夹持卸扣器。钻杆存放在钻杆架内，钻杆处理由操作臂和夹持卸扣器完成。首先夹持器将钻杆卡住，卸扣器拧开钻杆接头处的螺纹，动力头反转至脱离钻杆，然后上升到钻杆贮存架上方。这时操作臂动作将贮存架旋至动力头下方，使缺口处的钻杆正对动力头的回转中心，动力头下放并旋紧下一根钻杆，然后提升钻杆到一定高度，操纵臂旋回初始位置，动力头下行完成钻杆的对接，夹持卸扣器松开，接钻杆完毕，便可继续进行钻进作业。整个过程都不需要任何直接的人工辅助，而是由钻机的操作者来完成。钻进工作结束时，与上述过程相反，便可将钻杆从钻杆柱上卸下，并存放到钻杆贮存架内6。2.6 消声器的种类及原理 噪声是众所周知的公害之一。它损害人的听觉,影响人的健康和工作,严重时还会造成各种意外事故。所以噪声问题已日益引起重视并把它作为改善劳动条件和保护环境的重要内容之一。使用消声器消除噪声的主要措施是吸声。吸声使用吸声材料,如玻璃棉、矿渣棉等装饰在容器的内壁,或敷设在管道的内壁上,将噪声吸收一部分,从而达到降低噪声的目的。本产品使用的阻性消声器是利用在气流通道内表面的多孔吸声材料来吸收声能。其结构简单,能在较宽的高频范围内消声,特别是对刺耳的高频声波有突出的消声作用,但对低频的消声效果较差。2.7 排渣机构的原理机载干式除尘技术是四臂锚杆钻车的关键技术之一。它不仅关系到钻机的工作效率，而且对井下操作工人的环境安全具有很大影响。为此，提出了真空三级干式除尘的思路，即采用于式机械除尘机构，在设备上搭载三级串联除华器，在真窄泵产生的负压作用下。粉尘在流动的过程中，在重力等外力作用下，通过多级分离、落尘、过滤等形式使钻孔所产生的粉尘落在固定的容器中，从而达到除尘效果。第一级采用旋流式除伞机理，大粒径粉尘在负压作用下，从切线方向水平进入旋流器，高速旋转的粉尘在重力作用下，向下排出，实现第一级粉尘分离。第二级除尘采用变径落尘方式实现，设计专用的除尘箱体，在负压作用下，经第一级旋流除尘后的细小粉尘进人箱体，通过2次上下变换路径，使得粉尘流速发生变化，在重力作用下，较大粒径粉尘再次降落储存起来。最后一级除尘采用滤芯过滤方式实现，通过滤芯后的最后粉尘通过消音器直接排出空气中，过滤后可呼吸性粉尘密度小于15 mg,m，形式如图2-19所示。 a) b) 图2-19 除尘箱2.8 控制机构的种类控制机构的形式如图2-20 a) b) c) d) 图2-20 控制机构图2-20（a）（b）驾驶室控制形式造价高，安全。（c）（d）造价低，视野开阔，控制方便。在本次设计中采用驾驶室，这样可保证工人的工作环境和安全7。2.3 钻机的工作原理本次设计的锚杆钻机采用冲击旋转式钻进，较普通的锚杆钻机增加了一套冲击机构。冲击机构有液动冲击器和风动冲击器，它们也各有特点。液动冲击器具有结构简单，易损件少，冲击器不受孔内围压、介质密度、温度等的影响，钻具系统工作平稳等特点2。风动冲击器工作时单次冲击功瞬间可产生极大的作用力，既可用于软层冲击挤密不排土钻进，又可用于非开挖铺管的夯管技术。因设计力求结构简单、安全可靠、连续工作时间长等目的，所以选择了液压冲击器。而风动冲击器虽然瞬间冲击功大，但风动将导致较大的噪声，考虑其对工作人员及其周边环境的影响，故不予采用。同时这种设计也使得整个锚杆钻机传动稳定、效率高、适应性强，这些都是我们所追求的。本次设计的锚杆钻机整机结构图如图2-21所示。2.3.1 冲击旋转式钻进原理冲击旋转式锚杆钻机是在旋转式锚杆钻机结构基础上增加一套冲击机构。钻头钻杆的旋转是由动力机构经过齿轮传动机构实现的，冲击机构是在冲击锤的往复运动中实现冲击功能的。钻进时，钻头在钻杆的带动下做回转运动，而冲击锤在循环介质（压缩空气或水）的推动下，对孔底岩石进行冲击破碎。这样在钻头上存在的旋转方向上的旋转力和轴心方向上的静压力及冲击力联合作用，使岩石在破碎时，内部裂隙得到扩张，在裂隙尖角出现应力集中，同时在高频的冲击力作用下，应力波在岩石内部还来不及扩散，并出现应力集中，这两种情况的出现，使岩石强度大大降低，并随着旋转力的作用，出现大块大块的崩落现象，破碎效果非常明显8。图2-21 整机装配图2.3.2 冲击旋转钻进的优点 钻进效率高由于单次冲击能量较大，岩石破碎更主要的以体积破碎形式出现，排渣速度高，孔底干净，无重复破碎现象。生产实践证明，冲击旋转钻进效率比普通金刚石回转钻进提高了35倍4。 钻具转速低由于钻具转速低，减少了钻具与孔壁的碰撞机会，同时冲击器高频对孔底冲击，减小了对破碎或倾斜地层的影响，从而保证了钻孔的平直度，提高了钻孔质量，而且也不易出现孔壁坍塌等事故。 钻压和扭矩小由于钻压低，不仅改善了钻杆的受力状况，而且回转扭矩也十分小，对设备能力要求不高。这样可以减轻钻机设备的质量，使该项技术应用在大口径硬岩钻进、边坡抗滑加固锚杆孔钻进等众多领域。 具有较好的防斜效果因钻压低、进尺快，冲击旋转钻进的孔斜一般情况下都可控制在1O/100m的范围内。 有效地提高了钻头的使用寿命由于钻速快，使得球齿钻头在孔底摩擦路径缩短，故钻头磨损减小，提高了钻头的使用寿命。 不破坏含水层使用冲击旋转钻进过程中，由于孔内没有静水柱压力，排粉速度快，孔内清洁，对含水层没有堵塞和破坏作用，也可应用于水井钻进和排水孔的施工10。 2.4 本章小结本章主要介绍了锚杆钻机的种类及其分析对比，锚杆钻机的各机构的种类及工作原理，以及方案的确定采用了履带底盘，操作机构选择了驾驶室，动力机构为液压马达，执行机构为液压缸，还采用了较为方便安全的自动换干装置，还选择了旋转切削机构，除此之外，还简单介绍一些锚杆钻机常见的问题及其产生原因和分析。第3章锚杆钻机的计算与分析3.1 回转支承的选型与计算回转支承所承受的作用力包括总轴向力Fa ,总侧翻力矩M，在力矩作用平面内的总径向力Fr。如果主机做提升动作，则提升载荷应乘以提升惯性系数K（K=1.25）。按静态工况下所承受的作用力选型并校核安装螺栓强度，按动态工况下所承受的作用力校核寿命。本设计采用单排四点接触球式回转支承的计算按静态工况选型（1）分别按承载角为45和60两种情况计算。方法一 （=60）： Fa=（Fa+5.046Fr）fa （3-1） M=Mfa （3-2）方法二 （=45）： Fa=（1.225Fa+2.2676Fr）fa （3-3） M=1.225Mfa （3-4）式中 Fa回转支承当量中心轴向力，10N； M回转支承当量侧翻力矩，10Nm; Fa回转支承静态工况下的安全系数（2） 按动态工况校核寿命方法一 （=60）： Fa=（Fa+5.046Fr）fd （3-5） M=Mfd （3-6）方法二 （=45）： Fa=（1.225Fa+2.676Fr）fd （3-7） M=1.225Mfd （3-8）式中：fd回转支承动态工况下安全系数。本设计采用单排四点接触球式（01系列）回转支承；选型：（承载角=45）Fa=（1.225Fa+2.676Fr）fa=33.24NM=Mfa=33.34N.m所以：D =821，D=776，D=71030，d=70，D=572.4，d =608，D=644，D=711。3.2 切削参数的计算3.2.1 切屑转速的计算 (3-9)式中 岩石的普氏坚固系数，可取为；钻孔直径，mm；切削速度常数，分别对应最佳转速区的下限和上限。由于我们总是希望锚杆钻机在钻孔作业以最理想的方式进行，因此设计中计算转速时一般取最佳转速的上限作为额定转速，即：根据工况要求取7，最大钻孔直径=200mm，代入这两个数据得到切削转速；当钻=40mm最小直径孔时，。3.2.2 切削转矩的计算钻头钻孔时，岩石的破碎是在两向载荷的同时作用下进行的。图3-1切削力学分析图 图3-2切削参考图从图3-1中可以看到，两向载荷分别是推进力引起的垂直钻进方向的载荷和切削转矩引起的水平方向的载荷，它们的合力即为。这种情形与平面切削相似，刀具的各主要参数及其在切削时的作用力如图3-2所示。按照岩石破碎学中的西松裕切削破碎模型，单位刃宽上的力的表达式为： (3-10)式中 单位刃宽上的合力，N/mm；岩石抗剪强度，MPa；这里的，由岩石力学性质可知，又根据普氏系数与抗压强度的关系，故=5.18MPa。切削厚度，mm；刀具前角，根据锚杆钻机钻头的通用设计，前角一般取；合力与前刃面法线夹角，其中为刀具与岩石之间的磨擦系数，取，则31.8o ；岩石内磨擦角，类似的，其中为内磨擦系数，取，则=45o；应力分布系数，与刀具前刃角有关，取，根据实际的刀具前角数值，这里取=0。上述各参数中，在钻孔切削中与在平面切削中是一样的，而切削厚度在钻孔切削中表现为每钻的截深。钻削运动轨迹为螺旋线，它每钻的截深受孔长和刀具以及岩石硬度的影响都较大。截深太小，影响效率，截深太大，会影响刀刃和钻头母体的使用寿命，并导致出现螺旋孔型。根据试验，在岩石抗压强度为40100MPa的情况下，取，这里取。将上述参数代入公式(3-2)，得到11。根据图3-2，单位刃宽上的切削力为，单位刃宽上的推进力为。但钻孔切削与平面切削有两点不同之处：一方面，钻孔时的载荷分布情况与平面切削不同，平面切削可把载荷的分布视为沿刃面平均分布；而钻孔时的情况则不同，刀刃中心和外缘切削岩石的数量和载荷分布是不等的，刀刃外缘，即钻孔周边实际受两方面的剪切阻力，一是来自孔底，二是来自孔壁。因此我们可以假设在周边所受的剪切阻力为平面切削时的二倍，平面切削时的剪切阻力为12： (3-11)将数据代入公式(3-3)得。则切削刀刃外缘处的剪切阻力为2868.8N。而转矩表达式为： (3-12) 取，将数据代入公式(3-4)得573.74Nm。另一方面，钻削破岩以切削破岩为主，但在钻削过程中，块率较大的岩屑的破碎，同时是克服了抗拉和抗弯强度实现的。按岩石各种强度性能的分析中可知，在时，随抗压强度的增加，抗拉与抗弯强度成小斜率线性增加；当时，它们的关系具有离散性。但抗拉强度与抗弯强度又呈现比较明显的线性规律性。因此，回转切削破岩可以由两部分组成，一部分是克服抗剪阻力完成，它在钻削过程中表现为较平稳的一部分。另一部分是克服抗弯、抗拉强度完成的，它在钻削过程中变化较大。在计算转矩时增加一个拉弯影响系数，而的计算公式经试验分析得出如下： (3-13)将7代入公式(3-5)得1.09。这样总的转矩公式为： (3-14)将数据代入得=625.38Nm。这是在=0时的转矩，在满足工作要求的情况下，设计时可以适当高于此值。根据以上分析可知，当时，对转矩的数值影响较小，可以忽略不计；当时，的数值较大，相应的转矩也大为增加。所以，当时，回转切削钻孔所需要的转矩大幅上升，钻机的钻孔作业变得十分困难。因此，目前小功率锚杆钻机的适用范围一般在的岩石中，当然时，锚杆钻机所需要的功率将大大增加。3.2.3 钻削功率的计算知道了和，则： (3-15)式中 机械传动效率。 代入数据得=76.34kW。从公式(3-2)、(3-6)和(3-7)中我们可以看到：第一，转矩与岩石的抗剪强度、抗压强度成正比，即，因而有，即转矩与岩石的硬度近似成正比；第二，转速与岩石的硬度成反比，从而与岩石的抗压强度成反比关系。上述三个公式，简单明了地表达出转矩、转速和切削功率三者的关系。3.3 本章小结 本章主要是设计中一些重要环节的计算，设计计算是必不可少的，是决定设计合理性的重要依据。通过计算得出数据显示本次设计的各种参数都是合理的，并根据这些参数进行整机结构件的选取与设计。第4章 有限元分析与整机稳定性分析4.1 重要零件的有限元分析Cosmos是SRAC（Structural Research & Analysis Corporation）推出的一套强大的有限元分析软件，自从Cosmos出现后，有限元分析的大门终于向普通工程师敞开，它易学易用，简洁直观，能够在普通PC机上运行，不需要专业的有限元分析经验，可以迅速得到分析结果，从而最大限度的缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量，加大利润空间。CosmosWorks是一个与SolidWorks完全集成的设计分析系统，CosmosWorks提供了应力分析、频率分析、扭曲分析、约束分析、热分析和优化分析。为设计者在SolidWorks的环境下，提供比较完整的分析手段，并获得修正和优化设计所需的必要信息，减少了复杂的计算，提高工作效率。CosmosWorks集功能强大、计算精确和简单好用三大特点于一身。使用它得到的零件应力分布状况，是与实际工况相接近的。通过对比零件的最大应力与屈服应力、最大应力发生处与最小应力发生处等数据，可以完成对零部件的强度校核，并根据具体情况对零部件的结构进行优化设计。如下是对伸缩臂的算例分析，初始条件如表4-1，表4-2所示。 表4-1伸缩臂的材料属性属性名称数值单位数值类型弹性模量2.1e+011N/m恒定泊松比0.28NA恒定抗剪模量7.9e+010N/m恒定质量密度7800kg/m 恒定张力强度3.9983e+008N/m恒定屈服强度2.2059e+008N/m恒定热扩张系数1.3e-005/Kelvin恒定热导率43W/(m.K)恒定比热440J/(kg.K)恒定表4-2 伸缩臂的网格信息网格类型:实体网格所用网格器: 标准网格自动过渡: 关闭光滑表面: 打开雅可比检查: 4 Points单元大小:30.986 mm公差:1.5493 mm品质:高单元数:10293节数:20773完成网格的时间(时;分;秒): 00:00:05计算机名:WWW-29F40C8C677分析结果如图4-1 a) b） C） d）图4-1 伸缩臂应力分布云图从上四辐图可得到位移变化最大的地方是第一节臂与第二节连接处，最大应变发生在臂的上部绞点处，最小应力是112.9MPa，发生在臂的中下部，应力图中不符合的地方为奇异点，所以经分析得此设计中此臂可用。对棘轮进行分析，初始条件如表4-3，表4-4所示。表4-3 棘轮的网格信息网格类型:实体网格所用网格器: 标准网格自动过渡: 关闭光滑表面: 打开雅可比检查: 4 Points 单元大小:8.6623 mm公差:0.43311 mm品质:高单元数:15703节数:24660完成网格的时间(时;分;秒): 00:00:03计算机名:WWW-29F40C8C677 表4-4 棘轮的材料属性属性名称数值单位数值类型弹性模量2.1e+011N/m恒定泊松比0.28NA恒定抗剪模量7.9e+010N/m恒定质量密度7700kg/m恒定张力强度7.2383e+008N/m恒定屈服强度6.2042e+008N/m恒定热扩张系数1.3e-005/Kelvin恒定热导率50W/(m.K)恒定比热460J/(kg.K)恒定硬化因子 (0.0-1.0; 0.0=同向性; 1.0=运动性)0.85NA恒定从图4-2可以看出，棘轮的最大应力为129.1MPa，发生在棘轮轮齿的根部。使用的材料是45号钢，屈服应力是355MPa，安全系数约为2.7。因为棘轮是一个操作频繁的零件，且经常与棘爪之间发生摩擦、碰撞，所以安全系数取的较大一些，以提高棘轮的强度，增加其使用寿命。 图4-2棘轮应力分布云图对棘爪进行分析，初始条件如表4-5，4-6所示。 表4-5 棘爪的网格信息网格类型:实体网格所用网格器: 标准网格自动过渡: 关闭光滑表面: 打开雅可比检查: 4 Points 单元大小:4.9249 mm公差:0.24624 mm品质:高单元数:12367节数:18971完成网格的时间(时;分;秒): 00:00:03计算机名:WWW-29F40C8C677 表4-6 棘爪材料属性网格类型:实体网格所用网格器: 标准网格自动过渡: 关闭光滑表面: 打开雅可比检查: 4 Points 单元大小:4.9249 mm公差:0.24624 mm品质:高单元数:12367节数:18971完成网格的时间(时;分;秒): 00:00:03计算机名:WWW-29F40C8C677如图4-3所示，棘爪的最大应力为143.4MPa，选择的材料是45号钢，屈服应力为355MPa，安全系数在2.4以上。为保证棘爪的工作可靠性及其使用寿命，在材料的选择和结构的设计上都留有一定的富余。图4-3棘爪的应力分布云图4.2 整机的稳定性分析台车型锚杆钻机多是在已确定的原动机上迭加一套锚杆钻机而组成的,它除了能完成原动机的作业外，还能进行钻、锚支护工作，实现了一机两用。因此，组合后的整机稳定性显得更为重要。台车型锚杆钻机整机的稳定性一般是指整机行走稳定性、钻孔时的稳定性。由于本锚杆钻机是履带式行走机构，故以下讨论履带式锚杆钻机整机行走和钻孔时的稳定性。4.2.1 整机行走的稳定性分析由于原动机装上锚杆钻机后，整机的重心会发生偏移，而重心位置变化对整机的综合性能有着很大影响。所以，首先应分析整机在水平行走时的稳定性及整机下坡行走时的纵向稳定性和横向稳定性。 水平道路中整机行走的稳定性整机由原动机及钻机两部分组成。总体设计时，人们总是力图使整机作用于履带上的载荷分布对称、均匀，但实际上作用于履带上的载荷是不对称、不均匀的。行走时，由于履带式原动机行走速度较慢（一般为12 km/h），故行走惯性阻力矩及迎风阻力矩可忽略不计。如若整机的中心偏离几何中心位置，两条履带上的接地比压是不同的，这将直接影响整机的稳定性能。而本机的偏心非常小，故可按履带公称（平均）接地比压来计算。它等于机器的总重力与两条履带接地面积的比值，用公式表示为： (4-1)式中 公称接地比压，kPa；机器的总重力，G=151.8kN；履带接地长度，L=2560mm；履带板宽度，b=500mm。将数值带入公式(4-1)，可得到=59kPa，这正体现了履带接地比压小、适应性强的特点。 图4-4 后视图 图4-5正视图整机在水平道路上行走时，如图4-4、4-5所示，经Solidwords对整机质量属性分析，整机的重心落入弹子盘内，且重心坐标在X方向和Y方向的偏心非常小，所以不会影响整机的稳定性13。 整机的纵向稳定性分析图4-6整车下坡行走当整机在下坡行走时，对整机的纵向稳定性影响最大，故纵向稳定性的分析只考虑此种情况。如图4-6所示，设下坡时倾角为，由图解法可知，当整机不致倾翻时的： (4-2)式中 履带接地长度，2560mm；、重心的坐标，125.97mm；541.83mm；将数据代入公式(4-2)得，而设计要求整车的下坡能力是25O，所在满足设计要求。取的安全系数为0.8，则可得: (4-3) 将数据代入公式(4-3)得，故可以确定整机的纵向稳定性良好。 整机横向稳定性分析图4-7整机处于横向斜坡如图4-7所示整机处于横向斜坡状态，在坐标系oyz上设整机横向倾角为，当整机不致倾翻时的最大值： (4-4)式中 两履带中心距，=1950mm； 、重心坐标，=26.53mm；=541.83mm；将数据代入公式(4-4)得 。随在0范围增大，逐渐变小，取安全系数为0.8，则 (4-5)令=541.83mm代入公式(4-5)得55.21 O，所以理论上都可以保证整机横向稳定性。4.2.2 钻孔时整机的稳定性分析在保证整机行走稳定性的同时，也应对钻孔时整机的稳定性进行校核，这同样是很重要的。设钻孔时作用于整机上的力有轴向压力F、整机重量G，钻孔时整机稳定性按钻孔的最危险情况计算。因为正常钻进时立柱的前端是插入土中的，有立柱前端作为支撑点，所以起拔钻杆时一般不会影响钻机的稳定性，故只需进行正常钻进时的稳定性分析14。图4-8整机处于钻孔状态采用平衡法计算，计算公式如下： （不考虑风载）（考虑风载）式中 稳定系数由于锚杆钻机正常工作时整机高度并不高，且迎风面积比较小，固可以不考虑风载。如图4-8中取驱动轮的回转中心为支点，设重心距离支点的距离为L1，轴向压力F距前支点的距离为L2，则整机不发生偏转的力矩平衡方程是： (4-6)在式(4-6)中G=15.495t；F3.5t；L12054.90mm；L26145.97mm。经计算，所以整机钻孔时的稳定性是良好的。4.3 本章小结本章对一些重要的零部件进行了有限元分析，使用有限元分析速度快、结果准确，通过分析确定零部件的结构和材料满足强度要求。另外由于本次设计的是重型车辆，因此最后进行了整机的稳定性校核，经计算本机满足各种工况下的不倾翻要求，整机稳定性良好。结 论锚杆钻机作为一种工程机械，应用越来越广泛。在国外对锚杆钻机的研究与应用都已经比较成熟，但在国内这一领域的还有待于发展。随着锚杆钻机的优越性能的逐渐体现，应用场所的逐渐扩展，国内也必将形成系统的研究领域。本此设计锚杆钻机，也是提前对锚杆钻机的性能和结构做一个系统的研究。提到锚杆钻机就必须与锚杆联系起来，因此本此设计的过程中也对各种锚杆的材料、结构及其性能进行了一定深度的探讨，并收录在这篇论文中。锚杆钻机是为锚杆支护服务的，最终防护作用的好坏主要靠安装的锚杆的性能，因此根据具体的工况选择适宜的锚杆也是十分重要的。同时一台性能优良的锚杆钻机可以在保证钻孔质量的前提下提高工作效率，减少工时，创造更大的经济效益。由于液压作为动力可实现低转速、大扭矩、控制方便且噪音小等优点，因此本次设计的锚杆钻机采用全液压驱动，伴随顶锤的打击，实现单管钻进。另外由于更换锚杆的工作是最繁重的，也同时带有一定的危险性，所以本机采用了自动换锚杆装置，减轻了工人的劳动强度，提高钻孔效率。随着人性化设计理念的推广，在研发机器的同时必须充分考虑机器对人造成的不良影响，改善机器的操作性和工作环境，不仅有益工人的身心健康，也有益于提高工作效率。参考文献1 邹敢.锚杆钻机的发展现状J.淮南矿业集团 张北煤矿，安徽 淮南 232000.1003-079（2006）03-0363-04.2 龚文海,曾爱民,张沛强.YDM-1型岩土锚固工程钻机及其应用J.地质科技情报.1999,18.3 雷煌.履带行走式锚杆钻车的研制J.煤炭科学研究总院 太原研究院，山西 太原 030006.0253-2336（2008）08-0073-03.4 张鲁侠，薛军.动力头式钻机导轨设计J1吉林省探矿机械厂 长春130012；2吉林大学 长春130026.1004-4051（2005）03-0083-03.5 张勇,蒋荣庆.多工艺冲击回转钻进技术的新拓展J.西部探矿工程. 2000,(2): 112-113.6 杨永涛.自进式锚杆在小湾水电站坝肩堆积体中的应用J.西北水电. 2006,(1):35-37.7 Edward Allen，Joseph Iano，John Wiley Fundamentals of Building ConstructionJ Harvard Design Magazine，2000(10)：138 Herff N，Gazaway，Richard M，Coad and Kenneth B，AndromalosInstallation of a grout curtatain at a hazardous waste landfillJASCE Geotechnical Engineering