毕业设计（论文）-DYL-300多功能钻机总体设计及变幅机构分析

1、摘 要目前国内的多功能钻机主要是进行钻孔，锚固孔，坑道施工，隧道施工，道路施工，露天采矿等。实践说明，多功能钻机不能很好的适应在不同的施工环境下进行不同的施工作业。国内局部单位引进了国外车载全液压动力头顶驱钻机，在实际使用过程中显示了其优越性，但价格比拟高，配件供给周期长，使钻机的保养维修出现一些困难。因此亟需研发出具有自主知识产权，能够适应各种不同的施工环境，高效率的多功能钻机。国内在这方面的研究刚刚起步，虽然已经有国内厂商率先生产了首款多功能钻机,但其应用还不是十分广泛，主要是由于新钻机需要一个较长的适应过程才能进行使用，这样就延长了开采周期，增加了开采本钱。 针对上述问题，本论文通过对多

2、功能钻机工作要求和设计要求的研究，自行设计一套适应性强，应用范围广泛的全液压多功能钻机。本文的主要内容及创新点包括：1. 了解多功能钻机的设计要求及工作领域，并提出对设计多功能钻机的总体要求。2. 设计一套全液压顶驱多功能钻机，利用钻机参数，通过优化设计、模块化设计来完成总体设计。3. 利用Pro/E三维软件对设计的钻机进行三维建模，并对变幅机构进行运动仿真，来了解钻机变幅机构的工作过程。关键字：多功能；钻机；总体设计；机构运动仿真AbstractAt present, the main multi-purpose drilling rig is drilling, anchor holes,

3、 tunnel construction, tunnel construction, road construction, surface mining and so on. Practice shows that the multi-function rig is not well adapted in different environments with different construction of the construction work. Some units of the introduction of foreign domestic vehicle hydraulic

4、power head drive drilling rig, shown in the actual use of its advantages, but the price is relatively high, spare parts supply cycle is long, so that maintenance of drilling rig has some difficulties. Therefore, developed with independent intellectual property rights is needed, able to adapt to a va

5、riety of different construction environment, efficient multi-purpose rig. Domestic research in this area has just started, although domestic manufacturers have been the first to produce the first multi-function rig, but its application is not very extensive, mainly due to new rig need a longer adapt

6、ation process to be carried out using, so that extended the mining cycle, an increase of production cost.In response to these problems, we work through the multi-functional requirements and design requirements rig research, to design a set of adaptable, application of a wide range of fully hydraulic

7、 multi-function rig. The main contents and innovations include: 1. Understanding the design requirements for multi-function rig and work areas, and proposing the general design requirements of multi-function rig. 2. Designing a multi-function hydraulic top drive drilling rig, the use of drilling par

8、ameters, by optimizing the design, modular design to complete the overall design. 3. PROE using three-dimensional software to design three-dimensional modeling of the rig, and the luffing mechanism for motion simulation, to understand the working process of drilling luffing.Keywords: multi-functiona

9、l; rig; overall design; body motion simulation目录绪论选题背景4 国内外研究状况. 4课题的研究目的和意义.5第二章 整机总体方案的选型6 总体设计的要求任务和依据.6 机型与传动形式选择7 机型选择.7 传动形式选择.7钻机的总体布局8 钻机的驱动与动力方式8 升降级的布置形式9 操纵机构的设置.9 装载形式.9 钻机整体参数确实定.9 钻机能力的参数.10 钻机的关键参数.11 钻机参数13 本章小结.13第三章 多功能钻机的三维建模.14 多功能钻机的概述.14 多功能钻机的根本组成与工作原理.14 多功能钻机的根本组成.14 多功能钻机的工

10、作原理.15 多功能钻机的三维模型的建立.16 本章小结.16第四章 多功能钻机的变幅机构的机构运动与受力分析.17 多功能钻机的变幅机构的工作原理.17 变幅机构的运动分析.18 载荷位置分析.19变幅机构的机构运动仿真.20Pro/E机构模块的引用.20变幅机构的仿真过程. 21 本章小结. 23第五章 总结与展望 24 结论与创新. .24 局限与展望. 24致谢. 26参考文献. 27绪论选题背景上世纪90年代以来，随着经济的开展和国家对根底建设投资的增大，并且地铁和高层住宅建筑的施工面积也在不断扩大，地下施工的深度已经到达好几十米，长度也到达几百米，工程量巨大。在国内各大城市的规划中

11、，已经把地下空间的利用地铁、停车场作为城市规划开展的重点方向。多功能钻机是用于边坡锚固支护、隧道超前管棚支护施工、室内建筑根底加固、以及露天采石炮孔等工程施工中，具有施工本钱低、效率高、质量好、振动和噪声污染小等优点。在国内建筑事情蓬勃开展，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，要求工程具有承载力强，建筑深度大，可靠性强的方向开展。国家在新世纪开始后，每年投入大笔资金进行地质大调查，而多功能钻机在很多领域中具有重要的作用，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多功能钻机势在必行。多功能钻机国内外研究现状国外研究现状国外多功能钻机的开发与应用

12、起步较早，技术性能比拟成熟。目前，美国雪姆公司、阿特拉斯科普柯公司、德国宝峨公司、意大利钻力公司都研发了各种型号的车载全液压动力头顶驱钻机，在世界各煤层气勘探开发国家使用，施工效果良好。这些钻机的结构和主要参数比传统立轴及转盘式钻机有了很大的提高；采用了碟形弹簧卡紧、液压松开的液压自动卡盘；采用无导向杆的大通径动力头回转器；采用汽车变速箱、离合器等通用部件。还开展了与之配套的变量泥浆泵和绳索取心钻具，满足了金刚石钻进和绳索取心钻进的要求。同时，出现了电子计算机辅助监控的钻进过程自动监控系统，如加拿大的ADM数据采集、处理和分析系统，德国的ZBE电子电液组件导向监控系统等。国外钻机的开展主要得益

13、于以下几个方面：1)先进的钻机设计理念。2)雄厚的技术储藏。3)煤层气行业详细的平安和设备可靠性标准。国外煤层气钻机具有以下几方面的突出优点:1)模块化程度高。安装拆卸工作量小，动作协调、速度快，井架起放迅速、钻进效率高。2)钻台高度可调。钻台高度通过液缸调节，可以方便地实现适宜的钻台高度，满足现代钻井对防喷系统的需要。3)自动化程度高。钻柱的排放、连接和上卸全部自动化，无须手工操作，降低了劳动强度、减少操作人员，全液压动力头，可以实现自动控制钻井参数。4)配套能力强。高性能的发动机、空压机、长寿命井底马达、高精度定向装置和随钻测量装置等技术成熟。5)操作环境友好。采用全液压平安、低噪音，对环

14、境的污染少，更符合HSE的要求。国内研究现状我国受经济体制的影响，在国内多功能钻机的研制起步较晚，整个研制时间才经历了30多年的历程。20世纪七十年代以前主要从事的地质岩心钻机的研制和生产，对于多功能钻机的领域根本无人关注。改革开放以后，随着根底建设的扩大，多功能钻机才逐步被重视起来。我国多功能钻机主要从原水文钻机演变过来的，钻孔直径较小。目前工程钻机向大功率、大扭矩、大孔径方向开展，配备的液压件也从国内选配转向国外。现在国内有多个厂家生产多变幅多功能钻机，无锡双帆生产的YGS-100履带式钻机，钻机回转扭矩大，给进行程长，使钻孔速度快，处理事故能力强，钻进效率高。钻机在动力头上采用大扭矩液压

15、马达驱动、无级调速，钻机的工艺适应性强。行走履带由液压马达驱动，提高了钻机的灵活性。钻机的桅杆与钻臂经过多个油缸组合，使钻机具有全方位的钻孔角度。能进行多角度、大范围不同孔位的施工，对中孔位的掌握力更强，施工效率更高。钻机装载在重型履带底盘上并配有上车回转装置，使整机移位，行走更快捷方便。西安探矿机械厂生产的GL-6000型履带全液压工程钻机，钻机动力头采用无级调速功能，扭矩到达6000Nm，提升力110kN为国内同类产品中能力最大。采用双夹持器拧卸钻具，有效降低了劳动强度。钻机液压系统采用直动式负载反应微调变量系统，主要元件采用进口产品，技术先进，能耗低，效率高。该钻机设计的多方位变幅机构，

16、满足多角度钻进的需要，机架和立柱均可90旋转，定位方便、快捷、可靠。同时该钻机采用先进的数字化仪表，可实时显示主要钻进参数。1.3 课题的研究目的和意义多功能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。全液压化已经是工程钻机的开展方向，它的研究直接影响以上这些工程施工的成败。多功能钻机是机电液一体化的设备，其结构的好快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上下。用虚拟技术对工程钻

17、机的机械、液压系统进行研究，在设计初始阶段发现设计的缺乏进行改正，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。DYL-300多功能钻机具有全方位变幅机构，在一个位置可以进行大区域多排、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、室内建筑根底加固、以及露天采石炮孔等工程施工中；并可应用隧道瓦斯、地下水超前勘探；稍做改动可作为旋喷钻机使用，因此市场需求量大，市场前景好。第二章 整机总体方案的选型 总体设计的要求、任务和依据总体设计的要求钻机是直接用于钻孔的机器，是从事钻探施工的主体设备

18、。钻机质量的好坏直接影响钻机生产的效率、质量、本钱和平安。一台好的钻机应该能够满足钻机工艺、使用制造、维修、运输、环境保护等各方面的要求和符合国家公布的各项法规。上述诸多要求都应该合理的表达在一台钻机上。为了获得既合理又先进的技术方案，应对各方面的技术要求进行全面深入的分析，根据钻机设计的总目标，区分各种要求的主次地位，对其进行相互的协调，尽可能的将各方面的要求集中和统一的协调在一起。一台钻机的好坏不仅取决于零部件设计的质量，尤为重要的是如何把这些零部件进行合理的组合，使各部件和整机都具有良好的质量和性能。因此，总体设计是钻机设计的一个重要局部。为了获得理想的钻机总体设计方案，在设计时，应满足

19、一下要求：1整机的能力参数与各部件的能力参数要相互匹配协调，并能满足钻进工艺的要求。2整机具有足够的强度、刚度和抗震性；重心要低，其安装位置尽量靠近钻机安装平面的形心；3结构紧凑，传动链段，传动件少；4便于安装和拆卸；5要有合理的装载形式和良好的整机性能，以满足运输和使用的要求；6要尽可能节省材料，易于加工和降低本钱。用材少，也有利于减轻整机质量，便于搬迁运移。总体设计的任务总体设计的任务包括：1根据钻机的用途和使用要求选择钻机的类型2根据所选的类型和使用要求，确定钻机参数3选择传动方式和动力的驱动方式4进行钻机的总体布局，确定各部件之间的相互位置、传动关系、连接结构等5估算钻机的质量、总体尺

20、寸和本钱6检查钻机的稳定性能7绘出钻机的总装配草图总体设计的依据在进行总体设计之前，要进行大量细致深入的调查研究工作，收集同类钻机的设计和使用方面的资料；听取用户的反映和意见；了解所设计的钻机的应用条件和使用范围；掌握目前有关的科学技术情况；了解国家及有关部门的标准和规定；在此根底上，对收集到的资料、意见和情况进行综合分析和研究，制定出设计的目标和方案，然后根据下述条件和要求进行设计：1地层条件。地层条件决定了钻进方法和钻进工艺的选择。不同的地层应采用不同的钻进方法和钻进工艺。只有采用的钻进方法与钻进工艺相适应时，才能获得较高的钻进效率。2钻进方法和钻进工艺的要求。不同的钻进方法和钻进工艺对钻

21、机的结构提出了差异较大的要求，他们是影响钻机总体设计的重要因素。实际上，钻进方法和钻进工艺是决定钻机类型的重要依据。3使用条件和要求。使用条件和要求包括的内容和广泛，其中有钻机的用途、应用范围、生产效率、操作条件、运输、拆装、维修、环保、使用环境等方面。4制造条件。其中包括材料、加工、热处理、技术测量、装配、标准化等方面的条件和要求。现有同类型钻机的结构。对现有同类型的钻机进行结构分析，设计时应尽量吸收其设计的优点，克服设计的缺乏。2.2 机型与传动形式选择2.2.1 机型选择钻机的类型选择是钻机总体设计中首先要解决的问题。钻机的类型应根据钻机用途、采用的钻进方法和工艺来确定。目前我国 钻机根

22、本上可分为转盘式、立轴式、顶驱式三种类型，转盘式主要是石油钻机和水源钻机，立轴式主要是煤田勘探钻机，顶驱式主要是石油钻机和引进的车载钻机，在钻井施工中，发现：1转盘式回转钻进机构不适应金刚石钻头高转速和稳定加压的钻进工艺要求，根本上采用牙轮钻头钻进，效率低。2立轴式岩心钻机不能长行程给进，导致工人劳动强度大，且反循环连续取芯先进工艺不匹配，故钻进效率低。3顶驱式钻机主要采用液压控制在结构上完全打破了传统立轴式钻机的设计布局，采用液压马达直接驱动回转器构成动力头，回转机构与拧管机构合一，可实现钻具转速无级调节和拧卸钻杆机械化；采用油缸-链条钢丝绳机构给进，取消了立轴和主动钻杆，实现了长行程不倒杆

23、给进；升降机构与给进机构合一，可以实现无塔升降钻具。可以说顶驱式钻机具有转盘式钻机和立轴式钻机的双重优点，能很好的适应各种不同施工作业要求。因此，从钻机类型来说，顶驱式钻机是多功能钻机的主流趋势。 传动形式选择不同的传动方式，不仅会造成钻机总体结构形式的差异，而更重要的是关系到性能好坏、制造难易、本钱上下、使用及维修保养的方便程度。目前，钻机中使用的传动方式有机械传动、液压传动和气压传动。1机械传动，机械传动具有结构简单；传动可靠；传动效率高；易于加工和制造；本钱低；便于大功率传递等优点。但具有体积和质量大；不便于远距离传动；布置不及液压和气压传动灵活；在传动中有较大的振动和冲击等问题。2液压

24、传动，这种传动结构紧凑；体积小、重量轻；传动平稳；布局灵活；可无级调速；便于实现顺序动作及远距离控制和操作；但液压件要求加工和装配精度高，造成加工装配困难，相应本钱提高；要求密封性好，否那么易引起内、外泄漏。液压传动与机械传动相比传动效率较低，功耗相应也大。3气压传动，气压传动采用空气做动力介质，无介质费用，不存在供给困难。气压传动压力损失小，便于集中供给和远距离传输；气体压力较低，可适当降低元件加工精度；气压传动介质清洁、污染少；可在高温、腐蚀、振动、易爆等恶劣环境中工作。气压传动易于集中控制、程序控制和实现工序自动化。但由于空气的可压缩性，是工作速度不稳定，外在对速度影响较大，难以准确控制

25、和调节工作速度，由于工作压力低，是结构尺寸较大。在钻机中机械传动是最常用的传动形式。但纯机械传动式的钻机已逐渐减少，目前只是在结构比拟简单的轻便浅孔钻机中使用。液压传动在机械中的应用越来越多，已由最初只是用于钻机的给进机构开展到钻机的主要传动局部。液压传动的应用在很大程度上增加钻机的功能和提高了工作性能；提高了工序和操作的自动化程序。气压传动虽然具有许多优点，但它需要单独的供气设备，对于流动性差，经常需要单机工作的钻机来说还不太适应。因此多功能钻机的传动方式宜采用液压传动的方式。 钻机的总体布局钻机的总体布局是钻机总体设计的重要内容，直接影响钻机的性能和质量。总体布局与各部件的结构和传动系统确

26、实定是密切相关的。设计时，要对各部件的结构、传动方案、各部件间的相对位置关系、联接固定方式进行综合分析，进行多方案的比照，从中选择比拟理想的总体布局方案。2.3.1 钻机的驱动和动力输入方式1钻机的驱动方式 钻机的驱动方式有两种：单独驱动和联合驱动。1.动力机； 2.钻机； 3.水泵图2-1 驱动及输入方式如图2-1a)为单独驱动，2-1b)为联合驱动。1单独驱动 即一台动力机驱动一台工作机。此种传动方式传动链短、传动效率高；结构紧凑；便于机场内设备的安装布置；布局较灵活，容易改型；各工作机间的运行互不干扰；但机场内动力机的数目增多，增加了管理和维修工作量；设备投资费用相对增加；机场噪音大，使

27、用柴油机时尤为突出。2联合驱动 即一台动力机驱动多台工作机。此种驱动方式动力机的数目少，便于管理；噪声小。其缺点是动力机与工作机之间需要增设中间传动装置，占地面积大；布局欠紧凑；改型较困难；机场布局受到一定的限制；而且，当动力机熄火时，钻机与泥浆泵都将停止工作，对孔内事故的预防不利。综合考虑本钻机的使用环境和模块化思路，我们选择两台柴油机分别驱动的单独驱动形式。2钻机动力的输入方式钻机的动力输入方式分直线输入和平行输入两种。1直线输入 钻机的输入轴和动力机的输出轴布置在一条直线上。二者之间采用弹性或半弹性联轴器、法兰盘、液力变矩器的直接输入方式。此种输入方式传动效率高、轴及轴承受力条件好、结构

28、紧凑。2平行输入 动力机的输出轴和钻机的输入轴相互平行，常采用三角皮带或平皮带传动，平行输入多用于联合驱动。在我们的设计中，钻机的驱动方式选择直线输入。 操纵机构的设置钻机属于周期性拆迁的流动式生产机械，没有固定性的厂房，多数也没有司机室。钻机的操纵机构有较灵活的布置范围。设计时主要应满足操作平安、方便、省力、视野开阔，便于各操纵机构的集中，并尽可能使操纵机构简单。按照人、机关系，操纵机构的设置可分为近台操作和远距离操纵台操作。由于整台钻机考虑到模块化设计思路，且全液压钻机便于自动化控制，所以，我们的多功能选择用操纵台操作来控制整个钻机。2.3.3 装载形式钻机装载形式分为散装式、机架组装式、

29、拖拉式和履带式。1)散装式 散装式为将钻机组装成几个独立的局部，安装时按固定的关系组装在一起；搬运时各局部又分解成独立的局部。散装式钻机的的解体性好，便于拆卸和运输。某些散装式钻机对场地的适应性也较好。2)机架组装式 将钻机的各部件以固定的位置和安装关系组装在一个机架上，构成一个整体。多采用整机搬运，必要时也可以拆零搬迁。3)拖拉式 将钻机的各部件组装在一平板拖车上或可拖拉的轮架上。搬运时可用人力或机动车牵引。4)履带式 将钻机组装在履带底盘上，自带动力机。拆迁、安装方便。由于多功能钻机的应用广泛，需要适应各种不同的环境，施工周期一般较短，从国内外多功能钻机的施工范围来看，引进的车载钻机比传统

30、的钻机能更好的适应各种特殊地形、地貌和环境要求，搬迁速度快，工人劳动强度小，因此，多功能钻机应优先采用履带式，在设计过程中可考虑车载式与模块化相结合。 钻机整机参数确实定钻机整机参数是指反映钻机整机性能和特性的参数，包括钻机的能力参数，钻机的驱动动力机功率，钻机所需的功率，钻机的质量和外形尺寸等。这些参数是进行总体设计和布局设计的重要依据。钻机能力参数采用钻杆回转钻进的钻机，其钻机的能力参数包括：钻进孔深，钻孔直径，钻杆直径，钻杆倾角。这些参数反映了钻机可以完成的钻孔结构，同时反映出钻机的钻进能力和适用范围。1.钻进孔深钻机铭牌上标明的钻进深度是钻机的公称钻进深度，并不表示钻机的实际最大钻进深

31、度。实际钻进深度一般大于公称钻进深度。目前，我国把钻进深度作为设计和制定钻机系列的根本参数。钻进深度是钻机的一个重要参数，但又不能完全反映钻机工作能力的大小，因此在说明钻机的钻进深度时，往往要附加采用的钻杆直径这一条件。钻机的功率这一参数能够说明钻机能力的大小，以后有可能以钻机功率作为钻机的根本参数。确定钻机的钻进孔深的依据是，钻机的涉及用途以及国家或行业所制定的钻孔深度的标准系列。目前我国钻机钻进的孔深系列标准是以一定直径的刚钻杆可钻进深度m表示，系列标准定为：100,300,600,1000等。为了适应多用途的要求，以及钻机在各种不同场合的施工要求，我选择的钻进孔深为300.2.钻孔直径钻

32、孔直径简称孔径，包括终孔直径和开孔直径，其范围的大小随孔深而不同，孔深越大，所需孔径范围也越大。孔径反映了钻机可能完成钻井的井身结构的直径系列和适应的钻进方法。孔径的大小直接影响钻进效率、磨料消耗、功率消耗、钻机尺寸和钻机质量等指标。一般在满足不同用途要求以及钻进工艺许可的前提下，应尽可能的减小孔径以及开孔直径与终孔直径间的级差。表2-1是钻孔深度与钻孔直径的关系表2-1钻孔深度与钻孔直径的关系孔深m1003006001000-12001500-2000合金与钢粒钻进开孔直径mm91-110110-130130-150150终孔直径(mm)757575-9175-91金刚石钻进开孔直径mm59

33、-7575-91130150150终孔直径mm364636464659465946593.钻杆直径钻杆直径是指钻进主要的孔道所采用的钻杆的外径。钻杆直径直接影响回转器和升降机的能力与尺寸，以及回转钻进和提升钻具所需功率。钻杆直径的选择主要与孔深、孔径和转速有关。钻孔越深，孔径越大，所配用的钻杆直径越大。当孔径大钻杆直径小时，钻杆在孔内易弯曲，造成工作条件恶化，不仅影响钻进速度和质量，也易引起孔内事故。根据钻杆的转速上下，钻杆的直径与钻孔直径应有合理的级配关系，一般情况下钻杆的转速越高钻孔直径与钻杆直径的比值越小。表2-2是钻孔直径与钻杆直径的比例关系表2-2钻杆直径与钻孔直径的级配关系钻孔类别

34、岩心钻探孔水文孔钻进方法钢粒钻进合金钻进金刚石钻进以合金为主以合金为主级配D/d4在此，选择一个比拟合理的级配关系： 2-1现用钻机主要配套有以下几种直径的钻杆：50mm、73mm、89mm、西、127mm。由公式2-1可得，50mm钻杆适合的最优井径范围在110mm左右；73mm钻杆适合的最优井径范围在左右；89mm钻杆适合的最优井径范围在左右；钻杆适合的最优井径范围在2515mm左右；127mm钻杆适合的最优井径范围在2794mm左右。根据现场使用经验及各种施工技术的要求，89mm、这两种直径的钻杆更加适应各种不同的场合，施工范围更广。4. 钻孔倾角钻孔倾角是指钻孔所能完成的钻孔的倾角范围

35、。传统的钻机一般只是打垂直孔，没有考虑钻孔方向的变角装置。在工程施工中有很多的场合要打倾斜孔，为了能够钻进不同角度的孔，应该考虑变角装置。钻机可钻钻孔倾角的范围应根据钻机的用途、适应的孔深和钻机的类型而定。我们所设计的多功能钻机应用广泛，钻孔倾角为0900。 钻机的关键参数多功能钻机的关键参数有：动力头回转扭矩、转速范围、给进行程、给进上顶力、提升速度等。1)动力头回转扭矩在钻进过程中，钻机回转系统在一定的参数下运转，其载荷也按一定的规律来变化。在一个钻孔的整个钻进过程中，许多因素都在不断地变化，它们都将导致回转系统载荷的变化。主要表现为钻机回转系统扭矩随井深的延伸、钻井直径的增大、钻杆直径的

36、加大、钻杆与孔壁间隙的增大、钻压的加大以及钻具回转速度的增高而加大，此外岩石性质、钻头类型、泥浆类型及泵压大小，也对回转力矩有一定影响。由于影响因素十分复杂，因此一般总是根据实际使用情况给出与之相近的假定条件来简化计算，并使之保存最必要的一些因素和变化规律。通常回转器扭矩的计算公式为： 2-2式中：钻具回转力矩 N；钻孔直径 mm；力矩系数一般取。在回转系统各零、部件强度允许条件下，回转器能提供的公称扭矩越大，钻机钻进能力及处理事故能力越强。根据公式2-2，带入数据得回转扭矩为2)动力头转速范围这是一项说明钻机的工艺适应性的参数。现用全液压动力头项驱钻机，均能实现无级调速，最高转速为400rm

37、in。参照立轴及转盘钻机回转系统中回转器转速分析，可知全液压动力头顶驱钻机比立轴及转盘钻机能更好地适应多种场合工作的要求。我们这里选择最高转速75r/min的动力头。3给进速度 这是一项代表给进、提升系统性能的重要参数，其行程应大于一根钻杆或技术套管的长度。此行程也即钻机的提升高度，对提钻效率起决定性作用。对全液压动力头顶驱钻机而言，其动力头净空行程即给进行程。T130XD型钻机的动力头净空行程为，T685WS为11.58m，RB50为9.50m，RB40为，RD20为，G75为，G100为，均大于一根114mm钻杆的长度。钻机技术性能中标注的最大提升能力，指的是单绳起重量。浅孔钻机，一般都不

38、采用游动滑车，其最大提升能力不应小于额定孔深的大钩载荷。中深和深孔钻机，采用游动滑轮组，其最大提升能力决定于额定孔深的大钩载荷和滑车系统结构。 2-3而 2-4式中：m有效钢绳数； 滑车系统效率； 额定孔深大钩载荷，kN； 额定孔深，m； q每米钻杆重力，N； K卡塞系数，浅孔取2，深孔取1.5，石油钻取1.25。滑车系统的效率仇与有效钢丝绳数之间的关系如表2-3所示表2-3 滑车系统的效率和m值的关系m 1 2 3 4 5 6 0.970.96 0.950.93 0.920.90 0.900.88 0.850.82 此项参数通常代表了钻机满足提钻、处理事故和其他工序所必须的能力。根据公式的计

39、算和经验，我们取进给行程为3400mm4)给进力及上顶力 对多功能钻机水平打孔时而言，钻具自重已不能提供足够的给进力，因此需要钻机给进系统能单独提供较大的给进力。普通立轴钻机采用液压给进结构，能够单独提供给进力，但通常能够提供的给进力较小，不能满足水平段钻进给进力的需求。转盘钻机由于采用主动钻杆给进，其给进机构不能单独提供给进力，但是全液压动力头顶驱钻机的给进系统不仅能单独提供给进力及上顶力，且能提供的给进力及上顶力较大。T130XD钻机液压系统能单独提供的最大给进能力为145kN；T685WS钻机液压系统能单独提供的最大给进能力为159 kN；RB50钻机液压系统能单独提供的最大给进能力为7

40、5kN；RB40钻机液压系统能单独提供的最大给进能力为60kN；RD20钻机液压系统能单独提供的最大给进能力为136kN；G系列钻机液压系统能单独提供的最大给进能力可达200kN。因此，完全可以满足水平井施工工艺要求，这正是全液压动力头顶驱钻机与普通钻机相比拟的优势所在。通过比拟各种不同孔的钻机的进给力，根据经验我们选择DYL-300多功能钻机的进给力为65KN。5)提升速度这是一项影响提钻效率的参数。由于全液压动力头顶驱钻机的钻塔或桅杆较低，钻机的提升速度较低。即使是配备液压卷扬机的动力头钻机，最大提升速度也只有lms左右；而采用液压缸链条提升机构那么为0.5ms。但由于全液压动力头顶驱钻机

41、均配有全自动卸扣装置，弥补了提升速度对钻井效率的影响，因而，相对于普通立轴及转盘式钻机，全液压动力头顶驱钻机的钻井效率提高一倍以上。2 钻机参数根据经验和上述公式计算得到的钻机的参数如下表2-4所示。 表2-4 钻机参数动力机康明斯100KW 1500R/min钻进能力钻杆直径89mm ，114mm钻孔深度300m动力头给进速度0-2.9 可调 10,15.5,25.5m/min提升速度可调 8,12,20m/min给进能力65KN提升能力85KN给进行程3400mm桅杆倾角0-90桅杆桅杆总长度m钢履带底盘高速03 Km/h70Km/h钻杆长度3m最大开孔直径250mm通过参数等确实定最终完

42、成的装配草图如图2-2所示。图2-2 钻机装配草图 本章小结本章主要从钻机的机型的选择、总体布局和主要参数确实定三个方面完成了DYL-300多功能钻机的总体设计：(1)多功能钻机机型的选择，分别比拟了现有钻机各种机型的优缺点后最终选择了全液压动力头式钻机作为多功能钻机的主流机型。(2)总体布局上，分别对钻机中各个主要零部件的摆放位置及连接方式进行了初步的布局。(3)主要参数确实定，通过对各种现在使用的钻机的比拟与分析最终确定了动力头、钻进能力等主要参数，并最终绘制了装配草图。第三章 多功能钻机的三维建模 多功能钻机概述多功能钻机是在传统钻探机械的根底上开展起来的一种用于勘探，边坡支护，露天采石

43、炮孔的施工机械。它由于在机械、动力系统采用液压传动形式，靠液压能和机械能即能进行工作。其相对于机械传动的传统钻机来说具有以下优点：可以实现无极变速，变速范围广；采用负载敏感的液压控制方式，可以得到稳定的转速；在快速给进和快速起拔时，对液压元件的冲击比拟小；操作简单，容易实现自动化控制；维修简单，售后本钱低；结构简单，对外载荷产生的冲击可以较快吸收。实现多功能钻机的各项功能，需要两个根本的组成局部，即主机和给进系统。主机是进行工程钻机操作和为钻机提供动力的装置，本钻机采用的是履带。具体包括为行走局部、回转局部、液压系统和动力装置。其中动力装置、操作台、回转局部、油箱等其他辅助设备都可以安装在回转

44、平台上。行走装置和回转平台用回转支撑相连接，平台可以围绕行走中心轴作一定角度的回转。给进系统根据钻进工艺的不同，包括机身、回转器、夹持器、卸扣器，上杆装置、钻具等，完成钻孔、边坡支护孔，地震勘探等工作。下列图为多功能钻机的结构图：钻机结构草图 多功能钻机的根本组成和工作原理多功能钻机的根本组成从系统仿真建模角度，多变幅工程钻机可分为四个主要局部：动力系统、液压系统、机械系统、操作系统。工程钻机作为一个有机的整机，其性能与各个系统的关系密不可分。1)动力系统由于工程钻机的工作地点主要在野外，环境温度变化大，所受负荷、冲击也大，并且钻进过程中产生大量的灰尘，污染物较多，维护不便，因此钻机的动力由柴

45、油机来提供。柴油机工作性能可靠、维修方便、燃油消耗经济，符合工程钻机的工作特点。2)液压系统多变幅工程钻机的主要动作有整机的行走、平台回转、变幅油缸的变幅、钻具的给进、钻具的起拔、回转器的回转、钻具的夹紧、钻具的卸扣等，所有的运动都靠液压传动来完成。根据以上工作动作要求，把液压元件通过油管有机的连接起来即是工程钻机的液压系统。柴油机利用泵把机械能以液压油为介质，转变为液压能，传递给给进油缸和马达，再转变为机械能，机械能传给各个执行机构，实现运动和工作的各个过程。液压系统设计的好坏直接决定钻机的性能。同样的液压元件，系统不同对钻机的性能影响很大。本钻机根据钻进的工艺特点及动作要求采用双泵系统，使

46、用一个负载敏感泵和一个恒压变量泵。3)机械系统多变幅工程钻机的机械系统是完成钻机各个动作的执行者，根本包括：履带行走装置：整个钻机的基体和支撑局部，承受整个钻机的质量和钻进过程中外载荷的反力，并且可以做短距离的行走，搬迁方便，减少作业辅助时间。回转装置：在某个工作位置，使机身围绕中央回转轴旋转一定的角度，这样整机不用移动就可以做多角度施工。工作装置：是钻机完成钻进的主要组成局部，常用的有机身、回转器、夹持器、卸扣器等。工作装置是整个钻机的核心，为钻机的执行机构。当钻机钻进时，工作装置驱动钻杆旋转和给进；当起下钻具时，除了驱动钻杆前进和后退外，还可以实现机械拧卸钻杆。4)操纵装置多功能钻机的操纵

47、装置作系统是对柴油机、液压阀、液压泵、换向阀和执行元件控制的操作装置，把所有的执行元件通过管路连接集中在一个操作平台上，通过操作液压手柄可控制钻机的各种工作过程。多功能钻机的工作原理多功能钻机是以钻头进行钻进作业的机械，各局部的运动通过液压缸的伸缩来实现。变幅装置由大臂油缸、大臂调整油缸、桅杆伸缩油缸、托架摆动油缸、大臂、调角连接板等组成。大臂铰点铰接在回转平台上，通过大臂油缸的伸缩调整大臂与水平面的夹角。机身与水平面的位置通过大臂调整油缸的伸缩来实现。当机身固定在水平某一位置后，可以通过托架摆动油缸的伸缩来实现机身在水平面的转动10。钻进作业时，先加载钻杆，然后调整大臂油缸、大臂调整油缸、托

48、架摆动油缸，使机身变幅到钻进指定位置。操纵桅杆伸缩油缸，让钻头接近地面。启动回转马达，同时缓慢移动给进油缸，钻头开始切削土壤。给进油缸到达最大行程后，回转马达停止转动，用夹杆装置加载上另外一根钻杆，继续回转钻机，中间不断加载钻杆，直至钻进到设计深度。在钻机的实际钻进过程中，由于地层的情况，钻进面的情况和钻机液压系统设计的差异，变幅装置和给进机身在实际钻进循环中动作配合是多种多样的，根据现场情况来定，上述情况只是理想的钻进过程。总之，多功能钻机采用大臂油缸、大臂调整油缸、桅杆伸缩油缸机身具有三个自由度，机身可以实现在有限的平面空间内运动，加上托架摆动油缸的运动，使机身的运动扩大到有限的空间，再通

49、过履带马达的驱动，使多功能钻机的钻进空间可以沿水平方向得到扩大，从而满足多变幅，多角度的钻进要求。3.3 多功能钻机三维模型的建立构造钻机的虚拟样机必须进行机械零、部件的三维模型，而产品的CAD图纸那么是构造虚拟样机的根底。在零部件的三维建模中严格按照设计构思和前期图纸为依据，保持数据的完整性和正确性。传统的二维图设计与造型是完全脱节的两个环节，对工程钻机进行三维建模可以真实地表现样机的物理结构，防止设计错误、加快产品的更新换代。与二维设计相比，三维建模图形具有以下优点：设计直观，容易修改；容易进行装配检查；可以为后续的仿真提供数据根底。工程钻机的零部件主要通过拉伸、旋转、除料等方式构造的。由

50、于工程钻机是一个比拟复杂的机械系统，考虑在仿真分析中需要添加约束的数量，所以在不影响动力学，运动学分析的前提下，在Pro/E建模中尽量省去一些不需要的分析部件模型构建，例如一些倒角、过渡圆角等非关键的几何信息。减少分析中零件的数量和零件间约束副的总数，从而减少分析的时间，保证仿真分析的成功率。我们所设计的多功能钻机根据部件间是否存在相对运动不考虑行走和回转运动将工程钻机划分为底盘、大臂、调角连接板、托板、机身包括回转器、夹持器、卸扣器、大臂活塞杆、大臂缸筒、大臂调整活塞杆、大臂调整缸筒、托架摆动活塞杆、托架摆动缸筒、桅杆伸缩活塞杆、桅杆伸缩缸筒共13个运动部件，本文不考虑行走和回转运动，共有1

51、2个运动部件。通过拉伸、旋转、扫描等操作得到各个部件的三维模型后，下一步就可以进行装配。虚拟装配是在三维模型的根底上利用计算机技术模拟产品的装配和拆卸，用于产品开发过程中装配干预检查、装配及拆卸路径规划等装配特性分析。采用虚拟装配能够协调产品的结构设计，有效评价产品的可装配性，减少由于设计不当造成的更改和返工；通过检查零部件的安装和拆卸情况，改善产品的可装配性，缩短产品开发周期，降低产品开发本钱，从而提高其市场竞争力。在装配过程中，为了装配的方便应该把各个部件移到适宜的位置。用到的主要约束有：同轴、面对齐、插入等。按照部件间的运动关系、添加相应的约束，将部件装配起来，装配好的多功能钻机虚拟样机

52、如图3-1 钻机三维建模装配图3.4 本章小结本章的主要工作内容如下：1介绍了多功能钻机的整体组成及其工作原理，重点介绍了钻机变幅的结构组成及工作特点。2从钻机的结构特点及其工况特点，通过三维建模、装配建立工程钻机虚拟样机模型。第四章 多功能钻机变幅机构的运动仿真变幅机构的根本工作原理 工作原理概述多功能钻机立面变角机构由大臂举升油缸、大臂、摆动座俯仰油缸以及下托架组成。大臂举升油缸可将大臂举起和放下；摆动座俯仰油缸可以调整下托架相对于大臂的角度，这2个油缸的组合动作能够实现下托架的抬起和在立面内的各种工作角度。大臂和2个油缸在钻机钻进过程中都承受钻进轴压反应回来的载荷，其刚度将影响钻机在工作

53、过程中的动态特性和钻头的就位速度。变幅机构在立面内简化的力学模型如下图：图中OO1E是大臂，1号油缸是大臂举升油缸，QF01 K为下托架，MNKQ是上托架，MN在桅杆轴线上，Q是上下托架的回转中心。大臂OO1与机身铰接于0点，上部端点与下托架铰接于O1点；1号油缸的下部在D点与机身铰接，上部与大臂铰接于B点，在1号油缸的驱动下大臂可绕O点在立面的一定范围内转动，调节大臂相对水平面的转角口；2号油缸下部与大臂铰接于E点，上部与下托架铰接于F点，在2号油缸的驱动下，托架带动桅杆绕。1点在立面内摆动，调节桅杆与水平面的夹角。变幅机构在水平面内简化模型如下图，图中3号油缸是桅杆偏摆油缸。3号油缸的两端

54、分别连接下托架的R点和上托架的J点，在3号油缸的驱动下，桅杆可以实现绕Q点偏摆运动，从而改变桅杆与大臂在水平投影面内的相对角度。变幅机构系统载荷位置分布见图4.3。其中A点为大臂的重心位置；G大臂为大臂的自重；Hi(i=1,2,3,4,5)分别为摆动座、动力头小车、绞车、卡具以及桅杆的重心位置；Gi分别为各局部的自重；F为钻机进给时进给装置的推进力；T为进给时动力头的转矩。变幅机构系统载荷位置分布图在多功能钻机水平面内，以托架上的回转中心为原心，桅杆方向为X2轴的直角坐标系X2O2Y2，(mi,0)为重心Hi在直角坐标系X2O2Y2中的坐标值，在多功能钻机立面内，以大臂与机身铰接的O点为原点，

55、建立如上图所示的坐标系XOY，为了便于计算，在立面内，以O1为原点建立如上图所示的坐标系X1O1Y1，其中a为O1到回转轴C1C2的距离，那么重心Hi在X1O1Y1中的值为mi*cos-a,ni，当桅杆相对大臂所在的立面产生偏摆角时，动力头转矩T对立面变角机构产生2个力矩的分量，其中一个为对立面变角机构的扭矩，大小为T* cos，另一个为对立面变角机构的弯矩，大小为T* sin.由运动几何学可得，=arccosOB2+OD2-S122*OB*OD -arccosOG OD =-(FO1E-)FE=arccosFO12+EO12-S222*FO1*EO1式中：S11号油缸的长度； S22号油缸的

56、长度那么重力Gi到原点O1的水平距离为xi=(mi*cos-a)*cos-ni*sin重力对O1点取矩为 MG=15Gi* xi在XOY直角坐标系中。大臂重心到原点0的水平距离为X大臂=OA*cos钻架上除大臂外其他构件重心到原点0的水平距离为Xi=xi+OO1*cos重力Gj对O点取矩为M G=G大臂X大臂+15Gi* Xi通过以上的公式进行大致计算，得到的数据如下表4-1所示。表4-1变幅机构各构件受力的最大值多功能钻机变幅机构的运动分析根据多功能钻机施工需要其摆动机构主要组成如下图。1号液压缸是塔架在立面内实现摆动的液压缸它的伸缩可以调整六角摆动头相对大臂的角度范围为0900;2号液压缸

57、是主臂举升液压缸其伸缩可将主臂举起和放下主臂升起到最高点时与水平成300。这2个液压缸的组合动作能够实现六角摆动头的抬起和在立面内的各种工作角度。另外3号液压缸可以带动摆动柱绕其轴线旋转，即为150。这种机构组成结构保证了钻杆在复杂狭小的空间对孔方便地定位使钻机在所有的工况下均可施工。为了行驶及运输需要，摆动机构可使钻架和主臂平行大大减小运输高度。1摆动柱 21号液压缸 3.主臂4 5摆动头连接板 6六角摆动头 72号液压缸 8，3号液压缸9油箱2摆动机构是多功能锚杆钻机的重要组成部件其平安性直接影响钻机在多种工况下的施T平安及稳定性，对其进行有限元分析是十分必要的。本文主要分析摆动机构在2种

58、危险工况下的施工：侧向最高点和侧向最低点施工(见图)。 变幅机构两种工况的位置 钻机变幅机构的机构运动仿真.1Pro/E机构模块的引用Pro/的机构模块是一个可以对机构进行运动和力分析，以及检查三维模型是否合理，设计过程中是否有错误地方的软件，当我们完成了三维建模后，为了更好的表达出钻机的工作流程，我们在此对钻机做了一个运动仿真。.2 变幅机构的仿真过程通过应用Pro/E进行运动仿真，检查变幅机构的尺寸设计是否有问题以及各零部件之间是否会产生干预等，最后生成变幅机构的动画，表述变幅机构的变幅过程2.当导入三维模型后，要对已经装配好的钻机添加伺服电机，进行电动机的设置3. 对模型所处位置进行拍照

59、4. 对机构分析的参数进行设置5. 检查钻机设计中的零部件的干预等问题，并生成动画通过仿真，我们可以清楚的看到钻机的工作过程。本章小结本章所做的工作有：1介绍了多功能钻机变幅机构的工作原理，对其机构进行了模型简化，并做了一定的分析；2对变幅机构所受的载荷进行了数学分析；3对变幅机构运用软件做了运动仿真，做出了变幅机构的动画。第五章 结束语 主要研究总结在世界制造业和工程机械制造业领域通过建立机械系统的三维模型和力学模型就可以对产品的性能进行分析，为产品的设计、优化、制造提供参考，减少产品的开发周期，降低物理样机的数量，为企业减少了本钱。多功能钻机属于重型工程机械，如果按照传统的设计方法，既浪费

60、时间又花费原材料，增加企业的本钱，在经济飞速开展的今天难以满足企业开展的要求。本文在钻机设计方面所做的主要工作如下： 1. 确定了多功能钻机研发的总体要求 完成钻孔、锚固孔，边坡支护孔，地震勘探，坑道施工等许多不同施工环境下的工作，主要从工作要求，钻机工艺和钻机设计三方面论述了多功能钻机的结构及性能的各项要求。2. DYL-300多功能钻机的总体设计在符合多功能钻机的设计要求的情况下，利用比照、分析的方法确定了本台钻机的机型、总体布局、根本参数等总体设计局部，并完成了总专配草图的绘制。3.DYL-300 多功能钻机的机构运动仿真利用三维建模软件Pro/E建立工程钻机机械系统的模型，完成仿真开始