毕业设计（论文）-煤矿自动钻孔机半自动快速装卸杆装置设计

PAGEI摘要在煤矿开采过程中，瓦斯的控制及排放是关系到煤矿安全的极其重要的问题，很多时候都需要对尚未开采的煤矿中的瓦斯进行钻孔排放。钻孔效率取决于钻杆钻进的时间以及装卸钻杆等方面的辅助工作时间。一般钻孔深度深达几十米甚至上百米，而每节钻杆的长度只有0.8米，因此钻杆在钻进和退出的时候分别要进行大量的装钻杆和卸钻杆的重复工作。目前装卸钻杆大多采用人工操作，劳动强度大、效率低。所以设计一种半自动快速装卸钻杆装置实现装卸钻杆的半自动化，将大大缩短安装钻杆需要的时间，提高钻孔效率，同时也可以减少人工装卸钻杆造成的安全事故。本文介绍了一种半自动钻杆装卸装置，该装置由钻杆库、钻杆转移装置两部分组成。钻杆库用来存放钻杆，同时钻杆库上装有棘轮定位装置，可以实现钻杆库的转动并准确定位以辅助钻杆转移装置抓取钻杆；钻杆转移装置则将钻杆从钻杆库转移到钻杆的安装位置并辅助安装。所有的控制都通过液压控制实现。关键词：半自动装卸钻杆，钻杆库，钻杆转移装置，液压控制PAGEIVABSTRACTInthecourseofcoalmining,gascontrolandemissionswhicharerelatedtominesafetyisextremelyimportantissues,anditisusuallyneedtoletthegasoutofcoalminewhichhasnotbeenminingbydrilling.Drillingefficiencydependsonthedrillingtimeofdrillpipe,aswellasassistantworkinghoursofloadingandunloadingdrillpipe.Generaldrillingdepthistensofmetersorevenhundredsmeters,whereasthelengthofeachdrillpipeisonly0.8meters,soalotrepeatworksofloadingandunloadingdrillpipemustbedonewhenthedrillpipeinfixandexit.Mostofthecurrentworkofloadingandunloadingdrillpipeismanual,labor-intensiveandlowefficiency.Therefore,thedesignofasemi-automaticloadingandunloadingdrillpipedevicetoachievesemi-automaticwillgreatlyshortenthetimeneededtotheinstallationofdrillpipeandimprovetheefficiencyofdrilling,atthesametime,itcanalsoreducethesecurityaccidentcausedbymanualhandlingofthedrillpipe.Inthispaper,asemi-automaticloadingandunloadingdevicesofdrillpipeisintroducedwhichiscomposedofthedrillpipewarehouseaneanedrillpipetransferdevice.Thedrillpipewarehouseisusedtostorethedrillpipe,andthedrillpipewarehouseisequippedwithratchetpositioningdevices,sothedrillpipewarehousecanrotateandgototheaccuratepositioningtosupportthetransferequipmenttocrawldrillpipe;Sothetransferequipmentcantransferredrillpipefromthedrillpipewarehousetotheinstallationplaceofdrillpipeandassisttoinstallation.Allarecontrolledbyhydrauliccontrol.Keywords：semi-automaticloadingandunloadingdrillpipe，drillpipewarehouse，transferdeviceofdrillpipe，hydrauliccontrol目录中文摘要 ⅠABSTRACT Ⅱ1绪论 11.1课题设计的目的和意义 11.2钻杆半自动装卸的现状 11.3本文结构安排 52钻杆半自动装卸装置方案设计 62.1引言 62.2钻杆装卸原理 62.2.1ZDY-500/85全液压钻机主要技术参数简介 72.2.2钻杆简介 72.2.3钻杆装卸原理 72.3钻杆半自动装卸装置方案设计 82.3.1引言 82.3.2钻杆库设计 102.3.3钻杆转移装置设计 152.4本章总结 213钻杆半自动装卸装置的动力计算及强度校核 223.1引言 223.2钻杆半自动装卸装置的动力计算 223.2.1棘轮油缸的动力计算 223.2.2钻杆夹持油缸的动力计算 243.2.3提升油缸的动力计算 253.2.4导轨油缸的动力计算 263.3钻杆半自动装卸装置的强度校核 263.3.1立柱的强度校核 263.3.2横板的强度校核 293.4本章小结 304钻杆半自动装卸装置的液压控制回路设计 314.1引言 314.2钻杆半自动装卸装置液压控制回路设计 314.2.1引言 314.2.2钻杆半自动装卸装置液压控制回路设计 324.3本章小结 345总结与展望 35参考文献 PAGE21绪论1.1课题设计的目的和意义工程钻机是边坡支护、勘探取芯、煤矿瓦斯排放等施工的重要设备。工程钻机一般分为电动钻机、气动钻机和液压钻机，其中，具有安全性好、功率大，效率高等特点的液压钻机在煤矿钻孔中被广泛采用。现有工程钻机钻孔深度达到几十米甚至上百米，而每节钻杆的长度只有0.8米，受钻杆长度的限制，工程钻机在钻进的过程中需要不断的接装钻杆才能能够完成额定孔深的钻进；完成钻进作业后，又需要不断的拆卸钻杆。因此在钻杆钻进和推出时分别要进行装钻杆和卸钻杆的重复工作，目前国内多数工程钻机都是先由升降机下降或提升钻杆，经卡瓦卡紧工作钻杆下部后，由卷扬系统和工人来完成装卸钻杆任务。若操作不当，会出现钻杆掉落伤人的事件。人工操作劳动强度大且效率低。随着工程钻机的广泛应用，人们越来越关心钻机的工作效率、功耗以及安全性问题。在钻机工作的过程中钻杆装卸这一步骤需要大量的时间，如果能够设计一种装置实现钻杆装卸的自动化，将大大缩短安装钻杆需要的时间，提高钻机效率。也可以减少因为人工安装钻杆出现的事故。所以设计一种半自动快速装卸钻杆的装置，将工人从繁重重复的工作中解放出来，提高装卸钻杆的效率，具有重要的意义。1.2钻杆半自动装卸的现状1.2.1中国地质大学(武汉)机电学院与湖北傲蓝德特种专业工程有限公司合作研究的工程钻机钻杆库系统。图1所示为其所研究的钻杆库系统装配轴测图。图1.1钻杆库系统装配轴测图它的工作原理为：该钻杆库系统由机械部分和液压动作回路两大部分组成。其机械部分由钻杆库、机械手装置、钻杆库支架、以及钻杆库横梁等部分组成；其液压执行部分是在原钻机液压系统的基础上改造而成。如图1所示，自动换杆功能是由钻杆库、机械手装置、摆杆机构、钻杆库转动机构及液压系统等几个部分协同动作来完成的。钻杆库，最多可存放6根钻杆(见图2，具体存放数量可根据实际需要调节)。通过钻杆库转动油缸推动棘轮机构进行钻杆库单向间歇转位，每次转动；由夹杆油缸控制机械手抓取或放下钻杆，并通过摆杆油缸将其送入钻架上方或由钻架上方送回钻杆库；通过钻机夹紧机构和钻机动力头回转马达完成钻杆的拧入或旋出。非工作状态下钻杆库中的钻杆在挡板机构作用下使之处于安全保护状态，当需要更换钻杆时可以通过挡板油缸的伸缩控制挡板的闭合以释放钻杆。在钻架上设置了钻杆导向器，在钻机钻进时可对长钻杆起导向作用。若机械手在夹持钻杆过程中发生意外，导向器可起阻挡作用，使钻杆不至掉落到地面，从而避免事故的发生。钻杆库为半封闭式结构(见图1和图2)，由挡板机构、棘轮机构、离合机构、摩擦片、组合转轴、托箱等部分组成。整个钻杆库由托箱支撑，通过焊接的方式依托于钻架侧部，可携带6根钻杆。钻杆库转动油缸下端铰接于钻架下部，上端与钻杆库支撑轴铰接。棘轮机构由棘轮、止动爪、拉伸弹簧等组成，与离合机构同时以钻杆库支撑轴为中心。整个钻杆库通过钻杆库转动油缸、棘轮机构、离合机构等进行单向间歇转位，经固定于钻杆库支撑轴上的星形轮带动库中钻杆进行间歇转位。正确地设计各机构参数，可使钻杆库转动油缸每伸缩一次，钻杆库转位60。。钻杆库半封闭托箱上设置了由挡板和挡板油缸组成的挡板机构，使钻杆库中非工作钻杆处于安全保护状态，在需要更换钻杆时通过挡板油缸的作用打开挡板来释放钻杆。图1.2机械手夹杆原理图1.2.1欧伊坦佩尔拉公司设计的钻岩机中装卸钻杆设备该设计的工作原理说明：这种设备具有一个可沿钻机（4，5）的进给拄（3）位移的卸开装置（7），该卸开装置（7）具有一个为钻杆（8，9）设置的开口（15），以及至少一个用来加紧钻杆（8，9）以防止钻杆至少在卸开螺纹期间相对与卸开装置（7）沿其纵向移动的加紧件（12a，12b），其特征在于：卸开装置（7）可绕垂直于进给柱（3）轴线的一条轴线（23）转动，它以下述方式安装：钻杆（8，9）可沿垂直于进给柱（3）的方向上装入开口（15）或从中拆卸，以及当卸开装置（7）向垂直于进给柱（3）的方向转动时，卸开装置（7）的至少一个夹紧件（12a，12b）可以可靠夹紧钻杆（8，9）。该设计的图片说明如图3、4、所示。图3钻杆装卸设备的立体图图3钻杆装卸设备的立体图图4钻杆装卸设备装卸钻杆实例图4钻杆装卸设备装卸钻杆实例图3.3左风作用下荷载计算简图（单位：图3.3左风作用下荷载计算简图（单位：）1.2.3上述两种钻杆装卸设备的特点比较钻机钻杆库装卸系统（中国地质大学）钻杆装卸设备（欧伊坦佩尔拉公司）备注驱动方式全液压液压+电气煤矿作业存在瓦斯等不安全因素，因此全液压驱动方式更适合于煤矿井下作业钻杆库有有人只需将钻杆放在指定位置即可，钻杆装卸时要从钻杆库抓取钻杆，便于实现自动化钻杆装卸方式使用卡爪抓取，通过机械装置将整个抓取钻杆的机构转动，使钻杆处于正确的安装位置旋转安装钻杆的夹持机构，转动到钻杆所处的位置，将钻杆推进钻杆夹持机构内需要的空间小大控制系统复杂，要实现钻杆的转移和准确定位简单，只需要转动钻杆夹持机构1.3本文结构安排本文绪论部分主要介绍了本课题设计的目的，以及国内外自动装卸钻杆的现状。第二章着重讲钻杆装卸装置方案的设计，以及一些自制件的介绍。第三章为钻杆装卸装置的动力计算和安全校核部分。第四章为钻杆装卸装置的液压控制回路设计。第五章为总结与展望，指出了设计的不足之处和今后的努力方向。2钻杆半自动装卸装置方案设计PAGE92钻杆半自动装卸装置方案设计2.1引言目前，在工程应用中，钻杆的装卸一般靠人工完成。人工安装危险系数比较大，稍有不慎，钻杆就会落地，可能造成操作者受伤。同时，由于钻进一根钻杆只需要几分钟，所以操作者必须时刻呆在钻机旁边，劳动强度比较大，效率也比较低。而且井下的环境比较恶劣，会对操作者的健康造成危害，所以在设计钻杆自动装卸机构的时候就要考虑这些问题，以实现不需要人力就可以实现钻杆的装卸任务。出于这些考虑，所设计的钻杆自动装卸装置包含两大部分：钻杆库和钻杆转移装置。其中钻杆库用来存放需要的钻杆，以满足钻机钻进的需要。钻杆转移装置用来把钻杆从钻杆库转移到钻杆的安装位置，并辅助钻机进行钻杆的安装，所有的动作的实现都是靠液压控制自动实现的，需要人操作的部分就是在钻杆库里的钻杆用完的时候，向钻杆库中添加钻杆。2.2煤矿钻机钻杆装卸原理简介2.2.1ZDY-500/85全液压钻机主要技术参数简介序号项目单位参数1钻进能力m1502开孔直径mmΦ115/Φ873终孔直径mmΦ654适应煤岩硬度系数f≤85额定转速r/min1106额定扭矩N·m5007钻孔倾角°0～908钻孔方位角°0～3609最大进给力kN5710最大起拔力kN3711最大进给速度m/min1.312最大起拔速度m/min1.513空载最大进给速度m/min1214空载最大起拔速度m/min1815钻杆形式中空钻杆/中空螺旋钻杆16钻杆规格Φ42x800/Φ70x80017钻杆支撑架最大锚固力kN49018电机功率kW1519电源频率Hz5020电源额定电压V380/66021油箱容积L10022支撑高度mm2252~345223整机质量（不含钻杆）kg105424整机最大外形尺寸mm(长x宽x高)2222x750x22482.2.2钻杆简介44332211图2.1钻杆1-钻杆头部连接螺纹2-钻杆头部阶梯3-钻杆尾部阶梯4-钻杆尾部连接螺纹钻杆的形状如图2.1所示，在钻杆的头部车有外螺纹，可以用于连接钻头或者前一根钻杆，尾部车有内螺纹，用于连接后一根钻杆。在钻杆的两端分别有阶梯，头部的阶梯和钻机上的夹持器配合，辅助钻杆的装卸。尾部的阶梯和钻机上的卡盘配合，用来传递钻杆钻进需要的钻进力和钻进转矩。在ZDY-500/85型全液压钻机上的使用的钻杆的参数为：中空螺旋钻杆钻杆尺寸：50800额定扭矩：5002.2.3煤矿钻机钻杆装卸原理简介图2.2所示为某型号的煤矿钻机，该钻机钻进需要的动力是安装在钻机上的电机提供的，与电机相连的是钻机的卡盘，用来夹持钻杆，将电机的动力传递到钻杆上，实现钻杆的钻进。在钻机的框架上的头部，有一个夹持器，用来辅助钻杆的装卸。223311图2.2煤矿钻机1-驱动电机2-钻机卡盘3-钻机夹持器当一根钻杆钻完之后，安装下一根钻杆的步骤如下：夹持器夹紧钻杆卡盘松开退回将钻杆放在安装位置卡盘夹紧钻杆电机驱动卡盘前进，将被安装的钻杆连接到前一根钻杆上夹持器松开2.3钻杆半自动装卸装置方案设计2.3.1引言钻杆半自动装卸装置需要实现的功能是，将钻杆存放在钻杆库里面，当钻机需要钻杆的时候，钻杆转移装置就从钻杆库里调出一根钻杆并将其放在钻杆的安装位置，辅助钻杆的安装。当钻杆库里的钻杆被用了一根之后，后面的钻杆就会自动补充到特定的位置，以保证下一次钻杆转移装置顺利调用。当钻杆库中所有的钻杆全部用完之后，再由人力向钻杆库中装入钻杆。图2.3所示为钻杆自动装卸装置整体装配图，该装置包含钻杆库和钻杆装卸机构两部分组成。其中钻杆库由钻杆库轴、转轮、钻杆库外壳、钻杆库支架、棘轮机构等部分组成。钻杆转移机构由立柱、导轨（包括滑轨、滑块、滑块驱动油缸，因不方便在图2.3为标注出）、滑轨横板、钻杆夹持机构等组成。整个装置是安装在全液压钻机上，跟着钻机一起旋转或者俯仰。该钻杆半自动装卸机构的整体工作思路是：①当钻机需要钻杆的时候，导轨中的滑块驱动油缸动作，驱动左右两个滑块沿导轨移动，接近钻杆库并且在钻杆库的正上方停止。钻杆夹持机构通过滑轨横板与左右连个滑块连接，因此钻杆夹持机构跟随滑块一起运动，也停止在钻杆库的正上方。需要指出的是，在导轨上钻杆库的正上方有挡块机构，以保证滑块正确定位。7768566856595944101033111122121121图2.3钻杆半自动装卸装置装配图1-钻杆库底板2-立柱3-导轨4-钻杆夹持机构5-钻杆夹持机构升降油缸6-滑轨横板7-钻杆夹持油缸8-转轮9-钻杆库外壳10-钻杆库支架11-钻杆库轴12-棘轮机构②当滑块停止后，钻杆夹持机构提升油缸动作，带动钻杆夹持机构下降，使其能够夹持到钻杆。③钻杆夹持油缸动作，产生足够大的夹持力，使钻杆夹持机构夹紧钻杆。使钻杆能够被移动。在下面几个步骤中，钻杆是被钻杆夹持机构夹持着一起运动的。④钻杆夹持机构提升油缸动作，钻杆被提升。⑤滑块驱动油缸动作，带动左右滑块沿导轨缩回，钻杆跟随着钻杆夹持机构在左右滑块的带动下停止缩回，停止在钻机上钻杆的安装位置。⑥钻机上的卡盘动作，夹持钻杆。在此过程中，整个装置是不动的。钻杆夹持机构夹紧钻杆，停止在钻机上钻杆的安装位置，并且通过夹紧钻杆提供安装钻杆所必须的转矩。⑦卡盘完成夹持钻杆的动作之后，钻杆夹持油缸动作，松开钻杆，钻机开始钻进。⑧棘轮机构动作，使钻杆库的轴转动特定的角度（这里为），钻杆放在随钻杆库轴一起转动的转轮的凹槽中，因此，钻杆也被转动了一个角度，就是说，一根钻杆被调用之后，其余的钻杆会在棘轮机构的作用下补充前一根钻杆的空缺。使钻杆安装的动作能够循环下去。2.3.2钻杆库的设计4321432155图2.4钻杆库装配图钻杆库支架2-转轮3-钻杆库轴4-钻杆库外壳5-棘轮机构根据总体思路，钻杆库必须所具有的作用是：能够安全的存放钻杆；能够通过棘轮机构的调节使钻杆库中的钻杆能够顺次被调用。根据设计，钻杆库由钻杆库支架、钻杆库轴、钻杆库外壳、转轮、棘轮机构等组成。转轮上设计有8个凹槽，和钻杆库外壳配合形成8个半封闭的容腔，每个容腔中可以存放一根钻杆。转轮与钻杆库轴是键连接，因此在钻杆库轴转动的时候，转轮会跟随钻杆库轴一起转动，带动所有的钻杆转动。需要指出的是，在这个过程中钻杆库外壳是固定的，因此无论转轮怎么转动，其上面的凹槽始终与钻杆库外壳构成半封闭容腔。在上面已经指出，钻杆转移机构在调用钻杆的时候是从钻杆库的正上方取钻杆，因此在钻杆库外壳的正上方设计有开口。钻杆库的棘轮机构由棘轮、棘爪、棘轮油缸等组成。当棘轮油缸在压力油的作用下活塞杆前伸，推动棘爪向前摆动，棘爪带动棘轮转动。而棘轮与钻杆库轴是通过平键连接的，因此钻杆库轴会跟随棘轮一起转动。那么钻杆库中的钻杆也就被转过了一个角度。当钻杆库正上方的钻杆被调用的时候，棘轮机构就会动作，使钻杆库中的钻杆转动一个角度，让后面的钻杆补充到前一根被调用的钻杆的位置。而钻杆库轴转过的角度可以通过调节棘轮油缸活塞的伸出量来控制。在这里我们设计为。①转轮的设计图2.5转轮图2.6转轮与钻杆库外壳配合图设计转轮的作用是存放钻杆，如图2.5所示，转轮厚20mm。设计有8个凹槽，可以和钻杆库外壳配合形成半封闭的容腔，每一个容腔里可以存放一根钻杆。转轮上开有键槽，和钻杆库轴配合，使转轮跟随钻杆轴一起转动。1②钻杆库轴的设计122图2.7钻杆库轴1-转轮键槽2-棘轮键槽图2.7所示为设计的钻杆库轴，其直径尺寸分别为、、。在钻杆库轴上开有两个转轮键槽，用于安装转轮，使其周向定位。另外开有一个棘轮键槽，用于安装棘轮。③钻杆库外壳的设计图2.8钻杆库外壳图2.8所示为设计的钻杆库外壳，用于和转轮配合形成半封闭容腔，存放钻杆。在钻杆库外壳的两端分别有6个螺纹孔，用于连接钻杆库支架。需要指出的是，所设计的钻杆半自动装卸装置是用在打孔俯仰角度为到的钻机上。当钻机俯仰一定角度打孔的时候，钻杆会在重力的作用下从两端掉落，所以在设计时，钻杆库外壳的两端与钻杆库支架相连接，钻杆在重力的作用下会抵住钻杆库支架，所以不会掉落。在这里钻杆库支架担当了挡板的角色。④钻杆库支架的设计如图2.9所示，钻杆库支架底板上有四个螺纹孔，用于钻杆库支架的定位，在钻杆库支架的竖直挡板上开有螺纹孔，用于连接钻杆库外壳，在左右连个竖直挡板的作用下，前面所提到的钻杆库外壳和转轮之间构成的半封闭的容腔的两端都被限制，使钻机在俯仰一定的角度进行钻孔的时候不会出现钻杆库中的钻杆落地的现象。为了使钻杆库支架的受力更好，在其上设计有加强筋。钻杆库支架的处置挡板上开的轴孔、轴承孔分别用于定位钻杆库轴和轴承。所选用的轴承为角接触轴承，型号为70007，外径62mm，内径35mm，宽14mm。钻杆库支架的整体尺寸为：底板：()竖直挡板：（）底板螺纹孔：竖直挡板螺纹孔：轴孔直径：轴承槽：（）33442251516677图2.9钻杆库支架1-底板2-竖直挡板3-螺纹孔4-轴孔5-轴承槽6-加强筋7-连接孔⑤棘轮机构的设计如图2.10所示，棘轮机构由油缸、棘轮、棘爪、连接板、摆杆、油缸头部连接件、油缸尾部连接件、销钉等组成。棘轮、棘爪都轴向固定在钻杆库轴上，不同的是棘轮通过键连接与钻杆库轴轴向固定，而棘爪则可以绕钻杆库轴转动。在油缸的头部和尾部都有连接件与销钉配合形成铰链连接。尾部的铰链固定在钻杆库底板上，而头部的铰链则固定在棘轮机构的摆杆上，当油缸在压力油的作用下伸出活塞杆时，活塞杆推动油缸头部的连接件，从而驱动摆杆绕钻杆库轴转动，根据设计，当摆杆朝逆时针方向转动时，棘爪被连接安装在摆杆上的连接板卡住，因此棘爪跟随摆杆一起转动，推动棘轮转动，钻杆库轴在键连接的作用下跟着棘轮一起转动。钻杆库轴转动的角度可以通过油缸活塞杆伸出的长短来控制。反之当油缸在压力油的作用下收缩活塞杆时，摆杆在油缸头部连接件的作用下绕钻杆库轴顺时针旋转，而此时，棘爪不会被连接板卡住，因此，棘爪会跟着摆杆一起复位，而棘轮则保持不动。实现钻杆库轴的单向精确角度转动。7654765433889292111010图2.10棘轮机构1-销钉2-油缸尾部连接件3-油缸4-油缸头部连接件5-销钉6-棘爪7-连接板8-摆杆9-棘轮10-钻杆库轴图2.11棘轮图2.12棘爪图2.13摆杆图2.14连接板图2.15棘爪与连接板配合图从图2.12我们可以看出，棘爪与连接板是通过销钉组成铰链连接的，棘爪与连接板接触的部分的形状包括两部分：圆弧部分和一个平面。当棘爪绕销钉做顺时针旋转的时候，它与连接板接触的部分是圆弧，不会发生干涉，棘爪与连接板存在相对运动。当棘爪绕销钉做逆时针旋转的时候，它与连接板接触的部分是平面，就会发生干涉，棘爪跟连接板不能发生相对运动。因此该机构只能单向传力。这也就是棘轮机构单向传力的原理。2.3.3钻杆转移机构的设计3344225511图2.16钻杆转移机构装配图1-立柱2-导轨机构3-横板4-提升油缸5-钻杆夹持机构图2.16所示为钻杆转移机构转配图，该机构包括由立柱、导轨机构、横板、提升油缸、钻杆夹持机构等组成。其工作原理为：当钻机需要钻杆的时候，导轨机构动作，驱动横板前进，钻杆夹持结构跟随横板一起运动，当运动到指定的位置之后，提升油缸伸出活塞杆，钻杆夹持机构下降，夹持钻杆，油缸活塞缩回。导轨机构缩回。完成转移钻杆的动作。立柱的设计112233图2.17立柱底板连接孔2-滑轨定位孔3-滑轨槽如图2.17所示，立柱上有四个底板链接孔，用于和钻杆库底板连接固定立柱。上面设计有滑轨槽用于安装滑轨。并且在滑轨槽上有滑轨定位孔，用于固定滑轨。实现定位。立柱杆：中空，外径40mm，壁厚5mm。高500mm。底部连接板：直径100mm，厚10mm底板连接孔：直径12mm滑槽定位孔：直径10mm滑轨槽：外形尺寸（）槽厚10mm。导轨机构的设计32321144图2.18导轨机构（右侧滑轨被未画出）1-左侧滑轨2-横板3-滑块4-滑轨油缸如图2.18所示，导轨机构由滑轨、油缸、滑块、横板四部分组成。油缸和滑块都安装在滑轨里面。滑轨上开有定位孔，用于固定油缸。滑块连接在油缸的活塞杆上，可以在滑轨里面滑动。横板用于连接两个滑块，强制两个滑块同步滑动。同时横板上开有螺纹连接孔，用于安装钻杆夹持机构。滑轨油缸选用力士乐公司的CDT3型号的油缸，安装形式为M00。活塞直径25mm，活塞杆直径12mm。行程长度525mm。223131图2.19滑轨1-滑槽2-滑轨定位孔3-油缸定位孔图2.19所示为滑轨零件图，滑轨上开有滑轨定位孔，用于连接立柱，固定滑轨。另开有油缸定位孔，用于安装导轨机构的油缸。滑轨尺寸：外形尺寸：（）槽厚10mm。滑轨定位孔：油缸定位孔：图2.20横板图2.20为导轨机构横板的零件图，其两端安装在滑块上的槽里，与滑块形成固定连接。中间的螺纹孔连接孔用于安装钻杆夹持机构。横板长度350mm，厚10mm，中间螺纹连接孔直径12mm。2121图2.21滑块横板连接槽2-活塞杆连接螺纹孔图2.21为滑块的零件图，横板连接槽用于安装横板，活塞杆连接螺纹孔用于连接导轨机构的油缸活塞杆。其尺寸为：外形尺寸：（）横板连接槽尺寸：（）活塞杆连接螺纹尺寸：螺纹大径12mm深度8mm钻杆夹持机构提升油缸的设计钻杆夹持机构提升油缸选用力士乐公司的CDT3型号的油缸。安装形式选用ME6（尾部有法兰连接板），活塞直径40mm,活塞杆直径28mm。④钻杆夹持机构的设计321321图2.22钻杆夹持架构装配图1-钻杆夹持油缸2-钻杆夹持块3-底板如图2.22所示，钻杆夹持机构由钻杆夹持机构油缸、钻杆夹持块、底板三部分组成。底板上有螺纹孔，用于安装两个钻杆夹持油缸。同时底板上开有滑槽。钻杆夹持块底部设计成滑块的形状，与底板上的滑槽相配合，使钻杆夹持块可以在底板的滑槽中滑动，起到导向的作用。钻杆夹持块上有直径为50mm的一段圆弧，使钻杆夹持块更可靠的夹持钻杆。整个钻杆夹持机构的作用原理为：当钻杆夹持机构的油缸在压力油的作用下将活塞杆伸出时，推动钻杆夹持块在底板的滑槽中滑动，两钻杆夹持块之间的距离减小，夹紧钻杆。如果夹持力足够大，钻杆夹持块与钻杆之间的摩擦力能够抵抗钻杆的重力作用使钻杆被可靠夹持而不致掉落。前面提到，钻杆夹持块上设计有直径与钻杆直径一样大小的一段圆弧，这段圆弧可以使钻杆夹持块更可靠的夹持钻杆，并能够起到自动定心的作用。反之，当钻杆夹持油缸在压力油的作用下缩回的时候，两个钻杆夹持块之间的距离增大，钻杆脱离夹持而掉落。钻杆夹持油缸选用力士乐公司的CDT3型号的油缸，安装形式为MS2（底部安装），活塞直径25mm，活塞杆直径12mm。321321图2.23底板1-钻杆夹持油缸连接孔2-钻杆夹持机构提升油缸连接孔3-滑槽图2.23所示为钻杆夹持机构底板零件图。钻杆夹持油缸连接孔用于安装油缸，钻杆夹持机构提升油缸连接孔用于连接钻杆夹持机构提升油缸。滑槽用于导向钻杆夹持块。底板尺寸为：外形尺寸：（）滑槽尺寸：长度300下部滑槽（）上部开口（）凸台尺寸：（）钻杆夹持油缸连接孔：直径钻杆夹持机构提升油缸连接孔：直径深度10mm223131图2.24钻杆夹持块1-滑块2-圆弧型槽3-连接孔图2.24所示为钻杆夹持块的零件图，其中滑块跟底板上的滑槽相配合，实现导向功能。圆弧形槽使钻杆夹持机构在夹持钻杆的时候更可靠的夹持。而连接孔用于连接钻杆夹持块和钻杆夹持油缸。底板外形尺寸：（）竖直板外形尺寸：（）2.4本章小结本章主要是钻杆装卸装置的方案设计。该装置由钻杆库和钻杆转移装置两大部分组成，本章详细讲述了该方案的总体思路和所设计的装置的工作原理，并且详细讲述了钻杆库和钻杆库转移装置两大部分的工作原理和机械结构设计，各个零件的设计在本章中也有提到。经验证，所提出的方案能够满足装卸钻杆的要求。3钻杆半自动装卸装置的动力计算和强度校核PAGE243钻杆半自动装卸装置的动力计算和强度校核3.1引言在第二章中我们讲述了钻杆半自动装卸装置的机械结构设计，该设计能够达到指定的动作要求，但是如果想要该装置安全工作，必须对该装置的动力部分进行计算以选取合适的动力装置（这里用的是油缸），也必须对该装置重要部位进行校核，保证钻杆半自动装卸装置安全工作。3.2钻杆半自动装卸装置的动力计算所设计的钻杆装卸机构用于煤矿全液压钻机，因此在机构的设计中，所有的动力装置都是油缸驱动的，所以钻杆半自动装卸装置的动力计算主要是各部分油缸的受力计算和选型。3.2.1棘轮机构油缸的动力计算①棘轮机构油缸的受力分析前面已经讲过，棘轮机构主要是推动钻杆库轴间歇的转动特定的角度，使钻杆库中的钻杆被顺序的调用，根据我们设计的机构，棘轮油缸的受力模型可以简化为如图3.1所示。FM（a）FM(b)图3.1棘轮机构及其受力模型简化如图3.1（b）所示，图中的实线为棘轮摆杆的初始位置，虚线为棘轮摆杆的终点位置。为钻杆库中随钻杆库轴一起转动的钻杆产生的抵抗转矩，当钻杆库中的钻杆未被调用时，钻杆的分布是对成的，最大的时候是一边的钻杆被用完，而另一边的未被调用，在这种情况下，共有三根钻杆对钻杆库轴产生转动抵抗力矩。钻杆重量其中为钻杆的密度，这里取为钻杆直径为钻杆长度将上述尺寸代入式3.1得到为了简化计算，我们在计算转矩的时候，将产生转矩的三根钻杆的力臂都按三个中力臂最长的算，因此为三根钻杆中最长力臂，将代入F为棘轮油缸的在压力油的作用下产生的推力。由力学公式为棘轮油缸的力臂得到就是说棘轮油缸必须提供至少38.3N的力，才能够使棘轮机构动作。②棘轮油缸的行程分析由图3.1（b）所建立的受力模型，摆杆的两个极限位置都已经确定，并且在两个极限位置时，油缸都处于水平位置，所以油缸的行程为所以油缸的行程可以选为100mm，行程误差0.4mm，相对误差非常小。对钻杆库轴的转动角度精度影响非常小。③棘轮油缸选型根据上面算出的棘轮油缸的要求，通过查阅力士乐公司产品，我们选用CDL1型号的油缸，活塞直径25mm,活塞杆直径12mm，连接方式为MP5（油缸两端均为铰链连接），行程长度100mm。该型号的油缸在16MP油压作用下的推力是14.02KN。能够满足要求。3.2.2钻杆夹持油缸的动力计算①钻杆夹持油缸受力分析图3.2钻杆夹持架构前面已经讲述过钻杆夹持机构的动作原理，这里不再赘述。图3.2为钻杆夹持机构的装配图。钻杆夹持机构夹持钻杆保证钻杆不掉落的力有两个：在压力作用下钻杆夹持块与钻杆之间的摩擦力和钻杆夹持块上的圆弧在压力作用下产生的对钻杆向上的分力。同时，为了增大摩擦力，可以在钻杆夹持块上开一些不规则的细槽改变钻杆夹持块和钻杆之间的摩擦系数。为了便于计算，在这里我们只考虑摩擦力。其中为钻杆夹持块和钻杆之间产生的摩擦力。为钻杆夹持块和钻杆之间的摩擦系数，大小未知。为钻杆重力。为钻杆夹持油缸在压力油的作用下对钻杆产生的正压力。②钻杆夹持油缸的行程确定按照钻杆夹持架构的作用原理，只要在夹持钻杆前，钻杆夹持块之间的距离大于50mm，并且最终能够夹持钻杆就可以，所以钻杆夹持油缸的行程只要很小就可以了。在这里我们选取其行程为20mm。③钻杆夹持油缸的选型根据力士乐公司的产品资料，我们首先选择油缸的安装形式为MS2（底部安装）并且确定其型号为CDT3。这一型号系列最小型号的油缸活塞直径为25mm，活塞杆直径为12mm，基本重量为1.2kg,每100mm行程增加0.4kg。在16MP的油压下产生的推力为6.04KN。即使假设那么所以所选择的油缸完全满足要求。油缸重量3.2.3提升油缸的动力计算①提升油缸的受力分析图3.3提升油缸图3.3为提升油缸及其载荷（钻杆夹持机构）。提升油缸要完成指定的动作，产生的提升力必须大于钻杆夹持机构和钻杆的重力的总和。钻杆夹持机构的重量：1）钻杆夹持机构底板的重量钻杆夹持机构底板的外形整体尺寸为（）。为了简化计算，我们假设底板上未滑槽。2）钻杆夹持块的重量钻杆夹持块的外形尺寸为底板外形尺寸：（），竖直板外形尺寸：（），同样我们简化计算。3）钻杆夹持油缸的重量前面已经提到所以钻杆夹持机构的重量为所以提升油缸的负载为②提升油缸的行程确定根据总体方案设计，提升油缸必须的尺寸必须服从安装空间，所以提升油缸的行程选取50mm。③提升油缸的选型所设计的钻杆装卸装置是用于可以俯仰打孔的钻机，当钻机俯仰一定角度打孔时，提升油缸不但要承受钻杆加持机构和钻杆的重力，还要承受弯矩，所以在设计时，提升油缸活塞杆的尺寸要选举一个较大值。通过查阅力士乐公司的产品资料，我们选取CDT3型号的油缸，活塞直径40mm，活塞杆直径28mm，安装形式选用ME6（底部有法兰安装盘）。在16MP的压力作用下产生的拉力为10.25KN。可以满足要求。3.2.4导轨油缸的动力计算导轨油缸用于推动提升油缸和钻杆夹持架构以及钻杆滑动。滑块在滑轨中滑动有摩擦力，这个力是很小的，因为导轨油缸的负载就是它所推动的钻杆夹持机构、提升油缸、钻杆的重力作用在滑块上的力产生的摩擦力。而且导轨油缸不用承受任何的径向力，只承受拉压力，所以我们选取力士乐公司的CDT3型号的油缸，活塞直径25mm，活塞杆直径12mm。安装形式为M00。根据整体机构安排和导轨油缸的安装条件，导轨油缸的行程设计为525mm。3.3钻杆半自动装卸机构的强度校核3.3.1立柱的强度校核（a）（b）图3.4立柱的受力极限位置P图3.4所示为立柱的两个受力的极限位置图。当处于图3.4（a）的状态时，立柱主要承受导轨机构和钻杆夹持机构的重力产生的拉压应力。当处于图3.4（b）状态时，立柱主要承受弯曲应力。相比之下，状态3.4（b）为较为危险的状态，因此我们只校核图3.4（b）所示的状态。P(a)立柱受力模型(b)立柱横截面图3.5立柱的受力分析图根据材料公式，立柱在危险状态下的最大绕度为：其中为钻杆夹持机构及导轨机构对立柱产生的负载。为立柱的高度为立柱的弹性模量为立柱的惯性矩滑轨油缸的型号为CDT3，安装形式为M00，活塞直径25mm，活塞杆直径12mm，行程长度525mm。通过查阅力士乐公司的产品资料，该类型的油缸基本重量为1.2kg，每100毫米行程增加0.4kg重量。所以该油缸重：提升油缸的型号为CDT3，安装形式为ME6，活塞直径40mm,活塞杆直径28mm，行程50mm。查阅力士乐公司的产品资料，该类型的油缸的基本重量为3.3kg,每100mm行程增加重量1kg,所以该油缸重：图3.6滑轨滑轨的尺寸为外形尺寸：（）槽厚10mm。所以滑轨的重量为：图3.7横板横板的尺寸为：长度350mm，厚10mm，中间安装板的尺寸为。所以横板的重量为：所以所以立柱的最大绕度为经过校核，立柱的在负载的作用下的最大绕度只有0.38mm，能够满足刚度要求。3.3.2横板的校核图3.7横板P横板主要用来承受钻杆夹持机构、提升油缸、钻杆的重量。图3.8为横板的负载图及受力模型图。P（a）横板受力模型（b）横板横截面（a）横板受力模型图3.8横板受力图根据材料力学公式其中为横板的负载。为横板长度。为横板的弹性模量。为横板的截面惯性矩所以经过校核，横板的最大绕度为0.24mm，因此可以得出结论，所设计的横板强度足够。3.4本章小结本章主要介绍了所设计的钻杆半自动装卸机构的动力计算部分和强度校核部分，动力计算主要是动力油缸的受力计算、行程选择和选型，经检验，所选择的油缸能够满足动力要求。强度校核部分主要针对一些较为危险的零件进行强度校核。通过计算和校核，所设计的机构能够满足强度要求。本科学生毕业设计（论文）4钻杆半自动装卸装置的液压控制回路设计PAGE314钻杆半自动装卸装置的液压控制回路设计4.1引言在第二章中，我们介绍了钻杆半自动装卸装置的机械结构设计，以及其机械动作原理；在第三章中，我们介绍了钻杆半自动装卸装置的动力计算以及危险零件的强度校核。在这一章中我们要介绍钻杆半自动装卸装置的液压控制回路的设计。为了使该装置实现自动装卸钻杆，必须设计一套与该装置的动作原理相配合的液压控制回路，以保证该装置动作的准确性。4.2钻杆半自动装卸装置的液压控制回路设计4.2.1钻杆半自动装卸装置的动作原理钻杆半自动装卸装置的动作原理为：①当钻机需要钻杆的时候，导轨中的滑块驱动油缸动作，驱动左右两个滑块沿导轨移动，接近钻杆库并且在钻杆库的正上方停止。钻杆夹持机构通过滑轨横板与左右连个滑块连接，因此钻杆夹持机构跟随滑块一起运动，也停止在钻杆库的正上方。②当滑块停止后，钻杆夹持机构提升油缸动作，带动钻杆夹持架构下降，使其能够夹持到钻杆。③钻杆夹持油缸动作，产生足够打的夹持力，使钻杆夹持机构夹紧钻杆。使钻杆能够被移动。在下面几个步骤中，钻杆是被钻杆夹持机构夹持着一起运动的。④钻杆夹持机构提升油缸动作，钻杆被提升。⑤滑块驱动油缸动作，带动左右滑块沿导轨缩回，钻杆跟随着钻杆夹持机构在左右滑块的带动下停止缩回，停止在钻机上钻杆的安装位置。⑥钻机上的卡盘动作，夹持钻杆。在此过程中，整个装置是不动的。钻杆夹持机构夹紧钻杆，停止在钻机上钻杆的安装位置，并且通过夹紧钻杆提供安装钻杆所必须的转矩。⑦卡盘完成夹持钻杆的动作之后，钻杆夹持油缸动作，松开钻杆，钻机开始钻进。⑧棘轮机构动作，使钻杆库的轴转动特定的角度（这里为），钻杆放在随钻杆库轴一起转动的转轮的凹槽中，因此，钻杆也被转动了一个角度，就是说，一根钻杆被调用之后，其余的钻杆会在棘轮机构的作用下补充前一根钻杆的空缺。使钻杆安装的动作能够循环下去。4.2.2钻杆半自动装卸装置的液压控制回路设计图4.1钻杆半自动装卸液压控制回路图4.1所示为钻杆半自动装卸装置的液压控制回路，、、、是在钻杆夹持机构的两个工作位置安装的行程开关。当导轨油缸在左工作位置并且钻杆夹持机构升降油缸在上工作位置的时候（钻杆夹持机构在左上工作位置），被撞到而起作用；当导轨油缸在右工作位置并且钻杆夹持机构升降油缸在上工作位置的时候（钻杆夹持机构在右上工作位置），被撞到而起作用；当导轨油缸在左工作位置并且钻杆夹持机构升降油缸在下工作位置的时候（钻杆夹持机构在左下工作位置），被撞到而起作用；当导轨油缸在右工作位置而钻杆夹持油缸在下工作位置的时候（钻杆夹持机构在右下工作位置），被撞到而起作用。、为装在钻杆夹持机构上的两个行程开关。当钻杆夹持机构松开钻杆的时候，钻杆夹持块撞到，动作。当钻杆夹持机构夹紧钻杆的时候，钻杆夹持块撞到，动作。、为装在钻机上检测卡盘是否夹紧的两个行程开关。当卡盘松开的时候，撞行程开关。当卡盘夹紧的时候，撞行程开关。这两个行程开关信号引入系统作为系统的控制信号。、为棘轮机构的行程开关。当棘轮机构的摆杆在左工作位置的时候撞。当棘轮机构的摆杆在右工作位置的时候撞。按照机械装置的动作原理，控制油路的控制原理为：①控制油路的初始状态如图4.1所示，导轨油缸处于左工作位置并且钻杆夹持机构升降油缸处于上工作位置（被撞到）；钻杆夹持机构松开（被撞到）；棘轮机构的摆杆处于右工作位置（被撞到）。整个控制回路没有被供油。②钻机钻完一根钻杆，卡盘松开，撞行程开关，动作，油泵通过给整个控制回路供油。③压力油通过、组成的与门回路，推动控制导轨油缸的液控换向阀向右动作，导轨油缸向右伸出，推动钻杆夹持机构运动到右上工作位置，撞行程开关。④压力油通过、组成的与门回路，推动控制钻杆夹持机构升降油缸的液控换向阀向右动作，钻杆夹持机构升降油缸下