1、湖南工业大学本科毕业设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 引言21 世纪，一个高速发展的新时代，机械化、智能化将席卷全球。人类的大部分劳力活动将由机械代替，主要体现在资源开发和基础建设方面上，而钻孔机械顺势成为了重要组成部分。矿产资源丰富，且为人类必不可少的东西，所以采矿、用矿成了人们所需。本设计主要就采矿工具、凿岩设备潜孔钻机作此研究。由于矿床存在的地理位置有所不一，为了能更好的采矿，人们根据各种条件不断的更新采矿工艺和相应的凿岩设备。各种开采挖掘发展迅猛，因此用到潜孔钻机的地方非常多，成为采矿机械中的重要一员。潜孔钻机可用于井下跟露天开采，主要用于钻深孔，爆破孔。它比传统的凿岩机更优越，功
2、的利用率更高，减轻了损坏，特别是在钻大孔上面更为突出。它的优点主要体现在污染少，利用率高，能大范围使用等，适应现时代的发展需求，以人为本，经济实用，节能环保的理念，是现今运用最广的钻孔设备 6。12 潜孔钻机的发展与现状 12.1 潜孔钻机在国外的发展 近年来，钻机产业发展迅猛，国外许多潜孔钻机制造公司研发制造出了一系列新产品。像 Arias L830 型潜孔钻机；古河的 PCR 一 200 一 DH 型履带式潜孔钻机；Sanvik 公司的推出的 TITONl00 型潜孔 L830 型钻机。特别是 ROCCopco 公司的 ROC 潜孔钻机，为其配备了能提供 3MPa 气压的压缩机装置，是潜孔
3、钻机事业的又一发展。为其设计了新的输送装置，可钻直径达 140mm 的深孔。以实现自动化为主题进行设计制造，使其达到了很高的程度。在智能化上面也做的很好，部分功能均已实现智能化，如臂架的自动定位。节省场地标记和定位时间，提高了工作效率，使经营者集中监测钻井过程。并且在安全和环保上提升了档次，操作人员与机器设备的关系得到了很大的改善。随着国家最新排放标准和智能化法规的实施，多数钻机公司都给柴油机某些方面性能进行了优化，达到了很高的标准 15。1.2.2 潜孔钻机在国内的发展湖南工业大学本科毕业设计（论文）2国内潜孔钻机起步比较晚，起源于上世纪中期的河北宣化，在国家的大量扶持跟发展下，潜孔钻机的各
4、方面参数得到了长足的进步，制造技术创新也得到了很大的提高，在国内外都有了很高的名声，为此许多国外知名大企业都来此投资。由于宣化的钻机产品质量过硬，技术研究相当的好，将其整理后，一些大学作为教材来作为教学内容来指导。经过 40 来年的发展，宣化的钻机生产已经很规范化了，形成了重要生产基地。钻机主要用于为各种挖掘爆破打孔，能提供雄厚的技术力量，先进的生产制造技术和管理水平的相当完善，在产品的开发和改进上 ，拥有强大的技术团队，雄厚资深的研究背景，因此，潜孔钻机在中国肯定能有大市场，能很好的发展。1997 年，我国潜孔钻机产业得到了飞跃，自行研发出的辅助行走、升降、回转、表面定位的潜孔钻机，成功申请
5、了国家专利，随着一体化液压潜孔钻机的问世，引发了国内钻机的发展高潮。其通用化设计理念成果，很好的突显了它的高性能跟经济实用性 8。虽然这几十年发展迅速，出了不斐的成绩，但还没达到与国际高水平接轨的程度。国外发展迅速，而且起步早，我国从起步到自行研发，经过几十年艰苦奋斗，能有如此成果已然不易。随着设计方法的不断创新和生产技术发展，涌现了许多的新的技术，大大的推动工程机械的前进步伐。一体化液压潜孔钻机的问世，标志着钻机技术更上一层楼，国内由湖南山河智能股份公司做得最好。它的自主研发团队与中南大学智能机械研究所强强联合，研发生产出的一体化液压潜孔钻是国内现今最优良的钻机。运用的技术先进，配置高，能耗
6、低，性价比高于国外很多，为人们所广泛使用 10。现今，随着社会的发展，机械工程领域飞跃也十分显著，在钻机设计上，运用各种新颖的思想理念和先进的制造技术，使产品达到想象中的完美程度。运用计算机优化，使其功与机器的匹配率和负载适应性达到了很高的程度，实现了动力-泵-负载有机了协调，使其具有高性能和可靠性。我国是发展中国家，以经济建设为中心，所以在有些方面的投入会相对少些，由于此局限性，对液压潜孔钻机系统的研究还不深入，因此在这方面的研究与世界先进水平还有一段差距。在大型工程设备的液压回转系统的动态特性对回转特性的影响方面的研究还不足，才达到中等偏上水平。缓冲设计，密封装置是影响动力头平稳性的最大因
7、素，这些成为了我国工程机械上的一些发展难点。1.2.3 国内潜孔钻机发展存在的问题 （1）安全方案设计和人机结合方面的设计上缺陷。总体来讲在安全和设计思路湖南工业大学本科毕业设计（论文）3上考虑得更为周到。例如国外的产品，在接卸杆处装有传感器控制和急停装置，对及时且有效的处理和防止事故的发生，能最大限度的保护操作工人和机器的安全，减少事故的发生，在安全保护措施上的设计更为合理周到。(2)在使用过一段时间后，由于各部件间的消耗磨损等，精确度等方面达不到要求，就会暴露一些深层次的问题，例如匹配、油的温度、热平衡和可靠性等问题。密封出现问题，这时候就会出现漏油现象，这些细节在国外都是做的非常好的。
8、(3)智能化、自动化程度不高，在高效方面也有所欠缺。产品质量和性能要求是人们所需要的。由于工期等多方面因素，施工单位对设备要求非常高，效率与质量必须得到保证，而且还经济，降低人力成本 14。13 潜孔钻机的发展趋势由于我国地势复杂，矿产资源分布不均匀，且大部分开采都属于困难型，因此钻机的应用十分广泛，而潜孔钻机作为钻机中的龙头，独占了其中 50%60%，潜孔钻机应用最广的是在露天铁矿、有色金属矿山和石灰石矿山。潜孔钻机普遍的应用于国内外，发展潜力巨大，是工程机械中重要的一员。14 潜孔钻机在实际应用中出现的问题潜孔钻机在实际应用中表现出了一些漏洞，主要是钻的孔会发生一定角度的偏斜。除了与现今的
9、制造水平有关外，客观因素影响也巨大，主要体现在岩层构质不一跟钻头轴压力不稳定上。潜孔钻机在钻深孔上比别的钻机更具优势，所以在这上面应用很多，但是钻孔越深，杆的接头就越多，偏角就会增大，而且轴压力不断的变化，对于钻孔质量的准确性就会降低。钻头漂移，钻头的回转会使孔呈锥形。所以岩层结构和受力不均是使钻孔不精准的最大影响因素。孔的不精确，对于爆破等各方面的影响会更大，使采矿率下降，使钻孔深度收到局限，增加开采成本 8。1.5 选题依据、主要研究内容、研究思路及方案1.5.1 选题依据在 SWDB120 型一体化液压潜孔钻机回转机构液压系统的设计上，现今，随着社会的发展，机械工程领域飞跃也十分显著，在
10、钻机设计上，运用各种新颖的思想理念和先进的制造技术，使产品达到想象中的完美程度。在设计中，运用 Pro/E 三维立体仿真，再通过优化设计分析，在保证各项指标规格的同时使其达到最优，使外形更加自然流畅。使用符合人机工程学的人机界面加漆和自然亲和的制定，实现湖南工业大学本科毕业设计（论文）4了真正的自然人机一体化。本钻机采用最先进的制造技术、实用可靠的液压系统、优质的部件，保证了系统的稳定性和可靠性，提高了作业效率，具有以下特点：（1）钻机动力头，内燃发动机，空压机三位有机的结合在一体，使其拥有了很好的灵敏性，对地势环境要求更加简易，且能使线路布置更为简单合理，可行性更高。（2）对操纵室的设计极为
11、合理，室内有冷暖空调，空气清新净化设备，钻机的各个操纵杆都在司机的最舒适的操作范围内，由液压先导操纵手柄对各项操作进行集中控制，能用最舒适的姿态完成最艰难的操作。各项指示灯的安装位置也很合理，司机能很好的掌握作业情况。（3）设有灵敏度很高的自动防卡钻设备，能使钻机更好的运行。对于孔深也有装置进行测量和仪表进行显示。在室外也设有扩音器等设备，使操作更加安全。（4）设有能自动拆卸钻杆的装置，能减轻操作者的劳动量，降低疲劳强度，很好的实现了自动化，进而更好的提高工作效率。（5）回转机构设有液压减震装置，能很好的减少冲击载荷，使岩层能很好的吸收冲击力，保证钻孔的顺利进行，达到保护钻机的功用，延长其寿命
12、，提高钻孔效率。1.5.2 主要研究内容主要内容：设计计算一体化液压潜孔钻机动力头回转机构的液压系统，妥善解决传动部分与工作部分的联接，完成工作要求。（1）对一体化液压潜孔钻机进行结构分析。（2）设计一体化液压潜孔钻机的动力头回转机构。（3）绘制一体化液压潜孔钻机动力头回转机构的液压系统图。1.5.3 研究思路及方案一体化液压潜孔钻机的回转动力头采用全液压驱动的方式，其主要组成有五个部分，它们分别是：原动力部分：采用双联变量式液压柱塞泵，能适应各种岩层环境；执行驱动部分：摆线液压马达；控制部分：液压系统中需要的各种阀块，有压力控制阀，方向控制阀，流量控制阀；辅助部分、传动介质部分。回转动力头由
13、四部分组成，分别是：作为连接不分的法兰盘、提供动力的动力机、传递能量的连接件、调节速度的减速箱。回转力矩跟转速由动力机产生，然后经其他三部分传递给钻杆，它再带动冲击器和钻头对岩层进行作用以此满足我们所需。湖南工业大学本科毕业设计（论文）5第 2 章 回转系统的总体设计2.1 一体化潜孔钻机动力头回转机构系统分析2.1.1 潜孔钻机结构总成及介绍潜孔钻机的形成钻孔基本思路，破碎凿岩方法，冲击旋转使岩石破碎，进而达到需要效果。凿岩时，冲击器没入孔内，由于有空气压缩装置，对孔底部不断施加气压，形成很大的冲击力，钻具与钻头主轴同时转动，因此，在每次完成冲击以后，钻头相对于原来都会转过一个角度，为下次冲
14、击做好准备，冲击器是通过高压气来提供能量的，进而完成做功，钻孔会有很多岩石颗粒跟粉尘，若不弄掉它们，它们会与钻具再次研磨，浪费掉很多无用功，而且会降低钻具的寿命。所以必须将它们处理掉。而高速冲击的钻杆就能带走它们，使孔底干净。 一体化液压潜孔钻机为冲击回转式凿岩钻孔，机械外观主视图 2.1、外观主视俯图 2-2 如下所示，由推进系统、回转装置、钻杆库、钻架、补偿油缸、滑架、举升油缸、卸杆器、吸尘罩、除尘装置、行走架、机架、支腿、后支架、空压机及压气系统、柴油机泵组、油箱、液压系统及多路阀组、司机室、护栏、钻架支座、等部分组成 10。湖南工业大学本科毕业设计（论文）62.1 一体化液压潜孔钻机外
15、观主视图2.2 一体化液压潜孔钻机外观俯视图本钻机总体结构部分有：（1）柴油机泵组配装玉柴 YC6L280-30 柴油机，功率 70KW。（2）压气系统本钻机的压气系统配制成螺杆空压机，由空压机给动力头机构提供气压，清除孔内灰尘和杂质，使钻孔质量更高。（3）液压系统全液压钻机的各个动作、行程，一般用液压比例先导阀或者电磁阀对其进行操作控制，还能迅速变换机构的运行速度，不仅反应灵敏，而且效果明显，最大限度的提高钻孔精度。（4）滑架滑架是潜孔钻机的一个重要组成部件，主要用来支撑和连接钻架，液压缸对滑架和钻架作用，从而实现它两结构总成的升降和改变钻孔的方向。（5）钻杆湖南工业大学本科毕业设计（论文）
16、7钻杆可分为两部分，第一部分称为主钻杆，它的上端与回转机构接头联接，下端与冲击器接头联接；第二根称为副钻杆，它主要是用来对主钻杆进行加长。主副钻杆各内外螺纹接头为锥形。（6）机架机架是相当于汽车的底盘，很多的部件结构都安装在它上面。后支架主要用在运输过程中，滑架和钻架落下时对它们进行支撑保护。在到达钻孔地点后，将钻架和滑架立起来，此刻将护栏安装机架上。在机架的四脚各装有一条支腿油缸，用于钻孔时钻机的调平和支撑。（7）油箱油箱是用来储存油液，且还有散发热量、沉淀污物及安装平台等作用，由过滤器和测量油温跟液位的计量器组成。（8）回转机构该回转机构是由液压马达、减速齿轮箱、管接头、运行滑板和供气机中
17、转站构成。该机构的推进功能靠固定在滑板上的链条是由轴销和弹簧减震机构而进行紧固的。回转机构产生动力的机构是液压马达，可以输出的转速为 050 转/分并带有连续可调的功能。（9）推进机构推进机构由多方面组成的，它包括推进液压缸，链轮链条组及其带有缓冲作用的弹簧。其一端绕过主动链轮的链条在轴销的作用下紧固在滑板的上侧，而它的另一端则经过从动轮固定在缓冲弹簧上，连接在滑板下部的是缓冲弹簧的另一侧，推进和提升两个功能的实现是在液压马达正反转来完成的。在自动控制系统的控制下推进液压马达具备了缓冲的性能。（10）卸杆器卸杆器是由各个不同的构件所组成的，它由上卸杆器体、下卸杆器体、上卡爪、下卡爪、卡杆缸及卸
18、杆缸等部分构成。在卸杆作用的时候，卡杆缸将下钻杆卡牢，同样在上钻杆处由也是由卡杆缸卡牢，在卸杆缸动作时其连接螺纹会开始松动，在回转机构的作用下卸下钻杆。（11）冲击器冲击器选用山特维克高风压冲击器。（12）行走机构行走机构的设计结构比较复杂，由液压马达、行走支架、多级齿轮减速器、张紧装置与从动轮等组成。其驱动方式采用双作用液压马达在减速器作用下实现的。为了安装方便，减速机安装在履带宽度之内，运用黄油进行调节润滑，速度控制采用不同的档位，并且采用了刹车制动器，在操作安全上得到了极大的保证，减速机湖南工业大学本科毕业设计（论文）8的润滑采用 N220 装在减速机内部实施不间断润滑效果。（13）司机
19、可在室内对所有操作进行控制，而且操纵姿态舒适，通过控制手柄、电磁阀或脚踏阀来对钻机的各个动作进行控制和调节。2.2 一体化潜孔钻机动力头回转机构系统分析2.2.1 动力头主要组成部分 动力元件：双联变量式液压柱塞泵。 执行元件：动力头、摆线液压马达。 控制元件：它是控制系统中执行元件的流量、压力和方向的，各种阀块，其中包括压力阀、方向阀、流量阀等。 辅助元件：油箱、管道、过滤器及各种指示仪表等 2。 工作介质：液压油，传递能量和信号。2.2.2 动力元件的分布本钻机回转部分选用左右双回转摆线液压马达对称布置的结构，回转装置的初始位置布置在钻机的轴线上面，动力头安装在回转支座上的，它上面安装有两
20、个小齿轮轴，它们与左右液压马达的活塞杆端的矩形花键分别相连。不止能实现诸多功能，在外观形态上也有可观性。另一个关键问题是使回转装置能实现正反回转的功能，回转支座上动力头的两个小齿轮轴的旋转是通过马达的活塞杆来回伸缩运动来推动的。一体化液压潜孔钻机回转动力头由四部分组成，分别是：作为连接部分的法兰盘、提供动力的动力机、传递能量的连接件、调节速度的减速箱。回转力矩跟转速由动力机产生，然后经其他三部分传递给钻杆，它再带动冲击器和钻头对岩层进行作用以此满足我们所需 16。动力头的外形如图 2.3 所示：湖南工业大学本科毕业设计（论文）9图 2.3 动力头外形结构1、液压马达（带小齿轮） 2、大齿轮 3
21、、箱体 4、主轴 5、法兰盘 6、连接体两液压马达的连接方式是大油腔与小油腔互相交叉连接。运作过程大致如下：压力油从油管进入左小腔、右大腔时，左活塞杆则会做收缩运动，右活塞杆则向外伸。进而推动回转座上的动力头做逆时针旋转运动，与岩层形成强大的剪切力矩，从而实现运动目的，完成部分功能要求。反之则右活塞杆会收缩，左活塞杆向外伸，从而推动支座与前方向相反的运动。大部分钻机在实际作业中，回转机构的运动范围基本上都在中间位置左右两边的 600范围间，可整个的工作设备需要从左到右发角度范围为 1800，转到支座两边的极限位置。钻机在工作时，动力头与地面接触，会产生很大的惯性冲击，很可能损坏液压系统。为了很好的保护回路，减轻液压冲击，使用了溢流阀，它的作用是进行溢流缓冲，还使用了弹簧减震，它也是缓冲装置，从而来延长回转机构的工作寿命。动力头回转支座的结构简图大致如图 2.4、2.5、2.6 所示：图 2.4 动力头支座立板湖南工业大学本科毕业设计（论文）10图 2.5 动力头支座侧板图 2.6 动力头支座底板在 SWDB120 型一体化液压潜孔钻机回转机构液压系统的设计上，现今，随着社会的发展，机械工程领域飞跃也十分显著，在钻机设计上，运用各种新颖的思想理念和先进的制造技术，使产品达到想象中的完美程度。
