mz120全液压旋转推进型土锚钻机总体设计说明书.doc

摘 要 全液压土锚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。全液压土锚钻机是机电液一体化的设备，其结构的好坏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高低。用虚拟技术对工程钻机的机械、液压系统进行研究，在设计初始阶段发现设计的不足进行改正，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。MZ120全液压旋转推进型土锚钻机具有变幅机构，在一个位置可以进行大区域多角度钻孔，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，室内建筑基础加固，以及露天采石炮孔等工程施工中，市场需求大，市场前景好。关键字：全液压土锚钻机，变幅机构，液压系统，虚拟技术，钻孔，履带AbstractWith the world pay attention to geological exploration and all kinds of large-scale engineering construction, full hydraulic soil anchor is the important geological exploration drilling equipment, which application prospect is also more and more wide. Full hydraulic soil anchor rig is mechanical and electrical integration of liquid equipment, which structure has direct impact on the quality of the drilling. Luffing mechanism as the fuselage of the engineering drilling position device drivers, that structure size affect rig scope of work and the different construction conditions force of the institutions influence the reliability of the equipment. Hydraulic system do as the power of the drilling rigs, which the performance decided the drilling efficiency. With a virtual technology to the engineering drilling machine, hydraulic system, in the design that the deficiency of the initial stage design to correct them, and improve the design level of drilling rig, and promote the innovation of the product, and the engineering machinery industry is of great significance. MZ120 full hydraulic pressure rotating pushed by soil anchor rig has luffing mechanism, which can be large area from drilling in a position, It is applicable for various conditions construction, with the crawler walking function, mobility strong, strong adaptability. It can be widely application progresses, tunnel anchorage support ahead of pipe roof support construction, interior architecture foundation reinforcement and open-air quarrying gun hole and so on. The market demand and the market prospect is promising.Key Words: Full hydraulic soil anchor, Luffing mechanism, Hydraulic system , virtual technology ,drilling ,crawler 目 录1绪论11.1选题背景11.2国内外现状及发展趋势11.2.1国内外现状11.2.2锚杆钻机的发展趋势21.3本次设计的技术难点及分析41.4 完成设计课题所必须采用的手段和方法42方案的构思与抉择52.1主要方案的构思与分析52.1.1行走系统（底盘）的设计与选型52.1.2进给机构的设计和选型62.1.3液压驱动系统的设计和选择92.1.4动力头结构的设计和选型112.1.5钻杆加持拧卸机构的设计122.1.6变角机构的设计142.1.7泥浆系统的设计142.1.8发动机系统的设计与选型152.1.9钻杆装卸机构的设计162.1.10润滑系统的设计163整机参数的计算173.1功率计算173.1.1工作机构进给力的计算173.1.2回转扭矩的计算173.1.3整机功率的计算183.1.4柴油机的选择193.1.5主要外形参数的计算204工作机构的设计计算234.1工作装置设计原则234.2工作装置总体方案选择234.3工作装置尺寸的设计234.3.1主梁机构尺寸234.3.2动臂尺寸设计244.4动臂的设计计算244.4.1工作装置参数选择244.4.2动臂工作机构的设计计算244.4.3特殊工作位置分析264.5链条的设计与选择294.5.1链条的选择294.5.2中心距的确定304.6链条静力强度的验算324.7链轮的设计与计算344.7.1主链轮的设计计算344.7.2被动链轮的设计计算375主梁体的结构设计385.1主梁材料的选用385.2导轨的设计385.3动力头滑板的设计405.4挡块的设计405.5动力头紧固螺栓的选择与校核405.5.1螺栓受力分析405.5.2确定螺栓直径425.5.3链条总长度的确定435.5.4主梁各部分重量及总重量计算435.5.5主梁整体稳定性和局部稳定性校核436夹持拧紧机构的设计456.1钻杆的设计与校核456.1.1钻杆强度校核456.2钻杆稳定性验证466.3钻杆体积和重量476.4动力头扭矩计算476.4.1合金钢螺栓联接的预紧力476.4.2钻杆螺纹预紧力矩计算486.4.3夹紧力计算487驾驶室的设计507.1驾驶室外形尺寸的设计507.2驾驶室噪声控制517.3 驾驶室的宜人化气候环境527.4驾驶室的防护措施538锚杆钻机的稳定性计算548.1爬坡时的稳定性549使用和维护说明589.1操作环境及使用条件589.1.1本机的工作环境589.1.2 MZ120旋转推进型土锚钻机安全使用规则589.2技术条件589.2.1加工制造条件589.2.2使用技术条件599.2.3验收及涂漆技术条件599.2.4标志及包装61参考文献62附录63结束语64致谢65 第 VI 页1绪论1.1选题背景上世纪90年代以来，随着经济的发展和国家对基础投资的增大，并且地铁和高层住宅建筑的施工面积也在扩大，地下施工的深度已经达到好几十米，长度也达到好几百米，工程量巨大。在国内各大城市的规划中，已经把地下空间的利用（地铁、停车场）作为城市规划发展的重点方向。全液压旋转推进型土锚钻机适用于水电站、铁路、公路边坡各类地质灾害防治中的滑坡及危岩体锚固工程，特别适合高边坡岩体锚固工程，还适用于施工城市深基坑支护、抗浮锚杆及地基灌浆加固工程孔、爆破工程的爆破孔、高压旋喷桩、隧道管棚支护孔等，将其动力头略微变动，即可方便地全方位施工。具有施工成本低、效率高、质量好、震动和噪音污染小等优点。在国内建筑事情蓬勃发展，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，要求工程具有向承载能力强，建筑深度大，可靠性强的方向发展。国家在新世纪开始后，每年投入大笔资金进行地质大调查，而全液压土锚钻机在很多领域中具有重要作用，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土锚钻机势在必行。1.2国内外现状及发展趋势1.2.1国内外现状锚杆钻机按结构分为单体式、钻车式、机载式；按动力分为电动式、气动式、液压式；按破岩方式分为回转式、冲击式、冲击回转式、回转冲击式。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。总的来说主要分为以下几个大的类型：(1) 单体气动回转式锚杆钻机基本情况：该钻机是锚杆钻机产品的主流，在齿轮式、柱塞式和叶片式三种类型气动马达中，叶片马达式已基本淘汰，齿轮式马达与柱塞式马达在扭矩转速特性、不同气压下的性能、噪声特性、对润滑的要求与抗污染等方面各有优缺点，在不同使用条件下都有各自的市场.总的来说，齿轮气动马达式已基本能代替进口产品，但玻璃钢支腿等部分的可靠性需要进一步提高；柱塞马达式锚杆钻机尚处于小批量生产阶段，尚需考核。气动冲击式锚杆钻机基本以双级气腿式为主，因其结构较成熟，可以在坚硬岩石上钻进。尽管在某种岩石条件下的凿岩速度低于回转式，且噪声颇高，仍被相当多地应用于锚杆支护。条件限制：国产气动锚杆钻机已基本能代替进口产品。但煤矿井下压缩空气系统的输送管道距离长，井下气动设备多，工作面气体工作压力偏低，常常在0.4MPa以下，使钻机性能与钻进速度都比0.63MPa压力下下降30%以上，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。 (2) 液压锚杆钻机基本情况:该机型输出的扭矩高于气动锚杆钻机，在某些场合下应用较好，特别是与掘进机配套是较优越的工作方式。条件限制：从目前已正式投入使用的支腿式液压锚杆钻机来看，钻机输出扭矩仍然偏低，液压系统容易发热。由于以矿物油为工作介质，在煤矿井下使用中存在安全隐患。液压锚杆钻机的输出扭矩比气动锚杆钻机大，但是，有的产品扭矩值偏低，扭矩低于60N.m，加上管路压力损失，井下钻进无力。有的产品液压系统温升过高，连续运转2h后系统温度升至65以上，性能急剧下降。若保持工作压力不变，转速下降率达50%以上。有的产品性能尚好，虽然液压系统温度高于65，性能下降率不到20%，但过高的温度易使工作液变质，密封件容易早期失效。(3) 电动锚杆钻机该机的输出特性较差，实际钻孔速度较低，电机可靠性及防水性能存在严重问题，尚无良好的推进方式。另外，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，因此电动锚杆钻机尚未正式在井下成批使用。(4) 已开发的钻车式与机载式锚杆钻机都具有一定特点，并取得一些效果，但因煤矿井下具体条件以及经济上的原因，近期难以广泛应用。国外锚杆孔钻进设备的品种与功能多样，技术性能优越，可靠性高。美国煤矿大量使用塔架钻车式锚杆钻机，班工作效率达120240根，并着手开发计算机控制的全自动锚杆钻机。法国生产的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、注入粘结剂全由机械完成，机械化程度颇高。澳大利亚有4家锚杆钻机生产厂家，生产各种不同类型的锚杆钻机，尤以单体气动支腿式锚杆钻机使用居多，并有多家公司生产能与掘进配套的单体支腿式液压锚杆钻机。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两种(早期叶片式气动马达已淘汰)，采用玻璃钢碳素纤维支腿。澳大利亚液压锚杆钻机可以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。 1.2.2锚杆钻机的发展趋势(1) 气动、液压单体回转式锚杆钻机是一个时期的主流。 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。 气动回转式锚杆钻机中，采用柱塞式马达与齿轮式马达各有优缺点。两种不同类型气动马达锚杆钻机的竞争核心，是如何使钻速高、可靠性好、维修费低。产品进一步研究开发的核心将是采用合理技术参数、高科技、新材料、先进工艺。 (2) 液压锚杆钻机会成为气动锚杆钻机的有益补充。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。经过一定时期以后，用户会根据锚杆支护的需要与具体条件，进行综合技术经济分析，在适宜的场所确定采用液压回转式锚杆钻机。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。 (3) 电动锚杆钻机仍会处在技术攻关阶段。电动锚杆钻机的动力单一，是人们理想的首选机型。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。(4) 回转式锚杆钻机方向。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。 另外，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。提高钻头的水平，离不开高新技术，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。 (5) 锚杆钻机未来可能实现突破改进的方面。 几十年来，锚杆孔钻进设备已有了一定的提高，随着技术的不断发展锚杆钻机及其配套设备会逐步改革，在以下几个方面将引起产品重大的变化： a.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。 b.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。国外已探讨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。凿岩机器人的成功应用必将有力地促进锚杆孔钻进设备的进步。 c.锚杆孔钻进设备的发展，以锚杆支护技术与凿岩技术的发展为基础，锚杆支护新类型 、新材料的出现会对锚杆钻机的结构参数、技术性能与功能提出新的要求。锚杆孔钻机的开发必须紧随锚杆支护的技术发展。同时，凿岩技术的发展会促进锚杆孔钻进设备的提高。不同凿岩方式的研究以及通用凿岩机具的研究成果，都将会及时地移植到锚杆孔钻进设备的开发上来。 d.锚杆孔钻进设备是锚杆支护的关键设备，它影响着锚杆支护的质量-锚杆孔的方位、 深度、孔径的准确性以及锚杆安装质量，又涉及操作者的人身安全、劳动强度与作业条件。锚杆孔钻进设备的核心是高效与安全。发展煤矿锚杆孔钻进设备以高效、安全为核心，就会有强劲的竞争力，这是产品具有发展前途的根本。1.3本次设计的技术难点及分析 本次设计的难点是对工作臂的设计，因为要将原有的复杂装置简单化的同时满足技术参数和技术条件，所以此部分的设计是本次设计的关键之一，更是难点。我将此难点分为以下两个不分：a.动作臂的运动分析设计；b.工作臂的尺寸参数设计。根据对整机的运动分析，我把工作臂的设计明确为对动臂和主梁的几个工作铰点的布置设计。设计时我采用了履带式液压挖掘机的动臂部分的设计方法，对工作臂的运动进行了合理的分析和计算从而得到这几个铰点的正确位置，然后对相应的尺寸参数进行了优化设计。至于要实现整机360度的旋转，实现全方位的钻孔，本机借鉴了液压挖掘机中已经相当成熟的回转支承技术，采用了可回转行走底盘。 1.4 完成设计课题所必须采用的手段和方法完成设计课题主要采用以下手段: 数学计算、几何分析计算、计算机绘图、手工绘图等。所用的设计方法有比拟法、经验设计及传统的设计方法。2方案的构思与抉择2.1主要方案的构思与分析2.1.1行走系统（底盘）的设计与选型钻机底盘一般为液压驱动、刚性连接式车架。底盘主要包括车架及行走装置， 车架为框架焊接结构，上面有发动机、油水散热器、燃油及液压油箱、操纵装置等的安装支架；行走装置主要由驱动轮、导向轮、支重轮、托链轮、履带总成、履带张紧装置及行走减速机、纵梁组成(图2-1) 。图2-1 行走装置结构图行走装置中左、右纵梁分别整体焊接后，与中间整体框架式车架用高强度螺栓连接成为一个整体车架。车架后端可设置两个蛙式支腿或两个垂直的支腿， 有效降低支腿部分重量及简化结构，工作时支腿支起，增强整车的稳定性。行走减速机一般选用进口的内藏式行星减速机(包括马达) 或两点式变量马达减速机，可选日本帝人公司或其它厂家的产品，行走时能够实现行走快慢双速， 输出扭矩大、结构紧凑。橡胶履带有两种结构方式可选择，一可采用BRIGESTONE 公司的整体式橡胶履带；二可采用BERCO 公司的组合式橡胶履带的结构。二者相比，前者结构简单，节距较小，车架高度较低，但后者强度高，可承受更大的载重量，损坏后可以更换，驱动轮、导向轮、支重轮、履带张紧装置都可直接配套。一般优先选用整体式橡胶履带，若不能选到适合本机重量的履带，则要选用BERCO 公司的橡胶履带。履带张紧装置由张紧油缸、张紧弹簧、导向轮、油杯等组成，如图2-2 所示。履带张紧装置的作用是保持履带一定的张紧度。另外，在设计底盘前应协调以下几个方面工作：(1) 与发动机系统设计者和发动机罩设计者及其它相关人员协调相对安装结构布置形式尺寸及与车架的连接形式；(2) 支腿布置尺寸、具体结构应满足几何相容，无机构干涉现象；(3) 进行车架结构强度计算并出具计算书；(4) 如有问题及时反馈，并与相关设计者协调。图2-2 履带张紧装置1导向轮 2导向座 3张紧弹簧 4张紧油缸 5油嘴2.1.2进给机构的设计和选型进给机构是土锚钻机的最主要的机构之一，其性能的好坏直接影响到钻机的钻进效率、钻孔的质量以及钻机各项技术性能的发挥。因此，钻机对进给机构有一定特殊的要求：(1) 给进机构应为全液压式，能够实现无级调节给进力；(2) 在条件许可的情况下，尽可能加大给进行程，实现长行程连续给进，以减少钻进中的辅助时间，提高效率，预防孔内事故发生；(3) 应具有足够推拉力和较大的回转扭矩，以完成钻孔工作；(4) 功能齐全，结构简单，性能可靠，便于制造和维修；(5) 给进机构倾角的可调范围要适应各种施工条件，并且倾角调节方便；(6) 给进机构应具有消除导向钻进时所产生的倾翻力的装置；(7) 给进机构应与整机协调，增加整机的适应性。给进机构设计的主要任务是首先满足给进力参数要求，现我们拟订了如下五种驱动方案。方案一 液压缸给进机构如图2-3所示，此种结构采用大行程的给进油缸直接驱动动力头移动，实现给进。美国ADDS公司、Ditch Witch公司以及瑞士Terra公司的很多产品都采用这种机构。该机构具有如下特点：(1) 结构简单，无须链轮、链条或钢绳、导轮等传动部件；(2) 操作简单，工作可靠，制造成本较低；(3) 容积损失较小，效率较高；(4) 同样的行程下，钻机的轴向尺寸较大，这就给在市政设施密度较大的城市施工带来不便；(5) 存在活塞杆稳定性问题，故其承载能力受到限制。图2-3液压缸给进机构方案二 液压缸倍速给进机构如图2-4所示，该机构由液压缸驱动，通过链轮-链条或滑轮-钢绳把作用力传递给动力头。图2-4 液压缸倍速给进机构该机构特点如下： (1) 动力头移动速度及行程是液压缸相应参数的2倍，因而被称为倍速机构，钻机的轴向尺寸较小；(2) 用液压缸传动，相对于马达传动而言，能量损失较少，传动效率较高，工作可靠；(3) 制造成本相对较高；(4) 液压缸的推拉力只利用一半，故需选用大直径的油缸以满足给进力要求，这将导致钻机高度方向尺寸加大；(5) 同样存在活塞杆稳定性问题。方案三 液压马达- 链条给进机构如图2-5所示，该机构采用液压马达驱动，通过链轮、链条进行传动，为实现较大推拉力以及从受力平衡角度考虑，常在导轨两侧安装双液压马达。北京土行孙非开挖技术有限公司的DDW系列和深圳钻通公司研制的ZT - 25 和ZT - 18 型非开挖钻机即采用该种结构。该机构具有如下特点：(1) 结构简单，马达布置灵活，可根据需要布置在导轨的前端或尾部；(2) 给进机构质量较轻，结构紧凑，钻机轴向尺寸较液压缸传动要小；(3) 承载能力有限，不适用于大功率系统；(4) 由于马达有容积损失，故传动效率较液压缸传动效率低。图2-5液压马达链条给进机构方案四 液压马达倍力给进机构如图2-6所示，液压马达通过链轮- 链条传递作用力。与液压马达- 链条给进机构不同之处在于增加了中间传递链轮。美国CASE公司采用了这种机构。该机构除了具有液压马达- 链条给进机构的特点外，还具有如下几个特点:(1) 推拉力是液压马达产生作用力的双倍，因此称为倍力机构，与不采用倍力方案的液压马达- 链条给进机构相比，要获得相同的给进力，马达及链条受力均减小了50% ，因此可以选择小型号的马达及链条，从而减轻了钻机的质量及尺寸；(2) 进给速度是马达产生线速度的1/2；(3) 由于增加了中间传动环节，致使整体结构比较复杂。在本设计中，要求推拉力大于120KN，进给速度是0.51.5m/min，则进给功率是13kW，因此进给功率不是特别大，而且要求结构简单，重量轻等特点。结合本设计中的特点和各种方案的优缺点，我们选择方案三（液压马达- 链条给进机构）作为本机的设计方案。图2-6液压马达倍力给进机构2.1.3液压驱动系统的设计和选择土锚钻机的行走系统和工作系统都是用液压来驱动，所以液压系统的是钻机的重要组成部分。液压系统是钻机底盘行走，工作机构。其主要有油箱、油泵、液压操纵阀、液压马达、液压管线等组成。一般液压系统液压系统分为多液压泵驱动和单液压泵驱动，下面就对两种不同的液压系统驱动方案进行分析比较：(1) 双液压泵驱动系统图2-7双液压泵驱动系统1进给马达 2电磁换向阀 3溢流阀 4液压泵 5滤油器 6旋转马达在该系统中，钻机的进给机构马达和动力头旋转机构马达分别有两个液压泵驱动。因此在双液压泵驱动中，推进机构马达和旋转机构马达是两个互相独立的液压系统。不过两者的工作原理确是一样如图2-7所示。液压油经过液压油滤清器5从变量泵二出来，通过一个方向控制阀对进给马达或动力头旋转马达供油。进给马达通过链轮带动动力头实现进给运动，旋转马达通过一个减速机构带动钻杆、钻头一起旋转运动。最后液压油通过滤清器回到油箱。其中溢流阀3是起到过载保护作用，防止液压油油压过高对液压设备造成损坏。双液压泵驱动的优点是：一个液压泵驱动一个马达，因此效率比较高，且单个液压泵的流量也比较小，且适合大功率的要求。其缺点是：系统需要两个泵，因此在机构上较为复杂。(2) 单液压泵驱动系统单液压泵驱动方案如图2-8所示，钻机的进给马达和旋转马达有一个液压泵来驱动，液压油经过滤油器5从变量泵4出来，经由一个分流阀8将液压油分成两部分，一部分流向进给马达，一部分流向旋转马达。由于两个马达所需的流量是不相同的，因此两个马达所需流量的多少是有分流阀进行比例控制的。最后液压油经过一个滤油器流回回油箱。溢流阀3起到过载保护作用，以免油压过高对液压设备造成损坏。图2-8 单液压泵驱动系统2电磁换向阀 3溢流阀 4液压泵 5滤油器 6旋转马达 7进给马达 8分流器单液压泵驱动的优点是：由于只有一个泵，因此在机构布置上较双液压泵驱动系统大大的简化，这一点有利于非开挖钻机小型化的要求。但是由于其采用了分流阀对液压油进行分流，在一定程度上造成了功率的损失，不过如果能够适当的协调好进给马达和旋转马达的油压，使两者的差值尽可能的小，可以降低这种功率的损失。结合本设计的特点，通过对以上两种方案的分析可知，双液压泵驱动系统有一个泵供给一个液压马达，很适合动力要求比较大的系统，而且其效率比单液压泵效率高，可以缓解单个液压泵的负荷。在综合考虑两种系统的优缺点后，本设计采用双液压泵驱动系统。2.1.4动力头结构的设计和选型由于动力头钻机具有给进行程长、传动链短、结构简单、操作方便等特点，所以目前国内外的中小型工程钻机都以动力头作为回转运动的输出机构。因此，我们也将动力头作为本设计的回转机构。在具体设计时，分析讨论了各种方案并作出了最佳选择。方案一如图2-9所示，该机构的优点有:绝大部分零件可以外购，结构紧凑，可靠性较高，使用寿命可以得到保障。缺点是:需外引电缆并随动力头移动，部件质量大，轴向尺寸大，无变速机构，成本较高。方案二如图2-10所示，该机构的优点有:结构紧凑，传动简单，动力头液压动力源可从钻机的液压系统引入，液压马达选择范围较宽，可无级变速；但整体结构尺寸较大，质量大，给进行程相对缩短，制造成本相对较高，有高压胶管随动力头移动。 图2-9 动力头方案一示意图 图2-10 动力头方案二示意图图2-11 动力头方案三示意图方案三如图2-11 所示，该机构的优点有:结构简单，质量轻，轴向尺寸小，制造成本低，可实现无级变速；缺点有：液压马达选择范围小，有高压胶管随动力头移动。根据以上分析，方案三具有结构简单、质量轻、成本低、轴向尺寸小等诸多优点，并结合本设计的特点，因此，选择其作为动力头回转机构。2.1.5钻杆加持拧卸机构的设计在钻孔中影响钻进效率的因素很多，除纯钻进时间以外，还包含钻进准备、装卸钻杆、测量、人工造斜和纠斜等辅助工作时间，以及停待、处理事故等非生产工作所消耗的时间等。其中，装卸钻杆的辅助工作时间对钻进效率有着较大的影响。由于导向钻机钻进速度和回拖速度较高，单根钻杆的加接、拧卸工作强度增加，所占时间的比例也相应提高，故加接、拧卸钻杆方法的研究就成为进一步提高钻进效率，改善工人劳动条件的关键。该系统应满足在拆装钻杆时它能加紧钻杆，做到快速的安装和拆卸。同时其在外力的作用下不能产生位移。钻杆夹持- 拧卸机构的工作步骤是：上接钻杆操作时，先将夹持器松开，把钻杆插入夹持器并加紧，操作进给阀把手向前移动动力头，使动力头边径接头的公扣插入钻杆的母扣，然后动力头正向转动使其旋紧，最后松开夹持器即刻进行导向施工；下卸钻杆操作时，将钻杆下接头回拖到夹持器后面卸扣器范围内的合适位置，用夹持器加紧钻杆，使动力头反转卸扣。如果动力头提供的拧紧扭矩不足，则需要外加的扭矩。由于液压传动具有结构紧凑，作用力平稳，调整方便等优点，因此现有的土锚钻机多数采用液压夹持拧卸机构， 它能够较好地满足装卸钻杆的施工作业要求。本设计参考吉林大学最新研制的JFK- 15 型非开挖导向钻机的夹持拧卸机构。(1) 夹持- 拧卸机构的构成及工作原理图2-12 为夹持- 拧卸机构示意图，它由夹持器、拧卸器等部分构成。其中夹持器与拧卸器上分别有一对夹持液压缸7、8。拧卸器3 上除了布置有一对夹持缸7、8 外， 还安装有卸扣缸6。夹持器2 用来夹紧前钻杆1，当施加卸扣转矩时， 该夹持器承受反转矩，在液压系统控制下， 只对钻杆施加静压力， 整个装置保持不动，静压力是通过夹持缸7、8 实现的。拧卸器3 则要完成两种动作: 既需要一个静压力夹紧钻杆，又需要一个动力推动其转动，在卸开第一扣时施加主动力矩，从而带动钻杆做回转运动来完成螺纹的拧动。工作时，夹持缸7、8 同时动作，分别给钻杆1 和钻杆4 施加夹紧力夹紧钻杆，而后拧卸机构在卸扣缸6 的推动下， 绕钻杆中心回转一定的角度，从而拧松螺纹，这之后，依靠动力头的反向回转就可很容易地卸下钻杆。图2-12 夹持拧卸机构1前钻杆 2夹持器 3拧卸器 4后钻杆 5导轨 6卸扣液压缸 7、8夹持液压缸图2-13 夹持拧卸机构液压回路1液压泵 2多路换向阀 3卸扣液压缸 4、5夹持器液压缸 6、7定夹持器液压缸 8、9液控单向阀(2) 夹持拧卸机构的控制回路图2-13 为夹持-拧卸机构控制回路液压原理图，在该回路中夹持- 拧卸机构与进给机构、支架机构采用了同一动力源，液压泵1通过多路换向阀2 的过桥阀体为不同回路提供压力油，实现动力的转换。相关部分的动作顺序为：支架支起后，支架控制阀切换至中位，由于在支架缸回路中安装有液控单向阀，保证了在换向阀处于中位、支架回路失去动力时，支架工作的可靠性；当夹持- 拧卸控制回路动作前，给进机构应停止工作，即操作给进控制阀，使其处于中位；这样夹持- 拧卸回路就能够与动力源接通，操作相应换向阀，即可实现夹持、拧卸机构的动作顺序为: 夹紧缸先动作以夹紧钻杆，然后卸扣缸动作，推动拧卸装置绕钻杆轴线回转一定的角度，从而拧松螺纹。据此可知，在卸扣缸动作进行时，夹紧缸失去动力，而此时仍需保持夹紧状态。此外，考虑到存在动力头空行程移动的同时而钻杆仍需保持夹紧的状态。因此在夹持回路中采用了液控单向阀8、9，使得夹紧缸在失去动力的情况下仍然保持夹紧状态。由于采用液压控制，机构的夹紧力均匀可靠，转矩大，速度快，操作方便、省力。2.1.6变角机构的设计由于锚杆钻机要求钻孔倾角在范围内变化，既要灵活方便的调整角度及方位，有要使结构尽量简单，同时还要使钻机的使用及维修简单易学、操作方便。经过反复分析比较，确定了如图2-14所示变角机构。此机构的特点是：结构比 较简单，操作比较灵活，重心低，稳定性好，高度方向在一定范围内可调，给进滑架变角范围大。图2-14 变角机构2.1.7泥浆系统的设计泥浆系统是土锚钻机不可缺少的一种辅助设施，它是由随车泥浆系统与车载泥浆系统组成。车载泥浆系统分别设计有500加仑1000加仑两种(图2-15) ，用于泥浆混配、搅拌、向随车泥浆系统提供泥浆。泥浆搅拌系统是一种与水平定向钻机配套使用的装置，亦可接管供其他需输送泥浆类流体的装置使用。泥浆搅拌系统设计时要求系统具有搅拌快速均匀、提供大流量泥浆、可调节泥浆配比、搅拌与输送同时进行等。搅拌系统装置包括料斗、汽油机泵、搅拌罐、车载泥浆泵、相关管路等。图2-15车载泥浆系统汽油机泵与搅拌罐通过管路相连，构成搅拌回路，具体为罐中泥浆进入汽油机泵入口，经加压出路分成2 路:一路经过Y型过滤器过滤掉大块颗粒后分3 路，一路经由罐顶部喷入，另两路经由下部喷出。当泥浆液搅拌完成时，打开球阀经汽油机泵喷出。另一路送入泥浆泵,并由泥浆泵泵入动力头输送到钻杆钻头。膨润土由料斗加入，经筛网粗筛，变径管高速喷吹形成的空气负压由管吸入，并与水液混合，从而进行往复循环。2.1.8发动机系统的设计与选型钻机的发动机系统包括发动机、散热器、空滤器、消音器、燃油箱等。一般设计时应该根据计算出来的功率，合适的选用国内外较大品牌的增压水冷发动机或增压中冷发动机，为了适应不同用户的需求，也可选装的国内品牌的发动机。散热器、空滤器等附件选用国产配套件。由于工程的施工时间比较长，耗油量也特别大，所以燃油箱自制为容积大的燃油箱。发动机系统设计时应先了解发动机型号及发动机功率、扭矩等详细参数。确定发动机选件及安装形式；向液压系统设计者提供发动机取力口(PTO)旋向及输出功率的资料；与散热系统设计者协调发动机风扇直径、速比及风量的数据；与电器设计者协调发动机电路连接方案；选定并安装联轴器；进排气附件安装设计要满足发动机工况并加装进气阻塞指示报警装置；具体安装形式和安装结构与相关设计者协调， 如有问题及时互相反馈。2.1.9钻杆装卸机构的设计国内现有水平定向钻机主要有人工装卸和自动装卸钻杆方式。人工装卸钻杆方式作业不仅效率低，而且增加了操作人员的劳动强度，但是钻机的设计成本和制造成本低，比较适合我国的情况。钻杆自动装卸机构可较方便地装卸钻杆，减轻操作者的劳动强度，提高工作效率，由钻杆、钻杆箱、起落架、伸缩梭臂、钻杆列数选择装置及托架组成。该机构一般采用柔性