凿岩台车 钻车的设计.docx

1、凿岩台车 钻车的设计液压凿岩台车的设计第一章：绪论1.1 问题的提出我国正处于社会经济大发展的重要时期, 国民经济结构中基础设施建设一直占有举足轻重的地位。近些年来, 在工程建设的众多技术领域中隧道和地下工程技术十分突出。据来自于各方面的统计资料表明,至2003年年底, 我国大陆已建成的铁路隧道有7400余座, 总长度4200km; 公路隧道1970余座,总长度近1000km; 已建成运营的城市地铁总长近200km。此外,还建成大批地下厂房、地下设施和LPG等洞库工程。从最近几年的建设规模和速度来看,铁路隧道和公路隧道分别约以每年300km和150km的建设速度在增长。正在规划、设计和建设中的

2、南水北调、西气东输和水电工程、LPG工程, 也为隧道和地下工程事业的发展带来了新的、更大的机遇。从隧道和地下工程的数量、规模和建设速度来看, 我国堪称世界之最。在这些隧道中, 中硬岩隧道占相当比例。采用的主要钻眼方法有人工手持风枪配简易台架钻眼法、凿岩台车钻眼法和隧道掘进机法。凿岩台车钻眼法在我国于20世纪80年代的长大隧道施工中被广泛应用，但90年代以后, 人工手持风枪配简易台架钻眼法又再次被广泛应用。对隧道施工而言, 开挖是施工成败的关键。人工手持风枪配简易台架钻眼法成本较低, 但是工人劳动强度大、劳动环境恶劣、施工效率较低; 凿岩台车有钻孔速度快、能缩短非钻孔时间、自动化程度高、施工安全

3、、施工质量高、隧道开挖作业工作环境较好、施工作业的机械化水平较高,能实施超前钻孔技术等优点1。凿岩台车是隧道及地下工程采用钻爆法施工的一种凿岩设备，它能移动并支持多台凿岩机同时进行钻眼作业。国外生产凿岩台车的公司有Atlas, Tamarack等公司。当今，我国的道路建设正处于高速度发展时期，隧道的掘进和地下工程的进行与凿岩台车是密不可分的，特别是高性能自动化的凿岩台车，计算机控制的凿岩台车是以后的趋势。而我国的凿岩台车的设计与制造与世界先进水平之间存在的差距是不容忽视的，不管是从外观还是内部性能，使用寿命。我国的道路建设和相关工程的高难度和特殊性又加强了对高性能凿岩台车的依赖性，我国每年都要

4、花大量资金从国外进口相当数量的工程机械，凿岩台车的进口就占其中的一部分，不仅花费了大量资金，台车的保养和维修也是一个难题。因此，这些残酷的事实告诉我们，靠别人不如靠自己，高性能凿岩台车的研发和制造在我国已是大势所趋，高性能凿岩台车将对我国的道路建设所带来的意义是巨大的。基于此，本次毕业设计为凿岩台车的设计2。凿岩钻车广泛用于矿山巷道掘进和回采作业、铁路隧道和国防工程等方面的施工。随着凿岩爆破工艺的不断改善，凿岩钻车在生产建设中愈来愈显示出它的优越性。如巷道断面大于10m2的凿岩作业、平巷掘进的直线掏槽法对钻孔平行度的要求，无底柱分段崩落法对钻孔角度的要求等，都是人力自由控制所难以保证的。但若采

5、用凿岩钻车进行凿岩作业，不仅完全可以满足上述各种要求，而且也为采矿过程自动控制创造了可能的前提条件。1.2 国外凿岩台车的研究及发展现状国外研制液压凿岩机始于20世纪70年代,先后有美国Ingersoll2Rand公司、Gardner2Denver公司、瑞典Atlas Copco公司、Linden2Alimak公司、芬兰Tamrock公司、法国Eimco2Secoma公司、德国Krupp公司和日本古河(FURUKAWA)公司等投入力量研制液压凿岩机及相关配套钻车。其中瑞典AtlasCopco公司和芬兰Tamrock公司生产的液压凿岩机及配套钻车最具代表性,占有60%以上的市场份额。截止目前,无

6、论是井下或露天掘进或采矿,都有相应的液压凿岩机供选用。如芬兰Tamrock公司80年代初液压凿岩机只有3个系列,目前该公司的产品已发展到7个系列,从小型手持式到超重型,品种规格齐全。在发展回转-冲击式产品的同时,适用于软岩上钻孔的纯回转液压凿岩机也得到相应的发展。尤其是瑞典Atlas Copco公司能够灵活地根据用户的某些特殊要求,在某种基型产品上稍加改进,就可以组装成专用产品,产品上的配套部件可随不同地区和国家的不同环境而改变,在轻型产品的研制中,大量采用塑料件来减轻整机的重量。液压凿岩机的外壳等多采用精密铸造,从而使机器的结构紧凑,布局合理,外形也较美观3 。如今AtlasCopco公司生

7、产的Cop系列液压凿岩机已经从Cop1022发展到最新推出的Cop4050型重型液压凿岩机, Cop4050的冲击功率可达40kW,装配于Simba4450系列全液压钻车上, 1993年成功用于瑞典卢基公司基律纳铁矿井下深孔采矿凿岩,钻凿孔径达115mm,这是传统的潜孔冲击器的工作范围。潜孔凿岩虽然能得到较好的孔直度,但速度较低。Cop4050能在两倍于潜孔凿岩速度的情况下,得到几乎全直的孔,并能使用通常的钻管、钎杆或二者的组合。Tamrock公司生产的HL4000系列大功率超重型液压凿岩机, 1984年在挪威年产2500万t的比约纳湖(Bjornevatn)铁矿装配Herbert钻车用于露天

8、矿山钻凿直径230275mm的炮孔,其凿速相当于同级牙轮钻机的116倍,而能耗仅为牙轮钻机的1/2。由于液压凿岩机具有节能、高效、成本低和作业条件好等显著优点,国外除地下凿岩已推广应用外,在中小型露天矿和岩石工程应用方面也有不小进展4。1.3 国内凿岩台车的研究及发展现状1980年由长沙矿冶研究院、株洲东方工具厂等单位研制成功我国第一台用于生产的液压凿岩机YYG80，装配于CGJ2Y型全液压钻车上在湘东钨矿进行了工业试验并通过了部级技术鉴定。由此拉开了国内研制液压凿岩机的序幕。相继有北京科技大学、中南工业大学、长沙矿冶研究院、马鞍山矿山研究院、中国矿业大学、煤炭科学院建井研究所、沈阳风动工具厂

9、、天水风动工具厂、衢州凿岩机厂和宣化风动工具厂等10多个单位开发研制液压凿岩机和配套钻车5，到了九十年代末期, 我国先后有YYG80、TYYG20、YYGJ145(仿Cop1038H)、YYT30、YYG30、GGT70、YYG80A、YYG90、YYG250A、CYY20(仿法国RPH200)、YYG90A和DZYG38B (仿Cop1238ME)等十二种机型通过了国家鉴定。其中冲击能在150J以下的5种，其余的7种冲击能均在150250J之间。可钻孔径大部分在4050mm之间，只有YYG250A、YYGJ145、TYYG20和DZYG38B型液压凿岩机可钻孔径大于50mm,最大可达120

10、mm。其中已形成量产的主要有YYG80、YYT30和YYG90A三种机型。12种型号中除3种为测绘仿制国外当时市场销售的机型外，其余都是我国自行研制的3。由中南工业大学研究设计，广东有色冶金机械厂制造的CGJ25 - 2Y型全液压钻车,装配两台YYG90型液压凿岩机,，1988年在汝城钨矿使用时，与铲插式装岩机、搭接式梭车组成掘进机械化作业线，创造了在214m216m断面中月进尺250m，掘进工效稳步超过1m/工班的好成绩， 1991年在桓仁铜锌矿创造过单台单班进尺5146m的好成绩6。与法国水星系列液压钻车配套的HYD200和HYD300液压凿岩机由莲花山有色冶金机械厂引进法国Eimco2S

11、ecoma公司技术生产，其国产化率已达95%，主要部件冲击活塞寿命可达2万m以上，各项指标均已达到国外同类机型的水平,已形成批量生产6。天水风动工具厂生产的CTJY12- 3型全液压轮胎式掘井钻车配置三台YYGJ145型大功率液压凿岩机、三个AB741型液压钻臂、AT1541型液压推进器及一个AF321型液压工作平台，是目前我国最大的具有80年代世界先进水平的地下掘进钻车3。从上述可以看出,我国液压凿岩机的发展走的是一条自主研发与引进消化国外先进技术相结合的道路,经过几十年的发展与探索已经初步形成了自己的产品规格与系列,达到了一定水平。但大多数厂家生产的液压凿岩机稳定性指标均在500m左右(不

12、拆机检修)，而世界先进水平的瑞典产品则规定为6 000 m。国内只有中国地质大学生产的DZYG38B型液压凿岩机样机的工业性试验才达到这一世界水平的指标3。因此，国内液压凿岩机与国际先进水平尚存在很大差距，引进机型现在尚未完全国产化,其关键零部件仍依赖进口。究其原因主要有如下几个问题:一是高速、高压下的密封结构和支承活塞运动的前、后导向套的结构；二是活塞、钎尾、导向套和密封材料的选择与应用,以及材料热处理和高精度加工；三是蓄能器隔膜的材料及寿命等。从而导致零件寿命低，密封不可靠，内外泄漏严重，以及活塞研缸和导向套咬合等故障，造成国产液压凿岩机可靠性指标下降7。1.4岩台车的发展趋势随着电液比例

13、技术和自动化技术的发展及其在凿岩台车上的应用，凿岩台车呈现出从机械化向自动化、环保化、多样化发展的趋势8。1.4.1凿岩台车的全自动化发展趋势随着液压控制和电子技术的发展和应用，凿岩循环已实现自动化，即自动开孔、防卡钎、自动停机、自动退钎、台车和钻臂自动移位、定位以及遥控操作系统等。全自动化的台车被称为凿岩机器人。由于这类凿岩机器人主要用于隧道的开挖，又被称为隧道凿岩机器人。挪威、日本、法国、美国、英国、德国、芬兰、瑞典及俄罗斯等国家的多家企业相继参与了全自动化凿岩机的研制工作。特别是近年来，液压控制技术和计算机技术的结合更促进了凿岩技术的进步，自动化凿岩及自动凿岩台车也相继出现，并已达到实用

14、化的程度8。1.4.2凿岩台车的环保化发展趋势为了降低噪声，保护操作人员的健康和改善工作环境，一般选用液压凿岩机。这是因为液压凿岩机噪声小，不会排出油雾和有害气体。与气动凿岩机相比，液压凿岩机还具有动力消耗少、能量利率高、凿岩效率高、没有排气噪声等优点。但是，液压凿岩机产生的噪声声压级仍高于90dB(A)，达到100dB(A)左右，且声能主要集中于1 kHz一5kHz频率段，仍在人耳敏感频率范围内。若不采取噪声防护措施，对施工人员的身体健康仍然有害。液压凿岩机的噪声源主要有冲击机构产生的噪声、回转机构产生的噪声和钎头破碎岩石产生的噪声。液压凿岩机的噪声主要由结构噪声引起，液压凿岩机结构间隙、蓄

15、能器参数、撞击材料的特性以及连接件的松紧度等都是影响液压凿岩机噪声的因素。要降低液压凿岩台车的噪声，应综合采取多种措施。目前除了对液压凿岩机结构进行技术攻关、技术改造外，还在远距离有线无线控制和设计研制全隔音驾驶室等方面取得了很大突破8。1.4.3凿岩台车的多样化发展趋势目前世界上各大公司液压凿岩台车的钻臂、推进器和操纵系统等主要部件都已实现标准化和系列化。适用范围广，零件通用率高，可根据用户的不同要求组装成各种型式的台车，实现了品种的多样化，同时缩短了产品设计周期，产品更新换代快8。国外大型台车有定型和非定型两类。定型台车的工作断面规格、钻臂及其布置、凿岩机、推进器配套规格，钻臂安装基座构件

16、型式、钻车底盘等均是定型的。当定型钻车不能适应工程要求(主要是工作断面、凿岩生产率和臂数不足)时，则采用专门设计的非定型钻车。它的主要工作部件如钻臂、凿岩机、推进器等与定型钻车是通用的，不同之处在于根据用户对掘进尺寸、形状、掘进速度等不同的要求选配钻臂数、钻臂在断面的布置、安装基座构件型式、底盘型式、举升工作平面数量、液压系统等8。另外为了适应各种施工的需要，凿岩台车还向着大型化和小型化的方向发展。1.5 本次设计的主要内容本次设计的主要内容是凿岩台车的结构设计和建模，包括液压凿岩机的设计、车桥及传动的设计、液压系统的设计以及工作机构的设计。我们是一个小组分工合作完成。液压凿岩机是凿岩台车的核

17、心工作部分，属于工作机构，实现最终的钻孔工作。如果把整个液压凿岩台车比作是一个人，凿岩机就可以是手。车桥及传动部分是整个台车的行走机构，实现在台车在工作时的运动，就像人体的脚的功能。液压系统为台车的一些机构提供运动的动力，同时也是各个机构工作的控制系统。就好比是人体的肌肉和神经系统。凿岩台车就是把一个或多个凿岩机与一辆机车联结起来，以提高凿岩机的工作效率和质量，同时也减轻施工工人的负担。而这个联结凿岩机和机车的部分就是工作机构，相当于人体的手臂。通过控制这个“手臂”的运动来控制凿岩机的空间位置和运动，最终获得要求的施工效果。工作机构是凿岩机工作的传动装置，对凿岩台车能不能工作以及工作的效率的质

18、量有着至关重要的作用。作者本次毕业设计的内容就是研究和设计凿岩台车的工作机构。图1-1 DZ10型全液压掘进钻车第二章：凿岩台车的结构、原理和部分零部件的选型将一台或几台凿岩机连同自动推进器一起安装在特制的钻臂或钻架上，并配以行走机构，使凿岩作业实现机械化。凿岩钻车可分为平巷掘进钻车、采矿钻车、锚杆钻车和露天开采用凿岩钻车等；按照钻车的行走机构可分为轨轮、轮胎和履带式；按照架设凿岩机台数可分为单机、双机和多机钻车。2.1 总体结构和工作原理根据平巷掘进作业和钻孔布置的要求，以CGJ-2Y型全液压凿岩钻车为例，来说明凿岩钻车必须具备的主要组成部分和它们的工作原理。图2-1. CGJ-2Y型全液压

19、凿岩台车如上图2-1。凿岩钻车钻臂8的运动方式为直角坐标式。利用摆臂油缸12可使转柱套及铰接在其上的钻臂8与支臂油缸19绕转柱10的轴线左右摆动；利用支臂油缸可使钻臂绕铰点上下摆动，从而使用托架5铰接在钻臂前端的推进器4作上下左右的摆动。推进器亦可借助俯仰油缸20和摆角油缸6 作俯仰和左右摆动运动。推进器可使安装在推进器滑架上的液压凿岩机前进或后退。凿岩时，推进器将给凿岩机以足够的推进力。借助由支臂油缸、推进器俯仰角油缸和摆角油缸以及相应的液压控制系统等组成的液压平移机构，可以获得相互平行的钻孔。单独控制俯仰油缸和摆角油缸时，可钻凿具有一定角度的倾斜孔。通过翻转油缸使推进器绕油缸的轴心线翻转，

20、以便获得靠近巷道两侧和底部的钻孔。由于上述各机构的相互配合，即可在巷道断面内的任何部位钻凿各种方向的钻孔。在推进器的前方安有钎杆托架2和顶尖3，借以保持推进器工作时的稳定性。补偿油缸7可使顶尖始终与工作面保持接触。在钻车车体上还布置着油箱与油泵站、操纵台、车架与行走装置、以及液压、供电、供水、供气等系统。为使车体在工作时保持平衡与稳定，在车体上还装有前后支腿18与15。2.2 钻车工作机构工作机构主要由推进器、钻臂、回转机构、平移机构组成。如下图2-2所示。图2-2. 工作机构2.2.1 推进器推进器主要有钢绳活塞式、风马达活塞式、气动螺旋副式。推进器的作用是:在准备开孔时，使凿岩机能迅速地驶

21、向(或退离)工作面，并在凿岩时给凿岩机以一定的轴推力。推进器的运转应是可逆的。推进器产生的轴推力和推进速度应能任意调节，以便使凿岩机在最优轴推力状态下工作。钢绳活塞式推进器如下图2-3所示。2-3. 钢绳活塞式推进器2.2.2 钻臂钻臂是支撑凿岩机的工作臂。钻臂的结构和尺寸、钻臂动作的灵活性和可靠性等，都将影响钻车的适用范围及其生产能力。按照钻臂的动作原理:有直角坐标、极坐标和复合坐标三种。直角坐标钻臂具有钻臂的升降和水平摆动、托架(推进器)的俯仰和水平摆动及推进器的补偿运动等基本动作。这些动作分别由支臂油缸19、摆臂油缸12、俯仰角油缸20、托架摆角油缸6和补偿油缸7来实现。如下图2-4所示

22、。图2-4. 直角坐标钻臂直角坐标钻臂的优点是简单，易设计、生产和操作。但缺点是不够灵活且直观有死角。在实际生产中已基本被淘汰。极坐标钻臂是指钻臂2可以围绕安在车架前端的某一水平轴线旋转360。支臂油缸3改变钻臂与水平面的夹角。按布孔的要求，只需使钻臂2升降和旋转。托架4俯仰和推进器5补偿即可实现。如下图2-5所示。2-5. 极坐标钻臂极坐标钻臂的结构和操作程序均有所简化，油缸数亦有所减少。这种钻臂可用以钻凿直线掏槽孔，亦可钻贴近顶板、底板和侧壁处钻孔，从而大大地减少凿岩盲区。操作时直观性较差，司机看不到钎杆的运转情况，不易及时发现和处理凿岩时发生的故障。仍存在着一定的凿岩盲区。既能在直角坐标

23、内自由运动又能绕某一轴旋转360度的钻臂叫复合坐标钻臂。它有主副两个钻臂4和6。借助齿轮油缸1、支臂油缸2、摆臂油缸3和俯仰角油缸5等的调幅动作，可以钻出所需要的钻孔。可以克服凿岩盲区。如下图2-6所示。图2-6. 复合坐标钻臂复合坐标钻臂综合了直角坐标钻臂和极坐标钻臂两者的特点，它既能钻凿正面孔，又能钻凿两侧任意方向的钻孔和垂直向上的锚杆孔及采矿用孔。本次设计为了达到最优设计的目的，采用的是复合坐标钻臂。2.2.3 回转机构 回转机构主要可分为：摆动式转柱、螺旋副式转柱、极坐标钻臂回转机构几种。摆动式转柱的结构特点是在转柱轴3 外面有一个可转动的转套2。钻臂下端部和支臂油缸下铰分别铰接于转动

24、套上。当摆臂油缸1伸缩时，使转动套绕轴线转动，从而带动钻臂左右摆动。摆动式转柱结构简单、工作可靠维修方便。如下图2-7所示。图2-7 摆动式转柱摆动式转柱主要是用于直角坐标钻臂。螺旋副式转柱结构特点是转柱本身即是一个内部带有螺旋副的液压油缸。如下图2-8所示。图2-8 螺旋副式转柱螺旋副式转柱主要用于极坐标钻臂。极坐标钻臂回转机构采用齿条传动活塞油缸结构。由轴齿轮5、活塞杆齿条6、油缸2、液压锁1和回转机构外壳等构成。钻臂借助联接器与中空齿轮5相联，当向油缸一侧供油时，随着活塞的移动，通过齿条使齿轮转动，从而带动钻臂转动。为平衡齿轮的受力状态和提高其运转的稳定性多采用双缸结构。如下图2-9所示

25、。图2-9 极坐标钻臂回转机构这种回转机构的主要特点是机构紧凑、外形尺寸小、运转工作平稳而灵活，钻臂可绕自身轴线旋转360。 用于复合坐标钻臂。本次设计采用的就是极坐标钻臂回转机构。2.2.4 推进器平移机构在钻车中常用的平移机构有机械式平移机构和液压平移机构两大类。属于机械式平移机构的有:剪式、平面四连杆式和空间四连杆式等几种；属于液压平移机构的有无平移引导缸式和有平移引导缸式等。剪式平移机构因外形尺寸较大、机构繁冗和凿岩盲区较大，故巳被淘汰。2.2.4.1平面四连杆式平移机构常用的有内四连杆式和外四连杆式两种。两者工作原理相同。只是因四连杆机构安装在钻臂的内部或外部而有所区别。 内四连杆式

26、平移机构如下图2-10所示。当钻平行孔时，只需将俯仰油缸3处于中间位置即可。此时，因AB=CD、BC=AD，构成四边形ABCD的四个连杆实质上是一个平行四边形杆件系统。其中AB杆垂直于车架，CD杆垂直于推进器水平轴线。当通过支臂油缸4使钻臂升降时，AB杆与CD杆始终保持平行，使推进器的轴线亦始终保持平行状态，从而获得一组相互平行的钻孔。当钻倾斜钻孔时，只需向俯仰油缸3的任一侧输入压力油，使连杆2伸长或缩短，即可获得相对应的向上或向下的倾斜钻孔。 图2-10 内四连杆式平移机构2.2.4.2 空间四连杆平移机构 如下图2-11所示。图2-11 空间四连杆平移机构棱柱形体的空间四连杆平移机构是由M

27、P、NQ、OR三根相互平行而长度相等的连杆，通过球铰与两个三角形端面相连接。该棱柱体即是钻臂。 当钻臂在支臂油缸作用下升降时，利用棱柱体的两个三角形端面始终保持平行的原理，铰接的活动端使推进器始终在垂直平面与水平平面内平移。2.2.4.3 液压平移机构 如下图2-12所示。图2-12 液压平移机构液压平移机构的使用原理是使平移引导油缸2与俯仰油缸5两者作并联连接。当钻臂1在支臂油缸4作用下升起(落下)一个角度时，平移引导油缸2的活塞杆即被拉出(缩回)。此时，引导缸某腔中的压力油经油路将排入俯仰油缸的相联通的腔中，并使后者的活塞杆缩回(伸出)，从而使推进器下俯(上仰)角。在设计时，通过合理地确定

28、两油缸的安装位置，即可得到如下关系：2.2.4.4 无平移引导油缸的液压平移机构如下图2-13所示。图2-13无平移引导油缸的液压平移机构这种机构的工作原理是在设计时，严格控制支臂油缸在钻臂和回转支座上的安装尺寸与俯仰角油缸在钻臂和托架上的安装尺寸之间保持一定的比例，并通过相应的油路系统以实现 ：液压平移机构的优点是结构筒单、尺寸小、重量轻和工作可靠，且适用于各种不同结构的大、中和小型钻臂，平移精度较高。本设计采用的是液压平移机构。 第三章：部分零部件的SolidWorks建模与装配3.1 齿轮复合回转机构中齿轮各参数如下表3-1所示。表3-1 齿轮参数键槽齿轮最终图如下图3-1所示：图3-1 齿轮3.2 齿条图3-2 齿条3.3 前端盖 图3-3 前端盖3.4 轴图3-4 轴3.5复合回转机构装配体图3-5 复合回转机构装配图图3-6 复合回转机构装配图