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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，露天采矿等施工任务。国内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。国内部分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，但价格比较高，配件供应周期长，使钻机的保养维修出现一些困难。因此需要有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。针对上述问题，本论文通过在对多功能钻机变幅机构工作要求和设计要求研究的基础上，对几种典型已有的较为先进的多功能钻机变幅机构性能的对比，选择了一种较好的设计方案，并对其中的变幅油缸、回转支承、涡轮蜗杆等机构进行了详
2、细的设计，设计出了一种变幅范围大结构稳定的多功能钻机。关键字：多功能钻机；变幅机构，回转支承；变幅油缸Abstract At present, the main multi-purpose drilling rig is drilling, anchor holes, tunnel construction, tunnel construction, road construction,suirface mining and so on .Practice shows that the multi-function rig is not well adapted in different en
3、vironments with different construction sf the construction work. Some units of the introduction of foreign domestic vehicle hydraulic 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 dr
4、illing rig has some difficulties. Therefore, developed with independent intellectual property rights is needed, able to adapt to a variety of different construction environment, efficient multi-purpose rig .according to the above problem, this paper based on the study of the job requirements and des
5、ign requirements multi-function rig luffing mechanism , with several typical existing advanced luffing mechanism of the multi-function rig performance contrast, chose a better design, and for the luffing cylinder, slewing bearing, such as turbine worm mechanism has carried on the detailed design, de
6、sign a wide range of structure stability of the multi-function rig.Keywords:multi-functional;rig; Luffing mechanism;SM-5第1章 绪论1.1 课题研究的背景 改革开放以来，随着我国经济的迅速发展，我国在工业化发展道路上取得了长足的进步，其中在基础建设方面也取得了巨大的成就，然而伴随着这些发展的同时我们也遇到了不少的问题。近年来我国大规模修建铁路，从2009年到2020年铁路建设投资规模将突破5万亿元，这么大规模基础设施建设过程中所面临的地质勘探难度也越来越高，不少隧道都埋超过5
7、00m的地下，勘探设计所面临的困难也越来越高，而由于当前所用设备达不到勘测所需满足的要求，这就直接导致了勘测准确性不高，因此做好超前地质探测在隧道施工过程中的重要性也越来越突出。目前隧道、地铁的工程施工过程中的安全性虽然已经有了较大的改善，但是施工中所面临的安全形势依然不容乐观，而且并没有从根本上改变安全基础工作薄弱的局面，隧道施工安全问题尤其突出，如果在施工过程中能够应用一种集隧道管棚，隧道注浆，隧道救援，地质灾害治理等功能于一身的工程机械，将可有效减小施工安全事故的发生。自二十世纪九十年代后期以来，地源热泵空调技术在国内的工程应用逐渐增多，后来地热泵空调技术又被中美两国纳入其可再生能源和能
8、源效率合作项目中，使这一技术的应用得到进一步的推广。我国地源热泵空调技术大多数一浅层地温为地热来源，而在地源热泵空调工程施工过程中，在工程施工造价中地埋管井施工站着较大的分量。同时地埋管井施工具又具有如下特点:钻孔密度大、质量要求高、数量多、工期紧的特点，因此，开发一款能够有效满足地埋管孔工程的施工需求，并兼顾锚固施工、工程勘查等施工工艺要求的高效、轻型、适用于冲击、回转等钻进工艺的多功能钻机显得很有必要。在现在的基础设施建设以及在各种采矿工作中，钻机的应用范围逐步增广，所需施工的工作场地环境也变得日益复杂，其中大部分工作场地都分布到了丘陵、山地和戈壁等地形之中，能够在所面临的工作环境下快速的
9、完成钻孔的施工任务，成为了一道摆在施工方面的难题，同时也成为了摆在机械设计工作者面前的一道难题。目前，由于国内技术水平的发展速度与用速度的限制和引进国外先进多功能钻机成本较高的情况下，在国内工程施工中许多施工单位都还是采用汽车钻机施工，而在施工过程中汽车钻机又存在着许多缺点： (1)该钻机只能实现竖直钻孔施工，难以实现倾斜钻孔； (2) 该钻机对场地要求苛刻，在有些场地中施工困难或无法施工，如当坡度较大时汽车钻机就会因为难以定位而无法工作； (3) 适用地层比较少，对沙砾层，岩石层等底层无法施工； (4) 该钻机所需施工人数较多，而且施工人员需要不断使用大锤敲击钻头来实现土石的排出，工作强度大
10、，从而也导致了施工成本的增加。总之，随着经济的发展对各种工程机械的要求也越来越高，为了能够满足多种不同的施工需求，同时又能适应复杂的地形，这样就对一种具有高性能又能实现多用途的多功能钻机产生了强烈的需求。1.2 多功能钻机的结构、原理及其工作性能 多功能钻机可以其按照工作机构动力的来源进行分类，一般可分为风动式、液压式、内燃式和电动式。但目前市场上的多功能钻机普片采用液压凿岩机，因为其具有消耗能量少、钻孔效率高、噪音低等优点。 多功能钻机也可按照破岩造孔方式进行分类，可分为回转式、冲击式以及回转冲击式，目前使用最为广泛的是回转冲击式。而其冲击的方式又可以分为潜孔式和顶锤式。 经过这么多年的发展
11、，已有不少公司成功的掌握了多功能钻机的技术要求，并且相继推出了自己的产品，但其产品的结构和性能上多是大同小异。下面以意大利土力机械SM-5多功能微桩机为例简要介绍现代多功能钻机的结构和性能特点。 1.2.1 结构 现代多功能钻机主要包过底盘结构、变幅机构、桅杆机构、夹/换桩机构、动力头装置、操作台与机电一体化系统、回转偏摆机构组成，如图1-1为意大利土力机械SM-5多功能微桩机的结构图。 从仿真建模的角度来讲，多功能微桩机主要可以分为四个部分：液压系统、操作系统、机械系统、动力系统。作为一个有机的整体多功能钻机的性能与各个系统的质量和相互之间的配合有着紧密的关系。（1）液压系统 多功能钻机所需
12、要完成的所有动作都必须在液压系统的参与下才能完成，如：机器的行走、变幅机构的变幅、钻头的钻进、平台的回转等。根据所需完成的动作的要求，通过油管把液压元件有机的连接之后便成了能够实现所需功能的液压系统。 液压系统的能量都来自于柴油机，其通过液压泵把储存有液压能的液压油传输到各个马达和油缸，马达和油缸又将液压能转变为机械能，从而将能量传递到了各执行元件实现所需完成的动作。液压系统性能的好坏对多功能钻机性能起着决定性影响。（2）操作系统多功能微桩机的操作系统是对柴油机、液压元件、和执行元件起控制作用的装置，操作平台通过管路连接到每一个执行元件上，通过控制液压手柄来控制各元件的运动。（3）机械系统 多
13、功能微桩机的机械系统是钻机的主体部分，主要包过各执行元件，如：履带式行走装置：钻机的机身和支撑行走部分，它使钻机可以做一定距离的行走，方便了搬迁，减少了钻机工作所需要的辅助，提高了钻机的工作效率，同时它也是各种外加载荷和钻机自身重量的承受者。 回转装置：在钻机施工过程中，可以是钻机在同一位置对周围多个工作点实施多角度施工。 工作装置：是钻机完成任务的主要部分，主要包过机身、卸扣器、夹持器、回转器等。在钻机钻机的过程中，工作装置为钻机提供动力。当需要卸下钻杆时，可以通过工作装置拧卸钻杆。1履带底盘 2机体 3底座液压支撑腿 4回转支承 5桅杆机构 6 旋转台 7动力头 8机臂 9下夹紧器 10卸
14、杆器 11控制台 12卷扬图1-4：意大利SM-5小型多功能钻机的实体图 （4）动力系统 通常工程钻机用于施工的地点大多是在野外，而在野外的环境条件下白昼之间温度变化比较大，钻机在钻机过程中所受冲击和载荷通常也比较大，还容易产生较多的灰尘和污杂物给维护带来不便，因此普片采用柴油机来为工程钻机提供动力。柴油机具有工作性能稳定、能源消耗经济、维修方便等特点。1.2.2 工作原理 多功能钻机是一种以钻头进行钻进工作的工程机械，现在所用多功能钻机大多数都采用的全液压驱动系统，其运动主要依靠主泵供油给液压缸和马达，通过液压缸的伸缩和液压马达的回转来实现。下面大体介绍各机构的工作原理： （1）动力头装置：
15、动力头装置可以在多功能钻机钻进过程中向主轴回转和冲击动力的作用，这两项功能既能够配合使用也能够单独使用，这样就能够满足不同的施工环境下所要求的钻进工艺。多功能钻机动力头所用的马达通常都具有低转速和大扭矩的特点，能够很好地满足钻进所需要的动力条件。当钻机是在较为松软的完整底层钻机是，可以只用会钻钻进。而如果在厚而硬的堆积体和破碎层钻进时，就可以开始回转和冲击功能。 (2)给进机构：在钻机工作时钻机的给进机构会给钻具提供一个推力，使其研导向架方向钻进，根据所采用的钻进方法、钻头类型、钻孔直径、岩层性质来决定钻头所需钻压的大小。根据不同的条件给去最优钻压，这就需要给进机构能够随着孔深的变化来调整给进力，从而起到稳定孔底钻压的作用。而在非钻进过程中，给进机构还需要能够完成倒杆任务，能够顺利提东或悬挂钻具，有时候在遇到一些事故时还需要能够强力起拔。 变幅机构会在下一章中着重介绍，而机身部分与到部分工程机械的机身部分类似，在此不做详细介绍。1.2.3意大利土力机械SM-5多功能微桩机的性能特点： （1）可变履带间距的旋挖钻机专业底盘，底盘履带总宽度可扩展，利于钻机的稳定性。三齿片履带板，低重心及配重的可调整设计布置，既
