牙轮钻机钻架机械结构设计开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

  1. 目的及意义(含国内外研究现状)

    1.1目的及意义

    现阶段,世界上矿物产量的 2/3 是在露天矿开采的,牙轮钻机是采矿的主要设备之一。牙轮钻机在钻孔设备中有独特的优势,钻孔高效和安全可靠等优点使其广泛应用于各种钻孔环境。

    我国对牙轮钻机进行了长时间的探索和研究,先后生产了多款钻机产品,但是不能完全满足国内市场需求,与国外同类产品相比,差距明显。当前国内、外牙轮钻机的发展趋势有:(1)加大钻孔直径,一般认为钻孔直径保持在250~311 mm的范围是合适的;(2)加大轴压力、回转功率和钻机重量,实行强化钻进;(3)采用高钻架长钻杆,减少钻机的辅助作业时间;(4)使钻机一机多用,能钻倾斜炮孔,以满足采矿工艺方面的要求;(5)采取措施,提高牙轮钻头的使用寿命;(6)发展电力传动,采用静态控制驱动交、直流电机;(7)改善司机的劳动条件,增加司机室的舒适程度;(8)提高钻机的自动化水平,全面提高钻机的经济效益;(9)采用PLC-视屏系统,可随时向司机提供运转的各种性能参数。

    牙轮钻机工作装置中,钻架是重要的受力部件,承受着回转小车传递的轴压力和回转扭矩,还承受着回转小车和钻具的冲击和振动。目前,对于钻架的研究主要集中于静力学分析,钻机工作过程中,还会承受复杂变化载荷。为了全面的对钻架结构设计做出合理分析,对钻架静力学和动力学特性进行分析研究就显得十分必要。牙轮钻机工作过程中,钻架是主要的承载装置和导向装置。因此,对于牙轮钻机钻架结构的研究,可以提高钻孔效率和精度,保证钻机的正常工作有重要意义。

    钻架作为牙轮钻机的重要工作装置,主要用于安装加压回转机构、送杆机构和其它辅助机构,保障钻机的正常工作。钻架在工作过程中要承受复杂的载荷,还要受各种冲击和振动,因此钻架结构需要有足够的弯曲强度、良好的扭转强度和一定的抗疲劳能力。

    在本次设计中,以牙轮钻机的钻架为研究对象,对其结构进行分析,再对其进行静力学和动力学等研究分析,验证设计的合理性,为后续的优化设计提供参考。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内牙轮钻机的发展现状

我国是从 20 世纪 70 年代开始研制牙轮钻机,经过不断地改进和淘汰,最后形成了 YZ 和 KY 两大系列,共 12 个型号。

(a)KY250型 (b)YZ55型

图1 国产牙轮钻机

洛阳矿山机械工程研究院在 1991 年设计了全新的 KY250B 型牙轮钻机,该钻机充分吸收了国外的先进技术,在回转小车上采用了加压马达,既可以做到恒速钻进,也可以保证恒压钻进。

衡阳有色冶金机械厂吸收国内外牙轮钻机的技术优势,从上世纪八十年代起,与原东北工学院、原北京钢铁学院等单位合作开发了 YZ 系列牙轮钻机,它包括YZ-55、YZ-35 和 YZ-12 型牙轮钻机。与国外同类产品比较,YZ 系列牙轮钻机性能和使用效果达到了国际同类钻机的水准,YZ-35 型牙轮钻机代表了当时国内最先进牙轮钻机。

国内牙轮钻机技术水平的不断提高,钻机的钻孔效率和性能得到改进,国产牙轮钻机经过从无到有的过程,在某些方面还形成了自己的特色。但是国产牙轮钻机与国外先进牙轮钻机相比,还有明显差距。我国牙轮钻机的设计缺少原创性,需要制定自己的钻机设计准则。

1.2.2国外牙轮钻机的发展现状

牙轮钻机作为一种露天钻孔设备,目前国外生产牙轮钻机的国家主要是美国和俄罗斯。其中,美国生产的牙轮钻机种类最多、技术最先进、生产数量也最多,目前得到了市场的广泛认可。钻机具体分类见下表:

分类

特点

小型钻机

中型钻机

大型钻机

特大型钻机

钻孔直径/mm

≤150

≤280

≤380

>445

轴压力/KN

≤200

≤400

≤550

>650

大型钻机钻孔直径一般为 280-380mm,露天矿山一般用钻孔直径 200mm 以上的钻头来工作。

美国牙轮钻机厂商主要有:比塞洛斯公司(B-E,卡特彼勒收购)、英格索兰(IR,阿特拉斯.科普柯公司)和 Pamp;H 公司(久益国际收购)。十九世纪六十年代 B-E 生产了第一台商用电动牙轮钻机,该公司主要生产了三种系列的牙轮钻机:49-R、65-R和 67-R,这三种牙轮钻机代表了 21 世纪牙轮钻机的最高水平。49-R 牙轮钻机的主要技术优势:电动无链齿轮齿条加压系统、履带行走系统、螺杆空压机和 PLC 管理控制系统。在 49-R 的基础上开发了 59-R 型牙轮钻机,该型牙轮钻机在钻进速度、履带架、加压提升机构等方面做了进一步的改进。Caterpillar 公司收购 B-E 公司后将产品

进行了重新定名,定为“MD6XXX”系列,如图2所示。

英格索兰公司生产的主要是全液压牙轮钻机,主要生产了 DM-25、DM-H、DM-M等型号。牙轮钻机工作系统采用全液压驱动,整机动力采用柴油发动机或者电动机。该公司的 PV351 型牙轮钻机采用了多种先进的技术,其中钻机检测系统(IRDMS)能够及时监视钻机孔深、钻进速度、压力和温度,保证了钻孔工作的连续性,提高了牙轮钻机的工作效率。

(a)MD6290型 (b)MD6640型

图2MD系列牙轮钻机

加登纳-丹佛(G-D)公司从 1970 年开始先后研制 GD120、GD130 和 GD70 等型号的牙轮钻机,生产系列化的大中型牙轮钻机。GD120 和 GD130 参考 B-E 公司 60-R,进行了较大改进研发而成,其中改进型 GD-120 钻机是当时世界上最大的钻机。

(a)250XPC型 (b)320XPC型

图3 乔伊公司牙轮钻机

乔伊(Joy)公司先后生产出了 58BH 等多种型号的牙轮钻机。965-BH 和735-BH 型钻机采用先进的液压马达驱动,钻孔直径为 230~270 毫米。乔伊公司对牙轮钻机进行了改进,例如牙轮钻机 250XPC 和 320XPC 型,该型牙轮钻机结构如图3所示。

苏联从上世纪六十年代起,先后研制了三十多种型号牙轮钻机,虽然数量很多,与美国相比技术水平差距比较大,主要有 CBⅢ-250MH、CBⅢ-320 和 BAⅢ-320 型牙轮钻机牙轮钻机。这三种牙轮钻机适用于不同硬度岩石的钻孔,轴压分别 30、60和 90 吨。矿山技术设备公司在 1945 年开始设计重型牙轮钻机,主要生产了SBSH-G-250和SBSH-270-IZ 型牙轮钻机,这三种系列的牙轮钻机属于中型牙轮钻机。

豪斯赫尔公司是一家德国牙轮钻机生产商,生产了 HBM 系列钻机。该钻机在设计上更为先进,采用了 ROPS、回转工作平台、钻架伸缩式和密封液压循环系统等先进技术,提高了钻孔效率。其中 HBM160、HBM250 和 HBM300 分别为小型、中型和大型牙轮钻机。

2. 研究的基本内容与方案

  1. 研究设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

    2.1基本内容与目标

本次毕业设计的基本内容为设计一种牙轮钻机的钻架结构,对其起落机构进行受力分析,再对钻架的不同工况进行有限元分析,建立钻架的三维模型,分析钻架在卡钻、正常钻进、卡钻提升等情况下的受力情况,并进行受力分析与有限元分析,或者针对某些工况提出优化设计的方案。

本次设计的目标是设计出一种结构合理、满足强度与刚度要求、材料充分利用、整体重量尽量轻的钻机钻架,同时不降低其整机性能。

2.2钻架结构的设计方案

钻架装置一般用于安装加压回转机构、送杆机构、稳杆器以及其它辅助结构,它是钻机在工作过程中的承载装置,需要承受钻杆和回转小车的自重,也要承受作业过程中的支反力。

钻机种类有很多,机型间结构也各有不同,但是对于钻架的要求相同。钻架工作过程中,要有足够的强度和抗变形能力。钻架内部有足够的空间,回转小车、送杆机构工作过程中不会产生干涉,保证钻孔的精确性,提高牙轮钻机的工作效率。

在进行本次毕业设计的方案之前,应先拟定设计的流程图,本次设计的流程图如下所示:





2.2.1钻架断面形式的选择

钻架的断面形式主要分为开口型结构和闭口型结构。

开口型结构的截面尺寸较大,这种结构可以将钻杆架和加压回转机构放置在钻架的内部,方便布置和拆装钻架里面的各种装置,这种形式钻架目前已经在大多数钻机上得到了应用。

闭口型结构,当钻杆架和送杆机构等装置不必安装在钻架内部的时候,可以选用这种断面形式,这种结构有受力平均、重量轻和体积小等优点,但是这种形式钻架的内部零件的更换和维修会有很大的困难。查阅得出钻架的各种断面形式如下图所示:

(a)HYZ-250A (b)KY310

(c)45-R (d)YZ35

(e)KX150 (f)73-200

考虑到钻架内部零件的安装、更换和拆卸等,在本次设计方案中选用开口型结构并对其进行适当地修改。

2.2.2钻架结构形式的选择

钻架的结构形式有衍架式、板架式和板箱式三种。

1、桁架式结构,钻架结构采用矩形钢管、角钢和槽钢焊接而成的桁架结构,四根立柱主要采用焊接矩形管。这结构增加了钻架的整体刚度、强度和稳定性。其结构如下图(a)所示。

2、板架式机构,该结构以方形钢管骨架,并以5mm 厚钢板焊接在钻架两侧。该结构可承受的扭力增大了 10 倍,保证了钻架的整体刚度,但是增加了侧向风对于钻架稳定性的干扰,影响钻孔的精确度,增大了钻架质量和成本。其结构如下图(b)所示。

3、板箱式结构是以两个箱形柱体结构组成,结构简单,刚性好,但是受侧向风影响大,并且加工制造复杂。例如美国的 JOY 公司牙轮钻机采用该种结构。

综上所述,三种钻架的结构形式都有自己的优势和不足,选取合理的钻架结构有利于提高整机性能和作业效率,综合三种钻架结构的优点,本次设计方案中的钻架结构选择桁架结构。

(a) (b)

1-矩形钢管 2-角钢 3-钢板

3. 研究计划与安排

  1. 进度安排

首先进行开题报告的撰写,明确本次毕业设计的目的与最终需要完成的工作,之后在指导教师的指导下进行此次毕业设计,自觉查阅相关的资料,学习相关的软件。进度安排如下:

1-3周:完成开题报告及英文翻译

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4. 参考文献(12篇以上)

参考文献

[1]黄金龙.牙轮钻机技术改造的探索与研究[j].本钢技术.2017年1-6期.

[2]萧其林.现代牙轮钻机的设计与结构特点(一)[j].矿山机械.2007年2期.

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