全液压钻机毕业设计.doc

1 绪 论1.1 选题的意义 本设计选择了液压钻机的设计，主要原因是当前我国地质勘探、工程建设和农田水利等事业正在逐渐完善，对各种钻探设备尤其是钻机提出了更多的要求。现在市场上流行的钻机中以液压的钻机为主，这些钻机在承担各种煤矿爆破项目中起到了至关重要的作用。但是，我们通过调查和了解发现，随着生产建设项目的扩大，市场对上钻探的液压钻机的需求量正在逐步上涨，尤其是全液压钻机，市场前景更加乐观。全液压钻机的设计不仅对钻机这个生产行业有着重要的经济意义，同时间接推动了我国国民经济的发展，意义十分重大。 1.2 钻机概述1.2.1 钻机的功用 钻探是地质勘探工作的重要手段之一。钻机是实现该手段的主要设备。其基本功用是以机械动力带动钻头向地壳钻孔并采取岩矿心。钻机同时还是进行石油、天然气勘探及开采、水文水井钻探、工程地质钻探等工程的重要设备。1.2.2 对钻机的要求 钻机的技术性能要保证在施工中能满足合理的工艺要求，以最优规程，达到预计的质量要求；维护保养简单容易；安装拆卸搬迁方便；利于快速钻进；钻进辅助时间短；钻孔施工周期短；体力劳动强度低等。概括起来说，是钻机要为多、快、好、省地完成钻探生产任务创造有利条件。 根据钻机的基本功用，对钻机具体要求如下：1.通过回转钻具等钻进方式将动力传给钻头，使钻头具有适合钻进规程需要的转速及调节范围，以便有效地破碎岩石； 2.能通过钻具向钻头传递足够的轴心压力，并有相当的调整范围，使钻头有效地切入或压碎岩石；3.能调整和控制钻头给进速度，保证连续钻进； 4.能完成升降钻具的工作，并能随着钻具重量的变化而改变提升速度，以充分利用动力机的功率和缩短辅助时间； 1.2.3钻机的组成 目前常用的钻机由如下各部分组成： 1.机械传动系统 将输入的动力变速并分配到回转、升降机构。对与液压钻机还要有驱动油泵，以使液压系统工作的装置。 2.液压传动系统 利用油泵输出的压力油驱动马达、油缸等液动机，以使立轴回转和控制给进机构、移动钻机、松紧卡盘等； 3.回转机构 回转钻具，以带动钻头破碎孔底岩石。 4.给进机构 调整破碎岩石所需要的轴心压力和控制给进速度。在出现孔内事故时，可以进行强力拔出。 5.升降机构 用于升降钻具（提取岩心和更换钻头）和进行起下套管等作业。 6.机架 支承上述各机构及系统，使之组装成一个整体，成为完整的机器。1.2.4钻机的分类和名称随着钻探工程在国民经济各部门中的广泛应用，钻机类别和型号也在增多。为此将钻机实行科学分类和确定名称，对识别、评价和选择钻机是很有意义的。 1.分类；按用途分类 按用途不同，可将现行广泛使用的钻机分为三大类，即地质勘探用岩心钻机；石油钻探用钻机；专用钻机（水文水井钻机、物探钻机、工程钻机等） ；按钻机标准钻进孔深分类 根据不同孔深范围，将各种不同钻进孔深的钻机分成三类或四类。 按三类分见表 11。 表 11 （m） 类别浅孔钻机中深孔钻机深孔钻机1030030080080012001030030080010002000按四类分类见表 12。 表 12 （m）浅孔钻机次深孔钻机中深孔钻机深空钻机10150200400500800900 以上按原来地质总局设备管理分类 钻机可分为六类，即浅孔钻机、岩心钻机、石油钻机、水文水井钻机、汽车钻机和砂矿钻机； 按装载方式分类 可以分为滑橇式、卡车式、拖车式； 按破碎岩石方式分类 可分为回转式、冲击式和冲击回转式； 按回转机构型式分类 可分为立轴式、转盘式、动力头式； 按进给机构分类 可以分为手轮（把）式、油压式、螺旋差动式、长油缸式、油马达链轮式。 2.名称 钻机的名称是按照钻机综合特征及主要性能，以汉字拼音字母及数字编排成的代号来表示的。通常把这种代号称为型号，并以铭牌指示在钻机上。国产钻机名称一般有三部分组成： 首部为用途类别和结构特征代号， 如用汉语拼音中的一个字母表示。 “X”是汉字“心”的拼音首字母，表示钻机用于岩心钻进。 “U”是汉字“油”的首字母，表示给进机构类型属于油压式。 中部为主要性能参数代号，用钻机标准钻进深度数字表示。如标准钻进深度为200米的钻机，中部代号为 200。 尾部为变型代号，可用汉语拼音字母中的一个字母或数字为代号。无尾部的是指首次产品。如是第二次修改后的产品，尾部代号为2。 。1.3国内外液压钻机的发展水平1国外发展水平国外生产液压轻便钻机厂家较多，下面以TD-150S型钻机为例。就国外液压钻机的发展水平作一介绍。TD-l50S全液压钻机，是法国AM G公司根据现场实践设计的，并反复改进的典型钻机。在法国、美国、墨西哥和中国的西部、新疆、内蒙古等地多年使用，反应良好。对难以涉足的山地和丘陵地区有较强的适应性。1.1性能特点TD-150S轻便钻机主要适应于山地、丘陵山高水缺地区的中硬以上的地层。具有山地钻机的特点：全液压无级调速和调压、空气洗井、泥浆洗井、钻井方式可以采用多种形式。可选用牙轮钻头、麻花钻头、潜孔锤等工具因而根据不同的岩层选择最佳方式、转速和钻压。该钻机采用空气压缩系统和潜孔锤及其组合快速装卸方式，以便中硬、硬岩层及缺水地区的钻井，具有独特性和较强的适应一性。1.2结构特点TD-150S液压轻便钻机为单体挂式组合及快速接头连接，整机机组质量949 kg，可分解为11个部件，最重的部件为95 kg，符合每单体重量可由两人在山地搬迁的原则。采用双缸四冲程汽油机。直接驱动双联泵。液压组合控制阀采用硬质铝合金整体和拼装相接合的方式其强度和重量得到控制。液压控制阀与液压油箱组合成同一单体+阀件采用标准件，液压油箱采用铝合金，利于散热：液压钻机采用顶驱方式和硬铝合金嵌入式水龙头，这是液压钻机优于机械钻机的独特结构。2国内发展水平 80年代末，四川石油管理局在引进加拿大液压山地钻机CT-155型的基础上，测绘研制了DY一30型山地全液压钻机。90年代初成功地投入了山地地震勘探。DY-30型钻机具备了全液压无级调速和调压，空气洗井、空气胞沫洗井、泥浆洗井、回转切削、击方式或两者复合方式钻进的特点，可以根据不同岩层选择最佳转速钻压和方式钻进。且采用挂式组合及快速穿销连接，拆装快速简便；整机重839 kg，可分解为10-20个独立的单元部件，每个部件可由两名搬运工搬迁于山地之间，使地震勘探能深入到以前难以涉足的禁区。DY-30型钻机的能已达到国外80年代的先进水平，功能齐全尚属国内首创。除DY-30型钻机外，还有总公司物探局徐水机械厂生产的山地液压地震钻机。北京探矿机械厂近期推出专利产品橡胶履带车式XYLI型钻、衡阳探矿机械厂的XJ lI0-1型、长沙探矿机械厂的QPY-30型钻机等。均属液压给进、机械卷扬提升钻机，在机动性强、拆装简便、操作方便、易维修等方面，与国外钻机相比差距较大。2 钻机的总体设计2.1 本设计钻机的应用场合 LWD-90型矿用钻机广泛适用于冶金、矿山、煤炭、水电建设、道桥、国防施工等露天土石方工程爆孔的钻凿。也可简单地通过更换钻杆、钻头，配置空压机、气动冲击器变为旋转钻机或潜孔钻机来使用，因此，LWD-90型冻土钻机其实是一款多功能多用途钻机。2.2设计方案的确定 2.2.1本设计钻机的特点 LWD-90型矿用钻机是一台采用柴油发动机为动力源的全液压驱动钻机，机动灵活，作业范围广，其履带行走，钻具回转、加压、钻架升降、钻架补偿、钻架水平摆动和前后倾斜均采用液压驱动，动力强劲、保护系统完备，调速范围广、操控容易简单、可靠性高，适用范围广。2.2.2 总体设计方案的确定经过调研和几次方案论证，考虑到现场特点，从实用角度出发，确定方案如下： 1.井上和野外作业，动力选柴油机；2.考虑到有软岩石、硬岩石的钻进，除了正常的钻进速度外，增加高速100r/min；2.3 钻机的技术特性和要求2.3.1设计要求全液压钻机用于露天矿进行打孔作业，其钻杆的旋转、推进、起拔以及钻杆倾角的调整、固定等均由液压传动来实现。钻机工作时噪声大，钻机附近粉尘较大，整个工作环境相当恶劣。要求完成的主要设计内容包括：1) 根据钻机工况要求，拟定液压系统方案；2) 根据给定的技术参数，对液压系统进行计算，并对液压元件进行选型；3) 编写设计计算说明书(格式见附录)，并绘制液压系统原理图。4) 完成行走，回转，加压/提升，钻机升降，钻架补偿和收放支腿等动作2.3.2 设计参数已知该钻机的主要技术参数如下表所示，设计该钻机的液压驱动系统。钻孔直径 90140mm钻孔深度（单杆） 03.5m钻孔方向 0° 90°水平摆动范围 0° 30°钻具转速（发动机转速1000rpm时）100rpm（发动机转速1500rpm时）150rpm推进轴压35KN 钻具推进行程 3.5m回转扭矩（最大） 3200 Nm推进速度（发动机转速1000rpm时） 03.3m/min （发动机转速1500rpm时） 04.9m/min提升速度（发动机转速1000rpm时） 02.5m/min （发动机转速1500rpm时） 03.8m/min行走形式 液压驱动履带自行式行走速度（发动机转速1000rpm时） 1.5Km/h （发动机转速1500rpm时） 2.2Km/h 爬坡坡度 20°发动机功率90kw最大外形尺寸（长×宽×高） mm：钻架放倒时 4500×2400×2800钻架立起时 3500×2400×45002.4运动与负载分析2.4.1运动分析.主机由于矿山环境恶劣，工作条件差，所以要求该钻机动作准确，控制容易工作可靠。钻机主机部分结构如上图所示，钻头(图中未画出)装夹在回转头上。液压缸1用于支撑工作滑台并调节其倾角，使其在090°(水平向上)范围内升降；工作时，两台液压马达2和3共同驱动工作滑台上的回转头以带动钻杆旋转，同时推进缸4推动工作滑台前进。反之，推进缸4退回，同时钻杆反向旋转，以拔出钻杆。.钻机行走钻级行走可采用电动机驱动，但其调速范围小，力矩小，需要较大的减速器，工作可靠性差。也可采用液压马达驱动，能实现无极调速，调速范围大，力矩大，可靠性高，所以本设计拟采用液压马达驱动。液压马达按照结构可分为：1.齿轮式齿轮泵的优点: 它的主要优点是结构简单，制造方便，价格低廉，体积小，重量轻，自吸性能好，对油液污染不敏感，工作可靠等。其缺点是流量脉动大，噪声大，排量不可调。齿轮泵被广泛的应用于采矿设备，冶金设备，建筑机械，工程机械，农林机械等各个行业，而且还容易引起困油现象。2.叶片式叶片马达在机床、工程机械、船舶、压铸及冶金设备中应用十分广泛。叶片泵具有流量均匀、运转平稳、噪声低、体积小重量轻等优点。其缺点是对油液污染较敏感，转速不能太高。3.柱塞式结构较复杂，零件数较多，自吸性差,制造工艺要求较高，成本较贵，油液对的污染较敏感，要求较高的过滤精度，对使用和维护要求较高。因钻机负载大，因此应选用柱塞式液压马达。马达速度由换向阀开口大小来控制要求：行走马达要求最大扭矩8000N·m 行走速度：1.5-2.2Km/M 爬坡：15°所以拟采用压力16MPa.回转回转可采用电动或液压驱动。因液压驱动，若采用低速大扭马达，则可直接传动钻杆，钻具，钻头。若采用电机驱动，则必须装配减速机。为了简化结构，减少传动环节，提高可靠性，增大调速范围，实现无极调速，提高，钻机队矿山复杂多变的地质条件的适应性，拟采用低速大扭矩液压马达来实现回转。要求：回转力矩 3000N·m 转速 100-150 r/min由于回转力矩大拟采用柱塞式马达。回转速度由换向阀开口大小来控制。.加压/提升最简单的方式是才用液压缸来实现。要求：加压35KN 提升10KN 速度加压05m/min 提升05m/min液压缸的类型有：单杆活塞（单作用式（靠外力或重力回程）双作用式（往复运动都靠也压力）。.其他动作其他动作即为辅助动作，包括，钻架的升降（即立架和落架）、右后/右后支腿架上下补偿采用单杆双作用液压缸来实现，考虑到在钻孔过程中的稳定性，则在辅助动作回路中设计双向液压锁来将油缸活塞杆锁定在所需要的一个位置上。.控制阀为了提高钻机的可控性，拟采用液控手柄和多路阀来实现流量和方向的控制，满足钻机的动作要求。方向阀分：单向阀，液控单向阀和换向阀。换向阀分滑阀和钻阀滑阀分手动换向阀、电磁换向阀、液动换向阀、电液换向阀、机动换向阀、液压比例换向阀、电磁比例换向阀。另按通油口油路分：二位三通、二位二通、三位四通、三位五通、三位六通等。“位”即阀芯相对于阀体的工作位置数目“通”即阀所具有的油口数目，也就是接口接几根管就是几通。换向阀拟采用液控比例换向阀。先导阀采用比例手柄手柄动作则成比例的换向阀动作（换向阀芯移动量和移动方向）2.4.2负载分析在全液压钻机工作前，支撑缸调节滑台倾角，工作时推进缸推动滑台前进，最大推进力30kN，最大起拔力10kN。液压缸的类型有：单杆活塞（单作用式（靠外力或重力回程）双作用式（往复运动都靠也压力）。 在钻杆没接触到待钻物时，滑台以较小的负载力和较大的负载速度前进，接触后，负载力变大，负载速度减小。钻完后以较大的力和较大的速度返回，详细过程见下面的负载图（图2）和速度图（图3）。2.4.3负载图F-t和速度图v-t图的绘制图2负载图F-t 图3速度图v-t2.5液压回路设计2.5.1液压原理图液压系统是整个钻机的核心，钻机的各种动作均由液压系统来实现。液压系统由液压站、管路、多路换向阀、节流阀、电磁阀、先导阀、减压阀、液压锁、钻架起落液压缸、提升与加压液压缸、钻架前后倾斜油缸、行走液压马达、回转液压马达等组成。液压站由电柴油发动机、先导泵、三联齿轮泵（主油泵）、溢流阀、滤油器、油箱等组成。该系统为开式回路，利用先导手柄操纵先导阀输出控制油，依靠控制换向阀实现换向，从而控制主油路或辅助油路的压力油，驱动各个液压缸或液压马达来实现钻机的各部动作。根据总体设计思路,该全液压钻机液压系统主要由高压油源、控制系统、各执行机构及辅件组成。根据钻机工况要求，拟定液压系统方案如下：