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

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.