第 1 章 绪论
1.1 课题研究目的
钻机是一种在建筑类施工基础建设中，进行成孔作业的主要施工机械。随着建筑工程的飞速发展，钻机也得到了广泛应用。钻机主要适用于砂土、淤泥、冲击砂土层等普通地质下施工，同时也可用于岩石层等硬土层中钻孔，在基础加固、灌注桩基孔等地基基础工程上也有很多应用，近年来，很多类型的钻孔作业都大量使用钻机，因此钻机的市场需求以及钻机本身的要求也逐年增长[8]。
起初由于生产技术的落后，我国一直采用人工钻孔作业。随着时代的进步，开始出现钻孔机械，接踵而来的是各种新工艺和新技术，钻机种类也先后出现了冲击钻孔、螺旋式钻进、旋挖钻、潜水钻进和正反循环钻进等的钻进方式随着技术水平的持续增强，钻机的技术含量也不断提高，种类也越来越多。
我国在公路、铁路、桥梁、地铁隧道等交通建设工程的投入持续增加，对工程钻机的应用也越来越广泛，现如今的钻机大多是适用于户外施工的大型钻机设备，这就导致在一些隧道、坑道、地铁等小空间环境下施工时，现有的大型工程钻机设备钻孔困难[10]。为了满足施工空间以及钻孔的要求，需要一款体积小、移动方便、钻孔效率高、适应范围广且成本低的钻探设备。为了提升我国钻探设备在国内外市场的竞争力，针对现有大型钻机在狭小空间下钻孔效率低、移动不便、调整钻孔位置困难等突出问题。传统的工程钻机运输方式虽种类齐全，但是由于其体积较大，在一些隧道或者地铁内的狭小施工环境下，运输及调整钻头麻烦，影响工程进度，使得钻进效率降低，而且大型的钻机价格昂贵，增加了工程建设的成本。从适用性和经济性角度出发，本文研制了一种履带式地铁隧道钻机。
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1.2 国内外发展现状
1.国内研究发展现状
国内全液压钻机发展较晚，二十世纪八十年代末，加拿大生产的 CT—155型号钻机在我国开始逐渐引进，因该钻机采用了先进的液压控制技术，故有能够实现无极调速的动力头，可选用泥浆、泡沫、气体等多种方式冲洗，可实现冲击钻进、浮动钻进、回转钻进等方式；在不同的地质层环境下，该钻机可以选择相应的钻探和钻削方式，满足了操作简便、工作效率提升的要求，在国内开始大批量应用[14]。
随着液压控制技术的发展与应用，使其在钻机设备上的使用也逐渐在进步。在二十世纪末期，我国的相关研发人员研制出 DY—30 型号钻机，对其进行反复试验，使其在地质勘探工程中得到成功应用[15]。钻机的工作环境处于运输不便且天气不稳定的野外，所以 DY—30 型号钻机设计成拆卸简便的分解式钻机，可以将重达八百千克的钻机分解成单个的小模块，节省了大量的人力物力，DY—30 型号钻机还能完成其他钻机不能实现的工作条件，使其得到更广泛的应用。因此，DY—30 型号钻机是当时发展最全面、应用最广泛的钻探设备，它的性能与国外的同类钻机也是不相上下的。随着国内经济的发展，钻机的应用越来越广泛，但是全液压钻机的发展存在缓慢、工艺单一、工作效率低、成本高等的劣势，下面是国内的典型产品。
GD-25和GD-35系列钻机是由上海勘探机械厂（现为上海金泰工程机械有限公司）生产的（如图 1-1 所示），该系列钻机应用了直径较大的新型动力头。在大多数地质情况下，该动力头能够钻孔的孔的直径可以达到 6000mm 。当岩石层的硬度小于100MPa时，可以实现直径 3500mm 的钻孔操作。GD 系列钻机具有工作效率高、工作平稳、操作简单方便等优势。
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第 2 章 DZF350 地铁隧道钻机的总体设计
2.1 工作原理分析
在实际应用中，有必要设计出满足实际功能要求的机械设备。了解产品的充分使用和所需的功能后，有必要使用系统分解规则分解功能，并将全部功能分解为单个单元功能。使用功能分析法可以简化机械设备总功能设计方案的原理。功能分析设计的具体步骤如图 2-1 所示。
地铁隧道钻机的功能主要是在小空间工作环境中进行钻探工作。目前，钻探方法主要包括冲击钻探，旋挖钻探，正反循环钻探等。DZF350 地铁隧道钻机则采用反循环钻进。相对于其它钻进方式，应用反循环钻进方式钻桩基孔有以下几个优点[16]：
1.孔壁和成孔的效率高，质量好和冲击钻进、旋挖钻进等其他的钻孔作业的方法相比，反循环钻进对地质层冲击量小，钻削后的孔壁表面粗糙，能保证孔壁产生较大的摩擦力，只有增大摩擦力，才能使钻孔的质量提升，从而能够使桩基的质量和承载力更好；
2.施工过程中没有挤压振动，也没有严重噪音；
3.机具设备简单，操作方便，费用较低 反循环钻进的钻机采用独特的、结构简单的钻架，钻进行程大、抗扭矩能力强，操作及运输方便。钻进过程中，根据钻孔需求，由不同的执行元件把控。
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2.2 结构总体设计
机械产品的设计要求通常满足功能要求，性能要求，适应性要求，寿命要求，可靠性要求，安全要求，人机工程学要求和成本要求[18]。设计要求应该适中，不要太高或太低，太高会增加设计和制造的难度和成本，太低将不能满足实际的工作需求。针对地铁隧道钻机的工作条件和钻孔施工经验进行了大量参考和总结，本文对国内及国外的各类钻机的优点和缺点进行了了解和比较，结合了国家不同地质的实际情况和作业需求，借鉴其他钻机的优秀部分，提出了地铁隧道钻机的总体设计方案。
2.2.1 设计要求
设计每个机械产品的基本要求都是实际应用和经济指标，通常包括功能，生产能力，适应性，可靠性，使用经济性等[19]。为了让钻机满足实际工程的需求，充分研究了现今我国小空间桩基钻孔的施工方法和钻孔工艺，并结合操作人员在实际使用过程中的经验和国内外的技术经验，得到的技术要求有：
1.功能要求 履带式地铁隧道钻机是一种适用于狭小空间作业环境的新型钻孔桩施工设备。它的新技术包括了现代液压新技术和新钻井技术。地铁隧道钻机主要用于地铁隧道等小空间作业环境下的桩基成孔作业，由于其工作空间环境狭小，要求钻机具有体积小，结构紧凑的特点，同时能够自由运输。为了配合地铁隧道钻机工作环境的特殊性，所以本钻机的尺寸为 4948mm×2400mm×3450mm。钻机的钻孔直径最大为 1000mm ，动力头上配有通用接口，可以根据不同的钻孔要求及地质层更换不同尺寸及刀具硬度的钻头，并可以应用于复杂的地质条件，如粘土层，砂层，卵石层和中风化岩石层。最大钻孔深度可达 50m。
2.性能方面的要求 履带式地铁隧道钻机在启动、运输、制动等方面应实现快速准确的要求，同时要保证操作的简单便捷。机械支撑系统只有具有足够的刚度、强度及稳定性，才能使其在各个工况下的弹性形变都在可控范围内。电器系统能实现精准的控制，桅杆要能实现各种危险工况下的手动或自动控制。控制系统应准确可靠，增速滑轮组应防止绕绳现象，启动和制动互不干涉
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第 3 章 DZF350 地铁隧道钻机的结构设计 ............................ 17
3.1 地铁隧道钻机主要元件的选型...................................... 17
3.2 动力头机构........................................ 17
3.3 底盘结构设计...................................... 20
第 4 章 地铁隧道钻机的三维建模与工况分析.......................... 29
4.1 地铁隧道钻机的三维建模................................. 29
4.1.1 Solidworks 的简介 ..................................... 29
4.1.2 动力头装配体三维模型的建立............................... 29
第 5 章 地铁隧道钻机的有限元分析............................. 37
5.1 有限元分析法简介........................................................... 37
5.2 地铁隧道钻机支架底座的静力学分析................................ 37
第 5 章 地铁隧道钻机的有限元分析
5.1 有限元分析法简介
FEM（有限元方法）指的是一种数值求解方法。这是把连续问题离散化为有限个元素，然后通过求解微分方程来实现困难问题的解决[34]。变分原理是有限元方法的基础。它是通过离散模型的微分方程和相应的约束条件来求解模型在每个单元节点上的位移。简而言之，这是为了简化复杂的问题并限制连续的问题。
此小节设计的 DZF350 履带式地铁隧道钻机的三维模型是由 SolidWorks 建立的。装配体的三维模型零部件多、结构复杂，在进行 ANSYS Workbench 静力学分析时，会对分析结果产生严重影响，所以会简化三维模型，具体的简化原则是：
1.对于一些非承载部件，要在导入 ANSYS 之前进行删除，值得注意的是，删除后的三维模型不应在结构上有太大变化；
2.要对三维模型零件体的倒圆角和小孔进行简化，但需要保证模型表面的圆整[40]；
3.底盘支架所用材料为 Q345A ；
4.忽略风等外界因素及摩擦力对三维模型的影响；
5.把三维模型结构看为一体式，忽略焊接位置，保证模型各部分结构的力学性能相同；
6.底盘支架的受力大小以及受力点要和承载大小及承载点达到一定的平衡。
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钻机的性能在运输或钻进过程中不会打滑或翻倒，这是钻机的稳定性。稳定性不仅会对钻机运输和作业安全有影响，更是对工作效率以及现场施工人员的生命安全有很大的影响。钻机只有在稳定性良好的情况下才能保证其他性能更好的实现。因此，钻机的稳定性是钻机进行正常作业的重要条件[54]。
本次设计的地铁隧道钻机，整机结构紧凑，尺寸小，高度低，同其他钻机相比稳定性较好。工作状态下，整机在地面以上，但和钻杆相连的钻头向地下探出一段深度，在动力头产生扭矩后，钻机整机容易发生倾覆。为了保证钻机工作时的安全可靠性，需要进行整机稳定性的计算分析。同时，钻机结构设计的合理性也影响整机的稳定性[55]。
地铁隧道钻机在各个工况下的整机稳定性的优劣对整机工作影响很大，决定钻机整机稳定性的因素有很多，包括：底盘尺寸、行走装置支撑面的尺寸、配重大小及配重的布置、工作装置的尺寸等[56]。结合实际工作状况，地铁隧道钻机有行驶工况、钻进工况和提钻工况这三类工况。
地铁隧道钻机底盘为履带式，各部件在底盘支撑面上是左右对称分布的，因此在静止状态以及低 速匀速行驶状态下不会产生倾覆力。故只需分析地铁隧道钻机在以下状态下前后方向上的稳定性：
（1）钻孔开始时，将施加最大轴向压力。这时，钻机向钻杆施加压力。然后，钻杆将对钻头产生相等且相反的反作用力。如果压力太大，反作用力将足以使钻头返回并倾覆，导致钻机不稳定。
（2）钻机钻孔钻到最低端时，此时提钻，若是加的提钻的力过大，然后，通过钻杆传回的反作用力也将导致钻机翻转，导致钻机不稳定。
参考文献（略）