（山东莱特瑞重工智能有限公司，山东 淄博255129）

1 前言

钻车主要用于非煤矿山井下的凿岩作业，钻车需要在工作面钻凿爆破孔，井下需要开采的截面不一而同，液压钻车的钻臂需能实现较大调整，以满足井下开采的需要。液压掘进钻车通常在一个工作面要钻多个孔，每钻一个孔都要调节钻臂进行相应定位，因为是人为操作，这就要求液压掘进钻车的钻臂在定位时要调节精准、适应性强、且操作方便，钻臂结构的强度必须完全满足钻车作业时的要求。

2 钻臂机构的工作结构设计

液压钻车的推进机构具有360 度旋转功能，而且要快速准确定位，因为推进机构是与主臂连接的，要满足推进机构的工作要求就要从钻臂机构的设计开始。在设计钻臂时需要建立一个铰接点，这个铰接点必须是可上下左右旋转的，可以设计一个钻臂座，把钻臂座作为基点，主臂和左右举臂油缸可以围绕钻臂座的铰接点旋转。左右举臂油缸提供动力，让钻臂机构升高、下降以及左、右旋转，再加上可以辅助调节推进机构的左、右平动油缸，主臂可以在内部油缸的作用下进行伸缩，从而改变钻臂机构的长度。主臂的另一端需要设计一个可放置推进机构的承载结构，也就是推进器座，推进器座不能直接与主臂连接，因为推进机构还需旋转360°，上下摆动和左右摆动，需要在主臂和推进器座之间加辅助装置，首先增加一个能自转360°的螺线摆动油缸，最后再增加一个能使推进器座上下摆动的摆角油缸，然后辅助装置与主臂和推进器座连接，这样就完成了钻臂机构设计的基本模型，见图1。

图1

3 钻臂机构的液压系统设计

液压系统是整个钻臂机构的核心，在设计整个液压系统时需要用一个多路阀来分别控制各个油缸。其中左右举臂油缸使钻臂进行升高、下降和左转、右转，需要兼顾两个方向，这是液压系统的设计难点。我们思考如果只对一个油缸进液口加压，另一个进液口不加压力，油缸就会在液体压力的作用下产生左右转动，想实现这种功能，我们需要增加一个液控换向阀和一个液控单向阀来完成控制。液控换向阀的作用是控制多路阀的其中两片阀，这两片阀分别控制举臂油缸和平动油缸。液控单向阀的作用是切换油路，分开控制举臂油缸和平动油缸，当液控单向阀关闭时，左右举臂油缸就可以让液压油进入，左举臂油缸进液时，右举臂油缸会随着运动轨迹自动收缩，从而完成右转动作。相反当右举臂油缸进液时，左举臂油缸会随着运动轨迹自动收缩，从而完成左转动作。同时设计举臂油缸和平动油缸联动，当举臂油缸伸出时，平动油缸也会伸出，相反一方收缩，另一方也会收缩，正是由于前后油缸的油路成对地联动，保证了钻臂在垂直和水平方向都保持平行移动。当液控单向阀打开时，液压油直接进入液控单向阀，而左右举臂油缸的进液口则没有液压油进入，这时只有左右平动油缸动作，举臂油缸不再动作。我们可以用一个按钮开关通过油压来控制液控单向阀的开关，十字手柄通过油压来控制液控换向阀，十字手柄的作用就是给液控换向阀传递油压信号，然后液控换向阀再根据十字手柄的油压信号来控制多路阀中的两片阀，然后这两片阀再控制举臂油缸和平动油缸，此外按钮开关和十字手柄需要进行减压。

多路阀的其他阀片再分别控制钻臂伸缩油缸、补偿油缸、手动推进油缸、翻转油缸和摆角油缸，各个油缸需加液压双向锁来稳定状态和动作。

把多路阀的工作压力设定在190 bar左右，串联溢流阀用来控制调节整个钻臂机构的工作压力，液压系统的原理见图2。

图2

4 油缸的设计

通过上面的简易结构图可以看出：左右举臂油缸用来调节钻臂机构的上下升降角度和左右旋转角度。通过做钻臂机构的极限状态来确定举臂油缸的长度和行程；缸径和杆径的大小通过油缸的推力和拉力来确定；推力和拉力的大小通过钻臂机构力矩的分析和计算来确定，整个受力分析可以借助三维软件来完成，计算出最大的推力和拉力后，再根据公式S=F/P，最终确定缸径和杆径的大小，其他油缸的参数设计仿此进行。

5 结构件的设计

主臂内部装有油缸，油缸可以伸缩从而改变整个钻臂机构的长度，主臂的长度根据整个钻车的要求进行计算，同时考虑油缸的伸缩量对长度的影响，主臂的内径大小与油缸的直径相关联，可借助三维软件的受力分析来确定主臂的壁厚尺寸，这样主臂的长度、直径和壁厚就可确定了。

主臂确定后，钻臂座的基本尺寸就能确定，推进器座的尺寸设计可以通过推进器的尺寸来确定，连接架的设计可以根据螺线摆动缸和推进器座的尺寸来确定，同时需要考虑钻臂机构旋转带来的影响。

结构件设计完成后，我们最终得到了一个完整的钻臂机构，见图3。

图3