学生姓名：张禹

班   级：机械2018-03班

指导教师：王海波

毕设题目：隧道凿岩台车机械臂结构设计

一、概况

1.选题意义

随着我国社会经济的发展，在交通建设和采矿工程中都建设了大量的隧道供工程使用。进入21世纪以来，随着高速铁路和城际铁路的大规模铺设，中国的铁路隧道建设也进入了一个全新的时期，新时期的铁道建设有长度长，断面面积大，地质条件复杂，施工标准高等特点。截至2020年底，中国铁路运营总里程达到了14.5万公里，其中铁路隧道的长度就达到了约19630公里。在采矿业等领域，隧道也得到了大量的应用。大量的隧道建设对隧道掘进工艺有了更高的需求。目前，隧道掘进施工的两种主流方法分别是TBM掘进法和钻爆法。TBM法指的是通过盾构机等大型隧道凿岩机械进行隧道挖掘，钻爆法则是一种在掌子面上开凿炮眼，随后安装炸药雷管进行爆破的施工方法。由于我国疆域辽阔，各地的地质条件都有所不同，适应性更强的钻爆法就成了我国隧道掘进施工的首选方法。

在岩石隧道施工过程中，一直采用人工手持钎、锤或冲击钻来开凿炮眼，再实施爆破，此施工方式难以达到开凿炮眼的施工标准，并且在施工断面还需搭建作业平台，其施工过程繁琐，在施工时几乎凭工人的经验来完成，恶劣的施工环境也给工人的身体造成了较大伤害。凿岩台车作为一种新型的隧道工程施工设备，它具有多个自由度的机械臂，通过控制机械臂各关节的运动以完成对炮眼的定位，从而取代了人工开凿炮眼，这样极大改善了施工环境，同时降低了劳动强度和施工成本，满足我国现代化隧道施工建设的需要。

机械臂是凿岩台车的关键结构。在施工过程中，机械臂受到复杂的载荷作用，结构必须有足够的力学性能才能保证工作装置的稳定性。此外，由于钻孔工作的精度要求较高，机械臂还承担了辅助定位的作用。这都对机械臂的结构设计提出了较高的要求。因此认为进行凿岩台车机械臂的设计有利于提升机械设计水平和能力，且对于解决实际工程问题有一定的意义。在项目过程中，需要完成凿岩台车机械臂的结构设计，建立三维模型，并通过仿真软件对设计方案进行分析。

2.任务分解

(1)查阅文献资料、阅读和理解饮料，了解隧道施工凿岩台车的发展现状

(2)查阅资料熟悉凿岩台车机械臂的结构和工作原理

(3)完成凿岩台车机械臂结构设计

(4)建立凿岩台车机械臂三维模型

(5)将三维模型导入有限元软件，对方案设计进行分析校核

(6)撰写设计说明书

(7)准备论文检查修改及答辩

二、已完成工作

(1)在寒假期间完成了相关文献资料的收集和阅读工作，明确了设计目标和任务。了解了我国隧道施工的现状，以及凿岩台车的工作原理和大致结构。撰写完成开题报告。

(2)选定了外文参考文献，文章主题是关于钻爆法施工的案例分析，并完成了折合中文字数9000字的文献翻译。

图 1 外文翻译

图 2 外文翻译

(3)确定了凿岩台车机械臂的总体结构设计方案，主要分为两部分，一是机械臂大臂的结构设计，二是机械臂推进机构的结构设计。在大臂的结构设计中，决定采取伸缩臂的形式，以提升结构的紧凑性和凿岩台车运动的灵活性。伸缩臂结构采取同步伸缩结构，与顺序伸缩结构相比，减少了所需液压缸的数量。同时，由于顺序结构需要为每节伸缩臂都配置一个独立的油缸，而液压油缸在全缩状态下自身也具有一定的长度，这种结构降低了轴向尺寸利用率。而同步伸缩结构通过滑轮组与液压缸相连的方式实现了各节伸缩臂同步运动的功能。结构更加简单，适用于凿岩台车机械臂设计中。在推进机构的设计中，选用液压缸—钢丝绳的推进方式，这种方案结构简单，成本较低，是一种可行性较高的方案。

图3 机构运动简图

图4 伸缩臂结构选型 

表1 各种推进方式及特点

(4)确定了通过不同种类液压油缸，实现机械臂摆动，俯仰抬升功能的局部设计方案，选定了使用瑞典阿特拉斯公司的COP1638型凿岩机作为工作装置。

图5 COP1638型凿岩机

表 2 凿岩机技术参数

(5)根据凿岩台车具体工况，结合力学知识，进行了计算，拟定了机械臂的总体长度，并初步完成了各节臂段的长度分配。

(6)完成了设计说明书绪论部分的撰写。

三、下一步工作计划

（1）继续查阅相关资料，如成熟凿岩台车的技术参数，完成各臂段的长度截面设计，使其满足力学性能要求和机械结构要求。

（2）完成各臂段的几何参数设计后，开始三维模型建模工作，在建模过程中，需要提前考虑哪些部分可以精简，哪些部分需要重点详细表达，因为这关系到后续的仿真校核工作，几何模型的建立精度，会影响有限元分析的网格划分，从而影响最终的校核分析结果。

（3）将三维模型导入仿真软件，进行有限元分析，检验方案设计的合理性。

（4）撰写设计说明书，绘制工程图样，复盘设计工作，整理设计文档。

（5）准备答辩。

问题一：完成建模后，有没有考虑如何分配图纸布局？……

回答：完成建模后，准备通过建模软件生成工程图样，生成一张总装配图和一张伸缩结构的子装配体图。

问题二：有没有选定机械臂所用材料，考虑过具体加工工艺吗？……

回答：初步选定Q345为所用板材，暂时还没有考虑过加工工艺，在后续设计工作中会加入进去。

我的毕业设计选题是凿岩台车机械臂结构设计。凿岩台车是一种常用的隧道掘进施工机械。机械臂在其工作过程中起到了重要的作用，机械臂需要在凿岩台车的工作过程中承受复杂的载荷，这要求机械臂有较强的力学性能。同时，在钻孔过程中若出现定位偏差，还需要通过机械臂的运动来进行微调和辅助定位。这些都对机械臂的结构设计提出了不同的要求。

在寒假期间，我查阅了一些相关的文献资料，了解了隧道掘进的过程和特点，凿岩台车的工作原理以及大致结构。在进行到具体设计阶段时，由于此前没有接触过此类大型工程机械的设计，且相关资料较少，所以遇到了较大的阻碍。但是经过一段时间的努力，我还是找到了相应的文献资料，并进行了阅读学习，明确了凿岩台车的工况和大致结构。随后进行结构设计和机构选型时，使用到了许多力学和工程材料有关的知识，由于我的力学水平相对薄弱，还是经过了一段复习的时间，向学长和身边的同学请教，完成了设计工作。

经过这一段时间的毕业设计工作，我对于机械设计工作有了更深的理解，不再只停留于过去课本上所学的知识。设计工程中遇到的具体问题，推动我去寻找新的解决方法，这一过程也让我对机械原理、机械设计、材料力学等课程的知识有了更加深刻全面的认识。希望在接下来的日子里可以顺利完成毕业设计，通过毕业答辩。