拱架安装机械手设计方案论证报告.doc

机电工程学院毕 业 设 计 方 案论 证 报 告设计题目: 拱架安装机械手设计 12010 年 3 月 15 日目次前言 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙11、国内外发展现状 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙12、选题研究的主要内容 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙23、拱架安装设备的基本功能及参数要求 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙24、方案论证 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙21）对行走底盘的设计 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙22）对滑道的设计 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙33）两个安装机械手工作臂的工作要求 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙44）伸缩支腿装置要求 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙55）吊兰臂工作要求 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙55、研究条件和可能存在的问题研究条件 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙5论证结果 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙6参考资料 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙61前言供架安装机是一种专门用来在隧道施工时对钢拱架进行运输、安装等作业的机械设备，它可以减轻体力劳动，提高劳动生产率，在生产过程中进行某些特殊的工艺操作，实现机械化和自动化。

该拱架安装机一般适用于大中型各种断面的隧道，它在隧道施工中扮演支梁的作用，通常是，隧道挖掘后，在支顶水泥板时安装钢拱架，然后再喷水泥加固，这样就保证了隧道不会塌陷供架安装机在搬运物料时，动作一共有抓取钢拱架、运送钢拱架、安装钢拱架以及卸载钢拱架的过程因此拱架安装机所受的载荷是变化的，是一种间歇动作的机械一般由机械、金属结构和液压等三大部分组成，机械方面是指起升、运行、变幅和旋转等机构，即拱架安装机是多动作的拱架安装机按机械手臂的多少来分类可以分为两类一类是单臂的，主要用于整体式的钢拱架或已经组装好钢拱架另一类的是双臂的主要用于，两节钢拱架的对接安装单臂的优点是设备简单成本低，但安装前必须对钢拱架进行预先安装，双臂的相对来说设备复杂成本高，但安装速度快，并且可以对两节的钢拱架进行安装本次设计的拱架安装机是双臂的，主要针对高速铁路双线隧道开挖时的拱架安装需求使用拱架安装机的安装速度要比使用一般机械速度快 1～3 倍，并且大大减轻了劳动力，拱架安装机的应用将会越来越广泛1、国内外发展现状据调查研究，我国在隧道快速施工这一领域，尤其是关于钢拱架安装设备这一领域的发展还很慢，相对欧美一些国家还有些距离。

目前国内对拱架安装的设备的还在研究之中而国外的快速施工设备已经建立成从隧道盾构挖掘到拱架安装到水泥喷湿都有了成套的设备我国现有的几台拱架安装机也是从国外引进的，买回来的机器不但价格贵，还不适应我国实地的工作环境，有很大的使用局限性基于此铁道部于 2008 年设立了《关角隧道快速施工与地质灾害防治技术研究》科研项目，对上述问题进行科研攻关，研究成果将为隧道施工提供科学依据，确保施工安全和工程质量，同时对提高我国隧道施工技术的整体水平具有重要意义22、选题研究的主要内容本次设计主要是在看过挪曼尔特（上海）贸易有限公司的 UTILIFT2000 四臂钢拱架安装台车的演示动画后，对 UTILIFT2000 四臂钢拱架安装台车进行研究设计Himec 臂式举升平台是长期以来 Normet 工程师和欧洲隧道工程客户及专家的广泛合作的产物它全盘周到地考虑了硬岩和软岩环境作业中客户对于举升和接近设备的需求从中得到重型的举升能力及大工作覆盖面的丰富产品线，使 Himec 可以满足任何断面的隧道工程作业各式各样的平台结构和标准选装件可与实际举升要求实现完美匹配但基于我国地理环境的复杂性，施工条件往往比较恶劣，还有对资金技术的综合考虑需要对它进行改进，以符合我国国情。

3、拱架安装设备的基本功能及参数要求本次设计的拱架安装设备由行走底盘、两个安装机械手工作臂、一个安装机械手吊蓝、一套伸缩支腿装置、一个防压结构的操作室、内燃液压动力及传动系统、电控线控及遥控系统等组成基本性能参数：1）整机运输状态尺寸：长 10.5m，宽 3.0m，高 3.7m2）整机重量：在保证性能前提下越轻越好，最重不应超过 30t3）整机通过性能： 整机满载时应能爬上 20°坡度的爆破后松碴堆、应能在侧倾10°的地面上通过应能通过 500mm 高的垂直台阶整机的行走速度可无极调节，最大行走速度为 8km/h4、方案论证1）对行走底盘的设计有两种法案的选择：方案一：轮式行走底盘方案二：履带式行走底盘要分析到底使用履带还是轮式车辆更好，首先需要深入的研究这个运作平台的任务、使用场合的地形地貌和一些特殊的运载特性要求等复杂的变量一辆车辆的牵引力会受到不同类型的土壤（干的、湿的、沙或者积雪上）的影响，这样会导致他的越障碍、壕沟和不同林木的能力发生变化凭一般的经验而言，低的 VCI 不仅等同于在软土地上能有较好的机动能力，也意味着在斜坡、沙地、越障碍、壕沟和3穿越林木时都具有较好的机动性能。

从机动能力来看，履带车辆最适合那种要求在包括极端恶劣的地形下的任何场合都能使用的万能型平台，这是因为履带车辆天生就比轮式车辆对地的接触面积大，这使得履带车辆的 VCI 较低最近在波斯尼亚的一个试验证明了轮式车辆在机动能力和保护上天生较弱而针对公路进行的试验表明，轮式车辆在公路上拥有较高的机动性能和速度；但是当测试越野能力的时候，湿土或积雪环境的时候轮式车辆的不足就彻底暴露出来了基于以上比较和我国实际隧道施工环境，采用方案二履带式行走底盘会比较好对履带选择的具体要求如下：履带接地比压：应能在爆破后的松碴对上行走，但对松碴有一定的压实作用，以便获得相对坚实的基础保持工作臂伸出时整机的稳定性履带通过性能：履带应有较合适的前角及区域和后角及区域，能够通过 500mm高的垂直台阶，前后支重轮应固定以便获得最大长度方向的接地支点，中间部位的支重轮应设置弹性悬架以减少集中荷载并增强通过性能机架结构：机架与履带架是否能够实现纵轴方向铰接，由油缸调节机架的侧倾，以便履带底盘在倾斜地面上驻车时，机架在横向能够获得水平位置便于工作臂的操作2）对滑道的设计滑道在整机上起延长工作臂的作用，有两种选择方案，方案一：用液压缸带动方案二：用电机带动方案一用液压缸带动，由于导轨比较长，要求最少 4300mm，这样的话一个液压缸就比较长，不易在整机上安装布置，所以对液压缸的尺寸就有要求。

但液压缸传动平稳，承载能力大，不用考虑负载问题，因为压力取决于负载方案二用电动机带动齿轮齿条传动，电动机安装在滑块上带动齿轮，齿条安装在导轨内侧，通过齿轮齿条的啮合运动带动滑块移动，这样的布局结构紧凑，并且控制准确，但电动机的扭矩承载不大，需要悬着合适扭矩的电动机，另外还要增加减速装置，机构复杂方案比较，方案一液压缸承载能力大，传动稳定，缺点是布局困难，占空间位4置大，但因为是直线传动，传递力比较直接，如果选用多级液压缸空间位置这个问题也可以解决方案二电动机的扭矩承载不大，需要选择合适扭矩的电动机，优点结构紧凑，占空间位置小，但机构复杂，需要把旋转运动转化成直线运动综上所述选择方案一液压缸传动3）两个安装机械手工作臂的工作要求：两个安装机械手臂的动作有：第一步，自取手臂；第二步，并拢运输钢拱架；第三步，首先安装第一根钢拱架；第四步，再安装第二根钢拱架一共有支座旋转、大臂伸缩、大臂降低、小臂抓举、大臂抬高、小臂旋转、支座滑行等动作顺序其中支座需要有以 Z 轴为轴线的 45°的转动、沿 X 轴的移动的运动两个自由度；大臂要有绕 Y 轴 45°的转动和 X 轴的移动两个自由度；小臂部分的绕 YZ 轴转动两个自由度。

支座的转动自由度有两个方案方案一：是靠电机带动一个减速器然后带动一个蜗轮蜗杆机构完成的方案二：电动机直接连接减速器连接轴完成这里方案一用蜗轮蜗杆机构而不用其它像齿轮齿条机构或齿轮机构等，主要是因为蜗轮蜗杆机构可以有较大的传动比，切自锁性好等优点，但缺点是空间位置较大，不好布局，必须解决移动是与其它部件相撞的矛盾而方案二主要的缺点是电动机扭矩小，但直连比较好布局移动时容易避免夜其它部件相撞综合考虑选用方案二支座的移动是靠连接在滑道上进行直线运动实现的工作臂大臂的绕 Y 轴转动自由度靠杆机构来实现，其中起支撑作用的小杆，采用液压驱动工作臂大臂的移动自由度是靠把自身设计成一个液压缸来实现的，由于行程比较长，这里采用二级伸缩式液压缸工作臂小臂的绕 YZ 轴转动的自由度是靠电机带动实现的工作臂具体要求如下：大臂的自由度：以 X 轴为大臂轴线，则大臂应有 Y 轴外摆 45°（？）的转动、Z 轴下摆和上摆的转动、X 轴方向的伸长；小臂应有 XYZ 方向的转动、X 轴方向夹紧拱架的伸缩、等 7 个动作或自由度5大臂的工作速度：每个方向的自由度速度总和时间满足每片拱架从地面抓取运动到安装位置约 30S 左右的循环速度。

拱架的微动性：由于两片拱架需要在开挖面空中对接，人工连接螺栓，故动作的微动指标为，点动，在拱架连接法兰处任意点的移动行程小于 10mm小臂的工作荷载：小臂抓取点应能承受 1.5t 的垂直重量，X 轴方向可承受 3tm的扭矩工作臂的刚度强度：工作臂在地面抓取拱架后，动作到合适位置，随整机在松碴上。