随着中国制造2025提出,坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”已成为我国工业化的基本方针。为推动我国实现生产制造战略强国目标,智能化、无人化已成为工业创新设计基本要求。煤矿资源作为我国乃至世界上储量最多、分布最广、战略地位最重要的基础能源,其如何实现安全有效开采成为现阶段重要任务。坑道定向钻机作为抽采瓦斯的设备发展比较迅速,国内科研单位在引进国外钻机的基础上经过技术改进,使之能够适应中国地质条件。目前的坑道钻机普遍存在接续钻杆需要人工操作过程,钻进千米至少需要一千根钻杆,这使得人工劳动强度较大,且危险性较高。很多坑道钻机在工作过程中,采用静态的方法接续钻杆,使得已钻进的钻具频繁启停,容易造成已成孔破坏、坍塌,抱死钻具甚至导致钻杆断裂、钻具丢失等事故,井下工作效率较低。实现不停机钻进过程成为智能钻机关键技术及首要设计目标,通过分析现有钻机成熟的设计方案,讨论其存在的优缺点,最后总结钻机成功的经验,本文提出一种连续装卸钻杆装置方案,包括前后动力装置,给进装置,辅助夹持装置等。关键技术及创新点在于依靠前后动力头、给进装置、机械手的紧密合作,辅助夹持装置协作从而完成不间断连续装载、拆卸钻杆过程,实现不停机钻进功能。意义在于降低人工操作造成的对钻机,钻杆,钻孔的损坏以及人身伤害,保证井下安全。始终保持切削运动可将钻孔内部前端的煤渣运至孔外,为下次钻进腾出存放煤渣的空间,同时减少钻进时摩擦阻力,避免停钻带来的启动力矩虚高,动力马达过大,降低能耗。本文具体研究内容及结果如下:(1)由于实际工况中前后动力头工作原理的不同:后动力头结构需要钻进煤层并排出煤粉,而前动力头只需排出煤粉,相比功率减少,所以设计了前后两种不同动力头形式并分别计算功率。(2)卡盘是将液压马达上的动力传递到钻杆上的部件,所以卡盘设计尤为关键,本设计前后动力头包含两种不同形式卡盘:液压卡盘和机械卡盘,机械卡盘在传统三爪卡盘上改进,通过对其结构和工作原理进行介绍,能实现边转动、边夹紧松开过程。计算机械卡盘夹紧力,结果表明机械卡盘摩擦系数越大,夹紧力越小。降低摩擦系数可增大机械卡盘工作过程中动态夹紧力。(3)利用有限元软件ABAQUS对整个连续装卸钻杆装置设计模型进行强度分析,结果显示整个装置外部结构应力最大地方位于后动力头与给进液压缸连接的基座底部。内部对新型机械卡盘结构及其附属齿轮和动力轴进行模拟仿真计算,结果显示卡盘动力齿轮应力值最大,位于齿根外侧,小齿轮应力最大处位于与轴连接键槽处,以上结构件安全系数均较高,表明该装置在强度上基本满足井下钻进工作需求。