钻杆自动移摆机械手是实现钻机自动化的关键性装置,在正常钻进或提下钻作业过程中,主要承担对钻杆的提升、下放、摆转等操作,并能配合钻机完成钻杆的装卸。我国在地质岩心钻探领域对于该方面的研究和应用还处于起步阶段,尚未有完全成熟的产品投放市场。为此,本课题配套“多金属矿岩心钻探关键技术装备联合研发及示范”项目自主研发的CSD1800ZD自动化岩心钻机设计了一套适用于绳索取心钻杆的自动移摆机械手,用于实现加接钻杆、提下钻的自动化,以达到减轻工人劳动强度,提高安全性和钻探效率等目的。首先,论文根据设计要求和正常钻进或提下钻作业过程中操作钻杆的流程,确定了机械手的总体方案。机械手直接安装在钻机桅杆上,通过翻转机构上设计的可调式机械定位结构调整翻转角度与钻进角度相匹配,能够满足钻机钻进垂直或倾斜井的需要。对机械手的升降机构、翻转机构、摆转机构和夹持机构进行了详细设计和计算选型。由于绳索取心钻杆螺纹的锥度较小,对钻杆移摆到井口后与钻机主轴的同轴程度要求较高,因此设计了三个补偿机构,包括两个方向的微调机构和一个防钻杆前倾机构,在安装调试时能够调整钻杆中心的位置。其次,为了方便在野外没有电力供应的情况下应用,机械手采用液压系统驱动,对升降机构、翻转机构、摆转机构和夹持机构的液压回路进行设计,确定了机械手的液压系统原理图。再次,应用ANSYS Workbench软件对机械手的连杆、机械臂和滑台等关键零部件进行了静力学有限元分析,得到了各个零部件的等效应力和总变形情况,结果表明机械手在强度方面满足设计要求。然后,利用ADAMS软件建立了机械手的虚拟样机模型,并进行了多刚体运动学与动力学仿真分析,得到了钻杆质心位移曲线、驱动力或力矩曲线,验证了结构设计中计算选型的合理性,为评估机械手的系统性能提供了支持。最后,进行了物理样机在钻机上的安装试验以及山东示范工程应用,机械手在试验与应用过程中运行稳定可靠,实现了加接钻杆、提下钻的自动化。