随着科技与经济水平的快速提高,钻机设备在基础设施建设领域应用地更加广泛,极大地改善了人们出行便捷性,深入地贯彻了新型城镇化的发展理念。由于地铁交通建设速度大幅加快,涵洞隧道等小空间桩基钻孔需求日益增加。受地形与施工空间限制,传统工程钻机的大型钻桅结构难以适应狭窄空间作业需求,因此研制一款适合小空间施工作业的多功能专用钻机具有重要意义。首先,结合反循环桩基钻孔工艺特点,设计了一款适用于狭小空间施工的履带涵洞钻机。提出了整机设计方案及设计目标,并确定了履带涵洞钻机整机性能参数,采用相关设计方法,对钻机关键结构进行分析研究。结合钻机工作方式与特点,在起架工况、提钻工况和钻进工况下对钻桅进行运动与静力学分析,对比不同钻进方式对钻机性能的影响。确定钻机负载特性,完成对整机液压系统中履带底盘和工作装置回路设计。其次,利用ANSYS Workbench软件在三种典型工况下对履带涵洞钻机钻桅结构进行静力学、模态及谐响应分析,确定钻桅最大应力、最大变形及动态特性,验证钻桅结构设计合理性。综合静力学和动态特性分析结果,应用Dsign Exploration模块,以钻桅各组成构件板厚为设计变量建立钻桅优化模型,采用多目标遗传算法结合标准二阶响应面模型对钻桅结构进行轻量化设计。优化前后结果对比表明,钻桅在满足静力学和动态性能的前提下,质量减轻了8.7%。为相关钻机结构优化研究提供指导。最后,根据相关试验国家标准进行钻机调试与整机试验分析,模拟履带涵洞钻机实际施工流程拟定试验方案,对钻机主要部件进行试验数据分析。结果表明,钻机各结构工作正常,可以满足施工要求。验证HZF450型履带涵洞钻机设计与优化的合理性,为相关类型钻机研制提供借鉴。