随着城市地下管线施工任务越来越复杂和繁重,非开挖技术应运而生,并且发展迅速。水平定向钻进工艺是一种重要的非开挖技术,随着非开挖技术的飞速发展,研发先进的水平定向钻进施工工艺装备——水平定向钻机具有重要的经济意义和社会意义。我国的水平定向钻机制造技术经过30多年的发展,虽然取得了可喜的成绩,但是与国外钻机制造技术相比仍然存在许多差距。目前我国的水平定向钻机多为中小型水平定向钻机,大型水平定向钻机的制造技术不成熟,部分施工设备仍需要从国外引进。XZ1000是徐工生产的大型水平定向钻机,本论文中对XZ1000水平定向钻机的动力头进行优化设计,以期望达到动力头的质量降低,制造成本降低的目的。论文需要完成的主要任务有:　　 1.水平定向钻机的发展、动力头优化的研究方法综述;　　 2.优化方法的选择;　　 3.动力头齿轮结构优化设计以及轴和箱体的设计;　　 4.对动力头优化设计结果进行静力学、动力学和运动学分析。　　 本文的主要研究内容如下:　　 1.水平定向钻机的发展及动力头优化的研究综述　　 国内在水平定向钻机的设备技术方面落后于国外技术先进的国家,主要体现在液压匹配、结构设计、控制、钻进轨迹规划等方面。目前国内关于水平定向钻机动力头方面的研究主要集中在结构优化方面,西安建筑科技大学的原思聪教授及其他学者采用遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法、罚函数等方法对动力头进行优化,优化前先对动力头进行数学建模,将机械结构优化设计问题转化成数学模型的最大最小值问题,接着对数学模型采用优化算法求解,求解结果都取得了良好的优化效果。　　 2.基于LINGO软件平台的动力头优化设计　　 LINGO是一种专门用解最优化问题的软件,功能多且强大,可解决解非线性、线性等问题,是求解优化模型的最佳选择。LINGO软件在运筹学应用的非常广泛,且受到业内人士的广泛认可,近年来在机械优化设计领域中应用越来越广泛,其较遗传算法、粒子群算法等只能随机搜索算法具有操作简单、易上手、运算时间短等优点。本文将动力头优化设计问题转化成齿轮传动机构的设计,确定齿轮传动的相关参数以后,轴及箱体的齿轮也尺寸也相应的确定下来了。在齿轮传动中将质量最小问题转化成体积最小的问题,问题进一步简化;在优化设计中,选择动力头传动齿轮的模数、齿数、螺旋角及齿宽四个变量作为优化对象。然后从齿轮传动的设计角度分析这四个变量的约束条件,主要从避免根切的最小模数限制、齿宽系数比、齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度、传动的模数限制、以及斜齿轮的取值范围等方面设定约束条件,最后将确定好的目标函数及约束条件在LINGO软件平台建模和优化计算。最后通过取整、标准化得到优化后的齿轮结构参数,并根据齿轮优化结果完成配套的轴和箱体结构设计。　　 3.动力头的数字化建模　　 采用Pro/E软件对经过优化设计后的动力头进行参数化建模,主要包括齿轮、轴和箱体的建模以及动力头整体的数字化装配。Pro/E软件强大的基于特征的参数化建模功能在业内领先,同时与有限元分析软件ABAQUS具有良好的接口,论文中对斜齿轮进行参数化建模,方便有限元等的分析,同时,根据有限元分析的结果可以随时修改模型参数,大大提高了设计效率。　　 4.动力头的有限元分析及运动学和动力学仿真　　 对动力头的主要部件在极限工作状态下的静力学分析及运动学和动力学仿真,分析结果表明优化设计后的动力头满足了设计要求。　　 综上,本文基于LINGO软件平台,对XZ1000水平定向钻机的动力头齿轮结构参数进行优化设计,体积减小了11.5％,并综合运用计算机建模、有限元分析、动力学分析等方法对优化后的动力头结构进行分析,分析结果表明,优化后的动力头满足设计要求。　　 本文的研究工作表明,综合运用了LINGO软件平台、计算机建模、有限元分析及动力学仿真等方法,可以优化设计出符合要求的动力头,同时降低了所设计的动力头的质量,节约了产品成本,使得产品具有更强的竞争力,并可为其他型号的动力头设计提供借鉴和参考。