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液压锚杆钻机设计研究

作　者: 杨善国
导　师: 张永忠；杜长龙
学　校: 中国矿业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 锚杆钻机非圆行星齿轮液压马达鲁棒优化设计锚杆钻具特性有限元分析设计研究
分类号: TD353.6
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 705次
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内容摘要

锚杆钻机是与锚杆支护施工相配套的关键设备之一,影响着支护质量的好坏与支护速度的快慢。采用旋转切削方式破岩钻孔的单体锚杆钻机是目前钻孔机具的主导产品。但机体笨重、可靠性低制约着它们进一步推广使用,迫切需要研制高性能的锚杆钻孔机具。针对这一状况,本论文开展了液压锚杆钻机的设计研究工作。首先对锚杆钻机破岩机理进行了研究。论文系统分析研究了锚杆钻机破岩特点、在旋转切削作用下的岩石所表现出的物理性质与机械性质、以及影响旋转切削破岩钻进速度与效果的主要因素。本论文提出了将非圆行星齿轮液压马达用于锚杆钻机,在对不同类型非圆行星齿轮液压马达的结构及性能分析的基础上,针对非圆行星齿轮液压马达设计时目标函数及约束条件较多、且设计变量为离散变量、有些参数相互关联而其影响关系不易直接看出的特点,采用了基于正交试验的鲁棒性设计方法对非圆行星齿轮液压马达进行优化设计。建立了非圆行星齿轮液压马达鲁棒性设计的数学模型,通过计算获得了各设计方案的质量特性数据,以信噪比为工具得到了符合设计要求的马达结构参数的组合,且在较宽松的工艺条件下即可使马达具有较强的鲁棒性。在鲁棒优化设计的基础上,完成了非圆行星齿轮液压马达以及新型液压锚杆钻机的产品设计,委托加工厂家试制了样机。细长的锚杆钻具在旋转切削破岩钻孔过程中有着复杂的工况,受到复杂的外力,具有复杂的变形和运动学、动力学状态。论文利用有限元仿真软件ANSYS软件对锚杆钻具整体的静力学和动力学特性进行了更加精确、可靠地分析与研究。主要研究内容包括锚杆钻具有限元模型建立、边界条件确定、约束及载荷加载、钻具受力与变形特点分析以及钻具可能同时受到扭转振动、纵向振动和横向振动等激励的模态分析,为科学设计锚杆钻具及钻机、合理确定钻进参数和指导实际生产等提供了重要的参考。论文在合理假设的基础上,建立了液压锚杆钻机静动态特性的数学模型,研究了其静动态特性,得到了其在额定负载条件下启动的速度特性方程、在正常工作条件下的负载特性方程以及马达输出转速对阶跃流量输入和阶跃负载输入的动态响应方程。通过试验确定了钻机特性数学模型中的参量值,得到了反映钻机静动态特性的试验曲线,并采用仿真软件MATLAB对其进行了仿真。仿真曲线与试验曲线具有较好的一致性,表明所建立的描述该锚杆钻机特性的物理模型、数学模型以及仿真模型的合理性,验证了理论分析研究的正确性。通过井下实钻试验,表明了该液压锚杆钻机设计合理,具有结构紧凑、重量轻、钻孔速度快、操作方便、可靠性高等特点,完全能满足煤矿现场的使用要求。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-20
1 绪论  20-42
  1.1 锚杆支护的作用与意义  20-23
  1.2 锚杆钻机的发展概况与性能分析  23-35
    1.2.1 国内外锚杆钻机发展概况  23-27
    1.2.2 锚杆钻机性能分析  27-35
  1.3 非圆行星齿轮液压马达的研究现状和发展趋势  35-39
  1.4 课题提出  39-40
  1.5 课题主要研究内容  40
  1.6 小结  40-42
2 锚杆钻机破岩机理分析  42-56
  2.1 锚杆钻机破岩特点  42-43
  2.2 旋转切削作用下的岩石力学性质分析  43-47
    2.2.1 岩石的组成与构造  43-44
    2.2.2 岩石的物理性质  44-45
    2.2.3 旋转切削作用下岩石的机械性质  45-47
  2.3 旋转切削破岩效果的影响因素分析  47-54
    2.3.1 岩石  47-49
    2.3.2 钻具（钻头与钻杆）  49-50
    2.3.3 轴推力  50-52
    2.3.4 扭矩  52-53
    2.3.5 转速  53-54
  2.4 小结  54-56
3 非圆行星齿轮液压马达性能分析及鲁棒优化设计  56-90
  3.1 非圆行星齿轮液压马达性能分析  56-59
  3.2 变中心距非圆行星齿轮机构节曲线的设计  59-62
    3.2.1 节曲线设计方法  59-60
    3.2.2 节曲线求解  60-62
  3.3 非圆行星齿轮液压马达鲁棒优化设计  62-88
    3.3.1 系统设计  63-72
    3.3.2 参数设计  72-84
    3.3.3 容差设计  84-88
  3.4 非圆行星齿轮液压马达样机试制  88
  3.5 小结  88-90
4 基于有限元法的锚杆钻具（钻头－钻杆）特性研究  90-116
  4.1 有限元法与 ANSYS 软件简介  90-93
    4.1.1 有限元法  90-92
    4.1.2 ANSYS 软件  92-93
  4.2 锚杆钻具有限元模型建立  93-101
    4.2.1 引言  93
    4.2.2 锚杆钻具所受载荷分析  93-95
    4.2.3 锚杆钻具结构及相关参数  95-97
    4.2.4 锚杆钻具有限元模型建立  97-101
  4.3 锚杆钻具静力学有限元分析  101-106
    4.3.1 基本假设  101-102
    4.3.2 约束与加载  102-104
    4.3.3 结果分析  104-106
  4.4 锚杆钻具模态分析  106-114
    4.4.1 引言  106-107
    4.4.2 振动模态  107-114
  4.5 小结  114-116
5 液压锚杆钻机静动态特性研究  116-132
  5.1 液压锚杆钻机整机设计  116-120
    5.1.1 主要技术参数确定  116-117
    5.1.2 钻机的液压系统设计  117-118
    5.1.3 整机结构设计  118-120
  5.2 液压锚杆钻机静动态特性  120-131
    5.2.1 液压锚杆钻机静态特性  120-127
    5.2.2 液压锚杆钻机动态特性  127-131
  5.3 小结  131-132
6 仿真与试验  132-146
  6.1 最小二乘法线性回归算法原理  132-134
    6.1.1 一元线性回归模型  132-133
    6.1.2 未知参数估计  133-134
  6.2 试验装置  134-135
  6.3 试验内容与方法  135-136
    6.3.1 数学模型参量的测定  135-136
    6.3.2 静态特性试验  136
    6.3.3 动态特性试验  136
  6.4 试验结果与分析  136-144
    6.4.1 数学模型参量  136-141
    6.4.2 钻机特性  141-144
  6.5 井下实钻试验  144-145
  6.6 小结  145-146
7 结论  146-148
参考文献  148-154
附录：钻具2（两翼钻头＋中空六角钢钻杆）模振仿真结果  154-159
作者简历  159-162
学位论文数据集  162

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