基于入岩速度和动力头齿轮寿命的旋挖钻机钻进参数研究

摘要

旋挖钻机作为一种高技术含量的现代化桩工设备，凭借其在钻进效率、成孔深度和直径、节能环保等方面的优势，已被道路、桥梁、建筑等领域所广泛应用。然而，作为该设备性能评价的一个重要指标，入岩能力一直被视为其所面临的一大难题，且目前国内外很少有学者对这方面进行研究。入岩工况下，不合理的钻进参数会严重影响钻机的施工经济收益，故对旋挖钻机这种高投入高产出的桩工设备来说，综合考虑钻机入岩速度和动力头齿轮寿命，选择一个合理的钻进参数以确保施工经济收益最大是很有必要的。为此，本文对钻机入岩负载特性进行了研究，结合钻进参数对入岩速度和动力头齿轮寿命影响的分析，得到了入岩时钻机的合理钻进参数，并设计了一套电液比例控制方案以实现钻机在合理钻进参数点处平稳入岩。主要做了以下几点工作:
　　 1.以单个镐型截齿破岩研究为基础，结合旋挖钻机短螺旋钻头的结构形式和工作特性，建立了钻头入岩时载荷的数学模型，并推导了钻机入岩速度的数学表达式，从而揭示了入岩速度随岩石接触强度和钻进参数变化的规律。
　　 2.结合钻机入岩所受的载荷和齿轮系统内部的时变激励，建立了动力头齿轮系统动力学模型，得到了小齿轮节点的动态啮合力，根据赫兹接触理论求得该点动态接触应力，运用Miner累积损伤理论进行疲劳寿命分析，得到了该点接触疲劳寿命随钻进参数变化的规律。
　　 3.综合考虑钻进参数对入岩速度和动力头齿轮寿命的影响，以施工经济收益最大为目标，获得了钻机入岩时的合理钻进参数，并设计了一套电液比例控制方案，通过对加压回路液压系统的理论建模和AMESim仿真，表明了该方案能很好地保证钻机在合理钻进参数点处平稳入岩。
　　 4.根据地质勘查单位的相关地质数据，运用上述理论研究成果，对同一设备在两个不同施工工地进行了实验，通过理论和实验结果的对比分析，验证了钻机在全功率正常钻进时入岩速度数学表达式的正确性和电液比例控制方案的合理性。
　　 本文通过对旋挖钻机短螺旋钻头入岩时合理钻进参数的研究，得到了具有一定理论意义和实际价值的数据和规律，不仅为后者的理论研究和新产品的开发奠定了基础，也对实际施工起了指导性作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 旋挖钻机简介

1．1．1 结构简介

1．1．2 工作原理

1．2 旋挖钻机的发展、研究现状及现存问题

1．2．1 旋挖钻机的技术发展现状

1．2．2 旋挖钻机的理论研究现状

1．2．3 旋挖钻机的现存问题

1．3 本课题研究的意义和内容

1．3．1 研究意义和目的

1．3．2 研究的主要内容

第二章 钻机入岩载荷及钻进参数对入岩速度影响的研究

2．1 单个和多个镐型截齿破岩的研究和应用

2．1．1 单个镐型截齿破岩的研究

2．1．2 多个镐型截齿破岩的研究和应用

2．2 单个镐型截齿剪切破岩过程描述

2．3 短螺旋钻头入岩时载荷的建模

2．3．1 单个镐型截齿平直切削岩石时的载荷模型

2．3．2 单个镐型截齿偏斜切削岩石时的载荷模型

2．3．3 钻头入岩时的总载荷

2．4 钻机入岩时合理切削厚度范围和入岩速度的研究

2．4．1 钻机入岩时合理切削厚度范围的确定

2．4．2 钻机入岩速度的研究

2．5 本章小结

第三章 钻机入岩时钻进参数对动力头齿轮寿命影响的研究

3．1 前言

3．2 动力箱齿轮副的动力学模型建立

3．2．1 齿轮副的啮合刚度

3．2．2 齿轮副的啮合阻尼

3．2．3 齿轮副的静态传递误差

3．2．4 齿轮副动力学模型的建立

3．3 入岩载荷作用下齿轮副接触应力的求解和统计

3．3．1 齿轮副接触应力的求解

3．3．2 齿轮副接触应力的统计

3．4 入岩载荷作用下齿轮疲劳寿命的分析

3．4．1 R-S-N曲线方程的建立

3．4．2 Miner累积损伤理论

3．4．3 齿轮疲劳寿命的仿真求解

3．5 本章小结

第四章 基于入岩速度和齿轮寿命的合理钻进参数及控制方案研究

4．1 钻机合理钻进参数的确定

4．2 电液比例控制方案的设计

4．3 液压系统合理控制量的确定

4．4 加压回路液压系统数学模型的建立

4．4．1 负载敏感变量泵数学模型的建立

4．4．2 控制阀数学模型的建立

4．4．3 加压缸数学模型的建立

4．4．4 整体加压回路液压仿真模型的建立

4．5 加压油缸位移波动量的仿真分析

4．6 本章小结

第五章 实验研究

5．1 实验目的

5．2 实验内容

5．3．1 实验平台概述

5．3．2 现场条件

5．4 实验步骤

5．4．1 实验设备连接安装

5．4．2 实验过程

5．5 实验结果与分析

5．5．1 实验一：全功率正常钻进时临界入岩速度的验证

5．5．2 实验二：全功率正常钻进时入岩速度变化规律的验证

5．6 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

附录一

附录二

附录三

致谢

攻读硕士期间主要研究成果