旋挖钻机工作装置力学特性研究与优化

摘要

旋挖钻机是机电液一体化技术集成度很高的复杂设备，相对国外几十年的发展历史，我国尚处于起步阶段，还存在许多不足之处。目前，国产旋挖钻机主要依靠相对低廉的价格和进口旋挖钻机分摊市场份额，两者在技术上的竞争关系还较弱。对旋挖钻机工作装置的力学特性研究还很不成熟，有许多关键的理论和技术问题有待于进一步研究并解决。在国家863课题“计算机控制高性能旋挖钻机的研发和产业化”、湖南省研究生科研创新项目及中南大学研究生学位论文创新基金的资助下，本文对旋挖钻机工作装置进行了深入、系统的力学特性研究和多角度的优化设计，以期提高国产旋挖钻机的技术水平。本文的主要研究成果如下:
　　 (1)分析了旋挖钻机的结构组成，重点介绍了旋挖钻机的工作原理，并对旋挖钻机工作装置的组成原理进行了分析。
　　 (2)建立了包含液压执行元件的空间超静定结构的旋挖钻机工作装置的力学模型，在Simulink中构建了基于MATLAB程序的仿真模型并进行了仿真。对数学模型和仿真结果进行了力学特性分析，为变幅机构优化设计提供了理论依据。
　　 (3)建立了多种动臂变幅机构在动臂变幅工况下的动力学数学模型，在Simulink中建立了基于MATLAB程序的仿真模型并进行了仿真分析。得出了动臂位于连杆下方且动臂变幅油缸上撑动臂的变幅机构形式能提供比较好的动力学性能的结论。
　　 (4)建立了钻桅内力的数学模型，研究了动力头在钻桅上的不同位置、钻桅变幅油缸和钻桅的铰点的不同位置等情况下钻桅的力学特性，为钻桅结构的优化设计提供了理论依据。
　　 (5)研究了不同主卷扬安装位置对工作装置力学性能、钻桅力学性能的影响，得出了主卷扬安装在回转平台上优于安装在钻桅下部的结论。
　　 (6)构建了动臂变幅机构和钻桅变幅机构的动力学优化设计模型，采用遗传算法进行了优化设计，建立了钻桅的参数优化模型，利用ANSYS软件进行了优化设计，得到了SWDM-22型旋挖钻机工作装置的优化结构参数。
　　 (7)在SWDM-22型旋挖钻机上进行了动臂变幅油缸和钻桅变幅油缸的压力测量试验、钻桅应力测量试验，测试结果验证了理论分析的正确性。
　　 总之，论文系统研究了旋挖钻机工作装置的力学特性并进行了优化设计，具有重要的理论意义与工程应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 旋挖钻机技术发展概述

1．1．1 国外旋挖钻机技术的发展历史与现状

1．1．2 国内旋挖钻机技术的发展历史与现状

1．1．3 现代旋挖钻机技术的发展趋势

1．2 旋挖钻机工作装置的研究现状及存在问题

1．3 课题来源与论文研究的主要内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 论文研究的主要内容

第二章 旋挖钻机的结构分析

2．1 旋挖钻机的结构组成

2．2 旋挖钻机的作业流程及工作原理

2．3 旋挖钻机工作装置的组成原理

2．4 本章小结

第三章 旋挖钻机工作装置的力学特性研究

3．1 变幅工况下旋挖钻机工作装置的动力学特性研究

3．1．1 动臂变幅工况下旋挖钻机工作装置的动力学特性研究

3．1．2 钻桅变幅工况下旋挖钻机工作装置的动力学特性研究

3．2 钻进工况下旋挖钻机工作装置的力学特性研究

3．2．1 平面力系部分的力学特性研究

3．2．2 空间力系部分的力学特性研究

3．3 提钻工况下旋挖钻机工作装置的力学特性研究

3．3．1 数学模型的建立

3．3．2 数学求解

3．3．3 特性分析

3．3．4 小结

3．4 多种动臂变幅机构的动力学特性对比分析

3．5 主卷扬安装位置对工作装置动力学性能的影响

3．5．1 动臂变幅工况下的影响

3．5．2 钻桅变幅工况下的影响

3．6 本章小结

第四章 钻桅的力学特性研究

4．1 变幅工况下钻桅的力学特性研究

4．1．1 数学模型的建立

4．1．2 数学求解

4．1．3 特性分析

4．2 钻进工况下钻桅的力学特性研究

4．2．1 数学模型的建立

4．2．2 数学求解

4．2．3 特性分析

4．3 提钻工况下钻桅的力学特性研究

4．3．1 数学模型的建立

4．3．2 数学求解

4．3．3 特性分析

4．4 两个主卷扬安装位置下钻桅力学特性的对比分析

4．4．1 工况选择

4．4．2 主卷扬安装在钻桅下部时数学模型的建立

4．4．3 主卷扬安装在钴桅下部时的数学求解

4．4．4 两个主卷扬安装位置下钻桅力学特性的对比分析

4．5 本章小结

第五章 旋挖钻机关键部件的优化设计

5．1 变幅机构的动力学优化设计

5．1．1 动臂变幅机构的动力学优化设计

5．1．2 钻桅变幅机构的动力学优化设计

5．2 钻桅的参数优化设计

5．2．1 计算工况的选择

5．2．2 目标函数的建立

5．2．3 设计变量的确定

5．2．4 约束条件的确定

5．2．5 实际算例及分析

5．3 本章小结

第六章 试验研究

6．1 油缸压力测量试验

6．1．1 试验目的和内容

6．1．2 试验设备

6．1．3 油缸压力测量试验研究

6．1．4 试验结果与数据分析

6．2 钻桅应力测量试验

6．2．1 试验目的和内容

6．2．2 试验设备

6．2．3 试验原理

6．2．4 钻桅应力测量试验研究

6．2．5 试验结果与数据分析

6．3 本章小结

第七章 结论和建议

7．1 结论

7．1．1 论文的主要研究成果

7．1．2 论文的主要创新点

7．2 建议

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要的研究成果

1、攻读博士学位期间参加科研项目情况

2、攻读博士学位期间论文发表情况