潜孔钻机钻臂运动学、动力学研究及优化设计

摘要

潜孔钻机作为当前通用的大型凿岩钻孔设备,以其特有的凿岩钻孔特点在凿岩市场中占据重要地位,钻臂为潜孔钻机的核心工作机构之一,其结构尺寸、灵活性和可靠性对生产率和使用性能影响很大。本文结合湖南省科技计划重点项目,对潜孔钻机钻臂运动学、动力学及优化设计进行较为细致和深入的研究,主要工作如下:
　　 运用机器人学中的运动学理论对潜孔钻机钻臂进行运动学分析,建立钻臂的运动学方程,采用数值解法,利用Matlab编程求出钻臂工作空间。
　　 运用机器人学中的动力学理论对潜孔钻机钻臂进行动力学分析,完成钻臂动力学特性分析的理论基础研究。结合Pro/E和ADAMS构建潜孔钻机钻臂的虚拟样机模型,通过虚拟样机对钻臂举升、钻臂偏转、钻架举升、钻架翻转和推进补偿五种典型动作进行动力学仿真研究,为钻臂结构强度分析以及液压缸设计提供理论依据。
　　 根据“等效原则”,利用ADAMS软件自身的三维造型工具重新构建钻臂举升机构、钻臂偏转机构、钻架举升机构和钻架翻转机构的参数化虚拟样机模型,并分别进行优化设计,深入分析和研究优化结果,为潜孔钻机钻臂设计提供具有指导意义的理论依据和设计原则。
　　 以SWDE120型潜孔钻机为平台,分别完成钻臂举升、钻臂偏转、钻架举升和钻架翻转实验,验证所建潜孔钻机钻臂虚拟样机模型和仿真结果的有效性和可靠性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 潜孔钻机及其钻臂概述

1.3 课题研究与应用现状

1.3.1 潜孔钻机研究与应用现状

1.3.2 钻臂研究现状与应用现状

1.3.3 虚拟样机技术研究与应用现状

1.4 课题来源及研究意义

1.4.1 课题来源

1.4.2 课题研究的意义

1.5 论文主要研究内容

第二章 潜孔钻机钻臂运动学研究

2.1 钻臂运动特点分析

2.2 机械手位姿与运动描述(D-H法)

2.2.1 机械手的位姿描述

2.2.2 连杆的描述

2.2.3 坐标系的建立

2.2.4 齐次变换矩阵

2.3 钻臂运动学分析

2.3.1 钻臂运动学方程

2.3.2 钻臂运动学方程的检验

2.4 钻臂工作空间研究

2.4.1 工作空间的概念

2.4.2 工作空间的描述

2.4.3 工作空间的数值法

2.4.4 工作空间的求解

2.5 本章小结

第三章 潜孔钻机钻臂动力学研究

3.1 钻臂动力学问题分析

3.2 潜孔钻机钻臂动力学理论分析

3.2.1 钻臂的动力学方程

3.2.2 动力学方程惯量项和重力项的简化

3.2.3 钻臂各关节驱动力(力矩)计算

3.2.4 钻臂各液压缸驱动力计算

3.3 潜孔钻机钻臂虚拟样机建模

3.3.1 钻臂三维实体模型的建立

3.3.2 钻臂虚拟样机模型的建立

3.3.3 虚拟样机过约束问题研究

3.4 潜孔钻机钻臂动力学仿真分析

3.4.1 钻臂举升过程仿真分析

3.4.2 钻臂偏转过程仿真分析

3.4.3 钻架举升过程仿真分析

3.4.4 钻架翻转过程仿真分析

3.4.5 推进补偿过程仿真分析

3.4.6 动力学仿真分析结论

3.5 本章小结

第四章 潜孔钻机钻臂优化设计

4.1 钻臂优化设计概述

4.1.1 钻臂优化设计问题分析

4.1.2 ADAMS优化设计概述

4.2 钻臂各机构优化设计

4.2.1 钻臂举升机构优化设计

4.2.2 钻臂偏转机构优化设计

4.2.3 钻架举升机构优化设计

4.2.4 钻架翻转机构优化设计

4.3 本章小结

第五章 实验研究

5.1 实验目的和内容

5.2 实验条件

5.2.1 实验潜孔钻机

5.2.2 液压测试仪和压力传感器

5.2.3 减压阀

5.3 实验方法

5.3.1 钻臂液压系统分析

5.3.2 实验测试方法

5.4 实验过程及结果分析

5.4.1 钻臂举升实验

5.4.2 钻臂偏转实验

5.4.3 钻架举升实验

5.4.4 钻架翻转实验

5.4.5 实验结果分析

5.5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

附录1 SWDE120型潜孔钻机基本参数

附录2 潜孔钻机钻臂优化设计报表

致谢

攻读硕士学位期间的主要研究成果