全液压凿岩台车钻臂动态分析及仿真研究

摘要

全液压凿岩台车是集机械、液压及电气于一体的现代化凿岩设备，是矿山、隧道及地下工程采用钻爆法施工的一种重要机具。全液压凿岩台车不仅可以极大地减轻作业人员的体力劳动，提高凿岩钻孔效率，改善施工作业条件，而且在实际施工过程中更容易实现高效化和自动化。钻臂是凿岩台车最核心的机构，其功能就如同凿岩台车的“臂膀”，凿岩台车只有通过钻臂各关节的运动，才能完成定位、凿岩等动作。因此为了提高全液压凿岩台车施工的效率、稳定性、安全性，对钻臂的研究势在必行。本文的主要研究工作如下:(1)在深入研究全液压凿岩台车钻臂结构及组成的基础上，依据某型号全液压凿岩台车钻臂的设计尺寸，利用Pro/E建立了钻臂的三维模型，为后续的分析研究提供了模型基础。
　　(2)将机器人研究中用到的运动学理论和钻臂的运动学分析结合起来，提出了一种将坐标系固定在实体上的D-H(Denavit-Hartenberg)法的改进方法——CFDH(Coordinate Fixed Denavit-Hartenberg)法。运用CFDH法建立了全液压凿岩台车钻臂的运动学方程，并利用MATLAB对钻臂的有效工作空间进行了求解。钻臂的运动学分析有利于更深入的了解各运动杆件的位置、方向及各关节位移之间的关系，是钻臂动力学分析及优化改进的基础。
　　(3)将钻臂三维模型导入ADAMS中，经过相应处理得到了全液压凿岩台车钻臂的虚拟样机。对钻臂的三个危险工况进行了动力学仿真分析，绘制出各驱动油缸的速度、加速度、受力及各铰接点反力曲线，得到了钻臂的动力学性能并为有限元分析提供载荷信息。
　　(4)在ANSYS Workbench中对钻臂进行结构静力分析及模态分析。通过结构静力分析绘制出钻臂核心构件的应力分布云图和位移变形图，验证校核了相关构件在危险工况下的强度。在结构静力分析的基础上对钻臂做了模态分析，得到了钻臂核心构件的固有频率值和模态振型图，验证了相关构件在振动载荷下的稳定性和安全性，为今后合理有效的避开共振区提供了依据。根据分析结果和实际施工中出现的问题对主臂座及推进梁进行了优化改进，提高了钻臂的可靠性和稳定性。

目录

摘要

1 绪论

1．1 全液压凿岩台车概述

1．2 凿岩台车研究状况及发展趋势

1．2．1 凿岩台车国外发展状况

1．2．2 凿岩台车国内发展状况

1．3 凿岩台车钻臂的研究现状

1．4 课题来源及研究意义

1．5 论文的主要研究内容

2 钻臂的三维建模

2．1 钻臂的组成及其结构

2．2 Pro／E软件介绍

2．3 钻臂三维模型的建立

2．3．1 主臂座构件

2．3．2 主臂构件

2．3．3 旋转油缸连接架构件

2．3．4 推进梁构件

2．3．5 钻臂总装配体

2．4 总装配体干涉检验

2．5 本章小结

3 钻臂运动学分析及工作空间求解

3．1 钻臂运动学基础理论

3．2 CFDH齐次矩阵变换法

3．2．1 CFDH方法及连杆参数

3．2．2 连杆坐标系的建立

3．3 确定及验证钻臂运动学方程

3．4 钻臂工作空间求解

3．5 本章小结

4 基于ADAMS的钻臂动力学仿真分析

4．1 动力学理论及虚拟样机技术

4．1．1 钻臂动力学基础理论

4．1．2 虚拟样机技术概述

4．1．3 ADAMS软件介绍

4．2 钻臂虚拟样机模型的建立

4．2．1 虚拟样机的构建

4．2．2 模型的前处理

4．3 钻臂危险工况仿真分析

4．3．1 钻臂危险工况分析

4．3．2 绘制油缸行程曲线

4．3．3 危险工况1的仿真分析

4．3．4 危险工况2的仿真分析

4．3．5 危险工况3的仿真分析

4．3．6 仿真结果分析

4．4 本章小结

5 钻臂有限元分析及优化改进

5．1 有限元法及ANSYS Workcbench介绍

5．1．1 有限元法基础理论

5．1．2 ANSYS Workbench软件介绍

5．2 模型导入及前处理

5．2．1 模型导入

5．2．2 材料设置

5．2．3 网格划分

5．3 有限元结构静力分析

5．3．1 结构静力分析理论

5．3．2 主臂座结构静力分析

5．3．3 旋转油缸连接架结构静力分析

5．3．4 主臂结构静力分析

5．4 有限元模态分析

5．4．1 模态分析理论及方法

5．4．2 主臂座模态分析

5．4．3 旋转油缸连接架模态分析

5．4．4 主臂模态分析

5．4．5 结果分析

5．5 主臂座的优化改进

5．5．1 主臂座改进模型的建立

5．5．2 主臂座改进模型的模态分析

5．5．3 优化改进结果分析

5．6 施工出现的问题及改进

5．6．1 推进梁的模型建立

5．6．2 前处理

5．6．3 推进梁的结构静力分析

5．6．4 推进梁的模态分析

5．6．5 推进梁的优化改进

5．7 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

致谢

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