高频冲击下凿岩台车钻臂动态特性研究

摘要

凿岩台车是现代化的凿岩设备，主要用于隧道及地下工程、矿山开采，能方便移动并可同时支持多台液压凿岩机进行钻孔作业，具有作业效率高、钻孔定位准及作业环境好等特点。
　　 钻臂作为凿岩工作的直接完成者，在施工过程中既要承受拉压载荷、弯扭载荷，又要承受高频率的凿岩冲击荷载，钻臂在这种外载激励下的动态特性将影响整机性能的发挥。因此，要保证凿岩台车的正常工作，就必须准确了解钻臂的动态特性，从而验证其结构能否克服由动载荷引起的破坏。但目前，国内对凿岩台车钻臂的研究多是面对钻臂运动控制方面的运动学、动力学问题进行仿真分析，而对钻臂动态特性的研究还很少。
　　 本文针对国内现有钻臂研究中存在的不足，对钻头破岩过程、钻臂在高频冲击下的动态响应及疲劳寿命进行仿真分析，主要研究工作如下:
　　 1.利用LS-DYNA软件对凿岩台车钻头冲旋破岩过程进行数值模拟，分析了钻头破岩过程，得到钻头侵深、速度及凿岩反力的变化曲线，讨论了冲击能、转速对破岩的影响。凿岩反力的定量确定为钻臂动态特性的仿真提供了载荷信息。
　　 2.联合运用ADAMS和ANSYS建立了大臂为柔性体的钻臂刚柔耦合虚拟样机模型，为下一步的动态特性仿真奠定了基础。
　　 3.利用ADAMS对大臂在五种典型凿岩工况下的动态应力进行仿真，获得大臂的应力-时间历程曲线和瞬态应力分布云图，找出了大应力节点，从而校核了大臂的强度，也为后续的疲劳寿命计算提供依据。
　　 4.在ADAMS环境下对大臂做谐响应分析，得到不同激励频率下大臂上各测点的位移振动响应曲线，结果表明，大臂的振幅受自身姿态的影响较大，工况四为大臂振动最恶劣工况，大臂二、三节连接处刚度较弱为大臂的薄弱环节;对钎杆顶端点的位移-时间历程作时域、频域的统计分析，发现工况四下钎杆顶端的振动位移最大，平稳性最差。
　　 5.对钻臂展开过程进行刚、柔模型对比仿真，说明柔性体的引入使钻臂动力学特性发生了改变。
　　 6.借助动应力仿真结果，提取了大臂疲劳危险点的应力时间历程并对其进行雨流计数处理，再利用MSC.fatigue估算其失效循环次数，进而推导出钻臂的使用寿命。
　　 本课题旨在解决当前钻臂动力学研究中存在的不足，同时力求为在没有物理样机的情况下分析凿岩台车钻臂动态性能提供一套完整方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的提出

1．2 凿岩台车国内外的发展状况

1．2．1 凿岩台车的结构

1．2．2 凿岩台车国内外的发展概况

1．3 课题研究现状

1．3．1 钻头破岩仿真的研究现状

1．3．2 凿岩台车钻臂的研究现状

1．4 论文研究内容

第2章 钻头破岩过程的数值模拟

2．1 概述

2．2 计算模型的简化

2．3 钻头-岩石系统有限元建模

2．4 岩石材料本构模型的选取

2．5 材料参数的选取

2．5．1 钻头材料参数

2．5．2 岩石材料参数

2．6 边界条件、加载和求解时间

2．6．1 接触设置

2．6．2 边界条件设置

2．6．3 载荷设置

2．6．4 求解设置

2．7 仿真结果及分析

2．7．1 钻头破岩过程分析

2．7．2 钻头速度及破岩深度分析

2．7．3 凿岩反力分析

2．8 不同性能参数对破岩的影响

2．8．1 冲击能对凿岩参数的影响

2．8．2 转速对凿岩参数的影响

2．8．3 结果分析

2．9 本章小节

第3章 钻臂刚柔耦合模型的建立

3．1 概述

3．2 钻臂三维模型的建立

3．3 钻臂的工作原理

3．4 钻臂多刚体模型的建立

3．5 钻臂刚柔耦合模型的建立

3．5．1 模态中性文件的生成

3．5．2 刚柔替换

3．6 本章小节

第4章 基于ADAMS的钻臂动态特性分析

4．1 概述

4．1．1 问题阐述

4．1．2 外载荷的施加

4．1．3 危险工况的确定

4．1．4 大臂动应力观测点的布置

4．2 工况一下钻臂动态特性仿真研究

4．2．1 大臂应力的分布及动态响应

4．2．2 大臂强度分析

4．2．3 钻臂振动特性研究

4．3 工况四下钻臂动态特性仿真研究

4．3．1 大臂的变形及应力动态响应

4．3．2 大臂强度分析

4．3．3 钻臂振动特性研究

4．4 凿岩工况下仿真综合分析

4．4．1 钻臂模态仿真结果及分析

4．4．2 大臂谐响应仿真结果及分析

4．4．3 钎杆顶端点振动仿真结果及分析

4．4．4 大臂动应力仿真结果及分析

4．5 定位工况下钻臂刚、柔模型对比仿真

4．5．1 动力学仿真分析

4．5．2 质心速度仿真结果曲线

4．5．3 大臂铰点受力仿真结果曲线

4．6 本章小结

第5章 基于动应力仿真的钻臂疲劳寿命计算

5．1 概述

5．2 疲劳核算点的载荷信息

5．2．1 疲劳核算点位置的确定

5．2．2 动应力历程的输出及处理

5．3 疲劳寿命计算

5．3．1 材料的S-N曲线

5．3．2 定义疲劳计算选项

5．3．3 结果分析

5．4 本章小节

结论与展望

致谢

参考文献