ZYWL-2600R钻机动力头传动系统的动态特性分析及优化

摘要

论文源于“十二五”国家科技重大专项课题“松软突出煤层钻进成孔技术与装备”(课题号:2011ZX05041-002),该课题旨在研制适用于松软煤层长钻孔施工的大功率、大扭矩和高转速全液压钻机。
　　动力头作为全液压钻机的动力输出机构,采用液压驱动和齿轮传动相结合的方式。随着钻机输出转速和功率的增加,振动、温度和噪声问题成为了困扰动力头设计和制造的重要问题。因此,本文以 ZYWL-2600R钻机动力头为研究对象,基于齿轮系统动力学的理论和方法,对其传动系统进行了动力学建模,从而为钻机动力头振动分析和动态优化设计奠定了理论基础。
　　论文的主要研究内容如下:
　　①根据课题需要设计“高转速”动力头,并在三维CAD软件Inventor中建立其传动系统的三维实体模型,导入到有限元软件ANSYS中,建立该系统的有限元模型,对其进行模态分析,提取前六阶固有频率和振动形式,为避免传动系统的共振提供有效的参考。
　　②综合考虑钻机动力头齿轮传动系统中齿轮副的时变啮合刚度、传递误差、滚动轴承的支撑刚度以及各元件的阻尼等因素,采用集中参数法,建立其耦合动力学模型,求解钻机动力头在变工况负载下各齿轮构件的振动位移、速度和加速度响应以及动态啮合力等动态性能参数,为动力头齿轮的动态优化设计提供重要依据。
　　③以齿轮副啮合线上的振动加速度最小为优化目标,综合考虑齿轮设计的静态和动态约束条件,建立动力头齿轮副的动态优化设计模型。利用 Matlab编程求解最优解,并对优化前后的齿轮副的振动情况进行对比分析,借助GUIDE向导设计动力头优化设计的GUI界面,提高该优化程序的易用性和传递性。
　　④为了验证优化设计是否到达了预期的效果,在钻机加载试验台上,分别对优化前后的动力头实物进行对比试验:包括钻机加载试验、动力头温升试验和箱体的振动测量,记录动力头的转速、转矩数据和箱体固定测点处的温升、振动数据。

目录

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英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 松软煤层螺旋钻机的发展现状

1.3 齿轮系统动态特性的相关研究内容

1.4 钻机动力头的相关研究内容

1.5 论文的研究内容与方法

2 动力头传动系统的固有特性分析

2.1 引言

2.2 振动系统模态分析理论

2.3 动力头传动系统的有限元模态分析

2.4本章小结

3 动力头传动系统的动态响应分析

3.1引言

3.2传动系统的动力学模型

3.3系统的动态激励分析与参数计算

3.4系统的动态响应分析

3.5本章小结

4动力头传动系统的动态优化设计

4.1引言

4.2动态优化设计理论基础

4.3传动系统的动态优化设计

4.4优化设计的MATLAB程序与GUI界面

4.5优化结果的对比

4.6本章小结

5钻机动力头优化对比试验

5.1引言

5.2钻机加载性能试验

5.3动力头温升试验

5.4 动力头箱体的振动测试

5.5本章小结

6结论与展望

6.1研究结论

6.2研究展望

参考文献

致谢

附录

A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B.作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目