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液压锚杆钻机设计研究

杨善国  
【摘要】: 锚杆钻机是与锚杆支护施工相配套的关键设备之一,影响着支护质量的好坏与支护速度的快慢。采用旋转切削方式破岩钻孔的单体锚杆钻机是目前钻孔机具的主导产品。但机体笨重、可靠性低制约着它们进一步推广使用,迫切需要研制高性能的锚杆钻孔机具。针对这一状况,本论文开展了液压锚杆钻机的设计研究工作。 首先对锚杆钻机破岩机理进行了研究。论文系统分析研究了锚杆钻机破岩特点、在旋转切削作用下的岩石所表现出的物理性质与机械性质、以及影响旋转切削破岩钻进速度与效果的主要因素。 本论文提出了将非圆行星齿轮液压马达用于锚杆钻机,在对不同类型非圆行星齿轮液压马达的结构及性能分析的基础上,针对非圆行星齿轮液压马达设计时目标函数及约束条件较多、且设计变量为离散变量、有些参数相互关联而其影响关系不易直接看出的特点,采用了基于正交试验的鲁棒性设计方法对非圆行星齿轮液压马达进行优化设计。建立了非圆行星齿轮液压马达鲁棒性设计的数学模型,通过计算获得了各设计方案的质量特性数据,以信噪比为工具得到了符合设计要求的马达结构参数的组合,且在较宽松的工艺条件下即可使马达具有较强的鲁棒性。在鲁棒优化设计的基础上,完成了非圆行星齿轮液压马达以及新型液压锚杆钻机的产品设计,委托加工厂家试制了样机。 细长的锚杆钻具在旋转切削破岩钻孔过程中有着复杂的工况,受到复杂的外力,具有复杂的变形和运动学、动力学状态。论文利用有限元仿真软件ANSYS软件对锚杆钻具整体的静力学和动力学特性进行了更加精确、可靠地分析与研究。主要研究内容包括锚杆钻具有限元模型建立、边界条件确定、约束及载荷加载、钻具受力与变形特点分析以及钻具可能同时受到扭转振动、纵向振动和横向振动等激励的模态分析,为科学设计锚杆钻具及钻机、合理确定钻进参数和指导实际生产等提供了重要的参考。 论文在合理假设的基础上,建立了液压锚杆钻机静动态特性的数学模型,研究了其静动态特性,得到了其在额定负载条件下启动的速度特性方程、在正常工作条件下的负载特性方程以及马达输出转速对阶跃流量输入和阶跃负载输入的动态响应方程。通过试验确定了钻机特性数学模型中的参量值,得到了反映钻机静动态特性的试验曲线,并采用仿真软件MATLAB对其进行了仿真。仿真曲线与试验曲线具有较好的一致性,表明所建立的描述该锚杆钻机特性的物理模型、数学模型以及仿真模型的合理性,验证了理论分析研究的正确性。通过井下实钻试验,表明了该液压锚杆钻机设计合理,具有结构紧凑、重量轻、钻孔速度快、操作方便、可靠性高等特点,完全能满足煤矿现场的使用要求。


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