无阀冲击旋转型液压锚杆钻机动力头优化设计与动态仿真研究

【摘要】： 液压锚杆钻机是岩土锚固工程的关键设备，对工程质量有重要影响。普通锚杆钻机由于不适用于坚硬岩层，因而影响了锚杆钻机的工程应用范围。 本文首先分析了岩石及其特性和冲击凿岩原理，建立了动力头冲击凿岩系统的动力学模型，并进行了波动力学分析和液压冲击机构工作原理分析，提出了无阀冲击旋转型液压锚杆钻机动力头设计方案，据此进行动力头结构设计，并运用遗传算法优化设计原理及MATLAB的遗传算法工具箱GADS对锚杆钻机动力头的旋转机构进行优化设计；运用三维CAD软件Pro／ENGINEER建立了旋转机构和无阀液压冲击机构的三维数字化模型；设计完成了动力头液压控制系统，并利用ADAMS／Hydraulics模块建立了动力头液压冲击机构的液压系统虚拟样机，进行机—液耦合的液压控制系统仿真，得到了无阀液压冲击机构工作过程重要参数的影响变化情况。 最后，在有限元分析软件MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN环境下，把由ADAMS仿真得到的最大冲击力作为无阀液压冲击机构冲击活塞的边界载荷条件，对冲击花键轴进行有限元分析，得出其在受力最大时刻的应力、应变变化状况。 本文综合运用现代优化设计方法、三维CAD软件、多体系统动力学仿真分析软件及有限元分析软件，对无阀冲击旋转型液压锚杆钻机动力头进行优化设计和动态仿真，为液压沖击动力头机构的设计提供了重要参考依据，所采用的思想和方法对类似研究具有一定的借鉴意义和参考价值。