潜孔钻机钻臂运动学、动力学研究及优化设计

论文摘要

潜孔钻机作为当前通用的大型凿岩钻孔设备,以其特有的凿岩钻孔特点在凿岩市场中占据重要地位,钻臂为潜孔钻机的核心工作机构之一,其结构尺寸、灵活性和可靠性对生产率和使用性能影响很大。本文结合湖南省科技计划重点项目,对潜孔钻机钻臂运动学、动力学及优化设计进行较为细致和深入的研究,主要工作如下：运用机器人学中的运动学理论对潜孔钻机钻臂进行运动学分析,建立钻臂的运动学方程,采用数值解法,利用Matlab编程求出钻臂工作空间。运用机器人学中的动力学理论对潜孔钻机钻臂进行动力学分析,完成钻臂动力学特性分析的理论基础研究。结合Pro/E和ADAMS构建潜孔钻机钻臂的虚拟样机模型,通过虚拟样机对钻臂举升、钻臂偏转、钻架举升、钻架翻转和推进补偿五种典型动作进行动力学仿真研究,为钻臂结构强度分析以及液压缸设计提供理论依据。根据“等效原则”,利用ADAMS软件自身的三维造型工具重新构建钻臂举升机构、钻臂偏转机构、钻架举升机构和钻架翻转机构的参数化虚拟样机模型,并分别进行优化设计,深入分析和研究优化结果,为潜孔钻机钻臂设计提供具有指导意义的理论依据和设计原则。以SWDE120型潜孔钻机为平台,分别完成钻臂举升、钻臂偏转、钻架举升和钻架翻转实验,验证所建潜孔钻机钻臂虚拟样机模型和仿真结果的有效性和可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 潜孔钻机及其钻臂概述
• 1.3 课题研究与应用现状
• 1.3.1 潜孔钻机研究与应用现状
• 1.3.2 钻臂研究现状与应用现状
• 1.3.3 虚拟样机技术研究与应用现状
• 1.4 课题来源及研究意义
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 课题研究的意义
• 1.5 论文主要研究内容
• 第二章 潜孔钻机钻臂运动学研究
• 2.1 钻臂运动特点分析
• 2.2 机械手位姿与运动描述（D-H法）
• 2.2.1 机械手的位姿描述
• 2.2.2 连杆的描述
• 2.2.3 坐标系的建立
• 2.2.4 齐次变换矩阵
• 2.3 钻臂运动学分析
• 2.3.1 钻臂运动学方程
• 2.3.2 钻臂运动学方程的检验
• 2.4 钻臂工作空间研究
• 2.4.1 工作空间的概念
• 2.4.2 工作空间的描述
• 2.4.3 工作空间的数值法
• 2.4.4 工作空间的求解
• 2.5 本章小结
• 第三章 潜孔钻机钻臂动力学研究
• 3.1 钻臂动力学问题分析
• 3.2 潜孔钻机钻臂动力学理论分析
• 3.2.1 钻臂的动力学方程
• 3.2.2 动力学方程惯量项和重力项的简化
• 3.2.3 钻臂各关节驱动力（力矩）计算
• 3.2.4 钻臂各液压缸驱动力计算
• 3.3 潜孔钻机钻臂虚拟样机建模
• 3.3.1 钻臂三维实体模型的建立
• 3.3.2 钻臂虚拟样机模型的建立
• 3.3.3 虚拟样机过约束问题研究
• 3.4 潜孔钻机钻臂动力学仿真分析
• 3.4.1 钻臂举升过程仿真分析
• 3.4.2 钻臂偏转过程仿真分析
• 3.4.3 钻架举升过程仿真分析
• 3.4.4 钻架翻转过程仿真分析
• 3.4.5 推进补偿过程仿真分析
• 3.4.6 动力学仿真分析结论
• 3.5 本章小结
• 第四章 潜孔钻机钻臂优化设计
• 4.1 钻臂优化设计概述
• 4.1.1 钻臂优化设计问题分析
• 4.1.2 ADAMS优化设计概述
• 4.2 钻臂各机构优化设计
• 4.2.1 钻臂举升机构优化设计
• 4.2.2 钻臂偏转机构优化设计
• 4.2.3 钻架举升机构优化设计
• 4.2.4 钻架翻转机构优化设计
• 4.3 本章小结
• 第五章 实验研究
• 5.1 实验目的和内容
• 5.2 实验条件
• 5.2.1 实验潜孔钻机
• 5.2.2 液压测试仪和压力传感器
• 5.2.3 减压阀
• 5.3 实验方法
• 5.3.1 钻臂液压系统分析
• 5.3.2 实验测试方法
• 5.4 实验过程及结果分析
• 5.4.1 钻臂举升实验
• 5.4.2 钻臂偏转实验
• 5.4.3 钻架举升实验
• 5.4.4 钻架翻转实验
• 5.4.5 实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 附录1 SWDE120型潜孔钻机基本参数
• 附录2 潜孔钻机钻臂优化设计报表
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的主要研究成果