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旋转钻机工作装置性能分析及优化设计

作　者: 喻涛
导　师: 舒大文
学　校: 昆明理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 旋转钻机 螺旋钻杆 优化设计 有限元 模拟仿真
分类号: P634.31
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


旋转钻机是用切削式钻头破碎岩石的钻孔机械,也称为旋转切削式钻机。在采矿工程中应用旋转钻机已有多年的历史,但多数是应用在井下煤矿、且钻孔直径很小如煤矿电钻等。随着国内外煤炭资源的大量开发,旋转钻机的使用范围正在逐步的扩大。本论文研究的钻机用于露天煤矿爆破前的钻孔施工,钻孔设计深度为12m,设计孔径为120mm。钻机钻孔时,回转机构和加压机构通过钻杆向多刃切削钻头施加作用力。钻头在轴压力作用下侵入煤层,又在回转扭矩的作用下切削破碎煤层。该钻机采用螺旋钻杆排碴方式,钻杆在孔中转动时与孔壁构成一个螺旋输送器,孔底煤碴在离心力、摩擦力等各种阻力作用下沿钻杆上的螺旋叶片逐步向上输送,从而使钻具不断向下移动,完成钻进过程。在旋转钻机的设计与运行中,如何合理选配其主要工作参数,得到最佳的钻孔工作效果,仍然是一个有待进一步深入研究的重要课题。旋转钻机钻进效率受螺旋钻杆的输送能力及钻杆承受载荷的能力影响很大,螺旋钻杆的输送能力与钻杆上叶片的结构参数有关,而钻杆轴外径、内径及螺旋叶片的厚度决定了钻杆承受载荷的能力。为了进一步提高钻机的钻进效率,本文首先对螺旋钻杆输送能力进行理论推导,以螺旋叶片输送量最大为优化目标,得出最优叶片螺距、螺旋转速及钻杆轴径,从而得出最优钻进速度；然后利用ABAQUS有限元分析软件建立钻头钻进系统模型,并进行非线性接触分析,模拟在现有钻头结构下以最优钻进速度钻进时,钻机工作头需要提供的动力；最后利用ANSYS WORKBENCH DesignXplorer模块中提供的DOE技术,分析在静力条件下螺旋叶片及钻杆轴内径对钻杆质量、应力等的影响,并综合应用PRO/E、ANSYS生成包含应力应变信息的螺旋钻杆模态中性文件,导入MSC.ADAMS中建立钻进系统的刚-柔体模型,对螺旋钻杆的钻进过程进行运动仿真,在ADAMS的后处理模块中提取相关数据信息,获得钻杆的钻进轨迹及与孔壁的接触状态,并对钻杆的变形情况进行了分析。本文对钻机工作装置工作性能、结构参数的分析研究及优化,对钻机的改进及钻进效率的进一步提高具有重要的指导作用和工程应用价值。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章 绪论  9-17
  1.1 旋转钻机工作原理  9-10
  1.2 旋转钻机发展现状及研究概况  10-12
    1.2.1 目前国内外生产及研究现状  10-11
    1.2.2 旋转钻机的技术发展趋势  11-12
  1.3 课题研究意义及来源  12-13
  1.4 研究方法、内容及思路  13-16
    1.4.1 研究方法  13-15
    1.4.2 主要研究内容  15-16
    1.4.3 研究思路  16
  1.5 预期目标结果  16-17
第二章 旋转钻机螺旋钻杆参数分析及优化  17-40
  2.1 螺旋钻杆输送能力分析  17-28
    2.1.1 单颗粒运动分析  17-18
    2.1.2 群颗粒运动分析  18-22
    2.1.3 运动速度分析  22-24
    2.1.4 临界转速推导  24-28
  2.2 优化分析及数学模型的建立  28-39
    2.2.1 优化设计概念  28-29
    2.2.2 最优化设计的基本要素  29-30
    2.2.3 螺旋钻杆结构参数优化  30-39
  2.3 小结  39-40
第三章 旋转钻机钻进受力分析  40-52
  3.1 旋转切削钻头结构分析  40-41
    3.1.1 旋转切削钻头结构组成  40
    3.1.2 旋转切削钻头结构类型  40-41
  3.2 煤炭切削理论  41-43
  3.3 钻孔过程的数值模拟  43-50
    3.3.1 ABAQUS有限元软件简介  44-46
    3.3.2 本构模型及破坏准则  46-47
    3.3.3 线性D-P本构关系硬化准则  47
    3.3.4 初始破坏准则及破坏进展准则  47-48
    3.3.5 有限元模型建立及计算分析  48-50
  3.4 小结  50-52
第四章 螺旋钻杆受力分析及运动仿真  52-76
  4.1 ANSYS及MSC.ADAMS简介  52-57
    4.1.1 ANSYS简介  52-54
    4.1.2 ADAMS简介  54-56
    4.1.3 ADAMS柔性体生成方法及其与ANASYS接口  56-57
  4.2 钻杆结构受力分析及仿真  57-74
    4.2.1 螺旋钻杆建模  57
    4.2.2 静力分析及参数优化  57-62
    4.2.3 螺旋钻杆钻进仿真  62-74
  4.3 小结  74-76
第五章 结论与展望  76-79
  5.1 主要工作及结论  76-77
    5.1.1 主要工作  76
    5.1.2 创新点  76-77
    5.1.3 结论  77
  5.2 存在的问题及展望  77-79
致谢  79-80
参考文献  80-83
附录A 攻读硕士期间发表的论文  83

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 地质学 > 地质、矿产普查与勘探 > 钻探工程 > 钻探机械及仪表 > 钻机
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