《煤礦用探水機的機械結構設計》開題報告4900字

煤礦用探水機的機械結構設計一、研究目的、意義和國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.1簡述擬選課題的研究目的與意義煤與瓦斯突出、突水、沖擊地壓是導致煤礦事故的主要災害，目前，對應災害普遍采用并行之有效的預防和控制措施是鉆孔抽采，疏水，卸壓等。上述預防和控制措施有一個共同特點：均需鉆孔施工。但鉆孔施工中，煤與瓦斯卻發(fā)生了突出、突水及其他事故頻繁發(fā)生，國產煤礦用鉆機由于受上，下鉆桿這一關鍵環(huán)節(jié)制約，均只能通過施工現(xiàn)場的手工進行作業(yè)，在這一境界中，孔口瓦斯突出或涌水事故時，操作人員的人身安全受到嚴重的威脅，目前雖有部分鉆機裝有機械化鉆桿輸送輔助裝置，但是在重點上，下鉆桿工序還是全人工操作，不但勞動強度高，并需調配專人，操作失誤，很容易發(fā)生安全事故。為了提升煤礦鉆孔裝備自動化，智能化水平，確保煤礦安全生產，國家發(fā)改委與國家能源局于2016年12月聯(lián)合發(fā)布的《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》在“第八章：加強煤炭科技創(chuàng)新”中明確指出，打通煤炭地質保障、煤炭的智能鉆探及其他關鍵技術，完善煤機裝備的數(shù)字化控制、自動化生產，遠程操作能力強。國家煤礦安全監(jiān)察局2019年發(fā)布《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》中將防突鉆孔機器人、探水鉆孔機器人等、防沖鉆孔機器人和其他鉆機裝備，作為促進煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的工具，促進煤礦安全發(fā)展重點研究開發(fā)內容。各地政府還發(fā)布了各類文件，鼓勵促進煤礦鉆機的自動化和智能化。目前，國內外對鉆桿自動輸送系統(tǒng)研究多集中于石油及非煤礦山，煤礦井下鉆機鉆桿自動輸送系統(tǒng)的研究結果還很少，現(xiàn)有的結果由于難以突破煤礦井下工作空間的限制、工作環(huán)境差，等等，實用化和適應性困難。為此，本論文進行了鉆桿自動輸送系統(tǒng)的研究，開發(fā)了一種適合煤礦鉆機井下施工用鉆桿輸送機械手。通過此項研究，既可實現(xiàn)鉆桿的自動化輸送，減少了鉆孔施工人員，確保鉆孔施工的安全性，并符合國家及各地政府對煤機裝備智能化的需求方向，同時，研究結果對煤礦鉆機鉆桿自動輸送也能起到一個借鑒作用。1.2闡述擬選課題的國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。1.2.1國外研究現(xiàn)狀自18世紀后半期，旋轉鉆進技術在工礦企業(yè)中得到應用以來，工程技術人員便不斷探索，以解決目前鉆機在使用中裝卸鉆桿的勞動強度較大的問題、安全風險較高等問題解決途徑?？刂萍夹g在本世紀40年代問世以后，鉆機的研究開發(fā)人員建議，通過把機械，液壓、控制與其他技術結合，以達到鉆桿自動輸送之構想。通過多年的研究，1952年，ByronJackson與Humbleoil公司共同研制了世界首臺具有某種鉆桿自動輸送功能石油鉆機。目前，美國，英國和德國經過將近80年的發(fā)展，伴隨著自動化水平的提高、加拿大和其他發(fā)達國家對大型鉆機鉆桿自動輸送系統(tǒng)研究有很大進展，例如：美國NationalOil-wellVarco（NOV）公司鉆桿自動輸送系統(tǒng)已經系列化，模塊化，可滿足海、陸不同型號鉆機的要求，如圖1；英國StrachanandHenshaw公司開發(fā)的RAD型深井海洋鉆機，具有自動輸送鉆桿的各種功能，本實用新型抓取鉆桿靈活，可靠性高；德國Bentec公司開發(fā)的OsebergSor鉆井平臺，可以通過可編程控制器自動輸送鉆桿，并且確保起下鉆作業(yè)能夠高速進行，不會出現(xiàn)設備碰撞風險；加拿大Formost公司的ExplorerIII-65型鉆機是由兩套擺動油缸構成的機械手來完成夾取和翻轉對接的，見圖2。圖1.1NOV的鉆桿輸送裝置圖1.2ExplorerIII-65鉆機盡管大型鉆機的鉆桿自動輸送系統(tǒng)有了很大的進步，但是煤礦鉆機施工的煤礦井下環(huán)境與大型鉆機施工環(huán)境相差巨大，由于井下作業(yè)空間的限制、工作環(huán)境差，在煤礦井下鉆機上采用的鉆桿自動輸送技術很難適用。就小型鉆機鉆桿的運輸而言，瑞典Sandvik公司DL系列鉆機上安裝了自動換鉆桿及鉆桿輸送裝置，能減輕鉆進時勞動強度，但是在作業(yè)時仍然要手動協(xié)助上鉆桿和下鉆桿作業(yè)。美國BoartLongyear公司LM系列鉆機具備鉆桿自動輸送功能（圖3），可以實現(xiàn)施工過程中的自動鉆進，這種鉆機的施工勞動強度較低，施工效率高，但這種設備是單根鉆桿上下自動完成的，無法在深孔鉆進中使用，離全自動上，下鉆桿尚有很大的距離。圖3寶長年配置換桿設備的坑道鉆機1.2.2國內研究現(xiàn)狀我國在煤礦鉆機鉆桿自動輸送研究方面起步比較晚，中國礦業(yè)大學和哈爾濱工業(yè)大學得到了國家863計劃項目資助，以MYZ-150型液壓鉆機為研究對象，增加了電液控制系統(tǒng)，并對其進行了改造，1996年，國內第一臺機器人化的自動鉆機研制成功。盡管這種鉆機有一些鉆桿輸送功能，但本課題是原理性的研究，沒有進一步實用化及可靠性研究，晚期尚未見該項技術的應用和開發(fā)。中國地質大學（武漢）開發(fā)了一種基于機械手和旋轉式鉆桿箱相配合的鉆桿自動輸送系統(tǒng)，它的示意圖如圖4。上鉆桿過程中，鉆桿箱把待運輸鉆桿送到機械手夾持關節(jié)，機械手向鉆孔軸線方向輸送鉆桿，鉆桿箱轉動，向下一個鉆桿送入機械手的夾持關節(jié)，等待運輸，下鉆桿的過程與上鉆桿過程相反。本系統(tǒng)從理論上講，可以實現(xiàn)鉆桿自動上下左右，但鉆桿箱的體積很小，整體結構笨重適用性差。圖4中國地質大學的鉆桿輸送系統(tǒng)安徽理工大學煤礦鉆機升級改造的研究，并且研究開發(fā)了利用重力與機械手相配合實現(xiàn)鉆桿自動輸送系統(tǒng)如圖5。鉆桿箱設置在鉆機的上端，鉆桿布置設置在鉆桿箱內，作業(yè)時，機械手將鉆桿箱底部的鉆桿運送至鉆孔軸線處，鉆桿箱內的鉆桿由于自身重力下移，將前一鉆桿的位置填滿，以待運輸。本系統(tǒng)僅能在上鉆桿時自動傳送鉆桿，下鉆桿需手動，實用性還有待提高。圖5安徽理工大學鉆桿自動輸送系統(tǒng)中煤科工集團重慶研究院有限公司2006年承擔國家重大產業(yè)技術開發(fā)專項“防突遠距離控制鉆機研制及配套工藝開發(fā)”，著手進行煤礦鉆機鉆桿自動輸送的研究工作，并在2008年研制成功了裝有機械化上、下鉆桿設備的防突遠程鉆機，但是這種鉆機機械化上，下鉆桿都是由手工分步作業(yè)，沒有自動化輸送鉆桿。經過幾年來的學習和探索，“十二五”時期，基于前人研究結果，研制成功地面遠程自動控制鉆機（圖6），這種鉆機具有自動上，下鉆桿的特點，鉆桿自動輸送系統(tǒng)中形成采用液壓實現(xiàn)傳動的機械手輸送方案。本方案吸納液壓驅動能力強，具有較強的抗污染能力等，使鉆桿自動輸送系統(tǒng)具有緊湊的結構，比較適用于煤礦井下受限空間使用。圖6重慶煤科院鉆桿自動輸送系統(tǒng)綜上，，目前國內外對鉆桿自動輸送系統(tǒng)研究還存在著工作范圍小，工作時系統(tǒng)沖擊振動大等，使鉆機應用范圍受到限制，限制機械手響應速度，影響鉆桿輸送的效率。為了真正做到鉆孔施工時上，下鉆桿的無人化，減少了鉆孔施工人員，確保職工的生命安全，解決上述問題勢在必行，本實用新型拓展了機械手上鉆桿和下鉆桿的適用范圍，本實用新型解決了機械手在工作時沖擊振動較大的難題，確保了機械手的平穩(wěn)，快速工作。參考文獻DAVIDR,VARCOINTERNATIONALI.TheDevelopmentofAutomatedDrillingRigs:Dallas:IADC/SPEDrillingConference[C],1998.WoelfelSR.BreakthroughsinCasingRunningEfficiencyUtilizingModernPipeHandlingTechnology:SPE/IADCDrillingConference[C],2001.ARTYMIUK,ZachariasenJ.Newcombineddrillingworkoverandsnubbingrigconcept[J].DrillingOilGas,2006,23(1).姚璐璐.陸地鉆機立柱式鉆桿排放系統(tǒng)設計[D].蘭州理工大學,2012.黨言慶.石油鉆機機械手式排管機的設計[D].中國石油大學(華東),2015.劉平全.鉆井平臺鉆桿自動操作系統(tǒng)設計研究[D].中國石油大學,2010.顏純文.勘探鉆機和鉆具的升級[J].地質裝備,2011,12(06):35-39.楚紅巖葉森森AUTHOR.ATLASCOPCO引入BenchRemote操作平臺[J].工程機械,2015,46(05):66.董建榮.SimbaH252全液壓采礦臺車液壓系統(tǒng)分析[D].河北科技大學,2013.高學徑侯志恩.阿特拉斯各型鉆車性能參數(shù)介紹[J].鑿巖機械氣動工具,2007(02):33-39.朱備備.具有自動續(xù)桿功能的煤礦液壓鉆機設計與分析[D].安徽理工大學,2018.陳林.液壓鉆機自動上下桿機構的設計與分析[D].安徽理工大學,2018.宋建鋒王樹盤.一種煤礦用遙控控制自動鉆孔鉆車[J].中國新技術新產品,2018(03):6-7.劉祺張銳姚克.煤礦井下自動化鉆機研發(fā)關鍵技術[J].煤炭科學技術,2019,47(05):59-63.陳航.ZYW-3200鉆機旋轉式鉆桿輸送裝置的設計[J].煤炭技術,2017,36(04):260-262.張始齋.鉆機雙夾持器結構設計及仿真分析[J].煤礦機械,2019,40(08):72-75.郭一楠，陸希望，張振等．變頻泵控錨桿鉆臂擺角動態(tài)滑模自適應控制[J]．控制理論與應用，2019，36(10)：1768-1775．宮文娜楊國來王淏澤.閥控液壓馬達動態(tài)特性控制的仿真研究[J].液壓氣動與密封,2017,37(01):27-30.

二、研究目標、設計（研究）方案及主要研究內容2.1研究目標傳統(tǒng)鉆桿支護作業(yè)多靠工人操作，根據(jù)經驗及現(xiàn)場情況人工執(zhí)行，支護效率較低，鉆桿支護精度較差，亟需推動液壓鉆桿鉆機自動化，智能化的研究。在鉆桿支護的工作中，液壓鉆桿鉆機鉆臂要求在巷道斷面上橫向運動，由此完成鉆桿在巷道空頂不同部位的架設。只有靠機械手速度快、對鉆桿鉆機鉆臂運動位置進行準確控制，以保證鉆桿或者錨索裝在預置好的地方，巷道空頂?shù)玫搅擞行У闹ёo，避免安全事故的發(fā)生。針對煤礦井下作業(yè)空間有限，環(huán)境差的特點，對手工上，下鉆桿工藝進行了分析，設計一種利用電液控制機械手輸送煤礦自動鉆機鉆桿，并利用Inventor軟件對鉆桿輸送機械手進行結構建模。利用有限元分析軟件，對所設計的結構進行了分析與優(yōu)化，當機械手的工作性能沒有受到影響時，結構有了很大的改進。2.2設計（研究）方案2.2.1鉆桿輸送機械手結構設計復合關節(jié)式機械手包括傾角調節(jié)關節(jié)和翻轉關節(jié)、所述伸縮關節(jié)與夾緊關節(jié)構成，它的構造見圖6。傾角由蝸輪蝸桿減速器進行調整，理論上能達到-90°~+90°的無級調節(jié)，同時達到在活動時關節(jié)自鎖的目的；所述液壓馬達帶動回轉臂轉動，達到翻轉關節(jié)運動的目的；伸縮油缸帶動伸縮關節(jié)進行伸縮；夾緊油缸帶動卡瓦夾緊和松開鉆桿。圖6煤礦用自動鉆機鉆桿輸送機械手1.回轉減速器2.轉動臂3.液壓馬達4.回轉軸5.回轉臂6.伸縮油缸7.伸縮外筒8.伸縮內筒9.夾緊油缸10.卡瓦11.卡瓦固定座2.2.2夾緊關節(jié)的設計機械手夾緊關節(jié)設置在機械手的端部，用以完成鉆桿輸送時抓取和松開鉆桿的動作，同時，確保鉆桿在作業(yè)時不會發(fā)生松動和脫落。與側面抓取相結合進行運輸，關節(jié)利用一側開口鉗式夾持原理，實現(xiàn)鉆桿抓取，本實用新型的有益效果是：結構簡單，緊湊、可靠性高的優(yōu)點，易于滿足煤礦井下有限的作業(yè)空間、環(huán)境惡劣和其他使用環(huán)境。同時本方案能夠根據(jù)鉆桿型號進行不同卡瓦配置，具有通用性。夾緊關節(jié)見圖7。圖7機械手夾緊關節(jié)1.下卡瓦2.上卡瓦3.固定爪4.夾緊油缸5.活動爪2.2.3伸縮關節(jié)的設計伸縮關節(jié)是一種平移運動，可以用液壓缸來完成。從液壓缸結構上就知道，工作時，活塞桿有一可繞軸線旋轉，并且夾緊關節(jié)要時刻確保鉆桿的精準抓取與運輸，因此，為了確保鉆桿輸送的精度和可靠性，取消伸縮關節(jié)活塞桿旋轉自由度是非常必要的?；跈C械設計準則與經驗，液壓缸運動時為活塞桿增加導向機構，可以約束活塞桿的自由度，實現(xiàn)了消除液壓缸轉動自由度。該研究利用缸筒外設置導向機構來約束伸縮關節(jié)旋轉，它的構造見圖8。圖8伸縮關節(jié)結構圖2.3主要研究內容2.3.1多自由度復合關節(jié)鉆桿輸送機械手結構設計通過對手工上鉆桿和下鉆桿工藝進行分析，結合煤礦用鉆機使用環(huán)境，制定了機械手運動方案，判斷機械手運動關節(jié)類型和個數(shù)。利用計算機輔助設計工具，對鉆桿輸送機械手進行了建模，并利用有限元技術對其力學強度進行了分析，基于分析與仿真結果，對鉆桿輸送機械手進行了結構優(yōu)化。2.3.2鉆桿輸送機械手運動學分析采用D-H矩陣法分析了機械手運動學，確定機械手移動時各個關節(jié)移動空間，通過運動學逆向求解，對機械手運動控制奠定了基礎，利用機械手運動學仿真軟件，實現(xiàn)了機械手的運動學仿真。通過分析關節(jié)運動，研究了關節(jié)定位約束條件，設計了一種適用于鉆桿輸送機械手的定位系統(tǒng)。2.3.3鉆桿輸送機械手動態(tài)特性研究通過對機械手的動作過程進行分析，與機械系統(tǒng)相結合、液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)特點等內容，作為機械手翻轉關節(jié)控制系統(tǒng)的典型，導出了系統(tǒng)傳遞函數(shù)，建立了翻轉關節(jié)的控制模型。利用MATLABSimulink仿真了得到的控制系統(tǒng)模型，與控制系統(tǒng)理論相結合，分析了該控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。介紹了PID控制的系統(tǒng)整定方法，使得機械手動態(tài)特性符合煤礦鉆機鉆桿輸送的需求。

三、具體工作進度安排2022年8月20日至9月1日選擇指導教師；畢業(yè)論文寫作規(guī)范培訓；申報選題；2022