（机械设计及理论专业论文）坑道钻机传动系统及其整机模块化设计研究.pdf

沈阳航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着煤炭开采业的日益发展，对煤炭开采时进行瓦斯抽采和地质钻探的坑道钻机提 出了更高的要求，即用高效、快捷、有效的方法对钻机进行合理的改进，以提高其效率， 增加可靠性。 坑道钻机是煤矿井下钻进的核心设备。钻机工作环境复杂多变，工作时钻进岩层对 钻机的反馈作用力随岩层硬度而发生变化。过去，钻机的传动系统采用定量泵定量 马达和变速器组成的液压变速形式，钻机在工作时的输出速度依变速器的两个恒定档 位，由于外部的反作用力的变化常常引起对钻机钻头的刚性冲击，尤其是遭遇硬岩时常 常会产生剧烈震颤，严重时甚至发生打钻现象，使钻机的工作寿命降低。同时，由于液 压油温加剧上升，需停机为其提供冷却时间，因而又影响了钻探的生产效率。 为解决以上问题，目前的钻机设计改用变量传动方式。即采用变量泵变量马达 和减速器组成的容积式液压变速形式，通过改变流量来改变内部输出，因此能够在一定 范围内对不同硬度的岩层进行自适应式调节；同时由于液压变速自身又具有减震的性 能，使钻进过程产生的刚性冲击转变为柔性冲击，从而提高了钻机的可靠性。 本文以系统设计思想为基础，以模块化设计为目标，首先对钻机整机，尤其是传动 系统进行了详细的分析，通过对定型产品的传动系统进行理论分析，建立了容积式液压 变速系统的理论计算模型，提出柔性设计的理论依据；其次利用其相关参数建立了其核 心部件减速器的模糊优化设计数学模型，并应用m a t l a b 进行了优化计算，为传 动系统结构优化提供了理论支持。最后，将模块化设计思想引入钻机设计中，对坑道钻 机整机进行模块化总体设计，基于v b 建立了钻机产品模块化设计框架系统，完成一级 模块和二级模块的划分，为钻机的系列产品设计提供基础和技术支持。 关键词：坑道钻机；传动系统；模糊优化；模块化 沈阳航空航天大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fc o a lm i n i n gi n d u s t r y , h i g h e rr e q u i r e m e n t sa r er a i s e d b yt u n n e ld r i l l i n gm a c h i n ef o rg a se x t r a c t i o na n dg e o l o g i c a ld r i l l i n gd u r i n gc o a lm i n i n g ， m e a n i n gt h a tr e a s o n a b l ei m p r o v e m e n t sa r em a d et ot h em a c h i n eb yu s i n ge f f i c i e n t ，f a s ta n d e f f e c t i v ew a yt oi m p r o v ei t se f f i c i e n c ya n di n c r e a s er e l i a b i l i t y t u n n e ld r i l l i n gm a c h i n ei st h ec o r ee q u i p m e n tf o rt m d e r g r o u n dd r i l l i n g s i n c et h e w o r k i n ge n v i r o n m e n to fd r i l l i n gm a c h i n ei sc o m p l i c a t e da n dc h a n g e a b l e ，r o c k h a r d n e s s c h a n g e st h er e a c t i o ne x e r t e db y t h er o c kl a y e ro nt h em a c h i n ew h i l ei tw o r k s i nt h ep a s t ，t h e t r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft h ed r i l l i n gm a c h i n ei n c l u d ec o n s t a n td i s p l a c e m e n tp u m p c o n s t a n t d i s p l a c e m e n tm o t o ra n dt r a n s m i s s i o n t h e r ea r et w oc o n s t a n tg e a r sa c c o r d i n gt ot h eo u t p u t s p e e do ft h ew o r k i n gd r i l l i n gm a c h i n e b e a c a u s et h ec h a n g e so ft h ee x t e r i o rr e a c t i n gf o r c eo f u s u a l l yc a u s et h er i g i di m p a c to fd r i l l ，e s p e c i a l l yw h e ne n c o u n t e r i n gh a r dr o c k ，v i o l e n t t r e m o r sa r eo f t e nc a u s e d ，d a m a g e db i te v e no c c u r si ns e v e r ec a s e s ，w h i c hr e d u c et h e w o r k i n gl i f eo fd r i l l m e a n w h i l e ，d u et ot h et e m p e r a t u r eo ft h eh y d r a u l i co i lr i s es h a r p l y ，i ti s n e c e s s a r yf o rt h em a c h i n et oc l o s ed o w na n dp r o v i d et i m ef o rt h eo i lt oc o o ld o w n ，w h i c h t h e r e f o r ea f f e c t st h ed r i l l i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t os o l v et h ea b o v ep r o b l e m ，t h ep r e s e n td e s i g no ft h ed r i l l i n gm a c h i n ea d o p tt h ev a r i a b l e d r i v i n gm o d e m e a n i n gt h a tt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft h ed r i l l i n gm a c h i n ei n c l u d ev a r i a b l e d i s p l a c e m e n tp u m p v a r i a b l ed i s p l a c e m e n tm o t o ra n dt r a n s m i s s i o n ，b yc h a n g i n g t h ef l o wt o c h a n g et h ei n t e r n a lo u t p u t ，s ot h a ta d a p t i v e l yt y p ea d j u s t m e n tt od i f f e r e n t h a r d n e s sl a y e r sc a n b em a d ew i t h i nac e r t a i nr a n g e s i m u l t a n e o u s l yb e c a u s ec h a n g i n gt h es p e e do n e s e l fb y h y d r a u l i cp r e s s u r ec a na l s oh a v et h ep e r f o r m a n c eo fs h o c ka b s o r p t i o n ，w h i c ht r a n s f o r m sr i g i d i m p a c ti n t of l e x i b l es h o c k s ，t h e r e b yi m p r o v i n g t h er e l i a b i l i t yo ft h ed r i l l i n gm a c h i n e b a s e do nt h es y s t e md e s i g nt h o u g h t ，t h i sa r t i c l et a k e st h em o d u l a rd e s i g na st h eg o a l f i r s t l y , c a r r yo nad e t a i l e da n a l y s i st ot h ed r i l l i n gm a c h i n ee s p e c i a l l yt h et r a n s m i s s i o ns y s t e m t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ef i n a l i z e dp r o d u c tt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nm o d e lo ft h ep o s i t i v ed i s p l a c e m e n th y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d ， i i 沈阳航空航天大学硕士学位论文 a n dp r o v i d et h e o r yb a s i sf o rt h ef l e x i b l ed e s i g n s e c o n d l y , b yu s i n gi t sr e l e v a n tp a r a m e t e r s ， e s t a b l i s hi t sc o r ec o m p o n e n t s f u z z yo p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo fr e d u c e r , a n da p p l y m a t l a bt oo p t i m i z e ，w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt r a n s m i s s i o ns y s t e ms t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n f i n a l l y , i n t r o d u c i n gt h em o d u l a rd e s i g nt h o u g h tt ot h ed r i l l i n gm a c h i n ed e s i g n ， m o d u l a ro v e r a l ld e s i g nf o rt h et u n n e ld r i l l i n gm a c h i n ei sm a d e d r i l l e rp r o d u c tm o d u l a r d e s i g nf r a m e w o r ks y s t e mi se s t a b l i s h e db a s e do nv b ，l e v e lm o d u l e sa n ds e c o n d a r ym o d u l e a r ed i v i d e d ，w h i c hp r o v i d et h eb a s i sa n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rs e r i e sp r o d u c t sd e s i g no ft h e d r i l l i n gm a c h i n e k e y w o r d s ：t u n n e ld r i l l i n gm a c h i n e ；t r a n s m i s s i o ns y s t e m ；f u z z yo p t i m i z a t i o n ；m o d u l a r i i i 沈阳航空航天大学硕士学位论文 1 1 坑道钻机研究背景 第1 章绪论 坑道钻机是煤炭开采进行瓦斯抽采和地质钻探的核心设备。它具有技术先进、安全 可靠、操作省力、工艺适用性强、工作效率高、解体性强等优点，非常适合井下作业 1 。 坑道钻机在我国的煤炭行业应用非常广泛。因此坑道钻机性能的高低对煤炭的开采发挥 着重要作用。 坑道钻机从系统功能来划分，由动力系统、传动系统、钻进系统、控制系统、行走 和其它六大系统组成，如图1 1 所示。 图1 1 坑道钻机系统组成 坑道钻机的基本工作原理是：控制系统控制动力系统的启动和关闭，工作时将电能 转化为液压能( 压力油) ，油泵从油箱吸油并输出压力油，通过阀的控制，压力油驱动 液压马达、经减速器变速后带动中空主轴、卡盘和钻具旋转，输出转速和扭矩。钻进系 统把钻进岩层的反作用力反馈给传动系统，传动系统做出相应的调节，使能够按要求对 岩层实施钻进破碎，且控制系统上装有压力表，可随时了解钻机负载变化和控制油压， 减少油路故障的发生；行走和其它系统在钻进工作时，给钻机提供支护和固定作用。 坑道钻探是煤矿进行瓦斯抽采和勘探煤炭储量的有效方法，而坑道钻机又是坑道钻 探的核心设备【2 i 。 坑道钻机是为了采矿、地质、安全、工程等目的在矿业开采坑道中进行的一种特殊 钻探的设备【3 1 。当前，煤矿坑道钻机主要有立轴式钻机和全液压动力头式钻机两类机型。 沈阳航空航天大学硕士学位论文 其中，近年来全液压动力头式坑道钻机发展最快、应用最广泛。全液压动力头式坑道钻 机传动系统简单合理，主机重量较小，执行机构彼此独立，因而可根据场地灵活布局。 坑道钻机在功能上可以打任何o 9 0 0 下向孔及上向扇形面孔，钻压控制相对平稳、准确， 进给行程长，从而能获得更高的钻孔质量、钻探效率及岩心采取率。在结构方面，主要 执行机构只有一个动力头和一个给进导向机构，施工时不需要另立钻塔，被称为“无塔 钻机” 4 - 5 1 。目前全液压动力头式钻机在煤田地质勘探、矿井钻探、建筑工程及地质工 程中有着广泛的应用，是煤矿坑道钻探用钻机的主导机型 6 7 1 。 我国煤矿坑道钻机的研究起步比较晚。上世纪7 0 年代末至8 0 年代初，在引进吸收 i 雪# 1 - 先进技术的基础上，并结合我国国情，研制了国产的全液压动力头式钻机8 1 。其中， m k 系列全液压坑道钻机是煤矿用坑道钻机中具有代表性的系列机型，它从上世纪7 0 年代末开始研制，是目前我国研制最早、型号最全的液压坑道钻机，其钻进能力涵盖了 5 0 1 0 0 0 m 的范围，代表了国内坑道钻机技术的发展水平 9 1 。z d y 系列煤矿用全液压坑 道钻机是最近几年研制较多的钻机系列，结合了国内外先进技术，是以后重点研制的钻 机类型。 1 2 坑道钻机的发展 1 2 1国外坑道钻机的发展 动力头式坑道钻机最早在出现于上世纪6 0 年代后期，这其中英国、瑞典、美国等 发达国家对全液压动力头式钻机有较早研制生产，从而取代立轴式钻机。这个时期全液 压动力头式钻机的机型主要有英国埃迪克公司研制生产的f r a 1 6 0 型钻机、瑞典阿特拉 斯一科普柯公司研制生产的泰美克系列钻机、美国长年公司研制生产的h c 1 5 0 型钻机 在盘 守。 上世纪7 0 年代美国开始采用稳定组合钻具在煤矿井下控制钻孔的方向，之后德国 在此技术方面取得的良好效果，并且推广应用到了钾盐矿。德国维尔特公司研制的钻机 稳定组合钻具，具有成本低、钻孔直径大，是目前世界上在钾盐矿上效果最好的钻探设 备。到上世纪9 0 年代一些发达国家开始将电液比例控制技术广泛应用于新型坑道钻机 中。 2 沈阳航空航天大学硕士学位论文 其中，近年来全液压动力头式坑道钻机发展最快、应用最广泛。全液压动力头式坑道钻 机传动系统简单合理，主机重量较小，执行机构彼此独立，因而可根据场地灵活布局。 坑道钻机在功能上可以打任何o 9 0 0 下向孔及上向扇形面孔，钻压控制相对平稳、准确， 进给行程长，从而能获得更高的钻孔质量、钻探效率及岩心采取率。在结构方面，主要 执行机构只有一个动力头和一个给进导向机构，施工时不需要另立钻塔，被称为“无塔 钻机” 4 - 5 1 。目前全液压动力头式钻机在煤田地质勘探、矿井钻探、建筑工程及地质工 程中有着广泛的应用，是煤矿坑道钻探用钻机的主导机型 6 7 1 。 我国煤矿坑道钻机的研究起步比较晚。上世纪7 0 年代末至8 0 年代初，在引进吸收 i 雪# 1 - 先进技术的基础上，并结合我国国情，研制了国产的全液压动力头式钻机8 1 。其中， m k 系列全液压坑道钻机是煤矿用坑道钻机中具有代表性的系列机型，它从上世纪7 0 年代末开始研制，是目前我国研制最早、型号最全的液压坑道钻机，其钻进能力涵盖了 5 0 1 0 0 0 m 的范围，代表了国内坑道钻机技术的发展水平 9 1 。z d y 系列煤矿用全液压坑 道钻机是最近几年研制较多的钻机系列，结合了国内外先进技术，是以后重点研制的钻 机类型。 1 2 坑道钻机的发展 1 2 1国外坑道钻机的发展 动力头式坑道钻机最早在出现于上世纪6 0 年代后期，这其中英国、瑞典、美国等 发达国家对全液压动力头式钻机有较早研制生产，从而取代立轴式钻机。这个时期全液 压动力头式钻机的机型主要有英国埃迪克公司研制生产的f r a 1 6 0 型钻机、瑞典阿特拉 斯一科普柯公司研制生产的泰美克系列钻机、美国长年公司研制生产的h c 1 5 0 型钻机 在盘 守。 上世纪7 0 年代美国开始采用稳定组合钻具在煤矿井下控制钻孔的方向，之后德国 在此技术方面取得的良好效果，并且推广应用到了钾盐矿。德国维尔特公司研制的钻机 稳定组合钻具，具有成本低、钻孔直径大，是目前世界上在钾盐矿上效果最好的钻探设 备。到上世纪9 0 年代一些发达国家开始将电液比例控制技术广泛应用于新型坑道钻机 中。 2 沈阳航空航天大学硕士学位论文 1 2 2国内坑道钻机的发展 我国从7 0 年代中期开始探索，经过多年的努力，煤矿坑道钻机的技术和装备取得 了很大发展。 上世纪5 0 年代初期，我国煤炭地质钻探只采用少量陈旧的日制手把给进式钻机。 为了解决当时国内急需钻探设备的问题，从前苏联引进大量成套的手把式钻机。与此同 时，开始了仿制国外钻机的工作。5 0 年代后期，又陆续引进了前苏联一些结构、性能较 为先进的液压给进立轴式钻树1 0 。立轴式钻机具有价格便宜、操作简单、维修方便、搬 运灵活等优点，虽有很多不足之处，但却比较适合浅孔钻探。 自7 0 年代后期以后我国开始引进全液压钻机，先后引进了英国、美国和日本等发 达国家的全液压动力头式钻机，用于井下瓦斯抽采，在国内取得了良好效果，推动了我 国煤矿坑道钻探工作的开展，促进了国内坑道钻探设备的技术发展。这个时期，人造金 刚石钻进开始使用和推广，新型钻探设备的研制取得了快速发展，钻机的应用范围得到 进一步拓宽，钻机的研制工作向着多类型、多功能和系列化的方向迅速发展，相继研制 出了性能良好、结构相对完善的岩心钻机、水文水井钻机、工程地质和工程施工钻机、 坑道钻机、化探取样钻机、水平孔施工钻机等多种钻机类型。我国全液压坑道钻机的研 制工作也是从这个时期开始的，由于当时国内液压元部件制造技术水平低，所以进展比 较缓慢，还没有可推广应用的成熟机型。 8 0 年代初，煤炭科学研究总院西安研究院和重庆研究院等单位在引进吸收国外先进 技术的基础上，结合我国煤矿的实际生产条件，制造出了拥有自主知识产权的全液压动 力头式钻机 1 1 】。全液压动力头式坑道钻机在煤矿井下的特殊环境中，由于操作安全、钻 进效率高、移动方便等特点，而成为目前煤矿坑道钻探作业的主导机型。随着全液压动 力头式坑道钻机在煤矿推广应用，开始逐步淘汰一些旧式手把式钻机，从而提高了煤矿 钻探的效率。这个时期全液压坑道钻机的结构设计比较成熟，但受液压元件的制造技术 水平所限，钻机工作时的可靠性比较差。 9 0 年代以来，我国钻探设备在设计能力，设备类型，结构类型及技术性能等方面都 己逐渐接近世界先进水平，而且向着结构轻便、性能良好、品种齐全、多功能、操作自 动化和产品系列化的方向发展 1 0 。随着先进科技成果和新材料的应用、钻机钻探工艺的 3 沈阳航空航天大学硕士学位论文 不断发展和施工领域的不断扩大，大大推动了全液压坑道钻机钻探设备的发展。我国煤 矿行业已经用全液压坑道钻机替代了机械传动的坑道钻机，钻机整体可靠性也有了明显 的提高。 整体上看，我国坑道钻机经过近几十年的快速发展，已经在钻探能力上不亚于进口 钻机了，有些大功率钻机的回转钻探能力超过了进口钻机，但是国产钻机和国外先进钻 机在整体技术水平上仍存在着一定差距。主要表现在： ( 1 ) 基础理论研究 国外先进钻机生产企业对钻机进行现代设计理论、钻机虚拟设计理论、可靠性设计 理论、液压系统优化和节能理论等一系列基础理论方面的研究。有些研究成果开始应用 到钻机的现代设计和生产过程中，这样有效地缩短了设计周期，提高了产品的质量。国 内钻机生产企业主要以生产为主，基础理论研究较少，大部分靠引进吸收国外技术进行 生产。 ( 2 ) 整体可靠性 国外先进钻机所采用的元部件，在生产和装配过程中主要采用先进设备，从而使钻 机整体具有较高的质量和可靠性。国产钻机生产和装配过程比较落后，自动化程度低， 钻机的整体质量和可靠性需进一步提高。 ( 3 ) 操控性能 国外先进钻机操作舒服、移动方便、辅助功能齐全。现在国产钻机已经开始研制操 作方便舒适、功能高度集成的一体化钻机。 随着我国煤矿开采效率的提高和煤层开采深度的增加，坑道钻探施工的难度也不断 增加，对我国坑道钻机的研制提出了更高的要求5 1 。 1 3 坑道钻机传动系统简介 坑道钻机传动系统主要由液压传动系统和机械传动系统两部分组成。其中液压传动 系统是整个传动系统的核心，有定传动和变传动两种形式，其性能直接影响坑道钻机的 整机性能和操作性等12 1 。坑道钻机的液压传动系统主要包括液压泵、液压马达、液压阀、 油管、油箱及油箱附件等组成，如图1 2 所示。机械传动系统主要由减速器或变速器组 成。 4 沈阳航空航天大学硕士学位论文 多 路 换 向 阀 图1 2 坑道钻机液压传动系统 过去，坑道钻机的传动系统采用定量泵定量马达和变速器组成的定液压变速形 式，钻机在工作时的输出速度依靠变速器的两个恒定档位，由于外部的反作用力的变化 常常引起对钻机钻头的刚性冲击，尤其是遭遇硬岩时常常会产生剧烈震颤，严重时甚至 发生打钻现象，使钻机的工作寿命降低。同时，由于震颤引起液压油温急剧上升，因此 钻机钻进工作只能采取间断式钻探，为钻机提供自然冷却的时间，这样即浪费了工时又 降低了钻进效率，如图1 3 ( 一) 所示。 为解决以上问题，目前的坑道钻机设计改用变传动方式，即采用变量泵变量马 达和减速器组成的容积式变量液压变速形式，通过改变流量来改变内部输出，因此能够 在一定范围内对不同硬度的岩层进行自适应式调节；同时由于液压变速自身又具有减震 的性能，使钻进过程产生的刚性冲击转变为柔性冲击，如图1 3 ( 二) 所示。 5 基署。矗 一 一图 沈阳航空航天大学硕士学位论文 1 4 坑道钻机传动系统及其整机模块化设计研究 1 4 1 传动系统研究背景 传动系统的设计是研制坑道钻机的重要内容，钻机性能的好坏，钻进效率的高低， 使用寿命的长短，主要取决于传动系统的性能。 目前，采用定量泵、定量马达和变速器作为传动系统的坑道钻机有z s m 2 5 0 型矿 用安全钻机和m y z 1 5 0 型全液压坑道钻机，而现在市场上主导机型m k 4 ，m k g 5 和 近几年的z d y 系列都采用的是变量泵、变量马达和减速器组成的传动系统 1 3 】。由于钻 机工作环境恶劣及复杂，这就需要钻机能够更大范围的适应岩层硬度的变化，因此有必 要进行系统地理论计算。而现有的理论研究还不够完善，因而可以通过理论分析对传动 系统进行深入的研究，可以很好地说明选用变量传动系统可以以最佳转速和钻压钻进， 提高钻井效率和易实现自动化的优势。 1 4 2 整机模块化设计研究的提出 模块化设计技术的研究在国内起步比较晚，该方法仅仅在机床行业等得到广泛的应 用，而在机械其他行业没有得到推广【1 4 1 。 目前，随着我国经济的发展，对坑道钻机质量与使用性能的要求也相应提高。特别 是国家重点工程因工期短，要求施工设备具有高品质、高效的特点，以降低人力资源成 本。这就要求国内企业需加快设计研制的速度和开发出高档产品，提高产品可造作性以 满足国内市场的需求，并力争走出国f i t l 5 。但现在传统的设计方法已经满足不了市场化 的要求了，因此，要求钻机的设计需适应不同生产工况之需求，有必要引入模块化设计 的思想完善其设计系统，提高设计效率，缩短生产研发周期，提高企业对市场的快速应 变能力。 1 4 3 本文的主要研究内容 本论文以煤矿用坑道钻机为研究对象，尤其是传动系统的液压和机械传动两部分， 主要研究以下内容： ( 1 ) 通过对定传动和变传动两种传动系统中的液压组合形式及钻进工作原理的分 析，针对过去定传动系统在钻进工作中的问题，确定采用变传动系统的理论计算。然后 再根据钻机钻进的特点和岩层硬度的变化，建立容积式液压变速系统。 6 沈阳航空航天大学硕士学位论文 1 4 坑道钻机传动系统及其整机模块化设计研究 1 4 1 传动系统研究背景 传动系统的设计是研制坑道钻机的重要内容，钻机性能的好坏，钻进效率的高低， 使用寿命的长短，主要取决于传动系统的性能。 目前，采用定量泵、定量马达和变速器作为传动系统的坑道钻机有z s m 2 5 0 型矿 用安全钻机和m y z 1 5 0 型全液压坑道钻机，而现在市场上主导机型m k 4 ，m k g 5 和 近几年的z d y 系列都采用的是变量泵、变量马达和减速器组成的传动系统 1 3 】。由于钻 机工作环境恶劣及复杂，这就需要钻机能够更大范围的适应岩层硬度的变化，因此有必 要进行系统地理论计算。而现有的理论研究还不够完善，因而可以通过理论分析对传动 系统进行深入的研究，可以很好地说明选用变量传动系统可以以最佳转速和钻压钻进， 提高钻井效率和易实现自动化的优势。 1 4 2 整机模块化设计研究的提出 模块化设计技术的研究在国内起步比较晚，该方法仅仅在机床行业等得到广泛的应 用，而在机械其他行业没有得到推广【1 4 1 。 目前，随着我国经济的发展，对坑道钻机质量与使用性能的要求也相应提高。特别 是国家重点工程因工期短，要求施工设备具有高品质、高效的特点，以降低人力资源成 本。这就要求国内企业需加快设计研制的速度和开发出高档产品，提高产品可造作性以 满足国内市场的需求，并力争走出国f i t l 5 。但现在传统的设计方法已经满足不了市场化 的要求了，因此，要求钻机的设计需适应不同生产工况之需求，有必要引入模块化设计 的思想完善其设计系统，提高设计效率，缩短生产研发周期，提高企业对市场的快速应 变能力。 1 4 3 本文的主要研究内容 本论文以煤矿用坑道钻机为研究对象，尤其是传动系统的液压和机械传动两部分， 主要研究以下内容： ( 1 ) 通过对定传动和变传动两种传动系统中的液压组合形式及钻进工作原理的分 析，针对过去定传动系统在钻进工作中的问题，确定采用变传动系统的理论计算。然后 再根据钻机钻进的特点和岩层硬度的变化，建立容积式液压变速系统。 6 沈阳航空航天大学硕士学位论文 ( 2 ) 基于z d y 2 3 0 0 s 机型，利用其相关参数建立了其核心部件减速器的模糊 优化设计数学模型，以齿轮传动中一t l , 距最小为目标函数，并应用m a t l a b 进行优化计 算，使机械传动部分的中心距减小，以达到其体积减小、重量减轻、移动方便的目的， 为传动系统的结构优化提供理论基础。 ( 3 ) 将模块化设计思想引入钻机设计中，对坑道钻机整机进行模块化总体设计。 基于v b 建立钻机模块化设计框架系统，完成一级模块、二级模块及部分三级模块的划 分，为研究快速、低成本、高可靠的钻机系列产品设计提供了基础和技术支持。 7 沈阳航空航天大学硕士学位论文 第2 章坑道钻机传动系统的理论研究 坑道钻机传动系统分析 2 1 1 传动系统变速的基本工作原理 坑道钻机是一种循环作业机械，大部分钻探的工作范围在1 0 0 0 m 以内，而且每个作 业循环都具有复杂的作业过程，作为坑道钻机核心部分的传动系统，因为处于复杂的环 境中，这就要求它变速换挡要轻便灵活、启动性能要好、进给力的变化范围要宽等，只 有满足了这些，才能更好地适应坑道钻探环境。 过去，坑道钻机采用定传动系统输出，其液压传动系统采用定量泵和定量马达的形 式，如图2 1 所示。 图2 1 定量泵和定量马达液压系统原理图 坑道钻机定量传动系统的变速是通过改变变速器传动比来实现。因为变速器只有两 个档位采用恒推进力和恒转速输出，无法满足复杂的地质环境和岩层反馈给传动系统给 的作用力的需要。遇到软岩层，钻探作业可以顺利进行；但遭遇硬质岩层时，由于定传 动的转速、进给力都恒定，所以输出功率也不能随反力作用调整，因而致使钻机发生震 颤。如果变换档位也无法满足钻探要求时，就会造成钻机空转，严重时会产生打钻现象。 因此，很多矿井只能采取间断式钻探，为钻机提供自然冷却时间，这样即降低了效率又 浪费了工时。 为了解决定传动系统寿命短和效率低的问题，目前钻机改用液压变传动系统输出， 8 沈阳航空航天大学硕士学位论文 第2 章坑道钻机传动系统的理论研究 坑道钻机传动系统分析 2 1 1 传动系统变速的基本工作原理 坑道钻机是一种循环作业机械，大部分钻探的工作范围在1 0 0 0 m 以内，而且每个作 业循环都具有复杂的作业过程，作为坑道钻机核心部分的传动系统，因为处于复杂的环 境中，这就要求它变速换挡要轻便灵活、启动性能要好、进给力的变化范围要宽等，只 有满足了这些，才能更好地适应坑道钻探环境。 过去，坑道钻机采用定传动系统输出，其液压传动系统采用定量泵和定量马达的形 式，如图2 1 所示。 图2 1 定量泵和定量马达液压系统原理图 坑道钻机定量传动系统的变速是通过改变变速器传动比来实现。因为变速器只有两 个档位采用恒推进力和恒转速输出，无法满足复杂的地质环境和岩层反馈给传动系统给 的作用力的需要。遇到软岩层，钻探作业可以顺利进行；但遭遇硬质岩层时，由于定传 动的转速、进给力都恒定，所以输出功率也不能随反力作用调整，因而致使钻机发生震 颤。如果变换档位也无法满足钻探要求时，就会造成钻机空转，严重时会产生打钻现象。 因此，很多矿井只能采取间断式钻探，为钻机提供自然冷却时间，这样即降低了效率又 浪费了工时。 为了解决定传动系统寿命短和效率低的问题，目前钻机改用液压变传动系统输出， 8 沈阳航空航天大学硕士学位论文 其液压传动系统由变量泵和变量马达组成，如图2 2 所示。 图2 2 变量泵和变量马达液压原理图 坑道钻机变量传动变速形式和定量传动变速形式完全不同。钻机在钻进工作时，随 着岩层硬度的不同，钻机钻头会发生抖动，通过采用变量泵、变量马达、减速器及各种 附件等组成的液力机械变速传动系统，调节变量泵和变量马达的内部输出，改变钻头的 钻进速度和进给力，进而使钻头钻进平稳，得以解决钻机震颤的问题。 传动系统中采用恒功率控制泵，一般情况下通过调节变量泵的排量来调节钻杆的工 作转速，控制方法比较简单，还可保证电动机在高效区域运转。表2 1 是定、变两种传 动形式，四种型号机型输出转矩的对比。 表2 1 定、变两种传动系统输出转矩的比较 9 沈阳航空航天大学硕士学位论文 出，能够使钻机输出的转矩可以在一定范围内变化。 由变量泵和变量马达组成的液压传动系统是现代坑道钻机传动装置的主流。这种液 压传动系统可以根据工作需要随时变速，而不必像原先变速器机械变速那样，在每次换 挡时，需要首先操纵离合器来切断传来的动力，然后换挡。坑道钻机采用新型传动系统， 不仅使变速轻便灵活，而且进给力的变换范围也比较大，从而使对钻机的控制操作更加 简单方便。 2 1 2 坑道钻机液压传动系统的研究 由变量泵、变量马达及减速器等组成的坑道钻机传动系统，具有分级连续变速和变 矩的能力，对外部负载有良好的自动调节和适应能力【1 6 】。而且采用此传动系统为简化钻 探时操纵和实现钻机连续作业的可靠性提供了保证，同时又可以利用液力传动本身具有 减振和降低噪音性能，来降低传动系统的尖峰载荷和扭转振动，提高了整机的可靠性， 从而延长钻机传动系统的使用寿命。 坑道钻机变液压传动系统主要有变量泵和变量马达组成，其钻机输出速度的变化主 要是通过变量泵控制变量马达来实现的。泵控马达属于容积控制，控制效率很高，抗负 载的刚度大。下面以z d y 2 3 0 0 s 机型为例，液压泵型号为a 7 v 5 8 ，液压马达型号为 a 6 v 1 0 7 ，输出功率为1 6 k w ，泵的工作压力为进油口压力与出油口压力损失的差值， 泵的转速为1 4 5 0 r m i n 。建立恒功率泵控马达输出数学模型。 液压泵的流量方程表达式为： 绯= q p ，z p k i p ( p i p ，) 一k 印p l ( 2 1 ) 式中，q ，泵的输出流量，l m i n ； g 。泵的排量，l r ； p ，进油口压力，m p a p ，出油口压力损失，m p a 玎。泵转速，r m i n ； 、泵的内、外泄漏系数； p 1 一所泵的工作压力，m p a 。 泵的输出功率为： 1 0 沈阳航空航天大学硕士学位论文 0 = ( p 1 一p r ) 绯 ( 2 2 ) 式中，乞泵的输出功率，k w 。 由于泵的输出功率等于马达的输入功率，因此马达的输出功率为： 己= ( p 1 - p ，) q 。叩。 ( 2 3 ) 式中，马达的效率 又因为马达的输出功率可表示为： 己= 嘉砌。 ( 2 4 ) 式中，丁马达的工作时输出转矩，n r n 。 丁= 亡( p l - - p r ) q m r l , , ( 2 5 ) z 万 式中，鸟。马达的排量，h 有以上各式可得马达轴上的力矩平衡方程为： g 。，2 。= g p ，z p 一尺( a 一所) 一 0 a ( 2 6 ) 钻机输出功率可表示为： p = 己刁 ( 2 7 ) 式中，卵减速器的总效率。 综合以上各式可得功率输出公式为： p 2 丽1 ( p l p r ) q p n p - - k i p ( p l - p r ) 一k e p p i r l m r l ( 2 8 ) 此处忽略出油口压力损失，取泵的内、外泄漏系数o 3 5 ，马达的效率8 0 ，减速器 的总效率9 5 。将参数代入式2 8 经计算分析可得图2 3 所示。 恒功率泵的工作原理：液压泵通过油口与负载回路联接，在泵的调节范围内，随着 压力升高，泵的排量随之减小，反之泵的排量随着增大，使泵实现恒功率输出，从而得 到高的功率利用率。从图2 3 中可以看出，由于受泄露等因素的影响，泵的压力在 2 0 3 5 m p a 和排量在4 0 5 0 m l r 。时，其位置靠近直线，这时泵可以高效运行。而其他 点的位置相对远离直线，说明负载回路阻力变化比较大。此时，泵也能工作，但效率比 较低，时问长了会影响泵的工作寿命。 沈阳航空航天大学硕士学位论文 较低，时间长了会影响泵的工作寿命。 i -。j _ j_ _ _ _ _ii ：| 二 ：| 3 04 05 06 0 泵的工作排量m p a 图2 3 恒功率泵工作压力与流量输出关系图 2 2 钻机钻进钻具及岩层分布的研究 坑道钻机在井下钻探作业时，要求整机要有的很高可靠性，以保证工作的效率和连 续性，这就要求对钻具的研究不仅为反求整机设计提供理论参数，也为液压传动系统的 设计研究提供了理论基础。 2 2 1 钻机钻进岩层的特点 坑道钻机钻探工作时，一般在钻头上部连接一冲击器，这样可以使钻头在对岩层的 回转钻进基础上，施加由冲击器产生的冲击载荷1 7 。钻机钻进岩层的特点主要表现在以 下几个方面： ( 1 ) 冲击回转钻进时岩石的破碎是冲击和回转两种机械碎岩方法联合作用的结果 切削回转力矩、轴心静压力及冲击力，这三个力共同作用、协同碎岩，冲击力使岩 石崩裂或产生裂纹，轴向力克服钻具受到的反弹力，改善冲击能的传递条件，在冲击力 和轴向力的共同作用下，切削具切入岩石较深，再加上强制性的回转运动，有利于充分 发挥剪切破碎效果。 ( 2 ) 冲击回转钻进时岩石破碎是在静载和冲击两种荷载作用下进行 对脆性和塑性岩石来说，冲击动载与静压入力的作用过程基本相刚19 1 ，即压力与侵 深的关系是条波浪式上升的曲线。冲击碎岩，时间很短，一般以毫秒计，破碎岩石是跃 1 2 一 一 三 一墨一 ?， 1-j厂ig隶旧世h窖聪 趵 ：| ：； 一一 一 加 j 一 u o 5 o 沈阳航空航天大学硕士学位论文 较低，时间长了会影响泵的工作寿命。 i -。j _ j_ _ _ _ _ii ：| 二 ：| 3 04 05 06 0 泵的工作排量m p a 图2 3 恒功率泵工作压力与流量输出关系图 2 2 钻机钻进钻具及岩层分布的研究 坑道钻机在井下钻探作业时，要求整机要有的很高可靠性，以保证工作的效率和连 续性，这就要求对钻具的研究不仅为反求整机设计提供理论参数，也为液压传动系统的 设计研究提供了理论基础。 2 2 1 钻机钻进岩层的特点 坑道钻机钻探工作时，一般在钻头上部连接一冲击器，这样可以使钻头在对岩层的 回转钻进基础上，施加由冲击器产生的冲击载荷1 7 。钻机钻进岩层的特点主要表现在以 下几个方面： ( 1 ) 冲击回转钻进时岩石的破碎是冲击和回转两种机械碎岩方法联合作用的结果 切削回转力矩、轴心静压力及冲击力，这三个力共同作用、协同碎岩，冲击力使岩 石崩裂或产生裂纹，轴向力克服钻具受到的反弹力，改善冲击能的传递条件，在冲击力 和轴向力的共同作用下，切削具切入岩石较深，再加上强制性的回转运动，有利于充分 发挥剪切破碎效果。 ( 2 ) 冲击回转钻进时岩石破碎是在静载和冲击两种荷载作用下进行 对脆性和塑性岩石来说，冲击动载与静压入力的作用过程基本相刚19 1 ，即压力与侵 深的关系是条波浪式上升的曲线。冲击碎岩，时间很短，一般以毫秒计，破碎岩石是跃 1 2 一 一 三 一墨一 ?， 1-j厂ig隶旧世h窖聪 趵 ：| ：； 一一 一 加 j 一 u o 5 o 沈阳航空航天大学硕士学位论文 进式的破坏，裂纹发展同时从很多弱的地方开始破坏，所形成的破碎坑穴，不论其侵深、 面积还是体积，相对来说比较接近 2 0 1 。而静载施加时间则是秒，破岩作用时间比冲击动 载长得多，有利于裂纹向更深更广的范围发展，慢速加载破坏往往只从一个或少数弱面 扩展，所以即使载荷相同，其破碎坑波动幅度也很大。因此在同样的冲击功作用下，静 载的侵深较大。 冲击回转钻进时，钻头既作用着预加静载( 钻压) ，又作用着冲击力，因此它具有静、 动载双重效应，是两种碎岩特点结合的一种新的破岩方法。在花岗岩、石灰岩、大理岩 上的试验表明，静、动荷载同时作用时，岩石破碎深度和体积都比单纯的静载或冲击破 碎大。 ( 3 ) 冲击回转钻进是斜冲击破碎岩石 由于冲击回转钻进时，钻头同时作用着回转和轴向两个方向的运动，如图2 4 所示， 这就造成了两个方向的运动速度。两个速度的合成使切削具与岩石表面形成某一角度切 入岩石，该角称为施力角。实践表明，不同岩石有不同的最优施力角，较软岩石的施力 角比较硬岩石的小，在钻进软岩时，钻具的回转速度应该比较硬岩石大。 r _ ) 夕 ) i ， o v 图2 4 切削工具运动不意图 ( 4 ) 岩石破碎的产生是冲击应力波的作用 冲击力区别于静压力，其明显特征是作用力在极短的时间内有着很大的变化幅度， 作用力在几十微秒内由零上升至几吨，在经几百微秒又重新下降至零，作用力随时间变 化呈波形。冲击器借助应力波将冲击能传递到岩石，进行碎岩。 2 2 2 钻机输出功率与岩层分布关系的研究 坑道钻机钻探工作时，不同的岩石硬度反馈给钻机不同的阻力，这就要求钻机的输 出回转速度、进给速度和进给压力随着岩层硬度变化而变化。由于所受的力是岩层阻力 1 3 沈阳航空航天大学硕士学位论文 的反馈，通过上面对钻头冲击回转钻进碎岩的理论研究，知坑道钻机钻探工作时的回转 速度、进给速度和进给压力跟岩层性质有着紧密的关系，如表2 2 所示。通过上面对钻 头冲击回转钻进碎岩特点钻机钻头通过钻机钻探理论分析及实践经验，总结出的几种典 型岩层钻进对工艺的要求。 表2 2 几种典型岩层钻进特点 结合岩层钻机特点，图2 5 定性的给出了定、变液压传动系统的功率输出示意图。 p p 图2 5 钻探工作时变、定两种传动系统功率输出曲线示意图 由上图可以看出，当坑道钻机的传动系统采用定量泵、定量马达和变速器，在遇到 1 4 沈阳航空航天大学硕士学位论文 上面几种不同岩层硬度时，使钻机在钻进工作时一般采用恒回转速度、恒进给速度及恒 进给压力的