《煤矿用探水机的机械结构设计》开题报告4900字

煤矿用探水机的机械结构设计一、研究目的、意义和国内外研究现状及发展趋势1.1简述拟选课题的研究目的与意义煤与瓦斯突出、突水、冲击地压是导致煤矿事故的主要灾害，目前，对应灾害普遍采用并行之有效的预防和控制措施是钻孔抽采，疏水，卸压等。上述预防和控制措施有一个共同特点：均需钻孔施工。但钻孔施工中，煤与瓦斯却发生了突出、突水及其他事故频繁发生，国产煤矿用钻机由于受上，下钻杆这一关键环节制约，均只能通过施工现场的手工进行作业，在这一境界中，孔口瓦斯突出或涌水事故时，操作人员的人身安全受到严重的威胁，目前虽有部分钻机装有机械化钻杆输送辅助装置，但是在重点上，下钻杆工序还是全人工操作，不但劳动强度高，并需调配专人，操作失误，很容易发生安全事故。为了提升煤矿钻孔装备自动化，智能化水平，确保煤矿安全生产，国家发改委与国家能源局于2016年12月联合发布的《煤炭工业发展“十三五”规划》在“第八章：加强煤炭科技创新”中明确指出，打通煤炭地质保障、煤炭的智能钻探及其他关键技术，完善煤机装备的数字化控制、自动化生产，远程操作能力强。国家煤矿安全监察局2019年发布《煤矿机器人重点研发目录》中将防突钻孔机器人、探水钻孔机器人等、防冲钻孔机器人和其他钻机装备，作为促进煤炭工业高质量发展的工具，促进煤矿安全发展重点研究开发内容。各地政府还发布了各类文件，鼓励促进煤矿钻机的自动化和智能化。目前，国内外对钻杆自动输送系统研究多集中于石油及非煤矿山，煤矿井下钻机钻杆自动输送系统的研究结果还很少，现有的结果由于难以突破煤矿井下工作空间的限制、工作环境差，等等，实用化和适应性困难。为此，本论文进行了钻杆自动输送系统的研究，开发了一种适合煤矿钻机井下施工用钻杆输送机械手。通过此项研究，既可实现钻杆的自动化输送，减少了钻孔施工人员，确保钻孔施工的安全性，并符合国家及各地政府对煤机装备智能化的需求方向，同时，研究结果对煤矿钻机钻杆自动输送也能起到一个借鉴作用。1.2阐述拟选课题的国内外研究现状及发展趋势。1.2.1国外研究现状自18世纪后半期，旋转钻进技术在工矿企业中得到应用以来，工程技术人员便不断探索，以解决目前钻机在使用中装卸钻杆的劳动强度较大的问题、安全风险较高等问题解决途径。控制技术在本世纪40年代问世以后，钻机的研究开发人员建议，通过把机械，液压、控制与其他技术结合，以达到钻杆自动输送之构想。通过多年的研究，1952年，ByronJackson与Humbleoil公司共同研制了世界首台具有某种钻杆自动输送功能石油钻机。目前，美国，英国和德国经过将近80年的发展，伴随着自动化水平的提高、加拿大和其他发达国家对大型钻机钻杆自动输送系统研究有很大进展，例如：美国NationalOil-wellVarco（NOV）公司钻杆自动输送系统已经系列化，模块化，可满足海、陆不同型号钻机的要求，如图1；英国StrachanandHenshaw公司开发的RAD型深井海洋钻机，具有自动输送钻杆的各种功能，本实用新型抓取钻杆灵活，可靠性高；德国Bentec公司开发的OsebergSor钻井平台，可以通过可编程控制器自动输送钻杆，并且确保起下钻作业能够高速进行，不会出现设备碰撞风险；加拿大Formost公司的ExplorerIII-65型钻机是由两套摆动油缸构成的机械手来完成夹取和翻转对接的，见图2。图1.1NOV的钻杆输送装置图1.2ExplorerIII-65钻机尽管大型钻机的钻杆自动输送系统有了很大的进步，但是煤矿钻机施工的煤矿井下环境与大型钻机施工环境相差巨大，由于井下作业空间的限制、工作环境差，在煤矿井下钻机上采用的钻杆自动输送技术很难适用。就小型钻机钻杆的运输而言，瑞典Sandvik公司DL系列钻机上安装了自动换钻杆及钻杆输送装置，能减轻钻进时劳动强度，但是在作业时仍然要手动协助上钻杆和下钻杆作业。美国BoartLongyear公司LM系列钻机具备钻杆自动输送功能（图3），可以实现施工过程中的自动钻进，这种钻机的施工劳动强度较低，施工效率高，但这种设备是单根钻杆上下自动完成的，无法在深孔钻进中使用，离全自动上，下钻杆尚有很大的距离。图3宝长年配置换杆设备的坑道钻机1.2.2国内研究现状我国在煤矿钻机钻杆自动输送研究方面起步比较晚，中国矿业大学和哈尔滨工业大学得到了国家863计划项目资助，以MYZ-150型液压钻机为研究对象，增加了电液控制系统，并对其进行了改造，1996年，国内第一台机器人化的自动钻机研制成功。尽管这种钻机有一些钻杆输送功能，但本课题是原理性的研究，没有进一步实用化及可靠性研究，晚期尚未见该项技术的应用和开发。中国地质大学（武汉）开发了一种基于机械手和旋转式钻杆箱相配合的钻杆自动输送系统，它的示意图如图4。上钻杆过程中，钻杆箱把待运输钻杆送到机械手夹持关节，机械手向钻孔轴线方向输送钻杆，钻杆箱转动，向下一个钻杆送入机械手的夹持关节，等待运输，下钻杆的过程与上钻杆过程相反。本系统从理论上讲，可以实现钻杆自动上下左右，但钻杆箱的体积很小，整体结构笨重适用性差。图4中国地质大学的钻杆输送系统安徽理工大学煤矿钻机升级改造的研究，并且研究开发了利用重力与机械手相配合实现钻杆自动输送系统如图5。钻杆箱设置在钻机的上端，钻杆布置设置在钻杆箱内，作业时，机械手将钻杆箱底部的钻杆运送至钻孔轴线处，钻杆箱内的钻杆由于自身重力下移，将前一钻杆的位置填满，以待运输。本系统仅能在上钻杆时自动传送钻杆，下钻杆需手动，实用性还有待提高。图5安徽理工大学钻杆自动输送系统中煤科工集团重庆研究院有限公司2006年承担国家重大产业技术开发专项“防突远距离控制钻机研制及配套工艺开发”，着手进行煤矿钻机钻杆自动输送的研究工作，并在2008年研制成功了装有机械化上、下钻杆设备的防突远程钻机，但是这种钻机机械化上，下钻杆都是由手工分步作业，没有自动化输送钻杆。经过几年来的学习和探索，“十二五”时期，基于前人研究结果，研制成功地面远程自动控制钻机（图6），这种钻机具有自动上，下钻杆的特点，钻杆自动输送系统中形成采用液压实现传动的机械手输送方案。本方案吸纳液压驱动能力强，具有较强的抗污染能力等，使钻杆自动输送系统具有紧凑的结构，比较适用于煤矿井下受限空间使用。图6重庆煤科院钻杆自动输送系统综上，，目前国内外对钻杆自动输送系统研究还存在着工作范围小，工作时系统冲击振动大等，使钻机应用范围受到限制，限制机械手响应速度，影响钻杆输送的效率。为了真正做到钻孔施工时上，下钻杆的无人化，减少了钻孔施工人员，确保职工的生命安全，解决上述问题势在必行，本实用新型拓展了机械手上钻杆和下钻杆的适用范围，本实用新型解决了机械手在工作时冲击振动较大的难题，确保了机械手的平稳，快速工作。参考文献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.陆地钻机立柱式钻杆排放系统设计[D].兰州理工大学,2012.党言庆.石油钻机机械手式排管机的设计[D].中国石油大学(华东),2015.刘平全.钻井平台钻杆自动操作系统设计研究[D].中国石油大学,2010.颜纯文.勘探钻机和钻具的升级[J].地质装备,2011,12(06):35-39.楚红岩叶森森AUTHOR.ATLASCOPCO引入BenchRemote操作平台[J].工程机械,2015,46(05):66.董建荣.SimbaH252全液压采矿台车液压系统分析[D].河北科技大学,2013.高学径侯志恩.阿特拉斯各型钻车性能参数介绍[J].凿岩机械气动工具,2007(02):33-39.朱备备.具有自动续杆功能的煤矿液压钻机设计与分析[D].安徽理工大学,2018.陈林.液压钻机自动上下杆机构的设计与分析[D].安徽理工大学,2018.宋建锋王树盘.一种煤矿用遥控控制自动钻孔钻车[J].中国新技术新产品,2018(03):6-7.刘祺张锐姚克.煤矿井下自动化钻机研发关键技术[J].煤炭科学技术,2019,47(05):59-63.陈航.ZYW-3200钻机旋转式钻杆输送装置的设计[J].煤炭技术,2017,36(04):260-262.张始斋.钻机双夹持器结构设计及仿真分析[J].煤矿机械,2019,40(08):72-75.郭一楠，陆希望，张振等．变频泵控锚杆钻臂摆角动态滑模自适应控制[J]．控制理论与应用，2019，36(10)：1768-1775．宫文娜杨国来王淏泽.阀控液压马达动态特性控制的仿真研究[J].液压气动与密封,2017,37(01):27-30.

二、研究目标、设计（研究）方案及主要研究内容2.1研究目标传统钻杆支护作业多靠工人操作，根据经验及现场情况人工执行，支护效率较低，钻杆支护精度较差，亟需推动液压钻杆钻机自动化，智能化的研究。在钻杆支护的工作中，液压钻杆钻机钻臂要求在巷道断面上横向运动，由此完成钻杆在巷道空顶不同部位的架设。只有靠机械手速度快、对钻杆钻机钻臂运动位置进行准确控制，以保证钻杆或者锚索装在预置好的地方，巷道空顶得到了有效的支护，避免安全事故的发生。针对煤矿井下作业空间有限，环境差的特点，对手工上，下钻杆工艺进行了分析，设计一种利用电液控制机械手输送煤矿自动钻机钻杆，并利用Inventor软件对钻杆输送机械手进行结构建模。利用有限元分析软件，对所设计的结构进行了分析与优化，当机械手的工作性能没有受到影响时，结构有了很大的改进。2.2设计（研究）方案2.2.1钻杆输送机械手结构设计复合关节式机械手包括倾角调节关节和翻转关节、所述伸缩关节与夹紧关节构成，它的构造见图6。倾角由蜗轮蜗杆减速器进行调整，理论上能达到-90°~+90°的无级调节，同时达到在活动时关节自锁的目的；所述液压马达带动回转臂转动，达到翻转关节运动的目的；伸缩油缸带动伸缩关节进行伸缩；夹紧油缸带动卡瓦夹紧和松开钻杆。图6煤矿用自动钻机钻杆输送机械手1.回转减速器2.转动臂3.液压马达4.回转轴5.回转臂6.伸缩油缸7.伸缩外筒8.伸缩内筒9.夹紧油缸10.卡瓦11.卡瓦固定座2.2.2夹紧关节的设计机械手夹紧关节设置在机械手的端部，用以完成钻杆输送时抓取和松开钻杆的动作，同时，确保钻杆在作业时不会发生松动和脱落。与侧面抓取相结合进行运输，关节利用一侧开口钳式夹持原理，实现钻杆抓取，本实用新型的有益效果是：结构简单，紧凑、可靠性高的优点，易于满足煤矿井下有限的作业空间、环境恶劣和其他使用环境。同时本方案能够根据钻杆型号进行不同卡瓦配置，具有通用性。夹紧关节见图7。图7机械手夹紧关节1.下卡瓦2.上卡瓦3.固定爪4.夹紧油缸5.活动爪2.2.3伸缩关节的设计伸缩关节是一种平移运动，可以用液压缸来完成。从液压缸结构上就知道，工作时，活塞杆有一可绕轴线旋转，并且夹紧关节要时刻确保钻杆的精准抓取与运输，因此，为了确保钻杆输送的精度和可靠性，取消伸缩关节活塞杆旋转自由度是非常必要的。基于机械设计准则与经验，液压缸运动时为活塞杆增加导向机构，可以约束活塞杆的自由度，实现了消除液压缸转动自由度。该研究利用缸筒外设置导向机构来约束伸缩关节旋转，它的构造见图8。图8伸缩关节结构图2.3主要研究内容2.3.1多自由度复合关节钻杆输送机械手结构设计通过对手工上钻杆和下钻杆工艺进行分析，结合煤矿用钻机使用环境，制定了机械手运动方案，判断机械手运动关节类型和个数。利用计算机辅助设计工具，对钻杆输送机械手进行了建模，并利用有限元技术对其力学强度进行了分析，基于分析与仿真结果，对钻杆输送机械手进行了结构优化。2.3.2钻杆输送机械手运动学分析采用D-H矩阵法分析了机械手运动学，确定机械手移动时各个关节移动空间，通过运动学逆向求解，对机械手运动控制奠定了基础，利用机械手运动学仿真软件，实现了机械手的运动学仿真。通过分析关节运动，研究了关节定位约束条件，设计了一种适用于钻杆输送机械手的定位系统。2.3.3钻杆输送机械手动态特性研究通过对机械手的动作过程进行分析，与机械系统相结合、液压系统及控制系统特点等内容，作为机械手翻转关节控制系统的典型，导出了系统传递函数，建立了翻转关节的控制模型。利用MATLABSimulink仿真了得到的控制系统模型，与控制系统理论相结合，分析了该控制系统的动态特性。介绍了PID控制的系统整定方法，使得机械手动态特性符合煤矿钻机钻杆输送的需求。

三、具体工作进度安排2022年8月20日至9月1日选择指导教师；毕业论文写作规范培训；申报选题；2022