《煤礦用探水機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計》開題報告4900字

煤礦用探水機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計一、研究目的、意義和國內(nèi)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(dǎo)致煤礦事故的主要災(zāi)害，目前，對應(yīng)災(zāi)害普遍采用并行之有效的預(yù)防和控制措施是鉆孔抽采，疏水，卸壓等。上述預(yù)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(chǎn)煤礦用鉆機(jī)由于受上，下鉆桿這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)制約，均只能通過施工現(xiàn)場的手工進(jìn)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(yán)重的威脅，目前雖有部分鉆機(jī)裝有機(jī)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(qiáng)度高，并需調(diào)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(chǎn)，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(qiáng)煤炭科技創(chuàng)新”中明確指出，打通煤炭地質(zhì)保障、煤炭的智能鉆探及其他關(guān)鍵技術(shù)，完善煤機(jī)裝備的數(shù)字化控制、自動化生產(chǎn)，遠(yuǎn)程操作能力強(qiáng)。國家煤礦安全監(jiān)察局2019年發(fā)布《煤礦機(jī)器人重點研發(fā)目錄》中將防突鉆孔機(jī)器人、探水鉆孔機(jī)器人等、防沖鉆孔機(jī)器人和其他鉆機(jī)裝備，作為促進(jìn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的工具，促進(jìn)煤礦安全發(fā)展重點研究開發(fā)內(nèi)容。各地政府還發(fā)布了各類文件，鼓勵促進(jìn)煤礦鉆機(jī)的自動化和智能化。目前，國內(nèi)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(jī)鉆桿自動輸送系統(tǒng)的研究結(jié)果還很少，現(xiàn)有的結(jié)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(yīng)性困難。為此，本論文進(jìn)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(jī)井下施工用鉆桿輸送機(jī)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(jī)裝備智能化的需求方向，同時，研究結(jié)果對煤礦鉆機(jī)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(nèi)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(jì)后半期，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)在工礦企業(yè)中得到應(yīng)用以來，工程技術(shù)人員便不斷探索，以解決目前鉆機(jī)在使用中裝卸鉆桿的勞動強(qiáng)度較大的問題、安全風(fēng)險較高等問題解決途徑?？刂萍夹g(shù)在本世紀(jì)40年代問世以后，鉆機(jī)的研究開發(fā)人員建議，通過把機(jī)械，液壓、控制與其他技術(shù)結(jié)合，以達(dá)到鉆桿自動輸送之構(gòu)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(jī)。目前，美國，英國和德國經(jīng)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(dá)國家對大型鉆機(jī)鉆桿自動輸送系統(tǒng)研究有很大進(jìn)展，例如：美國NationalOil-wellVarco（NOV）公司鉆桿自動輸送系統(tǒng)已經(jīng)系列化，模塊化，可滿足海、陸不同型號鉆機(jī)的要求，如圖1；英國StrachanandHenshaw公司開發(fā)的RAD型深井海洋鉆機(jī)，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(jìn)行，不會出現(xiàn)設(shè)備碰撞風(fēng)險；加拿大Formost公司的ExplorerIII-65型鉆機(jī)是由兩套擺動油缸構(gòu)成的機(jī)械手來完成夾取和翻轉(zhuǎn)對接的，見圖2。圖1.1NOV的鉆桿輸送裝置圖1.2ExplorerIII-65鉆機(jī)盡管大型鉆機(jī)的鉆桿自動輸送系統(tǒng)有了很大的進(jìn)步，但是煤礦鉆機(jī)施工的煤礦井下環(huán)境與大型鉆機(jī)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(jī)上采用的鉆桿自動輸送技術(shù)很難適用。就小型鉆機(jī)鉆桿的運輸而言，瑞典Sandvik公司DL系列鉆機(jī)上安裝了自動換鉆桿及鉆桿輸送裝置，能減輕鉆進(jìn)時勞動強(qiáng)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(jī)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(jìn)，這種鉆機(jī)的施工勞動強(qiáng)度較低，施工效率高，但這種設(shè)備是單根鉆桿上下自動完成的，無法在深孔鉆進(jìn)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(shè)備的坑道鉆機(jī)1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國在煤礦鉆機(jī)鉆桿自動輸送研究方面起步比較晚，中國礦業(yè)大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)得到了國家863計劃項目資助，以MYZ-150型液壓鉆機(jī)為研究對象，增加了電液控制系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了改造，1996年，國內(nèi)第一臺機(jī)器人化的自動鉆機(jī)研制成功。盡管這種鉆機(jī)有一些鉆桿輸送功能，但本課題是原理性的研究，沒有進(jìn)一步實用化及可靠性研究，晚期尚未見該項技術(shù)的應(yīng)用和開發(fā)。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）開發(fā)了一種基于機(jī)械手和旋轉(zhuǎn)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(jī)械手夾持關(guān)節(jié)，機(jī)械手向鉆孔軸線方向輸送鉆桿，鉆桿箱轉(zhuǎn)動，向下一個鉆桿送入機(jī)械手的夾持關(guān)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(jié)構(gòu)笨重適用性差。圖4中國地質(zhì)大學(xué)的鉆桿輸送系統(tǒng)安徽理工大學(xué)煤礦鉆機(jī)升級改造的研究，并且研究開發(fā)了利用重力與機(jī)械手相配合實現(xiàn)鉆桿自動輸送系統(tǒng)如圖5。鉆桿箱設(shè)置在鉆機(jī)的上端，鉆桿布置設(shè)置在鉆桿箱內(nèi)，作業(yè)時，機(jī)械手將鉆桿箱底部的鉆桿運送至鉆孔軸線處，鉆桿箱內(nèi)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(xué)鉆桿自動輸送系統(tǒng)中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司2006年承擔(dān)國家重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)專項“防突遠(yuǎn)距離控制鉆機(jī)研制及配套工藝開發(fā)”，著手進(jìn)行煤礦鉆機(jī)鉆桿自動輸送的研究工作，并在2008年研制成功了裝有機(jī)械化上、下鉆桿設(shè)備的防突遠(yuǎn)程鉆機(jī)，但是這種鉆機(jī)機(jī)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(jīng)過幾年來的學(xué)習(xí)和探索，“十二五”時期，基于前人研究結(jié)果，研制成功地面遠(yuǎn)程自動控制鉆機(jī)（圖6），這種鉆機(jī)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(jī)械手輸送方案。本方案吸納液壓驅(qū)動能力強(qiáng)，具有較強(qiáng)的抗污染能力等，使鉆桿自動輸送系統(tǒng)具有緊湊的結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(jī)應(yīng)用范圍受到限制，限制機(jī)械手響應(yīng)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(jī)械手上鉆桿和下鉆桿的適用范圍，本實用新型解決了機(jī)械手在工作時沖擊振動較大的難題，確保了機(jī)械手的平穩(wěn)，快速工作。參考文獻(xiàn)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(jī)立柱式鉆桿排放系統(tǒng)設(shè)計[D].蘭州理工大學(xué),2012.黨言慶.石油鉆機(jī)機(jī)械手式排管機(jī)的設(shè)計[D].中國石油大學(xué)(華東),2015.劉平全.鉆井平臺鉆桿自動操作系統(tǒng)設(shè)計研究[D].中國石油大學(xué),2010.顏純文.勘探鉆機(jī)和鉆具的升級[J].地質(zhì)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(jī)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(xué),2013.高學(xué)徑侯志恩.阿特拉斯各型鉆車性能參數(shù)介紹[J].鑿巖機(jī)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(jī)設(shè)計與分析[D].安徽理工大學(xué),2018.陳林.液壓鉆機(jī)自動上下桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計與分析[D].安徽理工大學(xué),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(shù)新產(chǎn)品,2018(03):6-7.劉祺張銳姚克.煤礦井下自動化鉆機(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二、研究目標(biāo)、設(shè)計（研究）方案及主要研究內(nèi)容2.1研究目標(biāo)傳統(tǒng)鉆桿支護(hù)作業(yè)多靠工人操作，根據(jù)經(jīng)驗及現(xiàn)場情況人工執(zhí)行，支護(hù)效率較低，鉆桿支護(hù)精度較差，亟需推動液壓鉆桿鉆機(jī)自動化，智能化的研究。在鉆桿支護(hù)的工作中，液壓鉆桿鉆機(jī)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(shè)。只有靠機(jī)械手速度快、對鉆桿鉆機(jī)鉆臂運動位置進(jìn)行準(zhǔn)確控制，以保證鉆桿或者錨索裝在預(yù)置好的地方，巷道空頂?shù)玫搅擞行У闹ёo(hù)，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(jìn)行了分析，設(shè)計一種利用電液控制機(jī)械手輸送煤礦自動鉆機(jī)鉆桿，并利用Inventor軟件對鉆桿輸送機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模。利用有限元分析軟件，對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與優(yōu)化，當(dāng)機(jī)械手的工作性能沒有受到影響時，結(jié)構(gòu)有了很大的改進(jìn)。2.2設(shè)計（研究）方案2.2.1鉆桿輸送機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)合關(guān)節(jié)式機(jī)械手包括傾角調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)和翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、所述伸縮關(guān)節(jié)與夾緊關(guān)節(jié)構(gòu)成，它的構(gòu)造見圖6。傾角由蝸輪蝸桿減速器進(jìn)行調(diào)整，理論上能達(dá)到-90°~+90°的無級調(diào)節(jié)，同時達(dá)到在活動時關(guān)節(jié)自鎖的目的；所述液壓馬達(dá)帶動回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動，達(dá)到翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運動的目的；伸縮油缸帶動伸縮關(guān)節(jié)進(jìn)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(jī)鉆桿輸送機(jī)械手1.回轉(zhuǎn)減速器2.轉(zhuǎn)動臂3.液壓馬達(dá)4.回轉(zhuǎn)軸5.回轉(zhuǎn)臂6.伸縮油缸7.伸縮外筒8.伸縮內(nèi)筒9.夾緊油缸10.卡瓦11.卡瓦固定座2.2.2夾緊關(guān)節(jié)的設(shè)計機(jī)械手夾緊關(guān)節(jié)設(shè)置在機(jī)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(cè)面抓取相結(jié)合進(jìn)行運輸，關(guān)節(jié)利用一側(cè)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(jié)構(gòu)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(jìn)行不同卡瓦配置，具有通用性。夾緊關(guān)節(jié)見圖7。圖7機(jī)械手夾緊關(guān)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(guān)節(jié)的設(shè)計伸縮關(guān)節(jié)是一種平移運動，可以用液壓缸來完成。從液壓缸結(jié)構(gòu)上就知道，工作時，活塞桿有一可繞軸線旋轉(zhuǎn)，并且夾緊關(guān)節(jié)要時刻確保鉆桿的精準(zhǔn)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(guān)節(jié)活塞桿旋轉(zhuǎn)自由度是非常必要的?；跈C(jī)械設(shè)計準(zhǔn)則與經(jīng)驗，液壓缸運動時為活塞桿增加導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，可以約束活塞桿的自由度，實現(xiàn)了消除液壓缸轉(zhuǎn)動自由度。該研究利用缸筒外設(shè)置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)來約束伸縮關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，它的構(gòu)造見圖8。圖8伸縮關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖2.3主要研究內(nèi)容2.3.1多自由度復(fù)合關(guān)節(jié)鉆桿輸送機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計通過對手工上鉆桿和下鉆桿工藝進(jìn)行分析，結(jié)合煤礦用鉆機(jī)使用環(huán)境，制定了機(jī)械手運動方案，判斷機(jī)械手運動關(guān)節(jié)類型和個數(shù)。利用計算機(jī)輔助設(shè)計工具，對鉆桿輸送機(jī)械手進(jìn)行了建模，并利用有限元技術(shù)對其力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行了分析，基于分析與仿真結(jié)果，對鉆桿輸送機(jī)械手進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。2.3.2鉆桿輸送機(jī)械手運動學(xué)分析采用D-H矩陣法分析了機(jī)械手運動學(xué)，確定機(jī)械手移動時各個關(guān)節(jié)移動空間，通過運動學(xué)逆向求解，對機(jī)械手運動控制奠定了基礎(chǔ)，利用機(jī)械手運動學(xué)仿真軟件，實現(xiàn)了機(jī)械手的運動學(xué)仿真。通過分析關(guān)節(jié)運動，研究了關(guān)節(jié)定位約束條件，設(shè)計了一種適用于鉆桿輸送機(jī)械手的定位系統(tǒng)。2.3.3鉆桿輸送機(jī)械手動態(tài)特性研究通過對機(jī)械手的動作過程進(jìn)行分析，與機(jī)械系統(tǒng)相結(jié)合、液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)特點等內(nèi)容，作為機(jī)械手翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的典型，導(dǎo)出了系統(tǒng)傳遞函數(shù)，建立了翻轉(zhuǎn)關(guān)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(jié)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(jī)械手動態(tài)特性符合煤礦鉆機(jī)鉆桿輸送的需求。

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