煤矿井下12000N·m全液压定向钻机关键部件及动态特性研究
发布时间：2022-08-04 17:25
定向钻机是煤矿井下各类精确钻孔高效施工的关键设备,其功能特点和输出性能直接影响钻进施工效率。随着煤矿开采深度和采煤工作面长度的增加,现有煤矿井下定向钻机已无法满足本煤层超长钻孔和顶板高位长钻孔施工需要,迫切需要研制一款能力更大、功能更强、适应性更广的大功率定向钻机。论文依托国家科技重大专项课题“中硬煤层大功率定向钻进技术与装备”任务的研究内容,以大功率定向钻机设计亟待解决的大能力输出与紧凑型布局、关键部件动态输出性能、定向钻进参数实时监测等关键问题着手,运用理论计算、静态设计、动态仿真和试验验证的研究方法,深入研究了煤矿井下12000N·m全液压定向钻机关键部件及动态特性,完成了钻机关键部件和系统回路的优化分析和设计,提升了井下定向钻进装备的技术水平,对于煤矿坑道钻探装备的设计具有重要的理论意义和应用价值。取得的主要研究成果如下:（1）基于中硬复杂岩煤层超长定向钻孔和顶板高位定向钻孔施工工艺需求分析,研究了钻机关键结构和整体布局,结合钻机关键功能模块的分析和设计,详细阐明了煤矿井下大功率定向钻机的设计思想,明确了钻机设计过程和重点解决的关键问题,形成了大能力紧凑式整机结构。（2）结合超...
【文章页数】：188 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 论文的背景及研究意义
1.1.1 论文研究的背景
1.1.2 论文研究的意义
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 定向钻机产品的研究现状
1.2.2 钻机设计与技术应用现状
1.2.3 存在问题与发展趋势
1.3 论文的来源及研究内容
1.3.1 论文选题来源
1.3.2 论文的主要研究内容
第2章 大功率定向钻机的结构分析与设计
2.1 大功率定向钻机的功能分析
2.1.1 钻机的特点和施工用途
2.1.2 钻机整体功能及方案设计
2.1.3 定向钻进施工工艺分析
2.1.4 钻机主要技术参数的确定
2.2 大功率定向钻机功能模块分析与设计
2.2.1 动力泵站组件的分析与设计
2.2.2 主要执行机构的分析与设计
2.2.3 操作控制单元的分析与设计
2.2.4 泥浆泵单元的分析与设计
2.3 本章小结
第3章 液压系统设计与关键回路动态特性研究
3.1 钻机液压系统特点和组成
3.1.1 钻机液压系统组成
3.1.2 钻机液压系统特点
3.2 钻机液压系统关键回路分析与设计
3.2.1 回转回路分析与设计
3.2.2 给进回路分析与设计
3.2.3 辅助回路分析与设计
3.3 钻机液压系统的设计计算
3.3.1 主要液压元件选型设计
3.3.2 液压管路的选择计算
3.3.3 系统发热计算与冷却器设计
3.4 关键液压回路动态特性研究
3.4.1 关键液压回路系统仿真建模
3.4.2 快速液压回路系统动态特性分析
3.4.3 慢速液压回路系统动态特性分析
3.5 液压回路动态性能试验研究
3.5.1 液压回路初始性能试验
3.5.2 液压回路改进性能试验
3.6 本章小结
第4章 回转器传动系统动态特性分析
4.1 齿轮传动系统动力学建模
4.1.1 齿轮传动系统模型建立
4.1.2 齿轮传动系统动力学方程
4.2 回转器传动系统外部动载研究
4.2.1 外部动载信号预处理
4.2.2 外部动载信号转换分析
4.3 回转器传动系统有限元建模
4.3.1 模型参数及边界条件
4.3.2 传动系统工况载荷分析
4.3.3 传动系统有限元建模
4.4 回转器传动系统特性分析
4.4.1 齿轮传动系统极限载荷分析
4.4.2 齿轮传动系统动载效应分析
4.4.3 齿轮传动系统外部激励分析
4.4.4 齿轮传动系统瞬态动力学分析
4.4.5 齿轮材料的优化选型分析
4.5 本章小结
第5章 液压制动装置制动特性分析
5.1 摩擦副热-流耦合分析
5.1.1 流体动力学建模
5.1.2 系统热-流耦合分析
5.2 液压制动装置有限元建模
5.2.1 模型参数及边界条件
5.2.2 外部工况载荷分析
5.2.3 制动装置有限元建模
5.3 液压制动装置特性分析
5.3.1 运行工况受热特性分析
5.3.2 制动工况制动特性分析
5.4 液压制动装置优化分析
5.4.1 结构优化制动特性分析
5.4.2 油压优化制动特性分析
5.5 本章小结
第6章 钻进参数监测系统研究
6.1 系统功能与总体方案设计
6.1.1 参数监测系统功能需求
6.1.2 参数监测系统方案设计
6.2 钻进参数监测实现原理
6.2.1 直接测量参数的监测
6.2.2 间接测量参数的监测
6.3 钻进参数监测系统设计
6.3.1 关键元件选型设计
6.3.2 系统防爆形式与结构设计
6.3.3 系统硬件功能模块设计
6.3.4 系统软件设计与功能实现
6.4 监测系统性能试验
6.4.1 基本性能试验
6.4.2 安标性能试验
6.5 本章小结
第7章 大功率定向钻机性能试验研究
7.1 室内型式试验
7.1.1 性能检测试验台
7.1.2 钻机性能测试试验
7.2 现场工业性试验
7.2.1 试验背景及条件
7.2.2 钻机工业性试验
7.3 本章小结
第8章 结论与展望
8.1 结论
8.2 创新点
8.3 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]煤矿井下钻探装备技术现状及展望[J]. 姚克,田宏亮,姚宁平,殷新胜,方鹏,姚亚峰,邬迪,王龙鹏. 煤田地质与勘探. 2019(01)
[2]矿用钻机钻孔轨迹及工况参数监测系统的设计[J]. 姜根慧. 自动化应用. 2019(01)
[3]煤矿坑道定向钻机钻进参数监测系统设计[J]. 方鹏. 工矿自动化. 2019(01)
[4]ZDY4000LD（A）型中深孔定向钻进装备在成庄矿的应用[J]. 方鹏. 煤矿安全. 2018(12)
[5]多功能测风参数监测系统研究[J]. 马志鹏,田建艳,李何. 煤炭工程. 2018(11)
[6]淮南矿区顶板复杂地层中高位定向钻孔钻进工艺研究[J]. 王鲜,许超,李泉新,董昌乐. 煤炭科学技术. 2018(11)
[7]机械设计中非线性动力学和动态设计问题浅析[J]. 靳峰雷. 中国设备工程. 2018(17)
[8]煤矿井下复合定向钻进技术研究与应用[J]. 赵建国,赵江鹏,许超,吴智峰. 煤田地质与勘探. 2018(04)
[9]立式加工中心VMC650立柱结构动态设计[J]. 张瑞亮,杨佳璘,张长江. 煤矿机械. 2018(06)
[10]煤矿井下煤层大直径钻孔技术与装备[J]. 许超. 煤矿安全. 2018(04)
博士论文
[1]全液压深孔岩心钻机CAN总线钻进参数监测系统的研究[D]. 张涛.中国地质大学 2014
[2]旋挖钻机工作装置力学特性研究与优化[D]. 康辉梅.中南大学 2011
[3]新型全液压多功能锚杆钻机关键技术的研究[D]. 贺立军.中国地质大学 2010
[4]自动控向垂钻系统小型化设计的关键技术研究[D]. 张萌.中国地质大学 2010
[5]钻井过程实时状态监测与诊断技术研究[D]. 廖明燕.中国石油大学 2010
[6]液压锚杆钻机设计研究[D]. 杨善国.中国矿业大学 2009
[7]全液压动力头式钻机液压系统动态分析及控制方法的研究[D]. 田宏亮.煤炭科学研究总院 2008
[8]履带式智能全液压推土机关键技术研究[D]. 王永奇.长安大学 2008
[9]钻机负载自适应液压控制系统的研究[D]. 胡志坚.吉林大学 2007
[10]ZJ70DB钻机系统设计与研究[D]. 张永泽.西南石油大学 2006
硕士论文
[1]基于WiFi和虚拟仪器的工程机械参数监测及故障诊断系统研究与开发[D]. 冯萧.石家庄铁道大学 2018
[2]矿用坑道钻机以及配套钻具关键技术研究[D]. 田富强.太原理工大学 2017
[3]6000Nm多自由度履带坑道钻机的结构设计及仿真分析[D]. 田士杰.合肥工业大学 2017
[4]ZYWL-2600R钻机动力头传动系统的动态特性分析及优化[D]. 王杰.煤炭科学研究总院 2014
[5]矿用液压振动钻机动态分析研究[D]. 彭峰.太原理工大学 2014
[6]坑道钻机动力头动态设计研究[D]. 宋平.成都理工大学 2014
[7]高瓦斯矿井采空区大直径高位钻孔瓦斯抽采技术研究[D]. 刘洋.太原理工大学 2013
[8]轧机主传动系统动态设计[D]. 范伟岩.燕山大学 2012
[9]煤矿瓦斯抽采钻机设计[D]. 方振龙.吉林大学 2012
[10]煤矿瓦斯抽采技术研究及应用[D]. 张浩然.太原理工大学 2011
本文编号：3669965
【文章页数】：188 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 论文的背景及研究意义
1.1.1 论文研究的背景
1.1.2 论文研究的意义
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 定向钻机产品的研究现状
1.2.2 钻机设计与技术应用现状
1.2.3 存在问题与发展趋势
1.3 论文的来源及研究内容
1.3.1 论文选题来源
1.3.2 论文的主要研究内容
第2章 大功率定向钻机的结构分析与设计
2.1 大功率定向钻机的功能分析
2.1.1 钻机的特点和施工用途
2.1.2 钻机整体功能及方案设计
2.1.3 定向钻进施工工艺分析
2.1.4 钻机主要技术参数的确定
2.2 大功率定向钻机功能模块分析与设计
2.2.1 动力泵站组件的分析与设计
2.2.2 主要执行机构的分析与设计
2.2.3 操作控制单元的分析与设计
2.2.4 泥浆泵单元的分析与设计
2.3 本章小结
第3章 液压系统设计与关键回路动态特性研究
3.1 钻机液压系统特点和组成
3.1.1 钻机液压系统组成
3.1.2 钻机液压系统特点
3.2 钻机液压系统关键回路分析与设计
3.2.1 回转回路分析与设计
3.2.2 给进回路分析与设计
3.2.3 辅助回路分析与设计
3.3 钻机液压系统的设计计算
3.3.1 主要液压元件选型设计
3.3.2 液压管路的选择计算
3.3.3 系统发热计算与冷却器设计
3.4 关键液压回路动态特性研究
3.4.1 关键液压回路系统仿真建模
3.4.2 快速液压回路系统动态特性分析
3.4.3 慢速液压回路系统动态特性分析
3.5 液压回路动态性能试验研究
3.5.1 液压回路初始性能试验
3.5.2 液压回路改进性能试验
3.6 本章小结
第4章 回转器传动系统动态特性分析
4.1 齿轮传动系统动力学建模
4.1.1 齿轮传动系统模型建立
4.1.2 齿轮传动系统动力学方程
4.2 回转器传动系统外部动载研究
4.2.1 外部动载信号预处理
4.2.2 外部动载信号转换分析
4.3 回转器传动系统有限元建模
4.3.1 模型参数及边界条件
4.3.2 传动系统工况载荷分析
4.3.3 传动系统有限元建模
4.4 回转器传动系统特性分析
4.4.1 齿轮传动系统极限载荷分析
4.4.2 齿轮传动系统动载效应分析
4.4.3 齿轮传动系统外部激励分析
4.4.4 齿轮传动系统瞬态动力学分析
4.4.5 齿轮材料的优化选型分析
4.5 本章小结
第5章 液压制动装置制动特性分析
5.1 摩擦副热-流耦合分析
5.1.1 流体动力学建模
5.1.2 系统热-流耦合分析
5.2 液压制动装置有限元建模
5.2.1 模型参数及边界条件
5.2.2 外部工况载荷分析
5.2.3 制动装置有限元建模
5.3 液压制动装置特性分析
5.3.1 运行工况受热特性分析
5.3.2 制动工况制动特性分析
5.4 液压制动装置优化分析
5.4.1 结构优化制动特性分析
5.4.2 油压优化制动特性分析
5.5 本章小结
第6章 钻进参数监测系统研究
6.1 系统功能与总体方案设计
6.1.1 参数监测系统功能需求
6.1.2 参数监测系统方案设计
6.2 钻进参数监测实现原理
6.2.1 直接测量参数的监测
6.2.2 间接测量参数的监测
6.3 钻进参数监测系统设计
6.3.1 关键元件选型设计
6.3.2 系统防爆形式与结构设计
6.3.3 系统硬件功能模块设计
6.3.4 系统软件设计与功能实现
6.4 监测系统性能试验
6.4.1 基本性能试验
6.4.2 安标性能试验
6.5 本章小结
第7章 大功率定向钻机性能试验研究
7.1 室内型式试验
7.1.1 性能检测试验台
7.1.2 钻机性能测试试验
7.2 现场工业性试验
7.2.1 试验背景及条件
7.2.2 钻机工业性试验
7.3 本章小结
第8章 结论与展望
8.1 结论
8.2 创新点
8.3 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]煤矿井下钻探装备技术现状及展望[J]. 姚克,田宏亮,姚宁平,殷新胜,方鹏,姚亚峰,邬迪,王龙鹏. 煤田地质与勘探. 2019(01)
[2]矿用钻机钻孔轨迹及工况参数监测系统的设计[J]. 姜根慧. 自动化应用. 2019(01)
[3]煤矿坑道定向钻机钻进参数监测系统设计[J]. 方鹏. 工矿自动化. 2019(01)
[4]ZDY4000LD（A）型中深孔定向钻进装备在成庄矿的应用[J]. 方鹏. 煤矿安全. 2018(12)
[5]多功能测风参数监测系统研究[J]. 马志鹏,田建艳,李何. 煤炭工程. 2018(11)
[6]淮南矿区顶板复杂地层中高位定向钻孔钻进工艺研究[J]. 王鲜,许超,李泉新,董昌乐. 煤炭科学技术. 2018(11)
[7]机械设计中非线性动力学和动态设计问题浅析[J]. 靳峰雷. 中国设备工程. 2018(17)
[8]煤矿井下复合定向钻进技术研究与应用[J]. 赵建国,赵江鹏,许超,吴智峰. 煤田地质与勘探. 2018(04)
[9]立式加工中心VMC650立柱结构动态设计[J]. 张瑞亮,杨佳璘,张长江. 煤矿机械. 2018(06)
[10]煤矿井下煤层大直径钻孔技术与装备[J]. 许超. 煤矿安全. 2018(04)
博士论文
[1]全液压深孔岩心钻机CAN总线钻进参数监测系统的研究[D]. 张涛.中国地质大学 2014
[2]旋挖钻机工作装置力学特性研究与优化[D]. 康辉梅.中南大学 2011
[3]新型全液压多功能锚杆钻机关键技术的研究[D]. 贺立军.中国地质大学 2010
[4]自动控向垂钻系统小型化设计的关键技术研究[D]. 张萌.中国地质大学 2010
[5]钻井过程实时状态监测与诊断技术研究[D]. 廖明燕.中国石油大学 2010
[6]液压锚杆钻机设计研究[D]. 杨善国.中国矿业大学 2009
[7]全液压动力头式钻机液压系统动态分析及控制方法的研究[D]. 田宏亮.煤炭科学研究总院 2008
[8]履带式智能全液压推土机关键技术研究[D]. 王永奇.长安大学 2008
[9]钻机负载自适应液压控制系统的研究[D]. 胡志坚.吉林大学 2007
[10]ZJ70DB钻机系统设计与研究[D]. 张永泽.西南石油大学 2006
硕士论文
[1]基于WiFi和虚拟仪器的工程机械参数监测及故障诊断系统研究与开发[D]. 冯萧.石家庄铁道大学 2018
[2]矿用坑道钻机以及配套钻具关键技术研究[D]. 田富强.太原理工大学 2017
[3]6000Nm多自由度履带坑道钻机的结构设计及仿真分析[D]. 田士杰.合肥工业大学 2017
[4]ZYWL-2600R钻机动力头传动系统的动态特性分析及优化[D]. 王杰.煤炭科学研究总院 2014
[5]矿用液压振动钻机动态分析研究[D]. 彭峰.太原理工大学 2014
[6]坑道钻机动力头动态设计研究[D]. 宋平.成都理工大学 2014
[7]高瓦斯矿井采空区大直径高位钻孔瓦斯抽采技术研究[D]. 刘洋.太原理工大学 2013
[8]轧机主传动系统动态设计[D]. 范伟岩.燕山大学 2012
[9]煤矿瓦斯抽采钻机设计[D]. 方振龙.吉林大学 2012
[10]煤矿瓦斯抽采技术研究及应用[D]. 张浩然.太原理工大学 2011
本文编号：3669965
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