液压凿岩台车钻臂轻量化设计与振动特性分析.pdf

中图分类号至旦垒2 1 U D C 鱼21 一 学校代码 Q 三三兰 密级公珏 硕士学位论文 液压凿岩台车钻臂轻量化设计 与振动特性分析 L i g h t w e i g h tD e s i g na n d V i b r a t i o nC h a r a c t e r i s t i cA n a l y s i so f H y d r a u l i cD r i l l i n gJ u m b o ’SB o o m 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 喻威 机械工程 机械设计及理论 机电工程学院 罗春雷副教授 答辩委员会主席 中南大学 二。一四年五月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名函厶日期迎年』月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学位论 文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它 手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 日期巡年_ k _ ba 上日 新签名蝣 日期础年』月；日 万方数据 液压凿岩台车钻臂轻量化设计与振动特性分析 摘要液压隧道凿岩台车作为当前日益普及的大型隧道开挖设备，因其 施工效率高、成孔质量好、作业环境舒适和安全性有保证等优点，有逐步 取代传统手持式气动凿岩机的趋势。 钻臂为液压凿岩机提供支撑平台，并且进行移动定位，这就要求钻臂 具有惯性小、移动灵活、工作时抗振能力强，针对这些要求，论文对钻臂 进行了轻量化设计和振动特性研究。具体工作内容如下 运用机器人运动学理论对钻臂进行了运动学建模，利用数值和图解法 求解该模型得到了钻臂作业覆盖面，并根据隧道断面尺寸对钻臂机构尺寸 进行优化。 通过A D A M S 建立了钻臂刚性虚拟样机。对各典型工况进行了力学仿 真分析，得到各关节受力情况，并利用参数化方法优化了前后变幅油缸的 铰点位置。构建后臂和伸缩臂有限元模型，进行钻臂全工况强度分析，得 到钻臂轻量化优化设计方案。 建立锁紧状态的钻臂刚柔耦合虚拟样机，进行振动特性频域分析。结 果表明钻臂低频段固有频率远离凿岩冲击反力基频，钻臂不会发生共振破 坏。研究了推进器振动规律，优化了减振橡胶项盘结构，有效抑制了钻臂 振动。 最后，对某型凿岩台车进行了现场试验分析，验证了理论的正确性。 论文研究为液压凿岩台车钻臂动态性能优化提供了一定的理论和技 术基础，对国内液压凿岩台车及相关行业有借鉴作用。 图6 6 幅，表2 1 个，参考文献6 3 篇。 关键词液压凿岩台车；钻臂；虚拟样机；轻量化减振设计；振动特性 分类号T D 4 2 1 万方数据 L i g h t w e i g h tD e s i g na n dV i b r a t i o nC h a r a c t e r i s t i cA n a l y s i so f H y d r a u l i cD r i l l i n gJ u m b o ’SB o o m A B S T R A C T H y d r a u l i ct u n n e ld r i l lj u m b oi sam o d e md r i l l i n ge q u i p m e n t ， w h i c hc a n s u p p o r tm u l t i p l ej a c k d r i l l ss i m u l t a n e o u s l y , i tw i l lr e p l a c et h e t r a d i t i o n a lh a n d - h e l d ja c k d i l lb e c a u s eo f i t sh i 曲e f f i c i e n c y , g o o d p o r ef o r m i n g q u a l i t ya n dt h ec o m f o r t a b l ea n ds a f ew o r k i n ge n v i r o n m e n t ．I no r d e rt op o s i t i o n q u i c k l ya n da c c u r a t e l y , t h eb o o mm u s tb el i g h t w e i g h ta n df l e x i b l e ．W h a t ’S m o r e ，t h eb o o mm u s tk e e ps t a b l eu n d e rt h ea c t i o no fd r i l l i n gi m p a c tr e c o i l f o r c e ． T os o l v et h ea b o v et w op r o b l e m s ，t h es t r u c t u r eo fd r i l lb o o mi sm o d i f i e d u s i n g m e t h o d i n t e g r a t e d o ft h e o r y a n a l y s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t ．T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sl i s ta sf o l l o w s F i r s t l y ，a c c o r d i n gt ok i n e t i ct h e o r yo fr o b o t i c se s t a b l i s h e st h ek i n e t i c e q u a t i o n so fd r i l lb o o ma n da n a l y z e st h ew o r k s p a c eo f j u m b ob yu s i n gM a t l a b w i t hn u m e r i c a ls o l u t i o na n dg r a p h i cm e t h o d ． S e c o n d l y ，b o o m ’S v i r t u a l p r o t o t y p e i se s t a b l i s h e dw i t hA D A M S ． P o s i t i o n i n gp r o c e s so ft y p i c a lp o s t u r ei ss i m u l a t e da n dt h eh i n g ep o i n tl o c a t i o n i Sm o d i f i e d ．F i n i t ee l e m e n tm o d e lo fb a c kb o o ma n de x t e n s i o nb o o mi Sb u i l t b yA N S Y Sa n ds t r e s sd i s t r i b u t i o ni ne a c h p r o c e s si sc o n d u c t e da n dt h ea b o v eb a s i s ． t y p i c a lp o s t u r e ．A n dt h el i g h t w e i g h t T h i r d l y ，t h er i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gv i r t u a lp r o t o t y p e o fb o o mi s e s t a b l i s h e d ．F o r c e dv i b r a t i o n f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i ss h o w e dt h a tt h e i n h e r e n tf r e q u e n c yi s 1 1 ．6 H z ，w h i c hi sf a rf r o me x c i t a t i o nf r e q u e n c y 5 0 H z ， s o r e s o n a n c eo fb o o mw i l ln o to c c u r ．D r i l li m p a c tr e c o i lf o r c ei Sc a l c u l a t e d w i t he x p e r i e n c ef o r m u l aa n dl o a d e dt oe n do fi a c k r o d ．P u s h e r ’Sa m p l i t u d ei S g o tb yt i m ed o m a i ns i m u l a t i o n ．T h es t r u c t u r eo fv i b r a t i o n r e d u c t i o n r u b b e ri S o p t i m i z e d w i t ht h em i n i m u mp u s h e r ’S a m p l i t u d e a st h eg o a lt o g r e a t l y s u p p r e s s e t h ev i b r a t i o no ft h ep u s h e r ． L a s t l y ，i no r d e rt oc h e c kt h ec o r r e c t n e s so fv i r t u a lp r o t o t y p eo fd r i l lb o o m ， e x p e r i m e n to fb o o ml i f t i n gi Sc o n d u c t e d ．A n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h ev i r t u a l p r o t o t y p ei sr e l i a b l e ． P a p e rs t u d i e sd y n a m i cp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nf o rh y d r a u l i cd r i l l j u m b oa l T na n dp r o v i d e sac e r t a i nt h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a lf o u n d a t i o n ．I tC a n I I I 万方数据 b eu s e df o rr e f e r e n c et od o m e s t i ch y d r a u l i cj u m b or e l a t e di n d u s t r i e s ． 6 6f i g u r e s ，21t a b l e s ，6 3r e f e r e n c e s ． K e yw o r d s H y d r a u l i cd r i l lj u m b o ；d r i l lb o o m ；v i r t u a lp r o t o t y p e ；l i g h t w e i g h t ； v i b r a t i o nr e d u c t i o n ；v i b r a t i o np e r f o r m a n c e C l a s s i f i c a t i o n T D 4 21 I V 万方数据 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I A b s 仃a c t ⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 液压凿岩台车简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 液压凿岩台车整体简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．2 钻臂简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 液压凿岩台车的技术应用和研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．1 液压凿岩台车技术应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．2 液压凿岩台车钻臂技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．2 ．3 国内外臂架动力学研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 - 3 课题来源及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 - 3 ．1 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．3 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 论文主要研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 凿岩台车钻臂结构方案设计与运动空间规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 钻臂结构方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 钻臂运动空间规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．1 机器人运动学建模方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．2 钻臂机构运动学建模分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 钻臂作业覆盖面积校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 l 3 钻臂轻量化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．1 凿岩台车钻臂虚拟样机建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 ．1 虚拟样机技术介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 ．2 钻臂虚拟样机的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 凿岩全工况钻臂油缸受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．1 钻臂外载荷求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．2 全工况受力分析过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 V 万方数据 3 ．2 ．3 全工况受力分析结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 双三角变幅机构参数化建模与优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 3 ．3 ．1 双三角变幅机构参数化建模过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．3 ．2 双三角变幅机构优化过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．4 钻臂强度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 5 3 ．4 ．1 钻臂各位姿铰点力求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．4 ．2 材料属性的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．4 ．3 网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．4 ．4 多位姿强度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．5 钻臂轻量化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 0 3 ．5 ．1 后臂轻量化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．5 ．2 伸缩臂轻量化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 钻臂凿岩工况振动分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～4 4 4 ．1 概j 述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 4 ．2 钻臂刚柔耦合虚拟样机的构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 5 4 ．2 ．1 后臂模态中性文件的生成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2 ．2 伸缩臂模态中性文件的生成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．2 ．3 橡胶顶盘减振器力学模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 锁紧状态油缸动态动力学建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 ．1 锁紧状态动态特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 - 3 ．2 锁紧状态油缸s i m u l i n k 框图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．3 ．3 联合仿真数据交换设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．4 钻臂受迫振动频域分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 4 4 ．5 钻臂凿岩工况受迫振动时域分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 4 ．5 ．1 凿岩工况下推进器振动时域响应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．5 ．2 减振设计与橡胶顶盘结构优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 5 ．1 虚拟样机验证试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．1 ．1 试验目的和内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．1 ．2 试验设备与条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．1 ．3 试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．1 ．4 试验过程与结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 万方数据 5 ．1 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 5 ．2 应力测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．2 ．1 试验目的和内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．2 ．2 试验条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．2 ．3 伸缩臂静态应力试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 - 3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 1 6 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 6 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 6 ．2 工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 8 附录1 工作空间求解的m a t l a b 程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 附录2 前后双三角机构优化报表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 附录3 橡胶顶盘结构优化报表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 攻读学位期问主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 V I I 万方数据 硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 液压凿岩台车简介 1 ．1 ．1 液压凿岩台车整体简介 伴随着国内外轨道交通，公路交通，水电项目等大型工程的建设，隧道施工等工 程机械需求量不断增大。目前隧道施工方法主要有钻爆法和盾构法两种，对于岩石硬 度大的场合，多采用钻爆法施工，对于地质较为松软的场合使用盾构法较多。凿岩设 备是钻爆法施工中必不可少的设备，凿岩台车因为其凿岩效率高、安全性好、能减轻 工人劳动强度等优点，有逐渐取代手持式凿岩机的趋势。液压凿岩台车按照控制方式 可分为电脑台车、全液压凿岩台车按照行走底盘可分为胶轮式、履带式、轮轨式三 类；按照用途可分为隧道掘进台车、矿用隧道台车、露天台车三类【1 。3 】。本文的讨论和 研究的对象为全液压隧道凿岩台车。 如图1 ．1 所示，凿岩台车一般由1 行走系统、2 底盘总成、3 钻臂、4 推进器、5 凿岩机 含钎杆 、6 动力系统、7 电气控制系统、8 液压系统组成。电脑凿岩台车依 靠闭环控制可完成对整个隧道断面的自动布孔、自动定位、成孔循环作业，而液压凿 岩台车的布孔、定位、成孔功能需要人工操作完成。 54321687 图1 - 1 凿岩台车结构图 凿岩台车作业时步骤如下第一步将台车开至隧道掌子面前的预定位置，然后将 伸出支腿油缸对台车进行支撑第二步操作手动阀控制钻臂运动，将钎头对准已经人工 布置好的炮孔位置，根据炮孔的施工要求调整好适当的外插角，补偿油缸伸出将顶尖顶 到岩面上，定位完成后将钻臂上各驱动油缸和马达用液压锁锁住，这样钻臂就给推进 器形成了一个稳定支撑；第三步凿孔循环，包括开孔轻冲击轻推，凿岩重冲重推，钻孔 到位自动回退。重复上述三个步骤直至完成所有炮孔及掏槽孔的凿钻。 凿岩台车行走方式可分为胶轮式、履带式、轮轨式三种。胶轮式行走采用工程机 万方数据 硕士学位论文1 绪论 械通用轮式底盘，其特点是行进速度快，动作灵敏，但是对路面要求高，复杂路面通 过能力和爬坡能力不强；履带式底盘由马达减速机组带动履带链轮转动从而完成台车 的行走、转向和制动，能通过复杂的路面，爬坡能力强，但是运动速度比胶轮式慢； 轮轨式行走需要预先铺设轨道，在早期的龙门式凿岩台车和矿山巷道掘进台车中应用 较多‘4 1 。 1 ．1 ．2 钻臂简介 钻臂是凿岩台车核心工作部件，通过控制钻臂上各液压缸的伸缩，可以调节钻臂 的姿态，以凿钻掌子面上不同位置的孔。凿岩台车钻臂按照其结构形式的不同可以大 致分为直角坐标式钻臂、极坐标式钻臂、复合坐标式钻臂和直接定位式钻臂，如图1 ．2 所示。直角坐标式钻臂结构简单、定位直观、操作容易，但是存在较大凿岩盲区；极 坐标式钻臂能凿岩某些特殊形式的孔，钻孔盲区小，但是因定位过程不够直观应用极 少；复合坐标式钻臂调位简单，具有空间平移功能，无盲区，但结构和控制系统复杂； 直接定位式钻臂结构紧凑、运行平稳、无凿岩盲区、具有空间平移性能，在液压凿岩 台车中应用最为广泛。 a 直角坐标式钻臂C o 极坐标式钻臂 c 复合坐标式钻臂 d 直接定位式钻臂 图1 - 2 四种典型钻臂结构形式 综上所述可知，凿岩台车钻臂具有以下特点和性能要求 1 、能将液压凿岩机送至隧道掌子面的各个炮孔位置且盲区越小越好，这就对其长 度提出了要求，例如A t l a sC o p c o 生产的B o o m e rL 2 D 型台车的B U T 3 5 型直接定位式 钻臂完全伸展开时的长度为1 0 ．2 米。 2 、要求钻臂能将凿岩机准确迅速定位到隧道掌子面各炮孔位置，节省定位时间， 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 提高生产效率，因此对其提出了灵活轻巧的要求。 3 、要求钻臂在凿岩过程中剧烈的凿岩冲击反力的作用下能保持稳定性，不会在凿 岩冲击反力的激励下产生过大的位移响应而影响正常的凿孔过程和成孔质量。 1 ．2 液压凿岩台车的技术应用和研究现状 1 ．2 ．1 液压凿岩台车技术应用现状 从1 9 7 0 年法国蒙特贝尔公司成功发明了第一台全液压凿岩机以来，由于其凿岩能 力强，凿岩速度快，适用性广，人工成本低，使用安全等优点，迅速得到了用户的青 睐，迅速取代了手动凿岩机占领了市场，因此也引来了其他一些具有相关生产能力的 公司加入到了凿岩台车产业中来，形成了多款不同系列的液压凿岩台车。8 0 年代以来， 随着计算机技术的在各行业的普遍应用，装备制造商开发出了能够实现闭环控制自动 化功能的台车，即能够完成自动孔序规划，自动找孔开钻，自动参数匹配一系列工作， 一般称这种台车为凿岩机器人或电脑台车。目前瑞典阿特拉斯、山特维克、日本古河 三家企业占据凿岩台车市场的主导地位，表1 ．1 中列出了国外具有代表性的凿岩台车 [ s - 8 l 。 袁1 ．1 几种国内外隧道液压凿岩台车的主要性能参数 近年来，国内有的厂家曾尝试过开发大型多臂钻台车，均因技术不过关，没能经 受住施工现场考验，终究未能形成成熟产品。其中，江苏某公司开发的多臂凿岩台车 在四川锦屏水电站工业试验，因技术不过关而以失败告终。同样，国产液压凿岩机也 因技术、材料和工艺等难以与国外品牌媲美，在国内巨大市场中的占有率微乎其微。 我国液压凿岩机技术开发走的是一条自主研发与引进吸收国外先进技术相结合的道路， 经过数十年的发展的已经初步形成了自主品牌，如莲花山凿岩钎具有限公司生产的 H D 系列凿岩机，达到了一定的水平，但与国外先进技术水平相比，在液压凿岩机关 键技术领域、凿岩台车整机制造工艺、液压系统性能等方面，我国与世界先进水平之 间仍存在较大的差距。这也导致我国每年都需要花大量资金从国外进口相当数量的凿 万方数据 硕士学位论文1 绪论 岩台车，不仅花费了大量资金，台车的保养和维修也是一个难题。 1 ．2 ．2 液压凿岩台车钻臂技术研究现状 凿岩台车钻臂的研究是随着台车的发展而展开的，1 9 6 5 年由液压系统驱动凿岩机 械臂的凿岩台车在欧洲问世，自此人们开始尝试开发一种具有自动定位功能的凿岩机 器人以代替人工开环控制。1 9 7 2 年挪威一家工程承包公司开始了隧道凿岩台车的自动 化研究并与1 9 7 8 年开发出了第一台样机；1 9 8 5 年芬兰坦姆洛克公司制成了世界上首 台计算机控制的液压凿岩台车并投入使用。1 9 8 7 年，瑞典A t l a sC o p c o 公司的R o b o t B o o m e r 型凿岩凿岩台车投入使用，其搭载了当时最为先进的全自动数据导向系统。 1 9 9 8 年后A t l a s 完成了对世界各大凿岩设备制造商的兼并，自此配备具有鲜明特色的 B U T 型钻臂和R i g 控制系统的凿岩台车成为市场上的主流产品，B U T 3 5 ，B U T 4 0 ，B U T 4 5 型钻臂靠前后双三角驱动钻臂的俯仰和摆动，机械结构和液压控制系使推进器具备自 平行的功能。钻臂的结构形式历经了直角坐标定位式、极坐标定位式、复合坐标定位 式和直接定位式的发展过程，目前直角坐标式和极坐标式在隧道台车中已经基本被淘 汰。目前主流台车的钻臂一般具有俯仰、摆臂、伸缩、翻转、外插角、补偿和自平行 功能，自平行指的是在钻臂定位过程中保持推进器始终保持平行的功能，具备该功能 的钻臂可以省去推进器调平的时间，大幅度提高凿岩效率，直接定位式钻臂也是基于 这个目的而开发出来的1 9 以1 1 。 国内对凿岩台车和钻臂的研究也开展得比较早，因其成洞质量好，凿岩效率高， 对地质状况的适应能力强等优点迅速获得了隧道建设者们的青睐，因为其巨大的需求 量和前沿的技术含量吸引了国内许多科研单位和学者进行了很多相关研究，而这些研 究主要是围绕凿岩台车的核心部件钻臂进行的。2 0 0 0 年，国家8 6 3 课题中南大学 “隧道凿岩机器人”顺利通过验收，标志着我国凿岩台车迈上了一个新的台阶。依托该 项目，课题组成员取得了大量的研究成果。 周友行为实现J S Z Y 2 ．9 0 M 龙门式双臂隧道凿岩机器人孔序规划过程中面临的关 键问题为主线，建立了凿岩机器人运动学模型、并在此基础上进行了工作空间求解、 凿岩机械臂逆运动学问题求解，单臂孔序规划以及多臂协调孔序规划，多臂碰撞检测 等方面进行了研究I l 引。 为防止干涉、实现直接定位的精确性，控制双三角钻臂严格按照规划运动，并根 据双三角机构时变性和非线性的特点，李力争将自适应控制策略应用于双三角钻臂定 位控制，并用试验验证了该控制方案的可行性I l 孓1 4 J 。 周宏兵[ 15 】运用机器人运动学理论对凿岩台车钻臂进行了运动学建模，得出了逆解； 运动拉格朗日动力学方程建立了其动力学模型，在此基础上钻臂机构在不同姿态下各 关节所受的力对钻臂的定位机构的误差进行了分析。 4 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 谢习华【1 6 】提出线性近似解耦．迭代法运动学求逆方法解决了车体精确定位的问题； 运用虚拟关节概念对钻臂定位误差的补偿方法进行了研究；搭建了凿岩机器人计算机 控制系统的硬件系统，并开发了控制系统软件。 文献【1 7 。18 】对钻臂空间自平行机构的平行机理进行了理论分析论证，揭示了钻臂实 现自平行的条件，可用于指导钻臂自平行机构设计。 此外，针对钻臂自动定位系统中液压回路的电液比例阀非对称位置系统响应慢和 时变性大等特点，北京交通大学皂慧丽提出了模糊自适应整定P I D 控制策略完成了 基于数字控制器系统的软硬件设计工作【1 9 ‘2 0 J 。 1 ．2 ．3 国内外臂架动力学研究现状 综上所述可知，目前国内外对钻臂的研究，重点在钻臂运动规划和控制上取得较 多的研究成果，但忽略了对钻臂轻量化的研究，并且很少对钻臂减振进行研究。这导致 了现有凿岩台车在施工过程中存在以下几个常见问题 1 钻臂过于笨重，钻臂定位过程中，其过大的惯性力导致钻臂定位起停阶段剧晃 动剧烈，影响快速定位，这就对钻臂轻量化问题提出了要求。 2 由于在凿岩冲击反力激励下钻臂振幅过大，导致钻臂凿岩过程钻臂剧烈抖动， 影响成孔质量和液压元器件的使用寿命。 虽然凿岩台车钻臂在轻量化和动态特性分析方面可借鉴研究成功不错，但是其他 由机械臂架完成某种施工作业的设备技术研究成果丰硕，并取得了良好的经济效益。 汽车起重机、履带式起重机、混凝土泵车、湿喷台车、潜孔钻机等工程机械得到了迅 速发展，与此同时与之相关的技术研究随之展开。，凿岩台车钻臂臂架的研究也可以参 考该类设备的研究方法和相关结论。 文献[ 2 1 - 3 3 1 对混凝土泵车臂架结构进行了建模分析，进行了多工况下的强度和刚度 计算，模态分析以及疲劳寿命的相关研究。其中文献【2 3 】提出了基于有限元和多体动力 学联合仿真法对混凝土泵车臂架的疲劳寿命预测，文献1 2 5 】侧重于分析臂架各连接点接 触力随时问的动态变化趋势，分析了产生接触峰值的原因并进行了优化。文献[ 2 6 】利用 A D A M S 软件建立了泵车臂架系统虚拟样机，求解了臂架驱动油缸最大载荷时对应的 臂架姿态，并建立其参数化模型在该姿态下以驱动油缸受力最小为目标进行了铰点位 置优化。文献【3 0 】在臂架系统模型建立的基础上，通过V B 语言构造软件界面与框架， 结合A P D L 语言与计算机批处理命令，编制用于臂架多工况有限元强度分析和模态分 析的程序，该方法可极大提高仿真分析的效率。文献【3 l J 对混凝土泵车臂架进行了多工 况动应力测试，得到了各个工况的动应力变化范围和工作频率，并提出了减小系统瞬 时冲击载荷的方法。中南大学王帅[ 3 3 1 建立了3 7 米泵车有限元模型和动力学仿真分析 模型，并对之进行了静强度分析、动响应分析及疲劳寿命分析，并在施工现场进行了 气 万方数据 硕士学位论文1 绪论 多工况、多排量应力测验。 中南大学谭明敏【3 4 J 对某挖掘机式冲击器的工作装置在高频冲击激励下的动态特 性进行了分析，包含实验模态分析和谐响应分析，为挖掘机底盘和冲击器功率匹配提 供了依据，同时进行了动臂的疲劳寿命分析。周慎杰等人对履带式起重机臂架的受力状 况和应力特性进行了系统的分析，确定了其危险工况【3 5 】。 武汉理工大学李海方【3 6 】建立了固定式起重机臂架刚柔耦合模型，并在此基础上对 其进行了起重工况的瞬态动力学仿真分析。 文献【37 J 利用A D A M S 软件建立了潜孔钻机钻臂虚拟样机，并对其姿态变换过程进 行了动力学仿真，求得了个驱动油缸受力变化曲线，为油缸选型和钻臂强度校核提供 了依据。 受迫振动可能会引起引起钻臂的不良振动从而影响到其工作性能和使用寿命，例 如，混凝土泵车臂架的振动会引起布料口的定位不稳而影响混凝土输送的精确性，同 时受迫振动也可能引起结构件的疲劳失效而极大减小泵车的使用寿命。因此在设计阶 段对臂架进行振动分析，全面把握其振动特性并进行针对性的改进是臂架技术开发与 改进的重点。 针对混凝土泵车输送管内周期性压力脉动载荷与末端摩擦脉动载荷造成泵车臂架 振动的问题，文献【3 8 ‘4 0 1 进行了深入的分析。其中文献【3 8 1 根据3 7 米混凝土泵车臂架液 压系统的工作原理，利用A M E s i m 建立了其水平工况下的系统仿真模型并进行了动态 特性仿真。文献1 3 9 J 结合悬臂输液管流固耦合理论，建立了泵车臂架结构和混凝土流固 耦合动力学方程，并从流固耦合的角度分析了臂架振动问题，发现泵送油缸激起的车 体振动是造成臂架振动的主要成因。文献【4 0 】采用刚柔耦合建模理论建立了臂架系统虚 拟样机并进行了动力学仿真分析，并将其分析结果与臂架未经柔性化的模型仿真结果 进行了对比，并通过试验进行了验证，指出了对于细长杆件柔性化对保证动力学分析 精确化的重要性。 赵丽娟，王乘云等人建立了采煤机截割部刚柔耦合虚拟样机，并用m a t l a b 模拟经 验公式描述的滚筒所受冲击载荷，对其进行了振动分析，并以载荷波动系数最小为目 标对截割部结构进行了优化1 4 1 | 。 文献[ 4 2 】研究了地下铲运机动力学行为和系统动态特性的关键问题，其中第四章研 究了其刚柔耦合建模问题，其使用的从有限元结构分析到动力学仿真计算，再从动力 学仿真计算返回有限元计算结构部件动态应力的方法在动力学仿真分析中具有一定普 适性。 针对T B M 推进油缸承受强受迫振动影响其动态性能的问题，中南大学邹伟建立 了基于环形缝隙流理论的油缸动态特性数学模型【4 3 1 ，该研究成果可为承受剧烈强迫振 动且由油缸驱动的机械设备的动态特性分析提供借鉴。 6 万方数据 硕士学位论文1 绪论 1 ．3 课题来源及研究意义 1 ．3 ．1 课题来源 本课题来源于中南大学机电工程学院车辆工程系与河南某工程机械有限公司合作 的G L C S ．L 2 D 型全液压凿岩台车技术开发项目。 1 ．3 ．2 研究意义 随着城镇化进程的加快，国内高速铁路、公路和水电等基础设施建设中隧道开挖 工作量日益增大，对隧道施工的工程进度、质量和安全性提出了新的要求，由于隧道 凿岩