王學(xué)聰 李明

摘 要：瓦斯抽放鉆機(jī)是瓦斯抽放的關(guān)鍵設(shè)備，它的研究設(shè)計合理與否決定了瓦斯抽放鉆機(jī)的工作能力和工作可靠性及制造成本的高低，本文研究了鉆機(jī)傳動系統(tǒng)的研究流程圖，并提出了研究瓦斯抽放鉆機(jī)傳動系統(tǒng)設(shè)計方案，通過建立齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型，然后并進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，最后建立瓦斯抽放鉆機(jī)傳動系統(tǒng)虛擬樣機(jī)及動態(tài)仿真。對設(shè)計出性能優(yōu)良、抗振性能好的鉆機(jī)傳動系統(tǒng)，提供了理論依據(jù)和研究設(shè)計方法，有效的提高了瓦斯抽放鉆機(jī)的工作能力和工作可靠性。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽放鉆機(jī) 齒輪傳動 動態(tài)仿真

中圖分類號：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（c）-0070-01

在各種瓦斯抽放方法中，都需要鉆進(jìn)一定孔徑和深度的孔來抽放瓦斯，所以，瓦斯抽放鉆機(jī)就成為瓦斯抽放中的關(guān)鍵設(shè)備之一，自開展瓦斯抽放以來，我國的瓦斯抽放鉆機(jī)有了很大發(fā)展。傳統(tǒng)的瓦斯抽放鉆機(jī)操作安全、鉆進(jìn)效率高、使用方便等特點(diǎn)，已被廣泛使用，在一定程度上滿足了我國煤礦瓦斯抽放的需要，但仍然存在一些問題。該文通過在試驗中鉆機(jī)的使用情況，并查閱了相關(guān)資料，歸納出以下問題：

（1）鉆機(jī)傳動系統(tǒng)的振動問題。鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中，出現(xiàn)不同程度的振動現(xiàn)象，降低了成孔質(zhì)量和生產(chǎn)效率，嚴(yán)重時可導(dǎo)致鉆桿本身受損并破壞鉆孔，不能正常進(jìn)行鉆進(jìn)或起拔。

（2）全液壓鉆機(jī)維修費(fèi)用高，需要受過專門訓(xùn)練、綜合素質(zhì)高的操作人員，而符合條件的人很少愿意常年在煤礦井下做鉆工。

（3）由于鉆探施工地點(diǎn)一般較狹窄且常變動，立軸式鉆機(jī)重量輕，搬運(yùn)方便；而全液壓鉆機(jī)往往需要拆成部件搬運(yùn)，但組裝和固定十分不便，加之液壓油路系統(tǒng)易混入塵沙，在井下保養(yǎng)非常困難，液壓元件受到損傷時很難在現(xiàn)場修復(fù)，甚至需要整體更換。

1 瓦斯抽放鉆機(jī)傳動系統(tǒng)研究的重要性

瓦斯抽放鉆機(jī)是瓦斯抽放的關(guān)鍵設(shè)備。隨著國家對安全生產(chǎn)和煤層氣開發(fā)日益重視、安全投入逐年加大，瓦斯抽放鉆機(jī)的研究和發(fā)展也將迎來新的發(fā)展機(jī)遇。瓦斯抽放鉆機(jī)的研究直接影響瓦斯抽放的成敗，而瓦斯抽放鉆機(jī)的傳動系統(tǒng)作為鉆機(jī)的核心部件，它的研究設(shè)計合理與否決定了瓦斯抽放鉆機(jī)的工作能力和工作可靠性及制造成本的高低，因此對瓦斯抽放鉆機(jī)傳動系統(tǒng)的研究與優(yōu)化設(shè)計是瓦斯抽放鉆機(jī)研究的關(guān)鍵。

2 瓦斯抽放鉆機(jī)傳動系統(tǒng)研究的流程

鉆機(jī)傳動系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計主要是指系統(tǒng)參數(shù)的數(shù)值優(yōu)化，其研究內(nèi)容是將數(shù)學(xué)規(guī)劃理論、機(jī)械振動理論和數(shù)值計算方法結(jié)合起來，以計算機(jī)為工具，建立一整套科學(xué)的、系統(tǒng)的、可靠而又高效的方法。鉆機(jī)傳動系統(tǒng)設(shè)計在設(shè)計階段根據(jù)動態(tài)性能的要求確定和改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其在設(shè)定的條件下達(dá)到設(shè)計要求的動態(tài)性能指標(biāo)，其主要內(nèi)容包括建立符合實際情況的結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型與選擇有效的結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法。

由于鉆機(jī)的工作條件（如環(huán)境、氣候）非常惡劣，工作時沖擊和振動較大，傳動系統(tǒng)極易發(fā)生故障。為了保證鉆機(jī)工作的正常進(jìn)行，對傳動系統(tǒng)的設(shè)計除具有足夠的強(qiáng)度、剛度和可靠性外，還要求傳動系統(tǒng)及其零件的體積小、重量輕，操作方便，保養(yǎng)維護(hù)簡單等。如何解決結(jié)構(gòu)緊湊且簡單，承載能力大，傳動效率高，制造使用成本低，振動小，噪聲低等難題，只有借助于現(xiàn)代設(shè)計方法和手段來設(shè)計傳動系統(tǒng)。現(xiàn)代設(shè)計方法中的優(yōu)化設(shè)計可以優(yōu)化傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；虛擬設(shè)計與仿真可以在產(chǎn)品未生產(chǎn)出來時就能看到產(chǎn)品的運(yùn)行效果；有限元分析可以計算出產(chǎn)品的強(qiáng)度和可靠性。

3 瓦斯抽放鉆機(jī)傳動系統(tǒng)研究設(shè)計方案

3.1 建立齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型

根據(jù)瓦斯抽放鉆機(jī)的工作原理，研究傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵是研究齒輪傳動系統(tǒng)的振動。在齒輪傳動系統(tǒng)的各種振動中，扭轉(zhuǎn)振動是最主要的，本文在集中參數(shù)模型基礎(chǔ)上建立齒輪傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動模型。在考慮齒輪的剛度激勵和誤差激勵引起的激勵力的條件下，按照系統(tǒng)做簡諧振動時動能、勢能不變的原則，建立動力頭齒輪系統(tǒng)非線性動力學(xué)方程：

式中，m為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣；c為系統(tǒng)阻尼矩陣；k（t）為系統(tǒng)剛度矩陣，包括包括齒輪傳動系統(tǒng)剛度和齒輪動態(tài)嚙合剛度；xs為靜態(tài)相對位移向量；x為動態(tài)位移向量；e（t）為齒輪綜合誤差；Ps為靜態(tài)載荷。將上式可改寫成：

式中為齒輪嚙合剛度的變剛度部分；為沖擊激勵力。

3.2 對瓦斯抽放鉆機(jī)傳動系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化設(shè)計

利用MATLAB軟件編制程序，計算傳動系統(tǒng)的各階固有頻率和對應(yīng)的主振型、各元件的勢能分布、動能分布和模態(tài)柔度。根據(jù)模態(tài)柔度和能量平衡原理將各工況下傳動系統(tǒng)的抗振性能最好（即動柔度最?。┳鳛閯討B(tài)優(yōu)化設(shè)計的分目標(biāo)，采用目標(biāo)規(guī)劃法建立統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)，以傳動系統(tǒng)齒輪、軸的質(zhì)量、剛度和阻尼作為設(shè)計變量，并計入約束條件，利用遺傳算法優(yōu)化設(shè)計原理求出其最佳結(jié)果[8] [60-63]，完成傳動系統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計。

3.3 建立瓦斯抽放鉆機(jī)傳動系統(tǒng)虛擬樣機(jī)及動態(tài)仿真

根據(jù)基于特征的參數(shù)化建模技術(shù)，運(yùn)用Pro/ENGINEER軟件設(shè)計完成傳動系統(tǒng)的重要組成部件，并進(jìn)行虛擬裝配，最終建立瓦斯抽放鉆機(jī)傳動系統(tǒng)的數(shù)字樣機(jī)模型。采用Pro/E和ADAMS/View的專用接口模塊Mechnism/Pro無縫連接的方式，不需要退出Pro/E應(yīng)用環(huán)境，就可以將裝配的總成根據(jù)其運(yùn)動關(guān)系定義為機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，并利用ADAMS建立傳動系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，通過動態(tài)測試研究鉆機(jī)傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能，并驗證之前動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的正確性和合理性。

4 結(jié)語

該文提出了瓦斯抽放鉆機(jī)傳動系統(tǒng)研究流程圖，并闡述了研究瓦斯抽放鉆機(jī)傳動系統(tǒng)設(shè)計方案，對設(shè)計出性能優(yōu)良、抗振性能好的鉆機(jī)傳動系統(tǒng)，提供了理論依據(jù)和研究設(shè)計方法。有效的提高了瓦斯抽放鉆機(jī)的工作能力和工作可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 王清峰.基于可靠性最優(yōu)化的新型鉆機(jī)的研究[D].重慶大學(xué)，2002.

[2] 謝孔昶.坑道鉆機(jī)傳動系統(tǒng)及其整機(jī)模塊化設(shè)計研究[D].沈陽航空航天大學(xué)，2011.

[3] 張明哲. 液壓鉆機(jī)信號采集與故障診斷系統(tǒng)的研究[D].西安科技大學(xué)，2012.