瓦斯抽放鉆機傳動系統的研究與優化設計

王學聰 李明

摘 要：瓦斯抽放鉆機是瓦斯抽放的關鍵設備，它的研究設計合理與否決定了瓦斯抽放鉆機的工作能力和工作可靠性及制造成本的高低，本文研究了鉆機傳動系統的研究流程圖，并提出了研究瓦斯抽放鉆機傳動系統設計方案，通過建立齒輪傳動系統動力學模型，然后并進行動態優化設計，最后建立瓦斯抽放鉆機傳動系統虛擬樣機及動態仿真。對設計出性能優良、抗振性能好的鉆機傳動系統，提供了理論依據和研究設計方法，有效的提高了瓦斯抽放鉆機的工作能力和工作可靠性。

關鍵詞：瓦斯抽放鉆機 齒輪傳動 動態仿真

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

在各種瓦斯抽放方法中，都需要鉆進一定孔徑和深度的孔來抽放瓦斯，所以，瓦斯抽放鉆機就成為瓦斯抽放中的關鍵設備之一，自開展瓦斯抽放以來，我國的瓦斯抽放鉆機有了很大發展。傳統的瓦斯抽放鉆機操作安全、鉆進效率高、使用方便等特點，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的使用情況，并查閱了相關資料，歸納出以下問題：

（1）鉆機傳動系統的振動問題。鉆機在鉆進過程中，出現不同程度的振動現象，降低了成孔質量和生產效率，嚴重時可導致鉆桿本身受損并破壞鉆孔，不能正常進行鉆進或起拔。

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

（3）由于鉆探施工地點一般較狹窄且常變動，立軸式鉆機重量輕，搬運方便；而全液壓鉆機往往需要拆成部件搬運，但組裝和固定十分不便，加之液壓油路系統易混入塵沙，在井下保養非常困難，液壓元件受到損傷時很難在現場修復，甚至需要整體更換。

1 瓦斯抽放鉆機傳動系統研究的重要性

瓦斯抽放鉆機是瓦斯抽放的關鍵設備。隨著國家對安全生產和煤層氣開發日益重視、安全投入逐年加大，瓦斯抽放鉆機的研究和發展也將迎來新的發展機遇。瓦斯抽放鉆機的研究直接影響瓦斯抽放的成敗，而瓦斯抽放鉆機的傳動系統作為鉆機的核心部件，它的研究設計合理與否決定了瓦斯抽放鉆機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傳動系統的研究與優化設計是瓦斯抽放鉆機研究的關鍵。

2 瓦斯抽放鉆機傳動系統研究的流程

鉆機傳動系統動態優化設計主要是指系統參數的數值優化，其研究內容是將數學規劃理論、機械振動理論和數值計算方法結合起來，以計算機為工具，建立一整套科學的、系統的、可靠而又高效的方法。鉆機傳動系統設計在設計階段根據動態性能的要求確定和改進系統結構參數，使其在設定的條件下達到設計要求的動態性能指標，其主要內容包括建立符合實際情況的結構動力學模型與選擇有效的結構動態優化設計方法。

由于鉆機的工作條件（如環境、氣候）非常惡劣，工作時沖擊和振動較大，傳動系統極易發生故障。為了保證鉆機工作的正常進行，對傳動系統的設計除具有足夠的強度、剛度和可靠性外，還要求傳動系統及其零件的體積小、重量輕，操作方便，保養維護簡單等。如何解決結構緊湊且簡單，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，只有借助于現代設計方法和手段來設計傳動系統。現代設計方法中的優化設計可以優化傳動系統的結構；虛擬設計與仿真可以在產品未生產出來時就能看到產品的運行效果；有限元分析可以計算出產品的強度和可靠性。

3 瓦斯抽放鉆機傳動系統研究設計方案

3.1 建立齒輪傳動系統動力學模型

根據瓦斯抽放鉆機的工作原理，研究傳動系統的關鍵是研究齒輪傳動系統的振動。在齒輪傳動系統的各種振動中，扭轉振動是最主要的，本文在集中參數模型基礎上建立齒輪傳動系統的扭轉振動模型。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，按照系統做簡諧振動時動能、勢能不變的原則，建立動力頭齒輪系統非線性動力學方程：

式中，m為系統質量矩陣；c為系統阻尼矩陣；k（t）為系統剛度矩陣，包括包括齒輪傳動系統剛度和齒輪動態嚙合剛度；xs為靜態相對位移向量；x為動態位移向量；e（t）為齒輪綜合誤差；Ps為靜態載荷。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 對瓦斯抽放鉆機傳動系統進行動態優化設計

利用MATLAB軟件編制程序，計算傳動系統的各階固有頻率和對應的主振型、各元件的勢能分布、動能分布和模態柔度。根據模態柔度和能量平衡原理將各工況下傳動系統的抗振性能最好（即動柔度最小）作為動態優化設計的分目標，采用目標規劃法建立統一目標函數，以傳動系統齒輪、軸的質量、剛度和阻尼作為設計變量，并計入約束條件，利用遺傳算法優化設計原理求出其最佳結果[8] [60-63]，完成傳動系統的動態優化設計。

3.3 建立瓦斯抽放鉆機傳動系統虛擬樣機及動態仿真

根據基于特征的參數化建模技術，運用Pro/ENGINEER軟件設計完成傳動系統的重要組成部件，并進行虛擬裝配，最終建立瓦斯抽放鉆機傳動系統的數字樣機模型。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應用環境，就可以將裝配的總成根據其運動關系定義為機構系統，并利用ADAMS建立傳動系統的虛擬樣機模型，通過動態測試研究鉆機傳動系統的動態性能，并驗證之前動態優化設計的正確性和合理性。

4 結語

該文提出了瓦斯抽放鉆機傳動系統研究流程圖，并闡述了研究瓦斯抽放鉆機傳動系統設計方案，對設計出性能優良、抗振性能好的鉆機傳動系統，提供了理論依據和研究設計方法。有效的提高了瓦斯抽放鉆機的工作能力和工作可靠性。

參考文獻

[1] 王清峰.基于可靠性最優化的新型鉆機的研究[D].重慶大學，2002.

[2] 謝孔昶.坑道鉆機傳動系統及其整機模塊化設計研究[D].沈陽航空航天大學，2011.

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