瓦斯抽放钻机传动系统的研究与优化设计

王学聪 李明

摘 要：瓦斯抽放钻机是瓦斯抽放的关键设备，它的研究设计合理与否决定了瓦斯抽放钻机的工作能力和工作可靠性及制造成本的高低，本文研究了钻机传动系统的研究流程图，并提出了研究瓦斯抽放钻机传动系统设计方案，通过建立齿轮传动系统动力学模型，然后并进行动态优化设计，最后建立瓦斯抽放钻机传动系统虚拟样机及动态仿真。对设计出性能优良、抗振性能好的钻机传动系统，提供了理论依据和研究设计方法，有效的提高了瓦斯抽放钻机的工作能力和工作可靠性。

关键词：瓦斯抽放钻机 齿轮传动 动态仿真

中图分类号：TD712 文献标志码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（c）-0070-01

在各种瓦斯抽放方法中，都需要钻进一定孔径和深度的孔来抽放瓦斯，所以，瓦斯抽放钻机就成为瓦斯抽放中的关键设备之一，自开展瓦斯抽放以来，我国的瓦斯抽放钻机有了很大发展。传统的瓦斯抽放钻机操作安全、钻进效率高、使用方便等特点，已被广泛使用，在一定程度上满足了我国煤矿瓦斯抽放的需要，但仍然存在一些问题。该文通过在试验中钻机的使用情况，并查阅了相关资料，归纳出以下问题：

（1）钻机传动系统的振动问题。钻机在钻进过程中，出现不同程度的振动现象，降低了成孔质量和生产效率，严重时可导致钻杆本身受损并破坏钻孔，不能正常进行钻进或起拔。

（2）全液压钻机维修费用高，需要受过专门训练、综合素质高的操作人员，而符合条件的人很少愿意常年在煤矿井下做钻工。

（3）由于钻探施工地点一般较狭窄且常变动，立轴式钻机重量轻，搬运方便；而全液压钻机往往需要拆成部件搬运，但组装和固定十分不便，加之液压油路系统易混入尘沙，在井下保养非常困难，液压元件受到损伤时很难在现场修复，甚至需要整体更换。

1 瓦斯抽放钻机传动系统研究的重要性

瓦斯抽放钻机是瓦斯抽放的关键设备。随着国家对安全生产和煤层气开发日益重视、安全投入逐年加大，瓦斯抽放钻机的研究和发展也将迎来新的发展机遇。瓦斯抽放钻机的研究直接影响瓦斯抽放的成败，而瓦斯抽放钻机的传动系统作为钻机的核心部件，它的研究设计合理与否决定了瓦斯抽放钻机的工作能力和工作可靠性及制造成本的高低，因此对瓦斯抽放钻机传动系统的研究与优化设计是瓦斯抽放钻机研究的关键。

2 瓦斯抽放钻机传动系统研究的流程

钻机传动系统动态优化设计主要是指系统参数的数值优化，其研究内容是将数学规划理论、机械振动理论和数值计算方法结合起来，以计算机为工具，建立一整套科学的、系统的、可靠而又高效的方法。钻机传动系统设计在设计阶段根据动态性能的要求确定和改进系统结构参数，使其在设定的条件下达到设计要求的动态性能指标，其主要内容包括建立符合实际情况的结构动力学模型与选择有效的结构动态优化设计方法。

由于钻机的工作条件（如环境、气候）非常恶劣，工作时冲击和振动较大，传动系统极易发生故障。为了保证钻机工作的正常进行，对传动系统的设计除具有足够的强度、刚度和可靠性外，还要求传动系统及其零件的体积小、重量轻，操作方便，保养维护简单等。如何解决结构紧凑且简单，承载能力大，传动效率高，制造使用成本低，振动小，噪声低等难题，只有借助于现代设计方法和手段来设计传动系统。现代设计方法中的优化设计可以优化传动系统的结构；虚拟设计与仿真可以在产品未生产出来时就能看到产品的运行效果；有限元分析可以计算出产品的强度和可靠性。

3 瓦斯抽放钻机传动系统研究设计方案

3.1 建立齿轮传动系统动力学模型

根据瓦斯抽放钻机的工作原理，研究传动系统的关键是研究齿轮传动系统的振动。在齿轮传动系统的各种振动中，扭转振动是最主要的，本文在集中参数模型基础上建立齿轮传动系统的扭转振动模型。在考虑齿轮的刚度激励和误差激励引起的激励力的条件下，按照系统做简谐振动时动能、势能不变的原则，建立动力头齿轮系统非线性动力学方程：

式中，m为系统质量矩阵；c为系统阻尼矩阵；k（t）为系统刚度矩阵，包括包括齿轮传动系统刚度和齿轮动态啮合刚度；xs为静态相对位移向量；x为动态位移向量；e（t）为齿轮综合误差；Ps为静态载荷。将上式可改写成：

式中为齿轮啮合刚度的变刚度部分；为冲擊激励力。

3.2 对瓦斯抽放钻机传动系统进行动态优化设计

利用MATLAB软件编制程序，计算传动系统的各阶固有频率和对应的主振型、各元件的势能分布、动能分布和模态柔度。根据模态柔度和能量平衡原理将各工况下传动系统的抗振性能最好（即动柔度最小）作为动态优化设计的分目标，采用目标规划法建立统一目标函数，以传动系统齿轮、轴的质量、刚度和阻尼作为设计变量，并计入约束条件，利用遗传算法优化设计原理求出其最佳结果[8] [60-63]，完成传动系统的动态优化设计。

3.3 建立瓦斯抽放钻机传动系统虚拟样机及动态仿真

根据基于特征的参数化建模技术，运用Pro/ENGINEER软件设计完成传动系统的重要组成部件，并进行虚拟装配，最终建立瓦斯抽放钻机传动系统的数字样机模型。采用Pro/E和ADAMS/View的专用接口模块Mechnism/Pro无缝连接的方式，不需要退出Pro/E应用环境，就可以将装配的总成根据其运动关系定义为机构系统，并利用ADAMS建立传动系统的虚拟样机模型，通过动态测试研究钻机传动系统的动态性能，并验证之前动态优化设计的正确性和合理性。

4 结语

该文提出了瓦斯抽放钻机传动系统研究流程图，并阐述了研究瓦斯抽放钻机传动系统设计方案，对设计出性能优良、抗振性能好的钻机传动系统，提供了理论依据和研究设计方法。有效的提高了瓦斯抽放钻机的工作能力和工作可靠性。

参考文献

[1] 王清峰.基于可靠性最优化的新型钻机的研究[D].重庆大学，2002.

[2] 谢孔昶.坑道钻机传动系统及其整机模块化设计研究[D].沈阳航空航天大学，2011.

[3] 张明哲. 液压钻机信号采集与故障诊断系统的研究[D].西安科技大学，2012.