创新设计机械结构论文提纲

论文题目：钻机车机电液一体化系统性能优化关键技术研究

摘要：钻机车是由机械、电控、液压子系统相互交叉、融合构成的机电液一体化专用钻进施工装备,各子系统间相互作用、相互影响,共同决定了钻机车机电液一体化系统的综合性能。随着浅层油气抽采井、地热井及应急救援井等施工需求的日益增长和钻进工况复杂程度的增加,钻机车机电液一体化系统在机械结构力学性能可靠性、液压流体传动稳定性及电控算法精控性等方面正暴露出越来越多的不足,严重制约了钻机车产业的发展。目前钻机车机电液系统的研究主要集中在机械及液压系统数值仿真、电控系统功能设计等方面,而对机电液综合性能的系统性研究相对欠缺,导致钻机车机械结构应力分布不均、局部应力集中大、超重,液压系统稳定性不足及电控系统自动化水平较低等问题。为解决上述问题,论文开展钻机车机电液系统一体化设计分析,研究提高机械系统结构强度、屈曲稳定性、轻量化特性,提升液压系统稳定响应特性、动力匹配特性,提升电控系统控制算法精度、鲁棒性的关键技术,实现机电液系统综合性能的提升与优化。获得的创新性研究成果如下:（1）研究分析了机械结构工况条件,采用受压阶梯折算法、Newton-Raphson迭代算法及强度理论等数学分析方法与灵敏度分析、响应曲面法、MATLAB-Python-ABAQUS协同仿真、拓扑优化等数值分析方法相结合,基于多参数组合响应设计方法,优化了钻机车机械结构形式,在保证结构稳定性的前提下,实现了机械结构轻量化。（2）采用理论计算和AMESim仿真相结合的方法分析了不同钻进工况下液压动力系统的频域、时域稳定特性,获得了弹簧刚度、阻尼对负载敏感及平衡阀控制系统的影响规律,优选了弹簧刚度和阻尼孔直径参数;针对大惯量液压系统波动大的问题,提出了阻尼半桥抑制震颤的液压系统设计方法;研究了液压管路的振动频率响应及分布参数动态特性,并对管路进行了虚拟样机优化,提升了液压动力系统稳定性和动态响应特性。（3）为满足高效钻进对自动送钻电液控制算法的要求,采用理论建模、AMESim和Simulink协同仿真的方法,分析了传统PID、模糊PID和反馈线性化滑模变结构不同控制算法对阀控非对称液压缸位置跟踪控制的适应性,解决了钻机车电液控制系统非线性和控制精度低的问题,提高了自动送钻过程中电液系统的控制精度、稳定性和响应速度。（4）采用机电液一体化3D协同仿真、型式试验、力学性能检测及现场工程试验测量的方法验证了钻机车机电液系统性能优化的有效性、准确性,实现了理论分析、数值仿真与试验验证的统一。论文的研究提升了钻机车机电液一体化系统稳定性、可靠性等综合性能,可以为钻机车机电液系统设计、优化及自动化水平提升提供理论及技术支撑,对提升钻机车施工可靠性、效率及安全性具有重要的理论意义和工程应用价值。

关键词：钻机车;机电液一体化;强度;稳定性;性能优化

学科专业：矿产普查与勘探

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 选题来源

1.2 选题意义

1.3 研究现状

1.3.1 国内外钻机车概述

1.3.2 钻机车机电液一体化系统集成原理

1.3.3 钻机车机电液系统研究现状

1.4 研究思路与技术路线

2 钻机车机电液系统一体化集成

2.1 钻机车机电液一体化系统组成

2.2 机械系统

2.2.1 给进装置结构型式

2.2.2 动力头

2.3 液压动力系统

2.3.1 动力机选型

2.3.2 液压系统总体集成方案

2.3.3 液压元件选型

2.3.4 给进液压系统回路

2.3.5 动力头回转液压系统回路

2.3.6 液压系统集成

2.4 电控系统开发

2.4.1 电控系统功能实现

2.4.2 电控系统原理及功能模块

2.4.3 电控系统集成

2.5 机电液一体化系统集成

2.6 本章小结

3 机械结构力学分析与性能优化

3.1 机械结构性能对机电液系统特性影响

3.2 极限载荷下给进装置力学性能分析

3.2.1 给进液压缸稳定性分析

3.2.2 一级给进桅杆强度分析

3.2.3 二级给进桅杆强度分析

3.3 给进装置机械结构优化及轻量化

3.3.1 机械结构优化方法及数学模型

3.3.2 基于响应面法的二级给进桅杆机械结构优化

3.4 变幅机构拓扑优化及轻量化设计

3.4.1 变幅机构力学分析

3.4.2 变幅机构支撑座拓扑结构优化

3.5 动力头力学特性分析

3.5.1 减速箱齿轮强度校核

3.5.2 动力头箱体结构有限元分析

3.6 整机稳定性分析

3.6.1 行驶时抗倾覆稳定性分析

3.6.2 钻进时整机稳定性分析

3.7 本章小结

4 液压系统稳定性及动力匹配特性研究与优化

4.1 液压系统稳定性影响因素分析及性能优化

4.1.1 负载敏感泵稳定输出特性研究

4.1.2 负载敏感多路阀阀控特性研究与优化

4.1.3 给进液压缸负载平衡回路稳定性分析与优化

4.2 液压管路对系统稳定性影响研究及管路优化

4.2.1 液压管路对系统稳定性影响频域分析

4.2.2 液压管路对系统稳定性影响时域分析

4.2.3 基于虚拟样机的液压管路优化

4.3 液压系统动力匹配特性研究

4.4 本章小结

5 钻机车自动送钻控制算法研究与优化

5.1 PID控制算法

5.2 模糊PID复合控制算法

5.3 反馈线性化滑模变结构控制算法

5.4 本章小结

6 机电液一体化系统性能协同仿真分析及试验验证

6.1 ADAMS-AMESim-Simulink机电液一体化3D协同仿真

6.2 钻机车型式试验

6.3 关键机械结构力学性能实验测量分析

6.3.1 接触式电阻应变片测量

6.3.2 非接触式三维数字散斑测量

6.4 现场工程试验

6.4.1 回转液压系统性能测试

6.4.2 给进系统性能测试

6.4.3 动力系统性能测试

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

作者简历