千米钻机小型化长距离密闭取芯技术的研究与应用

研究了千米钻机小型化长距离密闭取芯技术,根据井下长距离定点煤层密闭取芯技术要求,对小型化、轻量化煤层密闭取芯装置和配套密闭取芯钻头进行设计,提出了加工Φ89 mm直径的煤层密闭取芯装置,并根据现场试验情况进行调整完善.千米钻机小型化长距离密闭取芯技术实现了密闭取芯装置与千米钻机的结合,充分利用了定向孔钻孔轨迹实时测控和长距离钻进优点及保压密闭取样装置耐压密封特性,既提高了井下近水平煤样的采取深度,又可精确控制采样精度,实现单孔多次定点取样.     

基于Pareto最优原理的钻机钻进参数多目标优化

针对某双管定向钻机,提出了基于Pareto最优原理的钻进参数多目标优化方法。该方法根据钻机性能与工况,考虑水力对钻头比能影响,确定了钻进参数优化模型。针对罚函数处理约束条件的不足,引入了改进约束条件处理策略,提出了基于小生境思想拥挤度值计算方法及自适应交叉和变异算子。测试了改进算法的性能,并将改进算法用于求解基于某煤矿工程实际建立的钻机钻进参数优化模型。研究结果表明：与NSGA-Ⅱ和MOPSO算法相比,改进算法在求解测试问题时具有更好的收敛性与分布性。利用改进算法求解实际问题时得到的Pareto前端解集分布均匀,而且有效提高了机械钻速,延长了钻头寿命并降低了钻头比能。     

水平定向钻机自动化控制系统的研究

为了解决水平定向钻机控制系统控制偏差大、功能单一、安全性不足的难题,提出了一种新的水平定向钻机自动化控制系统。该系统增加安全栅采集模块,提升了数据信号的采集精度和反应灵敏性;增加漏电闭锁模块,实现了驱动电机的漏电闭锁故障控制;提高了应用安全性,增加先导模块实现了远程控制、故障信息采集管理。根据实际应用表明,该水平钻进自动化控制系统,能够将钻机的钻进精度提升88.4%,将控制灵敏性提高59.3%,将运行故障率降低44.6%,极大地提升了水平定向钻机的精度和可靠性。     

意大利斯戈宝干钻岩石定向钻进系统

斯戈宝干钻岩石定向钻进系统由意大利联盟最新研制，是无需润滑泥浆就能钻过硬岩、高效安装管线的定向钻进设备。它主要由定向钻机、钻头、液压动力设备、空压润滑系统、回拖附件和无线电探测定位系统组成。该系统技术目前居世界领先水平，所有的地下钻探工具均在世界范围内拥有专利。斯戈宝干钻岩石定向钻进系统在世界范围推出以来，两年时间已在欧洲和南美完成了大量通信电缆、煤气、水管安装工程，它不仅能完成传统湿钻系统可完成的工程，而且在硬岩施工具有独特的竞争优势。 该定向钻机为履带式，内置马达，可驾驶到施工地点并固定。液…     

煤矿用定向钻机制动装置的有限元仿真

定向钻机是煤矿井下水平定向钻进系统的核心设备,制动装置则是定向钻机实现定向钻进的主要功能部件。采用Abaqus软件对制动装置进行了有限元分析,对其工作过程中的应力场进行了数值模拟,并通过物理模拟试验对该仿真结果进行了验证。该仿真分析揭示了制动过程中制动盘的应力场分布规律,为制动装置的结构设计提供了重要依据,物理模拟结果为今后的数值仿真参数选取提供了参考。     

凯斯60系列新型水平定向钻机

凯斯６０系列水平定向钻机于２０００年３月正式投放中国市场，它为公用设施服务商提供了一种新的施工方法。由于它的回拖铺设的非开挖工艺较之以前的明开挖方式具有效率高、成本低、清洁、无干扰等优点，所以可以广泛用于煤气、自来水、电力、电信和有线电视等各种地下管线的铺设。目前，中国海底电缆建设公司承接的黄浦江米市渡口的３６０ｍ江底通讯光缆铺设任务，选用的就是凯斯６０３０水平定向钻机。 凯斯水平定向钻机的工作原理是：钻头在马路、人行道或河流底下实施钻孔，操作人员利用控向仪传回的钻头在地下的情况数据（如钻头位置…     

大尺寸工业视觉测量系统

针对工业制造领域中大型工件很难进行全尺寸测量的问题,提出并实现了一种基于立体视觉技术的便携式工业测量系统。对该系统所采用的特征识别、相机定向、立体匹配、三维重建、多视点云配准等关键算法进行了研究。提出了改进的CANNY边缘亚像素检测算法,使用先验规则去除误识别的标志点,多次拟合定位标志点中心,对标志点环带多次采样取中值求取编码点的ID。根据ID号找出不同照片中的同名编码点,顺次对照片进行相对定向和绝对定向。然后,根据多幅图像的多极线几何约束,实现非编码点的匹配,消除误匹配。采用前方交会法重建标志点的三维坐标,利用光束平差对计算出的结果和内外部参数做迭代修正。最后,设计了双目结构光扫描系统,提出了一种改进的双目像机标定算法,描述了利用全局和局部标志点的子图同构实现多视点云配准的新算法。实验结果表明,该系统可在生产现场对大型工件进行快速测量,整体测量精度达到0.112mm/3m,可以满足工业现场大尺寸测量对精度和效率的要求。     

钻头特性的测试设备

介绍了诺丁汉大学研制的一种在实验室测试岩石钻头的钻机，该钻机可以为各种不同的岩石钻头提供严格的测试平台，从而实现在很宽范围的工作条件下最经济地获取实验数据。     

水平定向钻机液压系统的设计与分析

水平定向钻机的液压系统是实现其各执行机构运动与控制的关键系统。基于水平定向钻机的结构特点和作业要求，设计了由动力头行走（钻进／回拖）子系统、钻杆旋转子系统以及辅助子系统组成的液压系统，利用功率键合图法对其关键系统进行建模，利用Simulink软件对模型进行仿真分析，得出其动态特性和参数影响关系，并以降低高压油路压力为目标，对系统部分参数进行了优化。分析和设计结果为水平定向钻机疲压系统的进一步完善设计与应用提供了依据。     

基于分段拟合的机床大尺寸工作台热误差补偿模型

大型机床工作台在往复运动过程中,丝杠螺母会产生大量的热,一部分热量从螺母传入工作台导致工作台两侧翘曲,使工作台不同位置产生不同热误差。为提高大尺寸机床工作台的纵向热误差补偿精度,提出分段拟合热误差建模预测方法。该方法是沿工作台横向在多个位置建立对应点的纵向热误差模型,然后由各点单模型预测值进行分段拟合建立工作台整体预测模型,利用分段拟合模型实现对工作台任意位置热误差预测。同时为了提高热误差模型预测精度和鲁棒性,采用粒子群优化算法根据实时反馈热误差数据对模型参数辨识,使热误差模型能适应机床最新的工作状态。在一台三坐标铣床工作台上进行试验,建立X轴快速运动时工作台纵向热误差模型,试验结果表明:该方法鲁棒性好预测精度高,能够实现大尺寸工作台任意位置的热误差补偿,且具有一定的通用性。     

大间隙磁力传动系统驱动规律的仿真研究

针对已提出的大间隙行波磁场驱动的磁力传动系统,采用现代计算技术和数值计算中的有限元理论,运用ANSYS软件的磁场分析功能,建立了磁力传动系统的实体模型和有限元模型,通过模拟永磁体的角位移和电磁体线圈的通电状态,对系统工作过程进行了仿真;研究了系统永磁体在转动过程中的受力情况和各参数对系统驱动能力的影响规律,并进行了实验验证。研究结果表明:通过增加线圈匝数、线圈通电电流、永磁体外径和永磁体磁化强度,减小电磁体和永磁体间耦合距离,将电磁体和永磁体的相对位置沿x方向两侧(左侧或右侧)置于5 mm～10 mm范围内等方法,可提高系统的驱动力矩。     

磁珠分离式样品提取微流控芯片的磁珠运动速度建模及特性研究

为提高磁珠分离式生物医学样品的提取效率,采用永磁和软磁体相结合的磁场设计结构,提出一种新型磁珠分离式样品提取微流控芯片。利用静磁学和流体力学基本原理推导出流场中磁珠运动的速度模型,通过多物理场耦合仿真软件对流场中磁珠运动规律进行瞬态仿真,分析软磁体的结构和分布对微流道内磁珠的水平分速度以及竖直分速度的影响关系,计算不同设计结构所允许的磁珠完全吸附时微流道中最大允许流量。结果表明,增大软磁体的厚度可以快速减小磁珠水平运动的速度,并减小其在垂直方向上的波动,且在双软磁体作用时,软磁体的间距越大,水平方向和垂直方向的速度波动越大;间距越小,磁珠粒子速度稳定的时间越短。     

磁铁间距对双稳态压电悬臂梁俘能器输出特性的影响研究

建立了双稳态压电悬臂梁俘能器的机电耦合动力学方程,基于磁偶极子模型进行了 2 个磁铁间磁力的计算,根据静态平衡点分析得到了系统发生双稳态运动时的磁铁间距范围。数值仿真分析了环境激励源振动频率发生变化时磁铁间距变化对系统平均输出功率的影响规律,设计制作了磁铁间距可调的双稳态压电悬臂梁俘能装置,并进行了环境激励频率变化条件下的压电悬臂梁振动能量捕获实验。实验结果与仿真分析具有较好的一致性,为提高双稳态压电悬臂梁俘能器的发电性能提供了一种有效途径。     

一种基于复杂永磁体阵列的悬浮式振动能量采集器的精确模型及验证

为提高振动能量采集器的输出性能和工作频带，基于永磁体阵列和多自由度器件受到广泛关注。然而这类器件存在磁场分布复杂，动态特性难以模拟等问题。以一种基于复杂永磁体阵列的可调频磁悬浮振动能量采集器为研究对象，建立器件解析模型和有限元模型的联合分析模型，理论模型显示系统具有非线性振动特性，其动力学模型可简化为Duffing方程形式，并通过有限元模型简化了对非线性系统的分析。利用COMSOL有限元仿真研究器件磁场分布、非线性磁力特性，分析磁力和线圈位置对器件输出特性的影响。搭建测试平台对研制的可调频磁悬浮振动能量采集器进行试验表征，以验证联合分析模型。试验结果表明，在20～35 mm的固定磁铁间距离变化范围内，器件谐振频率变化范围为8.6～13.1 Hz，0.35g加速度下输出电压峰峰值为352.9～658.2 mV，联合分析模型与试验之间具有一致性。     

水平定向钻进随钻测量及方位校正研究

根据水平定向钻进角度随钻测量的要求，描述了用三轴加速度计与三轴磁强计测量地下钻头姿态-方位角、倾斜角和工具面向角的方法，针对由于钻具铁磁性材料造成干扰磁场对方位测量引入的误差，提出了利用当地地磁场进行校正的方法，详细分析了校正原理，同时给出校正步骤和仿真结果。结果表明，这种校正方法能够在不更换钻具的情况下获得准确的方位角，因此可以大大减少无磁钻铤的长度，节省钻进成本。     

基于ABAQUS的小孔钻削加工仿真

研究了小孔径深孔钻削加工过程中切削参数对零件变形及残余应力的影响,旨在获得不同切削参数下切削力和残余应力的变化规律。对钻削加工工艺分析的基础上,利用 ABAQUS有限元仿真软件,选择合适的材料模型和失效准则,设定多组切削参数,建立零件的三维钻削模型进行仿真。结果表明,根据仿真结果可优选合适的切削参数,并预测切削力,这为钻削的实际生产提供更直接的理论依据。     

Magnetic-field-assisted laser percussion drilling

This study explored the feasibility of magnetic-field-assisted laser percussion drilling on highly reflective materials, i.e., Al5052. During laser percussion drilling, the Lorentz force generated by the assisting magnetic field affects the laser-induced plasma. A magnetic field simulation was performed to investigate the field strength of the circular hollow permanent magnet used herein. The influence of the magnetic field and laser radiation energy on the penetration depth and inlet diameter was examined. All experiments were performed in air without additional process gas. It was found that at laser radiation energy of 200 mJ with magnetic field assistance, the penetration depth could be increased by 87.7 % and the inlet diameter could be reduced by 23.7 % as compared with percussion drilling without the applied magnetic field. However, when the laser radiation energy was reduced to 120 mJ, the magnetic field confined the plasma plume; therefore, the penetration depth decreased.     

大直径管道环形磁铁压固粘合堵漏方案的研究

在详细分析了磁性材料技术特点的基础上,提出了环形磁铁带压堵漏技术方案,该方案采用磁铁能够对钢铁磁性材料产生很大的吸引力,该力完全可以应用于平衡管道泄漏的介质压力,再配合高强度黏合剂,达到带压堵漏的目的。因此,采用强磁性材料钕铁硼制作环形磁铁,可以解决磁性材料大直径管道的喷溅式泄漏问题,是带压堵漏技术未来的理想密封材料。     

永磁涡流制动技术在游乐设备中的应用

介绍了双面线性永磁涡流制动技术在游乐设备中的应用,利用有限元磁场耦合分析计算后,设计出"失重体验"结构图及模型,打破了国外对此技术的长期垄断,填补了国内空白。     

浅孔钻钻削过程中的有限元动态仿真

基于Deform 3D有限元软件平台,采用数值仿真技术,建立了浅孔钻钻削加工45钢的有限元模型。动态模拟了浅孔钻钻削过程,获得了浅孔钻钻削加工过程中变形工件的等效应力和温度,分析预测了加工过程中硬质合金刀具所受的主切削力、径向力以及两刀片所受的扭矩及评估刀片的磨损情况。