CN104462719B

CN104462719B - 一种用于非开挖水平定向钻机快速设计的方法

Info

Publication number: CN104462719B
Application number: CN201410820679.9A
Authority: CN
Inventors: 周友行; 谢奇; 谢赛元; 姜尚; 杨文佳
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2018-03-16
Anticipated expiration: 2034-12-26
Also published as: CN104462719A

Abstract

一种用于非开挖水平定向钻机快速设计的方法，它属于非开挖技术领域。其技术方案要点是：(1)依据产品族设计思想，对水平定向钻机划分功能模块，建立钻机关键部件的产品分族矩阵；(2)使用Pro/E软件参数化建模，建立8种以上方案的钻机初始模型，并建立驱动参数数据库；对Pro/E软件进行二次开发，建立人机交换快速设计界面；(3)将客户需求转化为各模块功能要求、结构方案要求等性能参数；通过经验公式计算出生产工艺要求、零部件特性等设计技术参数；(4)根据设计参数要求进行案例匹配，快速生成对应钻机模型；修改设计技术参数可快速优化钻机三维模型。使用本发明能实现面向客户需求，快速设计非开挖水平定向钻机的目的。

Description

一种用于非开挖水平定向钻机快速设计的方法

技术领域

本发明涉及一种非开挖机械的快速设计方法，特别是使用三维软件平台快速设计非开挖水平定向钻机的方法。它属于非开挖技术领域。

背景技术

随着城市建设的快速发展，城市和农村对基础设施建设的要求也越来越高。地下管网作为一个城市基础设施的重要组成部分，通常采用非开挖技术进行地下管线的铺设、更换或修复作业，以保护生态环境并提高铺管效率。非开挖水平定向钻机，简称HDD，是应用非开挖技术的典型工程机械产品，目前公共设施建设工程中有49％用到了HDD，现有的非开挖行业中17.6％的企业已经将HDD作为业务重点。非开挖水平定向钻机在城市建设，尤其是市政基础设施建设中有着非常重要的作用。

然而，非开挖施工环境的复杂多变与工作要求的不尽相同，决定了HDD是朝着多样化方向发展，其市场也定位为多品种小批量产品。当前对于HDD的开发设计属于单个设计，即设计人员需要根据客户提出的个性化要求多次重复之前的分析、设计及建模这一繁琐过程，暂未有公开可靠的HDD快速设计技术方法。单个设计HDD设计开发周期长，设计成本极高，对市场变化响应慢，制约了非开挖生产企业的发展与城市建设的施工进度。在这种形势下，研究一种符合非开挖行业长期发展需要的用于非开挖水平定向钻机快速设计的方法迫在眉睫。针对HDD的快速设计方法既能直接帮助企业实现HDD的低成本快速多样化设计，也能为符合非开挖工程机械特性的快速设计提供理论指导，为城市建设的发展提供便捷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对非开挖市场与客户的需求，能实现快速设计多品种产品，且为符合非开挖工程机械特性的快速设计提供相关理论指导的用于非开挖水平定向钻机快速设计的方法。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：首先依据产品族设计思想和功能模块内部参数之间的耦合关系，对水平定向钻机划分功能模块，建立钻机关键部件的产品分族矩阵；然后使用Pro/E软件进行参数化建模，建立8种以上方案的钻机初始模型，并建立驱动参数数据库；再对Pro/E软件进行二次开发，建立人机交换界面；在Pro/E软件二次开发后的人机交换界面接收客户需求输入后，采用QFD分析法将客户需求输入的产品参数转化为包括各功能模块、解决技术问题的性能参数；从而通过经验公式计算得出生产工艺要求、零部件特性等设计技术参数；最后导入设计参数Access进行案例匹配，快速生成对应的钻机模型；在平台上修改设计技术参数可快速优化设计钻机三维模型，从而实现HDD的快速设计。

所述非开挖水平定向钻机的功能模块划分包括动力总成、工作装置、行走机构、车架平台、液压系统、控制系统、泥浆系统和辅助系统八个基本模块，每个基本模块又划分为3个以上子模块进行设计。

所述客户需求输入包括：基本功能模块的功能方案选择；动力头、虎钳、钻具、履带等子模块结构方案选择；最大铺管长度、铺管直径、深度、作业土质、钻杆直径等工况需求输入。输出的设计技术参数包括：钻机整车质量、行走速度、最小离地间隙、发动机额定功率、最大进给/回脱力、最大回转扭矩、回转速度、推拉速度、入土角度、钻进液压力、钻进液流量。

所述人机交换界面是以Pro/E软件平台为载体搭建，使用Visual Studio 8.0及Pro/Toolkit对Pro/E软件进行二次开发，编写非开挖钻机相关经验公式程序。从而接收客户需求输入数据，快速输出钻机设计参数及三维模型。

所述非开挖钻机三维模型快速生成步骤为：使用参数化技术对钻机进行Pro/E软件初步建模，以此为基础导入主要设计技术参数驱动模型参数快速生成三维模型。然后选择包含特定工艺要求、零部件特性的模块，修改技术参数可快速修改模块或者零部件的特性，以实现对钻机模型的快速优化或变型设计。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是一种基于HDD功能模块内部参数之间的耦合关系，通过QFD分析法对客户需求进行数据处理转换为钻机设计参数，进而在Pro/E软件开发出人机交换界面以实现快速设计非开挖水平定向钻机三维模型的方法。功能模块划分中具体考虑到钻机各模块的功能综合模糊权值更适应于HDD的功能特性，基于HDD核心零部件的参数优先级设定可以帮助用户更快捷的设计出符合HDD实际工作原理的钻机模型；将客户需求转化为直接可用的钻机基本模块设计参数，快速驱动Pro/E软件初始模型再生出符合市场要求的非开挖钻机，很大程度上简化了设计步骤，降低开发设计成本，提高设计可靠性；面向市场客户需求的数据分析，缩短了开发周期，大力提升了HDD生产企业应对市场变化的响应能力。本发明具有良好的应用前景，能广泛应用于非开挖工程机械行业，特别是非开挖水平定向钻机的快速设计。

附图说明

图1是本发明的工作原理流程图。

图2是非开挖水平定向钻机基本功能模块划分的结构示意图。

图3是本发明中的HDD客户工况需求输入界面示意图。

图4是本发明中的HDD主要设计技术参数输出界面示意图。

图5是本发明中的HDD动力头及零部件参数化设计界面示意图。

图6是本发明中的HDD动力头主轴参数化设计界面示意图。

图7是本发明中的HDD动力头主轴三维模型示意图。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案以及特点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1，如图1所示，下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

参看图1所示，本发明所述一种用于非开挖水平定向钻机快速设计的方法，设计过程中，首先依据产品族设计思想和功能模块内部参数之间的耦合关系，对水平定向钻机划分功能模块，建立钻机关键部件的产品分族矩阵；然后使用Pro/E软件对功能模块进行参数化建模，建立8种以上方案的钻机初始模型，并建立驱动参数数据库；再对Pro/E软件进行二次开发，建立人机交换界面；在Pro/E软件二次开发后的人机交换界面接收客户需求输入后，采用QFD分析法将客户需求输入的产品参数转化为包括各功能模块、解决技术问题的性能参数；通过计算得出生产工艺要求、零部件特性等设计技术参数；最后导入设计参数Access进行案例匹配，快速生成对应的钻机模型；在平台上修改设计技术参数可快速优化设计钻机三维模型，从而实现HDD的快速设计。

实施例2，参看图2所示，所述非开挖水平定向钻机的功能模块划分包括动力总成、工作装置、行走机构、车架平台、液压系统、控制系统、泥浆系统和辅助系统八个基本模块。根据各功能模块内部的耦合关系，每个基本模块又划分为3种以上子模块进行进一步设计。所述工作装置包括动力头回转模块、顶进回拖模块、夹持虎钳模块、钻杆、钻头等非开挖作业模块，所述辅助系统包括钻杆自动装卸模块、随车起重吊模块、锚固模块、高级驾驶室等随客户需求可增减的辅助模块。参阅图1至图7，其余同实施例1。

上述功能模块及子模块划分过程中，首先根据产品分族矩阵对HDD进行初步模块划分，分析初步模块划分方案中子模块零部件功能相关性，建立基于模糊权值零部件之间的初步功能矩阵M_G＝[δ_ij]_n×n，功能相关性模糊权值如下表1所示。然后进行基于模糊聚类方法的模块聚类，采用夹角余弦法做进一步计算。最后建立评价方案的综合数学模型，并考虑基于核心零部件的模块划分法，确定非开挖水平定向钻机的功能模块划分。

表1功能相关性模糊权值表

相关性描述	模糊权值
		零部件共同完成某子功能，两者不可缺少	1
某个零部件是为了辅助另一零部件更好的子功能，辅助关系较强	0.8
		某个零部件是为了辅助另一零部件更好的子功能，辅助关系较弱	0.4
零部件间没有功能关系	0

实施例3，参看图3所示，所述HDD快速设计方法中，非开挖客户需求输入第三部分工况需求输入包括：最大铺管长度、最大铺管直径、铺管深度、钻杆长度直径、作业土质、泥浆密度等非开挖作业工况需求输入。系统平台接收客户功能需求、结构方案选择、工况需求数据输入后，对数据进行分析预处理，然后根据系统程序中预设的非开挖经验公式，计算得到HDD设计技术参数并输出保存。参阅图1至图7。其余同上述实施例1或2。

实施例4，参看图4所示，所述HDD快速设计方法中，输出的设计技术参数包括：钻机整车质量、行走速度、最小离地间隙、发动机额定功率、最大进给/回脱力、最大回转扭矩、最大回转速度、最大推拉速度、最大入土角度、钻进液压力、钻进液流量。参阅图1至图7。其余同上述实施例。

实施例5，参看图5所示，以HDD核心部件动力头装置为例说明。快速设计HDD动力头时，首先将动力头中三十八个不同零件运用图论知识建立起动力头功能关系与结构关系的网络图，根据网络图中表述零部件之间的耦合关系的节点路径长度计算模块内零部件相对权值。重要结构关系边计算得到的权值为ω_s1＝0.27，一般结构关系边计算权值为ω_s2＝0.73，重要功能关系边权值为ω_f1＝0.35，一般功能关系边权值为ω_f2＝0.65。建立综合测度模型，划分动力头核心零件与一般零件，并确定核心零件的设计要求优先级，以动力头主轴、大齿轮、动力箱等作为快速设计中优先设计的核心零件。

根据非开挖设计公式确定零部件各参数间的参数关系表达式，确定以HDD回转扭矩作为动力头的关键设计参数，建立由回转扭矩驱动动力头核心零件参数化设计的关系表达式或者数据库，确定核心零件与一般零件之间或零件内部的参数驱动关系式数据库。输入设计技术参数，能直接调用数据库中参数值或关系式函数，快速生成相应模块及零部件。参阅图1至图7。其余同上述实施例。

实施例6，参看图6所示，以HDD核心部件动力头装置为例说明。快速设计HDD动力头主轴时，系统平台调用数据库中对应于客户需求输入数据的动力头主轴重要参数值，设计人员可选择使用默认参数驱动动力头主轴的Pro/E软件参数化三维建模。如不满足客户零部件特性要求时，可修改动力头主轴设计参数以实现动力头的快速变型设计。动力头主轴的重要设计参数如图所示，包括径向参数D1、D2、D3，轴向参数L0、L1、L2、L3、L4，参数之间存在关联函数关系表达式。参阅图1至图7。其余同上述实施例。

实施例7，参看图7所示，所述HDD快速设计方法中，按上述步骤依次输入客户需求及确定动力头主轴设计参数后，系统平台将根据实时接收到的参数数据驱动Pro/E软件参数化三维建模。图7是输入图6所示中动力头主轴重要设计参数后，快速生成的动力头主轴Pro/E软件三维模型示意图。参阅图1至图7。其余同上述实施例。

Claims

1.一种用于非开挖水平定向钻机快速设计的方法，其特征是：首先依据产品族设计思想和功能模块内部参数之间的耦合关系，对水平定向钻机划分功能模块，建立钻机关键部件的产品分族矩阵；然后使用Pro/E软件对功能模块进行参数化建模，建立8种以上方案的钻机初始模型，并建立驱动参数数据库；再对Pro/E软件进行二次开发，建立人机交换界面；在Pro/E软件二次开发后的人机交换界面接收客户需求输入后，采用QFD分析法将客户需求输入的产品参数转化为包括各功能模块、解决技术问题的性能参数；通过计算得出生产工艺要求、零部件特性设计技术参数；最后导入设计参数Access进行案例匹配，快速生成对应的钻机模型；在平台上修改设计技术参数快速优化设计钻机三维模型，从而实现非开挖水平定向钻机的快速设计；所述功能模块划分包括动力总成、工作装置、行走机构、车架平台、液压系统、控制系统、泥浆系统和辅助系统八个基本模块，每个基本模块又划分为3个以上子模块进行设计；所述工作装置包括动力头回转模块、顶进回拖模块、夹持虎钳模块、钻杆、钻头非开挖作业模块，所述辅助系统包括钻杆自动装卸模块、随车起重吊模块、锚固模块、高级驾驶室随客户需求可增减的辅助模块；上述功能模块及子模块划分过程中，首先根据产品分族矩阵对非开挖水平定向钻机进行初步模块划分，分析初步模块划分方案中子模块零部件功能相关性，建立基于模糊权值零部件之间的初步功能矩阵M_G＝[δ_ij]_n×n，功能相关性模糊权值采用如下表格中的数值；

相关性描述模糊权值零部件共同完成某子功能，两者不可缺少 1 某个零部件是为了辅助另一零部件更好的子功能，辅助关系较强 0.8 某个零部件是为了辅助另一零部件更好的子功能，辅助关系较弱 0.4 零部件间没有功能关系 0

然后进行基于模糊聚类方法的模块聚类，采用夹角余弦法做进一步计算；最后建立评价方案的综合数学模型，并考虑基于核心零部件的模块划分法，确定非开挖水平定向钻机的功能模块划分；所述客户需求输入包括基本功能模块的功能方案选择；动力头、虎钳、钻具、履带子模块结构方案选择；最大铺管长度、铺管直径、深度、作业土质、钻杆直径工况需求输入，系统平台接收客户功能需求、结构方案选择、工况需求数据输入后，对数据进行分析预处理，然后根据系统程序中预设的非开挖经验公式，计算得到非开挖水平定向钻机设计技术参数并输出保存；根据非开挖设计公式确定零部件各参数间的参数关系表达式，确定以非开挖水平定向钻机回转扭矩作为动力头的关键设计参数，建立由回转扭矩驱动动力头核心零件参数化设计的关系表达式或者数据库，确定核心零件与一般零件之间或零件内部的参数驱动关系式数据库；输入设计技术参数，能直接调用数据库中参数值或关系式函数，快速生成相应模块及零部件；系统平台调用数据库中对应于客户需求输入数据的动力头主轴重要参数值，设计人员通过选择使用默认参数驱动动力头主轴的Pro/E软件参数化三维建模；如不满足客户零部件特性要求时，通过修改动力头主轴设计参数以实现动力头的快速变型设计；动力头主轴的重要设计参数包括径向参数D1、D2、D3，轴向参数L0、L1、L2、L3、L4，参数之间存在关联函数关系表达式；按上述步骤依次输入客户需求及确定动力头主轴设计参数后，系统平台将根据实时接收到的参数数据驱动Pro/E软件参数化三维建模。

2.根据权利要求1所述用于非开挖水平定向钻机快速设计的方法，其特征是：所述设计技术参数包括：钻机整车质量、行走速度、最小离地间隙、发动机额定功率、最大进给/回脱力、最大回转扭矩、回转速度、推拉速度、入土角度、钻进液压力、钻进液流量。

3.根据权利要求1所述用于非开挖水平定向钻机快速设计的方法，其特征是：所述人机交换界面是以Pro/E软件平台为载体搭建，使用Visual Studio 8.0及Pro/Toolkit对Pro/E软件进行二次开发，编写非开挖钻机相关经验公式程序；从而接收客户需求输入数据，快速输出钻机设计参数及三维模型。

4.根据权利要求1或3所述用于非开挖水平定向钻机快速设计的方法，其特征是：所述非开挖水平定向钻机三维模型快速生成步骤为：使用参数化技术对钻机进行Pro/E软件初步建模，以此为基础导入设计技术参数驱动模型参数快速生成三维模型；然后选择包含特定工艺要求、零部件特性的模块，修改技术参数可快速修改模块或者零部件的特性，以实现对钻机模型的快速优化或变型设计。