2、基本内容和技术方案

2.1基本内容

1）设计一种搭载基于岩土性能在线监测的实时挖掘系统的挖掘装置，并对该装置的机械传动部分进行设计论证。以声波钻头为切削工具，振动切削技术的研究为基础，研究在不同岩土环境下，挖掘装置灵活调整自身的转速、推力、频率等工作状态，以适应复杂多变的工作环境，提高工作效率。

2）分析挖掘机械工作时周围的岩土性质。利用岩土切削理论为支撑，对已有阻力模型进行特性分析，对不同学者提出的经验公式和适用条件进行研究，结合现阶段所设计的挖掘装置及实际生产需要，对不同阻力模型进行分类归纳，总结出适用范围广，精确度高，计算相对简单的模型，进一步优化挖掘装置的设计。

3）设计基于岩土性能在线监测的实时挖掘系统，并进行仿真模拟及实验验证。通过实时监控声波钻头的载荷来判断挖掘装置工况，并自动调整声波钻头的角度、转速和振动频率，达到适应地形和岩土变化的目的，提高挖掘机械的工作效率和使用寿命，同时减小能耗。

2.2研究方法

1）文献调查法。查阅文献、资料，阅读关于数据挖掘技术的基础知识，了解振动掘削机理和岩土切削理论，熟悉声波钻头（sonic drill）的基本工作原理和模型。

2）归纳与总结。在查阅文献、资料的基础上，对不同学者关于岩土性质评估建立的模型进行分类归纳，总结出目前挖掘机械的控制策略和算法及其适用范围，在此过程中熟悉各个模型的特点及数学方程。

3）模型建立。使用Solidworks建模软件进行用于声波钻头的在线监测的实时挖掘系统的设计，用以检测不同岩土对声波钻头的影响以及在声波钻头不同工作状态下挖掘机械对岩土挖掘效率的影响。

4）仿真模拟。运用ANSYS有限元计算软件进行仿真模拟分析。本次设计通过ANSYS软件对不同岩土环境下的声波钻头的机械效率进行仿真和分析，根据仿真数据确定岩土力学性质变化和声波钻头机械效率之间的对应关系，为实时挖掘系统的在线监控参数和反馈方式的设计提供理论支持。

5）评估优化。以实际实验结果作为参照，对模拟仿真结果进行评估。分析仿真结果的误差来源，对系统设计和仿真过程进一步优化，使结果更准确，提升其可行性。

2.3技术路线

1）建立一种可以自主调节工作状态的挖掘机械。由于声波钻头在工作过程中转速、推力、频率等参数的不同，使其在岩土环境下的工作效率也不尽相同。其在切削过程中存在着阻力损失、磨损损失、能量损失等。因此，建立一种可以自主调节声波钻头转矩、加速度、速度、力和位移的挖掘装置可以有效地增加切削效率，减少能量损失。

2）分析不同岩土环境下的挖掘机械的机械效率与岩土性质之间的关系。岩土性能中UCS是被认为最有效也是相对容易的因素^[28]，而比能（Specific energy）是挖掘机械机械性能最有力体现的因素。总结不同学者提出的经验公式和适用条件，通过ANSYS软件进行仿真分析，寻找UCS与SE（比能）之间的变化特性，为在线监控的实时挖掘系统提供调整挖掘机械工作状态的标准和依据。

3）设计一种基于岩土性能在线监测的实时挖掘系统。通过传感器，对钻进参数的实时监控，如钻速、钻压、钻速、扭矩、流量、井底压力、井底温度等^[29]，计算挖掘机械的实际工作效率和比能，并对岩土性能进行预测。针对于预测所得的UCS结果，依据得到的UCS与SE之间的变化特性，调整声波钻头的转速、推力、频率等工作参数，以提高挖掘机械的切削效率，并降低能耗。

4）结果优化。找出模拟结果与实验数据之间的误差，用仿真得到的结果生成阻力特性曲线，与试验研究的特性曲线进行对比分析，建立指导实时挖掘系统工作的数据集，优化实时挖掘系统和挖掘机械模型，为工程应用提供一定参考。