旋挖钻机潜孔锤在钻凿桩基领域应用日益广泛,针对潜孔锤钻进过程中钻柱的振动规律展开研究,对潜孔锤和其它形式钻进装备的优化设计、状态监测和故障诊断具有重要意义。本文以系统动力学模型为基础,通过数值仿真、有限元分析和现场实验,研究潜孔锤钻柱振动响应信号特征及对应的动力学特性,具体研究工作如下:考虑旋挖钻机潜孔锤对钻柱系统的支撑和固定条件,通过区域分解法和广义变分原理,建立了卷扬钢丝绳-动力头-减振器-钻柱-冲击器系统纵向振动形式下的振动微分方程。使用Newmark-β法求解振动动力学方程,同时分析钻井工况变化和边界条件变化时纵向振动响应的频率变化规律。钻柱长度增加只影响系统一阶固有频率,锤头加压、减压工况变化只影响前两阶模态频率,高阶频率基本保持不变。得到旋挖钻机配套潜孔锤在正常的制孔深度内,实际工作中轴向锤头周期冲击激励不会引起钻柱系统共振的结论;同时也从理论上验证了实际工作中卷扬钢丝绳必须始终维持一定提升张力的必要性。研究纵向振动频率分布及演变规律,为振动频谱中钻柱系统固有频率的识别提供了理论依据。构建包括振动加速度、振动噪声、潜孔锤供气流量和气压等多项参数的潜孔锤钻柱信号无线采集测试系统。根据现场条件选择采用基于WIFI和无线数传电台通讯的信号采集方案,完成了数据采集和分析处理的人机界面和应用软件开发;采用小波滤波法分离振动响应中的低频趋势项,提高了振动响应信号计算分析的准确性;经过现场试验中振动加速度和噪声的互功率谱分析,明确了测试信号的频宽和振动主要频率成分,为探讨基于振动噪声的潜孔锤冲击器故障诊断研究提供理论支持。应用基于二阶SOULTI阻尼小波变换的分析方法对潜孔锤单次冲击过程中钻柱振动时频特征进行分析识别。基于零阻尼和欠阻尼的仿真信号分析,验证了SOULTI阻尼小波变换分析方法相较于其它时频分析方法的优越性。通过不同地层条件下单次锤击过程中的钻柱顶端振动响应时频谱分析,证明动力头传动部件振动对钻柱纵向振动形成的耦合干扰可忽略;岩层硬度增加,锤头与钻柱之间振荡作用次数增加,更容易激起锤头和钻柱固有频率振动成分。应用基于谐波小波频带能量分解的减振传递率分析技术,对两种类型的旋挖钻机潜孔锤的减振器工作特性进行分析。通过互功率谱分析方法确定了两类减振器工作频率范围,采用振动落差和冲击隔离系数对减振器的应用效果进行评价,通过分频带减振传递率分析,探究了弹簧式减振器振动隔离效果优于碟簧阻尼式减振器的原因;基于减振器前后的振动响应分析和应用评价,为减振器的设计和现场应用配套提供了理论依据。在专家经验广泛应用于现场实践的情况下,提出基于卷积神经网络的大孔径单体潜孔锤振动噪声监测和故障诊断方法。通过有限元方法完成锤头和钻柱模态频率分析,并通过单独部件的锤击试验识别其影响钻柱纵向振动主要固有频率成分,然后通过有限元分析计算结果获取实际工况下的部件响应频率特征,得到锤头和钻柱的响应频段范围。通过锤头测试中振动加速度响应和噪声信号的对比分析,验证了振动噪声测量方法的可行性,并基于潜孔锤现场施工大样本的振动噪声数据,提出了基于卷积神经网络的潜孔锤冲击器故障识别方法,最终获得的卷积神经网络的训练精度为99.22%,测试精度为98.91%,为基于数据驱动潜孔锤故障诊断提供了新思路。该论文有图86幅,表62个,参考文献108篇。