基于UG的牙輪鉆機(jī)零件參數(shù)化特征建模研究

撰文/嚴(yán)雪冬

■130022 吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春

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基于UG的牙輪鉆機(jī)零件參數(shù)化特征建模研究

撰文/嚴(yán)雪冬

■130022 吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春

UG為Simens PLM Software公司出品的致力于產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及加工工程的數(shù)字化解決方案，對(duì)此，本文以牙輪鉆機(jī)零件為例，在NX平臺(tái)上對(duì)露天礦用牙輪鉆機(jī)零件的參數(shù)化特征建模進(jìn)行了相關(guān)探索，同時(shí)介紹了參數(shù)化特征建模的研究方法在牙輪鉆機(jī)零件中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)；參數(shù)化特征建模；牙輪鉆機(jī)

牙輪鉆機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

a牙輪鉆機(jī)工作原理

牙輪鉆機(jī)充分利用鉆桿對(duì)于鉆頭的軸向壓力及回轉(zhuǎn)扭矩的作用，在鉆頭的回轉(zhuǎn)過(guò)程中，巖石受到周期性擠壓、沖擊復(fù)合作用，同時(shí)感內(nèi)腔噴射高速壓縮空氣，不斷吹走鉆進(jìn)過(guò)程中的雜質(zhì)，保持鉆孔清潔，從而保證鉆進(jìn)工作的順利進(jìn)行。

圖1　鉆機(jī)設(shè)計(jì)三維圖及應(yīng)用圖

b牙輪鉆機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特征

①鉆具

牙輪鉆機(jī)鉆具包括牙輪鉆頭、鉆桿和穩(wěn)桿器等一整套設(shè)備。

牙輪鉆頭依據(jù)牙輪數(shù)目差異可分為單級(jí)、雙級(jí)（適用于軟巖孔徑＜150mm）甚至多級(jí)（適用于孔徑＞180mm巖石）牙輪鉆頭。礦山中應(yīng)用三牙輪鉆頭居多，而三牙輪鉆頭按其結(jié)構(gòu)形式的差異又包括儲(chǔ)油密封式和壓氣排渣風(fēng)冷式（利用空氣壓縮排出雜質(zhì)）兩類。

常用的壓氣式排渣鉆頭適用于孔深＜20m，孔徑150至445mm間的露天鉆孔情形。其鉆頭結(jié)構(gòu)包括牙爪（與鉆桿螺紋連接）及其軸頸配備的牙輪（其上的柱齒合金用于破巖），而鉆頭包括鋼材質(zhì)以及合金材質(zhì)兩大類，視巖石的硬度不同分別采用不同的齒形：鋼材質(zhì)鉆頭常用于楔形齒，合金材質(zhì)鉆頭往往用于球形齒以及錐球齒。在鋼球、滾柱等的作用下，可將鉆壓經(jīng)由軸承傳向牙輪繼而作用于礦巖，并于牙爪末端設(shè)置耐磨合金，降低爪尖磨損度；再于襯套周圍配備止推面，氣流分配系統(tǒng)設(shè)置于鉆頭腔，牙輪受滾珠軸承的支撐，并承受一定的徑向及軸向負(fù)載，利用固定螺栓力的作用將噴嘴附著于鉆頭體，并裝設(shè)止逆閥間，防止突發(fā)狀況時(shí)軸承的破壞。

在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆孔內(nèi)壓力經(jīng)由傳壓孔作用于儲(chǔ)油囊，起到軸承的潤(rùn)滑作用，并在鉆頭位置布有泄壓閥以防壓力過(guò)大造成密封及油囊的損壞。清洗介質(zhì)經(jīng)由噴嘴的射流作用，能夠保障良好的排污性能。

（2）鉆桿和穩(wěn)桿器。和牙輪鉆頭配套的鉆桿（又稱鉆管）。

在鉆具的結(jié)構(gòu)構(gòu)造中，與鉆頭相匹配的設(shè)備為鉆桿，同時(shí)為防止鉆進(jìn)故障的產(chǎn)生常設(shè)置有穩(wěn)桿器，減少鉆頭晃動(dòng)以及提升性能及使用年限。

穩(wěn)桿器分為輻條式以及滾輪式兩種類型，輻條式穩(wěn)桿器應(yīng)用于腐蝕性強(qiáng)，且堅(jiān)固系數(shù)大于16的礦巖，通過(guò)焊接作用將耐磨輻條置于穩(wěn)桿器；滾輪式穩(wěn)桿器應(yīng)用于磨蝕性以及硬度較高的礦巖，表面配有合金柱齒，使用壽命較長(zhǎng)。

②鉆架

鉆架分為標(biāo)準(zhǔn)鉆架和高鉆架兩類，高鉆架可實(shí)現(xiàn)連續(xù)鉆孔作業(yè)。架體通常布置于主平臺(tái)A型架軸孔位置，其橫截面多為“Π”形結(jié)構(gòu)件，由液壓油缸使鉆架繞該軸孔轉(zhuǎn)動(dòng)，立柱由方鋼管構(gòu)成，同時(shí)為便于配合回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的壓力動(dòng)作，于柱內(nèi)面設(shè)置齒條，外部設(shè)有滾輪軌道。結(jié)構(gòu)中的存儲(chǔ)鉆桿以及張緊鏈條等裝置均布置于鉆架內(nèi)。

③回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)主傳動(dòng)系統(tǒng)的帶動(dòng)作用使得齒輪齒條加壓動(dòng)作繼而帶動(dòng)鉆具回轉(zhuǎn)，強(qiáng)度和加壓平穩(wěn)性得以提升的同時(shí)，具有較高作業(yè)效率。回轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用變量泵-變量馬達(dá)的閉式液壓系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速在0 ～170轉(zhuǎn)/分鐘及轉(zhuǎn)矩在0～27kNm之間無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，安裝在小車底部的小油泵可向兩個(gè)立式回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的花鍵提供強(qiáng)迫潤(rùn)滑。加壓系統(tǒng)采用變量泵-變量馬達(dá)-無(wú)鏈齒輪齒條方式，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，增加有效軸壓力。由于采用了變量泵-變量馬達(dá)的閉式系統(tǒng)，具有優(yōu)異的調(diào)速特性，可適應(yīng)各種不同硬度的巖石，通過(guò)有限元軟件的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，可保證鉆架的強(qiáng)度、剛度和工作穩(wěn)定性，并降低振動(dòng)噪聲。

④主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓馬達(dá)及直流或交流電動(dòng)機(jī)的加壓作用于驅(qū)動(dòng)鉆具上，以達(dá)到提升、加壓及鉆機(jī)行走的目的，且該過(guò)程由同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，各動(dòng)作間實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖。 主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝包括固定和懸掛式，并且懸掛中心與鉆架起落轉(zhuǎn)動(dòng)中心在同一軸線上。

⑤行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)與主平臺(tái)的連接是三點(diǎn)鉸接式連接，行走機(jī)構(gòu)完成鉆機(jī)遠(yuǎn)距離行走和轉(zhuǎn)換孔位，由主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速后，通過(guò)三級(jí)鏈條傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)履帶行走；鉆機(jī)直行和拐彎，則可通過(guò)控制左右氣胎離合器完成。

NX建模技術(shù)

aUG參數(shù)化設(shè)計(jì)思想

NX/WAVE 技術(shù)以傳統(tǒng)參數(shù)化建模技術(shù)為基礎(chǔ)，針對(duì)參數(shù)化建模技術(shù)的不足，通過(guò)將驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)重要的總體設(shè)計(jì)參數(shù)建立在具有相關(guān)性的控制結(jié)構(gòu)中，用少量的設(shè)計(jì)變量就可以控制產(chǎn)品開發(fā)的全過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，UG參數(shù)化設(shè)計(jì)思想可分為產(chǎn)品級(jí)（分析產(chǎn)品功能）和零件級(jí)（解決如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能）兩部分。

bUG/WAVE參數(shù)化建模技術(shù)

①傳統(tǒng)參數(shù)化建模技術(shù)

UG/WAVE技術(shù)是克服了傳統(tǒng)的參數(shù)化建模技術(shù)存在的缺陷而發(fā)展起來(lái)的，其是對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的科學(xué)化集成，并將傳統(tǒng)的參數(shù)化建模技術(shù)提高到系統(tǒng)與產(chǎn)品級(jí)設(shè)計(jì)的高度。隨著虛擬制造技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的所有局部環(huán)節(jié)都逐漸要求參數(shù)化，當(dāng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、參數(shù)較多時(shí)，建立產(chǎn)品模型將會(huì)變得復(fù)雜，模型的可靠性較低；且所有的參數(shù)放同一個(gè)層次之中，造成局部參數(shù)的變動(dòng)會(huì)引起整體結(jié)構(gòu)的變化，不符合自頂向下設(shè)計(jì)思想，這并不利于并行工程的實(shí)施。

②基于UG/WAVE的參數(shù)化建模技術(shù)

UG的WAVE技術(shù)在傳統(tǒng)的參數(shù)化建模技術(shù)基礎(chǔ)上的技術(shù)改進(jìn)，具體包括：產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)建立、產(chǎn)品模型層次間的關(guān)聯(lián)拷貝、幾何連接器的設(shè)置等，這些環(huán)節(jié)均使傳統(tǒng)的參數(shù)化建模得到了極大地提升，能方便地建立層次樹狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品模型，便于自頂向下設(shè)計(jì)。用WAVE技術(shù)通過(guò)幾何連接器、相關(guān)性管理、零件聯(lián)系瀏覽導(dǎo)航可實(shí)現(xiàn)控制更新、相關(guān)零部件間的聯(lián)系、幾何體的復(fù)制等操作，可方便地建立支持概念設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)再到詳細(xì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品模型。

③基于UG/WAVE的自頂向下（Top-Down）的裝配設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)后續(xù)為便于組織要求樹狀與網(wǎng)狀相結(jié)合的產(chǎn)品模型，分別對(duì)產(chǎn)品的層級(jí)及關(guān)系做處理。Top-Down設(shè)計(jì)方法可以滿足這種需求，便于用樹狀結(jié)構(gòu)來(lái)描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)發(fā)生變化時(shí)自動(dòng)更新低層設(shè)計(jì)。設(shè)定產(chǎn)品的高層幾何定義和約束，可按照市場(chǎng)需求展開，整合初期設(shè)計(jì)布局，為后期設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

④基于UG/WAVE的網(wǎng)絡(luò)并行工程

隨著互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的進(jìn)步，確保了基于UG/WAVE的網(wǎng)絡(luò)并行工程實(shí)現(xiàn)的可能性，并在不同區(qū)域產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中起到溝通橋梁作用。其工作流程為“產(chǎn)品參數(shù)確定—服務(wù)器UG建模及約束創(chuàng)建—地域節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸—節(jié)點(diǎn)位置”，并可依據(jù)功能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)產(chǎn)品及約束創(chuàng)建，進(jìn)而使UG/WAVE起到高效關(guān)聯(lián)作用。

參考：

［1］張旭明.露天采礦挖掘機(jī)牙輪鉆機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］. 世界采礦快報(bào)，2000（8）：290-291.

［2］燕碧娟.牙輪鉆機(jī)主參數(shù)分析及其合理選擇［J］. 機(jī)械工程與自動(dòng)化， 2007（2）：162-163.作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)雪冬（1992.01.02 -） 女，漢，四川省宜賓市，碩士，研究方向：機(jī)械工程。