基于SolidWorks的錨桿鉆機(jī)用鉆具試驗(yàn)工裝參數(shù)化設(shè)計(jì)*

許海龍

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測(cè)分院， 北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100013)

0 引言

錨桿鉆機(jī)是煤礦井下支護(hù)作業(yè)應(yīng)用的重要設(shè)備之一。鉆孔作業(yè)中依靠液壓、氣動(dòng)或電動(dòng)為回轉(zhuǎn)馬達(dá)提供回轉(zhuǎn)動(dòng)力，然后通過(guò)輸出軸將動(dòng)力傳遞到鉆具，從而完成鉆進(jìn)作業(yè)。錨桿鉆機(jī)用鉆具主要包括回轉(zhuǎn)鉆桿和鉆頭。其中回轉(zhuǎn)鉆桿用于傳遞錨桿鉆機(jī)輸出的回轉(zhuǎn)動(dòng)力和推力，鉆頭通過(guò)執(zhí)行鉆桿傳遞過(guò)來(lái)的回轉(zhuǎn)動(dòng)力和推力完成巖層或煤層鉆孔切削作業(yè)。鉆具在作業(yè)過(guò)程中受地質(zhì)條件的影響，受力較為復(fù)雜，但主要承擔(dān)的力包括扭轉(zhuǎn)力和推力。因此，鉆具的抗扭性能和抗推性能直接關(guān)系到錨桿鉆機(jī)鉆進(jìn)作業(yè)的安全性和可靠性。鉆具在使用前需完成抗扭和抗推相關(guān)性能試驗(yàn)，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求后方可批量投入使用。隨著鉆具行業(yè)的發(fā)展，鉆具力學(xué)強(qiáng)度不斷增大，規(guī)格和種類(lèi)不斷增多。為了適應(yīng)鉆具規(guī)格的多樣化，應(yīng)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)系列化規(guī)格的鉆具試驗(yàn)連接工裝，滿(mǎn)足不同直徑、不同六方寬度、不同螺紋形式和規(guī)格鉆具的試驗(yàn)需要[1-2]。通過(guò)SolidWorks參數(shù)化設(shè)計(jì)功能進(jìn)行錨桿鉆機(jī)用鉆具試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)，從而提高工裝設(shè)計(jì)的便捷性和設(shè)計(jì)效率。

1 SolidWorks參數(shù)化設(shè)計(jì)功能

SolidWorks是美國(guó)SolidWorks公司基于Windows系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一款三維模型參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件。自1995年11月問(wèn)世以來(lái)，因其易用性強(qiáng)、界面友好、體系結(jié)構(gòu)開(kāi)放、參數(shù)化特征設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，在三維機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。相比于AutoCAD，SolidWorks軟件在模塊化設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)、人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)、自動(dòng)更新化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核、可視化設(shè)計(jì)等方面更具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)擁有動(dòng)態(tài)靈活、強(qiáng)大的屬性管理器。在建立三維模型與繪制二維工程圖中具有交互性，便于二次開(kāi)發(fā)和后期完善。通過(guò)尺寸驅(qū)動(dòng)完成圖形繪制或改動(dòng)，縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)的便捷性和設(shè)計(jì)質(zhì)量[3]。

SolidWorks軟件與微軟Office軟件具有較好的兼容性和互操性，可將Excel表作為系列零件設(shè)計(jì)表插入SolidWorks設(shè)計(jì)環(huán)境中，設(shè)計(jì)生成不同配置的零件族，實(shí)現(xiàn)SolidWorks參數(shù)化設(shè)計(jì)。SolidWorks參數(shù)化設(shè)計(jì)通過(guò)建立模型尺寸之間及尺寸與形狀之間的約束關(guān)系，將模型的尺寸用對(duì)應(yīng)關(guān)系表示，通過(guò)在Excel配置器中編輯參數(shù)值，將自動(dòng)改變與它相關(guān)的尺寸，從而控制和修改三維幾何形狀，生成一系列大小不同、形狀相似的零部件實(shí)體[4]。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

基于SolidWorks軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的流程如圖1所示。首先，根據(jù)需要設(shè)計(jì)的模型，分析尺寸參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，建立初始參數(shù)模型；然后，插入系列化零件設(shè)計(jì)表并進(jìn)行編輯，明確哪些參數(shù)是驅(qū)動(dòng)尺寸，哪些參數(shù)是隨驅(qū)動(dòng)尺寸關(guān)聯(lián)變化的尺寸，并通過(guò)方程式建立關(guān)聯(lián)尺寸之間的約束關(guān)系，約束關(guān)系要求能夠確定唯一模型，也可以通過(guò)API程序或宏將SolidWorks軟件和獨(dú)立的Excel表鏈接起來(lái)，生成系列零件設(shè)計(jì)表；最后，通過(guò)輸入相關(guān)數(shù)值進(jìn)行幾何參數(shù)的設(shè)置，完成模型的參數(shù)化建模過(guò)程。通過(guò)觀察模型建立是否符合要求,從而判斷參數(shù)值的有效性，參數(shù)之間不能有干涉條件存在。若模型符合要求則對(duì)模型進(jìn)行保存，否則要返回分析參數(shù)關(guān)聯(lián)性，重新進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和判斷[4]。

圖1 參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

3 鉆桿工裝設(shè)計(jì)

錨桿鉆機(jī)用鉆具抗扭性能和抗推性能試驗(yàn)在專(zhuān)用試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，鉆具試驗(yàn)用連接工裝包括鉆桿工裝和鉆頭工裝。鉆桿進(jìn)行扭矩或推力試驗(yàn)時(shí)，鉆桿兩端分別通過(guò)連接工裝與試驗(yàn)臺(tái)連接，兩端工裝一側(cè)通過(guò)平鍵與試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力機(jī)構(gòu)或加載機(jī)構(gòu)輸出軸連接，一側(cè)連接鉆桿。鉆桿連接側(cè)主要適應(yīng)六方鉆桿，兩端采用不同規(guī)格的六方內(nèi)卡套。鉆桿連接安裝后,在工裝外側(cè)通過(guò)高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行緊固，避免試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)晃動(dòng)。適應(yīng)常見(jiàn)六方鉆桿規(guī)格為B19、B22、B25，通過(guò)SolidWorks軟件參數(shù)化設(shè)計(jì)功能進(jìn)行鉆桿工裝的參數(shù)化設(shè)計(jì)，明確工裝模型的尺寸關(guān)系，建立系列化參數(shù)設(shè)計(jì)表[5-6]。鉆桿工裝參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程如圖2、圖3所示。隨著鉆桿規(guī)格的不斷多樣化，當(dāng)遇到新規(guī)格鉆桿時(shí)，通過(guò)在SolidWorks軟件參數(shù)化配置設(shè)計(jì)表中輸入相關(guān)參數(shù)值即可完成適應(yīng)新規(guī)格鉆桿工裝的模型設(shè)計(jì)，縮短了試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間。鉆桿與動(dòng)力機(jī)構(gòu)間連接工裝三維模型圖如圖4所示，鉆桿與加載機(jī)構(gòu)間連接工裝三維模型如圖5所示。

圖2 鉆桿與動(dòng)力機(jī)構(gòu)間連接工裝參數(shù)化設(shè)計(jì)

圖3 鉆桿與加載機(jī)構(gòu)間連接工裝參數(shù)化設(shè)計(jì)

圖4 鉆桿與動(dòng)力機(jī)構(gòu)間連接工裝三維模型圖

圖5 鉆桿與加載機(jī)構(gòu)間連接工裝三維模型圖

4 鉆頭工裝設(shè)計(jì)

鉆頭連接工裝用于完成鉆頭回轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)的連接固定需要。錨桿鉆機(jī)用鉆頭按照螺紋形式可以分為內(nèi)螺紋鉆頭和外螺紋鉆頭，按照切削刃數(shù)量可以分為一字型、兩翼型、三翼型，應(yīng)用最為廣泛的為兩翼型。鉆頭回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中一端通過(guò)延長(zhǎng)連接桿與加載端連接，連接桿與鉆頭螺紋之間通過(guò)系列化工裝進(jìn)行連接，另一端通過(guò)鉆頭切削刃夾卡工裝與動(dòng)力機(jī)構(gòu)連接。鉆頭常見(jiàn)規(guī)格形式如表1所示。

表1 常用鉆頭規(guī)格尺寸

鉆頭工裝設(shè)計(jì)考慮適應(yīng)兩翼不同規(guī)格的內(nèi)外螺紋形式，由于鉆頭規(guī)格較多，且呈現(xiàn)為系列化，采用SolidWorks進(jìn)行鉆頭連接專(zhuān)用工裝的參數(shù)化設(shè)計(jì)。確定工裝模型的尺寸關(guān)系，建立系列化參數(shù)設(shè)計(jì)表。外螺紋鉆頭工裝參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程如圖6所示，內(nèi)螺紋鉆頭工裝參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程如圖7所示。隨著鉆頭規(guī)格的不斷多樣化，當(dāng)遇到新規(guī)格鉆頭時(shí)，通過(guò)在SolidWorks軟件參數(shù)化配置設(shè)計(jì)表中輸入相關(guān)參數(shù)值，即可完成適應(yīng)新規(guī)格鉆頭工裝的模型設(shè)計(jì)，提高了試驗(yàn)準(zhǔn)備工作的效率[5-6]。鉆頭連接工裝三維模型圖如圖8所示。

圖6 外螺紋鉆頭連接工裝參數(shù)化設(shè)計(jì)

圖7 內(nèi)螺紋鉆頭連接工裝參數(shù)化設(shè)計(jì)

圖8 鉆頭連接工裝三維模型圖

5 結(jié)論

錨桿鉆機(jī)用鉆具的參數(shù)化設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了鉆具在回轉(zhuǎn)和推力試驗(yàn)中的連接固定需要?；阢@桿和鉆頭規(guī)格的多樣化，將SolidWorks參數(shù)化設(shè)計(jì)功能應(yīng)用到鉆具試驗(yàn)的工裝設(shè)計(jì)中，總結(jié)了SolidWorks軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的主要流程和方法，在分析鉆桿和鉆頭種類(lèi)、規(guī)格的基礎(chǔ)上完成了系列化鉆頭和鉆桿連接工裝的參數(shù)化設(shè)計(jì)。隨著鉆具規(guī)格多樣化的發(fā)展，當(dāng)出現(xiàn)新規(guī)格鉆具時(shí)，只要通過(guò)在建立的系列化參數(shù)設(shè)計(jì)表中輸入相應(yīng)的配置參數(shù)，即可完成適應(yīng)新型鉆具試驗(yàn)工裝的三維模型建立，縮短了試驗(yàn)工裝的設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。