KZ3000全液壓鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤減速器的設(shè)計(jì)及虛擬裝配

張文舉 王亞萍

(中國地質(zhì)裝備總公司 北京 100102)

1 引言

KZ3000型全液壓鉆機(jī)是為了更好的探索汶川地震的機(jī)理和進(jìn)行地震監(jiān)測而研制的超深孔鉆探設(shè)備。鉆深3000m,要求全孔采用150mm口徑取心鉆進(jìn),巖石直徑≥85mm,巖心采取率≥85%。鉆進(jìn)的巖層條件為:上部是花崗閃長巖和中酸性火山巖,下部是三疊系的泥巖、頁巖和砂巖。該鉆機(jī)包括全液壓動(dòng)力頭(繩索取心鉆進(jìn))以及全液壓轉(zhuǎn)盤-減速器(擴(kuò)孔鉆進(jìn))兩套系統(tǒng)裝置。本文將對轉(zhuǎn)盤的減速器進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和參數(shù)設(shè)計(jì)。

圖1 速器結(jié)構(gòu)圖

2 減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足整個(gè)鉆探設(shè)備工藝性以及經(jīng)濟(jì)性的要求,減速器輸入采用兩個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng),輸出采用萬向聯(lián)軸器來帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤運(yùn)動(dòng);同時(shí)為了提高運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和承載能力,減速器采用二級斜齒輪傳動(dòng)。

減速器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 基本參數(shù)確定

根據(jù)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速、最大扭矩、傳動(dòng)比以及馬達(dá)的排量、流量等參數(shù),按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì),并按齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核,得出減速器的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)。如表1所示。

表1 各級齒輪基本參數(shù)

4 虛擬樣機(jī)模型建立

虛擬樣機(jī)技術(shù)(Virtual Prototyping Technology,VPT)又稱為機(jī)械系統(tǒng)仿真技術(shù),是20世紀(jì)80年代逐漸興起的,就是利用CAD軟件所提供的各零部件的物理和幾何信息,直接在計(jì)算機(jī)上對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真分析,從而獲得基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)數(shù)字模型,即虛擬樣機(jī)(Virtual Prototype),為產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個(gè)全新的設(shè)計(jì)方法。采用虛擬裝配技術(shù)可在設(shè)計(jì)階段驗(yàn)證零件之間的配合和可裝配性,保證設(shè)計(jì)的正確性,從而大幅度縮短了開發(fā)周期,減少了開發(fā)成本,提高了產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新能力。

目前,建立虛擬樣機(jī)模型的三維軟件很多,常用的有 Pro/E、UG、CA TIA、Solidwo rks等。本文利用Pro/E軟件建立了該減速器的虛擬樣機(jī)模型,使產(chǎn)品的構(gòu)造和功能動(dòng)態(tài)地表達(dá)出來,清晰地表達(dá)出裝配過程從而有效地提高了設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4.1 減速器零部件實(shí)體造型設(shè)計(jì)

圖2 主要實(shí)體模型

4.2 減速器裝配設(shè)計(jì)

裝配設(shè)計(jì)就是依照一定的順序把滿足特定關(guān)系的元件裝配成組件的過程。本文減速器的裝配設(shè)計(jì)先以下箱體作為基礎(chǔ)件,然后將減速器軸上的各零件分別調(diào)入進(jìn)行裝配。裝配結(jié)果如圖3所示。

圖3 裝配總成模型

本文建立的虛擬樣機(jī)實(shí)體模型直觀、逼真地顯現(xiàn)了減速器各零部件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和形狀,便于進(jìn)行干涉檢查,提高了設(shè)計(jì)效率。以此模型為基礎(chǔ),生產(chǎn)制造出的減速器在工廠進(jìn)行了調(diào)試和運(yùn)行試驗(yàn),表明轉(zhuǎn)盤-減速器系統(tǒng)的工作狀態(tài)良好,達(dá)到了預(yù)期的效果?，F(xiàn)場情況如圖4所示。

5 結(jié)論

根據(jù) KZ3000型全液壓鉆探設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)和鉆探的工藝性,對轉(zhuǎn)盤減速器進(jìn)行了設(shè)計(jì)?；赑ro/E軟件平臺,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)盤減速器各零部件和整機(jī)的虛擬裝配模型設(shè)計(jì),以此模型為依據(jù)制造出的減速器的實(shí)體建模首先應(yīng)對零件結(jié)構(gòu)模型分析,進(jìn)行減速器零部件的設(shè)計(jì)。這一過程是利用 Pro/E零件設(shè)計(jì)模塊功能,首先根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征,草繪截面圖形,然后根據(jù)需要作拉伸(Extrude)、旋轉(zhuǎn)(Revo lve)、掃描(Scan)、抽殼等操作,就可以得到所需的零件三維模型。其中中間齒輪、齒輪軸、以及齒輪軸部件等重要結(jié)構(gòu)實(shí)體造型如圖2所示。轉(zhuǎn)盤減速器調(diào)試運(yùn)行良好,說明了虛擬樣機(jī)模型構(gòu)建合理。本文可作為以后超深孔鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤減速器的設(shè)計(jì)參考。

圖4 現(xiàn)場裝配圖

1 張偉、賈軍.汶川地震科學(xué)鉆探二號孔取心鉆進(jìn)方法的選擇.探礦工程(巖土鉆掘工程),2009(7)

2 李世忠.鉆探工藝學(xué).北京:地質(zhì)出版社,1989

3 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002

4 胡小強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).北京:北京郵電大學(xué)出版社,2005

5 陳定方、羅亞波.虛擬設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

6 瞿葉高、卜長根、李金峰.虛擬樣機(jī)技術(shù)在地質(zhì)工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用研究.探礦工程(巖土鉆掘工程),2006(11)

7 林清安.Pro/ENGINEER Wildfire零件設(shè)計(jì).北京:中國鐵道出版社,2003