基于SolidWorks微鉆實(shí)驗(yàn)臺動力頭緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉 蓓，張登峰，錢建利，張 晨，王阿特

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，陜西西安 710100；2.北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司西安分公司，陜西西安 710100；3.中國地質(zhì)大學(xué)<北京>工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

利用微鉆實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)工作[1-2]，由于微鉆實(shí)驗(yàn)臺動力頭給進(jìn)機(jī)構(gòu)通過蝸輪絲桿升降機(jī)實(shí)現(xiàn)，在工作過程中給進(jìn)機(jī)構(gòu)給進(jìn)鉆壓或提鉆時(shí)，拉壓傳感器會承受瞬間的壓力或拉力沖擊作用，因此很有必要設(shè)計(jì)一種緩沖機(jī)構(gòu)保護(hù)拉壓傳感器。緩沖機(jī)構(gòu)的可靠性直接影響到壓力傳感器的性能和操作人員的安全[3]，所以必須對緩沖機(jī)構(gòu)重要的零部件進(jìn)行受力分析，確保緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)達(dá)到功能需求。

SolidWorks 是Dassault Systemes S.A 旗下的一 款功能強(qiáng)大的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，從概念設(shè)計(jì)到付諸制造，該軟件提供了內(nèi)容豐富的分析插件，可提供有效的模擬分析和成本分析。一般在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中采用2D 圖進(jìn)行設(shè)計(jì)、編輯和修改，SolidWorks 則先生成3D模型，通過設(shè)計(jì)、檢測、分析和修改3D模型，最終由3D模型導(dǎo)出工程2D圖，新的版本還具有幫助用戶做出更加明智的決策，簡化設(shè)計(jì)、減少錯誤并縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期等功能[4-5]。傳統(tǒng)計(jì)算過程復(fù)雜，且計(jì)算驗(yàn)算量大，不能直觀表達(dá)出零部件最脆弱部位受力狀態(tài)。Solid-Works 中自帶內(nèi)部活動插件Solidworks Simulation 可對零部件模型進(jìn)行快速有限元分析，能夠節(jié)約大量設(shè)計(jì)時(shí)間，且模擬仿真結(jié)果直觀精確[6]。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

動力頭緩沖機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，主要由給進(jìn)絲杠、法蘭、碟簧和拉壓傳感器組成。上法蘭、絲杠法蘭及下法蘭通過螺釘和碟簧實(shí)現(xiàn)緩沖連接，下法蘭與拉壓傳感器采用螺紋連接（可認(rèn)為是剛性連接），拉壓傳感器與動力頭體采用螺釘連接。緩沖機(jī)構(gòu)工作原理為：動力頭給進(jìn)時(shí)，絲杠法蘭向下運(yùn)動壓縮碟簧10，通過下法蘭5把給進(jìn)力傳遞至拉壓傳感器，最終把壓力傳給動力頭，實(shí)現(xiàn)給壓鉆進(jìn)工作；提升動力頭時(shí)，絲杠法蘭向上運(yùn)動壓縮碟簧3，通過上法蘭2把提升的拉力傳給螺釘8，螺釘8與下法蘭5連接，最終把提升的拉力傳給拉壓傳感器，實(shí)現(xiàn)動力頭的提升工作。

1.2 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)動力頭緩沖機(jī)構(gòu)的工作原理，可知：在給進(jìn)的瞬時(shí)，碟簧10壓縮，起到緩沖保護(hù)拉壓傳感器的作用，受力部件主要為碟簧10 與下法蘭5，且零件均為受壓狀態(tài)；在提升動力頭的瞬時(shí)，碟簧3壓縮，起到保護(hù)螺釘8 和拉壓傳感器的作用，受力部件主要為碟簧3、螺釘8、上法蘭2和下法蘭5，且碟簧3為壓縮狀態(tài)，螺釘8和下法蘭5為受拉狀態(tài)。在實(shí)際工作中，絲杠法蘭在給進(jìn)和提升瞬時(shí)，為減少對上法蘭2 和下法蘭5 的沖擊力，上下兩層碟簧應(yīng)施加一定的預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力大小由螺釘8 可調(diào)節(jié)控制。下法蘭5 與拉壓傳感器連接為螺紋形式，是緩沖機(jī)構(gòu)最薄弱部分，經(jīng)常會受到拉力和壓力的交替作用，為防止螺紋脫扣或斷裂造成事故，在緩沖機(jī)構(gòu)外設(shè)有半合保護(hù)罩1，保護(hù)動力頭安全。

由以上分析可知，在動力頭緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵部件為碟簧、螺釘8和下法蘭5的螺紋連接部分。利用SolidWorks進(jìn)行三維設(shè)計(jì)制造一般流程如圖2所示。

2 模型建立

本文基于SolidWorks Premium進(jìn)行零部件三維模型建模設(shè)計(jì)。SolidWorks 系統(tǒng)自帶的標(biāo)準(zhǔn)零件庫，包含螺栓、螺母、螺釘、螺柱、鍵、銷、墊圈、擋圈、密封圈、彈簧、型材、法蘭等常用零部件，模型數(shù)據(jù)可被直接調(diào)用。非標(biāo)準(zhǔn)零部件可根據(jù)實(shí)際功能需求自行設(shè)計(jì)，一般設(shè)計(jì)步驟為：草圖繪制—零件三維模型生成—零部件裝配—裝配體檢查。碟簧和螺釘可從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上查取，根據(jù)實(shí)際情況單獨(dú)設(shè)計(jì)下法蘭。

3 有限元分析

3.1 失效準(zhǔn)則確定

零部件三維建模設(shè)計(jì)完成，并進(jìn)行裝配檢查符合實(shí)際要求，應(yīng)對關(guān)鍵零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，確保零件滿足不同功能力學(xué)強(qiáng)度需求。在Solidworks Simulation 中，多數(shù)情況下使用等效應(yīng)力（von Mises 應(yīng)力）作為應(yīng)力度量，因?yàn)榈刃?yīng)力可以很好地描述許多工程材料結(jié)構(gòu)安全的彈性和塑性性質(zhì)。對于這些材料，屈服安全系數(shù)或最終破壞安全系數(shù)可以通過等效應(yīng)力除以材料的屈服應(yīng)力（屈服強(qiáng)度）或最終破壞應(yīng)力（最終破壞強(qiáng)度）得到。

等效應(yīng)力是一個集中了三維應(yīng)力狀態(tài)的6 個應(yīng)力分量的應(yīng)力度量值，等效應(yīng)力可表示為：

同時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度也可以由三個主應(yīng)力分量表示[7]，即：

3.2 材料選擇

碟簧：選擇外徑D=31.5mm，內(nèi)徑d=16.3mm，厚度t=1.75mm，自由高度H0=2.45mm，負(fù)荷P=3900N，變形量f=0.53mm，中性直徑處碟簧上表面點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力[8]（壓應(yīng)力）σOM=-1190MPa，下表面最大計(jì)算拉應(yīng)力σII=1310MPa，彈性模量E=206000N/mm2，泊松比μ=0.3。

螺釘：采用內(nèi)六角圓柱頭高強(qiáng)螺栓M16，抗拉強(qiáng)度σb=800MPa，屈服強(qiáng)度σs=640MPa，抗剪強(qiáng)度σc=448MPa，彈性模量E=210000N/mm2，泊松比μ=0.25。

法蘭：采用45#鋼，螺紋為M16×1.5 抗拉強(qiáng)度σb=600MPa，屈服強(qiáng)度σs=355MPa，抗剪強(qiáng)度σc=420MPa，彈性模量E=209000N/mm2，泊松比μ=0.27。

3.3 有限元分析

有限元分析一般步驟為[9]：創(chuàng)建算例—應(yīng)用材料屬性—施加載荷—劃分網(wǎng)格—運(yùn)行分析—查看分析結(jié)果，現(xiàn)以碟簧為例進(jìn)行仿真模擬分析。

創(chuàng)建新算例。根據(jù)碟簧實(shí)際工作受力情況選擇靜態(tài)力學(xué)分析模型[10]，給碟簧添加材料物理力學(xué)參數(shù)，Solidworks Materials 庫中含有一般常見的材料屬性，材料庫中無符合碟簧的材料屬性，可在自定義材料中添加（設(shè)置）碟簧的力學(xué)性能指標(biāo)，設(shè)置完畢后同時(shí)應(yīng)用于碟簧。

施加載荷。模擬碟簧實(shí)際工作狀態(tài)，對模型添加約束載荷，通過夾具顧問選擇固定類型為固定幾何體，可認(rèn)為碟簧底面外側(cè)邊緣在豎直方向上無位移發(fā)生，外部載荷選項(xiàng)施加外力大小，單個碟簧受力Fmax=19600N/6=3267N，外力作用位置為碟簧內(nèi)徑上邊緣，如圖3（a）所示，為碟簧模型施加載荷后的情況。

劃分網(wǎng)格。把碟簧三維模型離散化為有限個單元體，網(wǎng)格類型選實(shí)體網(wǎng)格，所用網(wǎng)格器采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格，雅克比點(diǎn)4點(diǎn)，高品質(zhì)網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)總數(shù)12672，單元總數(shù)7206，網(wǎng)格化離散模型如圖3（b）所示。

分析運(yùn)算并查看結(jié)果。進(jìn)行分析運(yùn)算后，可以求解計(jì)算出碟簧的應(yīng)力、應(yīng)變與位移等結(jié)果，如圖3（c）和圖3（d）所示。從應(yīng)力與位移圖解可知：最大應(yīng)力σeq=1080.85MPa，σOM=1190MPa，則最小安全系數(shù)σOM/σeq=1.1＞1.0，最大應(yīng)力出現(xiàn)在碟簧外徑底部邊緣處，最大變形合位移0.099mm＜f，最大位移發(fā)生在碟簧內(nèi)徑圓環(huán)周圍，均在彈性變形范圍內(nèi)，即所選碟簧的受力狀態(tài)和變形結(jié)果均滿足緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

同前步驟進(jìn)行有限元仿真分析，可得到螺釘和法蘭的應(yīng)力、應(yīng)變和位移變形分析結(jié)果，如圖4 和圖5 所示。

在動力頭提升過程中，由于螺釘只承受單向的拉力作用，F(xiàn)max=4900N/6=817N，根據(jù)圖4（a）和圖4（b）的螺釘應(yīng)力與應(yīng)變圖解可知：在受拉狀態(tài)下，螺釘承受最大應(yīng)力發(fā)生在螺帽下方位置處，應(yīng)力σeq=8.824MPa，則最小安全系數(shù)σs/σeq=72.52＞1.6，最大合位移為1.50×10-3mm。經(jīng)驗(yàn)算，螺釘強(qiáng)度完全滿足受力和變形要求，即所選螺釘達(dá)到了緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

法蘭在動力頭提升過程中承受拉力作用，且Fmax=4900N；在給進(jìn)鉆進(jìn)過程中承受壓力作用，且Fmax=19600N。根據(jù)圖5（a）和圖5（b）的法蘭抗拉和抗壓應(yīng)力圖解可知：在受拉的狀態(tài)下，應(yīng)力σeq=36.73MPa，則最小安全系數(shù)σs/σeq=9.7＞1.6，最大合位移為5.49×10-3mm；在受壓狀態(tài)下，應(yīng)力σeq=120.80MPa，最小安全系數(shù)σs/σeq=2.96＞1.6，最大合位移為1.73×10-2mm。經(jīng)驗(yàn)算，所設(shè)計(jì)的法蘭完全滿足緩沖機(jī)構(gòu)的所需設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

4 工程圖生成

采用SolidWorks工程圖功能，可創(chuàng)建零件2D工程圖。通過設(shè)計(jì)完成的3D模型，根據(jù)制造需要可生成零件2D 三視圖等，利用模型視圖菜單，按步驟導(dǎo)入零件三維模型，在工程圖圖紙上投影生成二維圖，利用注釋菜單功能欄，選擇需要的注釋選項(xiàng)，標(biāo)注零件尺寸、公差、編號等項(xiàng)目，還可修改和完善一些其他細(xì)節(jié)，最終完成用于生產(chǎn)加工的零部件工程圖。工程圖圖紙模板可在標(biāo)準(zhǔn)庫中選擇，也可根據(jù)行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或需要制作所需工程圖模板，保存工程圖模板于圖紙庫中以供后續(xù)使用。生成的工程圖還可根據(jù)實(shí)際需要保存為*.drw/*.slddrw/*.dwg/*.pdf/*.dxf 等多種格式，方便其他類型制圖（閱圖）軟件通用。

5 結(jié)語

結(jié)合微鉆實(shí)驗(yàn)臺動力頭緩沖機(jī)構(gòu)的實(shí)際工況，采用SolidWorks 軟件設(shè)計(jì)、建立了緩沖機(jī)構(gòu)3D 結(jié)構(gòu)模型，利用Solidworks Simulation 插件[11]對關(guān)鍵零部件進(jìn)行了靜態(tài)仿真分析計(jì)算，得到了碟簧、螺釘和法蘭的應(yīng)力、應(yīng)變及位移模擬結(jié)果信息，通過強(qiáng)度校核和安全系數(shù)驗(yàn)證，檢驗(yàn)了各零部件設(shè)計(jì)（選擇）的合理性，并通過零部件3D 模型生成了工程2D 圖，完成了緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作?；赟olidWorks的設(shè)計(jì)思想為其它同類型機(jī)械零部件設(shè)計(jì)、分析與評估提供了很好的借鑒價(jià)值。