張文舉 王亞萍

(中國地質(zhì)裝備總公司 北京 100102)

1 引言

KZ3000型全液壓鉆機是為了更好的探索汶川地震的機理和進行地震監(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,巖石直徑≥85mm,巖心采取率≥85%。鉆進的巖層條件為: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。該鉆機包括全液壓動力頭(繩索取心鉆進)以及全液壓轉(zhuǎn)盤-減速器(擴孔鉆進)兩套系統(tǒng)裝置。本文將對轉(zhuǎn)盤的減速器進行結(jié)構(gòu)分析和參數(shù)設(shè)計。

圖1 速器結(jié)構(gòu)圖

2 減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足整個鉆探設(shè)備工藝性以及經(jīng)濟性的要求,減速器輸入采用兩個馬達驅(qū)動,輸出采用萬向聯(lián)軸器來帶動轉(zhuǎn)盤運動;同時為了提高運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和承載能力,減速器采用二級斜齒輪傳動。

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、傳動比以及馬達的排量、流量等參數(shù),按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計,并按齒根彎曲強度進行校核,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 虛擬樣機模型建立

虛擬樣機技術(shù)(Virtual Prototyping Technology,VPT)又稱為機械系統(tǒng)仿真技術(shù),是20世紀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,直接在計算機上對機械系統(tǒng)進行建模、虛擬裝配和運動仿真分析,從而獲得基于產(chǎn)品的計算機數(shù)字模型,即虛擬樣機(Virtual Prototype),為產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個全新的設(shè)計方法。采用虛擬裝配技術(shù)可在設(shè)計階段驗證零件之間的配合和可裝配性,保證設(shè)計的正確性,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模型,使產(chǎn)品的構(gòu)造和功能動態(tài)地表達出來,清晰地表達出裝配過程從而有效地提高了設(shè)計效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4.1 減速器零部件實體造型設(shè)計

圖2 主要實體模型

4.2 減速器裝配設(shè)計

裝配設(shè)計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實體模型直觀、逼真地顯現(xiàn)了減速器各零部件的詳細結(jié)構(gòu)和形狀,便于進行干涉檢查,提高了設(shè)計效率。以此模型為基礎(chǔ),生產(chǎn)制造出的減速器在工廠進行了調(diào)試和運行試驗,表明轉(zhuǎn)盤-減速器系統(tǒng)的工作狀態(tài)良好,達到了預(yù)期的效果。現(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)盤減速器進行了設(shè)計。基于Pro/E軟件平臺,實現(xiàn)了轉(zhuǎn)盤減速器各零部件和整機的虛擬裝配模型設(shè)計,以此模型為依據(jù)制造出的減速器的實體建模首先應(yīng)對零件結(jié)構(gòu)模型分析,進行減速器零部件的設(shè)計。這一過程是利用 Pro/E零件設(shè)計模塊功能,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)實體造型如圖2所示。轉(zhuǎn)盤減速器調(diào)試運行良好,說明了虛擬樣機模型構(gòu)建合理。本文可作為以后超深孔鉆機轉(zhuǎn)盤減速器的設(shè)計參考。

圖4 現(xiàn)場裝配圖

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

2 李世忠.鉆探工藝學.北京:地質(zhì)出版社,1989

3 成大先.機械設(shè)計手冊.北京:化學工業(yè)出版社,2002

4 胡小強.虛擬現(xiàn)實技術(shù).北京:北京郵電大學出版社,2005

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

6 瞿葉高、卜長根、李金峰.虛擬樣機技術(shù)在地質(zhì)工程機械領(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.北京:中國鐵道出版社,2003