撰文/嚴雪冬

■130022 吉林大學機械科學與工程學院 吉林 長春

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基于UG的牙輪鉆機零件參數(shù)化特征建模研究

撰文/嚴雪冬

■130022 吉林大學機械科學與工程學院 吉林 長春

UG為Simens PLM Software公司出品的致力于產品設計以及加工工程的數(shù)字化解決方案，對此，本文以牙輪鉆機零件為例，在NX平臺上對露天礦用牙輪鉆機零件的參數(shù)化特征建模進行了相關探索，同時介紹了參數(shù)化特征建模的研究方法在牙輪鉆機零件中的應用。關鍵詞：結構；參數(shù)化特征建模；牙輪鉆機

牙輪鉆機工作原理及結構特點

a牙輪鉆機工作原理

牙輪鉆機充分利用鉆桿對于鉆頭的軸向壓力及回轉扭矩的作用，在鉆頭的回轉過程中，巖石受到周期性擠壓、沖擊復合作用，同時感內腔噴射高速壓縮空氣，不斷吹走鉆進過程中的雜質，保持鉆孔清潔，從而保證鉆進工作的順利進行。

圖1　鉆機設計三維圖及應用圖

b牙輪鉆機的主要結構特征

①鉆具

牙輪鉆機鉆具包括牙輪鉆頭、鉆桿和穩(wěn)桿器等一整套設備。

牙輪鉆頭依據(jù)牙輪數(shù)目差異可分為單級、雙級（適用于軟巖孔徑＜150mm）甚至多級（適用于孔徑＞180mm巖石）牙輪鉆頭。礦山中應用三牙輪鉆頭居多，而三牙輪鉆頭按其結構形式的差異又包括儲油密封式和壓氣排渣風冷式（利用空氣壓縮排出雜質）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。其鉆頭結構包括牙爪（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），而鉆頭包括鋼材質以及合金材質兩大類，視巖石的硬度不同分別采用不同的齒形：鋼材質鉆頭常用于楔形齒，合金材質鉆頭往往用于球形齒以及錐球齒。在鋼球、滾柱等的作用下，可將鉆壓經由軸承傳向牙輪繼而作用于礦巖，并于牙爪末端設置耐磨合金，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載，利用固定螺栓力的作用將噴嘴附著于鉆頭體，并裝設止逆閥間，防止突發(fā)狀況時軸承的破壞。

在鉆進過程中，鉆孔內壓力經由傳壓孔作用于儲油囊，起到軸承的潤滑作用，并在鉆頭位置布有泄壓閥以防壓力過大造成密封及油囊的損壞。清洗介質經由噴嘴的射流作用，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）。

在鉆具的結構構造中，與鉆頭相匹配的設備為鉆桿，同時為防止鉆進故障的產生常設置有穩(wěn)桿器，減少鉆頭晃動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)桿器應用于腐蝕性強，且堅固系數(shù)大于16的礦巖，通過焊接作用將耐磨輻條置于穩(wěn)桿器；滾輪式穩(wěn)桿器應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。

②鉆架

鉆架分為標準鉆架和高鉆架兩類，高鉆架可實現(xiàn)連續(xù)鉆孔作業(yè)。架體通常布置于主平臺A型架軸孔位置，其橫截面多為“Π”形結構件，由液壓油缸使鉆架繞該軸孔轉動，立柱由方鋼管構成，同時為便于配合回轉機構的壓力動作，于柱內面設置齒條，外部設有滾輪軌道。結構中的存儲鉆桿以及張緊鏈條等裝置均布置于鉆架內。

③回轉機構

回轉機構通過主傳動系統(tǒng)的帶動作用使得齒輪齒條加壓動作繼而帶動鉆具回轉，強度和加壓平穩(wěn)性得以提升的同時，具有較高作業(yè)效率?；剞D系統(tǒng)采用變量泵-變量馬達的閉式液壓系統(tǒng)，轉速在0 ～170轉/分鐘及轉矩在0～27kNm之間無級調節(jié)，安裝在小車底部的小油泵可向兩個立式回轉液壓馬達的花鍵提供強迫潤滑。加壓系統(tǒng)采用變量泵-變量馬達-無鏈齒輪齒條方式，簡化結構，增加有效軸壓力。由于采用了變量泵-變量馬達的閉式系統(tǒng)，具有優(yōu)異的調速特性，可適應各種不同硬度的巖石，通過有限元軟件的靜力學和動力學分析，可保證鉆架的強度、剛度和工作穩(wěn)定性，并降低振動噪聲。

④主傳動機構

主傳動機構通過液壓馬達及直流或交流電動機的加壓作用于驅動鉆具上，以達到提升、加壓及鉆機行走的目的，且該過程由同一臺電動機驅動，各動作間實現(xiàn)安全聯(lián)鎖。 主傳動機構的安裝包括固定和懸掛式，并且懸掛中心與鉆架起落轉動中心在同一軸線上。

⑤行走機構

行走機構與主平臺的連接是三點鉸接式連接，行走機構完成鉆機遠距離行走和轉換孔位，由主傳動機構減速后，通過三級鏈條傳動驅動履帶行走；鉆機直行和拐彎，則可通過控制左右氣胎離合器完成。

NX建模技術

aUG參數(shù)化設計思想

NX/WAVE 技術以傳統(tǒng)參數(shù)化建模技術為基礎，針對參數(shù)化建模技術的不足，通過將驅動產品設計重要的總體設計參數(shù)建立在具有相關性的控制結構中，用少量的設計變量就可以控制產品開發(fā)的全過程。一般來說，UG參數(shù)化設計思想可分為產品級（分析產品功能）和零件級（解決如何實現(xiàn)產品功能）兩部分。

bUG/WAVE參數(shù)化建模技術

①傳統(tǒng)參數(shù)化建模技術

UG/WAVE技術是克服了傳統(tǒng)的參數(shù)化建模技術存在的缺陷而發(fā)展起來的，其是對傳統(tǒng)技術的科學化集成，并將傳統(tǒng)的參數(shù)化建模技術提高到系統(tǒng)與產品級設計的高度。隨著虛擬制造技術的發(fā)展，產品的所有局部環(huán)節(jié)都逐漸要求參數(shù)化，當產品結構非常復雜、參數(shù)較多時，建立產品模型將會變得復雜，模型的可靠性較低；且所有的參數(shù)放同一個層次之中，造成局部參數(shù)的變動會引起整體結構的變化，不符合自頂向下設計思想，這并不利于并行工程的實施。

②基于UG/WAVE的參數(shù)化建模技術

UG的WAVE技術在傳統(tǒng)的參數(shù)化建模技術基礎上的技術改進，具體包括：產品控制結構建立、產品模型層次間的關聯(lián)拷貝、幾何連接器的設置等，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構的產品模型，便于自頂向下設計。用WAVE技術通過幾何連接器、相關性管理、零件聯(lián)系瀏覽導航可實現(xiàn)控制更新、相關零部件間的聯(lián)系、幾何體的復制等操作，可方便地建立支持概念設計、裝配設計再到詳細設計的產品模型。

③基于UG/WAVE的自頂向下（Top-Down）的裝配設計

設計后續(xù)為便于組織要求樹狀與網狀相結合的產品模型，分別對產品的層級及關系做處理。Top-Down設計方法可以滿足這種需求，便于用樹狀結構來描述產品結構模型，設計發(fā)生變化時自動更新低層設計。設定產品的高層幾何定義和約束，可按照市場需求展開，整合初期設計布局，為后期設計奠定基礎。

④基于UG/WAVE的網絡并行工程

隨著互聯(lián)網通信技術的進步，確保了基于UG/WAVE的網絡并行工程實現(xiàn)的可能性，并在不同區(qū)域產品設計過程中起到溝通橋梁作用。其工作流程為“產品參數(shù)確定—服務器UG建模及約束創(chuàng)建—地域節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸—節(jié)點位置”，并可依據(jù)功能要求進行設計產品及約束創(chuàng)建，進而使UG/WAVE起到高效關聯(lián)作用。

參考：

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

［2］燕碧娟.牙輪鉆機主參數(shù)分析及其合理選擇［J］. 機械工程與自動化， 2007（2）：162-163.作者簡介：嚴雪冬（1992.01.02 -） 女，漢，四川省宜賓市，碩士，研究方向：機械工程。