許海龍

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測分院， 北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室, 北京 100013)

0 引言

錨桿鉆機是煤礦井下支護作業(yè)應(yīng)用的重要設(shè)備之一。鉆孔作業(yè)中依靠液壓、氣動或電動為回轉(zhuǎn)馬達提供回轉(zhuǎn)動力，然后通過輸出軸將動力傳遞到鉆具，從而完成鉆進作業(yè)。錨桿鉆機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輸出的回轉(zhuǎn)動力和推力，鉆頭通過執(zhí)行鉆桿傳遞過來的回轉(zhuǎn)動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)系到錨桿鉆機鉆進作業(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，達到標準規(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)強度不斷增大，規(guī)格和種類不斷增多。為了適應(yīng)鉆具規(guī)格的多樣化，應(yīng)設(shè)計呈現(xiàn)系列化規(guī)格的鉆具試驗連接工裝，滿足不同直徑、不同六方寬度、不同螺紋形式和規(guī)格鉆具的試驗需要[1-2]。通過SolidWorks參數(shù)化設(shè)計功能進行錨桿鉆機用鉆具試驗工裝設(shè)計，從而提高工裝設(shè)計的便捷性和設(shè)計效率。

1 SolidWorks參數(shù)化設(shè)計功能

SolidWorks是美國SolidWorks公司基于Windows系統(tǒng)開發(fā)的一款三維模型參數(shù)化設(shè)計軟件。自1995年11月問世以來，因其易用性強、界面友好、體系結(jié)構(gòu)開放、參數(shù)化特征設(shè)計功能強大等特點，在三維機械設(shè)計領(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、參數(shù)化設(shè)計、人機工程學(xué)設(shè)計、自動更新化設(shè)計、結(jié)構(gòu)強度校核、可視化設(shè)計等方面更具有優(yōu)勢，同時擁有動態(tài)靈活、強大的屬性管理器。在建立三維模型與繪制二維工程圖中具有交互性，便于二次開發(fā)和后期完善。通過尺寸驅(qū)動完成圖形繪制或改動，縮短了開發(fā)周期，提高了設(shè)計的便捷性和設(shè)計質(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)計表插入SolidWorks設(shè)計環(huán)境中，設(shè)計生成不同配置的零件族，實現(xiàn)SolidWorks參數(shù)化設(shè)計。SolidWorks參數(shù)化設(shè)計通過建立模型尺寸之間及尺寸與形狀之間的約束關(guān)系，將模型的尺寸用對應(yīng)關(guān)系表示，通過在Excel配置器中編輯參數(shù)值，將自動改變與它相關(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體[4]。

2 參數(shù)化設(shè)計流程

基于SolidWorks軟件進行參數(shù)化設(shè)計的流程如圖1所示。首先，根據(jù)需要設(shè)計的模型，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)計表并進行編輯，明確哪些參數(shù)是驅(qū)動尺寸，哪些參數(shù)是隨驅(qū)動尺寸關(guān)聯(lián)變化的尺寸，并通過方程式建立關(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API程序或宏將SolidWorks軟件和獨立的Excel表鏈接起來，生成系列零件設(shè)計表；最后，通過輸入相關(guān)數(shù)值進行幾何參數(shù)的設(shè)置，完成模型的參數(shù)化建模過程。通過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模型進行保存，否則要返回分析參數(shù)關(guān)聯(lián)性，重新進行參數(shù)設(shè)置和判斷[4]。

圖1 參數(shù)化設(shè)計流程

3 鉆桿工裝設(shè)計

錨桿鉆機用鉆具抗扭性能和抗推性能試驗在專用試驗臺上進行，鉆具試驗用連接工裝包括鉆桿工裝和鉆頭工裝。鉆桿進行扭矩或推力試驗時，鉆桿兩端分別通過連接工裝與試驗臺連接，兩端工裝一側(cè)通過平鍵與試驗臺動力機構(gòu)或加載機構(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)通過高強度螺栓進行緊固，避免試驗過程中出現(xiàn)晃動。適應(yīng)常見六方鉆桿規(guī)格為B19、B22、B25，通過SolidWorks軟件參數(shù)化設(shè)計功能進行鉆桿工裝的參數(shù)化設(shè)計，明確工裝模型的尺寸關(guān)系，建立系列化參數(shù)設(shè)計表[5-6]。鉆桿工裝參數(shù)化設(shè)計過程如圖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，通過在SolidWorks軟件參數(shù)化配置設(shè)計表中輸入相關(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，縮短了試驗準備時間。鉆桿與動力機構(gòu)間連接工裝三維模型圖如圖4所示，鉆桿與加載機構(gòu)間連接工裝三維模型如圖5所示。

圖2 鉆桿與動力機構(gòu)間連接工裝參數(shù)化設(shè)計

圖3 鉆桿與加載機構(gòu)間連接工裝參數(shù)化設(shè)計

圖4 鉆桿與動力機構(gòu)間連接工裝三維模型圖

圖5 鉆桿與加載機構(gòu)間連接工裝三維模型圖

4 鉆頭工裝設(shè)計

鉆頭連接工裝用于完成鉆頭回轉(zhuǎn)試驗時的連接固定需要。錨桿鉆機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)試驗中一端通過延長連接桿與加載端連接，連接桿與鉆頭螺紋之間通過系列化工裝進行連接，另一端通過鉆頭切削刃夾卡工裝與動力機構(gòu)連接。鉆頭常見規(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進行鉆頭連接專用工裝的參數(shù)化設(shè)計。確定工裝模型的尺寸關(guān)系，建立系列化參數(shù)設(shè)計表。外螺紋鉆頭工裝參數(shù)化設(shè)計過程如圖6所示，內(nèi)螺紋鉆頭工裝參數(shù)化設(shè)計過程如圖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，通過在SolidWorks軟件參數(shù)化配置設(shè)計表中輸入相關(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，提高了試驗準備工作的效率[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

圖7 內(nèi)螺紋鉆頭連接工裝參數(shù)化設(shè)計

圖8 鉆頭連接工裝三維模型圖

5 結(jié)論

錨桿鉆機用鉆具的參數(shù)化設(shè)計滿足了鉆具在回轉(zhuǎn)和推力試驗中的連接固定需要?；阢@桿和鉆頭規(guī)格的多樣化，將SolidWorks參數(shù)化設(shè)計功能應(yīng)用到鉆具試驗的工裝設(shè)計中，總結(jié)了SolidWorks軟件進行參數(shù)化設(shè)計的主要流程和方法，在分析鉆桿和鉆頭種類、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。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，只要通過在建立的系列化參數(shù)設(shè)計表中輸入相應(yīng)的配置參數(shù)，即可完成適應(yīng)新型鉆具試驗工裝的三維模型建立，縮短了試驗工裝的設(shè)計周期，提高了設(shè)計的效率和準確性。