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)設計。

圖1 速器結(jié)構(gòu)圖

2 減速器結(jié)構(gòu)設計

考慮結(jié)構(gòu)設計必須滿足整個鉆探設備工藝性以及經(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(Virtual Prototyping Technology,VPT)又稱為機械系統(tǒng)仿真技術,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計方法。采用虛擬裝配技術可在設計階段驗證零件之間的配合和可裝配性,保證設計的正確性,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計效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4.1 減速器零部件實體造型設計

圖2 主要實體模型

4.2 減速器裝配設計

裝配設計就是依照一定的順序把滿足特定關系的元件裝配成組件的過程。本文減速器的裝配設計先以下箱體作為基礎件,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,提高了設計效率。以此模型為基礎,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)盤減速器進行了設計?；赑ro/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計,以此模型為依據(jù)制造出的減速器的實體建模首先應對零件結(jié)構(gòu)模型分析,進行減速器零部件的設計。這一過程是利用 Pro/E零件設計模塊功能,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.北京:北京郵電大學出版社,2005

5 陳定方、羅亞波.虛擬設計.北京:機械工業(yè)出版社,2002.

6 瞿葉高、卜長根、李金峰.虛擬樣機技術在地質(zhì)工程機械領域的應用研究.探礦工程(巖土鉆掘工程),2006(11)

7 林清安.Pro/ENGINEER Wildfire零件設計.北京:中國鐵道出版社,2003