基于UG的牙轮钻机零件参数化特征建模研究

撰文/严雪冬

■130022 吉林大学机械科学与工程学院 吉林 长春



基于UG的牙轮钻机零件参数化特征建模研究

撰文/严雪冬

■130022 吉林大学机械科学与工程学院 吉林 长春

UG为Simens PLM Software公司出品的致力于产品设计以及加工工程的数字化解决方案，对此，本文以牙轮钻机零件为例，在NX平台上对露天矿用牙轮钻机零件的参数化特征建模进行了相关探索，同时介绍了参数化特征建模的研究方法在牙轮钻机零件中的应用。关键词：结构；参数化特征建模；牙轮钻机

牙轮钻机工作原理及结构特点

a牙轮钻机工作原理

牙轮钻机充分利用钻杆对于钻头的轴向压力及回转扭矩的作用，在钻头的回转过程中，岩石受到周期性挤压、冲击复合作用，同时感内腔喷射高速压缩空气，不断吹走钻进过程中的杂质，保持钻孔清洁，从而保证钻进工作的顺利进行。

图1　钻机设计三维图及应用图

b牙轮钻机的主要结构特征

①钻具

牙轮钻机钻具包括牙轮钻头、钻杆和稳杆器等一整套设备。

牙轮钻头依据牙轮数目差异可分为单级、双级（适用于软岩孔径＜150mm）甚至多级（适用于孔径＞180mm岩石）牙轮钻头。矿山中应用三牙轮钻头居多，而三牙轮钻头按其结构形式的差异又包括储油密封式和压气排渣风冷式（利用空气压缩排出杂质）两类。

常用的压气式排渣钻头适用于孔深＜20m，孔径150至445mm间的露天钻孔情形。其钻头结构包括牙爪（与钻杆螺纹连接）及其轴颈配备的牙轮（其上的柱齿合金用于破岩），而钻头包括钢材质以及合金材质两大类，视岩石的硬度不同分别采用不同的齿形：钢材质钻头常用于楔形齿，合金材质钻头往往用于球形齿以及锥球齿。在钢球、滚柱等的作用下，可将钻压经由轴承传向牙轮继而作用于矿岩，并于牙爪末端设置耐磨合金，降低爪尖磨损度；再于衬套周围配备止推面，气流分配系统设置于钻头腔，牙轮受滚珠轴承的支撑，并承受一定的径向及轴向负载，利用固定螺栓力的作用将喷嘴附着于钻头体，并装设止逆阀间，防止突发状况时轴承的破坏。

在钻进过程中，钻孔内压力经由传压孔作用于储油囊，起到轴承的润滑作用，并在钻头位置布有泄压阀以防压力过大造成密封及油囊的损坏。清洗介质经由喷嘴的射流作用，能够保障良好的排污性能。

（2）钻杆和稳杆器。和牙轮钻头配套的钻杆（又称钻管）。

在钻具的结构构造中，与钻头相匹配的设备为钻杆，同时为防止钻进故障的产生常设置有稳杆器，减少钻头晃动以及提升性能及使用年限。

稳杆器分为辐条式以及滚轮式两种类型，辐条式稳杆器应用于腐蚀性强，且坚固系数大于16的矿岩，通过焊接作用将耐磨辐条置于稳杆器；滚轮式稳杆器应用于磨蚀性以及硬度较高的矿岩，表面配有合金柱齿，使用寿命较长。

②钻架

钻架分为标准钻架和高钻架两类，高钻架可实现连续钻孔作业。架体通常布置于主平台A型架轴孔位置，其横截面多为“Π”形结构件，由液压油缸使钻架绕该轴孔转动，立柱由方钢管构成，同时为便于配合回转机构的压力动作，于柱内面设置齿条，外部设有滚轮轨道。结构中的存储钻杆以及张紧链条等装置均布置于钻架内。

③回转机构

回转机构通过主传动系统的带动作用使得齿轮齿条加压动作继而带动钻具回转，强度和加压平稳性得以提升的同时，具有较高作业效率。回转系统采用变量泵-变量马达的闭式液压系统，转速在0 ～170转/分钟及转矩在0～27kNm之间无级调节，安装在小车底部的小油泵可向两个立式回转液压马达的花键提供强迫润滑。加压系统采用变量泵-变量马达-无链齿轮齿条方式，简化结构，增加有效轴压力。由于采用了变量泵-变量马达的闭式系统，具有优异的调速特性，可适应各种不同硬度的岩石，通过有限元软件的静力学和动力学分析，可保证钻架的强度、刚度和工作稳定性，并降低振动噪声。

④主传动机构

主传动机构通过液压马达及直流或交流电动机的加压作用于驱动钻具上，以达到提升、加压及钻机行走的目的，且该过程由同一台电动机驱动，各动作间实现安全联锁。 主传动机构的安装包括固定和悬挂式，并且悬挂中心与钻架起落转动中心在同一轴线上。

⑤行走机构

行走机构与主平台的连接是三点铰接式连接，行走机构完成钻机远距离行走和转换孔位，由主传动机构减速后，通过三级链条传动驱动履带行走；钻机直行和拐弯，则可通过控制左右气胎离合器完成。

NX建模技术

aUG参数化设计思想

NX/WAVE 技术以传统参数化建模技术为基础，针对参数化建模技术的不足，通过将驱动产品设计重要的总体设计参数建立在具有相关性的控制结构中，用少量的设计变量就可以控制产品开发的全过程。一般来说，UG参数化设计思想可分为产品级（分析产品功能）和零件级（解决如何实现产品功能）两部分。

bUG/WAVE参数化建模技术

①传统参数化建模技术

UG/WAVE技术是克服了传统的参数化建模技术存在的缺陷而发展起来的，其是对传统技术的科学化集成，并将传统的参数化建模技术提高到系统与产品级设计的高度。随着虚拟制造技术的发展，产品的所有局部环节都逐渐要求参数化，当产品结构非常复杂、参数较多时，建立产品模型将会变得复杂，模型的可靠性较低；且所有的参数放同一个层次之中，造成局部参数的变动会引起整体结构的变化，不符合自顶向下设计思想，这并不利于并行工程的实施。

②基于UG/WAVE的参数化建模技术

UG的WAVE技术在传统的参数化建模技术基础上的技术改进，具体包括：产品控制结构建立、产品模型层次间的关联拷贝、几何连接器的设置等，这些环节均使传统的参数化建模得到了极大地提升，能方便地建立层次树状结构的产品模型，便于自顶向下设计。用WAVE技术通过几何连接器、相关性管理、零件联系浏览导航可实现控制更新、相关零部件间的联系、几何体的复制等操作，可方便地建立支持概念设计、装配设计再到详细设计的产品模型。

③基于UG/WAVE的自顶向下（Top-Down）的装配设计

设计后续为便于组织要求树状与网状相结合的产品模型，分别对产品的层级及关系做处理。Top-Down设计方法可以满足这种需求，便于用树状结构来描述产品结构模型，设计发生变化时自动更新低层设计。设定产品的高层几何定义和约束，可按照市场需求展开，整合初期设计布局，为后期设计奠定基础。

④基于UG/WAVE的网络并行工程

随着互联网通信技术的进步，确保了基于UG/WAVE的网络并行工程实现的可能性，并在不同区域产品设计过程中起到沟通桥梁作用。其工作流程为“产品参数确定—服务器UG建模及约束创建—地域节点数据传输—节点位置”，并可依据功能要求进行设计产品及约束创建，进而使UG/WAVE起到高效关联作用。

参考：

［1］张旭明.露天采矿挖掘机牙轮钻机的现状与发展［J］. 世界采矿快报，2000（8）：290-291.

［2］燕碧娟.牙轮钻机主参数分析及其合理选择［J］. 机械工程与自动化， 2007（2）：162-163.作者简介：严雪冬（1992.01.02 -） 女，汉，四川省宜宾市，硕士，研究方向：机械工程。