基于SolidWorks微钻实验台动力头缓冲机构设计

刘 蓓，张登峰，钱建利，张 晨，王阿特

（1.中国地质调查局西安矿产资源调查中心，陕西西安 710100；2.北京集佳知识产权代理有限公司西安分公司，陕西西安 710100；3.中国地质大学<北京>工程技术学院，北京 100083）

利用微钻实验台进行钻进实验工作[1-2]，由于微钻实验台动力头给进机构通过蜗轮丝杆升降机实现，在工作过程中给进机构给进钻压或提钻时，拉压传感器会承受瞬间的压力或拉力冲击作用，因此很有必要设计一种缓冲机构保护拉压传感器。缓冲机构的可靠性直接影响到压力传感器的性能和操作人员的安全[3]，所以必须对缓冲机构重要的零部件进行受力分析，确保缓冲机构的设计达到功能需求。

SolidWorks 是Dassault Systemes S.A 旗下的一 款功能强大的三维机械设计软件，从概念设计到付诸制造，该软件提供了内容丰富的分析插件，可提供有效的模拟分析和成本分析。一般在机械设计过程中采用2D 图进行设计、编辑和修改，SolidWorks 则先生成3D模型，通过设计、检测、分析和修改3D模型，最终由3D模型导出工程2D图，新的版本还具有帮助用户做出更加明智的决策，简化设计、减少错误并缩短产品设计周期等功能[4-5]。传统计算过程复杂，且计算验算量大，不能直观表达出零部件最脆弱部位受力状态。Solid-Works 中自带内部活动插件Solidworks Simulation 可对零部件模型进行快速有限元分析，能够节约大量设计时间，且模拟仿真结果直观精确[6]。

1 机构设计

1.1 工作原理

动力头缓冲机构基本结构，如图1 所示，主要由给进丝杠、法兰、碟簧和拉压传感器组成。上法兰、丝杠法兰及下法兰通过螺钉和碟簧实现缓冲连接，下法兰与拉压传感器采用螺纹连接（可认为是刚性连接），拉压传感器与动力头体采用螺钉连接。缓冲机构工作原理为：动力头给进时，丝杠法兰向下运动压缩碟簧10，通过下法兰5把给进力传递至拉压传感器，最终把压力传给动力头，实现给压钻进工作；提升动力头时，丝杠法兰向上运动压缩碟簧3，通过上法兰2把提升的拉力传给螺钉8，螺钉8与下法兰5连接，最终把提升的拉力传给拉压传感器，实现动力头的提升工作。

1.2 设计要求

根据动力头缓冲机构的工作原理，可知：在给进的瞬时，碟簧10压缩，起到缓冲保护拉压传感器的作用，受力部件主要为碟簧10 与下法兰5，且零件均为受压状态；在提升动力头的瞬时，碟簧3压缩，起到保护螺钉8 和拉压传感器的作用，受力部件主要为碟簧3、螺钉8、上法兰2和下法兰5，且碟簧3为压缩状态，螺钉8和下法兰5为受拉状态。在实际工作中，丝杠法兰在给进和提升瞬时，为减少对上法兰2 和下法兰5 的冲击力，上下两层碟簧应施加一定的预应力，预应力大小由螺钉8 可调节控制。下法兰5 与拉压传感器连接为螺纹形式，是缓冲机构最薄弱部分，经常会受到拉力和压力的交替作用，为防止螺纹脱扣或断裂造成事故，在缓冲机构外设有半合保护罩1，保护动力头安全。

由以上分析可知，在动力头缓冲机构设计中，关键部件为碟簧、螺钉8和下法兰5的螺纹连接部分。利用SolidWorks进行三维设计制造一般流程如图2所示。

2 模型建立

本文基于SolidWorks Premium进行零部件三维模型建模设计。SolidWorks 系统自带的标准零件库，包含螺栓、螺母、螺钉、螺柱、键、销、垫圈、挡圈、密封圈、弹簧、型材、法兰等常用零部件，模型数据可被直接调用。非标准零部件可根据实际功能需求自行设计，一般设计步骤为：草图绘制—零件三维模型生成—零部件装配—装配体检查。碟簧和螺钉可从机械设计手册上查取，根据实际情况单独设计下法兰。

3 有限元分析

3.1 失效准则确定

零部件三维建模设计完成，并进行装配检查符合实际要求，应对关键零部件进行结构强度分析，确保零件满足不同功能力学强度需求。在Solidworks Simulation 中，多数情况下使用等效应力（von Mises 应力）作为应力度量，因为等效应力可以很好地描述许多工程材料结构安全的弹性和塑性性质。对于这些材料，屈服安全系数或最终破坏安全系数可以通过等效应力除以材料的屈服应力（屈服强度）或最终破坏应力（最终破坏强度）得到。

等效应力是一个集中了三维应力状态的6 个应力分量的应力度量值，等效应力可表示为：

同时，应力强度也可以由三个主应力分量表示[7]，即：

3.2 材料选择

碟簧：选择外径D=31.5mm，内径d=16.3mm，厚度t=1.75mm，自由高度H0=2.45mm，负荷P=3900N，变形量f=0.53mm，中性直径处碟簧上表面点的计算应力[8]（压应力）σOM=-1190MPa，下表面最大计算拉应力σII=1310MPa，弹性模量E=206000N/mm2，泊松比μ=0.3。

螺钉：采用内六角圆柱头高强螺栓M16，抗拉强度σb=800MPa，屈服强度σs=640MPa，抗剪强度σc=448MPa，弹性模量E=210000N/mm2，泊松比μ=0.25。

法兰：采用45#钢，螺纹为M16×1.5 抗拉强度σb=600MPa，屈服强度σs=355MPa，抗剪强度σc=420MPa，弹性模量E=209000N/mm2，泊松比μ=0.27。

3.3 有限元分析

有限元分析一般步骤为[9]：创建算例—应用材料属性—施加载荷—划分网格—运行分析—查看分析结果，现以碟簧为例进行仿真模拟分析。

创建新算例。根据碟簧实际工作受力情况选择静态力学分析模型[10]，给碟簧添加材料物理力学参数，Solidworks Materials 库中含有一般常见的材料属性，材料库中无符合碟簧的材料属性，可在自定义材料中添加（设置）碟簧的力学性能指标，设置完毕后同时应用于碟簧。

施加载荷。模拟碟簧实际工作状态，对模型添加约束载荷，通过夹具顾问选择固定类型为固定几何体，可认为碟簧底面外侧边缘在竖直方向上无位移发生，外部载荷选项施加外力大小，单个碟簧受力Fmax=19600N/6=3267N，外力作用位置为碟簧内径上边缘，如图3（a）所示，为碟簧模型施加载荷后的情况。

划分网格。把碟簧三维模型离散化为有限个单元体，网格类型选实体网格，所用网格器采用标准网格，雅克比点4点，高品质网格，节点总数12672，单元总数7206，网格化离散模型如图3（b）所示。

分析运算并查看结果。进行分析运算后，可以求解计算出碟簧的应力、应变与位移等结果，如图3（c）和图3（d）所示。从应力与位移图解可知：最大应力σeq=1080.85MPa，σOM=1190MPa，则最小安全系数σOM/σeq=1.1＞1.0，最大应力出现在碟簧外径底部边缘处，最大变形合位移0.099mm＜f，最大位移发生在碟簧内径圆环周围，均在弹性变形范围内，即所选碟簧的受力状态和变形结果均满足缓冲机构的设计要求。

同前步骤进行有限元仿真分析，可得到螺钉和法兰的应力、应变和位移变形分析结果，如图4 和图5 所示。

在动力头提升过程中，由于螺钉只承受单向的拉力作用，Fmax=4900N/6=817N，根据图4（a）和图4（b）的螺钉应力与应变图解可知：在受拉状态下，螺钉承受最大应力发生在螺帽下方位置处，应力σeq=8.824MPa，则最小安全系数σs/σeq=72.52＞1.6，最大合位移为1.50×10-3mm。经验算，螺钉强度完全满足受力和变形要求，即所选螺钉达到了缓冲机构的设计要求。

法兰在动力头提升过程中承受拉力作用，且Fmax=4900N；在给进钻进过程中承受压力作用，且Fmax=19600N。根据图5（a）和图5（b）的法兰抗拉和抗压应力图解可知：在受拉的状态下，应力σeq=36.73MPa，则最小安全系数σs/σeq=9.7＞1.6，最大合位移为5.49×10-3mm；在受压状态下，应力σeq=120.80MPa，最小安全系数σs/σeq=2.96＞1.6，最大合位移为1.73×10-2mm。经验算，所设计的法兰完全满足缓冲机构的所需设计强度。

4 工程图生成

采用SolidWorks工程图功能，可创建零件2D工程图。通过设计完成的3D模型，根据制造需要可生成零件2D 三视图等，利用模型视图菜单，按步骤导入零件三维模型，在工程图图纸上投影生成二维图，利用注释菜单功能栏，选择需要的注释选项，标注零件尺寸、公差、编号等项目，还可修改和完善一些其他细节，最终完成用于生产加工的零部件工程图。工程图图纸模板可在标准库中选择，也可根据行业设计标准或需要制作所需工程图模板，保存工程图模板于图纸库中以供后续使用。生成的工程图还可根据实际需要保存为*.drw/*.slddrw/*.dwg/*.pdf/*.dxf 等多种格式，方便其他类型制图（阅图）软件通用。

5 结语

结合微钻实验台动力头缓冲机构的实际工况，采用SolidWorks 软件设计、建立了缓冲机构3D 结构模型，利用Solidworks Simulation 插件[11]对关键零部件进行了静态仿真分析计算，得到了碟簧、螺钉和法兰的应力、应变及位移模拟结果信息，通过强度校核和安全系数验证，检验了各零部件设计（选择）的合理性，并通过零部件3D 模型生成了工程2D 图，完成了缓冲机构的设计工作。基于SolidWorks的设计思想为其它同类型机械零部件设计、分析与评估提供了很好的借鉴价值。