基于SolidWorks的錨桿鉆機用鉆具試驗工裝參數化設計*

許海龍

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 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應用的重要設備之一。鉆孔作業中依靠液壓、氣動或電動為回轉馬達提供回轉動力，然后通過輸出軸將動力傳遞到鉆具，從而完成鉆進作業。錨桿鉆機用鉆具主要包括回轉鉆桿和鉆頭。其中回轉鉆桿用于傳遞錨桿鉆機輸出的回轉動力和推力，鉆頭通過執行鉆桿傳遞過來的回轉動力和推力完成巖層或煤層鉆孔切削作業。鉆具在作業過程中受地質條件的影響，受力較為復雜，但主要承擔的力包括扭轉力和推力。因此，鉆具的抗扭性能和抗推性能直接關系到錨桿鉆機鉆進作業的安全性和可靠性。鉆具在使用前需完成抗扭和抗推相關性能試驗，達到標準規定要求后方可批量投入使用。隨著鉆具行業的發展，鉆具力學強度不斷增大，規格和種類不斷增多。為了適應鉆具規格的多樣化，應設計呈現系列化規格的鉆具試驗連接工裝，滿足不同直徑、不同六方寬度、不同螺紋形式和規格鉆具的試驗需要[1-2]。通過SolidWorks參數化設計功能進行錨桿鉆機用鉆具試驗工裝設計，從而提高工裝設計的便捷性和設計效率。

1 SolidWorks參數化設計功能

SolidWorks是美國SolidWorks公司基于Windows系統開發的一款三維模型參數化設計軟件。自1995年11月問世以來，因其易用性強、界面友好、體系結構開放、參數化特征設計功能強大等特點，在三維機械設計領域中得到了廣泛應用。相比于AutoCAD，SolidWorks軟件在模塊化設計、參數化設計、人機工程學設計、自動更新化設計、結構強度校核、可視化設計等方面更具有優勢，同時擁有動態靈活、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，便于二次開發和后期完善。通過尺寸驅動完成圖形繪制或改動，縮短了開發周期，提高了設計的便捷性和設計質量[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表作為系列零件設計表插入SolidWorks設計環境中，設計生成不同配置的零件族，實現SolidWorks參數化設計。SolidWorks參數化設計通過建立模型尺寸之間及尺寸與形狀之間的約束關系，將模型的尺寸用對應關系表示，通過在Excel配置器中編輯參數值，將自動改變與它相關的尺寸，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 參數化設計流程

基于SolidWorks軟件進行參數化設計的流程如圖1所示。首先，根據需要設計的模型，分析尺寸參數之間的關聯，建立初始參數模型；然后，插入系列化零件設計表并進行編輯，明確哪些參數是驅動尺寸，哪些參數是隨驅動尺寸關聯變化的尺寸，并通過方程式建立關聯尺寸之間的約束關系，約束關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，生成系列零件設計表；最后，通過輸入相關數值進行幾何參數的設置，完成模型的參數化建模過程。通過觀察模型建立是否符合要求,從而判斷參數值的有效性，參數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關聯性，重新進行參數設置和判斷[4]。

圖1 參數化設計流程

3 鉆桿工裝設計

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，兩端工裝一側通過平鍵與試驗臺動力機構或加載機構輸出軸連接，一側連接鉆桿。鉆桿連接側主要適應六方鉆桿，兩端采用不同規格的六方內卡套。鉆桿連接安裝后,在工裝外側通過高強度螺栓進行緊固，避免試驗過程中出現晃動。適應常見六方鉆桿規格為B19、B22、B25，通過SolidWorks軟件參數化設計功能進行鉆桿工裝的參數化設計，明確工裝模型的尺寸關系，建立系列化參數設計表[5-6]。鉆桿工裝參數化設計過程如圖2、圖3所示。隨著鉆桿規格的不斷多樣化，當遇到新規格鉆桿時，通過在SolidWorks軟件參數化配置設計表中輸入相關參數值即可完成適應新規格鉆桿工裝的模型設計，縮短了試驗準備時間。鉆桿與動力機構間連接工裝三維模型圖如圖4所示，鉆桿與加載機構間連接工裝三維模型如圖5所示。

圖2 鉆桿與動力機構間連接工裝參數化設計

圖3 鉆桿與加載機構間連接工裝參數化設計

圖4 鉆桿與動力機構間連接工裝三維模型圖

圖5 鉆桿與加載機構間連接工裝三維模型圖

4 鉆頭工裝設計

鉆頭連接工裝用于完成鉆頭回轉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螺紋鉆頭和外螺紋鉆頭，按照切削刃數量可以分為一字型、兩翼型、三翼型，應用最為廣泛的為兩翼型。鉆頭回轉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連接。鉆頭常見規格形式如表1所示。

表1 常用鉆頭規格尺寸

鉆頭工裝設計考慮適應兩翼不同規格的內外螺紋形式，由于鉆頭規格較多，且呈現為系列化，采用SolidWorks進行鉆頭連接專用工裝的參數化設計。確定工裝模型的尺寸關系，建立系列化參數設計表。外螺紋鉆頭工裝參數化設計過程如圖6所示，內螺紋鉆頭工裝參數化設計過程如圖7所示。隨著鉆頭規格的不斷多樣化，當遇到新規格鉆頭時，通過在SolidWorks軟件參數化配置設計表中輸入相關參數值，即可完成適應新規格鉆頭工裝的模型設計，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化設計

圖7 內螺紋鉆頭連接工裝參數化設計

圖8 鉆頭連接工裝三維模型圖

5 結論

錨桿鉆機用鉆具的參數化設計滿足了鉆具在回轉和推力試驗中的連接固定需要。基于鉆桿和鉆頭規格的多樣化，將SolidWorks參數化設計功能應用到鉆具試驗的工裝設計中，總結了SolidWorks軟件進行參數化設計的主要流程和方法，在分析鉆桿和鉆頭種類、規格的基礎上完成了系列化鉆頭和鉆桿連接工裝的參數化設計。隨著鉆具規格多樣化的發展，當出現新規格鉆具時，只要通過在建立的系列化參數設計表中輸入相應的配置參數，即可完成適應新型鉆具試驗工裝的三維模型建立，縮短了試驗工裝的設計周期，提高了設計的效率和準確性。