畢業(yè)論文緒論和鑿巖機(jī)滑架及托架承載力分析

1、<p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題的研究背景和意義</p><p>　　本世紀(jì)以來(lái)，采礦工業(yè)、鐵道工程、煤炭工業(yè)、軍事工程中，在巖石斷面上掘進(jìn)的工作量日益增加，生產(chǎn)效率要求越來(lái)越高，老式的氣動(dòng)鑿巖機(jī)的鉆鑿能力與生產(chǎn)發(fā)展的需要之間的矛盾日益加劇。生產(chǎn)的發(fā)展要求用效率高、生產(chǎn)能力大的新型鑿巖機(jī)來(lái)代替氣動(dòng)鑿巖機(jī),液壓鑿

2、巖機(jī)正是在這種情況下誕生的。液壓鑿巖機(jī)如圖1所示。</p><p><b>　　圖1 液壓鑿巖機(jī)</b></p><p>　　早在1920年，英國(guó)人多爾曼就制成了液壓鑿巖機(jī)。大約40年之后，英國(guó)人薩特利夫制成了另一種液壓鑿巖機(jī)。不久，美國(guó)Gardne Denvr公司根據(jù)尤布科斯專(zhuān)利，制造了MP-l型液壓鑿巖機(jī)，其沖擊能為l0J，沖擊頻率為20Hz，但因釬具壽命太短，

3、未得到推廣使用。</p><p>　　液壓鑿巖機(jī)的研制與發(fā)展有悠久的歷史，自70年代以來(lái)大量投人市場(chǎng)，至今世界上已有約20個(gè)國(guó)家，30家公司(廠家)進(jìn)行研制。到目前為止，多數(shù)液壓鑿巖機(jī)經(jīng)歷了產(chǎn)品更新，完善結(jié)構(gòu)，提高效率等過(guò)程。由于液壓鑿巖機(jī)具有工效高、噪聲低、易控制、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展速度異常迅速，各國(guó)研制的液壓鑿巖機(jī)投入市場(chǎng)銷(xiāo)售的型號(hào)已有上百種。</p><p>　　隨著社會(huì)的不斷發(fā)展

4、，手錘打眼已不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。通過(guò)前人的努力，1887 年制造出第一臺(tái)輕型氣動(dòng)鑿巖機(jī)，1938 年發(fā)明了氣腿和碳化鎢釬頭。氣腿式鑿巖機(jī)和釬頭的不斷完善，對(duì)鑿巖機(jī)的效率又提出了新的要求，20 世紀(jì) 60 年代初，開(kāi)發(fā)了獨(dú)立回轉(zhuǎn)鑿巖機(jī)，隨后發(fā)展和完善了架柱式鑿巖機(jī)和鑿巖鉆車(chē)。在鑿巖機(jī)不斷發(fā)展的同時(shí)，注意到隨著孔深的增加，深孔鑿巖接桿釬具聯(lián)接處能量損失較大，提出了將鑿巖機(jī)送入孔底的設(shè)想，因而發(fā)明了潛孔沖擊器。</p><p

5、>　　以上幾種液板鑿者機(jī)都因一些技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題沒(méi)能很好地解決，所以沒(méi)有能在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。1970年，法國(guó)Montabrt公司推出了世界上第一臺(tái)實(shí)用的液壓鑿巖機(jī)，并且很快成批生產(chǎn)，推廣使用。</p><p>　　與氣動(dòng)鑿巖機(jī)相比，液壓鑿巖機(jī)有以下特點(diǎn):①純鑿孔速度比同量級(jí)氣動(dòng)鑿巖機(jī)快1~2倍；②能量消耗低，約為同量級(jí)氣動(dòng)鑿巖機(jī)的1/3~1/4;③主要零部件使用壽命長(zhǎng)，釬具消耗少，鑿孔成本低;④工作面環(huán)境有較大

6、改善，噪聲可降低10-15dB，且無(wú)油霧，可見(jiàn)度好;⑤機(jī)器性能好，可根據(jù)巖石條件調(diào)節(jié)沖擊能，以取得最佳鑿孔效果;⑥便于實(shí)現(xiàn)鑿孔作業(yè)自動(dòng)化。</p><p>　　正是由于這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，世界各國(guó)劉液壓鑿巖機(jī)都十分重視，經(jīng)過(guò)短短20幾年的發(fā)展，目前，已有10多個(gè)國(guó)家能生產(chǎn)上百個(gè)品種的液壓鑿巖機(jī)，并已廣泛應(yīng)用于鐵進(jìn)、冶金、煤炭、地質(zhì)、水電、建材、軍事部門(mén)。</p><p>　　按液壓沖擊器的控制

7、原理，可以把液壓鑿巖機(jī)分為兩大類(lèi):一類(lèi)是有閥型液壓鑿巖機(jī)，如圖2所示。按回油方式又可以把這一類(lèi)液壓鑿巖機(jī)分為雙面回油式、前腔常壓后腔回油式和后腔常壓前腔回油式等三種類(lèi)型。</p><p>　　圖2 有閥型液壓鑿巖機(jī)</p><p>　　另一類(lèi)是無(wú)閥型的，如圖3所示，工作原理是利用液壓油的微壓縮性。液壓油受壓時(shí)儲(chǔ)存能量，膨脹時(shí)則釋放能量。由于液壓油的可壓縮性很小，故無(wú)閥型液壓鑿巖機(jī)一般具有

8、沖擊頻率高、沖擊能小、外型尺寸大、效率低等特點(diǎn)，所以無(wú)閥型液壓鑿巖機(jī)在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力低，使用不多。目前，在國(guó)際上比較流行的機(jī)型是雙面回油型(如瑞典Atlasepc公司的COP鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具系列)鑿巖機(jī)和前腔常壓后腔回油型(如中南工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的YYG系列)鑿巖機(jī)。</p><p>　　圖3 無(wú)閥型液壓鑿巖機(jī)</p><p>　　液壓鑿巖機(jī)主要是由沖擊器、蓄能器、轉(zhuǎn)釬裝置和供水排粉裝置

9、等幾大部分組成。其中沖擊器起著舉足輕重的作用，它的性能直接決定了液壓鑿巖機(jī)整機(jī)的性能。正因?yàn)槿绱?，在過(guò)去20多年時(shí)間里，各國(guó)學(xué)者一直把液壓鑿巖機(jī)研究的重點(diǎn)放在對(duì)液壓沖擊器的研究上。</p><p>　　按照人們?cè)谘芯繘_擊器時(shí)所采用的數(shù)學(xué)模型不同，可以把研究液壓沖擊器的方法分為線性模型方法和非線性模型方法兩大類(lèi)。線性模型法抓住液壓沖擊器運(yùn)動(dòng)的主要因素，忽略次要因素，對(duì)沖擊器作一些必要的假設(shè)，將活塞受力狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化，

10、得出用線性數(shù)學(xué)模型表示的沖擊器運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這種模型揭示液壓沖擊器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律直接明了，有確切的代數(shù)表達(dá)式，可方便地求得解析解。</p><p>　　但由于這類(lèi)方法忽略了一些實(shí)際存在的因素，故只是粗線條地描述沖擊器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。非線性模型較多地考慮液壓沖擊器的影響因素，較全面地分析了沖擊器的受力狀態(tài)，得到高階非線性微分方程組描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這種模型能較精確地揭示液壓沖擊器的物理現(xiàn)象，但方程求解困難，描述不直觀，只能通過(guò)計(jì)

11、算機(jī)求得數(shù)值解。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的普及，非線性模型越來(lái)越受到人們的重視。但必須指出，由于液壓沖擊器運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，非線性模型也都建立在一些假設(shè)的基礎(chǔ)上，所以也只能是近似地描述沖擊器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。要想得到更準(zhǔn)確的描述方法，尚有待計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展。</p><p>　　液壓鑿巖機(jī)以壓力液體為動(dòng)力破巖，按破巖方式不同，鑿巖機(jī)械有回轉(zhuǎn)式、沖擊式和回轉(zhuǎn)沖擊式三種。回轉(zhuǎn)式液壓鑿巖機(jī)常稱(chēng)為液壓回轉(zhuǎn)鉆，

12、沖擊式液壓鑿巖機(jī)做為巖石破碎設(shè)備，稱(chēng)為液壓破碎沖擊器或液壓鏡，回轉(zhuǎn)沖擊式液壓鑿巖機(jī)具有沖擊機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，即通常所說(shuō)的液壓鑿巖機(jī)。一、液壓鑿巖機(jī)的甚本功能，通常，液壓鑿巖機(jī)真著沖擊機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其鑿巖作業(yè)是沖擊、回轉(zhuǎn)、推進(jìn)與巖孔沖洗功能的綜合。液壓鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)由壓力液體的作用產(chǎn)生沖擊能量，通過(guò)釬具(釬尾、連接套、釬桿)以應(yīng)力波形式傳遞給巖石，從而達(dá)到破碎巖石的目的，液壓沖擊機(jī)構(gòu)沖擊能量以沖擊功能(KW)表示，它包含沖擊能(J)與沖擊

13、頻率(Hz)兩個(gè)參數(shù)。一般說(shuō)來(lái)，液壓沖擊機(jī)構(gòu)輸出的沖擊功率越大，鑿巖能力越強(qiáng)，即鑿孔速度越高或破巖效果越好。</p><p>　　液壓沖擊機(jī)構(gòu)沖擊能由沖擊活塞運(yùn)動(dòng)速度與質(zhì)量決定，沖擊活塞運(yùn)動(dòng)速度值應(yīng)超過(guò)巖石破碎的臨界速度(一般為4.8m/s)，而因目前鋼材性能影響，沖擊活塞運(yùn)動(dòng)速度不超過(guò)12m/s。</p><p>　　液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)釬數(shù)與轉(zhuǎn)釬扭矩決定其性能。轉(zhuǎn)釬數(shù)與巖石類(lèi)型釬具

14、型式與液壓鑿巖機(jī)沖擊性能參數(shù)有關(guān)。液壓鑿巖機(jī)轉(zhuǎn)釬扭矩用于克服鑿巖過(guò)程中的破巖阻力，釬桿與孔壁間摩擦阻力，釬桿與巖粉間的阻力等，為使液壓鑿巖機(jī)保證有最佳鑿孔速度，國(guó)外液壓鑿巖機(jī)有加大轉(zhuǎn)釬扭矩的趨勢(shì)。</p><p>　　液壓鑿巖機(jī)鑿巖推進(jìn)功能使鑿巖機(jī)沖擊能以最佳應(yīng)力波形式傳遞給釬具與巖石，最佳推進(jìn)力隨巖石性質(zhì)、沖擊性能參數(shù)、回轉(zhuǎn)性能參數(shù)，釬具形式等變化。</p><p>　　鑿巖推進(jìn)力過(guò)小時(shí)

15、，液壓鑿巖機(jī)沖擊能不會(huì)全部傳遞給巖石；能量傳遞不良，波形螺紋連接套容易松動(dòng)，能量損失過(guò)大;回轉(zhuǎn)性能不能充分發(fā)揮作用，釬具在巖石上不易形成回轉(zhuǎn)阻力，釬頭易在巖石表面摩擦發(fā)熱，鑿孔速度下降；釬頭因阻力小打滑而產(chǎn)生過(guò)度磨損。鑿巖推進(jìn)力過(guò)大時(shí)，釬桿與釬尾形成不必要的彎曲和磨損，巖粉沖洗困難；合金片迅速磨損，鑿孔速度下降。</p><p>　　因此，尋找液壓鑿巖機(jī)最佳推進(jìn)力是必要的。液壓鑿巖機(jī)鑿孔過(guò)程的巖粉沖洗有多種方式，

16、可采用水、空氣、霧、泡沫等沖洗介質(zhì)。沖洗介質(zhì)有清除巖孔內(nèi)已破碎巖粉或小碎塊、冷卻釬頭與“潤(rùn)滑”釬具等作用。當(dāng)采用水為巖孔沖洗介質(zhì)時(shí)，沖洗水壓力常在0.6mPa以上。</p><p>　　液壓鑿巖機(jī)按其工作原理可分為以下類(lèi)型，如圖4所示：</p><p>　　圖4 液壓鑿巖機(jī)的分類(lèi)</p><p>　　鑿巖機(jī)是用來(lái)直接開(kāi)采石料的工具，如圖5所示。它在巖層上鉆鑿出炮眼

17、，以便放入炸藥去炸開(kāi)巖石，從而完成開(kāi)采石料或其它石方工程，此外，鑿巖機(jī)也可改作破壞器，用來(lái)破碎混凝土之類(lèi)的堅(jiān)硬層。</p><p><b>　　圖5 鑿巖機(jī)</b></p><p>　　鑿巖機(jī)按其動(dòng)力來(lái)源可分為風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)、內(nèi)燃鑿巖機(jī)、電動(dòng)鑿巖機(jī)和液壓鑿巖機(jī)等四類(lèi)。</p><p>　　液壓鑿巖機(jī)是近幾年來(lái)出現(xiàn)的一種新型鑿巖機(jī)，基本可以分為二種

18、類(lèi)型：一種是小型手持式，其沖擊能量較小，主要是用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風(fēng)鎬，大多數(shù)與小型挖掘——裝載機(jī)、液壓工程車(chē)等配套使用；另一種是大型機(jī)載式，這類(lèi)液壓鑿巖機(jī)大多是以液壓挖掘機(jī)的反鏟作業(yè)裝置為基礎(chǔ)，將反鏟斗換裝成鑿巖機(jī)行工作，由挖掘機(jī)駕駛員在駕駛室內(nèi)進(jìn)行操作。此類(lèi)鑿巖機(jī)的能量較大，一般在1~6kN·m范圍內(nèi)。氣動(dòng)鑿巖機(jī)雖然具備很多優(yōu)點(diǎn)，但存在著能耗大和作業(yè)環(huán)境惡劣的缺點(diǎn)，1946 年研制成功礦用牙輪鉆機(jī)，20 世紀(jì) 70 年代初期液壓

19、鑿巖機(jī)投入市場(chǎng)。近年來(lái)，國(guó)外一些先進(jìn)礦山實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)、采礦鑿巖鉆車(chē)遙控和機(jī)器人化，并將支腿式水力鑿巖機(jī)和水壓潛孔沖擊器投入使用。</p><p>　　液壓鑿巖機(jī)作為重要的旋轉(zhuǎn)沖擊式鉆孔設(shè)備,廣泛應(yīng)用于中小型露天礦、巖土工程、鐵路、公路、水電等領(lǐng)域,進(jìn)行基礎(chǔ)施工、隧道開(kāi)挖、勘探、采石、采礦作業(yè)爆破孔的鉆鑿。</p><p>　　1.2 鑿巖機(jī)的工作原理</p><p>

20、;　　鑿巖機(jī)是按沖擊破碎原理進(jìn)行工作的，如圖6所示。工作時(shí)活塞做高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不斷地沖擊釬尾。在沖擊力的作用下，呈尖楔狀的釬頭將巖石壓碎并鑿入一定的深度，形成一道凹痕?；钊嘶睾螅F子轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，活塞向前運(yùn)動(dòng)，再次沖擊釬尾時(shí)，又形成一道新的凹痕。兩道凹痕之間的扇形巖塊被由釬頭上產(chǎn)生的水平分力剪碎。活塞不斷地沖擊釬尾，并從釬子的中心孔連續(xù)地輸入壓縮空氣或壓力水，將巖渣排出孔外，即形成一定深度的圓形鉆孔。</p><p

21、>　　圖6 鑿巖機(jī)工作原理</p><p>　　1.3 國(guó)外液壓鑿巖機(jī)研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前，國(guó)際液壓鑿巖機(jī)市場(chǎng)有競(jìng)爭(zhēng)能力的是瑞典的Adas-Copco公司和芬蘭的Tamrock公司，其銷(xiāo)售量占世界總銷(xiāo)售量的65%以上。法國(guó)Secomen及其它公司，也積極發(fā)展特色產(chǎn)品，力爭(zhēng)占領(lǐng)市場(chǎng)。</p><p>　　1、瑞典Adas-Copco公司的液壓鑿

22、巖機(jī)</p><p>　　Atlas-eopeo公司液壓鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)原理：Cop系列液壓鑿巖機(jī)系列產(chǎn)品沖擊機(jī)構(gòu)基本工作原理Cop系列液壓鑿巖機(jī)系列產(chǎn)品沖擊機(jī)構(gòu)基本工作原理相同，即為外閥式結(jié)構(gòu)，采用前后腔交替回油、用換向伐控制活塞的運(yùn)動(dòng)。在沖程階段(圖7- a)換回閥芯及活塞均位于末端，高壓油徑高壓進(jìn)油路1到后腔通道3，進(jìn)入沖擊缸體后腔，振動(dòng)活塞A向前做等加速運(yùn)動(dòng)；在沖程換向階段(圖7-b)，沖擊活塞A向前移動(dòng)至預(yù)

23、定位置，打開(kāi)右推閥通道口，高壓油徑后推閥通道5，作用在換向閱B的右端后，推動(dòng)滑閥B換向，閣左端腔室中的油徑前推閥通道4、換向閥排油通道7及回油通道6回油箱，為回程運(yùn)動(dòng)做好準(zhǔn)備;在回程階段(圖7-C)，當(dāng)活塞已打擊釬尾C、滑閥B換向，在完成沖程運(yùn)動(dòng)的瞬間，即刻進(jìn)人回程運(yùn)動(dòng)，高壓油從進(jìn)油路1到前腔通道2，進(jìn)人沖擊缸前腔，推動(dòng)活塞A向后運(yùn)動(dòng);在回程換向階段(圖7-d)，活塞A向后移動(dòng)打開(kāi)前推閻通道4時(shí)，高壓油經(jīng)前推閥通道4，作用在滑閥5、回油

24、通道6流回油箱?；y移到右端，則下一個(gè)沖程運(yùn)動(dòng)開(kāi)始?；钊c換向閥如此連續(xù)反復(fù)運(yùn)動(dòng)，使沖擊活塞連續(xù)沖擊釬尾做功。</p><p>　　圖7 Adas-Copco鑿巖機(jī)工作流程</p><p>　　2、芬蘭Tamrock公司的液壓鑿巖機(jī)</p><p>　　Tamrock公司液壓鑿巖機(jī)的沖擊工作原理及其特點(diǎn)，Tamrock公司液壓鑿巖機(jī)采用前腔常高壓，后腔壓力交變，利

25、用套閥配流而實(shí)現(xiàn)括塞往復(fù)沖擊運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)作原理見(jiàn)圖示。</p><p>　　圖8 Tamrock鑿巖機(jī)工作原理</p><p>　?、倩爻虛Q向階段(圖示8-a)活塞與運(yùn)行到前端打擊位置，活塞5中部與配油閥9形成的推閥腔10進(jìn)高壓油，分別作用在閥前小端面2和閥前大端面n上，此時(shí)配油閥9前端面的面積之和大于閥后端面7的面積，使配油閥9向后移動(dòng)至末端，將活塞5后腔室8的壓力油并接回油蓄能器3以后

26、回油，活塞5的前腔室1中的壓力油推動(dòng)活塞5向后運(yùn)動(dòng)。②沖程換向階段(圖8-b)活塞5向后運(yùn)動(dòng)，使推閥腔10與高壓油路斷開(kāi)，接通回油，壓力油分別作用在配油閥9的前、后端面上(此時(shí)后端面7的面積大于前小端面2的面積)，配油閥9向前移動(dòng)，活塞5的后腔室8進(jìn)高壓油，活塞向前做等加速運(yùn)動(dòng)。如此循環(huán)，現(xiàn)實(shí)沖擊動(dòng)作。該公司液壓鑿巖機(jī)采用套閥結(jié)構(gòu)，控制油路段，換向引起的能量損失小，有利于沖擊運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。此外，液壓系統(tǒng)是低壓大流量，可靠性也容易得到保

27、證。</p><p>　　1.4 國(guó)內(nèi)液壓鑿巖機(jī)研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前我國(guó)參與鑿巖機(jī)研制的單位主要有煤炭研究院北京建井研究所、北京科技大學(xué)、中南大學(xué)、山河智能裝備集團(tuán)、長(zhǎng)沙礦冶研究院、天水風(fēng)動(dòng)工具廠、沈陽(yáng)風(fēng)動(dòng)工具廠、瞿州鑿巖機(jī)廠、蓮花山鑿巖釬具有限公司等10多個(gè)單位,成功研制了 20多種型號(hào)的鑿巖機(jī)。他們分別是:YYG30、YYG80、YYG80A、YYG90、YYG90A、

28、YYG250A、SWHD90、SWHD220、YYT30、GGT70、CYY20、YYGJ145 (仿 Copl038H)、和 DZYG38B(仿 Copl238ME)。</p><p>　　這些鑿巖機(jī)的沖擊能多在150-250J之間,鉆孔直徑一般為40?50mm,只有SWHD90、SWHD220、YYG250A、YYGJ145, TYYG20 和 DZYG38B 型液壓鑿巖機(jī)鉆孔直徑孔徑大于50mm,最大可達(dá)1

29、20nim。據(jù)統(tǒng)計(jì),這些液壓鑿巖機(jī)在市場(chǎng)銷(xiāo)售了400多臺(tái),除兩款仿造市場(chǎng)銷(xiāo)售的機(jī)型外,其余的都是我國(guó)自主研發(fā)的。其中由中南工業(yè)大學(xué)研究設(shè)計(jì)的YG90型液壓鑿巖機(jī),1988年在汝城鶴礦使用時(shí),創(chuàng)造了在2.4 mX2.6 m的斷面中月進(jìn)尺250m,掘進(jìn)工效穩(wěn)步超過(guò)1 m /工班的好成績(jī),1991年在桓仁銅鋅礦創(chuàng)造過(guò)單臺(tái)單班進(jìn)尺5.4?6 m的好成績(jī)。由蓮花山鑿巖釬具有限公司引進(jìn)法國(guó)Eimco-Secoma公司技術(shù)生產(chǎn)的HYD300液壓鑿巖機(jī)

30、,國(guó)產(chǎn)化率達(dá)95%,沖擊活塞壽命可達(dá)2000ni左右,各項(xiàng)性能不亞于國(guó)外同類(lèi)機(jī)型水平,并已批量生產(chǎn)，如圖9所示。</p><p>　　圖9 HYD300鑿巖機(jī)</p><p>　　雖然我國(guó)在液壓鑿巖機(jī)方面取得了一定的成績(jī),但是與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)尚有較大的距離。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的穩(wěn)定性指標(biāo)(不拆機(jī)檢修)均在500m左右,而Atlas Copco3 的產(chǎn)品一般都在6000m左右。究其原因主要有:①缺乏適

31、用于局頻、尚速、局壓的密封件技術(shù);②缺乏活塞、釬尾、配流閥等關(guān)鍵零部件的材料、熱處理、加工工藝等方面的研究;③蓄能器隔膜的壽命短;④缺乏系統(tǒng)、完善的理論指導(dǎo)鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。這些因素嚴(yán)重限制了我國(guó)液壓鑿巖機(jī)的發(fā)展。</p><p>　　1.5 虛擬樣機(jī)與運(yùn)動(dòng)仿真</p><p>　　產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行虛擬樣機(jī)制造和運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本具有重要的作用。本文將對(duì)鑿巖機(jī)行走機(jī)

32、構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，制造虛擬樣機(jī)，同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。</p><p>　　虛擬樣機(jī)制造在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)、日本等已得到了不同程度的研究和應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，美國(guó)處于國(guó)際研究的前沿，福特汽車(chē)公司和克萊斯勒汽車(chē)公司在新型汽車(chē)的開(kāi)發(fā)中已經(jīng)應(yīng)用了虛擬制造技術(shù)，大大縮短了產(chǎn)品的發(fā)布時(shí)間。波音公司設(shè)計(jì)的777型大型客機(jī)(如圖10)是世界上首架以三維無(wú)紙化方式設(shè)計(jì)出的飛機(jī)，它的設(shè)計(jì)成功已經(jīng)成為虛擬制造從理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嵱没?/p>

33、一個(gè)里程碑。</p><p>　　基于產(chǎn)品的數(shù)字化模型，應(yīng)用先進(jìn)的系統(tǒng)建模和仿真優(yōu)化技術(shù)，虛擬制造實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、制造到檢驗(yàn)全過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬(如圖11)，并對(duì)其運(yùn)作進(jìn)行了合理的決策與最優(yōu)控制。虛擬制造以產(chǎn)品的“軟”模型取代了實(shí)物樣機(jī)，通過(guò)對(duì)模型的模擬測(cè)試進(jìn)行產(chǎn)品評(píng)估，能夠以較低的生產(chǎn)成本獲得較高的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的發(fā)布周期，提高了效率，本文將實(shí)現(xiàn)馬尾紗包芯紗紡紗機(jī)樣機(jī)的虛擬制造和動(dòng)態(tài)仿真。</

34、p><p>　　1.6 本文的研究?jī)?nèi)容</p><p>　　鑿巖機(jī)用于道路橋梁的鉆孔工作，工作條件惡劣，要求采用液壓傳動(dòng)進(jìn)行總體動(dòng)力輸出，通過(guò)本課題掌握機(jī)械設(shè)計(jì)和液壓設(shè)計(jì)的有關(guān)知識(shí)以及設(shè)計(jì)過(guò)程。</p><p>　　本文主要進(jìn)行鑿巖機(jī)滑軌和托架的機(jī)械設(shè)計(jì)和承載力分析，包括各機(jī)構(gòu)的承載力分析、零件參數(shù)化實(shí)體建模、繪制二維工程圖紙、虛擬樣機(jī)的制造、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。</

35、p><p>　　第二章 鑿巖機(jī)滑架及托架承載力和屈服強(qiáng)度分析</p><p>　　2.1 鑿巖機(jī)機(jī)架和托架三維實(shí)體圖和機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖</p><p>　　如圖1所示，對(duì)整個(gè)裝配模型進(jìn)行拆分，分解得到鑿巖機(jī)機(jī)架和托架的三維實(shí)體，其中為了后續(xù)計(jì)算方便還包括鑿巖機(jī)的大臂部分，以及每個(gè)液壓缸提供的動(dòng)力部分。</p><p>　　圖1 鑿巖機(jī)機(jī)架、托架和大臂

36、部分</p><p>　　機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖是用特定的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副符號(hào)來(lái)表示機(jī)構(gòu)的一種簡(jiǎn)化示意圖，僅著重表示其機(jī)構(gòu)組成特征。用規(guī)定的符號(hào)按比例畫(huà)出機(jī)械中只與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)位置及其幾何尺寸的圖形。它相當(dāng)于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型，與原機(jī)構(gòu)有完全相當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)，可以簡(jiǎn)明地表達(dá)一部機(jī)器的傳動(dòng)原理，用于以圖解法求機(jī)構(gòu)上任意點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和力，以及運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方案的比較。</p><p>　　繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的步驟：&

37、lt;/p><p>　　1、搞清機(jī)械的實(shí)際構(gòu)造、動(dòng)作原理和運(yùn)動(dòng)情況，確定原動(dòng)件、機(jī)架、傳動(dòng)部件和執(zhí)行部件。</p><p>　　2、沿運(yùn)動(dòng)傳遞路線，逐一分析每?jī)蓚€(gè)構(gòu)件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，確定運(yùn)動(dòng)副的類(lèi)型和數(shù)目。</p><p>　　3、恰當(dāng)選擇運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的視圖平面，通常選擇機(jī)械中多數(shù)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)平面為視圖平面。</p><p>　　4、選擇恰當(dāng)?shù)淖鲌D

38、比例尺。</p><p>　　5、確定各運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)位置，用各運(yùn)動(dòng)副的代表符號(hào)、常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào)和簡(jiǎn)單線條，繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。</p><p>　　6、在原動(dòng)件上標(biāo)出箭頭以表示其運(yùn)動(dòng)方向。</p><p>　　按上述步驟對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，垂直液壓缸1給鑿巖機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)端部輸送壓力，使機(jī)構(gòu)端部能將巖石鑿穿。垂直氣缸2帶動(dòng)整個(gè)托架在滑軌上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行部分的升降定位

39、。大臂氣缸3和氣缸4實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)定位，這樣就能實(shí)現(xiàn)末端的靈活鉆孔。</p><p>　　根據(jù)上述分析，繪制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖主視圖如下圖2所示。視圖中，剖面線表示固定機(jī)座，圓圈表示轉(zhuǎn)動(dòng)副，F(xiàn)為該部分機(jī)構(gòu)承載的力，M為該部分機(jī)構(gòu)承載的力矩，在此基礎(chǔ)上計(jì)算每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的受力情況以及液壓缸的承載情況，方便后續(xù)液壓缸的選型以及機(jī)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)。</p><p>　　圖2 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖主視圖&

40、lt;/p><p>　　由于該機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，為空間機(jī)構(gòu)，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)和動(dòng)力機(jī)構(gòu)不在一個(gè)平面內(nèi)，平面機(jī)構(gòu)不能很好地表達(dá)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。對(duì)于垂直的兩氣缸以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，另作一個(gè)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖右視圖，如圖3所示，方便表達(dá)和計(jì)算。圖中液壓缸用矩形表示，末端鉆頭用三角形表示，正方形表示連接機(jī)構(gòu)，F(xiàn)1表示實(shí)際作業(yè)中受到的力，下面就以該模型為基礎(chǔ)計(jì)算該機(jī)構(gòu)的承載力。</p><p>　　圖3 整體滑架和托架機(jī)

41、構(gòu)簡(jiǎn)圖右視圖</p><p>　　2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力分析</p><p>　　首先進(jìn)行鑿巖機(jī)末端的受力分析，根據(jù)圖3 的機(jī)構(gòu)分析，F(xiàn)1為所受工作力，F(xiàn)2為末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推動(dòng)力，F(xiàn)4為推動(dòng)托架沿滑軌直線運(yùn)動(dòng)的力，G為托架以及液壓缸4所受的總重力，F(xiàn)3為該機(jī)構(gòu)與前一部分機(jī)構(gòu)的作用力，a兩液壓缸之間的水平距離，機(jī)構(gòu)的各尺寸參數(shù)和機(jī)構(gòu)的受力分析圖如下圖4所示，</p><

42、p>　　圖4 機(jī)構(gòu)件圖右視圖</p><p>　　根據(jù)受力分析圖以及鑿巖機(jī)構(gòu)工作原理有：</p><p>　　F4為推動(dòng)托架沿滑軌直線運(yùn)動(dòng)的力，則有：</p><p>　　將圖中所有的力F1 、F2 、F3 、F4 、G、G1向o點(diǎn)簡(jiǎn)化，則有：</p><p>　　然后進(jìn)行中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力分析，即大臂機(jī)構(gòu)的受力分析。大臂機(jī)構(gòu)的受力分

43、析如圖5所示。F3、F5、F6、F7、F8、F9、F10均為個(gè)構(gòu)件所受的力，a、b、c、d、e、f、g、h為機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的尺寸大小。</p><p>　　圖5 大臂機(jī)構(gòu)的受力分析</p><p>　　受力分析的目的就是要求出每個(gè)主動(dòng)構(gòu)件所需提供的主動(dòng)力大小。運(yùn)用理論力學(xué)的知識(shí)，受力分析過(guò)程如下。</p><p>　　o1、o2、o3為組成三角模塊的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，已知F

44、3和M1，需求出F5和F6的大小。</p><p>　　以末端三角模塊為研究對(duì)象，受力圖如圖6所示：</p><p>　　圖6 三角模塊受力分析</p><p>　　以o1為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，垂直方向?yàn)閥軸建立直角坐標(biāo)系o1-xyz。根據(jù)平衡條件，在水平方向有：</p><p><b>　　在豎直方向有：</b>&

45、lt;/p><p>　　將F5、F6向o1進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)力矩平衡有：</p><p><b>　　其中α按下式求得：</b></p><p>　　聯(lián)立上述各式，可解得F5、F6為：</p><p><b>　　根據(jù)二力桿平衡有：</b></p><p><b>　　則：

46、</b></p><p>　　然后對(duì)水平桿進(jìn)行受力分析，水平桿的受力圖如下圖7所示。圖中，以o7為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，垂直方向?yàn)閥軸，建立坐標(biāo)系o7-xyz。已知F10和F6，求取F7和F9。</p><p>　　圖7 水平桿的受力圖</p><p>　　根據(jù)水平桿的平衡條件，在水平方向上有：</p><p><b>

47、;　　在垂直方向有：</b></p><p><b>　　其中，</b></p><p>　　聯(lián)立上述各式，可得：</p><p>　　根據(jù)二力桿的平衡條件，可確定：</p><p><b>　　則：</b></p><p>　　至此，傳動(dòng)部分受力分析完畢。<

48、;/p><p>　　2.3 滑軌的屈服強(qiáng)度分析</p><p>　　屈服強(qiáng)度：是金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的屈服極限，亦即抵抗微量塑性變形的應(yīng)力。對(duì)于無(wú)明顯屈服的金屬材料，規(guī)定以產(chǎn)生0.2%殘余變形的應(yīng)力值為其屈服極限，稱(chēng)為條件屈服極限或屈服強(qiáng)度。大于此極限的外力作用，將會(huì)使零件永久失效，無(wú)法恢復(fù)。如低碳鋼的屈服極限為207MPa，當(dāng)大于此極限的外力作用之下，零件將會(huì)產(chǎn)生永久變形，小于這個(gè)的，零

49、件還會(huì)恢復(fù)原來(lái)的樣子。</p><p>　　經(jīng)過(guò)上述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力分析可知，滑軌所受的載荷沿軸線方向，其大小與F2大小相等，方向相反。</p><p>　　滑軌材料采用20號(hào)鋼，查詢(xún)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，可知20號(hào)鋼的性能參數(shù)如下：</p><p>　　1、20鋼的20是指含碳量，含碳量為0.2%，屬于低碳鋼。</p><p>　　2、該鋼屬于優(yōu)質(zhì)低

50、碳碳素鋼，冷擠壓、滲碳淬硬鋼。該鋼強(qiáng)度低，韌性、塑性和焊接性均好?？估瓘?qiáng)度為253-500MPa，伸長(zhǎng)率≥24%。</p><p>　　3、未熱處理態(tài)，硬度≤156HBS。</p><p>　　4、化學(xué)成分如下表：</p><p>　　5、相變點(diǎn)溫度（近似值）Ac1=735℃，Ac3=855℃，Ar3=835℃，Ar1=680℃。</p><p&

51、gt;　　6、正火規(guī)范 溫度920~950℃，出爐空冷。硬度131~156HBS。</p><p>　　7、冷壓毛坯軟化處理規(guī)范 溫度700~720℃，保溫時(shí)間8~15h，再以50~100℃/h的冷速，隨爐降至溫度≤550~600℃，出爐空冷。</p><p>　　8、淬火規(guī)范 溫度910℃±10℃，10%NaCl鹽水冷卻。</p><p>　　9、實(shí)測(cè)屈

52、服強(qiáng)度為275Mpa，彈性模量為206Gpa，泊松比ν=0.3。</p><p>　　10、抗剪強(qiáng)度275~392MPa,抗拉強(qiáng)度為253~500MPa，屈服強(qiáng)度為275MPa，延伸率為25%。</p><p>　　11、20號(hào)鋼在225℃下的許用應(yīng)力：(16-36mm)111-124MPa之間；(6-16mm)之間117-131MPa，20號(hào)鋼在100℃下的許用應(yīng)力：150℃時(shí)，20號(hào)鋼

53、鋼管的許用應(yīng)力為130 MPa，20號(hào)鋼鍛件的許用應(yīng)力為108MPa。</p><p>　　如圖8所示，滑軌的橫截面剖視圖為：</p><p>　　圖8 滑軌的橫截面剖視圖</p><p>　　根據(jù)圖示，可求得滑軌橫截面的面積為：</p><p>　　滑軌所受的載荷沿軸線方向，其大小與F2大小相等，則可知滑軌承受的應(yīng)力為：</p>

54、;<p>　　根據(jù)屈服強(qiáng)度校核條件：</p><p>　　其中，對(duì)于20鋼，。</p><p>　　同理，可求得，滑軌能承受的最大的載荷為：</p><p>　　至此，屈服強(qiáng)度校核完畢。</p><p><b>　　2.4 結(jié)果驗(yàn)證</b></p><p>　　為了驗(yàn)證結(jié)果的正確性

55、，不妨設(shè)工作載荷，，，，，a=350mm，b=800mm，c=400mm，d=700mm，e=600mm，f=300mm，g=500mm，h=500mm，h=100mm可計(jì)算得上述各量：</p><p>　　2.3 螺栓組連接的受力分析</p><p>　　末端執(zhí)行器的托架機(jī)構(gòu)中存在螺栓組連接，為了保證連接的可靠性，必須進(jìn)行螺栓組的受力分析。</p><p>　　

56、螺栓組連接機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖可以簡(jiǎn)化為圖9所示形式。</p><p>　　圖9 托架螺栓組連接圖</p><p>　　托架螺栓組連接受力分析圖為圖10所示形式。</p><p>　　圖10 托架螺栓組連接的受力分析</p><p>　　由圖9知，F(xiàn)3和M為已知力和力矩，根據(jù)圖10所示的受力分析圖確定螺栓的受力情況。</p><p

57、>　　在縱向力力作用下，各個(gè)螺栓所受的縱向載荷大小相同，方向與相同。</p><p>　　根據(jù)前面分析，設(shè),則：</p><p>　　而在旋轉(zhuǎn)力矩M作用下，由于各個(gè)螺栓中心至形心O點(diǎn)的距離相等，所以各個(gè)螺栓所受的橫向載荷大小也相同，但方向各垂直于螺栓中心與形心的連線。</p><p>　　設(shè)螺栓之間的水平距離和豎直距離均為t=200mm，各螺栓中心至形心點(diǎn)的距

58、離為：</p><p><b>　　所以：</b></p><p>　　由圖9可知，螺栓1和4所受兩力的夾角最小，故螺栓1和2所受橫向載荷最大，即：</p><p>　　當(dāng)采用鉸制孔螺栓連接時(shí)，由上述計(jì)算單個(gè)螺栓受最大橫向載荷：</p><p>　　用普通螺栓連接時(shí)，普通螺栓連接在預(yù)緊力作用下利用接合面的摩擦力來(lái)傳遞橫向

59、載荷。普通螺栓的橫向載荷的分析同上，則：</p><p>　　對(duì)于單個(gè)受力最大的螺栓，由得：</p><p>　　第三章 滑軌機(jī)構(gòu)和托架零件實(shí)體造型與裝配</p><p>　　3.1 實(shí)體造型概述</p><p>　　零件的幾何造型與虛擬裝配是動(dòng)畫(huà)仿真的基礎(chǔ)，為了實(shí)現(xiàn)鑿巖機(jī)工作過(guò)程的動(dòng)畫(huà)仿真，首先得建立鑿巖機(jī)的三維幾何模型。鑿巖機(jī)三維模型

60、的建立主要包括各個(gè)零部件的實(shí)體造型以及整機(jī)的虛擬裝配。</p><p>　　實(shí)體造型技術(shù)(Solid Modeling)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域中建立3D實(shí)體模型的關(guān)鍵技術(shù)。計(jì)算機(jī)實(shí)體造型進(jìn)行虛擬制造，是借助電子計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)，對(duì)復(fù)雜的真實(shí)系統(tǒng)和狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字模擬，具有經(jīng)濟(jì)、安全、快捷、具有優(yōu)化設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)的特殊功能。實(shí)體造型技術(shù)是指描述幾何模型的形狀和屬性的信息并存于計(jì)算機(jī)內(nèi)，由計(jì)算機(jī)生成具

61、有真實(shí)感的可視的三維圖形的技術(shù)。</p><p>　　目前常用的實(shí)體表示方法主要有：邊界表示法(BRep)、構(gòu)造實(shí)體幾何法(CSG)和掃描法。</p><p>　　借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬制造，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①將新產(chǎn)品維修和維護(hù)的方法直觀地演示給觀眾，使觀眾更容易理解，以便能準(zhǔn)確操作；②很多復(fù)雜的設(shè)備，由于在其設(shè)計(jì)階段，其工作過(guò)程中的狀態(tài)無(wú)法具體化，采用三維抽象模擬，就可以解決此類(lèi)問(wèn)題，大大節(jié)省

62、了成本和時(shí)間，讓設(shè)計(jì)者能輕易地理解運(yùn)行狀態(tài)中產(chǎn)品的實(shí)際情況，改進(jìn)設(shè)計(jì)； ③大型設(shè)備的運(yùn)送、現(xiàn)場(chǎng)安裝、安裝過(guò)程、現(xiàn)場(chǎng)工作實(shí)景，特別是一些特殊場(chǎng)景，無(wú)法以傳統(tǒng)的拍攝模式將設(shè)備信息展現(xiàn)給觀眾，而采用三維模擬，可以將這些難以表達(dá)清楚的場(chǎng)景和過(guò)程，一一列舉，清晰準(zhǔn)確。 </p><p>　　本章將以第二章完成的設(shè)計(jì)方案為依據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的正確性和有效性。</p>&

63、lt;p>　　3.2 鑿巖滑軌和托架零部件造型</p><p>　　幾何建模采用自下而上的建模方法，即根據(jù)各個(gè)零件的結(jié)構(gòu)形狀與尺寸建立零件的三維幾何模型，然后再按照零件之間的配合與約束關(guān)系進(jìn)行裝配，完成整機(jī)的虛擬裝配。</p><p>　　Solidworks零部件的建模過(guò)程為：首先選取合適的基準(zhǔn)面，建立各零部件的平面草圖；其次利用拉伸、特征掃描、旋轉(zhuǎn)、切除、放樣等命令完成零件的基

64、本特征的造型；然后利用倒角、圓角等命令完成局部的造型，最后完成整個(gè)零件的建模。</p><p>　　Solidworks提供了強(qiáng)大的裝配功能，其優(yōu)點(diǎn)為：①在裝配體環(huán)境下，可以方便地設(shè)計(jì)及修改零部件；②可以動(dòng)態(tài)觀察整個(gè)裝配體中的所有運(yùn)動(dòng)，可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查及間隙檢測(cè)；③可以通過(guò)鏡像、陣列零部件，設(shè)計(jì)創(chuàng)建出新的零部件及裝配體。在滑軌和托架機(jī)構(gòu)的裝配過(guò)程中，首先插的零部件會(huì)自動(dòng)定義為固定靜止的部件，然后

65、依次插入各零部件，通過(guò)一系列的配合約束關(guān)系，裝配成整機(jī)。裝配前，應(yīng)該認(rèn)真分析各零件、部件在部件、整機(jī)中的位置、作用、以及相關(guān)的裝配關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系，以保證裝配運(yùn)動(dòng)的靈活性、不干涉性。下面通過(guò)介紹裝配過(guò)程， 說(shuō)明在Solidworks中的裝配體生成方法：①打開(kāi)新建裝配體命令，即進(jìn)入生成裝配體的界面；②在裝配體界面中，點(diǎn)擊“插入零部件”命令，排列各零部件，順序按照從上到下排列。注意插入的零部件應(yīng)該集中在一個(gè)區(qū)域，不要過(guò)于分散，以便于下一步裝配

66、步驟；③裝配時(shí)，將所有的零部件通過(guò)“重合”、“平行”、“垂直”、“距離”、“同軸心” 等配合約束裝配起來(lái)。裝配好具有對(duì)稱(chēng)特征的一邊零部件后，運(yùn)用圓周陣列特征命令，裝配零件。裝配時(shí)，要運(yùn)用“移動(dòng)零部件”、“旋轉(zhuǎn)零部件” 將零件拖動(dòng)到便于配合的合適</p><p>　　本節(jié)針對(duì)六角螺栓、六角頭螺母、重型板式鏈、軸、鍵、單列圓錐滾子軸承和法蘭等零件分別進(jìn)行幾何建模與整機(jī)虛擬裝配，這是實(shí)現(xiàn)滑軌和托架動(dòng)畫(huà)仿真的關(guān)鍵。<

67、;/p><p>　　3.2.1 六角螺栓建模</p><p>　　六角螺栓是指頭部和螺桿組成的緊固件，螺栓按材質(zhì)分有鐵螺栓和不銹鋼螺栓。鐵的按等級(jí)分有4.8級(jí)螺栓，8.8級(jí)螺栓。不銹鋼螺栓按材質(zhì)為有不銹鋼SUS201螺栓，SUS304螺栓，SUS316螺栓。</p><p>　　按連接的受力方式，有普通的和有鉸制孔用的。鉸制孔用的螺栓要和孔的尺寸配合，用在受橫向力時(shí)。

68、</p><p>　　按頭部形狀有六角頭的，圓頭的，方形頭的，沉頭的等等，一般沉頭用在要求連接后表面光滑沒(méi)突起的地方，因?yàn)槌令^可以擰到零件里。圓頭也可以擰進(jìn)零件里。方頭的擰緊力可以大些，但是尺寸很大，六角頭是最常用的。</p><p>　　另外為了滿(mǎn)足安裝后鎖緊的需要，有頭部有孔的，桿部有孔的，這些孔可以使螺栓受振動(dòng)時(shí)不至松脫。</p><p>　　有的螺栓沒(méi)螺紋的

69、光桿要做細(xì)，叫細(xì)腰螺栓，這種螺栓有利于受變力的聯(lián)結(jié)。鋼結(jié)構(gòu)上有專(zhuān)用的高強(qiáng)度螺栓，頭部會(huì)做大些，尺寸也有變化。另外有特殊用處的：T形槽螺栓用，機(jī)床夾具上用的最多，形狀特殊，頭部?jī)蓚?cè)要切掉。地腳螺栓用于機(jī)器和地面連接固定的，有很多種形狀.U形螺栓,如前述等等，還有焊接用的專(zhuān)用螺柱，一頭有螺紋一頭沒(méi)，可以焊在零件上，另一邊直接擰螺母。</p><p>　　根據(jù)幾何參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)行六角螺栓的幾何建模。六角螺栓的幾何模型如下

70、圖1和圖2所示。</p><p>　　圖1 六角螺栓的三維線框圖</p><p>　　圖2 六角螺栓的三維實(shí)體圖</p><p>　　3.2.2 軸承的實(shí)體建模</p><p>　　軸承（“Bearing”，日本人稱(chēng)“軸受”）是在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中起固定和減小載荷摩擦系數(shù)的部件。也可以說(shuō)，當(dāng)其它機(jī)件在軸上彼此產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，用來(lái)降低動(dòng)力傳遞

71、過(guò)程中的摩擦系數(shù)和保持軸中心位置固定的機(jī)件。軸承是當(dāng)代機(jī)械設(shè)備中一種舉足輕重的零部件。它的主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，用以降低設(shè)備在傳動(dòng)過(guò)程中的機(jī)械載荷摩擦系數(shù)。按運(yùn)動(dòng)元件摩擦性質(zhì)的不同，軸承可分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩類(lèi)。</p><p>　　軸承是各類(lèi)機(jī)械裝備的重要基礎(chǔ)零部件，它的精度、性能、壽命和可靠性對(duì)主機(jī)的精度、性能、壽命和可靠性起著決定性的作用。在機(jī)械產(chǎn)品中，軸承屬于高精度產(chǎn)品，不僅需要數(shù)學(xué)、物理等諸多學(xué)

72、科理論的綜合支持，而且需要材料科學(xué)、熱處理技術(shù)、精密加工和測(cè)量技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和有效的數(shù)值方法及功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)技術(shù)等諸多學(xué)科為之服務(wù)，因此軸承又是一個(gè)代表國(guó)家科技實(shí)力的產(chǎn)品。</p><p>　　根據(jù)第二章的幾何參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)行軸承的幾何建模。軸承的幾何模型如下圖3和圖4所示。</p><p>　　圖3 軸承的三維線框圖</p><p>　　圖4 軸承的三維實(shí)體圖

73、</p><p>　　3.2.3 軸和鍵實(shí)體建模</p><p>　　輪軸指支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件并與之一起回轉(zhuǎn)以傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩或彎矩的機(jī)械零件。一般為金屬圓桿狀，各段可以有不同的直徑。機(jī)器中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件就裝在軸上。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)軸和軸上零件的一起運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)鍵連接實(shí)現(xiàn)。鍵主要用作軸和軸上零件之間的周向固定以傳遞扭矩，有些鍵還可實(shí)現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向移

74、動(dòng)。如減速器中齒輪與軸的聯(lián)結(jié)。</p><p>　　下圖5和圖6分別為軸的線框圖和實(shí)體圖，圖7和圖8圖分別為鍵的線框圖和實(shí)體圖。</p><p>　　圖5 齒輪軸的線框圖</p><p>　　圖6 齒輪軸的實(shí)體圖</p><p>　　圖7 鍵的線框圖 圖8 鍵的實(shí)體圖</p>

75、<p>　　3.2.4 六角螺母實(shí)體建模</p><p>　　六角螺母與螺栓、螺釘配合使用，起連接緊固機(jī)件作用。其中經(jīng)1型六用螺母應(yīng)用最廣，C級(jí)螺母用于表面比較粗糙、對(duì)精度要求不高的機(jī)器、設(shè)備或結(jié)構(gòu)上；A級(jí)和B級(jí)螺母用于表面比較光潔、對(duì)精度要求較高的機(jī)器、設(shè)備或結(jié)構(gòu)上。2型六角螺母的厚度M較厚，多用于常經(jīng)常需要裝拆的場(chǎng)合。六角薄螺母的厚度M較薄，多用于被連接機(jī)件的表面空間受限制的場(chǎng)合。六角螺母按照公

76、稱(chēng)厚度分為I型、II型和薄型三種。8級(jí)以上的螺母分為1型與II型兩種型式。</p><p>　　如圖9和圖10所示，根據(jù)第二章的計(jì)算分析，分別建立六角螺母的線框圖和實(shí)體圖，為后續(xù)裝配用。</p><p>　　圖9 六角螺母的三維線框圖</p><p>　　圖10 六角螺母的三維實(shí)體圖</p><p>　　3.2.5 重型板式鏈實(shí)體建模&

77、lt;/p><p>　　重型板式鏈實(shí)體建模，由多片鏈板用銷(xiāo)軸連接而成的鏈條。</p><p>　　如圖11和圖12所示，建立鑿巖機(jī)的重型板式鏈實(shí)體模型和線框圖，為后續(xù)裝配使用。</p><p>　　圖11 重型板式鏈的實(shí)體模型</p><p>　　圖12 重型板式鏈三維線框模型</p><p>　　3.2.6 軸套實(shí)

78、體建模</p><p>　　軸套是所有零件中比較簡(jiǎn)單的，主要用來(lái)軸上零件的軸向定位，軸套的線框圖和實(shí)體圖如圖13和圖14所示。</p><p>　　圖13 軸套的三維線框模型 圖14 軸套的三維線實(shí)體</p><p>　　3.2.6 連接板實(shí)體建模</p><p>　　如圖15和圖16所示為連接板的實(shí)體圖和三

79、維線框圖</p><p>　　圖15 連接板的實(shí)體圖 圖16 連接板的三維線框圖</p><p>　　3.2.7 滑軌和托架機(jī)構(gòu)的整體裝配</p><p>　　在外載荷的作用下，垂直液壓缸給末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，另一液壓缸推動(dòng)托架沿滑軌運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑軌的定位?；壓屯屑軝C(jī)構(gòu)的整體裝配實(shí)體圖和線框圖如圖17所示。</p>

80、<p>　　圖17 滑軌和機(jī)架整體裝配實(shí)體圖和線框圖</p><p>　　第四章 滑架機(jī)構(gòu)和托架裝配仿真和繪制工程圖</p><p>　　4.1 基于solidworks和cosmosmotion建立裝配仿真模型</p><p>　　傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)僅僅注重產(chǎn)品的前期功能性設(shè)計(jì)，例如結(jié)構(gòu)、功能、成本等，這些依靠常用的CAD 軟件即可完成，后期驗(yàn)證產(chǎn)

81、品功能時(shí)，可使用CAE 軟件進(jìn)行分析驗(yàn)證。 在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，除了對(duì)產(chǎn)品本身功能進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還需注意采用多種多樣的形式進(jìn)行產(chǎn)品的后續(xù)宣傳和形象傳遞，如海報(bào)、說(shuō)明書(shū)、產(chǎn)品的仿真動(dòng)畫(huà)等，特別是如何使機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)態(tài)運(yùn)作符合其實(shí)際的工作規(guī)律，并且把這種視像記錄下來(lái)，這一技術(shù)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中正占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。</p><p>　　機(jī)械產(chǎn)品的三維仿真動(dòng)畫(huà)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、加工制造和產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)中都具有現(xiàn)實(shí)意義。

82、不同客戶(hù)對(duì)同一產(chǎn)品的要求有時(shí)會(huì)不一樣，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)要反復(fù)修改實(shí)物樣品或制造多個(gè)實(shí)物樣品，周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，動(dòng)態(tài)仿真可以根據(jù)客戶(hù)的修改意見(jiàn)把產(chǎn)品逼真、直觀地模擬演示出來(lái)，得到客戶(hù)確認(rèn)后再實(shí)際進(jìn)行生產(chǎn)。在加工制造環(huán)節(jié)中，動(dòng)態(tài)仿真可以進(jìn)行直觀的全方位動(dòng)態(tài)視頻演示。</p><p>　　因此，制作機(jī)械產(chǎn)品的動(dòng)畫(huà)仿真不僅可以縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，同時(shí)也增強(qiáng)了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力以及與客戶(hù)的親和力，方便產(chǎn)品推廣和技術(shù)交流。</

83、p><p>　　機(jī)械產(chǎn)品零部件的三維實(shí)體建模與裝配是實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)仿真的基礎(chǔ)和前提。對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)而言，單純的零件沒(méi)有實(shí)際意義，必須裝配成完整部件或機(jī)器實(shí)體。裝配不僅是表達(dá)零件之間的配合關(guān)系，也是運(yùn)動(dòng)分析、干涉檢查和實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)的基礎(chǔ)。裝配的方法是將準(zhǔn)備好的零件逐一插入裝配體文件，并依次添加零件之間的配合關(guān)系。在SolidWorks中系統(tǒng)默認(rèn)第一個(gè)插入的零件是固定的，以作為其它零件裝配的基礎(chǔ)和參考，因此必須仔細(xì)考慮第一個(gè)零件的插

84、入，一般選擇產(chǎn)品的支架、底座等主要零件作為第一零件。</p><p>　　目前可以完成機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)態(tài)仿真的三維軟件很多，比較常用的有SolidWorks、Pro/E、UG、Matlab等。性?xún)r(jià)比較高，設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單方便的莫過(guò)于SolidWorks了。SolidWorks是在Windows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的一款功能強(qiáng)大的中高端三維CAD軟件，具有超動(dòng)感的用戶(hù)操作界面和獨(dú)到的特征管理樹(shù)，智能化的裝配功能和動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)模擬等特色，

85、而且操作簡(jiǎn)單，易學(xué)易用。</p><p>　　SolidWorks軟件還集成了很多應(yīng)用插件，如圖1所示，啟用COSMOSMotion插件，秉承SolidWorks一貫的簡(jiǎn)便易用的風(fēng)格，可以很方便的生成形象逼真的機(jī)械產(chǎn)品演示畫(huà)，讓原先呆板的設(shè)計(jì)成品動(dòng)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能展示。COSMOSMotion插件集成于SolidWorks軟件中，并且與SolidWorks軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。COSMOS Motion插件是一個(gè)

86、較強(qiáng)大的裝配分析與仿真模塊，通過(guò)它進(jìn)行行走機(jī)構(gòu)的動(dòng)畫(huà)仿真時(shí)，能夠精確地得到行走機(jī)構(gòu)各個(gè)零部件的速度、位移、是否干涉等運(yùn)動(dòng)情況。</p><p><b>　　圖1 插件對(duì)話框</b></p><p>　　SolidWorks軟件通過(guò)生成裝配體的爆炸視圖實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品拆裝的動(dòng)態(tài)仿真。建立爆炸視圖有自動(dòng)爆炸和手動(dòng)爆炸兩種方式。自動(dòng)爆炸可以自動(dòng)分解零部件，但要受裝配順序的影響。為

87、了準(zhǔn)確展現(xiàn)產(chǎn)品的拆裝關(guān)系，可以采用手動(dòng)爆炸方式，合理靈活地選擇零件的爆炸順序、爆炸方向和爆炸距離。</p><p>　　方法如下：?jiǎn)螕糁鞑藛沃械?插入/爆炸視命令，打開(kāi)/爆炸屬性管理器，如圖2所示。在裝配體上單擊要爆炸的零件，此時(shí)裝配體中被選中的零件以高亮顯示，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)設(shè)置移動(dòng)方向的坐標(biāo),單擊坐標(biāo)上的箭頭，確定爆炸方向。然后在/爆炸屬性管理器中的/設(shè)定面板中輸入爆炸距離，單擊/應(yīng)用按鈕,預(yù)覽爆炸效果，調(diào)整滿(mǎn)意

88、后單擊/完成，至此第一個(gè)零件爆炸結(jié)束。重復(fù)上述步驟，逐一生成每個(gè)零件的爆炸操作。</p><p>　　圖2 爆炸屬性管理器</p><p>　　在前面已經(jīng)給滑軌和托架機(jī)構(gòu)幾何建模的基礎(chǔ)上，COSMOSMotion仿真模塊對(duì)滑架機(jī)構(gòu)裝配仿真主要分為以下幾個(gè)步驟，如圖3所示。</p><p>　　滑架和托架機(jī)構(gòu)裝配仿真過(guò)程具體實(shí)施步驟：①確定滑架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)零部件與靜止零

89、部件，將滑軌設(shè)為靜止零部件，其他的部件設(shè)置為運(yùn)動(dòng)部件；②生成約束，COSMOSMotion提供旋轉(zhuǎn)副、球副、平移副、圓柱副、固定約束萬(wàn)向節(jié)等約束副，滑架機(jī)構(gòu)機(jī)座在整個(gè)裝配過(guò)程中就將相應(yīng)的約束副自動(dòng)添加到模型中了，如大小齒輪用齒輪配合形成了齒輪副，鍵和鍵槽之間采用平行配合形成了平移副連接，軸與軸套等采用同心配合形成了圓柱副；③爆炸和解除爆炸仿真，加載運(yùn)動(dòng)，滑架機(jī)構(gòu)爆炸動(dòng)畫(huà)仿真要求實(shí)現(xiàn)各零部件清晰準(zhǔn)確裝配。</p><p

90、>　　爆炸動(dòng)畫(huà)的制作步驟：?jiǎn)螕魟?dòng)畫(huà)向?qū)О粹o，如圖4所示，即出現(xiàn)動(dòng)畫(huà)向?qū)?duì)話框，如圖5所示，按提示操作即可實(shí)現(xiàn)爆炸動(dòng)畫(huà)和解除爆炸動(dòng)畫(huà)的制作。單擊/模擬工具欄中的/計(jì)算模擬按鈕，如圖6所示，即可開(kāi)始爆炸動(dòng)畫(huà)仿真，然后單擊/模擬工具欄中的/停止按鈕,即完成了仿真動(dòng)畫(huà)的制作?，F(xiàn)在/模擬工具欄中的/重播按鈕由灰變亮，需要觀看時(shí)只要單擊就可以在界面中看到即時(shí)的開(kāi)關(guān)動(dòng)畫(huà)了。</p><p>　　圖4 動(dòng)畫(huà)向?qū)О粹o<

91、;/p><p>　　圖5 動(dòng)畫(huà)向?qū)?duì)話框</p><p>　　圖6 動(dòng)畫(huà)啟動(dòng)和停止按鈕</p><p>　　4.2 滑軌和托架機(jī)構(gòu)動(dòng)畫(huà)仿真</p><p>　　利用solidworks COSMOSMotion插件對(duì)滑軌和托架機(jī)構(gòu)虛擬模型進(jìn)行裝配動(dòng)畫(huà)仿真，能夠方便的觀察零件的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，可以進(jìn)行軌跡跟蹤和干涉檢查，在一定程度上反應(yīng)了滑軌和托

92、架機(jī)構(gòu)的真實(shí)裝配情況。運(yùn)動(dòng)算例和仿真動(dòng)畫(huà)分別如圖7和8所示。</p><p>　　圖7 滑軌和托架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)算例</p><p>　　圖8 滑軌和托架機(jī)構(gòu)動(dòng)畫(huà)仿真</p><p>　　4.3 工程圖的繪制</p><p>　　三維數(shù)字化模型轉(zhuǎn)化為二維圖形時(shí)大部分是基于工程圖模板的，工程圖模板的好壞直接決定了后續(xù)工作的工作量。SolidWo

93、rks 軟件中的工程圖在參數(shù)驅(qū)動(dòng)后，工程圖的視圖、標(biāo)注等隨模型變化，這是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、數(shù)字化的基礎(chǔ)；但是模型中的零/部件配置改變或零/部件被替換之后，這些零/部件反映在工程圖中的線(點(diǎn)) 的 IDentity( ID) 發(fā)生變化，尺寸標(biāo)注及注解找不到原來(lái)的依附線(點(diǎn)) ，就會(huì)造成尺寸標(biāo)注及注解的漂移甚至報(bào)錯(cuò)，所以解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于保證尺寸標(biāo)注及注解依附線( 點(diǎn)) 的 ID 不變。</p><p>　　視圖比例的調(diào)整

94、主要依據(jù)視圖包絡(luò)線對(duì)角線長(zhǎng)度的變化，視圖包絡(luò)線又叫視圖邊界，當(dāng)指針經(jīng)過(guò)工程視圖的邊界時(shí)，視圖邊界被高亮顯示。邊界根據(jù)默認(rèn)緊密套合在視圖周?chē)? SolidWorks 賦予其大小，不可更改。如果添加草圖實(shí)體到工程圖視圖，邊界將自動(dòng)調(diào)整大小以包括這些項(xiàng)目。</p><p>　　裝配草圖是數(shù)字化設(shè)計(jì)常用的技術(shù)，參數(shù)驅(qū)動(dòng)時(shí)，裝配草圖在控制零/部件的尺寸和裝配關(guān)系的同時(shí)，自身的線(點(diǎn))的 ID 在參數(shù)驅(qū)動(dòng)前后保持不變，是尺寸

95、標(biāo)注及注解依附線(點(diǎn))的理想選擇，但是裝配草圖中的點(diǎn)和線與工程圖尺寸標(biāo)注及注解需要的依附線(點(diǎn))在數(shù)量和位置上有一定的區(qū)別，需要另外增加輔助線(點(diǎn))，以便為工程圖中的尺寸標(biāo)注及注解提供足夠的依附線(點(diǎn))。這種基于增加輔助線(點(diǎn))裝配草圖的工程圖模板在參數(shù)驅(qū)動(dòng)后，由于尺寸標(biāo)注及注解依附線(點(diǎn)) 的ID沒(méi)有發(fā)生變化，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的尺寸漂移以及報(bào)錯(cuò)現(xiàn)象，但是此類(lèi)工程圖模板在參數(shù)化驅(qū)動(dòng)后仍存在以下問(wèn)題: 1)視圖比例失調(diào); 2)視圖位置漂移，甚

96、至重疊；3) 尺寸標(biāo)注、序號(hào)線漂移；4)尺寸精度未按實(shí)際尺寸顯示; 5)在轉(zhuǎn)化為DWG 格式的圖形后，線形比例不符合要求。</p><p>　　4.3.1 軸的工程圖繪制</p><p>　　軸的工程圖如圖9所示，繪制了軸的主視圖和右視圖。</p><p><b>　　圖9 軸工程圖</b></p><p>　　4.3

97、.2 軸套的工程圖繪制</p><p>　　軸套工程圖如圖10所示，繪制了軸套的剖面圖。</p><p><b>　　圖10 軸套工程圖</b></p><p>　　4.3.3 長(zhǎng)軸的工程圖繪制</p><p>　　長(zhǎng)軸的工程圖如圖11所示，繪制了長(zhǎng)軸的剖視圖。</p><p>　　圖11

98、長(zhǎng)軸工程圖</p><p>　　4.3.4 連接板的工程圖繪制</p><p>　　連接板的工程圖如圖12所示，分別繪制了連接板的主視圖和俯視圖。</p><p>　　圖12 連接板工程圖</p><p>　　4.3.4 固定板的工程圖繪制</p><p>　　固定板的工程圖如圖13所示，分別繪制了固定板的主視圖