煤礦用鉆機的鉆桿性能和測試臺設(shè)計-北航機械工程及其自動化畢業(yè)論文

1、<p>　　單位代碼： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　分 類 號： </p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(論文)</b></p><p>　　煤礦用鉆

2、機的鉆桿性能和測試臺設(shè)計</p><p><b>　　2017年6月</b></p><p>　學(xué)院名稱機械工程及自動化學(xué)院</p><p>　專業(yè)名稱機械工程及自動化</p><p>　學(xué)生姓名</p><p>　指導(dǎo)教師郭衛(wèi)東</p><p><b>　　北京

3、航空航天大學(xué)</b></p><p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　?、?、畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：</p><p>　　煤礦用鉆機的鉆桿性能測試臺設(shè)計 </p><p>　　Ⅱ、畢業(yè)設(shè)計（論文）

4、使用的原始資料（數(shù)據(jù)）及設(shè)計技術(shù)要求：</p><p>　　1、鉆機鉆桿最大推拉力為50t； </p><p>　　2、測試臺最大可測轉(zhuǎn)矩為25000Nm； </p><p>

5、;　?、?、畢業(yè)設(shè)計（論文）工作內(nèi)容：</p><p>　　1）鉆桿性能測試臺總體方案確定； </p><p>　　2）測試臺加載方式選擇與設(shè)計； <

6、;/p><p>　　3）鉆桿的扭轉(zhuǎn)力矩測試方案的設(shè)計； </p><p>　　4）鉆桿與測試平臺連接方式的選取與設(shè)計； </p><p&

7、gt;　　5）系統(tǒng)整體可靠性分析； </p><p><b>　?、?、主要參考資料：</b></p><p>　　[1]云柏.瓦斯之痛--聚探我國煤礦瓦斯治理困局[J].湖南安全與防災(zāi).2009（3）：17-20

8、 </p><p>　　[2]http://www.gov.cn/zwgk/2011-08/11/content_1923716.htm </p><p>　　[3]李廉博，黃書信，孔令杰等.李溝煤礦瓦斯抽放可行性研究[J].煤.2010.19（7）：13-16

9、 </p><p>　　[4]邢蘇寧，王思聰.煤礦用全液壓坑道鉆機整機性能測試加載方式比較[J].地質(zhì)裝備.2011-06-25 </p><p>　　[5]孟榮歌.鉆機性能測試平臺的研制[D].西安科技大學(xué).2012-06-30 </p>

10、<p>　　[6]MAL,Harmonic and interharmonic detecting based on support vector machine[C]. Transmission and Distribution Conference and Exhibition:Asia and Pacific,IEEE/PES Press,2005:5-6

11、 </p><p>　　機械工程及自動化學(xué)院（系）機械工程及自動化 專業(yè)類 130714 班</p><p><b>　　學(xué)生 </b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）時間： 2016 年 12 月 19 日至 2017 年 6 月 21 日</p><p>　　答辯時間： 2016 年 6

12、 月 日</p><p>　　成 績： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 郭衛(wèi)東 教授 </p><p>　　兼職教師或答疑教師（并指出所負(fù)責(zé)部分）：</p><p>　　系（教研室） 主任（簽字）： </p><p>　　注：任務(wù)書應(yīng)該附

13、在已完成的畢業(yè)設(shè)計（論文）的首頁。</p><p><b>　　本人聲明</b></p><p>　　我聲明，本論文及其研究工作是由本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。</p><p><b>　　作者：</b></p><p><b>　　簽字：

14、</b></p><p>　　時間：2017年 6 月</p><p>　　煤礦用鉆機的鉆桿性能測試臺設(shè)計</p><p><b>　　學(xué) 生：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)老師：郭衛(wèi)東</b></p><p><b>　　摘要<

15、/b></p><p>　　近年來,我國煤礦事故大多數(shù)是由于瓦斯爆炸所致。我國煤礦有一半以上的礦井瓦斯含量都相對較高，通過瓦斯抽放可以有效預(yù)防瓦斯爆炸,因此可以通過液壓鉆機打孔的方法進行瓦斯抽放。鉆機的性能事關(guān)瓦斯抽放工作是否可以順利進行，因而研究出一套準(zhǔn)確、高效的鉆機性能測試系統(tǒng)保障鉆機正常工作對于保證安全開采煤炭具有十分重要的意義。對于鉆機的各項性能檢測,可以保障鉆機的質(zhì)量性能,從而使鉆機更好地應(yīng)對各種

16、突發(fā)狀況。本課題主要立足于工程實際問題,主要開展的工作如下:</p><p>　　鉆機的發(fā)展正趨于大型化,產(chǎn)業(yè)規(guī)模也不斷擴大。目前鉆機工作狀態(tài)下所輸出的最大扭轉(zhuǎn)力矩在25000Nm，鉆機的最大推拉力也達到50t。通過查閱相關(guān)資料，雖然國內(nèi)也有很多人士從事過這方面的研究，但針對鉆機最大工作轉(zhuǎn)矩25000Nm，國內(nèi)現(xiàn)在沒有研究出與之相應(yīng)的大型鉆機的測試臺，因此針對目前的市場需求，本論文致力于設(shè)計并制造一套測試系統(tǒng),用

17、以檢測鉆機在工作狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)力矩。包括測試臺結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制部分兩大模塊。測試臺硬件平臺設(shè)計主要包括整體方案設(shè)計、方案對比、加載方式選擇與設(shè)計、連接方式的設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)件選型以及部分結(jié)構(gòu)和整機性能校核等等。最后將建好的三維模型導(dǎo)入adams進行運動學(xué)仿真分析，進一步保證了設(shè)計方案的可行性?？刂撇糠种饕菍⒂嬎銠C技術(shù)與測試臺的硬件系統(tǒng)相結(jié)合，利用計算機的強大計算能力和數(shù)據(jù)處理分析能力，將采集的數(shù)據(jù)進行有效處理，可以實現(xiàn)某種程度的自動化。<

18、/p><p>　　關(guān)鍵詞： 鉆機鉆桿，聯(lián)軸器，扭矩傳感器，測試臺</p><p>　　Research on the pulsed laser polishing of Aeronautical Materials</p><p><b>　　Author : </b></p><p>　　Tutor : GUO Wei-d

19、ong</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, most of China's coal mine accidents are due to gas explosion. More than half of our coal mine gas content is relatively hig

20、h, through the gas drainage can effectively prevent gas explosion, so you can drill through the hydraulic drilling method for gas drainage. The performance of the rig is related to whether the gas drainage work can proce

21、ed smoothly. Therefore, it is very important to develop a set of accurate and efficient drilling rig performance test system to ensure the n</p><p>　　The development of rigs is becoming larger and larger, an

22、d the scale of industry is expanding. At present, the maximum torsional moment outputted by the drilling machine is 25000Nm By consulting the relevant information, China has not developed a corresponding large-scale rig

23、test bench, so for the current market demand, this paper Is committed to the design and manufacture of a test system to detect the drilling machine in the working state of the torsional moment. Including the test bench s

24、tru</p><p>　　Key words: Drilling rods, Couplings, Torque sensors,Test benches</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景及意義1</p><p>　　1.1.1 瓦斯之痛1</p

25、><p>　　1.1.2 液壓鉆機2</p><p>　　1.1.3 研究意義3</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3 鉆機性能測試臺發(fā)展趨勢6</p><p>　　1.4 論文的主要工作及內(nèi)容安排7</p><p>　　2 測試臺總體方案設(shè)計9<

26、;/p><p>　　2.1 測試平臺設(shè)計原則9</p><p>　　2.2 初步方案擬定9</p><p>　　2.3 詳細(xì)方案設(shè)計10</p><p>　　2.4 本章小結(jié)12</p><p>　　3 測試臺機構(gòu)設(shè)計13</p><p>　　3.1 加載機構(gòu)設(shè)計13</p>

27、<p>　　3.1.1 磁粉制動器13</p><p>　　3.1.2 轉(zhuǎn)盤制動器設(shè)計14</p><p>　　3.2 連接機構(gòu)的設(shè)計19</p><p>　　3.2.1 聯(lián)軸器的分析與比較19</p><p>　　3.2.2 萬向聯(lián)軸器設(shè)計20</p><p>　　3.3 本章小結(jié)22<

28、;/p><p>　　4 測試臺結(jié)構(gòu)設(shè)計23</p><p><b>　　4.1 綜述23</b></p><p>　　4.2 標(biāo)準(zhǔn)件的選型以及零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計23</p><p>　　4.2.1 扭矩傳感器選型23</p><p>　　4.2.2 扭矩傳感器底座的設(shè)計26</p>

29、<p>　　4.2.3 T型槽的選型27</p><p>　　4.2.4 軸的設(shè)計以及校核30</p><p>　　4.2.5 軸承的選取以及校核30</p><p>　　4.2.6 聯(lián)軸器的選型32</p><p>　　4.2.7 花鍵強度校核 32</p><p>　　4.2.8

30、轉(zhuǎn)盤制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計34</p><p><b>　　5 電控系統(tǒng)36</b></p><p>　　5.1 硬件平臺36</p><p>　　5.1.1 功率測量儀36</p><p>　　5.1.2 轉(zhuǎn)速扭矩儀37</p><p>　　5.1.3 加載控制器37</p>

31、<p>　　5.1.4 中央控制臺38</p><p>　　5.2 測量方法38</p><p>　　5.2.1 鉆桿轉(zhuǎn)矩測試方法38</p><p>　　5.2.2 鉆機效率38</p><p>　　5.3 中控軟件介紹38</p><p>　　5.3.1 軟件模塊框圖38</p>

32、<p>　　5.3.2 軟件模塊介紹39</p><p><b>　　6 總結(jié)40</b></p><p><b>　　參考文獻42</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題背景及意義</b>&

33、lt;/p><p><b>　　瓦斯之痛</b></p><p>　　礦井瓦斯爆炸是一種鏈鎖反應(yīng)，它的主要成分是甲烷。當(dāng)瓦斯混合氣體遇明火（可能是一個未熄滅的煙頭，也可能是金屬或石頭撞擊產(chǎn)生的火花。）后，當(dāng)混合氣體中可燃性氣體濃度足夠的情況下，就會引起部分氣體燃燒起來，而燃燒的氣體周圍都是易燃性的氣體，就會將火焰沿周圍擴散出去，就這樣類似泛起的漣漪一樣，燃燒擴散的速度也越

34、來越快，最后就可以極可能演變成為燃燒甚至爆炸。其實一般來說一個煙頭或者火花并不足以釀成大禍，在空氣中當(dāng)甲烷的濃度不夠高時，即使拿著火把也不一定會引起爆炸，所以，在進行煤礦開采工作時，必須嚴(yán)格控制空氣中甲烷的含量，及時進行瓦斯抽放工作，通風(fēng)排氣，降低密閉空間中的瓦斯?jié)舛?，這就可以有效預(yù)防瓦斯爆炸。瓦斯爆炸所造成的危害是及其巨大的。瓦斯爆炸過程中會產(chǎn)生很高的溫度，氣體高速向外圍擴散也會形成很高的氣壓，這就會促使周圍的氣體進一步向更遠(yuǎn)的地方擴

35、散，不僅會造成大量人員傷亡，嚴(yán)重破壞周圍的建筑物，揚起的大量煤塵也會進一步參與爆炸，產(chǎn)生更大的破壞力，瓦斯爆炸是蝴蝶效應(yīng)的典型示例，一旦引起引起小規(guī)模燃燒，就會以指數(shù)增長的形式擴散，釀成不可挽回的災(zāi)難。瓦斯爆炸的影響遠(yuǎn)不及如此，所造成的后續(xù)影響依然存在，燃</p><p>　　圖1.1，1.2為瓦斯爆炸實例。</p><p><b>　　液壓鉆機</b></p&

36、gt;<p>　　全國有一半以上的礦井瓦斯含量都相對較高，煤礦開采工作有60%~70%的的占比是在條件相對苛刻以及及其苛刻的情況下進行的。進行有效的瓦斯抽放是預(yù)防瓦斯?jié)舛冗^高引起爆炸最有效的措施，可以通過液壓鉆機打孔的方式進行瓦斯抽放工作，有效降低空氣中甲烷氣體的濃度[3]。鉆機的型號各種各樣，目前來說發(fā)展方向更趨向大型化，鉆機工作狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)力矩以及拉拔力都相比之前有了進一步的提高，為了適應(yīng)更加惡劣的工作環(huán)境，鉆機的性能

37、必須得到全面的提高，從而可以處理各種突發(fā)狀況，比如鉆桿抱死，塌方，等等。因而，鉆機無論是從結(jié)構(gòu)強度，剛度以及整體性能都有了一定程度的提高，也趨向智能化。</p><p>　　圖1.3為鉆機展示圖片。</p><p><b>　　圖1. 3鉆機示例</b></p><p><b>　　研究意義</b></p>

38、<p>　　煤礦用鉆機用于地下打孔，抽放瓦斯。其工作環(huán)境惡劣，因此需要保證鉆機具有良好的穩(wěn)定性能，還需要具備一定的抗沖擊、抗過載能力，便于處理各種突發(fā)事故。為了保證鉆機的質(zhì)量和性能嚴(yán)格符合要求，鉆機的各項性能檢測及其重要[4]。另外，近些年來煤礦鉆機正朝著大型化、智能化方向發(fā)展。工作環(huán)境也轉(zhuǎn)向更深的地下，煤礦資源極度緊缺，這對鉆機質(zhì)量與性能提出了更高的要求，因而需要通過測試臺來實時監(jiān)測鉆機的各項性能參數(shù)。因此，迫切需要研制出測

39、量數(shù)據(jù)精確，反應(yīng)速度敏捷的鉆機監(jiān)測設(shè)備。煤礦用鉆機綜合測試系統(tǒng)更是將各種實驗儀器和計算機連接起來，可以同時將各種數(shù)據(jù)綜合利用分析，同時也可以將不同鉆機的各項性能比較分析，從而更全面更深層地分析鉆機的工作性能，進而使鉆機更穩(wěn)定地工作，保證了整機的可靠性。此外，通過鉆機性能臺可以得到大量準(zhǔn)確可靠的測試數(shù)據(jù)，這對新型鉆機的研發(fā)制造有著及其重要的導(dǎo)向作用，也為鉆機朝著自動化、智能化方向發(fā)展提供了可靠的依據(jù)[5]。</p><

40、p><b>　　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　鉆機在工作時我們需要實時監(jiān)測出當(dāng)前鉆機主要性能參數(shù)，包括一些靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、動態(tài)數(shù)值和變化趨勢，從而通過分析這些數(shù)值參數(shù)找出鉆機工作狀態(tài)下的薄弱環(huán)節(jié)，進而針對這些問題有側(cè)重地針對解決。早期主要是在鉆機上安裝很多的測試設(shè)備，在不同的工作時段對鉆機的各項性能指標(biāo)進行逐步測量[6]。而后期的數(shù)據(jù)采集、處理工作也主要依靠人為選擇[7]。儀

41、器設(shè)備的操作也主要是手動為主，這就造成了實驗數(shù)據(jù)帶來一定誤差，也會影響人們對于實驗結(jié)果的準(zhǔn)確把握。另外，因各參數(shù)測試的工況不一樣，所以部分綜合性參數(shù)不可靠。在一些較為復(fù)雜的測試場合中，這種測試方式效率低，耗時長，很難滿足測試系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)分析等方面的要求[8]。多年以來，先后用壓力表、壓力傳感器、扭矩儀、光線示波器、瞬態(tài)波存器、微機系統(tǒng)、虛擬儀器等，研制成功多個鉆機測試臺，對鉆機性能參數(shù)不斷更新進行測試研究。但這些試驗臺

42、只能滿足對鉆機的主要技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)檢驗，而要對鉆機的過度響應(yīng)性能進行快速分析卻不能滿足[9]?，F(xiàn)階段，我國各大煤礦企業(yè)對鉆機可提供的最大推拉力和扭轉(zhuǎn)力矩都提出了新的要求，為此，就急需要研究出高速度數(shù)據(jù)采集，大容量存儲數(shù)據(jù)、快速有效的新</p><p>　　圖1. 4小型鉆機性能測試臺</p><p>　　如今在國內(nèi)也有很多人對鉆機綜合性能自動測試系統(tǒng)進行過調(diào)查研究。測試系統(tǒng)設(shè)計主要綜合了上位

43、控制系統(tǒng)、鉆機測試平臺和冷卻系統(tǒng)。這樣就很好解決了國內(nèi)鉆機型號多樣化的問題，可以檢測不同型號不同規(guī)格的鉆機，然后進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理分析。鉆機測試平臺可以很好地測量鉆機的扭轉(zhuǎn)力矩和拉拔力，將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)往計算機信息處理中心，鉆機測試臺是必不可少的數(shù)據(jù)采集器。只是目前在測試平臺的研制上還不是很完善，存在一些問題，首先就是目前的市場鉆機測試平臺的對扭轉(zhuǎn)力矩最大測量范圍尚不能滿足使用要求，在鉆桿與實驗臺對接過程中也存在一些薄弱環(huán)節(jié)，很難保證完美

44、對接，因此測量出來的數(shù)據(jù)也有一定偏差。最后的冷卻系統(tǒng)也是必不可少的環(huán)節(jié)，主要是由水箱和冷卻器組成。為了讓鉆機能正常長時間保持正常工作，冷卻系統(tǒng)尤其重要。大型鉆機高功率高轉(zhuǎn)速，因而加載力矩同樣很大，若采用摩擦制動必然會帶來溫度很高的摩擦熱，摩擦片溫度提升會對摩擦系數(shù)有一定影響，從而降低了實驗數(shù)據(jù)的精確性。另外，摩擦片溫度的提升會加劇摩擦損耗，從而減少了測試臺的使用壽命。因而必須設(shè)計一套完備的冷卻系統(tǒng)，增強測試系統(tǒng)整體的可靠性。同時控制系統(tǒng)

45、部分也進行了軟件開發(fā)設(shè)計。通過計</p><p>　　圖1. 5早期鉆機鉆桿性能測試臺</p><p>　　一些鉆機測試臺在鉆機加載裝置的研究上做出了一些突破。針對鉆機加載裝置的設(shè)計要點也做了詳盡的分析。在實驗室測量鉆機的輸出轉(zhuǎn)矩時需要給鉆機添加一相等的制動轉(zhuǎn)矩，保證鉆機穩(wěn)定運行，不會造成“飛車”。關(guān)于鉆機回轉(zhuǎn)加載裝置設(shè)計也可以滿足現(xiàn)在市場上一切企業(yè)需求?；剞D(zhuǎn)加載的設(shè)計需要考慮實驗室的最大

46、和最小加載制動轉(zhuǎn)求要求，同時需要有一定的過載余量，以防過載情況對鉆機測試臺造成不可挽回的損傷。此外，只用一種現(xiàn)有的制動器很難滿足使用要求，所以采用了電渦流制動器，滿足于3000 r/min的高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；也采用了磁粉制動器，滿足低速場合的使用要求，但磁粉制動器很難適應(yīng)過大轉(zhuǎn)矩，目前一些廠家提供的磁粉制動器制動力矩很難滿足使用要求，因此需要定制，研制出新型、大型的磁粉制動器也將行之有效。鉆機測試臺全程采用微機自動控制電氣進行轉(zhuǎn)矩和功率加載，

47、設(shè)計實驗臺最大轉(zhuǎn)矩的測量上限為15000Nm，考慮到過載余量，測試系統(tǒng)的最大扭矩測量應(yīng)當(dāng)達到20000Nm。這樣就能充分滿足鉆機質(zhì)檢的要求，同時也保證了較高的測量精度。磁粉制動器加載也是現(xiàn)有的常用的加載方案。磁粉制動器主要利用了電磁原理，扭矩的傳遞是通過磁粉作用得以實現(xiàn)的。選</p><p>　　圖1.6鉆機性能測試示意圖</p><p>　　鉆機性能測試臺發(fā)展趨勢</p>

48、<p>　　現(xiàn)階段，鉆機性能測試臺正朝著基于標(biāo)準(zhǔn)總線的硬件平臺，分布式、網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展?；ヂ?lián)網(wǎng)具有信息傳輸快、影響范圍廣、共享程度高、傳輸速度快等優(yōu)勢。計算機技術(shù)快速發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在測試系統(tǒng)中，為測試技術(shù)及系統(tǒng)提供了新的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)，與此同時大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，帶動了測試技術(shù)的進一步發(fā)展，使實時數(shù)據(jù)得以快速的傳遞和流動。分布式與網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的發(fā)展也為人們帶來了很大的便利，測試設(shè)備的通信距離減小，連接設(shè)備的纜線數(shù)量也

49、逐漸減小，不同的設(shè)備可以更簡潔地連接。更重要的是，整套系統(tǒng)的簡潔，中間環(huán)節(jié)的減少同時保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而得到的數(shù)據(jù)更加可靠，減少了一些不必要的麻煩。另外，測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化也使得數(shù)據(jù)的傳遞高效，快速，也可以進行數(shù)據(jù)共享、資源共用，可以在不同時段不同地點進行分散測量，集中控制。同時，模塊化的標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)的模塊化也使鉆機性能測試系統(tǒng)擴展更加方便，也更易于集成[10]。 </p><p>　　虛擬儀器的發(fā)展以及

50、在鉆機性能測試技術(shù)中的應(yīng)用使鉆機性能測試系統(tǒng)上升了一個新的臺階。虛擬儀器正高速發(fā)展，是計算機測控的前沿技術(shù)[11]。傳統(tǒng)測試設(shè)備主要是通過硬件進行數(shù)據(jù)采集、信號分析以及數(shù)碼顯示，虛擬儀器大膽改進，通過具有強大功能的PC機進行后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理[12]，這就開啟了用戶自身設(shè)計開發(fā)儀器設(shè)備的序幕，完美實現(xiàn)了計算機與硬件設(shè)備的接軌，逐漸成為了測試技術(shù)系統(tǒng)中的中流砥柱。把虛擬儀器技術(shù)比作“頭腦”，把測試系統(tǒng)的硬件設(shè)備比作“四肢”，通過虛擬儀器技術(shù)

51、控制測試系統(tǒng)的硬件平臺，是構(gòu)建現(xiàn)代測試系統(tǒng)最先進、最高效的手段之一[13]。每個用戶都可以在虛擬儀器這個平臺上開發(fā)自己專有的儀器系統(tǒng)，具有很高程度的開放性和靈活性，設(shè)備資源利用也更充分[14]。虛擬儀器技術(shù)在科研開發(fā)系統(tǒng)、質(zhì)量檢測系統(tǒng)中也發(fā)揮了重要作用。虛擬儀器在測試系統(tǒng)中的應(yīng)用，使測試系統(tǒng)可以更加充分地利用計算機技術(shù)，從而在各個領(lǐng)域更加彰顯其優(yōu)越性[15]。</p><p>　　目前虛擬儀器正朝著功能多樣化、高

52、精度、高穩(wěn)定性、簡潔方便的方向快速發(fā)展[16]?，F(xiàn)階段，在部分發(fā)達國家，基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)已經(jīng)非常普及，而且功能強，精度高，應(yīng)用范圍也非常廣[17]。然而我國目前正處于計算機與傳統(tǒng)測試設(shè)備逐漸分離的階段，虛擬儀器技術(shù)和產(chǎn)品也主要是從國外發(fā)達國家引進的，不僅需要支付高額的費用，使用過程中也有很大的局限性[18]。我國正自主研發(fā)基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)，雖然和過外先進技術(shù)仍有一定的差距，研究也相對單一和匱乏，但總的來說，仍處于上升趨勢。&

53、lt;/p><p>　　論文的主要工作及內(nèi)容安排</p><p>　　論文立足于工程實際問題，解決目前市場上對于大力矩鉆機鉆桿性能測試的要求，主要圍繞鉆桿的扭轉(zhuǎn)力矩測量，研制出新型測試臺。論文內(nèi)容安排如下：</p><p>　　為緒論。提出課題的背景，闡述論文的研究意義，詳細(xì)查閱相關(guān)資料了解國內(nèi)外現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，并以此為起點，在前人的基礎(chǔ)上進一步改進改善測試臺的性能，

54、從而設(shè)計出更加完美的測試臺。明確論文工作安排。</p><p>　　為鉆機鉆機性能測試臺的總體方案設(shè)計。首先綜述測試平臺的設(shè)計原則，結(jié)合工程實際問題以及客戶的實際需求，針對鉆桿最大轉(zhuǎn)矩25000Nm的扭矩要求，進行整體方案設(shè)計，方案對比，以及測試平臺對于加載方案，扭矩測量設(shè)備的選用，確定測試臺與鉆桿連接器的選用，最終完成鉆機鉆桿性能測試臺的總體方案擬定。</p><p>　　為測試臺的機構(gòu)

55、設(shè)計部分。本章主要完成對測試平臺的加載方式的詳細(xì)設(shè)計以及鉆桿與測試臺連接的連接器的選型或設(shè)計。具體進行機構(gòu)設(shè)計時，進行方案優(yōu)劣對比，分析每種方案為帶來的額外影響，確定趨于合理的加載機構(gòu)以及連接方式。</p><p>　　為測試臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計。本章主要根據(jù)鉆桿最大輸出扭矩25000Nm的硬性指標(biāo)完成扭矩傳感器的選型，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件的選取設(shè)計出與之相連接的配合部件。確定加載機構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)，進行標(biāo)準(zhǔn)件的選型，包括鍵、聯(lián)軸器

56、、軸承。最后完成結(jié)構(gòu)的強度校核，保證整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強度能夠滿足要求。</p><p>　　為測試臺控制部分的研究。本章主要主要解決對鉆機的各項性能指標(biāo)進行數(shù)據(jù)采集和后續(xù)處理分析。主要通過將測試臺與計算機技術(shù)相結(jié)合，將硬件平臺與測試設(shè)備連接起來，通過計算機分析處理數(shù)據(jù)，最后以直觀的方式展現(xiàn)出來。</p><p>　　為總結(jié)部分。本章主要展示本論文所完成的主要工作以及以后進一步的發(fā)展趨勢。&l

57、t;/p><p><b>　　測試臺總體方案設(shè)計</b></p><p>　　本章主完成測試系統(tǒng)方案的總體設(shè)計。進行多種方案優(yōu)劣比較，最終確定一種或幾種方案進行具體設(shè)計與分析。</p><p><b>　　測試平臺設(shè)計原則</b></p><p>　　隨著國家對煤礦需求量的增加，鉆機也趨向大型化。隨著新

58、型鉆機的不斷發(fā)展。規(guī)模的進一步增大，工作環(huán)境的進一步惡化，原有的鉆機性能測試臺已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足企業(yè)的實際需求。因此，亟待研究出大型的、抗干擾能力強的、靈敏度高的、測量范圍大的新型鉆機性能測試臺。鉆機性能測試臺的設(shè)計需要遵循以下幾點要求：</p><p>　　鉆機性能測試臺要求必須在回轉(zhuǎn)的情況下可以進行良好作業(yè)，可以對鉆機的各項性能指標(biāo)進行準(zhǔn)確反饋，特別是對鉆機的扭轉(zhuǎn)力矩更進行準(zhǔn)確測量。另外，鉆機性能測試臺也需要具

59、有較快的反應(yīng)能力，可以及時處理各種參數(shù)，發(fā)現(xiàn)問題，從而盡快維修鉆機的故障，保證鉆機正常工作。</p><p>　　要求鉆機性能測試臺能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的自動化。將計算機技術(shù)與測試平臺相結(jié)合。測試臺用于采集數(shù)據(jù)，計算機分析處理數(shù)據(jù)，并將遇到的問題反饋給鉆機，然后鉆機通過計算機給出的信號做出相應(yīng)的反應(yīng)，從而可以應(yīng)對不同的工作環(huán)境，實現(xiàn)某種程度的自動化。</p><p>　　由于鉆機本身的工作環(huán)境

60、比較惡劣，因此鉆機的工作并不穩(wěn)定，同樣，對鉆機性能測試臺的穩(wěn)定性也要有一定的要求，鉆機性能測試臺要具備一定的抗干擾能力，保證數(shù)據(jù)采集的精確性，以免造成數(shù)據(jù)誤差過大，對分析、處理問題產(chǎn)生影響。</p><p>　　針對以上要求，選擇合適的連接方式，確定合理的加載方案，完成準(zhǔn)確合理的控制系統(tǒng)，充分利用計算機技術(shù)的優(yōu)勢，最終完成滿足實際需求的鉆機性能測試平臺。</p><p><b>

61、　　初步方案擬定</b></p><p><b>　　問題剖析：</b></p><p>　　測試臺方案主要是為了測量鉆桿的輸出扭矩，可以考慮采用扭矩傳感器進行扭矩測量，另外需要加載裝置平衡扭矩，鉆機鉆桿需要通過連接裝置與扭矩傳感器連接起來，從而進行扭矩測量。</p><p>　　由此可以初步設(shè)想方案如下圖所示：</p>

62、<p>　　圖2. 1.起草方案示意框圖</p><p><b>　　詳細(xì)方案設(shè)計</b></p><p>　　詳細(xì)方案設(shè)計主要確定測試臺的整體構(gòu)架，包括零部件之間的連接，鉆機與扭矩傳感器之前的連接方式，扭矩傳感器與加載系統(tǒng)的連接等等。通過初步分析鉆機與測試臺所要實現(xiàn)的功能，可以繪制的測試臺方案簡圖如下：</p><p>　　圖2

63、.2 測試臺方案簡圖</p><p>　　右端鉆機的鉆桿通過聯(lián)軸器與測試臺輸出軸相連接，可以考慮采用雙萬向節(jié)聯(lián)軸器用以補償鉆桿與測試臺輸出軸的軸向偏差與徑向偏差。然后輸出軸通過合適型號的聯(lián)軸器與扭矩傳感器相連接，考慮到當(dāng)輸出軸過長情況會使扭矩傳感器承載壓力過大，重力的影響也會使軸不能保持水平狀態(tài)，因此添加一支撐架，減小扭矩傳感器的附加應(yīng)力。左端同樣通過聯(lián)軸器將扭矩傳感器與加載裝置相連接，實現(xiàn)扭矩加載。</p

64、><p>　　關(guān)于加載方式，可以考慮采用兩種方案。摩擦制動器加載，或者磁粉制動器加載。具體示意框圖如下：</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　圖2. 3.磁粉制動器加載示意框圖</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　圖2.

65、 4 轉(zhuǎn)盤制動器加載示意框圖</p><p><b>　　方案比較：</b></p><p>　　以上兩種方案各有優(yōu)缺點，轉(zhuǎn)盤制動器加載主要是利用摩擦力提供扭轉(zhuǎn)力矩，通過選取不同的轉(zhuǎn)盤型號，氣缸型號，可以實現(xiàn)各種對轉(zhuǎn)矩的使用要求，特別是針對一些對扭轉(zhuǎn)力矩有很高要求的廠家，可以很好地適應(yīng)不同企業(yè)對測試臺高負(fù)載的使用要求，但采用摩擦制動不可避免會帶來摩擦熱，對測試臺整體壽

66、命和可靠度都有某種程度的影響，因此需要添加冷卻系統(tǒng)，相對來說比較復(fù)雜。而磁粉制動加載就避免了以上問題，但現(xiàn)階段磁粉制動器可提供的最大轉(zhuǎn)矩很難滿足要求，需要定制，研究出更大性能更好的磁粉制動器，以滿足使用要求。關(guān)于兩種具體方案還會在機構(gòu)設(shè)計中做詳盡分析。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了設(shè)計原則。并依據(jù)設(shè)計要求完成了測試臺

67、總體方案的初步擬定。確定了鉆桿的扭矩測量方法。并針對不同的情況，提出了兩種加載方案，并將提出的兩種方案進行方案對比與論證。同時，本章也為下一章的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了基本構(gòu)架。</p><p><b>　　測試臺機構(gòu)設(shè)計</b></p><p>　　本章主要根據(jù)設(shè)計目的完成測試臺機構(gòu)設(shè)計。根據(jù)前一章的設(shè)計方案，機構(gòu)設(shè)計的要點主要包括兩部分，第一部分是加載機構(gòu)設(shè)計；第二部分是鉆

68、桿與扭矩傳感器連接機構(gòu)的設(shè)計。</p><p><b>　　加載機構(gòu)設(shè)計</b></p><p>　　加載機構(gòu)有兩種方案可供選擇。第一種是轉(zhuǎn)盤制動器主要通過摩擦力來提供負(fù)載轉(zhuǎn)矩，這是本小節(jié)的主要部分，通過詳細(xì)進行轉(zhuǎn)盤制動器的機構(gòu)設(shè)計、分析、對比、論證，確定轉(zhuǎn)盤加載機構(gòu)的最終設(shè)計；第二種直接通過定制大型的磁粉制動器，利用電磁原理來提供負(fù)載轉(zhuǎn)矩，兩種方案各有優(yōu)缺點，用于不

69、同的應(yīng)用場合。</p><p><b>　　磁粉制動器</b></p><p>　　磁粉制動器是利用磁粉傳遞轉(zhuǎn)矩的，主要利用了電磁原理。磁粉制動器的激磁電流和傳遞的轉(zhuǎn)矩呈線性關(guān)系，因此可以通過增大激勵電流來增大轉(zhuǎn)矩。磁粉制動器相比其他的摩擦制動器，電動制動器等具有響應(yīng)快、節(jié)能、無污染、振動小等優(yōu)點。磁粉制動器現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于印刷業(yè)、造紙業(yè)、印染業(yè)以及其他有關(guān)卷取加工行

70、業(yè)中。磁粉制動器還經(jīng)常被用于機械的傳動與制動等。此次課題所要求的轉(zhuǎn)矩25000NM的鉆桿輸出扭矩，考慮的過載的情況，保證系統(tǒng)的可靠度，因此磁粉制動器所輸出的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩要求在30000NM，現(xiàn)有的磁粉制動器很難滿足使用要求。因此需要定制大型的扭矩傳感器。市場上的磁粉制動器如下：</p><p>　　圖3. 1 磁粉制動器</p><p>　　之所以考慮采用磁粉制動器加載這種方案，主要是因為

71、磁粉制動器具有以下幾點優(yōu)良特性：</p><p>　　(1)可以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩控制，此外轉(zhuǎn)矩與激磁電流線性相關(guān)，可實現(xiàn)準(zhǔn)確控制。</p><p>　　(2)具有耐久性、壽命長等優(yōu)良特性。</p><p>　　(3)散熱效果優(yōu)良，磁粉的耐熱性能良好，因此采用磁粉制動器可以實現(xiàn)高速高功率運轉(zhuǎn)，另外連接處摩擦較小，不會引起較大的振動。</p><p>

72、　　(4)反應(yīng)迅速敏捷，能夠短時間內(nèi)提高較大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，這樣更適用于頻繁啟停的場合，可以高頻率快速響應(yīng)。</p><p>　　(5大部分磁粉制動器更朝著簡潔化小型化發(fā)展，采用耐高溫線圈和高性能軸承，且對一些容易磨損的部件進行了表面熱處理，增強其耐磨性，從而延長了磁粉制動器的使用壽命。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)盤制動器設(shè)計</b></p><p

73、>　　轉(zhuǎn)盤制動器主要是利用摩擦力提供扭轉(zhuǎn)力矩的，通過氣缸提供輸出力，然后通過一組摩擦片傳遞到轉(zhuǎn)盤上，從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩。方案簡圖如圖3.2所示：</p><p>　　圖3. 2 轉(zhuǎn)盤制動器簡圖</p><p>　　針對轉(zhuǎn)盤制動器，初步設(shè)想了以下五種方案，將對每種方案進行詳細(xì)的論證分析。</p><p><b>　　方案一：</b></

74、p><p>　　采用一個氣缸直接向轉(zhuǎn)盤加載來提供扭轉(zhuǎn)力矩。受力示意圖如圖所示：</p><p>　　圖3. 3受力示意圖1</p><p>　　這種方案會引起附加彎矩，對軸和轉(zhuǎn)盤的使用壽命和強度都有削弱。另外這種方案只有一組氣缸，很難提供足夠大的扭轉(zhuǎn)力矩，因而需要通過增大轉(zhuǎn)盤直徑或者選用更大型的氣缸，這無疑會使測試臺趨于龐大，也會增加成本，因此這種方案并不可取。<

75、/p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　采用兩組氣缸分別在轉(zhuǎn)盤的同一底面進行加載（沿中心軸對稱布置），具體受力示意圖如圖3.4所示：</p><p>　　圖3. 4受力示意圖2</p><p>　　這種方案雖然不會引起附加彎矩，但會引起過大的軸向力，使整個系統(tǒng)具有向左運動的局勢。另外，采用兩組氣缸很難

76、保證同時加載，如果不具有同步性，則同樣會引起附加彎矩，也會使扭轉(zhuǎn)力矩不穩(wěn)定，從而造成不可避免的實驗誤差。整個系統(tǒng)的可靠度不高。</p><p><b>　　方案三：</b></p><p>　　采用兩組氣缸分別在轉(zhuǎn)盤的上下底面加載（沿中心軸成對稱分布），具體受力示意圖如圖3.5所示：</p><p>　　圖3. 5受力示意圖3</p>

77、;<p>　　這種方案雖然不會引起很大的軸向力，但會造成更大的附加彎矩，從而削弱轉(zhuǎn)盤和軸的強度和壽命。同樣，采用兩組氣缸很難保證同時加載，也會帶來一定的軸向力，因此并不可取。</p><p><b>　　方案四：</b></p><p>　　采用兩組氣缸在分別在轉(zhuǎn)盤的上下底面進行加載（在中心軸的同一側(cè)），受力示意圖如圖3.6所示：</p>

78、<p>　　圖3. 6受力示意圖4</p><p>　　方案四相比前面的三種方案具有一定優(yōu)勢，沒有附加彎矩。也沒有軸向力。但兩組氣缸不可避免帶來同樣的問題，很難實現(xiàn)同時載，因而也會帶來一定的軸向力和附加彎矩，需要全面考慮各種問題帶來的影響，所以需要設(shè)想一種機構(gòu)來解決上述方案可能帶來的問題。</p><p><b>　　方案五：</b></p>

79、<p>　　一組氣缸會引起附加彎矩和軸向力，兩組氣缸又很難保證同步性?？梢詷?gòu)思一種機構(gòu)實現(xiàn)對轉(zhuǎn)盤的兩個底面同時加載?？梢灶惐燃舻丁Q子這樣的機構(gòu)，增大一端兩叉口的距離，另外一端會等比例減??；同樣，當(dāng)減小其中一端叉口的距離，另外一端會等比例增大。因此可以考慮采用一組氣缸提供輸出力，用類似剪刀這樣的機構(gòu)將力等比例傳遞過去，這樣就可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)盤兩側(cè)的同時加載。不會引起附加彎矩和軸向力。具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.7所示：</p>

80、;<p>　　圖3. 7加載機構(gòu)簡圖</p><p>　　圖中是由3個活動構(gòu)件構(gòu)成的機械運動簡圖。氣缸和其中一個桿架固連，氣缸內(nèi)部輸出一根桿。總共三個活動構(gòu)件，構(gòu)件1和構(gòu)件2構(gòu)成一個移動副，構(gòu)件1和構(gòu)件3在交點處構(gòu)成一個復(fù)合鉸鏈。構(gòu)件2和構(gòu)件3通過平面高副連接。自由度的計算公式：</p><p><b>　　式中：</b></p><

81、p>　　n---活動構(gòu)件的數(shù)目；</p><p>　　Pl---低副的個數(shù)；</p><p>　　Ph---高副的個數(shù)；</p><p>　　其中n取3，有一個復(fù)合鉸鏈和一個移動副，所以Pl取3，有一個平面高副，Ph取1。</p><p><b>　　求得F=2；</b></p><p>&

82、lt;b>　　自由度數(shù)目為2。</b></p><p><b>　　理論分析：</b></p><p>　　之所以自由度為2是因為整個機構(gòu)有繞著構(gòu)件1與構(gòu)件3交叉點旋轉(zhuǎn)的趨勢，因此當(dāng)通過氣缸工作時，構(gòu)件2變長，會頂著摩擦片與轉(zhuǎn)盤相互接觸，當(dāng)繼續(xù)加載的情況下，構(gòu)件1和構(gòu)件3的旋轉(zhuǎn)運動會被限制，只是力傳遞過去了。因此，雖然有兩個自由度，但是整體機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)

83、運動在氣缸工作狀態(tài)下是被限制的。因此可以滿足要求。另外，當(dāng)氣缸工作時，轉(zhuǎn)盤一側(cè)的摩擦片會先接觸轉(zhuǎn)盤，當(dāng)繼續(xù)加載時另外一側(cè)會相繼接觸，然后兩邊一起加載?？梢酝ㄟ^調(diào)整加載機構(gòu)的相對位置，使轉(zhuǎn)盤兩邊受力相對均勻，雖然也會帶來一定的軸向力和附加彎矩，但相比前面幾種方案還是有很大優(yōu)勢的。此外，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計類似杠桿原理，所以可以通過調(diào)整比例大小實現(xiàn)增力的效果，從而更能滿足測試臺對大扭矩的要求，而不用通過增大氣缸的輸出功率，或者增大轉(zhuǎn)盤直徑提高加載扭

84、矩。</p><p>　　對于轉(zhuǎn)盤制動器可以直接通過調(diào)整轉(zhuǎn)盤的大小或者增加氣缸的輸出功率，也可以通過調(diào)整增力杠桿的增力比加大扭矩測量范圍，因而可以適應(yīng)多種場合對扭轉(zhuǎn)力矩的使用要求。但轉(zhuǎn)盤制動器是利用摩擦力來提供扭轉(zhuǎn)力矩的，不可避免會產(chǎn)生大量的摩擦熱，引起摩擦損耗，效率相對較低。所以更需要對摩擦片的材料提出更高的性能要求，要對摩擦片進行熱處理，表面處理，從而使摩擦片耐高溫，耐高壓，抗氧化性能都有很大強度的提升。全面

85、提高摩擦片的使用壽命，降低損耗，增強系統(tǒng)整體的可靠性。以上五種方案，方案五相對前幾種方案更加合理，可以滿足鉆機試驗臺的性能要求。因此轉(zhuǎn)盤制動器的設(shè)計主要采用第五種方案進行具體三維建模，校核與分析。為了使轉(zhuǎn)盤不至于承受較大的徑向力，采用兩組氣缸對稱分布。</p><p><b>　　連接機構(gòu)的設(shè)計</b></p><p>　　本小節(jié)主要設(shè)計一連接結(jié)構(gòu)用于連接扭矩傳感器與

86、鉆機的鉆桿，可以參考機械設(shè)計手冊聯(lián)軸器的各種型號進行分析與設(shè)計。</p><p><b>　　聯(lián)軸器的分析與比較</b></p><p>　　剛性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，無補償性能，不能緩沖減震，且對兩軸安裝精度要求較高。常用于震動很小的工況條件，連接中、高速和剛性不大的且要求對中性較高的兩軸[19]。相對于本實驗臺鉆機本身的扭矩較大，震動相對較大，另外鉆桿與測試臺連

87、接時可能軸心不重合，存在同軸度問題。因此不太適合采用剛性聯(lián)軸器。</p><p>　　非金屬彈性元件聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)相對簡單，徑向尺寸小，不需潤滑，維護方便，且具有減振緩沖性能。適用于啟動頻繁，經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的中低速、中小功率以及工作可靠性要求高的場合，不易用于重載及軸向尺寸限制的場合。非金屬彈性元件聯(lián)軸器可以通過彈性元件的彈性變形獲得一定程度的軸向補償。但是不易用于傳遞過大扭轉(zhuǎn)力矩。因此不適用非金屬彈性元件聯(lián)軸器。<

88、;/p><p>　　萬向聯(lián)軸器有較大的角向補償能力，能可靠地傳遞轉(zhuǎn)矩和運動。適用于軋鋼機械、起重運輸機械、工程、礦山、石油以及其他重型機械。相比其他聯(lián)軸器，具有不可比擬的優(yōu)勢。因此接下來連接方式的設(shè)計主要參考萬向聯(lián)軸器進行詳細(xì)分析設(shè)計。</p><p><b>　　萬向聯(lián)軸器設(shè)計</b></p><p>　　萬向節(jié)聯(lián)軸器用于連接不同機構(gòu)中的兩根軸，

89、這兩根軸可以不在同一軸線上、也可以存在一定的夾角。進而可以實現(xiàn)兩軸連續(xù)回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)遞轉(zhuǎn)矩可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率較高。可以適應(yīng)多種場合對回轉(zhuǎn)運動傳遞的使用要求。雙萬向節(jié)聯(lián)軸器兩端連接軸的偏斜角位移可達45°。當(dāng)主動軸以等角速度轉(zhuǎn)動時，從動軸的角速度將隨之作周期性的變化，進而產(chǎn)生動載荷。在高速重載的場合，聯(lián)軸器還起到了緩沖，補償軸向間距的左右。為了消除單萬向聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速周期性波動，保證主動端、從動端的同步性，一般都采用雙聯(lián)型式，并使中

90、間軸的兩個叉子位于同一平面上；同時還應(yīng)使主、從動軸的軸線間的偏斜角相同，從而使從、從動軸的角速度相等。進行萬向節(jié)聯(lián)軸器設(shè)計時主要考慮以下四方面內(nèi)容：</p><p>　　1、萬向聯(lián)軸器的扭矩計算:</p><p><b>　　交變載荷時:</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p

91、>　　Tn--萬向聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩，N·m；</p><p>　　Tf--萬向聯(lián)軸器的疲勞轉(zhuǎn)矩，N·m；</p><p>　　T--萬向聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩，N·m ；其中T=9550Pw/ N (N·m)；Pw--驅(qū)動功率，kw；N--萬向聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速，r/min；</p><p>　　Kn--萬向聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)速修正系數(shù)；&l

92、t;/p><p>　　K --萬向聯(lián)軸器的兩軸線折角修正系數(shù)；</p><p>　　Ka--載荷修正系數(shù)。（載荷均勻，工作平穩(wěn)時，Ka=1.0;載荷不均勻，中等沖擊時，Ka=1.1~1.3；較大沖擊載荷和頻繁正反轉(zhuǎn)時，Ka=1.3~1.5，特大沖擊載荷和頻繁正反轉(zhuǎn)時Ka>1.5。）</p><p><b>　　2、傳動軸折角</b></

93、p><p>　　傳動軸的折角對萬向節(jié)聯(lián)軸器平穩(wěn)傳動具有極其重要的意義。在實際應(yīng)用中，通常通過限制傳動速度以及傳動軸的折角來保證傳動平穩(wěn)運行。一般最大的折角控制在35°以內(nèi)。針對大扭矩、高轉(zhuǎn)速條件下運行的傳動軸，一般不得大于l°~~1.5°，否則，會嚴(yán)重削弱傳動軸的使用壽命。</p><p><b>　　3、傳動軸長度</b></p>

94、;<p>　　傳動軸的長度主要是為了補償轉(zhuǎn)動軸偏角引起的軸向位移，長度的設(shè)計與鉆機與測試臺之間的距離有關(guān)。所以玩向聯(lián)軸器的實際工作長度不是一成不變的的，而是變化的。傳動軸的最佳工作長度應(yīng)當(dāng)適中。</p><p><b>　　4、十字軸總成</b></p><p>　　它由主要軸承腕1、十字軸2組成，如圖。十字軸總成萬向節(jié)聯(lián)軸器極其重要的環(huán)節(jié)，通常采用優(yōu)質(zhì)

95、合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件，經(jīng)多種熱處理、機加工制成[20]。因為傳遞的扭矩主要通過十字軸總成傳遞，需要對其強度和剛度都有很嚴(yán)格的要求。另外，十字軸總成硬度很高，具有良好的耐磨性和高強度特性，直接影響萬向節(jié)聯(lián)軸器的扭矩傳遞和使用壽命。同時，延長萬向聯(lián)軸器的使用壽命，維護起來也方便，在十字軸總成上設(shè)置了起潤滑作用的脂油道，保證萬向聯(lián)軸器高速轉(zhuǎn)動時可以得到充分的潤滑。</p><p>　　圖3. 8十字軸總成</p>

96、<p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要完成了加載機構(gòu)的分析與設(shè)計以及連接機構(gòu)的設(shè)計。針對轉(zhuǎn)盤加載方案進行了詳細(xì)的論述，分析工作原理，優(yōu)化方案，最終設(shè)計出相對合理的轉(zhuǎn)盤加載機構(gòu)，可以實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩25000Nm的扭矩加載。另外，查閱了相關(guān)資料，闡述了磁粉制動器的工作原理、性能特征、適用條件等等。簡單進行轉(zhuǎn)盤制動器加載方案的論述。最后連接方式的設(shè)計參考機械

97、設(shè)計手冊中不同型號的聯(lián)軸器，比較不同聯(lián)軸器的適用條件，最終選取了雙萬向節(jié)聯(lián)軸器進行詳細(xì)的設(shè)計。</p><p><b>　　測試臺結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p>　　測試臺結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括標(biāo)準(zhǔn)件的選型，具體零部件的各種性能參數(shù)，包括外形尺寸，材料以及表面處理等等。然后進行局部零部件的校核，軸承要進行壽命計算，使整個測試臺系統(tǒng)滿足強度要求。最終根據(jù)選好的標(biāo)準(zhǔn)件以及自行

98、設(shè)計的零部件繪制標(biāo)準(zhǔn)的三維模型，最后完成裝配。</p><p><b>　　綜述</b></p><p>　　依據(jù)原始材料及技術(shù)要求進行標(biāo)準(zhǔn)件的選型，以及零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。</p><p><b>　　原始資料：</b></p><p>　　鉆機鉆桿的最大推拉力為50t。</p>&l

99、t;p>　　鉆機的工作轉(zhuǎn)矩最大為25000Nm。</p><p>　　鉆桿的軸徑為150mm。</p><p>　　鉆機的工作轉(zhuǎn)速200r/min。</p><p>　　首先依據(jù)電機的最大工作轉(zhuǎn)速，選型性價比較高的扭矩傳感器。根據(jù)扭矩傳感器所選的型號，設(shè)計扭矩傳感器的底座以及并確定與扭矩傳感器相連接的聯(lián)軸器的型號。然后確定與聯(lián)軸器相連接的軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，進行軸承

100、的選型，設(shè)計軸承的支撐。轉(zhuǎn)盤直徑的確定參考小扭矩鉆機的測試臺轉(zhuǎn)盤外徑以及鉆桿的工作高度。依據(jù)轉(zhuǎn)盤的外徑，確定加載氣缸的型號，最后進行結(jié)構(gòu)強度校核，若扭矩不夠，可適量增大轉(zhuǎn)盤直徑，也可以選型功率更大的氣缸。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)件的選型以及零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p><b>　　扭矩傳感器選型</b></p><p>　　扭矩傳感器主要

101、是為了測量鉆機工作狀態(tài)下的扭矩大小，可以將扭力的物理變化轉(zhuǎn)換成電信號，通過數(shù)碼顯示管直觀地顯示出來，扭矩傳感器的選型主要參考測試臺的最大扭矩測量范圍，鉆機的最大輸出扭轉(zhuǎn)力矩為25000Nm，因此初步確定扭矩傳感器的最大量程為30000Nm。另外考慮到扭矩的測量是在鉆機旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下進行的，屬于動態(tài)扭矩測量，要選擇動態(tài)扭矩測量儀，還要考慮一些別的因素，比如抗干擾能力，反應(yīng)靈敏度，穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性等等，綜合考慮各方面的性能選取性價比比較合適的

102、扭矩傳感器。</p><p>　　最終選擇了性價比比較高的HLT --138系列標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器。然后根據(jù)廠家給出的扭矩傳感器外形尺寸，繪制三維模型。具體扭矩傳感器外形尺寸參考如下表4.1：</p><p>　　表4.1扭矩傳感器規(guī)格表</p><p>　　圖4.1扭矩傳感器尺寸參數(shù)</p><p>　　該型號扭矩傳感器工作基本原理：</

103、p><p>　　采用應(yīng)變片電測技術(shù)，在弾性軸上組成應(yīng)變橋，向應(yīng)變橋提供電源即可測得該弾性軸受扭的電信號。將該應(yīng)變信號放大后，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號。</p><p>　　扭矩傳感器的性能特征：</p><p>　　信號輸出波形方波幅度可選5V/12V。</p><p>　　開機5分鐘即可進入工作狀態(tài)，不需要預(yù)熱。</p

104、><p>　　檢測精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。</p><p>　　不需要反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測量正反轉(zhuǎn)扭矩。</p><p>　　體積小、重量輕、安裝方便。</p><p>　　傳感器可脫離二次儀表獨立使用，只要按插座針浩提供正負(fù)15V的電源，即可輸出阻抗與扭矩成正比的等方波或脈沖波頻率信號。</p><p><b

105、>　　注意事項：</b></p><p>　　安裝時，不能帶電操作，切莫直接敲打、碰撞傳感器。</p><p>　　聯(lián)軸器的緊固螺栓應(yīng)擰緊，聯(lián)軸器的外面應(yīng)加防護罩，避免人身傷害。</p><p>　　信號線輸出不得對地、對電源短路，輸出電流不大于10mA，屏蔽電纜線的屏蔽層必須與+15V電源端連接。</p><p><

106、b>　　安裝要求：</b></p><p>　　扭矩傳感器可以水平安裝，也可以垂直安裝。</p><p>　　動力設(shè)備、傳感器、負(fù)載設(shè)備應(yīng)安裝在穩(wěn)固的基礎(chǔ)上，以避免過大的震動，否則可能發(fā)生數(shù)據(jù)不穩(wěn)，降低測量精度，甚至損壞傳感器。</p><p>　　采用彈性柱銷聯(lián)軸器或者剛性聯(lián)軸器連接。</p><p>　　動力設(shè)備、傳感器

107、、負(fù)載設(shè)備的同心度應(yīng)小于0.05mm。</p><p>　　上面是關(guān)于該型號扭矩傳感器的各項性能參數(shù)、指標(biāo)以及使用時需要注意的環(huán)節(jié)，很貼合本測試臺的各項要求，所以最終選擇該型號。初步選取的是軸徑105mm的扭矩傳感器，但是進行軸校核的時候發(fā)現(xiàn)軸徑105 mm不能滿足強度要求，跟廠商取得聯(lián)系以后，發(fā)現(xiàn)對于最大扭矩測量范圍30000NM的扭矩傳感器需要定制。下面將對扭矩傳感器的輸出輸入軸徑進行具體設(shè)計分析，以及連接處

108、聯(lián)軸器的選擇。</p><p>　　在進行軸徑確定以及與之相連接的聯(lián)軸器的選型過程中，在圖書館查閱了相關(guān)資料，在機械設(shè)計手冊第六版（化學(xué)工業(yè)出版社）一書中詳細(xì)記載了各種聯(lián)軸器的型號，和軸徑校核方法等等。</p><p>　　按扭轉(zhuǎn)強度計算確定軸徑：</p><p>　　τp取55Mpa，扭矩T取30000Nm;</p><p>　　算得d&g

109、t;=140.5mm。</p><p>　　考慮到鍵對軸強度的削弱，以及與之相互連接的聯(lián)軸器型號，最終確定軸徑取150mm。</p><p><b>　　雙鍵強度計算：</b></p><p>　　鍵的材料選強度最高的鋼，按靜強度計算，許用擠壓應(yīng)力為120--150Mpa，去許用擠壓應(yīng)力為140Mpa，計算得鍵的接觸長度：</p>

110、<p>　　遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出鍵長度的標(biāo)準(zhǔn)值，會使扭矩傳感器輸出輸入軸過長，因此最終考慮采用花鍵軸。</p><p>　　扭矩傳感器底座的設(shè)計</p><p>　　根據(jù)選好的扭矩傳感器的型號，設(shè)計支撐扭矩傳感器的支撐架，支撐架的高度以及材料和加工方式。根據(jù)所選的扭矩傳感器底端的地腳螺釘孔，設(shè)計支撐架與其連接部分的螺紋孔。螺栓的選型直接根據(jù)扭矩傳感器給出的型號標(biāo)準(zhǔn)。扭矩傳感器的高度可以根據(jù)

111、以前設(shè)計的測試臺作為參考，但是因為扭矩增大，因此采用轉(zhuǎn)盤制動器時需要增大轉(zhuǎn)盤直徑。以大于轉(zhuǎn)盤半徑為最小設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，初步設(shè)定扭矩傳感器底座的高度。扭矩傳感器考慮采用鑄造方式，材料可選用鑄鐵。為了增強扭矩傳感器的強度，可以設(shè)計加強筋。另外，添加T型槽也可以是整個系統(tǒng)高度可調(diào)。扭矩傳感器底座加工四個螺紋孔，用于固定在T型槽上，螺栓的選取與T型槽的選型有關(guān)。設(shè)計的扭矩傳感器支撐架如圖4.2所示：</p><p>　　圖1.

112、2扭矩傳感器支撐架</p><p><b>　　T型槽的選型</b></p><p>　　T型槽平板主要用來安裝設(shè)備，方便固定與維修，另外可以通過增加T型槽底板的厚度來增高測試臺，提高工作臺的測量范圍。T型槽的選型標(biāo)準(zhǔn)主要由連接的固定螺栓的規(guī)格來確定。查閱了相關(guān)書籍，也在網(wǎng)上查閱了相關(guān)資料，并根據(jù)測試臺最大工作扭矩30000NM的基礎(chǔ)參數(shù)，確定了T型槽的基本參數(shù)，計算