煤矿用钻机的钻杆性能和测试台设计-.doc

单位代码 学号 分类号 毕业设计论文 煤矿用钻机的钻杆性能和测试台设计学院名称机械工程及自动化学院 专业名称机械工程及自动化 学生姓名 指导教师郭卫东 2017年6月 北京航空航天大学 本科生毕业设计论文任务书Ⅰ、毕业设计论文题目 煤矿用钻机的钻杆性能测试台设计 Ⅱ、毕业设计论文使用的原始资料数据及设计技术要求 1、钻机钻杆最大推拉力为50t; 2、测试台最大可测转矩为25000Nm; Ⅲ、毕业设计论文工作内容 1钻杆性能测试台总体方案确定; 2测试台加载方式选择与设计; 3钻杆的扭转力矩测试方案的设计; 4钻杆与测试平台连接方式的选取与设计; 5系统整体可靠性分析; Ⅳ、主要参考资料 [1]云柏.瓦斯之痛--聚探我国煤矿瓦斯治理困局[J].湖南安全与防灾.2009 317-20 [2]http// [3]李廉博,黄书信,孔令杰等.李沟煤矿瓦斯抽放可行性研究[J].煤.2010.19 713-16 [4]邢苏宁,王思聪.煤矿用全液压坑道钻机整机性能测试加载方式比较[J].地质装备.2011-06-25 [5]孟荣歌.钻机性能测试平台的研制[D].西安科技大学.2012-06-30 [6]MAL,Harmonic and interharmonic detecting based on support vector machine[C]. Transmission and Distribution Conference and ExhibitionAsia and Pacific,IEEE/PES Press,20055-6 机械工程及自动化学院系机械工程及自动化专业类130714班 学生 毕业设计论文时间2016年12月19 日至2017年6 月21日 答辩时间2016年6 月日 成绩 指导教师郭卫东教授 兼职教师或答疑教师并指出所负责部分 系教研室主任签字 注任务书应该附在已完成的毕业设计论文的首页。 本人声明 我声明,本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的,在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 作者 签字 时间2017年6 月 北京航空航天大学毕业设计论文第I页 煤矿用钻机的钻杆性能测试台设计 学生 指导老师郭卫东 摘要 近年来,我国煤矿事故大多数是由于瓦斯爆炸所致。我国煤矿有一半以上的矿井瓦斯含量都相对较高,通过瓦斯抽放可以有效预防瓦斯爆炸,因此可以通过液压钻机打孔的方法进行瓦斯抽放。钻机的性能事关瓦斯抽放工作是否可以顺利进行,因而研究出一套准确、高效的钻机性能测试系统保障钻机正常工作对于保证安全开采煤炭具有十分重要的意义。对于钻机的各项性能检测,可以保障钻机的质量性能,从而使钻机更好地应对各种突发状况。本课题主要立足于工程实际问题,主要开展的工作如下 钻机的发展正趋于大型化,产业规模也不断扩大。目前钻机工作状态下所输出的最大扭转力矩在25000Nm,钻机的最大推拉力也达到50t。通过查阅相关资料,虽然国内也有很多人士从事过这方面的研究,但针对钻机最大工作转矩25000Nm,国内现在没有研究出与之相应的大型钻机的测试台,因此针对目前的市场需求,本论文致力于设计并制造一套测试系统,用以检测钻机在工作状态下的扭转力矩。包括测试台结构设计和控制部分两大模块。测试台硬件平台设计主要包括整体方案设计、方案对比、加载方式选择与设计、连接方式的设计、标准件选型以及部分结构和整机性能校核等等。最后将建好的三维模型导入adams进行运动学仿真分析,进一步保证了设计方案的可行性。控制部分主要是将计算机技术与测试台的硬件系统相结合,利用计算机的强大计算能力和数据处理分析能力,将采集的数据进行有效处理,可以实现某种程度的自动化。 关键词钻机钻杆,联轴器,扭矩传感器,测试台 Research on the pulsed laser polishing of Aeronautical Materials Author Tutor GUO Wei-dong Abstract In recent years, most of Chinas coal mine accidents are due to gas explosion. More than half of our coal mine gas content is relatively high, through the gas drainage can effectively prevent gas explosion, so you can drill through the hydraulic drilling for gas drainage. The perance of the rig is related to whether the gas drainage work can proceed smoothly. Therefore, it is very important to develop a set of accurate and efficient drilling rig perance test system to ensure the normal work of the rig to ensure the safe exploitation of coal. For the rig of the perance testing, can guarantee the quality of rig perance, so that the rig to better cope with a variety of unexpected conditions. This topic is mainly based on engineering practical problems, the main work carried out as follows The development of rigs is becoming larger and larger, and the scale of industry is expanding. At present, the maximum torsional moment outputted by the drilling machine is 25000Nm By consulting the relevant ination, China has not developed a corresponding large-scale rig 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 structure design and control part of the two modules. Test plat hardware plat design includes the overall program design, program comparison, loading mode selection and design, connection design, standard parts selection and part of the structure and the whole perance check and so on. Finally, the built-in three-dimensional model into adams for kinematic simulation analysis, to further ensure the feasibility of the design program. The control part mainly combines the computer technology with the hardware system of the test bench, and uses the computers powerful computing power and data processing and analysis ability to deal with the collected data effectively and can realize some degree of automation. Key wordsDrilling rods, Couplings, Torque sensors,Test benches 1 绪论 1 1.1 课题背景及意义 1 1.1.1 瓦斯之痛 1 1.1.2 液压钻机 2 1.1.3 研究意义 3 1.2 国内外研究现状 3 1.3 钻机性能测试台发展趋势 6 1.4 论文的主要工作及内容安排 7 2 测试台总体方案设计 9 2.1 测试平台设计原则 9 2.2 初步方案拟定 9 2.3 详细方案设计 10 2.4 本章小结 12 3 测试台机构设计 13 3.1 加载机构设计 13 3.1.1 磁粉制动器 13 3.1.2 转盘制动器设计 14 3.2 连接机构的设计 19 3.2.1 联轴器的分析与比较 19 3.2.2 万向联轴器设计 20 3.3 本章小结 22 4 测试台结构设计 23 4.1 综述 23 4.2 标准件的选型以及零部件的结构设计 23 4.2.1 扭矩传感器选型 23 4.2.2 扭矩传感器底座的设计 26 4.2.3 T型槽的选型 27 4.2.4 轴的设计以及校核 30 4.2.5 轴承的选取以及校核 30 4.2.6 联轴器的选型 32 4.2.7 花键强度校核 32 4.2.8 转盘制动器结构设计 34 5 电控系统 36 5.1 硬件平台 36 5.1.1 功率测量仪 36 5.1.2 转速扭矩仪 37 5.1.3 加载控制器 37 5.1.4 中央控制台 38 5.2 测量方法 38 5.2.1 钻杆转矩测试方法 38 5.2.2 钻机效率 38 5.3 中控软件介绍 38 5.3.1 软件模块框图 38 5.3.2 软件模块介绍 39 6 总结 40 参考文献 42 1绪论 1.1课题背景及意义 1.1.1瓦斯之痛 矿井瓦斯爆炸是一种链锁反应,它的主要成分是甲烷。当瓦斯混合气体遇明火可能是一个未熄灭的烟头,也可能是金属或石头撞击产生的火花。后,当混合气体中可燃性气体浓度足够的情况下,就会引起部分气体燃烧起来,而燃烧的气体周围都是易燃性的气体,就会将火焰沿周围扩散出去,就这样类似泛起的涟漪一样,燃烧扩散的速度也越来越快,最后就可以极可能演变成为燃烧甚至爆炸。其实一般来说一个烟头或者火花并不足以酿成大祸,在空气中当甲烷的浓度不够高时,即使拿着火把也不一定会引起爆炸,所以,在进行煤矿开采工作时,必须严格控制空气中甲烷的含量,及时进行瓦斯抽放工作,通风排气,降低密闭空间中的瓦斯浓度,这就可以有效预防瓦斯爆炸。瓦斯爆炸所造成的危害是及其巨大的。瓦斯爆炸过程中会产生很高的温度,气体高速向外围扩散也会形成很高的气压,这就会促使周围的气体进一步向更远的地方扩散,不仅会造成大量人员伤亡,严重破坏周围的建筑物,扬起的大量煤尘也会进一步参与爆炸,产生更大的破坏力,瓦斯爆炸是蝴蝶效应的典型示例,一旦引起引起小规模燃烧,就会以指数增长的形式扩散,酿成不可挽回的灾难。瓦斯爆炸的影响远不及如此,所造成的后续影响依然存在,燃烧后的气体中有部分气体会对人体造成伤害,引起中毒,因此人群应当远离瓦斯爆炸的现场,以免造成二次灾害。2007年至2010年,我国一共发生了214起瓦斯爆炸类事故,共有1688人遇害[1]。仅仅2011年上半年我国就发生了62起煤矿事故,造成245死亡[2]。瓦斯爆炸事故频频发生,对国家对个人都造成了不可挽救的灾难,因而预防并且尽可能避免更大的伤亡就显得极其重要。现阶段,当工人师傅进入地下进行工作之前,首先进行地下煤矿的瓦斯抽放工作,将甲烷浓度降到尽可能低以至于不会达到爆炸极限,就目前来说,这是国内预防瓦斯爆炸最行之有效的措施。因而就诞生了一代又一代的钻机。随着科学的发展、时代的进步,特别是目前国内工业正处于高速发展阶段,人们对煤矿需求量也在不断增加,而煤矿资源是有限的,所以煤矿开采可能要到更深的地下,或者条件更加苛刻的环境中去进行。因而,针对新的时代要求,我们需要 通过更加严格的监测,保证钻机的各项性能全面提高。通过设计并完成钻机性能测试台,监测钻机工作状态下的各项指标,发现问题并及时解决,从而进一步保证了工作人员安全性以及设备的可靠性。 图1.1,1.2为瓦斯爆炸实例。 图1. 1瓦斯爆炸事故现场图1. 2救治受伤人员 1.1.2液压钻机 全国有一半以上的矿井瓦斯含量都相对较高,煤矿开采工作有6070的的占比是在条件相对苛刻以及及其苛刻的情况下进行的。进行有效的瓦斯抽放是预防瓦斯浓度过高引起爆炸最有效的措施,可以通过液压钻机打孔的方式进行瓦斯抽放工作,有效降低空气中甲烷气体的浓度[3]。钻机的型号各种各样,目前来说发展方向更趋向大型化,钻机工作状态下的扭转力矩以及拉拔力都相比之前有了进一步的提高,为了适应更加恶劣的工作环境,钻机的性能必须得到全面的提高,从而可以处理各种突发状况,比如钻杆抱死,塌方,等等。因而,钻机无论是从结构强度,刚度以及整体性能都有了一定程度的提高,也趋向智能化。 图1.3为钻机展示图片。 图1. 3钻机示例 1.1.3研究意义 煤矿用钻机用于地下打孔,抽放瓦斯。其工作环境恶劣,因此需要保证钻机具有良好的稳定性能,还需要具备一定的抗冲击、抗过载能力,便于处理各种突发事故。为了保证钻机的质量和性能严格符合要求,钻机的各项性能检测及其重要[4]。另外,近些年来煤矿钻机正朝着大型化、智能化方向发展。工作环境也转向更深的地下,煤矿资源极度紧缺,这对钻机质量与性能提出了更高的要求,因而需要通过测试台来实时监测钻机的各项性能参数。因此,迫切需要研制出测量数据精确,反应速度敏捷的钻机监测设备。煤矿用钻机综合测试系统更是将各种实验仪器和计算机连接起来,可以同时将各种数据综合利用分析,同时也可以将不同钻机的各项性能比较分析,从而更全面更深层地分析钻机的工作性能,进而使钻机更稳定地工作,保证了整机的可靠性。此外,通过钻机性能台可以得到大量准确可靠的测试数据,这对新型钻机的研发制造有着及其重要的导向作用,也为钻机朝着自动化、智能化方向发展提供了可靠的依据[5]。 1.2国内外研究现状 钻机在工作时我们需要实时监测出当前钻机主要性能参数,包括一些静态、稳态、动态数值和变化趋势,从而通过分析这些数值参数找出钻机工作状态下的薄弱环节,进而针对这些问题有侧重地针对解决。早期主要是在钻机上安装很多的测试设备,在不同的工作时段对钻机的各项性能指标进行逐步测量[6]。而后期 的数据采集、处理工作也主要依靠人为选择[7]。仪器设备的操作也主要是手动为主,这就造成了实验数据带来一定误差,也会影响人们对于实验结果的准确把握。另外,因各参数测试的工况不一样,所以部分综合性参数不可靠。在一些较为复杂的测试场合中,这种测试方式效率低,耗时长,很难满足测试系统在数据采集、数据处理及数据分析等方面的要求[8]。多年以来,先后用压力表、压力传感器、扭矩仪、光线示波器、瞬态波存器、微机系统、虚拟仪器等,研制成功多个钻机测试台,对钻机性能参数不断更新进行测试研究。但这些试验台只能满足对钻机的主要技术质量指标检验,而要对钻机的过度响应性能进行快速分析却不能满足[9]。现阶段,我国各大煤矿企业对钻机可提供的最大推拉力和扭转力矩都提出了新的要求,为此,就急需要研究出高速度数据采集,大容量存储数据、快速有效的新型钻机试验测试台。 图1. 4小型钻机性能测试台 如今在国内也有很多人对钻机综合性能自动测试系统进行过调查研究。测试系统设计主要综合了上位控制系统、钻机测试平台和冷却系统。这样就很好解决了国内钻机型号多样化的问题,可以检测不同型号不同规格的钻机,然后进行后续数据处理分析。钻机测试平台可以很好地测量钻机的扭转力矩和拉拔力,将收集到的数据发往计算机信息处理中心,钻机测试台是必不可少的数据采集器。只是目前在测试平台的研制上还不是很完善,存在一些问题,首先就是目前的市场钻机测试平台的对扭转力矩最大测量范围尚不能满足使用要求,在钻杆与实验台对接过程中也存在一些薄弱环节,很难保证完美对接,因此测量出来的数据也有一定偏差。最后的冷却系统也是必不可少的环节,主要是由水箱和冷却器组成。 为了让钻机能正常长时间保持正常工作,冷却系统尤其重要。大型钻机高功率高转速,因而加载力矩同样很大,若采用摩擦制动必然会带来温度很高的摩擦热,摩擦片温度提升会对摩擦系数有一定影响,从而降低了实验数据的精确性。另外,摩擦片温度的提升会加剧摩擦损耗,从而减少了测试台的使用寿命。因而必须设计一套完备的冷却系统,增强测试系统整体的可靠性。同时控制系统部分也进行了软件开发设计。通过计算机显示数据,然后进行数据分析处理,从而将计算机强大的数据计算分析能力与仪器硬件的监测、采集相结合,使整个系统联系紧密,也减少了中间环节带来的人为误差。钻机综合测试系统在钻机的质检系统中发挥了不可磨灭的作用,与此同时也进一步扩大了钻机的产业规模。投入生产以后也被证实运行比较稳定,人机界面优良,可靠性也有了很大程度提高,进而为钻机产业的进一步发展提供了坚实的理论依据,也获得了国家和企业的强力认可。 图1. 5早期钻机钻杆性能测试台 一些钻机测试台在钻机加载装置的研究上做出了一些突破。针对钻机加载装置的设计要点也做了详尽的分析。在实验室测量钻机的输出转矩时需要给钻机添加一相等的制动转矩,保证钻机稳定运行,不会造成“飞车”。关于钻机回转加载装置设计也可以满足现在市场上一切企业需求。回转加载的设计需要考虑实验室的最大和最小加载制动转求要求,同时需要有一定的过载余量,以防过载情况对钻机测试台造成不可挽回的损伤。此外,只用一种现有的制动器很难满足使用要求,所以采用了电涡流制动器,满足于3000 r/min的高转速旋转;也采用了磁粉制动器,满足低速场合的使用要求,但磁粉制动器很难适应过大转矩,目前一 些厂家提供的磁粉制动器制动力矩很难满足使用要求,因此需要定制,研制出新型、大型的磁粉制动器也将行之有效。钻机测试台全程采用微机自动控制电气进行转矩和功率加载,设计实验台最大转矩的测量上限为15000Nm,考虑到过载余量,测试系统的最大扭矩测量应当达到20000Nm。这样就能充分满足钻机质检的要求,同时也保证了较高的测量精度。磁粉制动器加载也是现有的常用的加载方案。磁粉制动器主要利用了电磁原理,扭矩的传递是通过磁粉作用得以实现的。选取合适的磁粉制动器就可以满足一定范围内对扭矩加载的使用要求。针对拉拔力的测试,采用了液压装置对拉拔施加一反作用力,额定加载力为0300kN, 20的过载余量。设计拉拔力的最高测量范围为400KN加载设置,拉拔力的测试采用自动和手动相结合,半自动化进一步加强了整体系统的可靠度。钻机的测试控制系统可以更加可靠,更加准确地测出钻机的实验数据,是关键性的环节。钻机测试控制系统综合采用了DSP技术和CPLD技术,可以对钻机的各项性能参数进行准确测试。 图1.6钻机性能测试示意图 1.3钻机性能测试台发展趋势 现阶段,钻机性能测试台正朝着基于标准总线的硬件平台,分布式、网络化结构的方向发展。互联网具有信息传输快、影响范围广、共享程度高、传输速度快等优势。计算机技术快速发展,目前已经广泛应用在测试系统中,为测试技术及系统提供了新的发展机遇和挑战,与此同时大数据的快速发展,带动了测试技 术的进一步发展,使实时数据得以快速的传递和流动。分布式与网络化结构的发展也为人们带来了很大的便利,测试设备的通信距离减小,连接设备的缆线数量也逐渐减小,不同的设备可以更简洁地连接。更重要的是,整套系统的简洁,中间环节的减少同时保证了数据的准确性,从而得到的数据更加可靠,减少了一些不必要的麻烦。另外,测试系统的网络化也使得数据的传递高效,快速,也可以进行数据共享、资源共用,可以在不同时段不同地点进行分散测量,集中控制。同时,模块化的标准总线结构的模块化也使钻机性能测试系统扩展更加方便,也更易于集成[10]。 虚拟仪器的发展以及在钻机性能测试技术中的应用使钻机性能测试系统上升了一个新的台阶。虚拟仪器正高速发展,是计算机测控的前沿技术[11]。传统测试设备主要是通过硬件进行数据采集、信号分析以及数码显示,虚拟仪器大胆改进,通过具有强大功能的PC机进行后续数据分析处理[12],这就开启了用户自身设计开发仪器设备的序幕,完美实现了计算机与硬件设备的接轨,逐渐成为了测试技术系统中的中流砥柱。把虚拟仪器技术比作“头脑”,把测试系统的硬件设备比作“四肢”,通过虚拟仪器技术控制测试系统的硬件平台,是构建现代测试系统最先进、最高效的手段之一[13]。每个用户都可以在虚拟仪器这个平台上开发自己专有的仪器系统,具有很高程度的开放性和灵活性,设备资源利用也更充分[14]。虚拟仪器技术在科研开发系统、质量检测系统中也发挥了重要作用。虚拟仪器在测试系统中的应用,使测试系统可以更加充分地利用计算机技术,从而在各个领域更加彰显其优越性[15]。 目前虚拟仪器正朝着功能多样化、高精度、高稳定性、简洁方便的方向快速发展[16]。现阶段,在部分发达国家,基于虚拟仪器的测试系统已经非常普及,而且功能强,精度高,应用范围也非常广[17]。然而我国目前正处于计算机与传统测试设备逐渐分离的阶段,虚拟仪器技术和产品也主要是从国外发达国家引进的,不仅需要支付高额的费用,使用过程中也有很大的局限性[18]。我国正自主研发基于虚拟仪器的测试系统,虽然和过外先进技术仍有一定的差距,研究也相对单一和匮乏,但总的来说,仍处于上升趋势。 1.4论文的主要工作及内容安排 论文立足于工程实际问题,解决目前市场上对于大力矩钻机钻杆性能测试的 要求,主要围绕钻杆的扭转力矩测量,研制出新型测试台。论文内容安排如下第一章为绪论。提出课题的背景,阐述论文的研究意义,详细查阅相关资料了解国内外现状以及发展趋势,并以此为起点,在前人的基础上进一步改进改善测试台的性能,从而设计出更加完美的测试台。明确论文工作安排。 第二章为钻机钻机性能测试台的总体方案设计。首先综述测试平台的设计原则,结合工程实际问题以及客户的实际需求,针对钻杆最大转矩25000Nm的扭矩要求,进行整体方案设计,方案对比,以及测试平台对于加载方案,扭矩测量设备的选用,确定测试台与钻杆连接器的选用,最终完成钻机钻杆性能测试台的总体方案拟定。 第三章为测试台的机构设计部分。本章主要完成对测试平台的加载方式的详细设计以及钻杆与测试台连接的连接器的选型或设计。具体进行机构设计时,进行方案优劣对比,分析每种方案为带来的额外影响,确定趋于合理的加载机构以及连接方式。 第四章为测试台的结构设计。本章主要根据钻杆最大输出扭矩25000Nm的硬性指标完成扭矩传感器的选型,并根据标准件的选取设计出与之相连接的配合部件。确定加载机构的具体结构,进行标准件的选型,包括键、联轴器、轴承。最后完成结构的强度校核,保证整个系统的结构强度能够满足要求。 第五章为测试台控制部分的研究。本章主要主要解决对钻机的各项性能指标进行数据采集和后续处理分析。主要通过将测试台与计算机技术相结合,将硬件平台与测试设备连接起来,通过计算机分析处理数据,最后以直观的方式展现出来。 第六章为总结部分。本章主要展示本论文所完成的主要工作以及以后进一步的发展趋势。 2测试台总体方案设计 本章主完成测试系统方案的总体设计。进行多种方案优劣比较,最终确定一种或几种方案进行具体设计与分析。 2.1测试平台设计原则 随着国家对煤矿需求量的增加,钻机也趋向大型化。随着新型钻机的不断发展。规模的进一步增大,工作环境的进一步恶化,原有的钻机性能测试台已经远远不能满足企业的实际需求。因此,亟待研究出大型的、抗干扰能力强的、灵敏度高的、测量范围大的新型钻机性能测试台。钻机性能测试台的设计需要遵循以下几点要求 1、钻机性能测试台要求必须在回转的情况下可以进行良好作业,可以对钻机的各项性能指标进行准确反馈,特别是对钻机的扭转力矩更进行准确测量。另外,钻机性能测试台也需要具有较快的反应能力,可以及时处理各种参数,发现问题,从而尽快维修钻机的故障,保证钻机正常工作。 2、要求钻机性能测试台能够实现一定程度的自动化。将计算机技术与测试平台相结合。测试台用于采集数据,计算机分析处理数据,并将遇到的问题反馈给钻机,然后钻机通过计算机给出的信号做出相应的反应,从而可以应对不同的工作环境,实现某种程度的自动化。 3、由于钻机本身的工作环境比较恶劣,因此钻机的工作并不稳定,同样,对钻机性能测试台的稳定性也要有一定的要求,钻机性能测试台要具备一定的抗干扰能力,保证数据采集的精确性,以免造成数据误差过大,对分析、处理问题产生影响。 针对以上要求,选择合适的连接方式,确定合理的加载方案,完成准确合理的控制系统,充分利用计算机技术的优势,最终完成满足实际需求的钻机性能测试平台。 2.2初步方案拟定 问题剖析 测试台方案主要是为了测量钻杆的输出扭矩,可以考虑采用扭矩传感器进行 扭矩测量,另外需要加载装置平衡扭矩,钻机钻杆需要通过连接装置与扭矩传感器连接起来,从而进行扭矩测量。 由此可以初步设想方案如下图所示 图2. 1.起草方案示意框图 2.3详细方案设计 详细方案设计主要确定测试台的整体构架,包括零部件之间的连接,钻机与扭矩传感器之前的连接方式,扭矩传感器与加载系统的连接等等。通过初步分析钻机与测试台所要实现的功能,可以绘制的测试台方案简图如下 图2.2 测试台方案简图 右端钻机的钻杆通过联轴器与测试台输出轴相连接,可以考虑采用双万向节联轴器用以补偿钻杆与测试台输出轴的轴向偏差与径向偏差。然后输出轴通过合适型号的联轴器与扭矩传感器相连接,考虑到当输出轴过长情况会使扭矩传感器承载压力过大,重力的影响也会使轴不能保持水平状态,因此添加一支撑架,减小扭矩传感器的附加应力。左端同样通过联轴器将扭矩传感器与加载装置相连 接,实现扭矩加载。 关于加载方式,可以考虑采用两种方案。摩擦制动器加载,或者磁粉制动器加载。具体示意框图如下 方案一 图2. 3.磁粉制动器加载示意框图 方案二 图2. 4 转盘制动器加载示意框图 方案比较 以上两种方案各有优缺点,转盘制动器加载主要是利用摩擦力提供扭转力矩,通过选取不同的转盘型号,气缸型号,可以实现各种对转矩的使用要求,特别是针对一些对扭转力矩有很高要求的厂家,可以很好地适应不同企业对测试台高负载的使用要求,但采用摩擦制动不可避免会带来摩擦热,对测试台整体寿命和可靠度都有某种程度的影响,因此需要添加冷却系统,相对来说比较复杂。而磁粉制动加载就避免了以上问题,但现阶段磁粉制动器可提供的最大转矩很难满足要求,需要定制,研究出更大性能更好的磁粉制动器,以满足使用要求。关于两种具体方案还会在机构设计中做详尽分析。 2.4本章小结 本章主要介绍了设计原则。并依据设计要求完成了测试台总体方案的初步拟定。确定了钻杆的扭矩测量方法。并针对不同的情况,提出了两种加载方案,并将提出的两种方案进行方案对比与论证。同时,本章也为下一章的结构设计提供了基本构架。 3测试台机构设计 本章主要根据设计目的完成测试台机构设计。根据前一章的设计方案,机构设计的要点主要包括两部分,第一部分是加载机构设计;第二部分是钻杆与扭矩传感器连接机构的设计。 3.1加载机构设计 加载机构有两种方案可供选择。第一种是转盘制动器主要通过摩擦力来提供负载转矩,这是本小节的主要部分,通过详细进行转盘制动器的机构设计、分析、对比、论证,确定转盘加载机构的最终设计;第二种直接通过定制大型的磁粉制动器,利用电磁原理来提供负载转矩,两种方案各有优缺点,用于不同的应用场合。 3.1.1磁粉制动器 磁粉制动器是利用磁粉传递转矩的,主要利用了电磁原理。磁粉制动器的激磁电流和传递的转矩呈线性关系,因此可以通过增大激励电流来增大转矩。磁粉制动器相比其他的摩擦制动器,电动制动器等具有响应快、节能、无污染、振动小等优点。磁粉制动器现已被广泛应用于印刷业、造纸业、印染业以及其他有关卷取加工行业中。磁粉制动器还经常被用于机械的传动与制动等。此次课题所要求的转矩25000NM的钻杆输出扭矩,考虑的过载的情况,保证系统的可靠度,因此磁粉制动器所输出的最大负载转矩要求在30000NM,现有的磁粉制动器很难满足使用要求。因此需要定制大型的扭矩传感器。市场上的磁粉制动器如下 图3. 1 磁粉制动器 之所以考虑采用磁粉制动器加载这种方案,主要是因为磁粉制动器具有以下几点优良特性 1可以实现高转矩控制,此外转矩与激磁电流线性相关,可实现准确控制。 2具有耐久性、寿命长等优良特性。 3散热效果优良,磁粉的耐热性能良好,因此采用磁粉制动器可以实现高速高功率运转,另外连接处摩擦较小,不会引起较大的振动。 4反应迅速敏捷,能够短时间内提高较大的负载转矩,这样更适用于频繁启停的场合,可以高频率快速响应。 5大部分磁粉制动器更朝着简洁化小型化发展,采用耐高温线圈和高性能轴承,且对一些容易磨损的部件进行了表面热处理,增强其耐磨性,从而延长了磁粉制动器的使用寿命。 3.1.2转盘制动器设计 转盘制动器主要是利用摩擦力提供扭转力矩的,通过气缸提供输出力,然后通过一组摩擦片传递到转盘上,从而产生扭转力矩。方案简图如图3.2所示 图3. 2 转盘制动器简图 针对转盘制动器,初步设想了以下五种方案,将对每种方案进行详细的论证分析。 方案一 采用一个气缸直接向转盘加载来提供扭转力矩。受力示意图如图所示 图3. 3受力示意图1 这种方案会引起附加弯矩,对轴和转盘的使用寿命和强度都有削弱。另外这种方案只有一组气缸,很难提供足够大的扭转力矩,因而需要通过增大转盘直径或者选用更大型的气缸,这无疑会使测试台趋于庞大,也会增加成本,因此这种方案并不可取。 方案二 采用两组气缸分别在转盘的同一底面进行加载沿中心轴对称布置,具体受力示意图如图3.4所示 图3. 4受力示意图2 这种方案虽然不会引起附加弯矩,但会引起过大的轴向力,使整个系统具有向左运动的局势。另外,采用两组气缸很难保证同时加载,如果不具有同步性,则同样会引起附加弯矩,也会使扭转力矩不稳定,从而造成不可避免的实验误差。整个系统的可靠度不高。 方案三 采用两组气缸分别在转盘的上下底面加载沿中心轴成对称分布,具体受力示意图如图3.5所示 图3. 5受力示意图3 这种方案虽然不会引起很大的轴向力,但会造成更大的附加弯矩,从而削弱转盘和轴的强度和寿命。同样,采用两组气缸很难保证同时加载,也会带来一定的轴向力,因此并不可取。 方案四 采用两组气缸在分别在转盘的上下底面进行加载在中心轴的同一侧,受力示意图如图3.6所示 图3. 6受力示意图4 方案四相比前面的三种方案具有一定优势,没有附加弯矩。也没有轴向力。但两组气缸不可避免带来同样的问题,很难实现同时载,因而也会带来一定的轴向力和附加弯矩,需要全面考虑各种问题带来的影响,所以需要设想一种机构来解决上述方案可能带来的问题。 方案五 一组气缸会引起附加弯矩和轴向力,两组气缸又很难保证同步性。可以构思一种机构实现对转盘的两个底面同时加载。可以类比剪刀、钳子这样的机构,增大一端两叉口的距离,另外一端会等比例减小;同样,当减小其中一端叉口的距离,另外一端会等比例增大。因此可以考虑采用一组气缸提供输出力,用类似剪刀这样的机构将力等比例传递过去,这样就可以实现对转盘两侧的同时加载。不会引起附加弯矩和轴向力。具体结构示意图如图3.7所示 图3. 7加载机构简图 图中是由3个活动构件构成的机械运动简图。气缸和其中一个杆架固连,气缸内部输出一根杆。总共三个活动构件,构件1和构件2构成一个移动副,构件1和构件3在交点处构成一个复合铰链。构件2和构件3通过平面高副连接。自由度的计算公式 F32l h n P P -- 3.1 式中 n---活动构件的数目; Pl---低副的个数; Ph---高副的个数; 其中n 取3,有一个复合铰链和一个移动副,所以Pl 取3,有一个平面高副,Ph 取1。 求得F2; 自由度数目为2。 理论分析 之所以自由度为2是因为整个机构有绕着构件1与构件3交叉点旋转的趋势,因此当通过气缸工作时,构件2变长,会顶着摩擦片与转盘相互接触,当继续加载的情况下,构件1和构件3的旋转运动会被限制,只是力传递过去了。因 此,虽然有两个自由度,但是整体机构的旋转运动在气缸工作状态下是被限制的。因此可以满足要求。另外,当气缸工作时,转盘一侧的摩擦片会先接触转盘,当继续加载时另外一侧会相继接触,然后两边一起加载。可以通过调整加载机构的相对位置,使转盘两边受力相对均匀,虽然也会带来一定的轴向力和附加弯矩,但相比前面几种方案还是有很大优势的。此外,这种结构设计类似杠杆原理,所以可以通过调整比例大小实现增力的效果,从而更能满足测试台对大扭矩的要求,而不用通过增大气缸的输出功率,或者增大转盘直径提高加载扭矩。 对于转盘制动器可以直接通过调整转盘的大小或者增加气缸的输出功率,也可以通过调整增力杠杆的增力比加大扭矩测量范围,因而可以适应多种场合对扭转力矩的使用要求。但转盘制动器是利用摩擦力来提供扭转力矩的,不可避免会产生大量的摩擦热,引起摩擦损耗,效率相对较低。所以更需要对摩擦片的材料提出更高的性能要求,要对摩擦片进行热处理,表面处理,从而使摩擦片耐高温,耐高压,抗氧化性能都有很大强度的提升。全面提高摩擦片的使用寿命,降低损耗,增强系统整体的可靠性。以上五种方案,方案五相对前几种方案更加合理,可以满足钻机试验台的性能要求。因此转盘制动器的设计主要采用第五种方案进行具体三维建模,校核与分析。为了使转盘不至于承受较大的径向力,采用两组气缸对称分布。 3.2连接机构的设计 本小节主要设计一连接结构用于连接扭矩传感器与钻机的钻杆,可以参考机械设计手册联轴器的各种型号进行分析与设计。 3.2.1联轴器的分析与比较 刚性联轴器结构简单,成本低,无补偿性能,不能缓冲减震,且对两轴安装精度要求较高。常用于震动很小的工况条件,连接中、高速和刚性不大的且要求对中性较高的两轴[19]。相对于本实验台钻机本身的扭矩较大,震动相对较大,另外钻杆与测试台连接时可能轴心不重合,存在同轴度问题。因此不