【正文】 進行強度校核。 強度條件： ? ?TT= W??? () T軸所傳遞的轉矩， N mm，取 30000Nm； [τ ]許用扭轉切應力，選 40Cr，取 52Mpa； Wt軸抗扭面模量，實心軸 Wt=π d^3/16。 T 型槽材料采用灰口鑄鐵。查閱了相關書籍，也在網上查閱了相關資料，并根據測試臺最大工作扭矩 30000NM 的基礎參數，確定了 T 型槽的基本參數，計算過程如下： 以最大轉矩 30000NM 計算，如圖 所示，共兩組四個螺栓。另外，添加 T 型槽也可以是整個系統高度可調。扭矩傳感器的高度可以根據以前設計的測試臺作為參考，但是因為扭矩增大，因此采用轉盤制動器時需要增大轉盤直徑。 650l mm? 遠遠超出鍵長度的標準值，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。 按扭轉強度計算確定軸徑： 3d pT?? () τ p 取 55Mpa，扭矩 T 取 30000Nm。 上面是關于該型號扭矩傳感器的各項性能參數、指標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。 安裝要求： 扭矩傳感器可以水平安裝，也可以垂直安裝。 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 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。 開機 5 分鐘即可進入工作狀態(tài)，不需要預熱。然后根據廠家 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 24 頁 給出的扭矩傳感器外形尺寸，繪制三維 模型。依據轉盤的外徑，確定加載氣缸的型號，最后進行結構強度校核，若扭矩不夠，可適量增大轉盤直徑，也可以選型功率更大的氣缸。 首先依據電機的最大工作轉速，選型性價比較高的扭矩傳感器。 原始資料： 鉆機鉆桿的最大推拉力為 50t。 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 23 頁 4 測試臺結構設計 測試臺結構設計主要包括標準件的選型，具體零部件的各種性能參數，包括外形尺寸，材料以及表面處理等等。針對轉盤加載方案進行了詳細的論述，分析工作原理，優(yōu)化方案，最終設計出相對合理的轉盤加載機構，可以實現最大轉矩 25000Nm 的扭矩加載。因為傳遞的扭矩主要通過十字軸總成傳遞，需要對其強 度和剛度都有很嚴格的要求。所以玩向聯軸器的實際工作長度不是一成不變的的，而是變化的。針對大扭矩、高轉速條件下運行的傳動軸，一般不得大于 l176。 ） 傳動軸折角 傳動軸的折角對萬向節(jié)聯軸器平穩(wěn)傳動具有極其重要的意義。m ； 其中 T=9550Pw/ N (Nm) () 交變載荷時 : Tc≤Tf (N進行萬向節(jié)聯軸器設計時主要考慮以下四方面內容： 萬向聯軸器的扭矩計算 : Tc=T雙萬向節(jié)聯軸器兩端連接軸的偏斜角位移可達 45176。因此接下來連接方式的設計主要參考萬向聯軸器進行詳細分析設計。因此不適用非金屬彈性元件聯軸器。 非金屬彈性元件聯軸器結構相對簡單，徑向尺寸小，不需潤滑，維護方便，且具有減振緩沖性能。 聯軸器的分析與比較 剛性聯軸器結構簡單，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。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。 對于轉盤制動器可以直接通過 調整轉盤的大小或者增加氣缸的輸出功率，也可以通過調整增力杠桿的增力比加大扭矩測量范圍，因而可以適應多種場合對扭轉力矩的使用要求。因此可以滿足要求。自由度的計算公式： F=3 2 lhn P P?? () 式中： n活動構件的數目； Pl低副的個數； Ph高副的個數； 其中 n取 3，有一個復合鉸鏈和一個移動副，所以 Pl 取 3，有一個平面高副，Ph取 1。具體結構示意圖如圖 所示： 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 18 頁 圖 3. 7 加載機構簡圖 圖中是由 3 個活動構件構成的機械運動簡圖?？梢詷嬎家环N機構實現對轉盤的兩個底面同時加載。 方案四： 采用兩組氣缸在分別在轉盤的上下底面進行加載（在中心軸的同一側），受力示意圖如圖 所示： 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 17 頁 圖 3. 6 受力示意圖 4 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。另外，采用兩組氣缸很難保證同時加載，如果不具有同步性，則同樣會 引起附加彎矩，也會使扭轉力矩不穩(wěn)定，從而造成不可避免的實驗誤差。 方案一： 采用一個氣缸直接向轉盤加載來提供扭轉力矩。 (4)反應迅速敏捷，能夠短時間內提高較大的負載轉矩 ， 這樣更適用于頻繁啟停的場合，可以高頻率快速響應 。因此需要定制大型的扭矩傳感器。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快、節(jié)能、無污染、振動小等優(yōu)點。 加載機構設計 加載機構有兩種方案可供選擇。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。關于兩種具體方案還會在機構設計中做詳盡分析。 關于加載方式，可以考慮采用兩種方案。 由此可以初步設想方案如下圖所示： 圖 2. 詳細方案設計 詳細 方案設計主要確定測試臺的整體構架，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的連接等等。測試臺用于采集數據，計算機分析處理數據，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的反應，從而可以應對不同的工作環(huán)境，實現某種程度的自動化。鉆機性能測試臺的設計需要遵循以下幾點要求： 鉆機性能測試臺要求必須在回轉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進行準確反饋，特別是對鉆機 的扭轉力矩更進行準確測量。 測試平臺設計原則 隨著國家對煤礦需求量的增加，鉆機也趨向大型化。 第六章 為總結部分。最后完成結構的強度校核，保證整個系統的結構強度能夠滿足要求。具體進行機構設計時，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以及連接方式。 第二章 為鉆機鉆機性能測試臺的總體方案設計。 論文的主要工作及內容安排 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 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 8 頁 要求，主要圍繞鉆桿的扭轉力矩測量，研制出新型測試臺。 目前虛擬儀器正朝著功能多樣化、高精度、高穩(wěn)定性、簡潔方便的方向快速發(fā)展 [16]。把虛擬儀器技術比作“頭腦”，把測試系統的硬件設備比作“四肢”，通過虛擬儀器技術控制測試系統的硬件平臺，是構建現代測試系統最先進、最高效的手段之一 [13]。同時，模塊化的標準總線結構的模塊化也使鉆機性能測試系統擴展更加方便，也更易于集成 [10]。計算機技術快速發(fā)展，目前已經廣泛應用在測試系統中，為測試技術及系統提供了新的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)，與此同時大數據的快速發(fā)展，帶動了測試技 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 7 頁 術的進一步發(fā)展，使實時數據得以快速的傳遞和流動。鉆機的測試控制系統可以更加可靠，更加準確地測出鉆機的實驗數據，是關鍵性的環(huán)節(jié)。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的。此外，只用一種現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 的高轉速旋轉；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過大轉矩，目前一 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 6 頁 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。針對鉆機加載裝置的設計要點也做了詳盡的分析。通過計算機顯示數據，然后進行數據分析處理，從而將計算機強大的數據計算分析能力與儀器硬件的監(jiān)測、采集相結合，使整個系統聯系緊密，也減少了中間環(huán)節(jié)帶來的人為誤差。大型鉆機高功率高轉速，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有一定影響，從而降低了實驗數據的精確性。鉆機測試平臺可以很好地測量鉆機的扭轉力矩和拉拔力，將收集到的數據發(fā)往計算機信息處理中心，鉆機測試臺是必不可少的數據采集器?，F階段，我國各大煤礦企業(yè)對鉆機可提供的最大推拉 力和扭轉力矩都提出了新的要求，為此，就急需要研究出高速度數據采集，大容量存儲數據、快速有效的新型鉆機試驗測試臺。另外，因各參數測試的工況不一樣，所以部分綜合性參數不可靠。 國內外研究現狀 鉆機在工作時我們需要實時監(jiān)測出當前鉆機主要性能參數，包括一些靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、動態(tài)數值和變化趨勢，從而通過分析這些數值參數找出鉆機工作狀態(tài)下的薄弱環(huán)節(jié)，進而針對這些問題有側重地針對解決。工作環(huán)境也轉向更深的地下，煤礦資源極度緊缺，這對鉆機質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。 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 3 頁 圖 1. 3 鉆機示例 研究意義 煤礦用鉆機用于地下打孔，抽放瓦斯。進行有效的瓦斯抽放是預防瓦斯?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]。因而，針對新的時代要求，我們需要 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 2 頁 通過更加嚴格的監(jiān)測，保證鉆機的各項性能全面提高。瓦斯爆炸事故頻頻發(fā)生，對國家對個人都造成了不可挽救的災難，因而預防并且盡可能避免更大的傷亡就顯得極其重要。 瓦斯爆炸 過程 中會 產生 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的地方擴散 ， 不僅會 造成 大量 人員傷亡， 嚴重 破壞 周圍的建筑物 ，揚起 的 大量煤塵 也會進一步 參與爆炸，產生更大的破壞力 ，瓦斯爆炸是蝴蝶效應的典型示例，一旦引起引起小規(guī)模燃燒，就會以指數增長的形式擴散，釀成不可挽回的災難 。 當 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生的火花?？刂撇糠种饕菍⒂嬎銠C技術與測試臺的硬件系統相結合，利用計算機的強大計算能力和數據處理分析能力，將采集的數據進行有效處理，可以實現某種程度的自動化。通過查閱相關資料，雖然國內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矩 25000Nm，國內現在沒有研究出與之相應的大型鉆機的測試臺，因此針對目前的市場需求，本論文致力于設計并制造一套測試系統 ,用以檢測鉆機在工作狀態(tài)下的扭轉力矩。鉆機的性能事關瓦斯抽放工作是否可以順利進行，因而研究出一套準確、高效的鉆機性能測試系統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。 單位代碼： 學 號： 分 類 號： 畢業(yè)設計 (論文 ) 煤礦用鉆機的鉆桿性能和測試臺設計 學院名稱 機械工程 及自動化學院 專業(yè)名稱 機械 工程及自動化 學生姓名 指導教師 郭衛(wèi)東 2021 年 6 月 北京航空航天大學 本科生畢業(yè)設 計 （論文 ） 任務書 Ⅰ 、畢業(yè)設計（論文）題目： 煤礦用鉆機的鉆桿性能測試臺設計 Ⅱ 、畢業(yè)設計（論文）使用的原始資料（數據）及設計技術要求： 鉆機鉆桿最大推拉力為 50t； 測試臺最大可測轉矩為 25000Nm； Ⅲ 、畢業(yè)設計（論文）工作內容： 1）鉆桿性能測試臺總體方案確定； 2）測試臺加載方式選擇與設計；