【正文】 ................ 36 轉(zhuǎn)速扭矩儀 ...................................................................................................... 37 加載控制器 ...................................................................................................... 37 中央控制臺 ...................................................................................................... 38 測量方法 ..................................................................................................................... 38 鉆桿轉(zhuǎn)矩測試方法 ........................................................................................ 38 鉆機(jī)效率 ........................................................................................................ 38 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 IV 頁 中控軟件 介紹 ........................................................................................................... 38 軟件模塊框圖 .................................................................................................. 38 軟件模塊介紹 .................................................................................................. 39 6 總結(jié) ...................................................................................................................................... 40 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 42 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 1 頁 1 緒論 課題背景及意義 瓦斯之痛 礦井瓦斯爆炸是一種 鏈鎖 反應(yīng) ，它 的主要成分 是甲烷。 瓦斯爆炸 所造成的危害是及其巨大的。僅僅 2021 年上半年我國就發(fā)生了 62 起煤礦事故，造成 245 死亡 [2]。隨著科學(xué)的發(fā)展、時(shí)代的進(jìn)步，特別是目前國內(nèi)工業(yè)正處于高速發(fā)展階段，人們對煤礦需求量也在不斷增加，而煤礦資源是 有限的，所以煤礦開采可能要到更深的地下，或者條件更加苛刻的環(huán)境中去進(jìn)行。 圖 1. 1 瓦斯爆炸事故現(xiàn)場 圖 1. 2 救治受傷人員 液壓鉆機(jī) 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(jìn)行的。 圖 為鉆機(jī)展示 圖片。另外，近些年來煤礦鉆機(jī)正朝著大型化、智能化方向發(fā)展。此外，通過鉆機(jī)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(jī)的研發(fā)制造有著及其重要的導(dǎo)向作用，也為鉆機(jī)朝著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展提供了可靠的依據(jù) [5]。儀器設(shè)備的操作也主要是手動(dòng)為主，這就造成了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶來一定誤差，也會 影響人們對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確把握。但這些試驗(yàn)臺只能滿足對鉆機(jī)的主要技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)檢驗(yàn)，而要對鉆機(jī)的過度響應(yīng)性能進(jìn)行快速分析卻不能滿足[9]。這樣就很好解決了國內(nèi)鉆機(jī)型號多樣化的問題，可以檢測不同型號不同規(guī)格的鉆機(jī)，然后 進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理分析。 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 5 頁 為了讓鉆機(jī)能正常長時(shí)間保持正常工作，冷卻系統(tǒng)尤其重要。同時(shí)控制系統(tǒng)部分也進(jìn)行了軟件開發(fā)設(shè)計(jì)。 圖 1. 5 早期鉆機(jī)鉆桿性能測試臺 一些鉆機(jī)測試臺在鉆機(jī)加載裝置的研究上做出了一些突破?；剞D(zhuǎn)加載的設(shè)計(jì)需要考慮實(shí)驗(yàn)室的最大和最小加載制動(dòng)轉(zhuǎn)求要求，同時(shí)需要有一定的過載余量，以防過載情況對鉆機(jī)測試臺造成不可挽回的損傷。磁粉制動(dòng)器加載也是現(xiàn)有的常用的加載方案。設(shè)計(jì)拉拔力的最高測量范圍為 400KN 加載設(shè)置，拉拔力的測試采用自動(dòng)和手動(dòng)相結(jié)合，半自動(dòng)化進(jìn)一步加強(qiáng)了整體系統(tǒng)的可靠度?；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。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(jìn)行數(shù)據(jù)共享、資源共用，可以在不同時(shí)段不同地點(diǎn)進(jìn)行分散測量，集中控制。傳統(tǒng)測試設(shè)備主要是通過硬件進(jìn)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(jìn)，通過具有強(qiáng)大功能的 PC 機(jī)進(jìn)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(jì)開發(fā)儀器設(shè)備的序幕，完美實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)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。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(jì)算 機(jī)技術(shù)，從而在各個(gè)領(lǐng)域更加彰顯其優(yōu)越性 [15]。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(jìn)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。明確論文工作安排。本章主要完成對測試平臺的加載方式的詳細(xì)設(shè)計(jì)以及鉆桿與測試臺連接的連接器的選型或設(shè)計(jì)。確定加載機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件的選型，包括鍵、聯(lián)軸器、軸承。主要通過將測試臺與計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)分析處理數(shù)據(jù)，最后以直觀的方式展現(xiàn)出來。進(jìn)行多種方案優(yōu)劣比較，最終確定一種或幾種方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)與分析。因此，亟待研究出大型的、抗干擾能力強(qiáng)的、靈敏度高的、測量范圍大的新型鉆機(jī)性能測試臺。將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測試平臺相結(jié)合。 初步方案擬定 問題剖析： 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(jìn)行 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 10 頁 扭矩測量，另外需要加載裝置平衡扭矩，鉆機(jī)鉆桿需要通過連接裝置與扭矩傳感器連接起來，從而進(jìn)行扭矩測量。左端同樣通過聯(lián)軸器將扭矩傳感器與加載裝置相連 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 11 頁 接，實(shí)現(xiàn)扭矩加載。而磁粉制動(dòng)加載就避免了以上問題，但現(xiàn)階段磁粉制動(dòng)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(dòng)器，以滿足使用要求。確定了鉆桿的扭矩測量方法。根據(jù)前一章的設(shè)計(jì)方案，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)主要包括兩部分，第一部分是加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；第二部分是鉆桿與扭矩傳感器連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。磁粉制動(dòng)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(lì)電流來增大轉(zhuǎn)矩。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(dòng)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(dòng)器很難滿足使用要求。 (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(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)高速高功率運(yùn)轉(zhuǎn) ， 另外連接處摩擦較小，不會引起較大的振動(dòng) 。方案簡圖如圖 所示： 圖 3. 2 轉(zhuǎn)盤制動(dòng)器簡圖 針對轉(zhuǎn)盤制動(dòng)器，初步設(shè)想了以下五種方案，將對每種方案進(jìn)行詳細(xì)的論證分析。 方案二： 采用兩組氣缸分別在轉(zhuǎn)盤的同一底面進(jìn)行加載（沿中心軸對稱布置），具體受力示意圖如圖 所示： 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 16 頁 圖 3. 4 受力示意圖 2 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(gè)系統(tǒng)具有向左運(yùn)動(dòng)的局勢。同樣，采用兩組氣缸很難保證同時(shí)加載，也會帶來一定的軸向力，因此并不可取。 方案五： 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。不會引起附加彎矩和軸向力。構(gòu)件 2 和構(gòu)件 3 通過平面高副連接。因 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 19 頁 此，雖然有兩個(gè)自由度，但是整體機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在氣缸工作狀態(tài)下是被限制的。此外，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類似杠桿原理，所以可以通過調(diào)整比例大小實(shí)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)盤直徑提高加載扭矩。全面提高摩擦片的使用壽命，降低損耗，增強(qiáng)系統(tǒng)整體的可靠性。 連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 本小節(jié)主要設(shè)計(jì)一連接結(jié)構(gòu)用于連接扭矩傳感器與鉆機(jī)的鉆桿，可以參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊聯(lián)軸器的各種型號進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。因此不太適合采用剛性聯(lián)軸器。但是不易用于傳遞過大扭轉(zhuǎn)力矩。相比其他聯(lián)軸器，具有不可比擬的優(yōu) 勢?？梢赃m應(yīng)多種場合對回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞的使用要求。為了消除單萬向聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速周期性波動(dòng)，保證主動(dòng)端、從 動(dòng)端的同步性，一般都采用雙聯(lián)型式，并使中間軸的兩個(gè)叉子位于同一平面上；同時(shí)還應(yīng)使主、從動(dòng)軸的軸線間的偏斜角相同，從而使從、從動(dòng)軸的角速度相等。Ka≤Tn(Nm； T萬向聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩， N載荷不均勻，中等沖擊時(shí)， Ka=~； 較大沖擊載荷和頻繁正反轉(zhuǎn)時(shí)， Ka=~，特大沖擊載荷和頻繁正反轉(zhuǎn)時(shí) Ka。以內(nèi)。 傳動(dòng)軸長度 傳動(dòng)軸的長度主要是為了補(bǔ)償轉(zhuǎn)動(dòng)軸偏角引起的軸向位移，長度的設(shè)計(jì)與鉆機(jī)與測試臺之間的距離有關(guān)。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)合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件，經(jīng)多種熱處理、機(jī)加工制成 [20]。 圖 3. 8 十字軸總成 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 22 頁 本章小結(jié) 本章主要完成了加載機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)以及連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。最后連接方式的設(shè)計(jì)參考機(jī)械設(shè)計(jì)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(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。 綜述 依據(jù)原始材料及技術(shù)要求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件的選型，以及零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 鉆機(jī)的工作轉(zhuǎn)速 200r/min。轉(zhuǎn)盤直徑的確定參考小扭矩鉆機(jī)的測試臺轉(zhuǎn)盤外徑以及鉆桿的工作高度。 最終選擇了性價(jià)比比較高的 HLT 138 系列標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器。 扭矩傳感器的性能特征： 信號輸出波形方波幅度可選 5V/12V。 規(guī)格（ＮＭ） Φｄ Φ D2 A B C E F G H H1 L 鍵 b*h*l*n 0200 28 92 8 72 123 41 61 100 60 125 209 8*7*35*1 0500 38 96 8 72 124 55 61 100 65 135 238 10*8*50*2 01K 48 106 8 69 126 70 78 120 68 144 270 14*9*65*2 05K 75 144 13 69 132 105 85 120 90 185 347 20*14*95*2 010K 98 158 13 80 144 120 110 160 110 214 389 28*16*115*2 030K 105 170 14 87 160 125 180 204 115 236 420 28*16*119*2 050K 150 240 14 89 163 123 184 230 153 309 419 40*22*115*2 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 25 頁 體積小、重量輕、安裝方便。 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。 動(dòng)力設(shè)備、傳感器、負(fù)載設(shè)備的同心度應(yīng)小于 。 在進(jìn)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(jī)械設(shè)計(jì) 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。 雙鍵強(qiáng)度計(jì)算： 鍵的材料選強(qiáng)度最高的鋼，按靜強(qiáng)度計(jì)算，許用擠壓應(yīng)力為 120210Mpa，去許用擠壓應(yīng)力為 140Mpa，計(jì)算得鍵的接觸長度： 39。螺栓的選型直接根據(jù)扭矩傳感器給出的型號標(biāo)準(zhǔn)。為了增強(qiáng)扭矩傳感器的強(qiáng)度，可以設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋。 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。 初步取 T 型槽間距 P 為 200mm，每一組螺栓受到 15000NM 的扭轉(zhuǎn)力矩，則螺栓 1 或 2 受到的拉力為 75KN，然后按普通受拉螺栓進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算： 強(qiáng)度條件： ? ?214=/sF Sd??? ? () 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 28 頁 d1螺紋小徑； s?材料的屈服極限，選取鋼材 Q235； [S]安全系數(shù)，取 12； 計(jì)算得： d1=；故選用螺栓型號為 M24 因而最終選取的 T 型槽公稱直徑 M24， T 型槽寬度 28mm， T 型槽間距取200mm。 m^3 計(jì)算可得： d=，考慮到鍵對軸強(qiáng)度的削弱，取最小軸徑為 150mm，考