基于优化方法的钻机回转器关键部件改进设计.pdf

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1、第10期组合机床与自动化加工技术NO．1O2011年1O月ModularMachineTool＆AutomaticManufacturingTechniqueoct．2011文章编号：1001—2265(2011)10—0095—04基于优化方法的钻机回转器关键部件改进设计王勇，沈威，徐鸿祥，郑龙(1．合肥工业大学，合肥230009；2．杭J,i、1祥龙钻探设备有限公司，桐庐311504)摘要：针对钻机回转器关键零部件立轴套、箱体结构上出现的问题，利用尺寸优化方法对立轴套轴段内外径、轴段长进行改进设计，利用拓扑优化方法对箱体体积进行优化改进设计，并对改进后的

2、结构进行分析以验证其优化结果的合理性。结果表明，改进后的结构不但满足设计要求而且结构更加合理。关键词：钻机回转器；立轴套；箱体；尺寸优化；拓扑优化中图分类号：TH122文献标识码：AImprovedDesignofthekeycomponentsofDrillGyratorBasedonOptimizationMethodWANGYong，SHENWei，XUHong—xiang，ZHENGLong(1．HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009，China；2．DrillingEquipmentofHangzhouXia

3、nglongCo．Ltd．，Tonglu311504，China)Abstract：Forthestructuralproblemsofspindlesleeveandboxofthekeycomponentsofdrillgyrator，improveddesignoftheparagraphshaftdiameter，lengthofshaftsegmentofspindlewithsizingoptimiza—tionmethod，improveddesignofthesizeofthesizeofboxwithtopologyoptimization

4、method，andana-lyzedtheimprovedstructuretoverifythereasonablenessoftheoptimizationresults．Theresultsshowthattheimprovedstructureisnotonlytomeetthedesignrequirementsandthestructureismorereasonable．Keywords：drillgyrator；spindlesleeve；box；sizingoptimization；topologyoptimization0引言1回转器结

5、构及原理20世纪90年代以来，国内外研发机构如德国的回转器是钻机的重要组成部分，使钻杆获得回wirth公司、挪威的MH公司、美国Pool公司、澳大利转运动和进给运动。它由立轴套、箱体、圆锥弧齿轮亚威利朗沃公司及我国煤矿研究总院西安研究院、等组成，其结构如图1所示。重庆研究院等单位研究改进、开发创新了多种新型钻机，涌现了许多新结构、新技术。这其中，机械传动、液压进给式钻机由于其使用的灵活性仍在广泛箱体使用。在该钻机中回转器使钻具以不同转速和扭矩立轴套作正转或反转，并导正钻具方向。为使钻机回转器圆锥弧齿轮能在大扭矩下安全工作，传统设计立轴套结构尺寸立轴大，增加了

6、回转器的整体尺寸；箱体结构占用空间大，且四油缸在运动过程中不易同步，影响了进回程速度。图1回转器总成示意图本文针对上述钻机回转器的问题，对其关键部钻具回转运动通过一对圆锥弧齿轮、立轴套、立件立轴套、箱体分别进行尺寸和拓扑优化设计，得到轴来实现。钻杆的上下移动通过进给油缸内的油压满足设计要求的结构。来推动活塞和活塞杆，并带动横梁、液压卡盘来实收稿日期：2011—02—21作者简介：王勇(1969一)，男，安徽无为人，合肥工业大学副教授，博士，研究方向为数字化设计、结构拓扑优化技术，(E—mail)ywang9868@163．corn。·96·组合机床与自动化加

7、工技术第10期现传统设计H；的钻机轴套的结构尺寸大，箱体卡勾rJ}J卒问大等，此受对轴套、箱体结构进行进设汁，借到更加合理的结构、．2基于尺寸优化的立轴套结构改进设计轴套的材料为45铡，正火+rn]火处理，恶劣㈠卜转速n=52．6r／mira，功率P=20．84kW，额定转7=4000N·r『J2．1目标函数的建立寸优化的目标是得到满足强度条件下的紧凑图3外点惩罚函数的程序框图结构形式，故选轴套质量作为目标函数，材料表1优化结果密度为常数，目标数即为：设汁变量lI／2l3l4d{dff

8、——I圮化前79l】534l5568()135J38l461()()宝≠

9、———优化后嘲整831l826205082J30【1