基于SolidWorks的锚杆钻机用钻具试验工装参数化设计*

许海龙

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 检测分院， 北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室, 北京 100013)

0 引言

锚杆钻机是煤矿井下支护作业应用的重要设备之一。钻孔作业中依靠液压、气动或电动为回转马达提供回转动力，然后通过输出轴将动力传递到钻具，从而完成钻进作业。锚杆钻机用钻具主要包括回转钻杆和钻头。其中回转钻杆用于传递锚杆钻机输出的回转动力和推力，钻头通过执行钻杆传递过来的回转动力和推力完成岩层或煤层钻孔切削作业。钻具在作业过程中受地质条件的影响，受力较为复杂，但主要承担的力包括扭转力和推力。因此，钻具的抗扭性能和抗推性能直接关系到锚杆钻机钻进作业的安全性和可靠性。钻具在使用前需完成抗扭和抗推相关性能试验，达到标准规定要求后方可批量投入使用。随着钻具行业的发展，钻具力学强度不断增大，规格和种类不断增多。为了适应钻具规格的多样化，应设计呈现系列化规格的钻具试验连接工装，满足不同直径、不同六方宽度、不同螺纹形式和规格钻具的试验需要[1-2]。通过SolidWorks参数化设计功能进行锚杆钻机用钻具试验工装设计，从而提高工装设计的便捷性和设计效率。

1 SolidWorks参数化设计功能

SolidWorks是美国SolidWorks公司基于Windows系统开发的一款三维模型参数化设计软件。自1995年11月问世以来，因其易用性强、界面友好、体系结构开放、参数化特征设计功能强大等特点，在三维机械设计领域中得到了广泛应用。相比于AutoCAD，SolidWorks软件在模块化设计、参数化设计、人机工程学设计、自动更新化设计、结构强度校核、可视化设计等方面更具有优势，同时拥有动态灵活、强大的属性管理器。在建立三维模型与绘制二维工程图中具有交互性，便于二次开发和后期完善。通过尺寸驱动完成图形绘制或改动，缩短了开发周期，提高了设计的便捷性和设计质量[3]。

SolidWorks软件与微软Office软件具有较好的兼容性和互操性，可将Excel表作为系列零件设计表插入SolidWorks设计环境中，设计生成不同配置的零件族，实现SolidWorks参数化设计。SolidWorks参数化设计通过建立模型尺寸之间及尺寸与形状之间的约束关系，将模型的尺寸用对应关系表示，通过在Excel配置器中编辑参数值，将自动改变与它相关的尺寸，从而控制和修改三维几何形状，生成一系列大小不同、形状相似的零部件实体[4]。

2 参数化设计流程

基于SolidWorks软件进行参数化设计的流程如图1所示。首先，根据需要设计的模型，分析尺寸参数之间的关联，建立初始参数模型；然后，插入系列化零件设计表并进行编辑，明确哪些参数是驱动尺寸，哪些参数是随驱动尺寸关联变化的尺寸，并通过方程式建立关联尺寸之间的约束关系，约束关系要求能够确定唯一模型，也可以通过API程序或宏将SolidWorks软件和独立的Excel表链接起来，生成系列零件设计表；最后，通过输入相关数值进行几何参数的设置，完成模型的参数化建模过程。通过观察模型建立是否符合要求,从而判断参数值的有效性，参数之间不能有干涉条件存在。若模型符合要求则对模型进行保存，否则要返回分析参数关联性，重新进行参数设置和判断[4]。

图1 参数化设计流程

3 钻杆工装设计

锚杆钻机用钻具抗扭性能和抗推性能试验在专用试验台上进行，钻具试验用连接工装包括钻杆工装和钻头工装。钻杆进行扭矩或推力试验时，钻杆两端分别通过连接工装与试验台连接，两端工装一侧通过平键与试验台动力机构或加载机构输出轴连接，一侧连接钻杆。钻杆连接侧主要适应六方钻杆，两端采用不同规格的六方内卡套。钻杆连接安装后,在工装外侧通过高强度螺栓进行紧固，避免试验过程中出现晃动。适应常见六方钻杆规格为B19、B22、B25，通过SolidWorks软件参数化设计功能进行钻杆工装的参数化设计，明确工装模型的尺寸关系，建立系列化参数设计表[5-6]。钻杆工装参数化设计过程如图2、图3所示。随着钻杆规格的不断多样化，当遇到新规格钻杆时，通过在SolidWorks软件参数化配置设计表中输入相关参数值即可完成适应新规格钻杆工装的模型设计，缩短了试验准备时间。钻杆与动力机构间连接工装三维模型图如图4所示，钻杆与加载机构间连接工装三维模型如图5所示。

图2 钻杆与动力机构间连接工装参数化设计

图3 钻杆与加载机构间连接工装参数化设计

图4 钻杆与动力机构间连接工装三维模型图

图5 钻杆与加载机构间连接工装三维模型图

4 钻头工装设计

钻头连接工装用于完成钻头回转试验时的连接固定需要。锚杆钻机用钻头按照螺纹形式可以分为内螺纹钻头和外螺纹钻头，按照切削刃数量可以分为一字型、两翼型、三翼型，应用最为广泛的为两翼型。钻头回转试验中一端通过延长连接杆与加载端连接，连接杆与钻头螺纹之间通过系列化工装进行连接，另一端通过钻头切削刃夹卡工装与动力机构连接。钻头常见规格形式如表1所示。

表1 常用钻头规格尺寸

钻头工装设计考虑适应两翼不同规格的内外螺纹形式，由于钻头规格较多，且呈现为系列化，采用SolidWorks进行钻头连接专用工装的参数化设计。确定工装模型的尺寸关系，建立系列化参数设计表。外螺纹钻头工装参数化设计过程如图6所示，内螺纹钻头工装参数化设计过程如图7所示。随着钻头规格的不断多样化，当遇到新规格钻头时，通过在SolidWorks软件参数化配置设计表中输入相关参数值，即可完成适应新规格钻头工装的模型设计，提高了试验准备工作的效率[5-6]。钻头连接工装三维模型图如图8所示。

图6 外螺纹钻头连接工装参数化设计

图7 内螺纹钻头连接工装参数化设计

图8 钻头连接工装三维模型图

5 结论

锚杆钻机用钻具的参数化设计满足了钻具在回转和推力试验中的连接固定需要。基于钻杆和钻头规格的多样化，将SolidWorks参数化设计功能应用到钻具试验的工装设计中，总结了SolidWorks软件进行参数化设计的主要流程和方法，在分析钻杆和钻头种类、规格的基础上完成了系列化钻头和钻杆连接工装的参数化设计。随着钻具规格多样化的发展，当出现新规格钻具时，只要通过在建立的系列化参数设计表中输入相应的配置参数，即可完成适应新型钻具试验工装的三维模型建立，缩短了试验工装的设计周期，提高了设计的效率和准确性。