凿岩机滑架及托架承载力分析本科毕业论文.doc

第一章 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
本世纪以来，采矿工业、铁道工程、煤炭工业、军事工程中，在岩石断面上掘进的工作量日益增加，生产效率要求越来越高，老式的气动凿岩机的钻凿能力与生产发展的需要之间的矛盾日益加剧。生产的发展要求用效率高、生产能力大的新型凿岩机来代替气动凿岩机,液压凿岩机正是在这种情况下诞生的。液压凿岩机如图1所示。

图1 液压凿岩机
早在1920年，英国人多尔曼就制成了液压凿岩机。大约40年之后，英国人萨特利夫制成了另一种液压凿岩机。不久，美国Gardne Denvr公司根据尤布科斯专利，制造了MP-l型液压凿岩机，其冲击能为l0J，冲击频率为20Hz，但因钎具寿命太短，未得到推广使用。
液压凿岩机的研制与发展有悠久的历史，自70年代以来大量投人市场，至今世界上已有约20个国家，30家公司(厂家)进行研制。到目前为止，多数液压凿岩机经历了产品更新，完善结构，提高效率等过程。由于液压凿岩机具有工效高、噪声低、易控制、寿命长等优点，其发展速度异常迅速，各国研制的液压凿岩机投入市场销售的型号已有上百种。
随着社会的不断发展，手锤打眼已不能满足生产要求。通过前人的努力，1887 年制造出第一台轻型气动凿岩机，1938 年发明了气腿和碳化钨钎头。气腿式凿岩机和钎头的不断完善，对凿岩机的效率又提出了新的要求，20 世纪 60 年代初，开发了独立回转凿岩机，随后发展和完善了架柱式凿岩机和凿岩钻车。在凿岩机不断发展的同时，注意到随着孔深的增加，深孔凿岩接杆钎具联接处能量损失较大，提出了将凿岩机送入孔底的设想，因而发明了潜孔冲击器。
以上几种液板凿者机都因一些技术关键问题没能很好地解决，所以没有能在生产中得到应用。1970年，法国Montabrt公司推出了世界上第一台实用的液压凿岩机，并且很快成批生产，推广使用。
与气动凿岩机相比，液压凿岩机有以下特点:①纯凿孔速度比同量级气动凿岩机快1~2倍；②能量消耗低，约为同量级气动凿岩机的1/3~1/4;③主要零部件使用寿命长，钎具消耗少，凿孔成本低;④工作面环境有较大改善，噪声可降低10-15dB，且无油雾，可见度好;⑤机器性能好，可根据岩石条件调节冲击能，以取得最佳凿孔效果;⑥便于实现凿孔作业自动化。
正是由于这些独特的优点，世界各国刘液压凿岩机都十分重视，经过短短20几年的发展，目前，已有10多个国家能生产上百个品种的液压凿岩机，并已广泛应用于铁进、冶金、煤炭、地质、水电、建材、军事部门。
按液压冲击器的控制原理，可以把液压凿岩机分为两大类:一类是有阀型液压凿岩机，如图2所示。按回油方式又可以把这一类液压凿岩机分为双面回油式、前腔常压后腔回油式和后腔常压前腔回油式等三种类型。

图2 有阀型液压凿岩机
另一类是无阀型的，如图3所示，工作原理是利用液压油的微压缩性。液压油受压时储存能量，膨胀时则释放能量。由于液压油的可压缩性很小，故无阀型液压凿岩机一般具有冲击频率高、冲击能小、外型尺寸大、效率低等特点，所以无阀型液压凿岩机在国际市场上的竞争力低，使用不多。目前，在国际上比较流行的机型是双面回油型(如瑞典Atlasepc公司的COP凿岩机械气动工具系列)凿岩机和前腔常压后腔回油型(如中南工业大学设计的YYG系列)凿岩机。

图3 无阀型液压凿岩机
液压凿岩机主要是由冲击器、蓄能器、转钎装置和供水排粉装置等几大部分组成。其中冲击器起着举足轻重的作用，它的性能直接决定了液压凿岩机整机的性能。正因为如此，在过去20多年时间里，各国学者一直把液压凿岩机研究的重点放在对液压冲击器的研究上。
按照人们在研究冲击器时所采用的数学模型不同，可以把研究液压冲击器的方法分为线性模型方法和非线性模型方法两大类。线性模型法抓住液压冲击器运动的主要因素，忽略次要因素，对冲击器作一些必要的假设，将活塞受力状态进行简化，得出用线性数学模型表示的冲击器运动规律。这种模型揭示液压冲击器的运动规律直接明了，有确切的代数表达式，可方便地求得解析解。
但由于这类方法忽略了一些实际存在的因素，故只是粗线条地描述冲击器的运动规律。非线性模型较多地考虑液压冲击器的影响因素，较全面地分析了冲击器的受力状态，得到高阶非线性微分方程组描述其运动规律。这种模型能较精确地揭示液压冲击器的物理现象，但方程求解困难，描述不直观，只能通过计算机求得数值解。近年来，随着计算机科学技术的发展和微型计算机的普及，非线性模型越来越受到人们的重视。但必须指出，由于液压冲击器运动的复杂性，非线性模型也都建立在一些假设的基础上，所以也只能是近似地描述冲击器的运动规律。要想得到更准确的描述方法，尚有待计算流体力学的发展。
液压凿岩机以压力液体为动力破岩，按破岩方式不同，凿岩机械有回转式、冲击式和回转冲击式三种。回转式液压凿岩机常称为液压回转钻，冲击式液压凿岩机做为岩石破碎设备，称为液压破碎冲击器或液压镜，回转冲击式液压凿岩机具有冲击机构与回转机构，即通常所说的液压凿岩机。一、液压凿岩机的甚本功能，通常，液压凿岩机真着冲击机构，回转机构，其凿岩作业是冲击、回转、推进与岩孔冲洗功能的综合。液压凿岩机冲击机构由压力液体的作用产生冲击能量，通过钎具(钎尾、连接套、钎杆)以应力波形式传递给岩石，从而达到破碎岩石的目的，液压冲击机构冲击能量以冲击功能(KW)表示，它包含冲击能(J)与冲击频率(Hz)两个参数。一般说来，液压冲击机构输出的冲击功率越大，凿岩能力越强，即凿孔速度越高或破岩效果越好。
液压冲击机构冲击能由冲击活塞运动速度与质量决定，冲击活塞运动速度值应超过岩石破碎的临界速度(一般为4.8m/s)，而因目前钢材性能影响，冲击活塞运动速度不超过12m/s。
液压凿岩机的回转机构由转钎数与转钎扭矩决定其性能。转钎数与岩石类型钎具型式与液压凿岩机冲击性能参数有关。液压凿岩机转钎扭矩用于克服凿岩过程中的破岩阻力，钎杆与孔壁间摩擦阻力，钎杆与岩粉间的阻力等，为使液压凿岩机保证有最佳凿孔速度，国外液压凿岩机有加大转钎扭矩的趋势。
液压凿岩机凿岩推进功能使凿岩机冲击能以最佳应力波形式传递给钎具与岩石，最佳推进力随岩石性质、冲击性能参数、回转性能参数，钎具形式等变化。
凿岩推进力过小时，液压凿岩机冲击能不会全部传递给岩石；能量传递不良，波形螺纹连接套容易松动，能量损失过大;回转性能不能充分发挥作用，钎具在岩石上不易形成回转阻力，钎头易在岩石表面摩擦发热，凿孔速度下降；钎头因阻力小打滑而产生过度磨损。凿岩推进力过大时，钎杆与钎尾形成不必要的弯曲和磨损，岩粉冲洗困难；合金片迅速磨损，凿孔速度下降。
因此，寻找液压凿岩机最佳推进力是必要的。液压凿岩机凿孔过程的岩粉冲洗有多种方式，可采用水、空气、雾、泡沫等冲洗介质。冲洗介质有清除岩孔内已破碎岩粉或小碎块、冷却钎头与“润滑”钎具等作用。当采用水为岩孔冲洗介质时，冲洗水压力常在0.6mPa以上。
液压凿岩机按其工作原理可分为以下类型，如图4所示：

图4 液压凿岩机的分类
凿岩机是用来直接开采石料的工具，如图5所示。它在岩层上钻凿出炮眼，以便放入炸药去炸开岩石，从而完成开采石料或其它石方工程，此外，凿岩机也可改作破坏器，用来破碎混凝土之类的坚硬层。

图5 凿岩机
凿岩机按其动力来源可分为风动凿岩机、内燃凿岩机、电动凿岩机和液压凿岩机等四类。
液压凿岩机是近几年来出现的一种新型凿岩机，基本可以分为二种类型：一种是小型手持式，其冲击能量较小，主要是用来代替传统的风镐，大多数与小型挖掘——装载机、液压工程车等配套使用；另一种是大型机载式，这类液压凿岩机大多是以液压挖掘机的反铲作业装置为基础，将反铲斗换装成凿岩机行工作，由挖掘机驾驶员在驾驶室内进行操作。此类凿岩机的能量较大，一般在1~6kN·m范围内。气动凿岩机虽然具备很多优点，但存在着能耗大和作业环境恶劣的缺点，1946 年研制成功矿用牙轮钻机，20 世纪 70 年代初期液压凿岩机投入市场。近年来，国外一些先进矿山实现了掘进、采矿凿岩钻车遥控和机器人化，并将支腿式水力凿岩机和水压潜孔冲击器投入使用。
液压凿岩机作为重要的旋转冲击式钻孔设备,广泛应用于中小型露天矿、岩土工程、铁路、公路、水电等领域,进行基础施工、隧道开挖、勘探、采石、采矿作业爆破孔的钻凿。
1.2 凿岩机的工作原理
凿岩机是按冲击破碎原理进行工作的，如图6所示。工作时活塞做高频往复运动，不断地冲击钎尾。在冲击力的作用下，呈尖楔状的钎头将岩石压碎并凿入一定的深度，形成一道凹痕。活塞退回后，钎子转过一定角度，活塞向前运动，再次冲击钎尾时，又形成一道新的凹痕。两道凹痕之间的扇形岩块被由钎头上产生的水平分力剪碎。活塞不断地冲击钎尾，并从钎子的中心孔连续地输入压缩空气或压力水，将岩渣排出孔外，即形成一定深度的圆形钻孔。

图6 凿岩机工作原理
1.3 国外液压凿岩机研究现状
目前，国际液压凿岩机市场有竞争能力的是瑞典的Adas-Copco公司和芬兰的Tamrock公司，其销售量占世界总销售量的65%以上。法国Secomen及其它公司，也积极发展特色产品，力争占领市场。
1、瑞典Adas-Copco公司的液压凿岩机
Atlas-eopeo公司液压凿岩机的结构原理：Cop系列液压凿岩机系列产品冲击机构基本工作原理Cop系列液压凿岩机系列产品冲击机构基本工作原理相同，即为外阀式结构，采用前后腔交替回油、用换向伐控制活塞的运动。在冲程阶段(图7- a)换回阀芯及活塞均位于末端，高压油径高压进油路1到后腔通道3，进入冲击缸体后腔，振动活塞A向前做等加速运动；在冲程换向阶段(图7-b)，冲击活塞A向前移动至预定位置，打开右推阀通道口，高压油径后推阀通道5，作用在换向阅B的右端后，推动滑阀B换向，阁左端腔室中的油径前推阀通道4、换向阀排油通道7及回油通道6回油箱，为回程运动做好准备;在回程阶段(图7-C)，当活塞已打击钎尾C、滑阀B换向，在完成冲程运动的瞬间，即刻进人回程运动，高压油从进油路1到前腔通道2，进人冲击缸前腔，推动活塞A向后运动;在回程换向阶段(图7-d)，活塞A向后移动打开前推阎通道4时，高压油经前推阀通道4，作用在滑阀5、回油通道6流回油箱。滑阀移到右端，则下一个冲程运动开始。活塞与换向阀如此连续反复运动，使冲击活塞连续冲击钎尾做功。

图7 Adas-Copco凿岩机工作流程
2、芬兰Tamrock公司的液压凿岩机
Tamrock公司液压凿岩机的冲击工作原理及其特点，Tamrock公司液压凿岩机采用前腔常高压，后腔压力交变，利用套阀配流而实现括塞往复冲击运动，其动作原理见图示。

图8 Tamrock凿岩机工作原理
①回程换向阶段(图示8-a)活塞与运行到前端打击位置，活塞5中部与配油阀9形成的推阀腔10进高压油，分别作用在阀前小端面2和阀前大端面n上，此时配油阀9前端面的面积之和大于阀后端面7的面积，使配油阀9向后移动至末端，将活塞5后腔室8的压力油并接回油蓄能器3以后回油，活塞5的前腔室1中的压力油推动活塞5向后运动。②冲程换向阶段(图8-b)活塞5向后运动，使推阀腔10与高压油路断开，接通回油，压力油分别作用在配油阀9的前、后端面上(此时后端面7的面积大于前小端面2的面积)，配油阀9向前移动，活塞5的后腔室8进高压油，活塞向前做等加速运动。如此循环，现实冲击动作。该公司液压凿岩机采用套阀结构，控制油路段，换向引起的能量损失小，有利于冲击运动的准确实现。此外，液压系统是低压大流量，可靠性也容易得到保证。
1.4 国内液压凿岩机研究现状
目前我国参与凿岩机研制的单位主要有煤炭研究院北京建井研究所、北京科技大学、中南大学、山河智能装备集团、长沙矿冶研究院、天水风动工具厂、沈阳风动工具厂、瞿州凿岩机厂、莲花山凿岩钎具有限公司等10多个单位,成功研制了 20多种型号的凿岩机。他们分别是:YYG30、YYG80、YYG80A、YYG90、YYG90A、YYG250A、SWHD90、SWHD220、YYT30、GGT70、CYY20、YYGJ145 (仿 Copl038H)、和 DZYG38B(仿 Copl238ME)。
这些凿岩机的冲击能多在150-250J之间,钻孔直径一般为40?50mm,只有SWHD90、SWHD220、YYG250A、YYGJ145, TYYG20 和 DZYG38B 型液压凿岩机钻孔直径孔径大于50mm,最大可达120nim。据统计,这些液压凿岩机在市场销售了400多台,除两款仿造市场销售的机型外,其余的都是我国自主研发的。其中由中南工业大学研究设计的YG90型液压凿岩机,1988年在汝城鹤矿使用时,创造了在2.4 mX2.6 m的断面中月进尺250m,掘进工效稳步超过1 m /工班的好成绩,1991年在桓仁铜锌矿创造过单台单班进尺5.4?6 m的好成绩。由莲花山凿岩钎具有限公司引进法国Eimco-Secoma公司技术生产的HYD300液压凿岩机,国产化率达95%,冲击活塞寿命可达2000ni左右,各项性能不亚于国外同类机型水平,并已批量生产，如图9所示。

图9 HYD300凿岩机
虽然我国在液压凿岩机方面取得了一定的成绩,但是与国外先进技术尚有较大的距离。国内产品的稳定性指标(不拆机检修)均在500m左右,而Atlas Copco3 的产品一般都在6000m左右。究其原因主要有:①缺乏适用于局频、尚速、局压的密封件技术;②缺乏活塞、钎尾、配流阀等关键零部件的材料、热处理、加工工艺等方面的研究;③蓄能器隔膜的寿命短;④缺乏系统、完善的理论指导凿岩机的设计和生产。这些因素严重限制了我国液压凿岩机的发展。
1.5 虚拟样机与运动仿真
产品设计过程中进行虚拟样机制造和运动仿真，对于提高产品质量和降低成本具有重要的作用。本文将对凿岩机行走机构进行实体建模，制造虚拟样机，同时进行运动仿真。
虚拟样机制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域，美国处于国际研究的前沿，福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术，大大缩短了产品的发布时间。波音公司设计的777型大型客机(如图10)是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机，它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。

图10 777型大型客机

基于产品的数字化模型，应用先进的系统建模和仿真优化技术，虚拟制造实现了从产品的设计、加工、制造到检验全过程的动态模拟(如图11)，并对其运作进行了合理的决策与最优控制。虚拟制造以产品的“软”模型取代了实物样机，通过对模型的模拟测试进行产品评估，能够以较低的生产成本获得较高的设计质量，缩短了产品的发布周期，提高了效率，本文将实现马尾纱包芯纱纺纱机样机的虚拟制造和动态仿真。

图11 虚拟制造和动态模拟

1.6 本文的研究内容
凿岩机用于道路桥梁的钻孔工作，工作条件恶劣，要求采用液压传动进行总体动力输出，通过本课题掌握机械设计和液压设计的有关知识以及设计过程。
本文主要进行凿岩机滑轨和托架的机械设计和承载力分析，包括各机构的承载力分析、零件参数化实体建模、绘制二维工程图纸、虚拟样机的制造、机构运动仿真。

第二章 凿岩机滑架及托架承载力和屈服强度分析
2.1 凿岩机机架和托架三维实体图和机构简图
如图1所示，对整个装配模型进行拆分，分解得到凿岩机机架和托架的三维实体，其中为了后续计算方便还包括凿岩机的大臂部分，以及每个液压缸提供的动力部分。

图1 凿岩机机架、托架和大臂部分
机构简图是用特定的构件和运动副符号来表示机构的一种简化示意图，仅着重表示其机构组成特征。用规定的符号按比例画出机械中只与运动有关的构件和运动副的相对位置及其几何尺寸的图形。它相当于机构的运动模型，与原机构有完全相当的运动，可以简明地表达一部机器的传动原理，用于以图解法求机构上任意点的运动和力，以及运动设计方案的比较。
绘制机构运动简图的步骤：
1、搞清机械的实际构造、动作原理和运动情况，确定原动件、机架、传动部件和执行部件。
2、沿运动传递路线，逐一分析每两个构件之间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目。
3、恰当选择运动简图的视图平面，通常选择机械中多数构件的运动平面为视图平面。
4、选择恰当的作图比例尺。
5、确定各运动副的相对位置，用各运动副的代表符号、常用机构运动简图符号和简单线条，绘制机构运动简图。
6、在原动件上标出箭头以表示其运动方向。
按上述步骤对机构进行分析，垂直液压缸1给凿岩机执行机构端部输送压力，使机构端部能将岩石凿穿。垂直气缸2带动整个托架在滑轨上运动，实现末端执行部分的升降定位。大臂气缸3和气缸4实现末端执行机构的摆动定位，这样就能实现末端的灵活钻孔。
根据上述分析，绘制机构的运动简图主视图如下图2所示。视图中，剖面线表示固定机座，圆圈表示转动副，F为该部分机构承载的力，M为该部分机构承载的力矩，在此基础上计算每个转动副的受力情况以及液压缸的承载情况，方便后续液压缸的选型以及机构尺寸的设计。
F
M
液压缸1
液压缸2

图2 机构的运动简图主视图
由于该机构比较复杂，为空间机构，末端执行机构和动力机构不在一个平面内，平面机构不能很好地表达机构的运动特性。对于垂直的两气缸以及末端执行机构，另作一个机构简图右视图，如图3所示，方便表达和计算。图中液压缸用矩形表示，末端钻头用三角形表示，正方形表示连接机构，F1表示实际作业中受到的力，下面就以该模型为基础计算该机构的承载力。

液压缸3
液压缸4
末端钻头
F1

图3 整体滑架和托架机构简图右视图
2.2 传动机构的受力分析
首先进行凿岩机末端的受力分析，根据图3 的机构分析，F1为所受工作力，F2为末端执行机构的推动力，F4为推动托架沿滑轨直线运动的力，G为托架以及液压缸4所受的总重力，F3为该机构与前一部分机构的作用力，a两液压缸之间的水平距离，机构的各尺寸参数和机构的受力分析图如下图4所示，
液压缸3
液压缸4
末端钻头
F2
a
o
F3
M1
F4
F1
G
G1

图4 机构件图右视图
根据受力分析图以及凿岩机构工作原理有：

F4为推动托架沿滑轨直线运动的力，则有：

将图中所有的力F1 、F2 、F3 、F4 、G、G1向o点简化，则有：

然后进行中间传动机构的受力分析，即大臂机构的受力分析。大臂机构的受力分析如图5所示。F3、F5、F6、F7、F8、F9、F10均为个构件所受的力，a、b、c、d、e、f、g、h为机构各构件的尺寸大小。
M1
o1
F3
o2
o3
o4
o5
o6
O7
F5
F6
F7
F8
F9
F10
b
c
d
e
f
g
h
α
k

图5 大臂机构的受力分析
受力分析的目的就是要求出每个主动构件所需提供的主动力大小。运用理论力学的知识，受力分析过程如下。
o1、o2、o3为组成三角模块的三个转动副，已知F3和M1，需求出F5和F6的大小。
以末端三角模块为研究对象，受力图如图6所示：
α
F5
F3
M1
o1
o2
o3
g
h
F6
y
x

图6 三角模块受力分析
以o1为原点，水平方向为x轴，垂直方向为y轴建立直角坐标系o1-xyz。根据平衡条件，在水平方向有：

在竖直方向有：

将F5、F6向o1进行简化，根据力矩平衡有：

其中α按下式求得：

联立上述各式，可解得F5、F6为：

根据二力杆平衡有：

则：

然后对水平杆进行受力分析，水平杆的受力图如下图7所示。图中，以o7为原点，水平方向为x轴，垂直方向为y轴，建立坐标系o7-xyz。已知F10和F6，求取F7和F9。
F9
F6
F10
F7
k
c
e
f
b
β
o7
y
x

图7 水平杆的受力图
根据水平杆的平衡条件，在水平方向上有：

在垂直方向有：

其中，

联立上述各式，可得：

根据二力杆的平衡条件，可确定：

则：

至此，传动部分受力分析完毕。
2.3 滑轨的屈服强度分析
屈服强度：是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限，称为条件屈服极限或屈服强度。大于此极限的外力作用，将会使零件永久失效，无法恢复。如低碳钢的屈服极限为207MPa，当大于此极限的外力作用之下，零件将会产生永久变形，小于这个的，零件还会恢复原来的样子。
经过上述传动机构的受力分析可知，滑轨所受的载荷沿轴线方向，其大小与F2大小相等，方向相反。
滑轨材料采用20号钢，查询机械设计手册，可知20号钢的性能参数如下：
1、20钢的20是指含碳量，含碳量为0.2%，属于低碳钢。
2、该钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。抗拉强度为253-500MPa，伸长率≥24%。
3、未热处理态，硬度≤156HBS。
4、化学成分如下表：

5、相变点温度（近似值）Ac1=735℃，Ac3=855℃，Ar3=835℃，Ar1=680℃。
6、正火规范 温度920~950℃，出炉空冷。硬度131~156HBS。
7、冷压毛坯软化处理规范 温度700~720℃，保温时间8~15h，再以50~100℃/h的冷速，随炉降至温度≤550~600℃，出炉空冷。
8、淬火规范 温度910℃±10℃，10%NaCl盐水冷却。
9、实测屈服强度为275Mpa，弹性模量为206Gpa，泊松比ν=0.3。
10、抗剪强度275~392MPa,抗拉强度为253~500MPa，屈服强度为275MPa，延伸率为25%。
11、20号钢在225℃下的许用应力：(16-36mm)111-124MPa之间；(6-16mm)之间117-131MPa，20号钢在100℃下的许用应力：150℃时，20号钢钢管的许用应力为130 MPa，20号钢锻件的许用应力为108MPa。
如图8所示，滑轨的横截面剖视图为：
a
b
c
d
e

图8 滑轨的横截面剖视图
根据图示，可求得滑轨横截面的面积为：

滑轨所受的载荷沿轴线方向，其大小与F2大小相等，则可知滑轨承受的应力为：

根据屈服强度校核条件：

其中，对于20钢，。
同理，可求得，滑轨能承受的最大的载荷为：

至此，屈服强度校核完毕。
2.4 结果验证
为了验证结果的正确性，不妨设工作载荷，，，，，a=350mm，b=800mm，c=400mm，d=700mm，e=600mm，f=300mm，g=500mm，h=500mm，h=100mm可计算得上述各量：

2.3 螺栓组连接的受力分析
末端执行器的托架机构中存在螺栓组连接，为了保证连接的可靠性，必须进行螺栓组的受力分析。
螺栓组连接机构简图可以简化为图9所示形式。
o
F3
M
t

图9 托架螺栓组连接图
托架螺栓组连接受力分析图为图10所示形式。
o
1
2
3
4
FS1
FS1
FS1
FS1
FS2
FS2
FS2
FS2
r

图10 托架螺栓组连接的受力分析
由图9知，F3和M为已知力和力矩，根据图10所示的受力分析图确定螺栓的受力情况。
在纵向力力作用下，各个螺栓所受的纵向载荷大小相同，方向与相同。

根据前面分析，设,则：

而在旋转力矩M作用下，由于各个螺栓中心至形心O点的距离相等，所以各个螺栓所受的横向载荷大小也相同，但方向各垂直于螺栓中心与形心的连线。
设螺栓之间的水平距离和竖直距离均为t=200mm，各螺栓中心至形心点的距离为：

所以：

由图9可知，螺栓1和4所受两力的夹角最小，故螺栓1和2所受横向载荷最大，即：

当采用铰制孔螺栓连接时，由上述计算单个螺栓受最大横向载荷：

用普通螺栓连接时，普通螺栓连接在预紧力作用下利用接合面的摩擦力来传递横向载荷。普通螺栓的横向载荷的分析同上，则：
对于单个受力最大的螺栓，由得：

第三章 滑轨机构和托架零件实体造型与装配
3.1 实体造型概述
零件的几何造型与虚拟装配是动画仿真的基础，为了实现凿岩机工作过程的动画仿真，首先得建立凿岩机的三维几何模型。凿岩机三维模型的建立主要包括各个零部件的实体造型以及整机的虚拟装配。
实体造型技术(Solid Modeling)是计算机视觉、计算机动画、计算机虚拟现实等领域中建立3D实体模型的关键技术。计算机实体造型进行虚拟制造，是借助电子计算机及相关技术，对复杂的真实系统和状态进行数字模拟，具有经济、安全、快捷、具有优化设计和预测的特殊功能。实体造型技术是指描述几何模型的形状和属性的信息并存于计算机内，由计算机生成具有真实感的可视的三维图形的技术。
目前常用的实体表示方法主要有：边界表示法(BRep)、构造实体几何法(CSG)和扫描法。
借助计算机进行虚拟制造，具有以下优点：①将新产品维修和维护的方法直观地演示给观众，使观众更容易理解，以便能准确操作；②很多复杂的设备，由于在其设计阶段，其工作过程中的状态无法具体化，采用三维抽象模拟，就可以解决此类问题，大大节省了成本和时间，让设计者能轻易地理解运行状态中产品的实际情况，改进设计； ③大型设备的运送、现场安装、安装过程、现场工作实景，特别是一些特殊场景，无法以传统的拍摄模式将设备信息展现给观众，而采用三维模拟，可以将这些难以表达清楚的场景和过程，一一列举，清晰准确。
本章将以第二章完成的设计方案为依据，通过计算机进行虚拟样机的设计和验证所设计机构的正确性和有效性。
3.2 凿岩滑轨和托架零部件造型
几何建模采用自下而上的建模方法，即根据各个零件的结构形状与尺寸建立零件的三维几何模型，然后再按照零件之间的配合与约束关系进行装配，完成整机的虚拟装配。
Solidworks零部件的建模过程为：首先选取合适的基准面，建立各零部件的平面草图；其次利用拉伸、特征扫描、旋转、切除、放样等命令完成零件的基本特征的造型；然后利用倒角、圆角等命令完成局部的造型，最后完成整个零件的建模。
Solidworks提供了强大的装配功能，其优点为：①在装配体环境下，可以方便地设计及修改零部件；②可以动态观察整个装配体中的所有运动，可以对运动的零部件进行动态干涉检查及间隙检测；③可以通过镜像、阵列零部件，设计创建出新的零部件及装配体。在滑轨和托架机构的装配过程中，首先插的零部件会自动定义为固定静止的部件，然后依次插入各零部件，通过一系列的配合约束关系，装配成整机。装配前，应该认真分析各零件、部件在部件、整机中的位置、作用、以及相关的装配关系、运动关系，以保证装配运动的灵活性、不干涉性。下面通过介绍装配过程， 说明在Solidworks中的装配体生成方法：①打开新建装配体命令，即进入生成装配体的界面；②在装配体界面中，点击“插入零部件”命令，排列各零部件，顺序按照从上到下排列。注意插入的零部件应该集中在一个区域，不要过于分散，以便于下一步装配步骤；③装配时，将所有的零部件通过“重合”、“平行”、“垂直”、“距离”、“同轴心” 等配合约束装配起来。装配好具有对称特征的一边零部件后，运用圆周阵列特征命令，装配零件。装配时，要运用“移动零部件”、“旋转零部件” 将零件拖动到便于配合的合适位置。装配时应该注意做干涉检查，消除装配干涉，最后装配成虚拟样机。
本节针对六角螺栓、六角头螺母、重型板式链、轴、键、单列圆锥滚子轴承和法兰等零件分别进行几何建模与整机虚拟装配，这是实现滑轨和托架动画仿真的关键。
3.2.1 六角螺栓建模
六角螺栓是指头部和螺杆组成的紧固件，螺栓按材质分有铁螺栓和不锈钢螺栓。铁的按等级分有4.8级螺栓，8.8级螺栓。不锈钢螺栓按材质为有不锈钢SUS201螺栓，SUS304螺栓，SUS316螺栓。
按连接的受力方式，有普通的和有铰制孔用的。铰制孔用的螺栓要和孔的尺寸配合，用在受横向力时。
按头部形状有六角头的，圆头的，方形头的，沉头的等等，一般沉头用在要求连接后表面光滑没突起的地方，因为沉头可以拧到零件里。圆头也可以拧进零件里。方头的拧紧力可以大些，但是尺寸很大，六角头是最常用的。
另外为了满足安装后锁紧的需要，有头部有孔的，杆部有孔的，这些孔可以使螺栓受振动时不至松脱。
有的螺栓没螺纹的光杆要做细，叫细腰螺栓，这种螺栓有利于受变力的联结。钢结构上有专用的高强度螺栓，头部会做大些，尺寸也有变化。另外有特殊用处的：T形槽螺栓用，机床夹具上用的最多，形状特殊，头部两侧要切掉。地脚螺栓用于机器和地面连接固定的，有很多种形状.U形螺栓,如前述等等，还有焊接用的专用螺柱，一头有螺纹一头没，可以焊在零件上，另一边直接拧螺母。
根据几何参数设计，进行六角螺栓的几何建模。六角螺栓的几何模型如下图1和图2所示。

图1 六角螺栓的三维线框图

图2 六角螺栓的三维实体图
3.2.2 轴承的实体建模
轴承（“Bearing”，日本人称“轴受”）是在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的部件。也可以说，当其它机件在轴上彼此产生相对运动时，用来降低动力传递过程中的摩擦系数和保持轴中心位置固定的机件。轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类。
轴承是各类机械装备的重要基础零部件，它的精度、性能、寿命和可靠性对主机的精度、性能、寿命和可靠性起着决定性的作用。在机械产品中，轴承属于高精度产品，不仅需要数学、物理等诸多学科理论的综合支持，而且需要材料科学、热处理技术、精密加工和测量技术、数控技术和有效的数值方法及功能强大的计算机技术等诸多学科为之服务，因此轴承又是一个代表国家科技实力的产品。
根据第二章的几何参数设计，进行轴承的几何建模。轴承的几何模型如下图3和图4所示。

图3 轴承的三维线框图

图4 轴承的三维实体图
3.2.3 轴和键实体建模
轮轴指支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般为金属圆杆状，各段可以有不同的直径。机器中作回转运动的零件就装在轴上。
实现轴和轴上零件的一起运动可以通过键连接实现。键主要用作轴和轴上零件之间的周向固定以传递扭矩，有些键还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动。如减速器中齿轮与轴的联结。
下图5和图6分别为轴的线框图和实体图，图7和图8图分别为键的线框图和实体图。

图5 齿轮轴的线框图

图6 齿轮轴的实体图

图7 键的线框图 图8 键的实体图
3.2.4 六角螺母实体建模
六角螺母与螺栓、螺钉配合使用，起连接紧固机件作用。其中经1型六用螺母应用最广，C级螺母用于表面比较粗糙、对精度要求不高的机器、设备或结构上；A级和B级螺母用于表面比较光洁、对精度要求较高的机器、设备或结构上。2型六角螺母的厚度M较厚，多用于常经常需要装拆的场合。六角薄螺母的厚度M较薄，多用于被连接机件的表面空间受限制的场合。六角螺母按照公称厚度分为I型、II型和薄型三种。8级以上的螺母分为1型与II型两种型式。
如图9和图10所示，根据第二章的计算分析，分别建立六角螺母的线框图和实体图，为后续装配用。

图9 六角螺母的三维线框图

图10 六角螺母的三维实体图
3.2.5 重型板式链实体建模
重型板式链实体建模，由多片链板用销轴连接而成的链条。
如图11和图12所示，建立凿岩机的重型板式链实体模型和线框图，为后续装配使用。

图11 重型板式链的实体模型

图12 重型板式链三维线框模型
3.2.6 轴套实体建模
轴套是所有零件中比较简单的，主要用来轴上零件的轴向定位，轴套的线框图和实体图如图13和图14所示。

图13 轴套的三维线框模型 图14 轴套的三维线实体
3.2.6 连接板实体建模
如图15和图16所示为连接板的实体图和三维线框图

图15 连接板的实体图 图16 连接板的三维线框图
3.2.7 滑轨和托架机构的整体装配
在外载荷的作用下，垂直液压缸给末端执行机构提供动力，另一液压缸推动托架沿滑轨运动，实现滑轨的定位。滑轨和托架机构的整体装配实体图和线框图如图17所示。

图17 滑轨和机架整体装配实体图和线框图

第四章 滑架机构和托架装配仿真和绘制工程图
4.1 基于solidworks和cosmosmotion建立装配仿真模型
传统的机械产品设计仅仅注重产品的前期功能性设计，例如结构、功能、成本等，这些依靠常用的CAD 软件即可完成，后期验证产品功能时，可使用CAE 软件进行分析验证。 在市场经济条件下的产品开发，除了对产品本身功能进行设计外，还需注意采用多种多样的形式进行产品的后续宣传和形象传递，如海报、说明书、产品的仿真动画等，特别是如何使机械产品动态运作符合其实际的工作规律，并且把这种视像记录下来，这一技术在产品开发过程中正占据着越来越重要的地位。
机械产品的三维仿真动画在产品的设计、开发、加工制造和产品营销中都具有现实意义。不同客户对同一产品的要求有时会不一样，传统设计要反复修改实物样品或制造多个实物样品，周期长，费用高，动态仿真可以根据客户的修改意见把产品逼真、直观地模拟演示出来，得到客户确认后再实际进行生产。在加工制造环节中，动态仿真可以进行直观的全方位动态视频演示。
因此，制作机械产品的动画仿真不仅可以缩短设计周期，降低设计成本，同时也增强了产品的竞争力以及与客户的亲和力，方便产品推广和技术交流。
机械产品零部件的三维实体建模与装配是实现动画仿真的基础和前提。对于机械设计而言，单纯的零件没有实际意义，必须装配成完整部件或机器实体。装配不仅是表达零件之间的配合关系，也是运动分析、干涉检查和实现动画的基础。装配的方法是将准备好的零件逐一插入装配体文件，并依次添加零件之间的配合关系。在SolidWorks中系统默认第一个插入的零件是固定的，以作为其它零件装配的基础和参考，因此必须仔细考虑第一个零件的插入，一般选择产品的支架、底座等主要零件作为第一零件。
目前可以完成机械产品动态仿真的三维软件很多，比较常用的有SolidWorks、Pro/E、UG、Matlab等。性价比较高，设计过程简单方便的莫过于SolidWorks了。SolidWorks是在Windows环境下实现的一款功能强大的中高端三维CAD软件，具有超动感的用户操作界面和独到的特征管理树，智能化的装配功能和动态的运动模拟等特色，而且操作简单，易学易用。
SolidWorks软件还集成了很多应用插件，如图1所示，启用COSMOSMotion插件，秉承SolidWorks一贯的简便易用的风格，可以很方便的生成形象逼真的机械产品演示画，让原先呆板的设计成品动起来，实现产品的功能展示。COSMOSMotion插件集成于SolidWorks软件中，并且与SolidWorks软件实现无缝连接。COSMOS Motion插件是一个