ydx-1200l岩心钻机动力头变速箱体优化设计

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1、第28卷第4期湖南科技大学学报(自然科学版)Vo1．28No．42013年12月JournalofHunanUniversityofScience＆Technology(NaturalScienceEdition)Dec．2013YDX一1200L岩心钻机动力头变速箱体优化设计王嘉伟，江进国，黄晓林，陈泽平(I．中国地质大学机械与电子信息学院，湖北武汉430074；2．中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都6117343．中国煤炭科工集团重庆设计研究院，重庆400039)摘要：动力头作为岩心钻机中动力传递的核心部件，其性能好坏决定着钻探施工的工程质量与效率．根据目前地质勘探市场需求

2、，对YDX一1200L岩心钻机动力头进行增扭设计，并运用有限元软件对动力头箱体在一档最大载荷情况下进行了静力学分析，在此基础上，选取侧壁厚度、固定拖板厚度等作为设计变量，在ANSYSWorkbench进行多目标优化，在满足受力的情况下，减轻了箱体质量，为变速箱体设计及制造提供理论参考；其研究方法对其它类型箱体具有借鉴意义．关键词：增扭设计；ANSYSWorkbench；有限元分析；多目标优化中图分类号：P634．31文献标识码：A文章编号：1672—9102(2013)04—0022—05目前国内对动力头的设计多采用传统方法设计跨度较大的问题，巧妙实现扭矩提升，而不增加箱体或比照立

3、轴式钻机来设计，不能与液压驱动动力系尺寸．箱体的原理如图1所示，在高速端采用一级单统很好地相结合，导致变速箱的结构尺寸大、质量87654321重、性能差-2]．YDX一1200型岩心钻机是一款应；／

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5、＼—f用较广的岩心钻机，有多个类似的型号，但仍存在动／＼j『L

6、／丫_·rJ力变速档位少、箱体笨重等问题，并在处理深孔复杂七{ldlj钻探时扭矩显得不足，特别在西北地区的地质环境厂、lIlIIqI＼Il里尤为明显j．因此，本文在不增大动力头箱体尺卜呻J__1【寸的前提下，对此动力头进行增扭设计，将动力头最t大输出扭矩从5100Nm提高到8000Nm，并采用／

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8、orkbench对变速箱进行分析和多目标优IInI。＼fr一一uf化，在满足箱体强度、刚度的前提下控制箱体尺寸，，【减小壁厚，减轻重量，提高性能，满足市场需求．=／9。

9、＼＼1Il2l＼1动力头的增扭设计1一行星内齿圈；2一行星轮g；3一行星架；4一输入轴；5一太阳对YDX一1200L型全液压岩心钻机动力头进行轮；6一一档内外从动齿轮；7一减速从动齿轮；8一空心输出轴(动力头主轴)；9一三档齿轮毂；10一四档从动齿轮；11一中间增扭设计研究，实现动力头主轴最大输出扭矩从轴；12一二档主动齿轮；13一三档主动齿轮；14一四档主动齿5100Nm提升到8000Nm．动力头变速箱采用四档轮

10、；15一一档主动齿轮轴；16一箱体变速设计，将行星齿轮与传统岩心钻机动力箱灵活图1动力头变速箱原理图结合，避免采用四档变速中一档与其他三档传动比Fig．1Theprinciplediagramofthepowerheadgearbox收稿日期：2013—09—09基金项目：中国地质大学(武汉)先进地质装备研制课题(KH126559)通信作者：江进国(1955一)，男，湖北武汉人，硕士，教授，主要从事岩土工程机械及液压系统研究22大变形位移及最小设计安全系数内使动力头变速箱获得3组最优解，如表5所示．体的质量最小，分别选取变速箱体的侧壁厚及固定表4定义优化变量参数Tab．4Todef

11、inetheoptimizationvariableparameters拖板的厚度为设计变量，箱体的质量、最大变形位移、最大等效应力为目标函数，在ANSYS中的AWE环境里对动力头变速箱体进行多目标优化m，设计变量如表3所示，并设置优化目标如表4所示．表3定义设计变量参数3个优化方案的结果并不理想，箱体的变形位Tab．3Todefinethedesignvariableparameters移一定程度下得到了减小但箱体的质量没有得到优设计变量名初始值／mm最小目标f~／mm最大目标值／mm化，是因过分追求变形位移最小所至，其中最小变形为0．146mm，与优化前相差不大，因为变形方向与

12、轴承孔法向方向几乎平行，不会对齿轮传动精度造成影响．因此，以减小箱体变形位移为目标进行优化效果不明显．重新设置优化目标了，所得的优化方案首先以使箱体的质量最小、箱体变形位移最小如表6所示．为目标，在目标驱动优化模块中对其进行分析⋯，表5箱体多目标优化结果1(最小变形、最小质量)Tab．5Themuhi—objectiveoptimizationresultsontheminimumdeformationandquality优化方案A箱体在满足强度、刚度下质量减轻指导方