CN105386719A - 一种空间全滚动凸轮弹簧式冲击机构 - Google Patents

Abstract

一种空间全滚动凸轮弹簧式冲击机构，包括：冲击驱动组件、冲击传动组件；冲击驱动组件包括主动齿轮(8)；冲击传动组件包括上盖(1)、弹簧(5)、重锤(6)、从动齿轮(16)等；主动齿轮(8)与从动齿轮(16)啮合，滚子(20)安装在从动齿轮(16)上端面的安装座上，重锤(6)外壁上圆环形结构的下端面有与滚子(20)配合的端面凸轮并通过钢垫(22)与上壳体(2)进行定位，重锤(6)下端插入从动齿轮(16)的中心孔内，弹簧(5)一端固定在重锤(6)的圆环形结构上端面上，另一端固定在上盖(1)上。本发明用于解决空间环境中钻取采样的冲击技术问题，具有重量轻、效率高、结构紧凑、无污染、重复性好的特点。

Description

一种空间全滚动凸轮弹簧式冲击机构

技术领域

本发明涉及一种凸轮弹簧式冲击机构。

背景技术

冲击机构是空间冲击-回转型钻采取样系统的重要组成部分，在空间钻采取样中其冲击作用是一种往复冲击运动，能够提供钻具对岩石的破碎能力。

目前常用的冲击机构一般常采用液压、气动、电磁等冲击方式，在结构上一般采用独立转迁机构，利用活塞运动实现冲击，并且通常都具有防空打和缓冲的机构。这类冲击机构常用于道路、桥梁、煤矿、石油等钻探工作中，具有单次冲击力大、可有效进行岩石等的开凿。但也存在如下不足：

(1)液压、气动类的冲击机构对密封的要求严格，使用不当容易造成油液或者气体泄漏，对环境和样品造成污染。同时由于引入液压、气动等方式，难以适应深孔钻取中真空的要求，也难以适应高低温变化的环境温度。

(2)目前常用的冲击机构大部分需要润滑泥浆或者干粉等润滑剂，为冲击钻进过程提供润滑和冷却的作用，提高钻进效率。润滑剂的引入带来了污染样品的问题，无法适应深空采样中样品无污染要求。

(3)目前常用的冲击机构一般体积和重量都较大，难以满足深空钻取采样要求钻机体积小、重量轻的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种空间全滚动凸轮弹簧式冲击机构，具有重量轻、效率高、耗能低、结构紧凑、适应性好、无污染、重复性好的特点，用于解决空间环境中钻取采样的冲击技术问题。

本发明所采用的技术方案是：一种空间全滚动凸轮弹簧式冲击机构，包括：冲击驱动组件、冲击传动组件；冲击驱动组件包括主动齿轮；冲击传动组件包括上盖、上壳体、上滑动轴承、弹簧、重锤、从动齿轮、从动齿轮用深沟球轴承、下壳体、滚子用深沟球轴承、滚子、下滑动轴承、钢垫、防扭转深沟球轴承；主动齿轮与从动齿轮啮合，从动齿轮用深沟球轴承安装在从动齿轮下端面中心处的圆柱结构上，从动齿轮通过从动齿轮用深沟球轴承安装于下壳体上；滚子安装在从动齿轮上端面的安装座上，滚子用深沟球轴承安装在滚子两端，重锤外壁上有圆环形结构，圆环形结构下端面有与滚子配合的端面凸轮，圆环形结构下端面通过钢垫与上壳体进行定位，重锤下端插入从动齿轮的中心孔内，通过下滑动轴承定位，下滑动轴承安装在重锤下端和从动齿轮之间，重锤上端插入上盖下端面的圆筒结构内，通过上滑动轴承定位，上滑动轴承安装在上盖下端面的圆筒结构内且位于重锤和上盖之间；弹簧套在上盖下端面的圆筒结构上，一端固定在重锤的圆环形结构上端面上，另一端固定在上盖上；上盖安装在上壳体的上端，上壳体下端固定在下壳体上；重锤圆环形结构的外侧有连接轴，防扭转深沟球轴承安装在连接轴上，防扭转深沟球轴承安装于上壳体的配合槽内。

所述冲击驱动组件还包括电机轴端垫片、减速器、电机；电机与减速器连接，减速器固定在下壳体上，减速器的输出轴穿过主动齿轮的中心，电机轴端垫片安装在主动齿轮上端面中心处，并通过螺钉固定在输出轴的一端。

所述重锤上包括两个相同的端面凸轮；所述端面凸轮的端面凸轮曲线包括升程阶段和回程阶段，i＝0°～150°时为端面凸轮的升程阶段，i＝150°～180°时为端面凸轮的回程阶段；

其中，升程阶段包括第一正弦加速度运动曲线、等速运动曲线、第二正弦加速运动曲线；

所述第一正弦加速度运动曲线符合如下公式：

$y=\frac{10}{\mathrm{\π}}i-\frac{5}{6\mathrm{\π}}sin\left(12i\right),i\∈\[0,\frac{\mathrm{\π}}{12});$

所述等速运动曲线符合如下公式：

$y=\frac{20}{\mathrm{\π}}i-\frac{5}{6},i\∈\[\frac{\mathrm{\π}}{12},\frac{3}{4}\mathrm{\π});$

所述第二正弦加速度运动曲线符合如下公式：

$y=\frac{20}{3}+\frac{10}{\mathrm{\π}}i+\frac{5}{6\mathrm{\π}}sin(10\mathrm{\π}-12i),i\∈\[\frac{3}{4}\mathrm{\π},\frac{5}{6}\mathrm{\π}\];$

回程阶段包括如下两条直线，公式如下：

$y=15mm,i\∈(\frac{5}{6}\mathrm{\π},\mathrm{\π});$

0mm≤y<15mmi＝π；

其中，i为端面凸轮的展开角，y为端面凸轮位移，端面凸轮曲线距离重锤上圆环形结构近的一端端点处为i＝0°位置。

所述从动齿轮用深沟球轴承有两个。

所述冲击传动组件还包括上滑动轴承挡圈、从动齿轮用深沟球轴承挡圈、从动齿轮用深沟球轴承内套筒、从动齿轮用深沟球轴承外套筒、滚子用深沟球轴承内挡圈、滚子用深沟球轴承外挡圈、防扭转深沟球轴承内挡圈、防扭转挡圈螺母；上滑动轴承挡圈安装在上滑动轴承下端；从动齿轮用深沟球轴承挡圈安装在从动齿轮中心处圆柱结构的末端，位于从动齿轮用深沟球轴承与外部固定结构之间；从动齿轮用深沟球轴承内套筒、从动齿轮用深沟球轴承外套筒位于两个从动齿轮用深沟球轴承之间；滚子用深沟球轴承内挡圈、滚子用深沟球轴承外挡圈安装在滚子一端，固定在从动齿轮上端面；防扭转深沟球轴承内挡圈位于防扭转深沟球轴承外侧，通过防扭转挡圈螺母固定在重锤圆环形结构外侧的连接轴一端。

所述重锤与从动齿轮同轴线。

所述滚子的轴线与从动齿轮的轴线垂直相交。

所述重锤圆环形结构上的连接轴轴线与重锤轴线垂直相交。

所述主动齿轮与从动齿轮之间附有DLC基固体润滑复合薄膜。

所述滚子外圆柱面、钢垫与重锤间的配合面、防扭转深沟球轴承与上壳体上配合槽间的配合面、重锤的底面附有二硫化钼薄膜。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用了冲击驱动组件驱动端面凸轮，通过弹簧储能驱动重锤敲击钻杆实现冲击能量的传递，大大简化了现有冲击机构的设计，具有体积小、重量轻的特点。

(2)本发明通过冲击驱动组件驱动齿轮副传动实现重锤的轴向运动，滚子采用滚动的方式，减少传动环节，效率损失少，具有高效率的优点；采用端面凸轮机构加弹簧的传统机械式设计方法，能够实现重复使用，比电磁式、气动式具有更高的可靠性，具有高可靠性，重复性好的优点。

(3)本发明在冲击机构设计的过程中还充分考虑了空间环境的影响，采用粘接和溅射固体二硫化钼薄膜、DLC基固体润滑复合薄膜的润滑方式，具有对采集的样品无污染、能够适应高真空度要求的优点。

附图说明

图1为本发明的具体组成与装配剖视图；

图2为图1中A部位的局部放大图；

图3为本发明的具体组成与装配俯视图；

图4为本发明的重锤三维模型图；

图5为本发明中重锤端面凸轮的端面凸轮曲线示意图。

具体实施方式

一种空间全滚动凸轮弹簧式冲击机构，包括：冲击驱动组件、冲击传动组件。如图1～图3所示，冲击驱动组件包括：电机轴端垫片7、主动齿轮8、减速器9和电机10。冲击传动组件包括：上盖1、上壳体2、上滑动轴承3、上滑动轴承挡圈4、弹簧5、重锤6、从动齿轮用深沟球轴承挡圈11、从动齿轮用深沟球轴承12、从动齿轮用深沟球轴承内套筒13、从动齿轮用深沟球轴承外套筒14、下壳体15、从动齿轮16、滚子用深沟球轴承内挡圈17、滚子用深沟球轴承18、滚子用深沟球轴承外挡圈19、滚子20、下滑动轴承21、钢垫22、防扭转深沟球轴承23、防扭转深沟球轴承内挡圈24和防扭转挡圈螺母25。

由图1、图2、图3所示，电机10做为动力输出机构为冲击机构输入能量，减速器9采用二级行星减速的方式，与电机10联接，电机10输出轴端安装减速器9第一级的太阳轮。通过减速器9的法兰面和定位止口安装于下壳体15上。主动齿轮8安装于减速器9输出轴的位置，通过电机轴端垫片7和螺钉限制主动齿轮8的轴向位置，通过主动齿轮8和减速器9输出轴配合的圆柱面和异型面实现主动齿轮8扭矩的安装位置和扭矩的传递。主动齿轮8和从动齿轮16啮合，主动齿轮8和从动齿轮16的中心距通过下壳体15机加保证。从动齿轮16下端有轴承安装面，通过两个同种型号的轴承从动齿轮用深沟球轴承12悬臂安装于下壳体15上，两个从动齿轮用深沟球轴承12采用一端游动一端固定的安装方式，距离从动齿轮16远端的深沟球轴承12通过机壳、从动齿轮用深沟球轴承挡圈11、从动齿轮用深沟球轴承内套筒13和从动齿轮用深沟球轴承外套筒14实现轴承内外圈固定，距离从动齿轮16近端的深沟球轴承12通过从动齿轮用深沟球轴承内套筒13和从动齿轮16的轴肩实现轴承内圈固体和外圈游动。从动齿轮16上端面有轴承安装座，滚子20利用从动齿轮16的轴承安装座，通过滚子用深沟球轴承18、滚子用深沟球轴承内挡圈17和滚子用深沟球轴承外挡圈19安装于从动齿轮16上端。从动齿轮16上端面安装有两个滚子20，滚子20的中心轴线与从动齿轮16的中心轴线垂直相交。钢垫22安装在上壳体2上，上壳体2和下壳体15通过定位面进行定位，同理上壳体2和上盖1也通过定位面定位，并通过螺钉联接为一体。上滑动轴承3安装在上盖1的下端，通过上滑动轴承挡圈4进行轴向限位。下滑动轴承21安装在从动齿轮16上，通过螺钉固定在从动齿轮16上。重锤6有上圆柱段、下圆柱段、冲击端面、防扭连接轴和端面凸轮组成，如图4所示，通过上圆柱段与上滑动轴承3配合，下圆柱段与下滑动轴承21配合，将重锤6安装在与从动齿轮16同轴线的位置；通过端面凸轮与滚子20配合，冲击端面与钢垫22配合，对重锤6轴向运动行程进行限制，使得冲重锤6按照预先设定的行程进行往复冲击运动；重锤6通过2个防扭连接面，安装两个防扭转深沟球轴承23实现重锤6沿轴向反复运动而不发生沿轴线扭转的功能。两个防扭转深沟球轴承23与上壳体2上的槽体配合，通过防扭转深沟球轴承内挡圈24和防扭转挡圈螺母25实现其在重锤6上的安装。弹簧5安装于上盖1的下端面和重锤6冲击端面的上侧之间，为冲击机构提供弹簧储能。

冲击驱动组件通过主动齿轮8推动从动齿轮16，再通过滚子20推动重锤6压缩弹簧5，重锤6在弹簧5储能的作用下，最终实现重锤6的轴向运动，并与钻杆发生碰撞，最终实现钻杆的轴向冲击，冲击功的大小主要决定于弹簧5的参数和重锤6的运动行程。

本发明冲击运动的实现是通过驱动重锤6上的端面凸轮来实现的。端面凸轮曲线的设计与冲击机构的冲击频率、冲击功等主要冲击参数有关，其中，端面凸轮曲线包括升程阶段和回程阶段，其中升程阶段包括正弦加速度运动曲线和等速运动曲线。正弦加速度运动曲线能够保证端面凸轮在啮入和啮出滚子20的时候无冲击，为冲击机构提供良好的受力环境。等速运动曲线保证冲击机构能够以匀速的形式进行上升，避免加速运动带来的轴向冲击等不良影响。通过对正弦加速度运动曲线和等速运动曲线组合优化设计，最终实现以最小的冲击驱动能量实现最大的冲击功输入。重锤6包括两个端面凸轮，具有相同的端面凸轮曲线，如图5所示，为一个端面凸轮的端面凸轮曲线，即一个周期内端面凸轮沿圆周展开的曲线。在P1～P6端面凸轮曲线中，P1～P4段为升程阶段，P4～P6为回程阶段。在升程阶段中P1～P2段为第一正弦加速度运动曲线段，P2～P3为等速运动曲线段，P3～P4为第二正弦加速度运动曲线段。

P1～P2第一正弦加速度运动曲线符合如下公式：

$\frac{10}{\mathrm{\&pi;}}i-\frac{5}{6\mathrm{\&pi;}}sin\left(12i\right),i\&Element;\&lsqb;0,\frac{\mathrm{\&pi;}}{12});$

P2～P3等速运动曲线符合如下公式：

$\frac{20}{\mathrm{\&pi;}}i-\frac{5}{6},i\&Element;\&lsqb;\frac{\mathrm{\&pi;}}{12},\frac{3}{4}\mathrm{\&pi;});$

P3～P4第二段正弦加速度运动曲线符合如下公式：

$\frac{20}{3}+\frac{10}{\mathrm{\&pi;}}i+\frac{5}{6\mathrm{\&pi;}}sin(10\mathrm{\&pi;}-12i),i\&Element;\&lsqb;\frac{3}{4}\mathrm{\&pi;},\frac{5}{6}\mathrm{\&pi;}\&rsqb;;$

回程阶段包括如下两条直线，公式如下：

P4～P5直线一：y＝15mm

P5～P6直线二：0mm≤y<15mmi＝π；

其中，i为端面凸轮的展开角，y为端面凸轮位移，端面凸轮曲线距离重锤6上圆环形结构近的一端断点处为i＝0°位置。

重锤6在使用中采用了双凸轮-双辊轴的运动方式，每180°设计一个端面凸轮，其中i＝0°～150°为端面凸轮的升程阶段，如图3所示，在该阶段从动齿轮16推动重锤6克服弹簧5的弹簧阻力上升到预先设定的高度，i＝150°～180°为端面凸轮的回程阶段，在该阶段重锤6在弹簧5的作用下降落到0°位置。在端面凸轮的回程阶段，由于重锤6垂直降落，从动齿轮16仍在进行圆周转动，当重锤6的单位时间的位移小于安装于从动齿轮16上的滚子20的单位垂直位移时，重锤6端面凸轮的P5～P6段与滚子20无法分离，重锤6所输出的冲击功受到滚子20的阻力的影响而变小。为了避免重锤6下降过程中，重锤6和滚子20不分离导致冲击功大部分损失在跟随运动中，对端面凸轮回程阶段的角度，从动齿轮16转速和端面凸轮的位移进行了组合优化以减小冲击功损失。

主动齿轮8与从动齿轮16之间采用DLC基固体润滑复合薄膜进行润滑。滚子20外圆柱面、钢垫22与重锤6间的配合面、防扭转深沟球轴承23与上壳体2上配合槽间的配合面、重锤6的底面采用二硫化钼薄膜进行润滑。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种空间全滚动凸轮弹簧式冲击机构，其特征在于，包括：冲击驱动组件、冲击传动组件；冲击驱动组件包括主动齿轮(8)；冲击传动组件包括上盖(1)、上壳体(2)、上滑动轴承(3)、弹簧(5)、重锤(6)、从动齿轮(16)、从动齿轮用深沟球轴承(12)、下壳体(15)、滚子用深沟球轴承(18)、滚子(20)、下滑动轴承(21)、钢垫(22)、防扭转深沟球轴承(23)；主动齿轮(8)与从动齿轮(16)啮合，从动齿轮用深沟球轴承(12)安装在从动齿轮(16)下端面中心处的圆柱结构上，从动齿轮(16)通过从动齿轮用深沟球轴承(12)安装于下壳体(15)上；滚子(20)安装在从动齿轮(16)上端面的安装座上，滚子用深沟球轴承(18)安装在滚子(20)两端，重锤(6)外壁上有圆环形结构，圆环形结构下端面有与滚子(20)配合的端面凸轮，圆环形结构下端面通过钢垫(22)与上壳体(2)进行定位，重锤(6)下端插入从动齿轮(16)的中心孔内，通过下滑动轴承(21)定位，下滑动轴承(21)安装在重锤(6)下端和从动齿轮(16)之间，重锤(6)上端插入上盖(1)下端面的圆筒结构内，通过上滑动轴承(3)定位，上滑动轴承(3)安装在上盖(1)下端面的圆筒结构内且位于重锤(6)和上盖(1)之间；弹簧(5)套在上盖(1)下端面的圆筒结构上，一端固定在重锤(6)的圆环形结构上端面上，另一端固定在上盖(1)上；上盖(1)安装在上壳体(2)的上端，上壳体(2)下端固定在下壳体(15)上；重锤(6)圆环形结构的外侧有连接轴，防扭转深沟球轴承(23)安装在连接轴上，防扭转深沟球轴承(23)安装于上壳体(2)的配合槽内。

2.根据权利要求1所述的一种空间全滚动凸轮弹簧式冲击机构，其特征在于：所述冲击驱动组件还包括电机轴端垫片(7)、减速器(9)、电机(10)；电机(10)与减速器(9)连接，减速器(9)固定在下壳体(15)上，减速器(9)的输出轴穿过主动齿轮(8)的中心，电机轴端垫片(7)安装在主动齿轮(8)上端面中心处，并通过螺钉固定在输出轴的一端。

3.根据权利要求1或2所述的一种空间全滚动凸轮弹簧式冲击机构，其特征在于：所述重锤(6)上包括两个相同的端面凸轮；所述端面凸轮的端面凸轮曲线包括升程阶段和回程阶段，i＝0°～150°时为端面凸轮的升程阶段，i＝150°～180°时为端面凸轮的回程阶段；

其中，升程阶段包括第一正弦加速度运动曲线、等速运动曲线、第二正弦加速运动曲线；

所述第一正弦加速度运动曲线符合如下公式：

$\begin{array}{cc}y=\frac{10}{\mathrm{\&pi;}}i-\frac{5}{6\mathrm{\&pi;}}sin\left(12i\right)& i\&Element;\&lsqb;0,\frac{\mathrm{\&pi;}}{12})\end{array};$

所述等速运动曲线符合如下公式：

$\begin{array}{cc}y=\frac{20}{\mathrm{\&pi;}}i-\frac{5}{6}& i\&Element;\&lsqb;\frac{\mathrm{\&pi;}}{12},\frac{3}{4}\mathrm{\&pi;})\end{array};$

所述第二正弦加速度运动曲线符合如下公式：

$\begin{array}{cc}y=\frac{20}{3}+\frac{10}{\mathrm{\&pi;}}i+\frac{5}{6\mathrm{\&pi;}}sin(10\mathrm{\&pi;}-12i)& i\&Element;\&lsqb;\frac{3}{4}\mathrm{\&pi;},\frac{5}{6}\mathrm{\&pi;}\&rsqb;\end{array};$

回程阶段包括如下两条直线，公式如下：

$\begin{array}{cc}y=15mm& i\&Element;(\frac{5}{6}\mathrm{\&pi;},\mathrm{\&pi;})\end{array};$

0mm≤y<15mmi＝π；

其中，i为端面凸轮的展开角，y为端面凸轮位移，端面凸轮曲线距离重锤(6)上圆环形结构近的一端端点处为i＝0°位置。

4.根据权利要求3所述的一种空间全滚动凸轮弹簧式冲击机构，其特征在于：所述从动齿轮用深沟球轴承(12)有两个。

5.根据权利要求4所述的一种空间全滚动凸轮弹簧式冲击机构，其特征在于：所述冲击传动组件还包括上滑动轴承挡圈(4)、从动齿轮用深沟球轴承挡圈(11)、从动齿轮用深沟球轴承内套筒(13)、从动齿轮用深沟球轴承外套筒(14)、滚子用深沟球轴承内挡圈(17)、滚子用深沟球轴承外挡圈(19)、防扭转深沟球轴承内挡圈(24)、防扭转挡圈螺母(25)；上滑动轴承挡圈(4)安装在上滑动轴承(3)下端；从动齿轮用深沟球轴承挡圈(11)安装在从动齿轮(16)中心处圆柱结构的末端，位于从动齿轮用深沟球轴承(12)与外部固定结构之间；从动齿轮用深沟球轴承内套筒(13)、从动齿轮用深沟球轴承外套筒(14)位于两个从动齿轮用深沟球轴承(12)之间；滚子用深沟球轴承内挡圈(17)、滚子用深沟球轴承外挡圈(19)安装在滚子(20)一端，固定在从动齿轮(16)上端面；防扭转深沟球轴承内挡圈(24)位于防扭转深沟球轴承(23)外侧，通过防扭转挡圈螺母(25)固定在重锤(6)圆环形结构外侧的连接轴一端。

6.根据权利要求1或2所述的一种空间全滚动凸轮弹簧式冲击机构，其特征在于：所述重锤(6)与从动齿轮(16)同轴线。

7.根据权利要求1或2所述的一种空间全滚动凸轮弹簧式冲击机构，其特征在于：所述滚子(20)的轴线与从动齿轮(16)的轴线垂直相交。

8.根据权利要求1或2所述的一种空间全滚动凸轮弹簧式冲击机构，其特征在于：所述重锤(6)圆环形结构上的连接轴轴线与重锤轴线垂直相交。

9.根据权利要求1或2所述的一种空间全滚动凸轮弹簧式冲击机构，其特征在于：所述主动齿轮(8)与从动齿轮(16)之间附有DLC基固体润滑复合薄膜。

10.根据权利要求1或2所述的一种空间全滚动凸轮弹簧式冲击机构，其特征在于：所述滚子(20)外圆柱面、钢垫(22)与重锤(6)间的配合面、防扭转深沟球轴承(23)与上壳体(2)上配合槽间的配合面、重锤(6)的底面附有二硫化钼薄膜。